Verfahren zur Herstellung von Lactonen
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von 15 bis 17 Kohlenstoffatome enthaltenden Lactonen, die teils bekannte teils neue Verbindungen mit interessanten Riechstoffeigenschaften sind.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass man eine Peroxyverbindung der Formel R1-O-O-R2 1 in welcher R1 Wasserstoff oder einen gegebenenfalls Sauerstoff enthaltenden Kohlenwasserstoffrest und R2 eine Gruppe der Formel
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darstellen, worin R3 Wasserstoff oder den Methylrest und n eine ganze Zahl von 0 bis 3 bezeichnen, und worin die Summe der Ringkohlenstoffatome 14 bis 17 beträgt, spaltet, um ein Gemisch zu erhalten, das ein Lacton der Formel
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und die entsprechenden ungesättigten Lactone der Formel
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in welcher m die Zahl 1 oder 2 bezeichnet, enthält. Das er haltene Lactongemisch als solches oder die obengenannten ungesättigten Lactone können nach Abtrennung aus dem ge nannten Gemisch einer katalytischen Hydrierung unterworfen werden, um reines gesättigtes Lacton der Formel III zu er halten.
Die Spaltung der Peroxyverbindungen I kann durch Be handlung mit freie Radikale bildenden Mitteln, beispielsweise durch Zufuhr von Wärme- oder Lichtenergie oder mittels
Substanzen, die ungepaarte Elektronen enthalten, durchge führt werden.
Die thermische Spaltung kann durch Erhitzen der Peroxyverbindungen I in Abwesenheit oder Anwesenheit von orga nischen Lösungsmitteln auf Temperaturen von 80-150 C durchgeführt werden. Als Lösungsmittel eignen sich beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffe, die bei Temperaturen von 80" C aufwärts sieden. Günstig sind besonders aromatische Kohlenwasserstoffe, z.B. Toluol und Xylol. Eine zweckmäs sige Arbeitsweise besteht darin, die Peroxyverbindungen in Form von Lösungen in Xylol auf 130-150 C zu erhitzen.
Man kann entweder Gemische von o-, m- und p-Xylolen oder eines dieser Xylolisomeren verwenden.
Bei der thermischen Spaltung der Peroxyverbindungen I entstehen Gemische eines Lactons III und des entsprechenden ungesättigten Lactons IV. Das Mengenverhältnis zwischen gesättigtem und ungesättigtem Lacton schwankt innerhalb gewisser Grenzen und ist von den Reaktionsbedingungen abhängig, unter welchen die Spaltung der Peroxyverbindungen I durchgeführt wird.
Der Einfluss des Lösungsmittels zeigt sich beispielsweise daran, dass bei Verwendung von m-Xylol zur Spaltung von 12-Hydroperoxy-13-oxa-bicyclo[10 .4. 4 O]hexa- decan ein Gemisch von 83,2% Pentadecanolid-(15,1) und 16,8% Pentadecen-(11 und 12)-oliden-(15,1) erhalten wird, während bei Verwendung von p-Xylol bzw. o-Xylol Gemische von 70,8 % gesättigtem Lacton und 29,2 % ungesättigtem Lacton bzw. 60 % gesättigtem Lacton und 40 % ungesättigtem Lacton entstehen.
Die Spaltung der Peroxyverbindungen I kann auch photochemisch bewirkt werden, indem man die genannten Verbindungen in Abwesenheit oder Anwesenheit eines organischen Lösungsmittels, z. B. mit ultraviolettem Licht, belichtet.
Als Lösungsmittel kann man beispielsweise chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff oder Trichloräthylen, oder Äther wie Dioxan, Tetrahydrofuran oder Monoglym verwenden. Die Belichtung kann bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen durchgeführt werden.
Wie bei der thermischen Spaltung entstehen auch bei der photochemischen Spaltung der Peroxyverbindungen I Gemische von gesättigten und ungesättigten Lactonen.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltenen Lactongemische können als solche, d.h. ohne vorherige Auftrennung in die Komponenten als Riechstoffe verwendet werden. Man kann jedoch die Lactongemische beispielsweise durch Destillation in einer hochwirksamen Kolonne in gesättigtes Lacton und ungesättigtes Lacton auftrennen. Ferner kann man die Lactongemische hydrieren, beispielsweise katalytisch mittels Raney-Nickel bei Raumtemperatur, um ein einheitliches gesättigtes Lacton zu erhalten. Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltenen Lactongemische und deren einzelne Komponenten sind Riechstoffe, die alle einen mehr oder weniger ausgeprägten moschusartigen Geruch entwickeln.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird durch das folgende Reaktionsschema erläutert:
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In diesem bestimmten Fall ist R2 in der Peroxyverbindung der Formel I eine Gruppe der Formel II, worin n 1 bezeichnet.
Die für das erfindungsgemässe Verfahren benötigten Ausgangsverbindungen I können aus bicyclischen Äthern der Formel
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in welcher n und R3 die oben bereits definierte Bedeutung besitzen, durch Umsetzung mit Wasserstoffperoxyd oder einem Hydroperoxyd der Formel X-OOH, in welcher X einen acyclischen oder cyclischen Kohlenwasserstoffrest, z. B.
einen Alkyl-, Cycloalkyl-, Aralkyl- oder Arylrest, bezeichnet, hergestellt werden.
Diejenigen Peroxyverbindungen I, in welchen R1 und R2 untereinander gleich sind und eine Gruppe der Formel II bezeichnen, können beispielsweise durch Behandeln der bicyclischen Äther V mit Wasserstoffperoxyd in Gegenwart von Schwefelsäure bei zwischen 10 und 15 0C, vorzugsweise 12-14 C liegenden Temperaturen während 20-30 Minuten erhalten werden. Zur Herstellung derjenigen Peroxyverbindungen i, in welchen R1 Wasserstoff ist, kann man die bicyclischen Äther V mit Wasserstoffperoxyd in Gegenwart von Schwefelsäure bei Temperaturen um 0 C während 20 bis 30 Minuten behandeln.
