Verfahren zur Herstellung von D,L-a-Amino-caprolactam Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Ver fahren zur Herstellung von D,L-a-Amino-caprolac- tam, einem wertvollen Zwischenprodukt für die Her stellung von Lysin.
Die stereoisomeren a-Amino-caprolactame lassen sich leicht zu entsprechenden Lysinen hydrolysieren, beispielsweise mittels verdünnter Salzsäure. L(-)-a- Amino-caprolactam sowie D,L-a-Amino-caprolactam würden sich deshalb als Ausgangsstoffe für die Ge winnung von L(-@-)-Lysin vorzüglich eignen, sofern sie in einfacher Weise nicht bloss aus letzterem durch Lactamisierung und gegebenenfalls Racemisierung zu gänglich wären.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass man D,L-(t-Amino-caprolactam mit vorzüglichen Ausbeuten herstellen kann, wenn man als Ausgangsstoff Caprolac- tam wählt, dieses aufeinanderfolgend mit Phosphoroxy- chlorid, Phosphorpentachlorid und Sulfurylchlorid be handelt, das entstandene a,a-Dichlor-caprolactimchlo- rid mit Wasser zersetzt, auf das so erhaltene a,
a-Di- chlor-caprolactam katalytisch aktivierten Wasserstoff in Gegenwart von einem Mol einer anorganischen oder organischen Base einwirken lässt, das erhaltene D,L-a-Chlor-caprolactam mit einem Salz der Stick- stoffwasserstoff säure umsetzt und auf das so erhaltene D,L-a-Azido-caprolactam katalytisch aktivierten Was serstoff einwirken lässt.
In der ersten Stufe wird das Phosphoroxychlorid vorteilhaft auch als Lösungsmittel benutzt; als Re agens führt es das Caprolactam teilweise in Capro- lactimchlorid über. Zur vollständigen Umwandlung desselben in das Caprolactimchlorid lässt man, vor teilhaft in der Kälte und in einer Menge von i/2 Mol, Phosphorpentachlorid einwirken.
Für die Substitution der a-ständigen Wasserstoffatome verwendet man Sulfurylchlorid, vorzugsweise in einer Menge von mindestens 2 Mol. Vorteilhaft wird das Sulfurylchlo- rid in der Kälte dem Reaktionsgemisch zugefügt, dann langsam bis auf etwa 40 erwärmt und nach teilweiser Abdestülation des Phosphoroxychlorids im Vakuum das Reaktionsgemisch auf Eis gegossen, wobei das a,a-Dichlor-caprolactimchlorid sofort zersetzt wird.
Man erhält auf diese Weise das a,a-Dichlor-capro- lactam in Rohausbeuten von 75-801/9 der Theorie, während 502 (1930), es J. unter von alleiniger Braun und Verwendung A. Heymons, von B. Phos- 63,
- phorpentachlorid als Chlorierungsmittel in Benzol in Ausbeuten von lediglich 30-40% der Theorie ge- winnen konnten.
Die als zweite Stufe sich anschliessende kataly tische Hydrierung kann beispielsweise mit Raney- Nickel in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt werden. Als Basen können beispielsweise Alkali hydroxyde, Alkalicarbonate oder tertiäre organische Basen zur Anwendung gelangen. In Methanol als Lösungsmittel ist die Verwendung von Triäthanol- amin besonders vorteilhaft, da das Triäthanolamin- hydrochlorid während der Hydrierung grobkörnig auskristallisiert und deshalb den Katalysator nicht verstopft.
Dessen Aktivität bleibt deshalb bis zum Schluss der Reaktion erhalten. Das Triäthanolamin- hydrochlorid kann hierauf leicht abgesaugt und die Base daraus zurückgewonnen werden. Es wurde das D,L-a-Chlor-caprolactam in Ausbeuten von 85 bis 90% der Theorie erhalten. Die Verbindung wurde erstmals von H. Shechter und J. C. Kirk, J. Am.
Chem. Soc. 73, 3091 (1951), bei der Einwirkung von Stickstoffwasserstoffsäure auf 2-Chlor-cyclo- hexanon in einer Ausbeute von 31,4% erhalten.
In der dritten Stufe kann als Salz der Stickstoff wasserstoffsäure beispielsweise ein Alkaliazid, insbe sondere Natriumazid, verwenden und dessen Umset- zung mit dem D,L-a-Chlor-caprolactam in neutraler wässrig- alkoholischer oder wässrig-acetonischer Lö sung durchführen. Beim Abkühlen der Reaktions lösung kristallisiert das D,L-a-Azido-caprolactam direkt in guter Reinheit und einer Ausbeute von 80 bis 8511/o der Theorie aus. Die Verbindung wurde bisher noch nicht beschrieben, ihr Schmelzpunkt liegt bei 106-108 .
