CZ2001115A3 - Nové soli N-terc.-butylhydroxylaminu - Google Patents

Abstract

Nové soli N-terc.-butylhydroxylaminu s nižšími karboxylovými kyselinami obecného vzorce (CH3)3CNHOH.RCO2H, kde R znamená atom vodíku nebo alkylovou skupinu s 1 až 4 atomy uhlíku a způsoby jejich přípravy. Tyto soli mají výhodné vlastnosti, které je činí užitečnými pro syntézu.

Description

Nové soli N-terc.-butylhydroxylaminu

Oblast techniky

Přítomný vynález se týká nových solí N-terc.-butylhydroxylaminu a způsobů jejich přípravy. Tyto soli jsou výhodné jako meziprodukty v organické syntéze.

Dosavadní stav techniky

N-Alkylhydroxylaminy, včetně N-terc.-butylhydroxylaminu, jsou důležité jako meziprodukty v organické syntéze, obzvláště při přípravě nitronů, hydroxamových kyselin a C-nitrososloučenin (J. S. Roberts v D. H. R. Bartoň a W. D.

Ollis, Comprehensive Organic Chemistry, sv. 2, 196 až 201,

Pergamon Press (1979)).

Způsoby syntézy N-alkylhydroxylaminů jsou v oboru dobře známé (J. S. Roberts v D. H. R. Bartoň a W. D. Ollis, Comprehensive Organic Chemistry, sv. 2, 185 až 194,

Pergamon Press (1979)). Nejběžnější způsob syntézy těchto sloučenin zahrnuje redukci příslušné sloučeniny obsahující atom dusíku, ke které dochází při vyšší úrovni oxidace než hydroxylaminu jako takového. Proto byly použity redukce nitro-, nitroso- a oximových derivátů.

Autor W. D. Emmons, J. Amer. Chem. Soc., 79, 5739 až 5754 (1957), popisuje přípravu různých oxaziridinů oxidací příslušného iminového derivátu kyselinou peroctovou. Další hydrolýza těchto oxaziridinů vodnými kyselinami představuje vhodnou alternativní cestu přípravy N-alkylhydroxylaminů.

V obdobných způsobech mohou být N-alkylhydroxylaminy, jako je N-terc.-butylhydroxylamin, připraveny oxidací iminoetheru peroxykyselinou a následnou hydrolýzou výsledného alkoxyoxaziridinu (D. Thomas a D. H. Aue, Tetrahedron Letters, 1807 až 1810 (1973)).

Hydroxylamlny jsou bázické sloučeniny a vytváří soli s minerálními kyselinami, například s kyselinou chlorovodíkovou a kyselinou bromovodíkovou. Soli se silnými organickými kyselinami, například kyselinou oxalovou a kyselinou trifluormethansulfonovou, jsou rovněž známy.

N-Alkylhydroxylaminy nejsou obecně obzvláště stabilní jako volné báze, protože jsou náchylné například na oxidaci vzduchem. Z tohoto důvodu je vhodné připravit obecně stabilnější adiční soli těchto sloučenin s kyselinou. Tyto soli jsou obzvláště pohodlné co se týká uchovávání N-alkylhydroxylaminů.

Bayer (DE 35 35 451; EP 0 217 269) popisuje způsob přípravy N-alkylsubstituovaných hydroxylamoniumchloridů a to reakcí určitých arylaldiminů s kyselinou perpropionovou a následnou hydrolýzou takto připraveného oxaziridinu. Tyto hydrochloridové soli se považují za obzvláště výhodné. Následně je známo, že soli jiné než hydrochloridové soli, například odpovídající sírany nebo hydrogensírany, často krystalizují pouze chabě, pokud vůbec ne, což je faktor, který významně komplikuje jejich přípravu, izolování a manipulaci s nimi.