Die bicyclischen Äther V lassen sich aus Cyclododecanon, einem billigen und in jeglichen Mengen verfügbaren Rohmaterial, beispielsweise über das nach bekannten Methoden erhältliche 2-Äthoxycarbonyl-cyclododecanon, gewinnen. Die für die Herstellung von Pentadecanolid-(15,1), Pentadecen (11 und 12)-olid-(15,1), 14-Methyl-tetradecanolid-(14,1) und 14-Methyl-tetradecen-(11 und 12)-olid-(14,1) benötigten bicyclischen Äther können beispielsweise durch die nachstehend schematisch dargestellten Synthesen erhalten werden.
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Die bei dem erfindungsgemässen Verfahren entstehenden ungesättigten Lactone der Formel IV bilden zwei Doppelbindungsstellungsisomere, die ihrerseits in cis- und trans Konfiguration auftreten können. Diese verschiedenen Isomeren lassen sich beispielsweise durch präparative Gaschromatographie trennen.
In den nachfolgenden Beispielen sind die Temperaturen in Celsiusgraden angegeben.
Beispiel 1
Eine Suspension von 439 g 12-Hydroperoxy-13-oxa bicyclo[10.4.0]hexadecan in 2500 ml Xylol wurde innert 11/2 Stunden unter Rühren in kleinen Portionen in 2400 ml siedendes Xylol eingetragen. Das Reaktionsgemisch wurde noch 10 Minuten bei Rückflusstemperatur gerührt und dann abgekühlt. Durch Abdestillieren des Lösungsmittels unter vermindertem Druck erhielt man 519,2 g Rohprodukt, das einer fraktionierten Destillation unterworfen wurde. Die zwischen 73 und 1600/0,3 Torr überdestillierende Fraktion wurde in einer Vigreux-Kolonne erneut fraktioniert. Man erhielt 313 g einer zwischen 70 und 108"/0,3 Torr siedenden Fraktion, die zu etwa 89% aus Pentadecanolid und zu etwa 11% aus Pentadecen-(11/12)-olid-(15,1) bestand.
Als Nebenprodukt wurden etwa 98 g 12-Hydroxypentadecanolid (15,1) gewonnen.
Man kann das Gemisch von Pentadecanolid und Pentadecen-(11/12)-olid-(15,1) als solches direkt als Riechstoff verwenden oder aber einer katalytischen Hydrierung unterziehen, um ein vollständig aus Pentadecanolid bestehendes Produkt zu erhalten. Eine katalytische Hydrierung dieser Art ist nachstehend beschrieben.
Einer Lösung von 313 g eines gemäss Beispiel 1 hergestellten Gemisches von Pentadecanolid und Pentadecen (11/12)-olid-(15,1) in 1,5 Liter Methanol gab man 50 g einer 30%igen Raney-Nickel-Suspension und 5 ml wässriges, 10 obiges Natriumcarbonat zu und schüttelte die Mischung in einer Wasserstoffatmosphäre während 31'2 Stunden. Die während dieser Zeit aufgenommene Wasserstoffmenge betrug 3600 ml. Das Hydrierungsgemisch wurde filtriert, worauf der Alkohol unter vermindertem Druck aus dem Filtrat abdestilliert wurde. Der Rückstand wurde in einer Mischung von 300 ml Äther und 300 ml Toluol aufgenommen, worauf die Lösung mit Wasser neutral gewaschen, dann über Natriumsulfat getrocknet und schliesslich unter vermindertem Druck eingedampft wurde.
Man erhielt 311 g Rohprodukt mit einem Gehalt an Cyclopentadecanolid von etwa 90%.
Das in Beispiel 1 als Ausgangsstoff verwendete 12-Hy droperoxy-13-oxa-bicyclo[10.4.0]hexadecan wurde wie folgt hergestellt:
Einer auf 0 abgekühlten Lösung von 2222 g (10 Mol) 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]hexadecen-[1(12)] in 10 Liter 90%- iger Essigsäure wurde innerhalb 27 Minuten eine Mischung von 1000 g (15,3 Mol) 52%igem Wasserstoffperoxyd und 500 g konz. Schwefelsäure zugegeben. Während der Zugabe des Wasserstoffperoxyds wurde die Temperatur des Reaktionsgemisches zwischen -1 und + 1" gehalten. Das Reaktionsgemisch wurde noch 15 Minuten bei 0 gerührt und dann filtriert. Der Filterkuchen wurde mit 3 Liter 50%iger Essigsäure und anschliessend mit Wasser neutral gewaschen.
Es wurden 3629 g feuchtes 12-Hydroperoxy-13 -oxa-bicyclo[10.4.0]- hexadecan erhalten, was einem Trockengewicht von 2160 g entspricht. F. = 103-114".
Beispiel 2
In 600 ml auf Siedetemperatur (138-140 ) erhitztes Xylol wurde unter Rühren innert 70 Minuten in kleinen Portionen eine Lösung von 190 g Di-[13-oxa-bicyclo[10.4.0]hexadecyl-(12)]-peroxyd in 500 ml Xylol eingetragen. Nach Abkühlung des Reaktionsgemisches wurde das Xylol unter vermindertem Druck abdestilliert. Durch fraktionierte Destillation des Rückstandes erhielt man 139,4 g eines bei 105-107"/0,2 Torr siedenden Gemisches von Pentadecanolid und Pentadecen-(11/12)-olid-(15,1).