Die katalytische Hydrierung des D,L-a-Azido- caprolactams lässt sich leicht ausführen, z. B. mit Raney-Nickel und unter Benützung von Alkohol als Lösungsmittel. Wird die Hydrierung bei Normaldruck vorgenommen, so kann man den freigesetzten Stick stoff durch ständiges Durchleiten von Wasserstoff ent fernen. Bei der Hydrierung unter Druck hat die Stick- stoffentwicklung keinerlei Einfluss auf den Reaktions verlauf.
Bei der Destillation des rohen Hydrierungs- produktes erhält man das D,L-a-Amino-caprolactam in Ausbeuten von 90-94% der Theorie.
Im nachfolgenden Beispiel bedeuten die Teile Gewichtsteile; diese verhalten sich zu Volumteilen wie g zu cm?,. Die Temperaturen sind in Celsiusgra den angegeben.
<I>Beispiel</I> a) Gewinnung von a,a-Dichlor-caprolactam: Man kühlt in einem mit Rührer, Thermometer, Tropftrich ter und Rückflusskühler und daran anschliessendem Gasableitrohr versehenen Gefäss unter Feuchtigkeits- ausschluss 460 Teile (<B>=</B> 275 Volumteile, 3 Mol) Phosphoroxychlorid auf eine Innentemperatur von 0 .
Unter Rühren trägt man portionenweise 226,3 Teile (2 Mol) pulverisiertes, getrocknetes Caprolactam ein, wobei die Temperatur 10 nie überschreiten darf. Nach etwa dreissig Minuten ist eine klare Lösung ent standen.
Zur vollständigen LUberführung des Säure- amids ins Lactimchlorid werden in die auf 2 bis 5 gekühlte Lösung portionenweise insgesamt 230 Teile (1,l Mol) Phosphorpentachlorid eingetragen, wobei die Temperatur wiederum nicht über 10 steigen darf. Die erhaltene Suspension wird noch zwei bis drei Stunden bei 2-5 gerührt.
Unter weiterem Kühlen von aussen gibt man hierauf, anfänglich sehr langsam und vorsichtig, aus dem Tropftrichter 555 (= 333 Volumteile, 4,1 Mol) Sulfurylchlorid zu, wobei die Temperatur zwischen 0 und 5 gehalten wird, und rührt nach beendigtem Zutropfen noch zwei Stunden im angegebenen Temperaturbereich.
Beim anschlie ssenden langsamen Erwärmen des Gemisches erhält man eine hellgelbe, klare Lösung; bei 25 beginnen Schwefeldioxyd- und HCl-Gas zu entweichen. Man erwärmt auf 40 und rührt noch eine Stunde bei dieser Temperatur. Darauf wird das Phosphoroxy- chlorid im Vakuum teilweise abdestilliert, indem man das auf 35 bis 40 erwärmte Reaktionsgemisch 90 Minuten an das Wasserstrahlpumpenvakuum an schliesst. Das zurückbleibende gelbe öl wird in dün nem Strahle auf 2,5 kg zerstossenes Eis gegossen, wobei das Eis ständig gerührt wird.
Dabei entsteht durch Zersetzung des Lactimchlorids das farblose, kristalli sierte a,a-Dichlor-caprolactam. Es wird abgesaugt, zweimal mit Wasser nachgewaschen und im Vakuum bei 50-60 getrocknet. Ausbeute: 275 bis 291 Teile, 75 bis 801/o d. Th.
Das obige Produkt, welches noch immer saure Verunreinigungen enthält, wird aus 280 Volumteilen Methanol umkristallisiert, wobei zur heissen, klaren Lösung Natriumacetat bis zur neutralen Reaktion ge geben wird. Aus der heiss filtrierten Lösung kristalli siert beim Abkühlen bis gegen 0 das a,a-Dichlor- caprolactam aus. Es wird abgesaugt und zweimal mit Methanol von 5 nachgewaschen.
Ausbeute: 223 bis 237 Teile, 61-65% der Theorie. Smp. 124,5 bis 126,5 korr. Die Mutterlauge wird auf 1/3 ihres Volumens eingedampft und kochend mit Wasser ver- setzt, bis eine bleibende Trübung entsteht.
Nach Ab kühlen bis gegen 0 gewinnt man noch etwa 32 Teile gelbstichiges Produkt (914 d. Th.) vom Smp. 120 bis 124 korr. Gesamtausbeute an umkristallisiertem, neutral reagierendem Produkt: 70-74% d. Th.
b) Gewinnung von a-Chlor-caprolactam: 91 Teile (0,5 Mol) a,a-Dichlor-caprolactam werden in 550 Volumteilen Methanol gelöst. Zu dieser Lösung gibt man 67,2 Teile (0,45 Mol) Triäthanolamin sowie 5 Teile Raney-Nickel, welche mit 50 Volumteilen Methanol hineingespült werden.