Nyní bylo překvapivě nalezeno, že N-terc.-butylhydroxylamin vytváří stabilní soli s nižšími karboxylovými kyselinami, například s kyselinou octovou. Tyto soli mají výhodné vlastnosti a jsou předmětem přítomného vynálezu.

Podrobný popis vynálezu

Podle přítomného vynálezu je poskytnuta sůl obecného vzorce I kde (CH₃}₃CNHOH · rco₂h

(I) znamená atom vodíku nebo alkylovou skupinu s 1 až 4 atomy uhlíku.

Obzvláště je výhodné, pokud je R methylová skupina, takže sloučenina obecného vzorce I je N-terc.-butylhydroxylamoniumacetat.

Pokud není uvedeno jinak, znamená termín alkylová skupina s 1 až 4 atomy uhlíku zde uváděný přímou nebo rozvětvenou alkylovou skupinu s 1 až 4 atomy uhlíku. Příklady takových skupin zahrnují methylovou skupinu, ethylovou skupinu, n-propylovou skupinu, isopropylovou skupinu, n-butylovou skupinu, isobutylovou skupinu a terc.butylovou skupinu.

Původce vynálezu dále podle přítomného vynálezu poskytuje způsob přípravy solí obecného vzorce I, a tento způsob zahrnuje reakci N-terc.-butylhydroxylaminu, (CH₃)₃CNHOH, s nižší karboxylovou kyselinou, RCO₂H, kde R má význam popsaný výše.

V jednom aspektu tohoto způsobu se roztok N-terc.-butylhydroxylaminu, buď připravený uvolněním volné báze ze soli, například z hydrochloridové soli, nebo připravený přímou syntézou, ve vhodném rozpouštědle, například ethylacetátu, isopropylacetatu, n-butylacetatu, diisopropyletheru nebo methyl-terc.-butyletheru, zpracuje při vhodné teplotě s příslušným množstvím nižší karboxylové kyseliny, například kyseliny octové.

• * *

Ve výhodném aspektu se ethylacetat a octan sodný přidají do roztoku N-terc.-butylhydroxylamoniumchloridu ve vodě.

V dalším výhodném aspektu se ethylacetat, kyselina octová a hydroxid sodný přidají do roztoku hydrochloridu N-terc.-butylhydroxylaminu ve vodě.

V jiném způsobu vzniká N-terc.-butylhydroxylamoniumacetat in šitu a může být izolován oddělením organické (ethylacetatové) vrstvy a následným odpařením.

Obzvláště překvapující a výhodné je, že nová sůl, N-terc.-butylhydroxylamoniumacetat, může být rozdělen z vodné fáze do fáze organické.

Nové soli obecného vzorce I mohou být, pokud je to nutné, čištěny za použití postupů, které jsou v oboru dobře známé. Takže mohou být rekrystalizovány z vhodného rozpouštědla, například toluenu nebo ethylacetátu, nebo z vhodné směsi rozpouštědel.

Nicméně ještě překvapivěji a výhodně může být nová sůl, N-terc.-butylhydroxylamoniumacetat, také čištěna destilací za sníženého tlaku.

N-terc.-Butylhydroxylamin, (CH₃)₃CNHOH, je v odborné literatuře dobře znám a může být připraven způsoby, které jsou samy o sobě známé.

Tedy, N-terc.-butylhydroxylamin může být připraven redukcí 2-methyl-2-nitropropanu, (CH₃) ₃CNO₂, například se zinkem nebo hlinitým amalgamem (J. March, Advanced Organic Chemistry, 3. vyd., 1103 až 1104 (1985); Organic Synthesis, sv. 52, 77 až 82). Pro způsob zpracování ve větším množství jsou tyto způsoby nevýhodné z toho hlediska, že 2-methyl-2— • * » f 4 · «4 4 · I « I • · 4 v i « 4 • · 4 · • 4 · • ♦♦ * · ·

-nitropropan, který se použije jako výchozí látka, je sobě relativně drahý co se přípravy týká a redukční proces vyžaduje pečlivou kontrolu, ne pouze z toho důvodu, že reakce je potencionálně velice exotermická.

