DE2731543B2

DE2731543B2 - Verfahren zur Herstellung von Cyclopentadecanolid

Info

Publication number: DE2731543B2
Application number: DE2731543A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. Bauer; Alfred Dr. Koerber
Original assignee: Haarmann & Reimer 3450 Holzminden GmbH
Current assignee: Haarmann & Reimer 3450 Holzminden GmbH
Priority date: 1977-07-13
Filing date: 1977-07-13
Publication date: 1979-11-22
Also published as: DE2731543C3; IT1105097B; JPS6121474B2; JPS5419989A; EP0000476A1; DE2861130D1; EP0000476B1; US4187222A; IT7850241A0; DE2731543A1

Description

in der

X ein Sauerstoffatom, die Gruppe =NOH oder = N-NH₂ bedeutet.

überführt, das Lacton der allgemeinen Formel (I) nach der Methode von Wolff-Kishner mit Natrium oder Natriumalkoholat oder nach Huang-Minlon mit Hydrazin in Gegenwart von Alkalihydroxid unter öffnung des Lactonringes zur 15-Hydropentadecansäure reduziert und diese in an sich bekannter Weise zum Cyclopentadecanolid cycliert.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]-hexadecen-[l(12)] mit Nitrosylchlorid oder einer unter den Reaktionsbedingungen Nitrosyl-ionen bildenden Stickstoffverbindung zum 12-Oximinocyclopentade-.:anolid umsetzt, dieses mit Hydrazinhydrat in Gegenwart von Alkalihydroxid in die 15-Hydroxypentadecansäure überführt und diese unter Überführen in einen linearen Polyester und anschließende Depolymerisationskatalysatorencyciisiert.

Bei dem zweiten Verfahren wird 15-Hydroxy-pentadecansäure zum Cyclopentadecanolid cyclisiert. Diese Cyclisierung kann nach verschiedenen Verfahren vorgenommen werden, z.· B. durch Vakuumdestillation des Polyesters der Säure (Journal of the American Chemical Society, Bd. 58, S. 654 [1936]). Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Ausgangsmaterialien zur Herstellung der 15-Hydroxy-pentadecansäure, wie 9,10,16-Trihydroxy-hexadecancarbonsäure (J.

ίο Chem. Soc, 1963, 3505), Erucylalkohol (J. Chem. Soc, 1962, 2348), Undec-10-ensäure (Tetrahedron, 19, 905 [1963]; japanische Patentanmeldung 68 04 262) für ein wirtschaftliches Verfahren zu teuer sind oder nicht in ausreichender Menge zur Verfügung stehen.

In der russischen Patentschrift 5 21274 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem 13-Oxa-bicyclo[l 0.4.0]-hexadecen-[l(12)] mit Butylnitrit/NaHSQj in das ^-Keto-cyclopentadecanolid übergefühi. -nd dieses nach Clemmensen zum Cyclopentadecanolid reduziert wird. Die Ausbeute an Cyclopentadecanolid beträgt bei diesem Verfahren jedoch nur 36%, wie aus den Beispielen hervorgeht Außerdem ist die für die Clemmensen-Reduktion aufgewendete Reaktionszeit von 90 Stunden technisch nicht tragbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, das ausgehend vom leicht zugänglichen 13-Oxabicyclo[10.4.0]-hexadecen-[l(12)] in guten Ausbeuten und unter Vermeidung aufwendiger Verfahrensschritte Cyclopentadecanolid in hoher Reinheit liefert.

jo Die Lösung dieser Aufgabe besteht in dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Cyclopentadecanolid ist dadurch gekennzeichnet, daß man 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]-hexadecen-[l(12)] in an

Ji sich bekannter Weise in ein Lacton der allgemeinen Formel

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Cyclopentadecanolid.

