DE1166201B - Druckloses Verfahren zur Herstellung von in 5-Stellung ein- oder zweifach substituierten Hydantoinen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

116£L201

BIBLIOTHEK

DES DEUTSCHEN

PATtfiTAMTlES

Internat. Kl.: C07d

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 12p-9

D 30432 IVd/12 ρ
15. April 1959
26. März 1964

Hydantoine lassen sich bekanntlich aus Wasser oder organischen Lösungsmitteln leicht Umkristallisieren. Sie können deshalb gut in reiner Form isoliert und mit Vorteil als Vorstufe bei der Herstellung von Aminosäuren verwendet werden. Zur Herstellung der Hydantoine sind zahlreiche Verfahren beschrieben worden. So ist es beispielsweise bekannt, C-substituierte Hydantoine technisch aus Aldehyden oder Ketonen, Alkalicyaniden und Ammoniumcarbonat herzustellen. Hierbei müssen äquivalente Mengen in einem Autoklav bei einem Druck von 2 bis 10 atü und einer Reaktionszeit von 2 bis 4 Stunden und einer Temperatur von etwa 80° C umgesetzt werden. Die Ausbeuten dieser Verfahren sind sehr hoch. Zur Abtrennung des Hydantoins aus dem Reaktionsgemisch.ist es erforderlich, das überschüssige Alkali mit Säure zu neutralisieren (vgl. Chemical Reviews, Bd. 46 [1950], S. 422 bis 425, und deutsche Patentschrift 566 094).

Es ist auch bekannt, die obengenannte Synthese unter Normaldruck durchzuführen. Hierbei muß aber mit einem Überschuß an Ammonsalzen der Kohlensäure, wie Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat und Ammoniumcarbonat, gearbeitet werden, weil sonst bei Temperaturen unter 60° C eine ausreichende Hydantoinbildung nicht stattfindet. Im allgemeinen werden 2- bis Smolare Überschüsse verwendet (vgl. Journal für Praktische Chemie [2], Bd. 140, [1934], S. 291 bis 316; Houben—Weyl: Methoden der organischen Chemie, Bd. 11/1, 4. Auflage [1957], S. 185 und 186).

Es ist ferner bekannt, bei diesen Verfahren zur Herstellung von Hydantoinen an Stelle der Ketone und Alkalicyanide die entsprechenden Cyanhydrine als Ausgangsstoffe zu verwenden. Es werden jedoch hierbei außerordentlich schlechte Ausbeuten erhalten (vgl. Journal für Praktische Chemie [2], Bd. 141 [1934], S. 5 bis 43). Auch bei der Umsetzung von Acetoncyanhydrin mit Ammoniumcarbonat im äquimolekularen Verhältnis zuDimethylhydantoin konnte, wie sich gezeigt hat, selbst bei einer Reaktionszeit von 3 Tagen eine größere Ausbeute als 48,7% nicht erreicht werden.

In der USA.-Patentschrift 2 391799 wird ferner ein Verfahren zur Herstellung von Hydantoinen beschrieben, nach welchem eine Mischung aus Aldehyden oder Ketonen mit freier flüssiger Blausäure mit wäßrigem Ammoniumcarbonat umgesetzt wird. Obwohl die Ausbeuten dieses Verfahrens hoch sind, kann es unter Normaldruck nur unter gewissen Schwierigkeiten, die durch das Ausgasen größerer Mengen Cyanwasserstoff mit Kohlendioxyd bedingt

Druckloses Verfahren zur Herstellung von
in 5-Stellung ein- oder zweifach substituierten
Hydantoinen

Anmelder:

Deutsche Gold- und Silber-Scheideanstalt
vormals Roessler, Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Chem. Dr. Ludwig Hüter,
Ulrich Reichau, Frankfurt/M.,
Dipl.-Chem. Dr. Erich Liebetanz, Mainz

sind, technisch durchgeführt werden. Das Arbeiten unter Druck vermag zwar die Gefahren, die mit dem Ausgasen von Cyanwasserstoff verbunden sind, zu vermeiden. Es werden jedoch für molare Umsätze Reaktionszeiten bis zu 104 Stunden benötigt.

Bei allen bekannten Verfahren, die mit einem Überschuß an Ammoniumcarbonat durchgeführt werden, muß die entsprechende überschüssige Kohlensäure abgelassen werden. Es muß hierbei, insbesondere bei größeren Ansätzen, mit einer verstärkten Ausgasung gerechnet werden. Hierbei entweichen aus dem flüssigen Reaktionsmedium flüchtige Ausgangsprodukte. Will man eine Gaswäsche und die Anwendung von Adsorptionstürmen zu deren Wiedergewinnung vermeiden, so müssen erhebliche Substanzverluste an Reaktionsteilnehmern mit in Kauf genommen werden. Die Folgen hiervon sind Ausbeuteverminderung sowie Belästigung der Umgebung durch entweichenden Cyanwasserstoff.