N-terc.-Butylhydroxylamin může být také pohodlně připraven za použití obecné metodologie popsané Emmonsem (viz dále), jak je popsáno ve schématu 1. Skupina R¹ může v tomto případě pohodlně znamenat atom vodíku, ale může také znamenat jeden nebo více vhodných jiných substituentů. Podle schématu reaguje N-terc.-butylamin (2) s benzaldehydem (3), čímž se dostane imin (4), který je obratem oxidován peroxykyselinou, aby se dostal oxaziridin (5). Oxaziridin (5) může potom být buď přímo hydrolyzován za použití vodné kyseliny, nebo může alternativně být přemyknut na nitron (6), který je potom sám hydrolyzován.

V každém případě se hydrolýzou dostane směs N-terc.-butylhydroxylaminu (7), jako soli, a benzaldehyd (3), který může být snadno oddělen. Výhodou tohoto způsobu je, že obě výchozí látky (2) a (3) jsou relativně levné. Navíc benzaldehyd (3) je v průběhu konečné hydrolýzy regenerován a může být pohodlně oddělen a znovu použit. Navíc, pokud se pro oxidaci iminu použije peroxykyselina, například kyselina meta-chlorperbenzoová, může být takto vzniklá kyselina meta-chlorbenzoová také obnovena a následně opětovně oxidována.

Schéma 1 sám o

(3) (2) (4) (5) • ft ft · « ft • ft ftftftft ftft* ftftftft ft *

Nové soli obecného vzorce I jsou obecně krystalické sloučeniny, které, na rozdíl od odpovídající volné báze, N-terc.-butylhydroxylaminu, vykazují dobrou stabilitu při skladování, obzvláště jsou odolné vůči oxidaci vzduchem.

Pokud je to nutné, může být N-terc.-butylhydroxylamin uvolněn ze solí obecného vzorce I, a to jednoduše zpracováním s bází.

Pokud se porovnává s N-terc.-butylhydroxylamoniumchloridem, jsou nové soli obecného vzorce I obzvláště výhodné, protože mají překvapivě větší stabilitu vůči vyšším teplotám. Proto testování N-terc.-butylhydroxylamoniumchloridu za použití diferenciační skanovací kalorimetrie ukázalo, že tato sůl podstupuje extrémně exotermní reakci (ΔΗ = - 1312 J/g) při výchozí teplotě + 136 °C. Naproti tomu, N-terc.-butylhydroxylamoniumacetat podstupuje nijak signifikantně exotermní reakci, pokud se zpracovává za shodných podmínek.

Navíc je N-terc.-butylhydroxylamoniumchlorid poměrně hygroskopický a snadno vychytává vodu z okolí. Tato nevýhodná vlastnost je u N-terc.-butylhydroxylamoniumacetatu výrazně méně vyjádřena.

Přítomný vynález je ilustrován následujícími, ne však limitujícími, příklady.

Spektra NMR se zaznamenávají na přístroji Bruker při frekvencích 200 MHz pro ¹H a při frekvencích 50 MHz pro

I • » · · * « ···* O · · 9 ¹³C. Údaje o chemickém posunu jsou uvedeny v ppm směrem dolů od tetramethylsilanu (TMS).