Cyclopentadecanolid ist ein natürlicher Moschus-Riechstoff. Zu seiner Herstellung sind verschiedene Verfahren bekannt, die jedoch eine Reihe von Nachteilen aufweisen, insbesondere, daß sie lediglich geringe Ausbeuten ergeben, und daß die Ausgangsmatcrialien nicht leicht zugänglich sind.

Von wirtschaftlichem Interesse sind lediglich zwei Verfahren. Bei dem in der DE-AS 20 26 056 beschriebenen Verfahren wird das gemäß DE-AS 21 36 496 aus Cyclododecanon leicht zugängliche 13-Oxa-bicyclo[l0.4.0]-hexadecen-[l(12)] mit Wasserstoffperoxid oder einem Alkylhyclroperoxid in ein Peroxid überführt, dieses entweder thermisch oder durch Bestrahlung mit UV-Licht in ein Gemisch aus Cyclopentadecanolid und Cyclopentadecenolid gespalten und das Gemisch hydriert. Das Verfahren hat den Nachteil, daß das Arbeiten mit Peroxiden besondere Vorsichtsmaßnahmen erfordert und daß die Ausbeute an Cyclopentadecanolid nur höchstens 57,9%, bezogen auf 13-Oxa-bicyclo[ 10.4.0]-hexadecen-[ I (12)], betragt.

-n in der

X ein Sauerstoffatom, die Gruppe =NOH oder = N-NH₂ bedeutet, überführt

das Lacton der allgemeinen Forti.el (1) nach der Methode von Wolff-Kishner mit Natrium oder NatriumJkoholat oder nach Huang-Minlon mit Hydrazin in Gegenwart von Alkalihydroxid unter Öffnung des Lactonringes zur 15-Hydroxy-pentadecansäure reduziert und diese in an sich bekannter Weise zum Cyclopentadecanolid cyclisiert.

Überraschenderweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, obwohl bei diesem eine Öffnung des Macrozyclus erfolgt, wesentlich bessere Ausbeuten erhalten als bei den bekannten Verfahren, die ebenfalls vom l3-Oxa-bicyclo[l0.4.0]--hexadecen-[l(l2)] ausgehen und bei denen der Macrozyclus in allen Reaktionsschritten erhalten bleibt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren wird mit technisch ohne Aufwand durchführbaren Verfahrensschritten Cyclopentadecanolid hoher Reinheit in Ausbeuten von 75 bis 85% der Theorie, bezogen auf IS-Oxa-bicycloflOAOj-hexadecen-tH^)] erhalten. Es war auch nicht voraussehbar, daß die

durchzuführende Reduktion des betreffenden Ketolactons die 15-Hydroxy-pentadecansäure unter Spaltung des Lactonrings liefern würde und nicht nur eine Reduktion der Ketogruppe ergibt.

Die Oberführung des 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]-hexadecen-[l(12)] in ein Lacton der Formel (I), in der X für ein Sauerstoffatom steht, kann wie in der DE-OS 24 10 859 beschrieben durch Ozonolyse der Doppelbindung oder entsprechend J. Org. Chem., 37, 581 (1972), mit einem Überschuh einer Persäure erfolgen.

Zur Überführung des 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]-hexadecen-[l(12)] in ein Lacton der Formel (I), in der X für die Gruppe =NOH steht, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, lS-Oxa-bicycIoflOAOj-hexadecen-flfU)] gemäß J. C. S. Chem. Comm., 1972,1078, mit Nitrosylchlorid oder mit unter den Reaktionsbedingungen Nitrosyl-Ionen bildenden Stickstoffverbindungen, wie Alkylnitriten oder Alkalinitriten, umzusetzen.

