Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aliphatischen und cycloaliphatischen ss-Ketoestern, insbesondere von sterisch gehinderten aliphatischen und cycloaliphatischen ss-Ketoestern mit hervorragenden Ausbeuten Die Synthese von ss-Ketoestern ist bekannt und beispielsweise als Claisen-Kondensation in zahlreichen Lehrbüchern und Veröffentlichungen beschrieben, wobei im allgemeinen Carbonsäureester als Carbonylkomponente mit C-H-aciden Carbonsäureester zu ss-Ketocarbonsäureestern unter Verwendung von mindestens äquimolaren Mengen an basischen Katalysatoren als Kondensationsmittel, wie z. B. Natriumhydrid, Natriumamid, Triphenylmethylnatrium und Alkalimetallalkoholate, in einem inerten Lösungsmittel umgesetzt werden.
Gemischte Esterkondensationen werden im allgemeinen nur mit Ameisensäureestern als Carbonylkomponente durchgeführt, da nur hierbei eindeutige Reaktionsprodukte erhalten werden können.
Beispiele derartiger Kondensationsreaktionen sind in den Artikeln der Zeitschrift J. Amer. Chem. Soc. 72, 1352 (1950); 66, 862 (1944); 66, 1768 (1944); 63, 2252 (1941); 63, 3156 (1941) und in den amerikanischen Patentschriften 2 407942 und 2 367 632 beschrieben.
Die hier erzielten Ausbeuten liegen jedoch im Falle von sterisch gehinderten aliphatischen ss-Ketoestern, wie z.B. bei Pivaloylessigestern, lediglich in der Grössenordnung von etwa 40%, selbst im Falle der Verwendung von stark basischen Katalysatoren, wie Natriumhydrid, Natriumamid in flüssigem Ammoniak oder Triphenylmethylnatrium. Mit Hilfe der präparativ einfacher zu handhabenden Kondensationsmittel, wie Alkalimetallalkoholate, konnten bisher, z.B. im Falle des Pivaloylessigsesters, nur sehr geringe Ausbeuten erhalten werden, da vermutlich der bei der Kondensationsreaktion entstandene ss-Ketoester eine höhere Reaktivität aufweist als die umzusetzenden Ausgangsverbindungen, was zu zahlreichen Nebenreaktionen im Verlauf der Kondensationsreaktion Anlass geben kann.
Daher wurde schon vorgeschlagen, ss-Ketoester durch Umsetzung von Acetessigestern mit Säurechloriden in Gegenwart von Magnesiumalkoholaten und anschliessender hydrolytischer Spaltung des Reaktionsproduktes zu dem gewünschten ss-Ketoester herzustellen, wie in der britischen Patentschrift 1 000 709 beschrieben. Es treten jedoch auch bei dieser Methode in der Praxis zahlreiche Schwierigkeiten auf, so dass z.B. im Falle des Pivaloylessigesters die erhaltenen Ausbeuten im allgemeinen nicht mehr als 40% betragen. Da z.B. der Aktivitätsgrad des käuflichen Magnesium alkohol ats nicht ausreicht, muss das zur Umsetzung benötigte Magnesiumalkoholat stets frisch bereitet werden, was im Falle von grösseren Technikumsansätzen zu erheblichen Schwierigkeiten führen kann.
Darüberhinaus sind das zur Umsetzung benötigte Pivalinsäurechlorid wegen der Geruchsbelästigung schwierig zu verarbeiten und die Reaktionstemperatur der Umsetzung schwierig zu steuern, selbst bei Verwendung von frisch hergestelltem Magnesiumalkoholat. Zudem wird bei der alkalischen Spaltung des intermediär entstandenen ss-Diketocarbonsäure- esters nicht nur Pivaloylessigester, sondern in einer Nebenreaktion auch Acetessigester und Pivalinsäure gebildet. Deshalb ist der so gebildete Pivaloylessigester auch nur schwierig durch Destillation aus dem Gemisch der ss-Ketoester rein zu erhalten.
Es ist daher in der Praxis erforderlich, ein präparativ einfaches Verfahren zu finden, das die Herstellung von aliphatischen und cycloaliphatischen ss-Ketoestern, insbesondere von sterisch gehinderten ss-Ketoestern, mit besseren Ausbeuten und höherer Reinheit ermöglicht, als es bisher nach den Verfahren des Standes der Technik möglich war.
