EP4301741A1 - Verfahren zur herstellung von alkyl-4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylat - Google Patents

Verfahren zur herstellung von alkyl-4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylat

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EP4301741A1
EP4301741A1 EP22708544.6A EP22708544A EP4301741A1 EP 4301741 A1 EP4301741 A1 EP 4301741A1 EP 22708544 A EP22708544 A EP 22708544A EP 4301741 A1 EP4301741 A1 EP 4301741A1
Authority
EP
European Patent Office
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compounds
general formula
cyclization
methyl
iii
Prior art date
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Pending
Application number
EP22708544.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Lishchynskyi
Carlos MORIANA HERRAIZ
Günter Hömberger
Mark James Ford
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Bayer AG
Original Assignee
Bayer AG
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/26Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having one double bond between ring members or between a ring member and a non-ring member
    • C07D307/30Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having one double bond between ring members or between a ring member and a non-ring member with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D307/32Oxygen atoms

Definitions

  • the present invention relates to a new process for the production of alkyl 4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylate (I).
  • Methyl 4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylate of the formula (I) is an important precursor of agrochemical (cf. WO2018/228985) active ingredients.
  • the present invention is based on the object of developing a process for preparing the compounds of the general formula (I) starting from compounds of the general formulas (II) and (III) in only two reaction steps, which also suitable for large-scale production.
  • R 1 is (Ci-C 4 )-alkyl, characterized in that compounds of general formula (II) wherein
  • R 2 is (Ci-C 4 )-alkyl, with compounds of the general formula (III) wherein R 1 is as defined above, by addition of MO-Z in Z-OH, wherein
  • M is an alkali metal ion and Z is (Ci-C4)-alkyl, except /butyl,
  • R 1 represents ethyl or methyl
  • R 2 represents ethyl or methyl
  • M represents sodium or potassium
  • Z represents ethyl or methyl.
  • radical definitions for the compounds of the general formulas (I), (II), (III), (IV), MO-Z and Z-OH are the following:
  • R 1 is methyl
  • R 2 is methyl
  • M stands for sodium
  • the compounds of general formula (II) react with compounds of general formula (III) in the presence of MO-Z in Z-OH to form cyclization products of general formula (IV) which undergo dealkoxycarbonylation under non-hydrolytic conditions and to form compounds of general Formula (I) react.
  • the reaction mixture can also contain the intermediates of the general formulas (V) and (VI), which under the given reaction conditions give the product of the general formula (IV) keep reacting.
  • the compounds of general formula (II) and (III) are commercially available. Surprisingly, the compounds of the general formula (III) can be used as the E or Z isomer and lead to comparable results. This is not known from the literature. Under the reaction conditions, isomerization between Z and E isomers takes place.
  • the yield of the according to the invention is higher (>30%) than in the reaction with NaH or sodium powder ( ⁇ 30%) described in the prior art.
  • the reaction can also be used on an industrial scale because of the alcoholate base.
  • the equilibrium of the reaction towards the product can be shifted if the alcohol used as a solvent and additionally formed during the cyclization is removed by distillation.
  • the yield increases.
  • the molar ratio of MO-Z based on compounds of general (II) is 0.8 to 3 equivalents, preferably 0.9 to 1.2 equivalents.
  • the molar ratio of Z-OH based on compounds of the general formula (II) is 1 to 10 equivalents, preferably 4 to 7 equivalents.
  • the molar ratio of compounds of general formula (II) to compounds of general formula (III) is 0.8 to 3 equivalents, preferably 0.9 to 1.2 equivalents.
  • the temperature can be varied within a wide range and depends, for example, on the solvent. For the reaction, it is preferably from 15 to 70.degree. C., particularly preferably from 40 to 60.degree.
  • the reaction is usually carried out in a solvent, preferably anisole, THF, toluene, xylene or Me-THF.
  • the solvent may contain Z-OH. It is preferably an anhydrous ("dry” or absolute) solvent.
  • the yield can be significantly increased (>95% compared to 75% with sulfuric acid in the prior art).
  • Toxic reagents such as diazomethane can be dispensed with.
  • the reagent (see Table 1) is used in excess, optionally in combination with a solvent.
  • the reagent is preferably also used as a solvent.
  • the temperature for the reaction depends on the reagent or solvent. Table 1 lists some of these reaction conditions by way of example, but without restricting them to these.
  • reaction mixture is heated to 50° C. (55° C. heating mantle) and 849 g of methanol are removed by distillation over the course of 6 hours, specifically at a pressure of 360 mbar (at the beginning) to 60 mbar (at the end). Then the reaction mixture is cooled to 20°C and stirred overnight. This reaction mixture is then added to a mixture of dilute sulfuric acid prepared from 2.373 L of water and 225 g of concentrated sulfuric acid (2.17 mol) in a heating/cooling jacketed kettle (6 L) at 10°C. The reaction mixture is stirred for 2 hours at 10-12°C, then warmed to 20°C. Then the 2-phase mixture is separated and the aqueous phase is extracted with anisole. The combined organic phases are concentrated to 990 g.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Alkyl-4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylat (I).

