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Verfahren zur Herstellung von Terpen-Oxiranen
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Die Herstellung von bicyclischen Terpen-Oxiranen auf der Basis von
ungesättigten Terpenkohlenwasserstoffen ist schon lange bekannt. Die klassischen
und bisher auch wirtschaftlichsten Verfahren beruhen auf der Epoxidation von unnesättigten
Terpenen mit Percarbonsäuren.
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So werden beispielsweise a-Pinen und -Caren mit Perbenzoesäure oder
mit destillierter Peressigsäure in wasserfreiem Äther oder in Chloroform zu den
entsprechenden Epoxiden umgesetzt [B. A. Arbusow et al, Journal für praktische Chemie
(2) Band 127 (1930), Seiten 1 bis 15]. Nachteile dieses Verfahrens sind die mäßigen
Unsätze,-die Bildung von schwierig abtrennbaren Nebenprodukten sowie die als notwendig
angesehene Verwendung destillierter Peressigsäure.
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Nach einem anderen Verfahren setzt man u. a. a-Pinen in Gegenwart
eines Säureacceptors, bevorzugt lösungsmittelfrei, gegebenenfalls aber auch bei
Anwesenheit eines Verdünnungsmittels,
welches z. 8. Wasser oder
ein Ether - genannt ist Isopropylether - sein kann, mit einer Percarbonsäure zu
a-Pinenepoxid mit 75 % Ausbeute um (FR-PS 1 250 047).
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Es ist ferner vorgeschlagen worden, a-Pinen mit wäßriger Peressigsäure
in Gegenwart von Alkalien mit 76 % Ausbeute zu a-Pinenepoxid umzusetzen [Chemical
Abstracts Bd. 84 (1976) Ref. Nr. 150762y; UdSSR-PS 456 806).
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Gemeinsame Nachteile aller genannten Verfahren sind bei der Herstellung
von Terpenepoxiden unbefriedigende Umsätze und daher größerer Percarbonsäureverbrauch,
nicht zufriedenstellende Oxiranausbeuten, sowie die Bildung von schwierig abtrennbaren
Nebenprodukten.
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Speziell für die Herstellung von Oxiranen geradkettiger oder wenig
verzweigter a-Olefine mit 8 bis 60 C-Atomen ist schlieB-lich noch ein Epoxidierungsverfahren
unter Verwendung von in situ erzeugter Peressigsäure bekannt, bei dem in Gegenwart
bestimmter chlorhaltiger Lösungsmittel gearbeitet wird (DE-AS 2 436 817). Bei der
Übertragung dieses Verfahrens auf die Epoxidierung ungesättigter Terpene stellte
sich jedoch heraus, daß beispielsweise aus a-Pinen und einer derartigen Peressigsäure
in Chloroform das Epoxid in nur mäBiger Ausbeute entstand, während der größte Teil
des a-Pinens in Nebenprodukte unbekannter Struktur überging.
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Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu entwickeln, nach dem Terpen-Oxirane in möglichst quantitativer Ausbeute und vor
allem mit höchstmöglichem Terpen-Umsatz hergestellt werden können.
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Es wurde gefunden, daß dies unerwarteterweise möglich ist, wenn man
ungesättigte Terpenkohlenwasserstoffe mit technischer Peressigsäure in Gegenwart
bestimmter chlorierter Kohlenwasserstoffe und bei Anwesenheit von festen Carbonaten
oder Hydrogencarbonaten der Alkalimetalle reagieren läßt.