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

N-terc.-Butylhydroxylamoniumacetat g (0,43 mol, 97%) hydrochloridu N-terc.-butylhydroxylaminu se rozpustí v 226 g vody a vloží se pod argonem do nádoby se třemi hrdly o objemu 1 litr. Přidá se 246 g ethylacetátu a 79 g (0,57 mol, 1,3 ekvivalentu) uhličitanu draselného a směs se důkladně míchá při teplotě + 20 “C po dobu 1 hodiny. Obě fáze se přečerpají do dělící nálevky. Vodná fáze se oddělí a ještě jednou se extrahuje 100 ml ethylacetátu. Organické fáze se spojí a přidá se 28,1 g (0,47 g, 1,09 ekvivalentu) kyseliny octové. Rozpouštědlo se odpaří. Výsledný čirý žlutozelený olej se zpracuje s dalšími 203 g ethylacetátu a opět se odpaří. Reakční nádoba se vloží do lednice a po 2 hodinách produkt vykrystalizuje. Látka se snadno rozdrtí za vzniku jemně žlutavého prášku, v množství 63,4 g (90%). Tato látka může rekrystalizovat buď za použití toluenu nebo ethylacetátu jako rozpouštědla.

Diferenciační skanovací kalorimetrie ukazuje endotermní teplotu tání při teplotě + 67,7 °C.

Rentgenovou difrakční analýzou prášku je prokázán vysoký stupeň krystality.

^XH NMR (d₃-acetonitxil) δ 8,33 (s, 2H) , 1,92 (s, 3H) a 1,21 (s, 9H);

C NMR (d3-acetonitril) δ 177,5, 57,0, 23,1 a 21,3.

• » » * « * ·*·* » * ft ««

Příklad 2

N-terc.-Butylhydroxylamoniumacetat

19,7 g (0,15 mol, 98%) hydrochloridu N-terc.-butylhydroxylaminu se při teplotě 20 °C rozpustí ve 40 g vody. Přidá se 118 g ethylacetátu a 19,3 g (0,24 mol, 1,5 ekvivalentu) octanu sodného. Zpočátku se vytvoří suspenze, která se posléze rozpustí. Po 2 hodinách se modravá organická fáze oddělí a odpaří se, čímž se dostane 20,6 g (88%) matného žlutého oleje, který během stání v lednici tuhne.

Chromatografická čistota (GC) : 97,0 plošných %.

Příklad 3

a) N-Benzyliden-terc.-butylamin

330 g toluenu, 66,0 g (0,62 mol) benzaldehydu a 50,0 g (0,68 mol, 1,1 ekvivalentu) terč.-butylaminu se vloží do reakční nádoby o objemu 1 litr napojené na DeanStarkův odlučovač. Nádoba se zahřívá v olejové lázni z PEG 400 o teplotě 130 °C. Po 7 hodinách při teplotě zpětného toku indikuje plynová chromatografie (GC) , že bylo z 99,7 % bylo dosaženo konverze. Reakční směs se ochladí a použije se přímo v následujícím kroku.

V odděleném pokusu se produkt izoluje odpařením a jeho charakteristiky jsou následující:

Chromatografická čistota (GC):0,2 plošných % benzaldehydu,

99,8 plošných % N-benzyliden-terc.-butylaminu.

9

9

NMR (CDC1₃) δ 1,29 (s, 9Η> , 7,37 (m, 3Η) , 7,73 (s, 2Η) a 8,26 (s, 1H);

¹³C NMR <CDC1₃) δ 29,6, 57,1, 127,8, 128,4, 130,0, 137,1 a

155,0.

MS ”/_z 146 (M⁺ - 15, 100 %), 161 (M⁺, 6 %) .

b) 2-terc.-Butyl-3-fenyloxaziridin

65,6 g (0,62 mol, 1 ekvivalent) uhličitanu sodného se rozpustí ve 400 g vody a ochladí se na teplotu +20 °C.

149,8 g (75%, 0,65 mol, 1,05 ekvivalentu) kyseliny meta-chlorperbenzoové se rozpustí v 300 g toluenu a 150 g ethanolu a opatrně se zahřeje na teplotu +20 °C. Vodný roztok uhličitanu sodného se potom přidá k toluenovému roztoku N-benzyliden-terc.-butylaminu, který se připraví postupem popsaným v bodu a) výše, v reakční nádobě o objemu 2 litry, která je ponořena v lázni se studenou vodou (teplota je nižší než + 10 °C). Potom se pomalu v průběhu 30 minut při teplotě + 20 °C přidává roztok kyseliny metachlor-perbenzoové. GC analýza vykazuje, že kompletní konverze je dosažena za 30 minut po ukončení přidávání roztoku kyseliny meta-chlorperbenzoové. Vodná fáze se potom odstraní a organická fáze se přefiltruje přes skleněný filtr a přenese se přímo do dalšího reakčního kroku.