Description

Verfahren zur Herstellung von Alkyl-4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylat
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Alkyl-4- oxotetrahydrofuran-2-carboxylat (I).
Methyl-4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylat der Formel (I) ist eine wichtige Vorstufe von agrochemischen (vgl. WO2018/228985) Wirkstoffen.
Die Synthese von Methyl-4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylat der Formel (I) ist bekannt, z.B. aus Helv. Chim. Acta 1959, 1177 und WO 2016/205633. Jedoch sind ausgehend von Dimethyl(Z)-but- endioate drei Reaktionsschritte notwendig, um Methyl-4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylat der Formel (I) herzustellen, was mit einem Ausbeuteverlust einhergeht. Des Weiteren sind die Reagenzien, die im Stand der Technik verwendet werden, (z.B. Natriumpulver, NaH, TMSCHN2, CH2N2) nicht für eine großtechnische Synthese geeignet, da der sichere Umgang mit diesen Chemikalien im großen Maßstab schwierig ist oder sie sehr toxisch sind.
Im Fichte des zuvor beschriebenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) ausgehend von Verbindungen der allgemeinen Formel (II) und (III) in nur zwei Reaktionsschritten zu entwickeln, das auch für die Produktion in großem Maßstab geeignet ist.
Die zuvor beschriebene Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel (I)
(I), worin
R1 (Ci-C4)-Alkyl ist, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungen der allgemeinen Formel (II) worin
R2 (Ci-C4)-Alkyl ist, mit Verbindungen der allgemeinen Formel (III) worin R1 wie oben definiert ist, durch Zugabe von MO-Z in Z-OH, worin
M für ein Alkalimetallion steht und Z (Ci-C4)-Alkyl, ausgenommen /Butyl, ist,
Zyklisierungsprodukte mit der allgemeinen Formel (IV) ergeben worin R1 wie oben definiert ist, welche unter nicht hydrolytischen Bedingungen eine Dealkoxycarbonylierung unterlaufen und zu Verbindungen der allgemeinen Formel (I) reagieren. Bevorzugte Restedefinitionen für die Verbindungen der allgemeinen Formeln (I), (II), (III), (IV), MO-Z und Z-OH sind die folgenden:
R1 steht für Ethyl oder Methyl,
R2 steht für Ethyl oder Methyl, M steht für Natrium oder Kalium,
Z steht für Ethyl oder Methyl.
Besonders bevorzugte Restedefinitionen für die Verbindungen der allgemeinen Formeln (I), (II), (III), (IV), MO-Z und Z-OH sind die folgenden:
R1 steht für Methyl, R2 steht für Methyl,
M steht für Natrium,
Z steht für Methyl.
Erläuterung des Verfahrens
Die Reaktionsbedingungen zur Herstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel (I) werden im Folgenden im Detail erläutert.
Schema 1
Die Verbindungen der allgemeinen Formel (II) reagieren mit Verbindungen der allgemeinen Formel (III) in Anwesenheit von MO-Z in Z-OH zu Zyklisierungsprodukten mit der allgemeinen Formel (IV), welche unter nicht hydrolytischen Bedingungen eine Dealkoxycarbonylierung unterlaufen und zu Verbindungen der allgemeinen Formel (I) reagieren. Während der Zyklisierung können neben dem eigentlichen Produkt, den Verbindungen der allgemeinen Formel (IV), auch noch die Zwischenprodukte der allgemeinen Formeln (V) und (VI) im Reaktionsgemisch enthalten sein, die unter den gegebenen Reaktionsbedingungen zum Produkt der allgemeinen Formel (IV) weiter reagieren.
Die Verbindungen der allgemeinen Formel (II) und (III) sind kommerziell erhältlich. Die Verbindungen der allgemeinen Formel (III) können überraschenderweise als E- oder Z-Isomer eingesetzt werden und zum vergleichbaren Ergebnis führen. Dies ist aus der Literatur nicht bekannt. Unter den Reaktionsbedingungen findet eine Isomerisierung zwischen Z- und E- Isomeren statt.
Die Verbindungen der allgemeinen Formel (I) weisen ein Stereozentrum auf. Folglich liegt das Produkt in Form eines Racemates vor. Zyklisierung:
Die Zyklisierung ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird dort mit NaH oder Natriumpulver durchgeführt (Helv. Chim. Acta 1959, 1177; WO 2016/205633). Diese Reagenzien sind nicht für eine großtechnische Synthese geeignet, da der sichere Umgang mit ihnen im großen Maßstab schwierig ist.
Die Ausbeute des erfmdungsgemäße liegt höher (> 30%) als bei der im Stand der Technik beschriebenen Reaktion mit NaH bzw. Natriumpulver (< 30%). Außerdem ist die Reaktion wegen der Alkoholat-Base auch großtechnisch einsetzbar.
Vorteilhaft für das Erzielen einer hohen Ausbeute ist das langsame Zugeben von der Alkoholat- Base, z.B. durch Zudosieren.
Außerdem kann das Gleichgewicht der Reaktion zum Produkt verschoben werden, wenn der als Lösungsmittel benutzte und zusätzlich bei der Zyklisierung entstehende Alkohol destillativ entfernt wird. Die Ausbeute steigt.