Dieses Gemisch (139,4 g) wurde in 750 ml Methanol gelöst. Nach Zugabe von 25 g 30 tonigem Raney-Nickel und 1 ml 10%dem wässrigem Na2CO3 wurde die Mischung in einer Wasserstoffatmosphäre während 1 Stunde hydriert. Die während dieser Zeit aufgenommene Wasserstoffmenge betrug 1200 ml. Das Hydrierungsgemisch wurde filtriert. Der Alkohol wurde unter vermindertem Druck aus dem Filtrat abdestilliert und der Rückstand in Äther und Toluol aufgenommen. Die Lösung wurde mit Wasser neutral gewaschen, über Natriumsulfat getrocknet und unter vermindertem Druck eingedampft. Man erhielt auf diese Weise 139 g Pentadecanolid.
Das im Beispiel 2 als Ausgangsstoff verwendete Di-[13 oxa-bicyclo[10.4.0]hexadecyl-(12)]-peroxyd wurde wie folgt hergestellt:
In eine auf 12" abgekühlte Lösung von 222,2 g (1 Mol) 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]hexadecen-[1(12)] in 1000 ml Eisessig trug man innert 20 Minuten unter Rühren eine aus 400 g 52 %dem Wasserstoffperoxyd und 200 g konz. Schwefelsäure bestehende Lösung ein. Das Reaktionsgemisch wurde 30 Minuten bei 8" weitergerührt und anschliessend filtriert.
Der Filterkuchen wurde mit 450 ml 50%iger Essigsäure und dann mit Wasser neutral gewaschen und schliesslich im Vakuum bei Raumtemperatur über Calciumchlorid getrocknet.
Man erhielt 190 g Di-[13-oxa-bicycloll10.4.0]hexadecyl- (12)]-peroxyd vom F. = 134-136 .
Beispiel 3
In eine Lösung von 44,4 g (0,2 Mol) 13-Oxa-bicyclo [10.4.0]hexadecen-[1(12)] in 250 ml Eisessig wurden 36 g 75%ges tert.-Butylhydroperoxyd (0,3 Mol) eingetragen. In die auf 12" gekühlte Lösung wurde unter Rühren innert 12 Minuten eine Mischung von 15 g konz. Schwefelsäure und 100 ml Eisessig eingetragen, wobei dafür gesorgt wurde, dass die Temperatur nicht höher als 14" stieg. Das Reaktionsgemisch wurde dann noch 30 Minuten bei 10-12" gerührt und anschliessend in 1000 ml Eiswasser gegossen. Nach Zugabe von 300 ml Äther wurde die Mischung 10 Minuten gerührt. Die wässrige Phase wurde nochmals mit Äther extrahiert.
Die vereinigten ätherischen Extrakte wurden zweimal mit Wasser, dann zweimal mit 10 %igem wässrigem Natriumbicarbonat und schliesslich mit Wasser neutral gewaschen.
Die Lösung wurde über Natriumsulfat getrocknet und unter vermindertem Druck eingedampft. Man erhielt 56 g eines festen Rohproduktes, das 12-tert.-Butylperoxy-13-oxa-bicy- do[10.4.0]hexadecan enthielt.
Eine Lösung des Rohproduktes (56 g) in 150 ml Xylol wurde unter Rühren innert 90 Minuten langsam in 250 ml siedendes Xylol eingetragen. Das Reaktionsgemisch wurde noch 10 Minuten gerührt, dann auf 800 gekühlt und unter vermindertem Druck eingeengt. Durch fraktionierte Destillation des Rückstandes bei 0,2 Torr wurde ein aus einem Gemisch von Pentadecanolid und Pentadecen-(1 1/12)-olid- (15,1) bestehendes Produkt in einer Ausbeute von 40%, bezogen auf das umgesetzte 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]hexadecen [1(12)1, erhalten.
Das Produkt wurde durch Hydrierung in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise in reines Pentadecanolid umgewandelt.
Das in den Beispielen 1-3 als Zwischenprodukt verwendete 13 -O3:a-bicyclo[10.4.0]hexadecen-[1 (12)] wurde beispielsweise wie folgt hergestellt:
Einer Lösung von 2,9 kg (53,7 Mol) Natriummethylat und 12,7 kg (49,9 Mol) 2-Äthoxycarbonyl-cyclododecanon (1) in 55 kg Dimethylformamid wurde unter Rühren eine Lösung von 8 kg 1-Brom-3-chlor-propan in 8 kg Dimethylformamid zugegeben. Man liess das Reaktionsgemisch während 25 Minuten stehen. Die Temperatur des Reaktionsgemisches stieg dabei auf 60". Das Reaktionsgemisch wurde über Nacht stehengelassen und hierauf ohne vorherige Isolierung des bei der Reaktion entstandenen 2-Äthoxycarbonyl2-(3-chlorpropyl)-cyclododecanons-(1) weiterverarbeitet.
Man gab dem das 2-Äthoxycarbonyl-2-(3-chlorpropyl)cyclododecanon-(1) enthaltenden Reaktionsgemisch in kleinen Portionen 5 kg wasserfreies Natriumacetat zu und rührte die Mischung 10 Stunden bei 110-120 . Anschliessend wurde das Dimethylformamid unter vermindertem Druck abdestilliert, bei einer 90" nicht übersteigenden Temperatur, und der Rückstand mit 20 Liter Toluol verdünnt. Nach dreimaligem Waschen der organischen Lösung mit Wasser wurde das Lösungsmittel unter vermindertem Druck abdestilliert.
Das 2-Äthoxycarbonyl-2-(3-acetoxy-propyl)-cyclo-dodecanon-(1) enthaltende Rohprodukt wurde mit 50 Liter Wasser und 27 kg wässriger 30 %iger Natriumhydroxydlösung gemischt. Das Gemisch wurde 5 Stunden bei 85-90 gerührt.