Es wurde nun gefunden, dass aliphatische und cycloaliphatische ss-Ketoester, insbesondere sterisch gehinderte aliphatische und cycloaliphatische ss-Ketoester, mit verbesserten Ausbeuten erhalten werden können, wenn Dialkylketone mit Dialkylcarbonaten und mindestens äquimolaren Mengen eines basischen Kondensationsmittels in an sich bekannter Weise umgesetzt werden und als Lösungsmittel Hexamethylphosphorsäuretriamid verwendet wird.
Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von Hexamethylphosphorsäuretriamid als Lösungsmittel im Vergleich zu herkömmlichen Reaktionen eine Ausbeutesteigerung von ca. 2050% erzielt werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von aliphatischen und cycloaliphatischen ss-Ketoe- stern, wobei entsprechende Ketone in einer Lösung von vorzugsweise überschüssigem Dialkylcarbonat und mindestens einer äquivalenten Menge an einem basischen Kondensationsmittel, bezogen auf das Keton, in Hexamethylphosphorsäuretriamid bei Reaktionstemperaturen von 20-80"C langsam zugegeben werden und anschliessend das gebildete Reaktionsprodukt durch Ansäuern in den ss-Ketoester überführt wird.
Als basische Kondensationsmittel, die gemäss der Erfindung verwendet werden können, sind Alkali- oder Erdalkalimetallalkoholate, wie Natriummethylat, Natriumäthylat, Kalium äthylat, Kalium-t-butylat oder Magnesiumäthylat, Natriumamid, Natriumhydrid und Triphenylmethylnatrium, geeignet.
Von den Alkoholaten ist Kalium-t-butylat bevorzugt.
Die zur Anwendung gelangende Menge an basischem Kondensationsmittel soll mindestens äquivalent zur Menge an eingesetztem Dialkylketon sein und bevorzugt wird im Falle der Alkoholate als Kondensationsmittel mit einem Überschuss von etwa 5 % gearbeitet, der jedoch auch - insbesondere im Fall vom Kalium-t-butylat - höher sein kann. Im Falle der Verwendung von Natriumhydrid als Kondensationsmittel wird vorzugsweise mehr als 2 Mol Natriumhydrid pro Mol eingesetztem Dialkylketon verwendet.
Als Dialkylcarbonate, die gemäss der Erfindung verwendet werden, sind Verbindungen der folgenden allgemeinen Formel I geeignet:
EMI1.1
worin die Reste R und R' gleich oder verschieden sein können und Alkylreste mit 14 C-Atomen darstellen, wie Propyl, rsopropyl, Methyl und insbesondere Äthyl. Vorzugsweise wird als Dialkylcarbonat Diäthylcarbonat verwendet.
Die zur Anwendung gelangende Menge an Dialkylcarbonat soll mindestens äquivalent zur Menge an Keton sein, vorzugsweise wird mit einem 2- bis 10molaren Überschuss an Dialkylcarbonat gearbeitet.
Die angewendete Menge an Hexamethylphosphorsäuretriamid als Lösungsmittel sollte so bemessen sein, dass sie die Reaktion in ausreichendem Masse beschleunigt. Vorzugsweise wird mindestens 0,1 Mol Hexamethylphosphorsäuretriamid pro Mol umzusetzendem Keton als Lösungsmittel verwendet.
Es können beliebig höhere Mengen an Hexamethylphosphorsäuretriamid verwendet werden. Falls erwünscht, kann das überschüssige Hexamethylphosphorsäuretriamid nach Beendigung der Reaktion nach der üblichen Aufarbeitung aus der wässrigen Phase durch Ausschütteln mit Chloroform wiedergewonnen und weiterverwendet werden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung eignet sich zur Umsetzung von üblichen bekannten Alkyl- bzw. cyclischen Ketonen und ist insbesondere für solche Ketone geeignet, die nach den herkömmlichen Methoden mit Dialkylcarbonaten nur schwer oder nur in schlechten Ausbeuten umsetzbar sind.
Prinzipiell sind als Ketone, die gemäss der Erfindung zu Ketoestern umgesetzt werden können, Methylalkylketone oder an der Methylgruppe monosubstituierte, insbesondere monoalkylierte Methylalkylketone sowie cycloaliphatische Ketone geeignet und können in hohen Ausbeuten umgesetzt werden.