Unter Schütteln der Lösung lässt man Wasserstoff von Atmosphärendruck einwirken, innerhalb einer bis eineinhalb Stunden werden 11500-12 000 Volumteile Wasserstoff auf genommen; gleichzeitig scheidet sich grobkristallisier tes Triäthanolamin-hydrochlorid ab. Von diesem so wie dem Katalysator wird abgesaugt und das Nutsch- gut zweimal mit Methanol nachgewaschen. Dann wird das Methanol abdestilliert und der Rückstand im Va kuum bei 95 getrocknet. Der kristallisierende grüne Rückstand wird nun in 150 Volumteilen Chloroform gelöst und die Lösung mit 150 Volumteilen In Salz säure geschüttelt.
Die vom Chloroform abgetrennte wässrige Lösung wird noch zweimal mit je 50 Volum- teilen Chloroform geschüttelt. Die vereinigten Chloro- formextrakte werden mit Natriumsulfat getrocknet, das Chloroform wird abdestilliert, der Rückstand im Wasserstrahlpumpenvakuum bei 95 getrocknet, aus 50 Volumteilen Toluol umkristallisiert, zweimal mit je 15 Volumteilen Toluol gewaschen und im Vakuum getrocknet.
Ausbeute: 49 Teile D,L-a-Chlor-caprolae- tam, 67% der Theorie; Smp. 91-93 . Dieses Pro- dukt kann für die nächste Reaktionsstufe verwendet werden. Seine Reinheit ergibt sich daraus, dass es im Vakuum ohne Rückstand destilliert werden kann und dass ein farbloses Destillat erhalten wird.
Nach Eindampfen der Toluol-Mutterlauge hinterbleibt ein kristallisierendes C51. Dieses besteht aus einem Ge misch von Di- und Monochlor-caprolactam im un gefähren Verhältnis 1 : 2. Es wird in einem nächsten Ansatz dem a,a-Dichlor-caprolactam beigemischt.
Zur Hydrierung gelangen in diesem Fall 85 Teile a,a-Dichlorcaprolactam, 18 Teile des Mutterlaugen- rückstands (enthaltend etwa 6 Teile a,a-Dichlor- caprolactam) und 67,2 Teile Triäthanolamin. Man erhält daraus 63 Teile aus Toluol umkristallisiertes D,L-a-Chlor-caprolactam (91% d. Th., bezogen auf frisch eingesetzten Ausgangsstoff)
und beim Ein dampfen der Toluolmutterlauge wiederum etwa 18 Teile Mutterlaugenrückstand.
c) Gewinnung von a-Azido-caprolactam: In einem mit Rückflusskühler versehenen Gefäss erhitzt man 36,7 Teile a-Chlor-caprolactam (0,25 Mol), 19,5 Teile Natriumazid (0,3 Mol), 20 Volumteile 95o/oigen Alkohol und 50 Teile Wasser 24 Stunden auf dem Dampfbad. Beim Abkühlen, zuletzt gegen 0 , kristallisiert das D,L-a-Azido-caprolactam aus.
Es wird abgesaugt und einmal mit 15 Volumteilen 20o/oigem Alkohol und zweimal mit je 15 Teilen Wasser nachgewaschen. Ausbeute: 30-32,5 Teile, 78-851/o d. Th., Smp. 105-108 korr.
d) Gewinnung von a-Amino-caprolactam: 1. Bei Normaldruck. In einem mit Vibro-Mischer, Gasein- leit- und Gasauslassrohr versehenen Gefäss werden 60 Volumteile 95 o/oiger Alkohol und 2 Teile Raney- Nickel vorgelegt. Nach Zugabe von 6,17 Teilen a-Azido-caprolactam (0,04 Mol) beobachtet man so fort die Entwicklung von Stickstoffbläschen.
Man verdrängt die Luft durch Wasserstoff, leitet dann Wasserstoff durch die Lösung und setzt den Vibro- Mischer in Gang. Nach drei Stunden wird vom Kata lysator abgesaugt, das Filtrat eingeengt und im Va kuum destilliert. Das D,L-a-Amino-caprolactam sie- det unter 11 mm Druck bei 162-165 . Ausbeute: 4,60 Teile, 90% d. Th.
2. Druckverfahren. In einen Schüttelautoklaven gibt man 380 Volumteile 95o/oigen Alkohol, 5 Teile Raney-Nickel und zuletzt 77,1 Teile (0,5 Mol) a-Azido-caprolactam. Man drückt 70 at Wasserstoff auf und schüttelt während drei Stunden bei Zim mertemperatur. Dann wird vom Katalysator abge saugt, das Lösungsmittel abdestilliert und der Rück stand im Vakuum destilliert.
Man erhält D,L-a- Amino-caprolactam vom Kp13 168-172 bei einer Badtemperatur von 185-190 . Ausbeute: 60 Teile, 941/o d. Th.