Dann liess man das Reaktionsgemisch abkühlen, gab 20 Liter Toluol zu und rührte das Gemisch während 10 Minuten. Man trennte die organische Phase ab und extrahierte die wässrige Phase nochmals mit 8 Liter Toluol. Die organischen Phasen wurden vereinigt und mit Wasser neutral gewaschen. Durch Abdestillieren des Lösungsmittels unter vermindertem Druck erhielt man 11,3 kg Rohprodukt, aus welchem durch fraktionierte Destillation 9,525 kg 2-(3-Hydroxypropyl)-cyclododecanon-(1), Kp.=138-180"/0,2 Torr, erhalten wurden.
Eine Lösung von 9,525 kg 2-(3-Hydroxypropyl)-cyclododecanon-(1) und 500 g 70%iger Benzolsulfonsäure in 30 kg Toluol wurde 5 Stunden unter Rühren bei Rückflusstemperatur (110o) erhitzt und gerührt. Das bei der Reaktion entstandene Wasser wurde fortlaufend abdestilliert. Es wurden 680 ml Wasser aufgefangen. Das Reaktionsgemisch wurde auf 20 abgekühlt, zweimal mit Wasser gewaschen und mit 20 Liter wässrigem 10%dem Natriumbicarbonat neutralisiert.
Das Gemisch wurde während 60 Minuten gerührt. Die organische Phase wurde abgetrennt und mit Wasser gewaschen.
Durch Abdestillieren des Lösungsmittels unter vermindertem Druck wurden 9,370 kg Rohprodukt erhalten. Durch fraktionierte Destillation des Rohproduktes wurden 7,7 kg 13-Oxa-bicyclo[10.4.0]hexadecen-[1(12)] vom Kp. = 110 bis 114 /0,2 Torr erhalten. Die Ausbeute betrug 69,3% der Theorie, bezogen auf das umgesetzte 2-Äthoxycarbonylcyclodecanon-(1).
Beispiel 4
Eine Suspension von 17,3 g 12-Hydroperoxy-14-methyl
13-oxa-bicyclo[10.3.0]pentadecan in 100 ml Xylol wurde unter Rühren innerhalb 30 Minuten in 100 ml siedendes Xylol eingetropft. Das Xylol wurde unter vermindertem Druck abgedampft, worauf der Rückstand (18,2 g) einer fraktionierten Destillation unterworfen wurde. Man erhielt
13,7 g eines bei 83-116 /0,3 Torr siedenden Gemisches von
14-Methyl-tetradecanolid-(14,1) und 14-Methyl-tetradecen (11- und 12)-oliden-(14,1). Das Lactongemisch wurde in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise katalytisch hydriert..
Man erhielt 9 g reines 14-Methyl-tetradecanolid-(14,1), Kp. = 105"/0,1 Torr.
Dieses Lacton ist eine neue Verbindung, die interessante
Riechstoffeigenschaften aufweist.
Das in diesem Beispiel als Ausgangsverbindung verwen dete 14-Methyl-12-hydroperoxy- 13-oxa-bicyclo[10.3 .0]- pentadecan wurde wie folgt hergestellt:
Einer auf 0 gekühlten Lösung von 22,2 g (0,1 Mol) 14 Methyl-13-oxa-bicyclo[10.3.0]pentadecen-[1(12)] in 100 ml
90%iger Essigsäure wurde unter Rühren innerhalb 3 Minuten eine Mischung von 10 g 52%igem H202 und 5 g konz.
Schwefelsäure zugetropft. Das Reaktionsgemisch wurde 15 Minuten bei 0 weitergerührt und dann filtriert. Der Filterkuchen wurde mit Wasser, 50 %iger Essigsäure, dann 90 %iger Essigsäure und schliesslich mit Wasser neutral gewaschen.
Das feuchte Rohprodukt wurde unter vermindertem Druck bei Raumtemperatur getrocknet. Man erhielt 17,3 g trockenes Rohprodukt, aus welchem durch Umkristallisieren in Essigsäureäthylester reines 14-Methyl-12-hydroperoxy-13oxa-bicyclo[10.3.0]pentadecan vom Sdp. 118-120 gewonnen wurde.
Das als Zwischenprodukt für die Herstellung des Hydroperoxyds verwendete 14-Methyl- 13 -oxa-bicyclo[10.3 .0J- pentadecen-[1(12)] wurde wie folgt hergestellt:
Einer Lösung von 59,4 g (1,1 Mol) Natriummethylat in 800 ml Dimethylformamid wurden 254,3 g (1 Mol) 2 Äthoxycarbonyl-cyclododecanon-(1) und 1000 ml Dimethylformamid zugegeben. Dem Gemisch wurde unter Rühren bei 50 innerhalb von 2 Stunden eine Lösung von 132 g (1,1 Mol) Allylbromid in 200 ml Dimethylformamid zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde über Nacht bei 50 weitergerührt. Die Reaktionsdauer betrug insgesamt 17 Std.
Das Dimethylformamid wurde im Vakuum der Wasserstrahlpumpe abdestilliert. Der Rückstand wurde mit 750 ml Wasser und 30 ml Eisessig zersetzt. Das Reaktionsgemisch wurde mit Toluol extrahiert, worauf der Extrakt mit Wasser neutral gewaschen und durch Destillation unter vermindertem Druck vom Toluol befreit wurde. Durch fraktionierte Destillation des Rückstandes im Hochvakuum (0,03 Torr) wurden 266,9 g 2-Allyl-2-äthoxycarbonyl-cyclododecanon-(1) vom Smp. 58-60" erhalten.