In der Praxis besonders vorteilhaft ist die Umsetzung der an der Methylgruppe substituierten oder unsubstituierten Methylalkylketone gemäss der Erfindung zu sterisch gehinderten t3- Ketoestern, was im nachfolgenden bedeuten soll, dass die Reaktivität des zur Umsetzung Verwendung findenden Ketons durch Substituenteneinflüsse beeinflusst wird, so dass nach herkömmlichen Methoden diese Ketone nur in mässigen Ausbeuten zu ss-Ketoestern umgesetzt werden konnten.
Als Ketone, die gemäss der Erfindung verwendet werden, sind demnach Verbindungen der folgenden allgemeinen Formel II geeignet:
EMI2.1
worin bedeuten: R1 = Alkyl mit 1-18 C-Atomen, wie Methyl, Äthyl, Propyl, Butyl, Dodecyl, Octadecyl, insbesondere iso-Propyl oder t-Butyl und R2 = H oder Alkyl mit 1-4 C-Atomen, insbesondere Methyl oder Äthyl, und ferner Rl und R2 zusammen die für einen mehrgliedrigen aliphatischen, insbesondere 5- bis 7-gliedrigen aliphatischen Ring erforderlichen Atome bedeuten wie für einen Cyclopentanon-, Cyclohexanon- oder Cycloheptanonring.
Beispiele von Ketonen, die gemäss der Erfindung mit vorteilhaften Ausbeuten zu ss-Ketoestern umgesetzt werden können, sind Pinakolon, Diäthylketon, Methylisopropylketon und Cyclohexanon.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich demnach in vorteilhafter Weise für die Herstellung der Pivaloylessigester, die in der Technik zur Herstellung von Pivaloylgelbkupplern für die photographische Verwendung wachsende Bedeutung gewinnen. Vorteilhaft für das erfindungsgemässe Verfahren ist es, dass ein Überschuss an Dialkylketon im Reaktionsgemisch, bestehend aus dem Hexamethylphosphorsäuretriamid, dem Dialkylcarbonat und dem basischen Kondensationsmittel, möglichst vermieden wird. Dies kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass das Keton langsam und gleichmässig zum Reaktionsgemisch zugegeben wird, so dass im Reaktionsgemisch jeweils nur eine geringe Menge an nichtumgesetztem Keton vorhanden ist. Vorteilhaft kann das Lösungsmittel Hexamethylphosphorsäuretriamid durch Zugabe eines weiteren inerten organischen Lösungsmittels verdünnt werden.
Das bevorzugte weitere Lösungsmittel ist das zur Umsetzung Verwendung findende Dialkylcarbonat. Ferner sind Benzol, Toluol und Xylol geeignet. Das Keton kann entweder direkt oder in einem inerten Lösungsmittel gelöst dem Reaktionsgemisch zugegeben werden. Bei Verwendung von Alkoholaten als Kondensationsmittel ist es vorteilhaft, wenn der im Reaktionsgemisch jeweils entstehende Alkohol bei der Reaktion durch gleichzeitiges Abdestillieren entfernt wird und seine Konzentration so gering wie möglich gehalten wird. Im Idealfall sollte der Alkohol im Augenblick des Entstehens bereits aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden. Die Umsetzung wird im allgemeinen in der Weise durchgeführt, dass man das dem Dialkylcarbonat entsprechende Alkoholat verwendet.
Bevorzugt wird jedoch beispielsweise - insbesondere bei Verwendung von Diäthylcarbonat - das Natriumäthylat direkt durch Reaktion von Natriummetall mit Diäthylcarbonat hergestellt und direkt zur Reaktion eingesetzt. Wie oben erwähnt, beträgt die Reaktionstemperatur 20-800C und die bei der Reaktion gebildeten Anteile an Alkohol werden über eine Kolonne, gegebenenfalls unter leichtem Vakuum, bei 100-500 Torr abdestilliert. Die kontinuierliche Zugabe des Ketons erfolgt beispielsweise bei molaren Mengen während einer Zeitspanne von vorzugsweise mehr als 2 Stunden.
Unter kontinuierlicher Zugabe sei in diesem Zusammenhang ausser der im strengen Wortsinne kontinuierlichen Zugabe auch eine Zugabe in kleinen Mengen und.kleinen Zeitintervallen verstanden, wie sie beispielsweise durch Zutropfen oder mit Schlauchpumpen erreicht wird.