Das molare Verhältnis von MO-Z bezogen auf Verbindungen der allgemeinen (II) beträgt 0,8 bis 3 Äquivalente, bevorzugt 0.9 bis 1,2 Äquivalente.
Das molare Verhältnis von Z-OH bezogen auf Verbindungen der allgemeinen Formel (II) beträgt 1 bis 10 Äquivalente, bevorzugt 4 bis 7 Äquivalente.
Das molare Verhältnis von Verbindungen der allgemeinen Formel (II) zu Verbindungen der allgemeinen Formel (III) beträgt 0,8 bis 3 Äquivalente, bevorzugt 0,9 bis 1,2 Äquivalente. Die Temperatur kann in einem breiten Bereich variiert werden und ist z.B. abhängig vom Lösungsmittel. Sie liegt für die Reaktion bevorzugt bei 15 bis 70°C, besonders bevorzugt bei 40 bis 60°C.
Die Reaktion wird gewöhnlich in einem Lösungsmittel durchgeführt, bevorzugt in Anisol, THF, Toluol, Xylol oder Me-THF. Das Lösungsmittel kann Z-OH enthalten. Bevorzugt handelt es sich um wasserfreies („trockenes“ oder absolutes) Lösungsmittel. Dealkoxycarbonylierung (Organic Reactions, Vol 81):
Während mit Schwefelsäure in Wasser (s. Helv. Chim. Acta 1959, 1177; WO 2016/205633) die Esterspaltung/Decarboxylierung zu 4-Oxotetrahydrofurancarbonsäure stattfindet, kann unter nicht hydrolytischen, z.B. wasserfreien Reaktionsbedingungen, der Ester in Verbindungen der allgemeinen Formel (I) bestehen bleiben, sodass der zusätzliche Schritt der erneuten Veresterung, der im Stand der Technik mit CH2N2 vorgenommen wird, entfallen kann. Dadurch entfallen auch die im Stand der Technik notwendigen zahlreichen Extraktionen der 4- Oxotetrahydrofurancarbonsäure, die schwer aus Wasser zu isolieren ist.
Die Ausbeute kann in der Folge wesentlich gesteigert werden (>95% gegenüber 75% mit Schwefelsäure im Stand der Technik). Auf toxische Reagenzien, wie z.B. Diazomethan, kann verzichtet werden.
Das Reagenz (s. Tabelle 1) wird im Überschuss eingesetzt gegebenenfalls in Kombination mit einem Lösungsmittel. Bevorzugt wird das Reagenz auch als Lösungsmittel verwendet.
Die Temperatur für die Reaktion ist abhängig vom Reagenz bzw. Lösungsmittel. In Tabelle 1 sind beispielhaft einige dieser Reaktionsbedingungen aufgeführt, ohne sie jedoch auf diese zu beschränken.
Tabelle 1: Dealkoxycarbonylierung Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele näher erläutert, ohne die Erfindung dabei auf diese einzuschränken.
Messverfahren
Die Produkte wurden mittels 'H-NIVIR charakterisiert.
Beispiel 1
Methyl-4-oxotetrahydrofuran-2,3-dicarboxylat
356 g Methylglycolat (3.95 mol) und 541 g Dimethylmaleat (3.75 mol) werden zusammen mit 2,175 1 Anisol in einen Kessel mit Heiz/Kühlmantel (6 1) gegeben. Die Mischung wird auf 49°C erwärmt und dann werden 783 g 30%iges Natriummethyl at (NaOMe = NaOMethyl) in Methanol über 6 Stunden hizugefügt. Während der ersten Minuten steigt die Innentemperatur auf 55°C und bleibt dann bei 50°C. Nach Zugabe von ca. 30% der Base wird das Reaktionsgemisch trübe und ein Feststoff fällt aus. Nach dem Ende der Zugabe der Base liegt eine bräunliche, noch gut rührbare Suspension vor. Das Reaktionsgemisch wird auf 20°C abgekühlt und über Nacht gerührt. Am nächsten Tag wird das Reaktionsgemisch auf 50°C (55°C Heizmantel) erwärmt und innerhalb von 6 Stunden werden 849 g Methanol destillativ entfernt, und zwar bei einem Druck von 360 mbar (am Anfang) bis 60 mbar (zum Schluss). Dann wird die Reaktionsmischung auf 20°C abgekühlt und über Nacht gerührt. Diese Reaktionsmischung wird dann zu einer Mischung aus verdünnter Schwefelsäure, hergestellt aus 2.373 1 Wasser und 225 g konzentrierter Schwefelsäure (2.17 mol) gegeben, die sich in einem Kessel mit Heiz/Kühlmantel (6 1) befindet, und zwar bei 10°C. Das Reaktionsgemisch wird für 2 Stunden bei 10 bis 12°C gerührt, dann wird auf 20°C erwärmt. Anschließend wird das 2-Phasen-Gemisch getrennt und die wässrige Phase wird mit Anisol extrahiert. Die vereinten organischen Phasen werden eingeengt auf 990g.
Methyl-4-oxotetrahydrofuran-2-carboxylat Das Öl aus dem vorhergehenden Reaktionsschritt wird in 1200 ml Essigsäure gegeben. Es werden 67.6 g Trifluoressigsäure hinzugefügt und das Reaktionsgemisch wird für 24 Stunden bei 115 bis 118°C gerührt. Dann wird die Essigsäure abdestilliert und das Produkt wird destillativ gereinigt. Das Produkt ist ein Öl (350 g, 66% Ausbeute). NMR-Daten
Tf-NMR (600MHz, DMSO-d6): d (ppm) = 4.97 (dd, J= 8.8, 5.1 Hz, 1H), 4.02 (d, J= 16.7 Hz, 1H), 3.99 (d, J= 16.7 Hz, 1H), 3.69 (s, 3H), 2.88 (dd, J= 18.2, 8.8 Hz, 1H), 2.60 (dd, J= 18.2, 5.1 Hz, 1H).
Tabelle 2: Vergleich der Ausbeute