Ein Gemisch von 200 g 2-Allyl-2-äthoxycarbonyl-cyclo dodecanon,400 ml Äthanol und 300 ml 30%ges wässriges Natriumhydroxyd wurde während 4 Stunden bei Siedetemperatur gerührt. Der Alkohol wurde dann unter vermindertem Druck abgedampft, worauf der Rückstand in Toluol aufgenommen wurde. Die Lösung wurde mit wässriger Kochsalzlösung neutral gewaschen. Die Waschwasser wurden mit Toluol extrahiert. Die vereinigten getrockneten Toluollösungen wurden unter vermindertem Druck vom Lösungsmittel befreit. Man erhielt 136,5 g Rohprodukt, aus welchem durch fraktionierte Destillation 116,1 g 2-Allylcyclodecanon-(1) (Kp. = 92-98 "/0,03 Torr) gewonnen wurden.
In 600 g auf 0 gekühlter 90 %iger Schwefelsäure wurden unter Rühren innerhalb 20 Minuten 63 g 2-Allyl-cyclododecanon-(1) eingetragen. Das Reaktionsgemisch wurde während 2 Stunden weitergerührt, wobei man die Temperatur auf 100 steigen liess. Man goss das Reaktionsgemisch auf Eis und extrahierte die Mischung mit Essigsäureäthylester.
Die wässrige Phase wurde abgetrennt und mit Essigsäure äthylester extrahiert. Die Extrakte wurden vereinigt, zweimal mit 10%igem wässrigem Natriumbicarbonat gewaschen und über Natriumsulfat getrocknet. Durch Entfernen des Lösungsmittels unter vermindertem Druck erhielt man 65 g Rohprodukt, aus welchem durch fraktionierte Destillation 54 g 14 Methyl-13-oxa-bicyclo[10.3.0]pentadecen-[1 (12)], Kp. =
105/0,1 Torr, erhalten wurden.
Beispiel 5
Eine unter einer Argonatmosphäre gehaltene Suspension von 25,6 g 12-Hydroperoxy-13-oxa-bicyclo[10.4 .0]hexade- can in 500 ml Dioxan wurde während 5 Stunden mit einer Quecksilberdampflampe von 125 Watt belichtet. Während der Belichtung wurde die Suspension gekühlt, so dass deren Temperatur nicht über Raumtemperatur stieg. Die erhaltene Lösung wurde unter vermindertem Druck eingeengt. Man erhielt 28,1 g Rohprodukt, das bei einem Druck von 0,1 mm destilliert wurde. Es wurden 18,9 g eines bei 92 /0,1 mm siedenden Gemisches von Pentadecanolid-(15,1) und Pentadecen-(11 und 12)-olid-(15,1) (Gewichtsverhältnis etwa 1: 1) erhalten.
Beispiel 6
10 g Di-[13 -oxa-bicyclo] 10.4.0 [hexadecyl-(12)]peroxyd wurden unter den im Beispiel 5 angegebenen Bedingungen belichtet. Man erhielt 11 g Rohprodukt, aus welchem durch Destillation 6 g eines bei 95-96 /0,1-0,2 mm siedenden Gemisches von Pentadecanolid-(15,1) und Pentadecen-(11 und 12)-olid-(15,1) (Gewichtsverhältnis etwa 1 : 1) gewonnen wurden.
Process for the production of lactones
The invention relates to a process for the preparation of lactones containing 15 to 17 carbon atoms, some of which are known and some are new compounds with interesting odorant properties.
The process according to the invention is characterized in that a peroxy compound of the formula R1-O-O-R2 1 in which R1 is hydrogen or an optionally oxygen-containing hydrocarbon radical and R2 is a group of the formula
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represent, in which R3 denotes hydrogen or the methyl radical and n denotes an integer from 0 to 3, and in which the sum of the ring carbon atoms is 14 to 17, cleaves to obtain a mixture which a lactone of the formula
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and the corresponding unsaturated lactones of the formula
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in which m denotes the number 1 or 2, contains. The lactone mixture obtained as such or the abovementioned unsaturated lactones can, after separation from the mixture mentioned, be subjected to catalytic hydrogenation in order to obtain pure saturated lactone of the formula III.
The cleavage of the peroxy compounds I can be treated with agents which form free radicals, for example by supplying heat or light energy or by means of
Substances that contain unpaired electrons are carried out.
The thermal cleavage can be carried out by heating the peroxy compounds I in the absence or presence of organic solvents to temperatures of 80-150 ° C. Suitable solvents are, for example, liquid hydrocarbons which boil upwards at temperatures of 80 ° C. Aromatic hydrocarbons, for example toluene and xylene, are particularly favorable. One convenient way of working is to bring the peroxy compounds to 130-150 ° C in the form of solutions in xylene heat.
Either mixtures of o-, m- and p-xylenes or one of these xylene isomers can be used.
The thermal cleavage of the peroxy compounds I gives rise to mixtures of a lactone III and the corresponding unsaturated lactone IV. The ratio between saturated and unsaturated lactone fluctuates within certain limits and depends on the reaction conditions under which the cleavage of the peroxy compounds I is carried out.
The influence of the solvent can be seen, for example, from the fact that when using m-xylene to cleave 12-hydroperoxy-13-oxa-bicyclo [10 .4. 4 O] hexadecane a mixture of 83.2% pentadecanolide- (15.1) and 16.8% pentadecen- (11 and 12) -oliden- (15.1) is obtained, while when using p-xylene or o-xylene mixtures of 70.8% saturated lactone and 29.2% unsaturated lactone or 60% saturated lactone and 40% unsaturated lactone are formed.
The cleavage of the peroxy compounds I can also be brought about photochemically by the compounds mentioned in the absence or presence of an organic solvent, for. B. with ultraviolet light exposed.