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Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung von bicyclischen
Terpen-Oxiranen durch Epoxidieren von ungesättigten Terpenkohlenwasserstoffen mit
Peressigsäure-Essigsäure-Mischungen, die noch Wasser, Wasserstoffperoxid und gegebenenfalls
geringen Mengen Schwefelsäure enthalten, in Gegenwart von säurebindenden Mitteln,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Epoxidierung in einem unter den
Reaktionsbedingungen flüssigen, inerten, aliphatischen Chlorkohlenwasserstoff mit
1 bis 3 C-Atomen, von denen mindestens eines als -CC13-, -CHC12-, -CH2C1-, =CHC1-
oder =CC12-Gruppe vorliegt, durchführt und das säurebindende Mittel bevorzugt ein
Alkalicarbonat oder -hydrogencarbonat ist, welches in fester Form in einer Menge
von 0,3 bis 0,7 bzw 0,6 bis 1,4 Mol pro Mol Säuregehalt der verwendeten Peressigsäuremischung
eingesetzt wird.
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Es war überraschend und nicht vorhersehbar, daß die Epoxidierung von
Terpenolefinen in den genannten chlorh21tigen Lösungsmitteln mit Peressigsäure besonders
in Gegenwart von festen Alkalicarbonaten in ausgezeichneten Ausbeuten bei praktisch
quantitativem Umsatz und vernachlässigbar geringer Nebenproduktbildung zu den bicyclischen
Oxiranen führt Der unerwartei günstige Einfluß der chlorierten Lösungsmittel war
für den Fachmann nicht zu erwarten, da bei einer unter den gleichen Bedingungen,
jedoch in anderen inerten Lösungsmitteln wie Benzin, Toluol, Chlorbenzol9 fluorhaltigen
Kohlenwasserstoffens Diisopropylether oder Terpenolefin-Überschuß durchgeführten
Epoxidierung
der Terpenolefin-Umsatz - wie eigene Versuche zeigten
-wesentlich schlechter ist, was einen erheblich größeren Peressigsäureverbrauch
zur Folge hat und ein destillatives Abtrennen der nicht umgesetzten Terpene erforderlich
macht..
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Unter ungesättigten Terpenkohlenwasserstoffen werden bicyclische Terpene
mit endo- und exocyclischen Doppelbindungen verstanden. Genannt seien a-Pinen, ß-Pinen,
Camphen, #3-Caren, Bornylen, a-, ß- und t-Fenchen sowie Sabinen. Bevorzugt sind
a- und ß-Pinen sowie Camphen.
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Als Epoxidierungsmittel verwendet man technische, unter der Bezeichnung
"Peressigsäure" bekannte Peressigsäure-Essigsäure-Mischungen, die noch Wasser und
Wasserstoffperoxid und gegebenenfalls geringe Mengen Schwefelsäure enthalten.
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Vorteilhaft sind "Peressigsäuren" mit einem Persäuregehalt von 30
bis 40 %, es kann jedoch auch niedriger oder höher konzentrierte Ware verwendet
werden. Ein geeignetes, handelsübliches Produkt besteht z. B. aus 40 Gew.-% Peressigsäure,
46 Gew Essigsäure, 10 Gew.- Wasser, 3,5 Gew.-% Wasserstoffperoxid und 0,5 Gew.-%
Schwefelsäure.
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Säurebindende Mittel sind Alkalicarbonate und -hydrogencarbonate,
die in fester Form in der Reaktionsmischung anwesend sind. Genannt seien Lithiumcarbonat,
Lithiumhydrogencarbonat, Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat, ' Kaliumoarbonat
und Kaliumhydrogencarbonat. Natriumcarbonat und Kaliumcarbonat sind bevorzugt Man
verwendet im allgemeinen und bevorzugt die wasserfreien Salze, kann jedoch auch
mit Kristallwasser enthaltenden arbeiten. Setzt man andere säurebindende Mittel
wie Alkalihydroxide, Alkalialkoholate, oder Carhonate, Hydroxide oder Oxide der
Erdalkalien ein, so werden weniger befriedigende Ergebnisse erzielt.