Zur reduktiven öffnung des Lactonringes zur 15-Hydroxypentadecansäure kann 12-Oximinocyclopentadecanolid zunächst in der für Hydrolyse und Hydrazinolyse von Oximen bekannter Weise, z. B. mit Natriumhydrogensulfid, zum 12-KetocycIopentadecanolid hydrolisiert oder mit Hydrazinhydrat in das entsprechende Hydrazon, d.h. eine Verbindung der Formel (I), in der X für die =NNHrGruppe steht, umgewandelt werden. Das Hyd.azon wird nach Wolff-Kishner mit Natrium oder einem Natriumalkoholat, das Keton, d. h. eine Verbindung der Formel (I), in der X für das Sauerstoffatom steht, nach Huang-Minlon mit Hydrazin in Gegenwart von Natrium- oder Kaliumhydroxid Unter gleichzeitiger Spaltung des Lactonringes zur 15-Hydroxypen:,-decansäure reduziert.

In einer besonders bevorzugten Au."*' "thrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch das 12-Oximino-cyclopentadecanolid unmittelbar, d. h. ohne es zum Keton zu verseifen, mit einem Überschuß an Hydrazinhydrat in Gegenwart von Alkalihydroxid unter Spaltung des Lactonringes zur 12-Hydroxypentadecansäure reduziert. Die reduzierende Spaltung erfolgt durch Erwärmen der Mischung von Oxim, Hydrazin und Alkalihydroxid in einem höher siedenden organischen Lösungsmittel, wie Äthylen- oder Diäthylenglykol, auf Temperaturen von 150 bis 200°C.

Das Molverhältnis Hydrazin: Iz-Oximinocyclopentadecanolid sollte zwischen 1,5 — 3:1 liegen. Hydrazin wird vorzugsweise in Form von 80%igem Hydrazinhydrat eingesetzt. Als Alkalihydroxid werden vorzugsweise Natrium- oder Kaliumhydroxid verwendet. Das Molverhältnis Alkalihydroxid: 12-Oximinocyclopentadecanolid beträgt vorteilhafterweise 3 bis 5:1.

Die Cyclisierung der 15-Hydroxypentadecansäure kann nach den üblichen, aus der Literatur bekannten Verfahren zur Herstellung von Lactonen aus Hydroxycarbonsäuren erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat sich die vorstehend genannte Methode von Spanagel und Carothers (Journal of the American Chemical Society. Bd. 58. 654 [1936]) erwiesen, bei der zunächst aus 15-Hydroxypentadecansäure ein linearer Polyester hergestellt wird, der dann in Gegenwart eines Depolymerisationskatalysators, wie Magnesiumchlorid. Magnesiumoxid, Bleidioxid usw. depolymerisiert wird.

Da in dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch alle Zwischenprodukte und das Endprodukt kristallin anfallen, ist eine Reinigung auf jeder Stufe möglich. Auf diese Weise wird das Endprodukt in hoher Reinheit erhalten und eine spezielle Reinigung entfällt.

Beispiel I

a) Herstellung des 12-Oximinocyclopentadecanolids

ä λ) Eine Mischung von 221 g (1,85 Mol) Jsoamylnitrit, 378 g (1,7 Mol) 13-Oxa-bicye|o[10.4.0]-hexadecen-[1(12)1 850 ml Äthanol und 850 ml Wasser wurde auf -5°C abgekühlt und innerhalb von 75 Minuten tropfenweise mit 129 ml 10%iger Salzsäure ver-

IQ setzt Die Reaktionsmischung wurde 2 Stunden bei

0 bis +5"C gerührt, anschließend mit 1000 ml Wasser versetzt Das ausgefallene Kristallisat wurde abgetrennt, neutral gewaschen und getrocknet

Ausbeute:

448,3 g (■■= 97% der Theorie)
12-Oximinocyclopentadecanolid
ß) Eine Mischung von 379,5 g (5,5 MoI) Natriumnitrit, 1110g (5 Mol) 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]-hexadecen-