V samostatném experimentu se produkt izoluje a jeho charakteristiky jsou následující:

chromatografická čistota (GC): 1,9 plošných % benzaldehydu, 98,1 plošných % 2-terc.-butyl-3-fenyloxaziridinu, ^ΤΗ NMR (CDCI3) δ 1,17 (s, 9H) , 4,68 (s, 1H) a 7,33 až 7,46 (m, 5H) ;

• · • * ¹³C NMR (CDC1₃) δ 25,2, 58,3, 73,5, 127,4, 128,3, 129,6,

133,2 a 135,5.

MS ^m/₂ 57 (100 %), 177 (M⁺, 1 %).

c) N-terc.-Butylfenylnitron

Přibližně 600 ml reakční směsi z kroku b} se vloží do reakční nádoby o objemu 1 litr napojené na Dean-Starkův odlučovač a zahřívá se v olejové lázni z PEG 400 na teplotu + 130 °C přes noc (13 hodin}. Podle GC analýzy nezbude poté žádný oxaziridin. Tmavě hnědý roztok se ochladí na teplotu + 20 °C prostřednictvím lázně s chladnou vodou (o teplotě nižší než + 10 °C) a potom se přefiltruje přes K200 papír. Filtrát se odpaří na rotační odparce při teplotě + 50 °C, čímž se dostane tmavý červenohnědý olej, v množství 93,9 g. Olej téměř okamžitě krystalizuje.

^XH NMR (CDCla) δ 1,61 (s, 9H) , 7,38 až 7,55 (m, 3H) , 7,55 (s, IH) a 8,27 až 8,32 (m, 2H);

¹³C NMR (CDC1₃) 6 28,2, 70, 6, 128,2, 128,6, 129,9 a 130,9.

MS ^m/_z 57 (100 %) , 177 (M⁺, 19 %).

d} N-terc.-Butylhydroxylamoniumacetat

44,8 g (0,25 mol) N-terc.-butylfenylnitronu se rozpustí ve 134 g toluenu v nádobě o objemu 500 ml. 27,5 g (95% až 97%, 0,27 mol, 1,1 ekvivalentu) kyseliny sírové se zředí ve 134 g vody a přidá se do reakční nádoby. Dvoufázová směs se potom zahřívá na teplotu 50 °C a důkladně se míchá po dobu přibližně 2 hodin. Po uplynutí této doby indikuje GC, že zůstalo pouze 0,2 plošných % N-terc.-butylfenylnitronu. Po ochlazení na teplotu + 20 °C se tmavě červená organická fáze odstraní a čirá žlutá vodná fáze se jednou extrahuje 46 g toluenu. Ke zbývající vodné fázi se potom přidá 14,8 g (0,25 mol, 1,0 ekvivalentu) kyseliny octové a potom 45% vodný roztok hydroxidu sodného, až do okamžiku, kdy je pH vodné fáze přibližně 5,5. Poté se přidá 224 g ethylacetátu a směs se důkladně míchá. Organická fáze se potom oddělí a vodná fáze se ještě jednou extrahuje ethylacetatem. Spojené organické frakce se potom odpaří, čímž se dostane 35,2 g oleje. Tato látka se čistí destilací za sníženého tlaku. Stabilního destilačního bodu se dosáhne při tlaku 1,9 kPa a teplotě + 78 °C. Frakce 1 vyvolaná při teplotě nižší než + 70 °C obsahuje 2,7 g a frakce 2 sebraná při teplotě mezi + 70 °C a + 80 °C obsahuje 28,7 g (76%) oleje s vysokou viskozitou, který během stání krystalizuje na bílou pevnou látku.

pKa = 6,4

Chromatografická čistota (GC) : 99,4 plošných %.