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Die Menge an einzusetzendem säurebindendem Mittel hängt von der Zusammensetzung
der verwendeten Peressigsäuremischung ab, die, wie bereits erwähnt, neben der Peressigsäure
noch Essigsäure, meistens Schwefelsäure in katalytischen Mengen, sowie Wasserstoffperoxid
und Wasser enthält. Pro Mol Säure (Peressigsäure + Essigsäure + Schwefelsäure) werden
0,3 bis 0,7, vorzugsweise 0,4 bis 0,55 Mol Alkalicarbonat bzw. 0,6 bis 1,4, vorzugsweise
0,8 bis 1,1 Mol Alkalihydrogencarbonat eingesetzt. Reduziert man die Carbonat- bzw.
Hydrogencarbonatmenge, so erhält man weniger befriedigende Ergebnisse, da dann offensichtlich
in verstärktem Maße unerwünschte Nebenreaktionen auftreten.
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Die Epoxidierung wird in einem Chlorkohlenwasserstoff vorgenommen,
der unter den angewandten Bedingungen flüssig und stabil sein soll und weder mit
den Ausgangsprodukten noch mit den Endprodukten reagieren darf. Geeignet sind chlorhaltige
aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen, von denen mindestens
eines als -CCl3-, -CHCl2-, -CH2Cl-, =CHCl- oder =CCl2-Gruppe vorliegen muß. Genannt
seien Methylenchlorid, Chloroform, 1,1,2- und 1,1,1-Trichloräthan, 1,1,1,2-und 1,1,2,2-Tetrachloräthan,
Pentachloräthan, 1,1- und 1,2-und 1,3-Dichlorpropan, Trichlorethylen und Tetrachlorethylen
sowie Gemische dieser Kohlenwasserstoffe. Bevorzugt sind Methylenchlorid und insbesondere
Chloroform.
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Die Epoxidierung wird bei Temperaturen zwischen 0 und 60 Cc, vorzugsweise
zwischen 20 und 40 s durchgaführt.
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Das Gewichtsverhältnis von Terpenolefin zu Lösungsmittel liegt zwischen
1 : 0,3 bis 1 : 10, vorzugsweise bei 1 : 0,5 bis 1 : 5 und insbesondere bei 1 :
1 bis 1 : 3.
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Das Molverhältnis von Terpenolefin zu Peressigsäure beträgt 1 : 1
bis 1 : 1,5, vorzugsweise 1 : 1,05 bis 1 : 1,2.
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Zur Durchführung der Epoxidierung verfährt man derart, daß man den
ungesättigten Terpenkohlenwasserstoff, das chlorhaltige Lösungsmittel und das säurebindende
Mittel vorlegt und unter kräftigem Rühren die Peressigsäure der Suspension zudosiert,
worauf man einige Zeit nachreagieren läßt. Im allgemeinen liegen die Nachreaktionszeiten
zwischen etwa 1 bis 5 Stunden. Zur Isolierung der Reaktionsprodukte saugt man entweder
das entstandene Alkaliacetat ab oder löst letzteres in Wasser auf. Aus der Lösungsmittolphase
erhält man destillativ die gewünschten bicyclischen Oxirane; aufgrund der ausgezeichneten
Ausbeuten, des praktisch quantitativen Terpenolefin-Umsatzes und der geringen Nebenproduktbildung
ist häufig nur ein Abdestillieren des Lösungsmittels erforderlich.
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Die erhaltenen bicyclischen Epoxide stellen aufgrund ihrer großen
Reaktivität wertvolle Zwischenprodukte für Synthesen dar. Durch Umlagerung von a-Pinenepoxid
in Gegenwart von Zinkbromid erhält man z. B. Campholenaldehyd, ein Vorprodukt für
Riechstoffe (z. B. DE-AS 1 922 391) oder Weichmacher (Ind. eng. Chem. Prod. Res.
Develöpm. 4 (1965) Nr. 4, Seiten 231 - 233]. Durch Hydrolyse von a-Pinenepoxid läßt
sich Sobrerol synthetisieren, welches eine therapeutisch wirksame Substanz ist,
die in pharmazeutischen Kompositionen eingesetzt wird (BE-PS 764 323).
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Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung des Verfahrens.