The solvents used can be, for example, chlorinated hydrocarbons such as chloroform, carbon tetrachloride or trichlorethylene, or ethers such as dioxane, tetrahydrofuran or monoglyme. The exposure can be carried out at room temperature or at elevated temperatures.
As with thermal cleavage, the photochemical cleavage of the peroxy compounds I also gives rise to mixtures of saturated and unsaturated lactones.
The lactone mixtures obtained by the process according to the invention can be used as such, i.e. can be used as fragrances without prior separation into the components. However, the lactone mixtures can be separated into saturated lactone and unsaturated lactone, for example by distillation in a highly effective column. Furthermore, the lactone mixtures can be hydrogenated, for example catalytically using Raney nickel at room temperature, in order to obtain a uniform saturated lactone. The lactone mixtures obtained by the process according to the invention and their individual components are fragrances which all develop a more or less pronounced musky odor.
The process according to the invention is illustrated by the following reaction scheme:
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In this particular case, R2 in the peroxy compound of Formula I is a group of Formula II wherein n denotes 1.
The starting compounds I required for the process according to the invention can be prepared from bicyclic ethers of the formula
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in which n and R3 have the meaning already defined above, by reaction with hydrogen peroxide or a hydroperoxide of the formula X-OOH, in which X is an acyclic or cyclic hydrocarbon radical, e.g. B.
an alkyl, cycloalkyl, aralkyl or aryl radical.
Those peroxy compounds I in which R1 and R2 are identical to one another and denote a group of the formula II can, for example, by treating the bicyclic ethers V with hydrogen peroxide in the presence of sulfuric acid at temperatures between 10 and 15 ° C., preferably 12-14 ° C., for 20 -30 minutes can be obtained. To prepare those peroxy compounds i in which R1 is hydrogen, the bicyclic ethers V can be treated with hydrogen peroxide in the presence of sulfuric acid at temperatures around 0 ° C. for 20 to 30 minutes.
The bicyclic ethers V can be obtained from cyclododecanone, an inexpensive raw material available in any quantity, for example via the 2-ethoxycarbonyl-cyclododecanone obtainable by known methods. Those for the production of pentadecanolide (15.1), pentadecene (11 and 12) -olide- (15.1), 14-methyl-tetradecanolide- (14.1) and 14-methyl-tetradecene (11 and 12 ) -olide- (14,1) required bicyclic ethers can be obtained, for example, by the syntheses shown schematically below.
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The unsaturated lactones of the formula IV formed in the process according to the invention form two double bond isomers, which in turn can occur in the cis and trans configuration. These different isomers can be separated, for example, by preparative gas chromatography.
In the following examples, the temperatures are given in degrees Celsius.
example 1
A suspension of 439 g of 12-hydroperoxy-13-oxa bicyclo [10.4.0] hexadecane in 2500 ml of xylene was added in small portions to 2400 ml of boiling xylene within 11/2 hours with stirring. The reaction mixture was stirred for a further 10 minutes at reflux temperature and then cooled. Distilling off the solvent under reduced pressure gave 519.2 g of crude product which was subjected to fractional distillation. The fraction which distilled over between 73 and 1600 / 0.3 Torr was fractionated again in a Vigreux column. 313 g of a fraction boiling between 70 and 108 "/ 0.3 Torr were obtained, which fraction consisted of about 89% of pentadecanolide and about 11% of pentadecen- (11/12) -olide- (15.1).
About 98 grams of 12-hydroxypentadecanolide (15.1) was recovered as a by-product.
The mixture of pentadecanolide and pentadecen- (11/12) -olide- (15.1) can be used as such directly as a fragrance, or it can be subjected to a catalytic hydrogenation in order to obtain a product consisting entirely of pentadecanolide. A catalytic hydrogenation of this type is described below.
50 g of a 30% Raney nickel suspension and 5 ml were added to a solution of 313 g of a mixture of pentadecanolide and pentadecene (11/12) -olide- (15.1) in 1.5 liters of methanol 10 aqueous sodium carbonate and shaken the mixture in a hydrogen atmosphere for 31'2 hours. The amount of hydrogen absorbed during this time was 3600 ml. The hydrogenation mixture was filtered, whereupon the alcohol was distilled off from the filtrate under reduced pressure. The residue was taken up in a mixture of 300 ml of ether and 300 ml of toluene, whereupon the solution was washed neutral with water, then dried over sodium sulfate and finally evaporated under reduced pressure.
311 g of crude product with a cyclopentadecanolide content of about 90% were obtained.
The 12-Hy droperoxy-13-oxa-bicyclo [10.4.0] hexadecane used as starting material in Example 1 was prepared as follows:
A solution, cooled to 0, of 2222 g (10 mol) of 13-oxa-bicyclo [10.4.0] hexadecene [1 (12)] in 10 liters of 90% acetic acid was converted into a mixture of 1000 g (15, 3 mol) 52% hydrogen peroxide and 500 g conc. Sulfuric acid added. During the addition of the hydrogen peroxide, the temperature of the reaction mixture was kept between -1 and + 1 ". The reaction mixture was stirred for a further 15 minutes at 0 and then filtered. The filter cake was washed neutral with 3 liters of 50% acetic acid and then with water.
3629 g of moist 12-hydroperoxy-13-oxa-bicyclo [10.4.0] -hexadecane were obtained, which corresponds to a dry weight of 2160 g. F. = 103-114 ".
Example 2
In 600 ml of xylene heated to boiling point (138-140), a solution of 190 g of di- [13-oxa-bicyclo [10.4.0] hexadecyl- (12)] peroxide in 500 ml was added in small portions within 70 minutes with stirring Xylene entered. After the reaction mixture had cooled, the xylene was distilled off under reduced pressure. Fractional distillation of the residue gave 139.4 g of a mixture of pentadecanolide and pentadecen- (11/12) -olide (15.1) boiling at 105-107 "/ 0.2 torr.