Zur Isolierung der entstandenen Hydantoine aus den alkalischen Reaktionslösungen und aus der Mutterlauge mußten seither die überschüssigen Ammonsalze durch Verkochen vollständig aus der Lösung entfernt werden. Außerdem war es notwendig, die übrigen Alkalien mit Säure in Fremdsalze zu überführen.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein druckloses Verfahren zur Herstellung von Hydantoinen, die in 5-Stellung ein- oder zweifach substituiert sind, aus Aldehyden oder Ketonen und Blausäure oder aus den entsprechenden Cyanhydrinen durch Umsetzen mit Ammoniak und Kohlendioxyd in Gegenwart überschüssiger Mengen Ammoniak und in Gegenwart von Wasser oder organischen Lösungsmitteln bei

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Temperaturen unterhalb 60° C, bei dem man in eine zeitig etwa 24 1 Kohlendioxyd über eine Trockenvorgelegte Lösung von 5 bis 100 Mol Ammoniak in gasuhr eingeleitet. Die Temperatur wird durch Kühweniger als 5 Mol Wasser, die gegebenenfalls als lung dabei zwischen 45 und 55° C gehalten. Nach Lösungsvermittler zusätzlich noch Methanol oder weiteren 30 Minuten und nach dem Abkühlen auf Äthanol enthalten kann, gleichzeitig je 1 Mol Kohlen- 5 30° C beginnt das kristalline Hydantoin auszufallen, dioxyd und Aldehyd- oder Ketoncyanhydrin oder Es wird abgenutscht, gewaschen und getrocknet. Die an Stelle des Cyanhydrins langsam je 1 Mol Blau- Ausbeute beträgt 61,7%. Die Mutterlauge wird im säure und Aldehyd bzw. Keton einträgt. Hierbei Vakuum eingedampft. Unter Rückgewinnung des legt man vorzugsweise eine gesättigte Ammoniak- Ammoniaküberschusses werden weitere 33,4% Hylösung vor. io dantoin mit einem Schmelzpunkt von 175° C er-

Um die Bildung von Nebenprodukten zu vermei- halten.

den, arbeitet man unterhalb 60° C am besten bei b) Es wird wie unter a) beschrieben gearbeitet,

einer Temperatur zwischen 25 und 55° C. Es wird Die Mutterlauge wird jedoch nach der ersten Ab-

vorzugsweise in Gegenwart von etwa 2,5 Mol Wasser scheidung des Hydantoins erneut eingesetzt. Das

gearbeitet. Dadurch wird erreicht, daß noch während 15 verbrauchte Ammoniak wird in Form einer 25%igen

der Umsetzung kristalline oder sich ölig abscheidende wäßrigen Ammoniaklösung ersetzt. Ein weiteres Mol

Produkte erhalten werden können. Acetoncyanhydrin wird innerhalb von 30 Minuten

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch kon- zugegeben und dabei wiederum etwa 24 bis 25 1 tinuierlich durchgeführt werden. Dabei wird vorteil- Kohlendioxyd eingegast. Die erste Ausscheidung an hafterweise im Kreislauf gearbeitet und das Produkt 20 festem Dimethylhydantoin beträgt 124 g (=97% über einen Abscheidebehälter schon während der der Theorie).
Umsetzung aus dem Kreislauf laufend oder periodisch B e i s d i e 1 2
entfernt. Je nach dem Reinheitsgrad und der Wasserlöslichkeit der verwendeten Ausgangsstoffe fällt dieses In der gleichen Apparatur wie im Beispiel 1 im Normalfall in kristalliner oder insbesondere bei 25 werden 200 g 25%ige wäßrige Ammoniaklösung der Verwendung von Lösungsmitteln in öliger oder vorgelegt. Aus einem Tropftrichter wird innerhalb gelöster Form an. Die beiden letzteren Fälle treten einer Reaktionszeit von 40 Minuten ein Gemisch weniger häufig ein. Eine Aufarbeitung der Mutter- von 1,5 Mol reiner, frisch destillierter Blausäure lauge ist in diesem Fall der Produktisolierung nur in- (= 40,5 g) und 1,5 Mol Aceton (= 87 g) langsam soweit nötig, als es sich um die Beseitigung der ent- 30 unter Rühren zugegeben. Gleichzeitig werden über stehenden Menge von 1 Mol Wasser bei molaren eine Trockengasuhr etwa 36 1 Kohlendioxyd einge-Umsätzen zwecks Einhaltung des normalen Wasser- leitet. Durch Kühlung wird die Temperatur dabei spiegeis von 2,5 bis 10 Mol in der Reaktionslösung auf etwa 35° C gehalten. Im Vakuum dampft man handelt. Es muß also für jedes Mol entstandenes anschließend die salzhaltige Mutterlauge ein und er- und isoliertes Hydantoin entsprechend der Reak- 35 hält in wäßriger Lösung etwas überschüssiges Amtionsgleichung 1 Mol Wasser in Form der mit moniak, Aceton und Blausäure zurück. Isoliert Hydantoin gesättigten Reaktionslösung entnommen werden 183 g Dimethylhydantoin vom Fp. 175° C, werden. Im allgemeinen handelt es sich hierbei um entsprechend 95,2% der Theorie.
2 bis 5% des gesamten Ansatzes. Die Art der Iso- . .
lierung der Umsetzungsprodukte ist auch weitgehend 40 Beispiel 3
von der Löslichkeit der entstandenen Hydantoine Wie im Beispiel 1 werden 200 g 25%ige wäßrige abhängig. So kann beispielsweise beim Vorliegen Ammoniaklösung vorgelegt und etwa 40 g Methanol leicht löslicher Ammoniumhydantoate notwendig als Lösungsmittler zugegeben. Aus einem Tropfsein, die Produkte in gelöster Form dem Kreislauf trichter wird innerhalb von etwa 45 Minuten unter zu entnehmen und gesondert durch Verdampfen des 45 Rühren ein Gemisch von 2 Mol Methyläthylketon überschüssigen Lösungsmittels zu isolieren. Hierbei (= 144 g) und 2MoI Blausäure (= 54 g) zugetropft, können die Lösungsmittel und das Ammoniak wie- Gleichzeitig werden über eine Trockengasuhr etwa dergewonnen und in den Kreislauf zurückgegeben 48 1 Kohlendioxyd eingeleitet. Die Temperatur wird werden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Kühlen auf etwa 40° C gehalten. Schon beim werden oft kristalline Hydantoine mit einem scharfen 50 Abkühlen fallen feine weiße Kristalle aus. Durch das Schmelzpunkt erhalten. Infolge der milden Reak- Eindampfen im Vakuum wird eine helle wäßrige tionsbedingungen und der schnellen Produktaus- Lösung von Methanol, Ammoniak, Blausäure und scheidung findet selbst bei der Verwendung von Methyläthylketon wiedergewonnen. Die Gesamtfreier Blausäure praktisch keine Bildung von Neben- menge des isolierten, reinweißen, feinkristallinen produkten statt. Es treten ferner, da keine der Korn- 55 Methyläthylhydantoins vom Fp. 148° C beträgt 242 g ponenten im Überschuß eingesetzt werden, keine (= 84,0% der Theorie).
Abgase auf. . .