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Beispiel 1 In einem 2-Liter-Glaskolben, ausgestattet mit Rührer, Thermometer
und Tropftrichter werden 272 g eines handelsüblichen, 93 zeigen a-Pinens (Zusammensetzung:
253 g a-Pinen = 1,86 Mol, Rest ß-Pinen und Camphen), 297 g (2,8 Mol) Soda und 600
g Chloroform vorgelegt. Bei einer Temperatur von 40 °C tropft man 417,5 g (2,2 Mol)
einer handelsüblichen, 40 fugen Peressigsäure (Zusammensetzung: 40 Gew.-% Peressigsäure,
46 Gew.-% Essigsäure, 3,5 Gew.-% Wasserstoffperoxid, 10 Gew.-% Wasser und 0,5 Gew.-
Schwefelsäure) innerhalb von 1,5 Stunden zu.
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Es muß gekühlt werden, da die Reaktion exotherm ist. Man rührt noch
1 Stunde bei dieser Temperatur weiter und läßt sodann in die Suspension 700 ml Wasser
einlaufen, wobei der Natriumacetat-Niederschlag in Lösung geht. Man trennt die Chloroform-Phase
ab, wäscht nochmals mit 300 ml Wasser und trennt die organische Phase wieder ab.
Anschließend destilliert man über eine 50 cm lange Füllkörperkolonne das Chloroform
bis zu einer Innentemperatur von 140 Cc bei Normaldruck und dann das Reaktionsprodukt
unter Vakuum ab. Der bei 73 bis 75 °C bei 0,02 bar übergehende Hauptlauf (273,5
9) besteht laut Gaschromatogreom aus 96 g a-Pinenepoxid, 0,4 % a-Pinen und 3,6 %
ß-Pinen- und Camphenepoxid. Als Rückstand verblieben 15,3 g einer viskosen Flüssigkeit.
Im Chloroform-Vorlauf konnten nur Spuren an a-Pinen und a-Pinenepoxid nachgewiesen
werden.
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Ausbeute: 252 g (93,2 % d. Tho) a-Pinenepoxid in Form einer wasserhellen
Flüssigkeit.
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Nicht umgesetztes a-Pinen: 1,1 g (ca. 0,4 ffi des eingesetzten Pinens)
Peressigsäureverbrauch pro 100 g erhaltenes a-Pinenepoxid: 166 g
Beispiele
2 bis 5 (Vergleichabeispiele) Es wurden wie in Beispiel 1 jeweils 272 g a-Pinen
epoxidiert, jedoch bei Anwesenheit von nicht-erfindungsgemäßen Lösungsmitteln.
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Die nachstehende Tabelle zeigt die Ergebnisse. Wie ersichtlich, setzt
sich a-Pinen in diesen Lösungsmitteln nicht quantitativ um, und es wird im Vergleich
zu Beispiel 1 stets wesentlich mehr Peressigsäure (40 bis 70 Gew.-% mehr) benötigt.
| Bsp.- Lösungs- Ausbeuten Peressigsäureverbrauch |
| Nr. mittel α-Pinen-²) nicht umgesetz- pro 100 g erhaltenes |
| epoxid (g) tes α-Pinen (g) a-Pinenepoxid (g) |
| 2 Toluol 179 68 233 |
| 1) |
| 3 Benzin 151 83 276 |
| 4 «-Pinen- 152 77 274 |
| berschuß |
| 5 Diisopro 167 73 250 |
| pylether |
1) Siedebereich 90 - 110 Cc 2) als 100 %iges Produkt Beispiel 6 (Vergleichsbeispiel)
Dieses Beispiel zeigt, daß eine an die DE-AS 2 436 817 angelehnte Verfahrensweise,
d. h. eine Epoxidierung in Chloroform ohns säurebindendes Mittel für die Herstellung
von Terpenepoxiden völlig ungeeignet ißt.
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Es wurde wie in Beispiel 1, jedoch ohne Sodazusatz gearbeitet.