Bei Verwendung von Natriumhydrid als Kondensationsmittel werden zunächst etwa '/,0 des einzusetzenden Ketons zu dem Lösungsmittelgemisch von Hexamethylphosphorsäuretriamid und gegebenenfalls einem weiteren inerten Lösungsmittel sowie dem Dialkylcarbonat und dem Kondensationsmittel zugegeben und die Reaktionsmischung kurzzeitig auf 50-800C erwärmt. Nach dem Anspringen der Reaktion wird das Reaktionsgemisch auf ca. 40 C gekühlt und die Restmenge an Keton langsam und kontinuierlich zugegeben, wie oben beschrieben. Wie schon erwähnt, sollte die Reaktionstemperatur bei dem erfindungsgemässen Verfahren auf 20-80 C gehalten werden.
Nach Beendigung der Reaktion erhält man direkt die Alkalisalze der P-Ketoester, die gegebenenfalls sofort weiter umgesetzt oder aber in üblicher Weise durch Ansäuern (wässrige HCI-, wässrige H2SO4-Essigsäure) in die freien ss-Ketoester überführt werden können, wobei der pH-Wert auf etwa 6 eingestellt wird. Nach Extraktion der Reaktionsprodukte mit einem organischen Lösungsmittel, wie z.B. Essigester oder Toluol, werden die Ester vorzugsweise durch Destillation gereinigt.
Bei Verwendung von Chloroform wird das Lösungsmittel Hexamethylphosphorsäuretriamid in der organischen Phase angereichert, was bei der nachfolgenden Destillation entfernt werden kann. Da die entstandenen ss-Ketoester als Zwischenprodukte zur Herstellung von Gelbkupplern verwendet werden, braucht das Lösungsmittel jedoch nicht entfernt zu werden, da es die nachfolgende Reaktion nicht stört.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren mit Natriumamid als Kondensationsmittel erhält man einen praktisch quantitativen Umsatz des eingesetzten Ketons und eine Ausbeute an entsprechendem reinem ss-Ketoester im Falle der Pivaloylessigester von mehr als 90%. Im Falle des Natriumhydrids als Kondensationsmittel konnten Ausbeuten von 90% erzielt werden, während die Ausbeuten bei Kalium-tert.-butylamid immerhin noch über 60% und bei Natriumäthylat ungefähr
30% betrugen. Diese Ausbeuten waren bei entsprechenden
Reaktionen nach dem Stand der Technik bislang nicht erhältlich und lagen um etwa 20-50% niedriger als die oben angegebenen.
Beispiel I
Darstellung von Pivaloylessigestern
1. 23 g Natrium wurden langsam in kleinen Stücken in
840 ccm Diäthylcarbonat eingetragen und zum Sieden erhitzt.
Nach 15minütiger Reaktionszeit war alles Natrium zu Natri umäthylat umgesetzt. Anschliessend wurde die Reaktionslö sung auf 60OC abgekühlt und die Lösung mit 500 ccm Benzol und 200 ccm Hexamethylphosphorsäuretriamid versetzt.
Anschliessend wurde bei einer Temperatur von 50-600C und einem Vakuum von 180 Torr eine Lösung von 100 g Pinako lon in 250 ccm Benzol während 3 Stunden zugetropft und gleichzeitig Benzol und Äthanol abdestilliert. Anschliessend wurden noch 500 ccm Benzol zugetropft und die Destillation fortgesetzt.
Gesamtdauer der Reaktion: 9 Stunden.
Nach dem Abkühlen wurde die Reaktionsmischung auf
Wasser gegeben, angesäuert und nach Extraktion mit Essig ester oder Toluol in üblicher Weise aufgearbeitet. Die Reini gung des Pivaloylessigesters erfolgte durch Destillation.
Ausbeute: 30% Pivaloylessigsäureäthylester.
2. In eine Lösung von 500 ccm Benzol, 900 ccm Diäthylcarbonat, 125 g Kalium-tert.-butylat und 200 ccm Hexamethylphosphorsäuretriamid wurden bei 50 C und einem Vakuum von 150 Torr während einer Reaktionszeit von 4 Stunden eine Lösung von 100 g Pinakolon in 500 ccm Benzol unter langsamem Abdestillieren von Benzol und Äthanol zugetropft. Nach der Zugabe des Ketons wurden weiter 500 ccm Benzol hinzugetropft.
Gesamtdauer der Reaktion: 9 Stunden.
Anschliessend wurde wie unter 1. beschrieben aufgearbeitet und destilliert.
Ausbeute: 54% Pivaloylessigsäureäthylester.