This mixture (139.4 g) was dissolved in 750 ml of methanol. After adding 25 g of 30 clay Raney nickel and 1 ml of 10% aqueous Na2CO3, the mixture was hydrogenated in a hydrogen atmosphere for 1 hour. The amount of hydrogen absorbed during this time was 1200 ml. The hydrogenation mixture was filtered. The alcohol was distilled off from the filtrate under reduced pressure and the residue was taken up in ether and toluene. The solution was washed neutral with water, dried over sodium sulfate and evaporated under reduced pressure. In this way, 139 g of pentadecanolide were obtained.
The di- [13 oxa-bicyclo [10.4.0] hexadecyl- (12)] peroxide used as starting material in Example 2 was prepared as follows:
A solution of 222.2 g (1 mol) of 13-oxa-bicyclo [10.4.0] hexadecene [1 (12)] in 1000 ml of glacial acetic acid was added within 20 minutes with stirring to a solution of 222.2 g (1 mol) of 52 % of the hydrogen peroxide and 200 g of concentrated sulfuric acid. The reaction mixture was stirred for a further 30 minutes at 8 "and then filtered.
The filter cake was washed neutral with 450 ml of 50% acetic acid and then with water and finally dried over calcium chloride in vacuo at room temperature.
190 g of di- [13-oxa-bicyclole 10.4.0] hexadecyl- (12)] peroxide with a melting point of 134-136 were obtained.
Example 3
In a solution of 44.4 g (0.2 mol) of 13-oxa-bicyclo [10.4.0] hexadecene [1 (12)] in 250 ml of glacial acetic acid, 36 g of 75% saturated tert-butyl hydroperoxide (0.3 Mole). A mixture of 15 g of concentrated sulfuric acid and 100 ml of glacial acetic acid was added to the solution, which had been cooled to 12 ", within 12 minutes, while stirring, ensuring that the temperature did not rise above 14". The reaction mixture was then stirred for a further 30 minutes at 10-12 "and then poured into 1000 ml of ice water. After 300 ml of ether had been added, the mixture was stirred for 10 minutes. The aqueous phase was extracted again with ether.
The combined ethereal extracts were washed neutral twice with water, then twice with 10% strength aqueous sodium bicarbonate and finally with water.
The solution was dried over sodium sulphate and evaporated under reduced pressure. 56 g of a solid crude product were obtained which contained 12-tert-butylperoxy-13-oxa-bicyclic [10.4.0] hexadecane.
A solution of the crude product (56 g) in 150 ml of xylene was slowly introduced into 250 ml of boiling xylene within 90 minutes with stirring. The reaction mixture was stirred for a further 10 minutes, then cooled to 800 and concentrated under reduced pressure. Fractional distillation of the residue at 0.2 torr gave a product consisting of a mixture of pentadecanolide and pentadecen- (1 1/12) -olide- (15.1) in a yield of 40%, based on the converted 13-oxa -bicyclo [10.4.0] hexadecene [1 (12) 1.
The product was converted into pure pentadecanolide by hydrogenation in the manner described in Example 1.
The 13 -O3: a-bicyclo [10.4.0] hexadecen- [1 (12)] used as an intermediate in Examples 1-3 was prepared, for example, as follows:
A solution of 2.9 kg (53.7 mol) of sodium methylate and 12.7 kg (49.9 mol) of 2-ethoxycarbonyl-cyclododecanone (1) in 55 kg of dimethylformamide was stirred into a solution of 8 kg of 1-bromo-3 -chloropropane added in 8 kg of dimethylformamide. The reaction mixture was left to stand for 25 minutes. The temperature of the reaction mixture rose to 60 ". The reaction mixture was left to stand overnight and then processed further without prior isolation of the 2-ethoxycarbonyl2- (3-chloropropyl) -cyclododecanone- (1) formed in the reaction.
5 kg of anhydrous sodium acetate were added in small portions to the reaction mixture containing 2-ethoxycarbonyl-2- (3-chloropropyl) cyclododecanone- (1) and the mixture was stirred at 110-120 for 10 hours. The dimethylformamide was then distilled off under reduced pressure, at a temperature not exceeding 90 ", and the residue was diluted with 20 liters of toluene. After the organic solution was washed three times with water, the solvent was distilled off under reduced pressure.
The crude product containing 2-ethoxycarbonyl-2- (3-acetoxy-propyl) -cyclo-dodecanone- (1) was mixed with 50 liters of water and 27 kg of aqueous 30% sodium hydroxide solution. The mixture was stirred at 85-90 for 5 hours.
The reaction mixture was then allowed to cool, 20 liters of toluene were added and the mixture was stirred for 10 minutes. The organic phase was separated off and the aqueous phase was extracted again with 8 liters of toluene. The organic phases were combined and washed neutral with water. By distilling off the solvent under reduced pressure, 11.3 kg of crude product were obtained, from which 9.525 kg of 2- (3-hydroxypropyl) -cyclododecanone- (1), b.p. = 138-180 "/ 0.2 torr, were obtained by fractional distillation were.
A solution of 9.525 kg of 2- (3-hydroxypropyl) -cyclododecanone- (1) and 500 g of 70% benzenesulfonic acid in 30 kg of toluene was heated and stirred for 5 hours at reflux temperature (110o). The water formed in the reaction was continuously distilled off. 680 ml of water were collected. The reaction mixture was cooled to 20, washed twice with water and neutralized with 20 liters of 10% aqueous sodium bicarbonate.
The mixture was stirred for 60 minutes. The organic phase was separated off and washed with water.