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Bei der destillativen Aufarbeitung fiel ein aus vielen Unbekannten
bestehendes Reaktionsgemisch an, die Ausbeute an a-Pinenepoxid betrug lediglich
8 g (ca. 3,4 % d. Th.) Nicht umgesetztes a-Pinen: 38 g Beispiel 7 Es wurde wie in
Beispiel 1 gearbeitet, jedoch die Peressigsäure bei 20 Cc innerhalb von 3 Stunden
zugetropft und anschließend 2 Stunden bei 20 °C weitergerührt. Das a-Pinenepoxid
fiel in 96 %iger Reinheit an.
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Ausbeute: 259 g (92,3 d Th.) Nicht umgesetztes α-Pinen: 1,9
g (0,75 % des eingesetzten a-Pinens) Beispiele 8 bis 10 Es wurde wie in Beispiel
1 gearbeitet1 jedoch unter Verwendung unterschiedlicher Säureacceptoren.
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Die Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle zusammengestellt0
| Bspo Säure- Menge Ausbeute |
| Nr. acceptor (9) a-Pinenepoxid nicht umgesetztes |
| (g; % d. Th.) alpinen (g; %) |
| 8 NaHCD 470 256 5,6 |
| 3 (5,6 Mol) 92,6 2,1 % |
| 9 Li2CO3 207 233 13 |
| (2,8 Mol) 87 % 5,1 % |
| 10 K2CO3 386 276,6 |
| (2,8 Mol) 98,6 % 0.9 % |
Beispiele 11 bis 13 Es wurde wie in Beispiel 1 gearbeitet, anstelle
von a-Pinen wurden ß-Pinen, 3-Caren und Camphen eingesetzt.
| Bsp. Terpen Ausbeute |
| Nr. Epoxid nicht umgesetztes Terpen |
| (9; d.Th.) (9; %) |
| 11 ß-Pinen 247 1) 3 |
| (91,7 ig) 88,6 % ¹) 1,2 % |
| 12 A3-Caren 257 1) 1,8 |
| (95 %ig) 91,5 % ¹) 0,7 % |
| 13 Camphen 262 0,5 |
| (95 %ig) 90,9 % 0,2 % |
1) wasserhelle Flüssigkeit 2) weißer Feststoff Beispiel 14 Es wurde t'ie in Beispiel
1 gearbeitet, anstelle der 40 %igen Peressigsäure wurden 492 g (2,2 Mol) einer 34
%igen Peressigsäure (Zusammensetzung: 34 Gew.-% Peressigsäure, 28 Gew.-% Essigsäure,
13,5 Gew.- Wasserstoffperoxid, 22,5 Gew.- Wasser und 2 Gew.-% Schwefelsäure) und
nur 258 g (2,5 Mol) Soda eingesetzt.
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Die Ausbeuten an «-Pinenepoxid und nicht umgesetztem «-Pinen sind
mit denen von Beispiel 1 praktisch identisch.
Beispiele 15 bis
78 Es wurde wie in Beispiel 1 gearbeitet, jedoch der als Lösungsmittel dienende
Chlorkohlenwasserstoff variiert.
| Bsp. Lösungs- Ausbeute |
| Nr. mittel und a-Pinenepoxid nicht umgesetztes a-Piner |
| Menge (9; % d. Th.) (g; %) |
| 4 |
| 15 Methylen- 254 .4 |
| chlorid 91,4 g 1,6 % |
| 800 9 |
| 16 1,2-Dichlor- 236,5 15,4 |
| propan 89 % 6,1 % |
| 600 9 |
| 17 Trichlor- 241,5 14,0 |
| ethylen 90,5 % 5,5 % |
| 600 g |
| 18 Tetrachlor-+) 237 10,5 |
| ethylen 87,5 % 4,2 % |
| 600 s |
+) Bei der Aufarbeitung wurde das lösungsmittel aufgrund seines höheren Siedepunktes
bis zu einer Innentemperatur von 170 Cc bei Normaldruck abdestilliert.