3. In einer Lösung von 480 ccm Diäthylcarbonat und 100 ccm Hexamethylphosphorsäuretriamid wurden 250 g Kalium-tert.-butylat angeschlämmt und bei 45OC und Normaldruck 100 g Pinakolon langsam zugetropft. Nach Beendigung der Zugabe wurde bei 45oC eine Stunde nachgerührt und anschliessend nach Kühlung nacheinander vorsichtig Alkohol, Wasser und schliesslich Salzsäure zu der Reaktionsmischung zugegeben. Anschliessend wurde die Reaktionsmischung wie unter 1. beschrieben aufgearbeitet und gereinigt.
Ausbeute: 67% Pivaloylessigsäureäthylester.
4. 325 g Natriumhydrid (80 %mg in Paraffinöl) wurden in 2500 ccm Diäthylcarbonat und 500 ccm Hexamethylphosphorsäuretriamid angeschlämmt. Anschliessend wurden bei 45 50 C langsam 500 g Pinakolon (92 %mg) zugetropft und nach Beendigung der Zugabe wie unter 3. beschrieben weitergearbeitet.
Ausbeute: 91% Pivaloylessigsäureäthylester.
5. Versuch 4. wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass 60 g Natriumhydrid in 850 ccm Diäthylcarbonat, 500 ccm Benzol und 200 ml Hexamethylphosphorsäuretriamid sowie 100 g Pinakolon (92%mg) verwendet wurden und die Reaktionstemperatur auf 35"C gehalten wurde.
Ausbeute: 78%.
6. Versuch 5. wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass kein Benzol verwendet wurde und die Reaktionstemperatur auf 20-30oC gehalten wurde.
Ausbeute: 72%.
7. Versuch 4. wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass 65 g Natriumhydrid in 480 ccm Diäthylcarbonat und 100 ccm Hexamethylphosphorsäuretriamid sowie 100 g Pinakolon (92 %mg) verwendet wurden und die Reaktionstemperatur auf 65 C gehalten wurde.
Ausbeute: 65%.
8. Versuch 4. wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass 390 g Natriumhydrid in 2900 ccm Diäthylcarbonat und 300 ml Hexamethylphosphorsäuretriamid sowie 600 g Pinakolon (92 %mg) verwendet wurde.
Ausbeute: 87%.
9. 60 g Natriumhydrid wurden in 450 ccm Dimethylcarbonat und 100 ccm Hexamethylphosphorsäuretriamid angeschlämmt. Bei 45"C wurden langsam 100 g Pinakolon (92%ig) zugegeben und nach Beendigung der Zugabe wie unter 3.
beschrieben weitergearbeitet.
Ausbeute: 83,5% Pivaloylessigsäuremethylester.
10. Versuch 9. wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass 325 g Natriumhydrid in 1800 ccm Dimethylcarbonat und 200 ccm Hexamethylphosphorsäuretriamid sowie 500 g Pinakolon (92 %mg) verwendet wurden.
Ausbeute: 82%.
Beispiel 2
Darstellung von 3-Keto-4-methylvaleriansäureäthylester
In eine Lösung von 400 ccm Benzol, 850 ccm Diäthylcarbonat, 200 ccm Hexamethylphosphorsäuretriamid und 60 g Natriumhydrid (80%ig in Paraffinöl) wurden 10 g Methylisopropylketon zugegeben und die Reaktionsmischung auf 70 80OC erwärmt. Nach Anspringen der Reaktion wurde auf etwa 30"C abgekühlt und langsam im Verlauf von 2 Stunden unter Beibehaltung der Temperatur eine Lösung von 76 g Methylisopropylketon in 200 ccm Benzol zugetropft. Nach Stehen der Reaktionsmischung über Nacht wurde vorsichtig unter Kühlung der Reaktionsmischung Methanol zugegeben und anschliessend mit wässriger Salzsäure angesäuert. Die Aufarbeitung erfolgte wie im Beispiel 1 unter 1. angegeben.
Ausbeute: 81% 3-Keto-4-methylvaleriansäureäthylester.
Beispiel 3
Darstellung von 2-Methyl-3 -ketovaleriansäureäthylester
Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass anstelle von Methylisopropylketon Diäthylketon verwendet wurde.
Ausbeute: 72% 2-Methyl-3-ketovaleriansäureäthylester.
Beispiel 4
Darstellung von 2-Carbäthoxycyclohexanon
Beispiel 2 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass anstelle von Methylisopropylketon Cyclohexanon verwendet wurde.
Ausbeute: 85% 2-Carbäthoxycyclohexanon.