By distilling off the solvent under reduced pressure, 9.370 kg of crude product were obtained. Fractional distillation of the crude product gave 7.7 kg of 13-oxa-bicyclo [10.4.0] hexadecene [1 (12)] with a boiling point of 110 to 114 / 0.2 Torr. The yield was 69.3% of theory, based on the converted 2-ethoxycarbonylcyclodecanone- (1).
Example 4
A suspension of 17.3 g of 12-hydroperoxy-14-methyl
13-oxa-bicyclo [10.3.0] pentadecane in 100 ml of xylene was added dropwise to 100 ml of boiling xylene over the course of 30 minutes with stirring. The xylene was evaporated under reduced pressure and the residue (18.2 g) was subjected to fractional distillation. One received
13.7 g of a mixture boiling at 83-116 / 0.3 torr of
14-methyl-tetradecanolide- (14,1) and 14-methyl-tetradecene (11- and 12) -oliden- (14,1). The lactone mixture was catalytically hydrogenated in the manner described in Example 1 ..
9 g of pure 14-methyl-tetradecanolide- (14.1), b.p. = 105 "/ 0.1 torr were obtained.
This lactone is a new compound that is interesting
Has fragrance properties.
The 14-methyl-12-hydroperoxy-13-oxa-bicyclo [10.3 .0] pentadecane used as starting compound in this example was prepared as follows:
A solution, cooled to 0, of 22.2 g (0.1 mol) 14-methyl-13-oxa-bicyclo [10.3.0] pentadecene [1 (12)] in 100 ml
90% acetic acid was stirred into a mixture of 10 g of 52% H 2 O 2 and 5 g of conc.
Sulfuric acid was added dropwise. The reaction mixture was stirred for a further 15 minutes at 0 and then filtered. The filter cake was washed neutral with water, 50% acetic acid, then 90% acetic acid and finally with water.
The moist crude product was dried under reduced pressure at room temperature. 17.3 g of dry crude product were obtained, from which pure 14-methyl-12-hydroperoxy-13oxa-bicyclo [10.3.0] pentadecane with a boiling point of 118-120 was obtained by recrystallization in ethyl acetate.
The 14-methyl-13-oxa-bicyclo [10.3 .0J-pentadecen- [1 (12)] used as an intermediate for the production of the hydroperoxide was produced as follows:
254.3 g (1 mol) of 2 ethoxycarbonyl-cyclododecanone (1) and 1000 ml of dimethylformamide were added to a solution of 59.4 g (1.1 mol) of sodium methylate in 800 ml of dimethylformamide. A solution of 132 g (1.1 mol) of allyl bromide in 200 ml of dimethylformamide was added to the mixture with stirring at 50 in the course of 2 hours. The reaction mixture was further stirred at 50 overnight. The total reaction time was 17 hours.
The dimethylformamide was distilled off in the vacuum of the water pump. The residue was decomposed with 750 ml of water and 30 ml of glacial acetic acid. The reaction mixture was extracted with toluene, whereupon the extract was washed neutral with water and freed from toluene by distillation under reduced pressure. Fractional distillation of the residue in a high vacuum (0.03 torr) gave 266.9 g of 2-allyl-2-ethoxycarbonyl-cyclododecanone- (1) with a melting point of 58-60 ".
A mixture of 200 g of 2-allyl-2-ethoxycarbonyl-cyclo dodecanone, 400 ml of ethanol and 300 ml of 30% aqueous sodium hydroxide was stirred for 4 hours at boiling temperature. The alcohol was then evaporated under reduced pressure and the residue was taken up in toluene. The solution was washed neutral with an aqueous saline solution. The wash waters were extracted with toluene. The combined dried toluene solutions were freed from the solvent under reduced pressure. 136.5 g of crude product were obtained, from which 116.1 g of 2-allylcyclodecanone- (1) (bp = 92-98 "/ 0.03 torr) were obtained by fractional distillation.
63 g of 2-allyl-cyclododecanone- (1) were introduced into 600 g of 90% strength sulfuric acid cooled to 0 with stirring over the course of 20 minutes. The reaction mixture was stirred for a further 2 hours, the temperature being allowed to rise to 100. The reaction mixture was poured onto ice and the mixture was extracted with ethyl acetate.
The aqueous phase was separated off and extracted with ethyl acetate. The extracts were combined, washed twice with 10% aqueous sodium bicarbonate and dried over sodium sulfate. Removal of the solvent under reduced pressure gave 65 g of crude product, from which 54 g of 14-methyl-13-oxa-bicyclo [10.3.0] pentadecene [1 (12)], b.p. =, were obtained by fractional distillation
105 / 0.1 Torr.
Example 5
A suspension, kept under an argon atmosphere, of 25.6 g of 12-hydroperoxy-13-oxa-bicyclo [10.4 .0] hexadecane in 500 ml of dioxane was exposed to a mercury vapor lamp of 125 watts for 5 hours. During the exposure, the suspension was cooled so that its temperature did not rise above room temperature. The resulting solution was concentrated under reduced pressure. 28.1 g of crude product were obtained, which was distilled at a pressure of 0.1 mm. 18.9 g of a mixture of pentadecanolide- (15.1) and pentadecen- (11 and 12) -olide- (15.1) (weight ratio about 1: 1), boiling at 92 / 0.1 mm, were obtained.
Example 6
10 g of di- [13 -oxa-bicyclo] 10.4.0 [hexadecyl- (12)] peroxide were exposed under the conditions given in Example 5. 11 g of crude product were obtained from which, by distillation, 6 g of a mixture of pentadecanolide (15.1) and pentadecene (11 and 12) -olide (15, boiling at 95-96 / 0.1-0.2 mm) 1) (weight ratio about 1: 1) were obtained.