[1(12)} 2520mi Isopropanol und 2520 ml Wasser wurde auf eine Temperatur zwischen 0 bis -5°C abgekühlt und in diesem Temperaturbereich innerhalb von 2 Stunden tropfenweise mit 420 g 38%iger Salzsäure versetzt. Anschließend wurden 138 g 38%ige Salzsäure innerhalb von 20 Minuten unter besonders intensiver Kühlung zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde 2 Stuaden bei 0 bis + 5⁰C gerührt, anschließend innerhalb von 2.5 Stunden mit Eiswasser versetzt. Das ausgefallene

jo Kristallisat wurde abgetrennt, neutral gewaschen

und getrocknet.
Ausbeute:

1299 g( = 95,7% der Theorie)
12-Oximinocyclopentadecanolid

b) Umwandlung des ^-Oximino-cyclopentadecanolids in das 12-Keto-cyclopentadecanolid

g (1,5 Mol) des oben gemäß a«) erhaltenen ^-Oximinocyclopentadecanoliüs wurden in einem Gemisch aus 2 1 Äthanol und 2 I 40%iger Natriumbisulfitlösung 2,5 Stunden auf Rückflußtemperatur erhitzt. Dann wurde die Reaktionsmischung mit 3 I Wasser versetzt und mit Äther extrahiert Die organische Phase wurde abgetrennt, neutral gewaschen und getrocknet. Anschließend wurde das Lösungsmittel abdestilliert und der Rückstand im Vakuum destilliert (Kp: 150-153°C/l,3 Torr). Ausbeute: 332g 12-Keto-cyclopentadecanolid = 87% der Theorie, bezogen auf eingesetztes 12-OximinocycIopentadecanolid und 84,5% der Theorie, bezogen auf eingesetztes 13-Oxabicyclo[ 10.4.0]-hexadecen-[ 1(12)}

c) Reduktive Spaltung des Cyclopentadecanolids
zur 15-Hydroxypentadecansäure

λ) Reduktive Spaltung des 12-Oximinocyclopentadecanolids

In einem mit Innenthermometer, Rückflußkiihlcr und Rührer versehenen 4-1-Dreihalskolben wurden

mi 1000 ml Diäthylenglykol vorgelegt. Anschließend

wurden unter Kühlen nacheinander 280g (5 Mol) Kaliumhydroxid, 269 g (1 Mol) der unter a\) erhaltenen 12-Oximinocyclopentadecanolids und 187,5 g 80%iges Hydrazinhydrat zugegeben. Dann

hi wurde die Apparatur mit Stickstoff gespült und das

Reaktionsgemisch 2 Stunden auf Rückflußtemperatur erhitzt. Danach wurde das überschüssige Hydrazinhydrat im Gemisch mit Wasser abdestil-

liert. Dabei wurde die Sumpftemperatur auf 185 bis 195°C gesteigert. Diese Temperatur wurde so lange gehalten, bis die Stickstoffentwicklung beendet war (etwa 9 Stunden). Das Reaktionsgemisch wurde mit einem Liter Eiswasser versetzt und mit Salzsäure auf einen pH-Wert von 2 angesäuert Das ausgefallene Reaktionsprodukt wurde in der Wärme mit Essigester extrahiert. Beim Abkühlen der warmen Essigesterlösung kristallisierte das Produkt wieder aus. Das Produkt wird abgetrennt und getrocknet
Ausbeute:

239 g(=92,6% der Theorie)

15-Hydroxypentadecansäure;

(Schmelzpunkt: 84° C).

Bei Verwendung von jeweils 5 Mol Lithiumhydroxid. Natriumhydroxid oder Natriumäthylat anstelle von 5 Mol Kaliumhydroxid betrugen die Ausbeuten an 15-Hydroxypentadecansäure 87 bis 91,6% der Theorie.

ß) Reduktive Spaltung des 12-Keto-cycIopentadecanolids

50 g gemäß b) erhaltenes 12-Keto-cyclopentadecanolid wurden mit 36,6 g 80%igem Hjdrazinhydrat und 54,7 g Kaliumhydroxid in 150 ml Diäthylenglykol nach den untere«) beschriebenen Reaktionsbedingungen umgesetzt und aufgearbeitet.
Ausbeute:

48 g (94,4% der Theorie)

15-Hydroxypentadecansäure.