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Verbindungen der allgemeinen Formel (I) worin
R1 (Ci-C4)-Alkyl ist, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungen der allgemeinen Formel (II) worin R2 (Ci-C4)-Alkyl ist, mit Verbindungen der allgemeinen Formel (III)
(III), worin R1 wie oben definiert ist, durch Zugabe von MO-Z in Z-OH, worin M für ein Alkalimetallion steht und Z (Ci-C4)-Alkyl, ausgenommen Butyl ist,
Zyklisierungsprodukte mit der allgemeinen Formel (IV) ergeben worin R1 wie oben definiert ist, welche unter nicht hydrolytischen Bedingungen eine Dealkoxycarbonylierung unterlaufen und zu Verbindungen der allgemeinen Formel (I) reagieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Restedefinitionen für die Verbindungen der allgemeinen Formeln (I), (II), (III), (IV), MO-Z und Z-OH die folgenden sind:
R1 steht für Ethyl oder Methyl,
R2 steht für Ethyl oder Methyl,
M steht für Natrium oder Kalium,
Z steht für Ethyl oder Methyl.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Restedefinitionen für die
Verbindungen der allgemeinen Formeln (I), (II), (III), (IV), MO-Z und Z-OH die folgenden sind:
R1 steht für Methyl,
R2 steht für Methyl, M steht für Natrium, Z steht für Methyl.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Zyklisierungsprodukt mit der allgemeinen Formel (IV) auch die Intermediate (V) und (VI) entstehen, die ebenfalls zu Verbindungen der Formel (IV) weiter reagieren können.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol Z-
OH während der Zyklisierungsreaktion destillativ entfernt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zyklisierung bei 15 bis 70 °C durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zyklisierung bei 40 bis 60 °C durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel bei der Zyklisierung Anisol, THF, Toluol, Xylol oder Me-THF.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel auch Z-OH enthält, wobei Z wie in den Ansprüchen 1 bis 3 definiert ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die
Zyklisierung wasserfreies Lösungsmittel verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass MO-Z in Z- OH zudosiert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass NaOMethyl bei der Zyklisierung verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reagenz bzw. Lösungsmittel der Dealkoxycarbonylierung Essigsäure ist oder aus einer Mischung aus Essigsäure und Trifluoressigsäure besteht.
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