NMR (d₄-methanol) δ 1,27 (s, 9H) , 1,95 (s, 3H) a 5,51 (s, NO-H);

¹³C NMR (d₄-methanol) δ 22,9, 24,1, 59,0 a 180,2.

Příklad 4

N-terc.-Butylhydroxylamoniumacetat

30,3 g (98,2 plošných %, 0,17 mol) 2-terc.-butyl-3— -fenyloaziridinu se rozpustí v 90 g methanolu. 25,7 g (95% až 97%, 0,25 mol, 1,5 ekvivalentu) kyseliny sírové se zředí v 90 g vody a přidá se do reakční nádoby o objemu 500 ml. Reakční směs se potom míchá při teplotě + 20 °C po dobu 20 hodin, poté GC analýza indikuje, že zůstalo 5,8 plošných % oxaziridinu. Ponecháním reakční směsi za míchání během víkendu se docílí kompletní konverze. Rozpouštědla se φ φ • · odpaří a odparek se rozdělí do 90 vody a 90 g ethylacetatu. Organická fáze se odloží a přidá se 150 g čerstvého ethylacetatu, 10,8 g (0,18 mol, 1,1 ekvivalentu} kyseliny octové následované 45% vodným roztokem hydroxidu sodného, až je pH vodné fáze přibližně 5,5. Organická fáze se potom oddělí, přefiltruje se přes K200 filtrační papír a odpaří se, čímž se dostane 17,3 g oleje. Tato látka se destiluje při tlaku 2 kPa a frakce, které destilují při teplotě vyšší než + 72 °C, se seberou, čímž se dostane 11,5 g (45%) čirého oleje, který okamžitě krystaluje.

Chromatografická čistota (GC):99,5 plošných %.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Sůl obecného vzorce I (CH₃}₃CNHOH RCO₂H (I)_z kde

   R znamená atom vodíku nebo alkylovou skupinu s 1 až 4 atomy uhlíku.
2. 2. Sůl podle nároku 1, kterou je N-terc.-butylhydroxylamoniumacetat.
3. 3. Způsob přípravy soli podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje reakci N-terc.-butylhydroxylaminu, (CH₃)₃CNHOH, s nižší karboxylovou kyselinou, RCO₂H, kde R má význam popsaný v nároku 1.
4. 4. Způsob přípravy N-terc.-butylhydroxylaminacetatu, vyznačující se tím, že zahrnuje reakci roztoku N-terc.-butylhydroxylaminu, (CH₃)₃CNHOH, s kyselinou octovou ve vhodném rozpouštědle.
5. 5. Způsob přípravy N-terc.-butylhydroxylaminacetatu, vyznačující se tím, že zahrnuje zpracování roztoku N-terc.-butylhydroxylamoniumchloridu ve vodě s octanem sodným za přítomnosti ethylacetátu.
6. 6. Způsob přípravy N-terc.-butylhydroxylaminacetatu, vyznačující se tím, že zahrnuje zpracování roztoku N-terc.-butylhydroxylamoniumchloridu ve vodě s kyselinou octovou a hydroxidem sodným za přítomnosti ethylacetátu.

   ···· ·· ·- ·· ··
7. 7. Způsob izolace N-terc.-butylhydroxylaminacetatu připraveného postupem z nároku 5 nebo 6, vy značující se tím, že zahrnuje oddělení ethylacetatové vrstvy následované odstraněním ethylacetatu odpařením.
8. 8. Způsob čištění N-terc.-butylhydroxylaminacetatu, vyznačující se tím, že zahrnuje destilaci za sníženého tlaku.