?') 50 g gemäß b) erhaltenes 12-Ketocyclopentadecanolid wurden mit 36,6 g 80%igem Hydrazinhydrat und 66,5 g Natriumäthylat in 150 ml Diäthylenglykol unter den in ca) beschriebenen Reaktionsbedingungen umgesetzt. Das Reaktionsgemisch wurde wie in ctx) beschrieben aufgearbeitet.
Ausbeute:

47 g(92,6% der Theorie)

15-Hydroxypentadecansäure.

J) Cyclisierung der 15-Hydroxypentadecansäure zum Cyclopentadecanolid

g (1,49 Mol) gemäß oben unte.· ca) oder cß) rhaltene 15-Hydroxypentadecansäure wurden in einer icstillationsapparatur 3 Stunden auf 16O⁰C erhitzt.

Dann wurde Wasserstrahlvakuum angelegt, um das Restwasser zu entfernen. Der Rückstand wurde mit 23 g Magnesiumchlorid gemischt und unter Rührer und einem Vakuum von 0,5 Torr in eine auf 280⁰C vorgeheizte Destillationsapparatur getropft. Bei 140°C/0,5 Torr gingen 330 g (92,3% der Theorie, bezogen auf eingesetzte 15-Hydroxypentadecansäure) Cyclopentadecanolid über.

Beispiel 2

a) Eine Mischung von 145,5 g (1,6 Mol) fsopropylnitrit 750 ml Isopropanol, 750 ml Wasser und 12 ml 10%iger Salzsäure wurde auf 0'^:C abgekühlt und innerhalb 1 Stunde unter Rühren bei 0 bis +5⁼C mit 333 g (1,5 Mol) 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]-hexadecen-[l(12)] versetzt. Dann wurden weitere 38 ml 10%ige Salzsäure zugetropft und weitere 1,5 Stunden gerührt. Das ausgefallene Kristallisat wurde abgetrennt, neutralgewaschen und getrocknot.

Ausbeute:

403 g (= 100% der Theorie;
12-Oximinocyclopentadecanolid.

b) 403 g des obigen 12-Oximino-cyelopent-idecanoIid werden analog lca) mit 252 g (4,5 Mol) Kaliumhydroxid und 125 g (2 Mol) 80%igem Hydrazinhydrat in 1000 ml Diäthylenglykol umgesetzt und aufgearbeitet. Man erhält 358 g ( = 92,5% der Theorie) 15-Hydroxypentadecansäure.

jo c) 358 g der obigen 15-Hydroxypentadecansäure wurden in einer Destillationsapparatur 3 Stunden auf 160°C erhitzt. Dann wurde Wasserstrahlvakuum angelegt und das restliche Wasser entfernt. Insgesamt wurden 19 g (1.05 Mol) Wasser erhalten.

Ji Der aus 339 g Polyester bestehende Rückstand

wurde mit 11,2g Magnesiumacetat gut vermischt. Die entstandene Schmelze wurde bei 0.5 Torr in eine auf 280⁰C vorgeheizte Destillationsapparatur getropft. Bei 140°C/0,5 Torr ging das Cyclopentadecanolid über. Man erhält 309 g Cyclopentadecanolid = 92,7%, bezogen auf 15-Hydroxypentadecansäure bzw. 86%. bezogen auf 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]-hexadecen-[!(12)].
Gemäß Gaschromatographie beträjjt d'e Reinheit des

4'> Cyclopentadecanolids 99,5%.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Cyclopentadecanolid, dadurch gelcennzeichnet, daß man 13-Oxa-bicycIo[10.4.0]-hexadecen-[l(12)] in an sich bekannter Weise in ein Lacton der allgemeinen Formel