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung Beispiel 4

der Erfindung. Wie im Beispiel 1 werden 200 g 25%ige wäßrige

60 Ammoniaklösung und 50 g Äthanol vorgelegt. Aus

Beispiel 1 einem Tropf trichter wird in etwa 30 Minuten 1 Mol

(== 131 g) rohes, ungereinigtes y-Methylmercapto-

a) In einem 500-ml-DreihaIskolben mit Stock- /J-oxybutyronitril eingetropft. Gleichzeitig wird über

thermometer, Rückflußkühler und Gaseinleitungs- eine Trockengasuhr 241 Kohlendioxyd eingeleitet,

ansatz werden 200 g 25%ige wäßrige Ammoniak- 65 Die Temperatur stellt sich dabei auf 45 bis 50° C

lösung vorgelegt. Aus einem Tropfrichter wer- ein. Nachdem etwa die Hälfte des Cyanhydrins zu-

den innerhalb von 30 Minuten 1 Mol (= 85,4 g) gesetzt ist, bilden sich zwei Schichten. Nach be-

99,5%iges Acetoncyanhydrin zugetropft und gleich- endeter Zugabe wird die ölige Schicht im Scheide-

trichter abgetrennt und die wäßrige Schicht im Vakuum eingedampft. Es werden daraufhin 162 g schwachgelb gefärbten, kristallinen 5,2'-Methylmercaptoäthylhydantoins vom Fp. 103° C isoliert. Das entspricht einer Ausbeute von 93,1%, bezogen auf eingesetztes Cyanhydrin.

Beispiel 5

Wie im Beispiel 1 werden 180 g 25°/oige wäßrige Ammoniaklösung und 90 g Methanol vorgelegt. Aus einem Tropftrichter tropft man in etwa 45 Minuten 2 Mol (= 287,5 g) 99,5%iges Benzaldehydcyanhydrin unter Rühren zu. Gleichzeitig werden etwa 481 (=2 Mol) Kohlendioxyd über eine Trockengasuhr eingeleitet. Die Temperatur beträgt dabei etwa 50° C. Nach dem Abtreiben des Methanols im Vakuum fällt das 5-Phenylhydantoin flockig und orangegelb aus. Es erstarrt zu einer wachsartigen Masse. Nach dem Abdampfen der Mutterlauge und einer Nachreinigung ergeben sich 292 g kristallines Rohprodukt vom Schmelzpunkt 169° C entsprechend 82«/o der Theorie.

Beispiel 6

In eine Apparatur, die für das Arbeiten im Kreislauf geeignet ist und durch die beiliegende Zeichnung veranschaulicht wird, werden 2500 g 25°/oiges wäßriges Ammoniak (= 36,5 Mol) eingefüllt. Über den Dosierbehälter 1 mit dem Druckausgleich 2 und dem Ablaufhahn 3 werden pro Stunde entweder ein Gemisch von 30 Mol Aceton (= 1740 g) und 30 Mol Blausäure (= 810 g) oder 30 Mol (= 2562 g) eines fertigen 99,5%igen Acetoncyanhydrin zugegeben. Gleichzeitig werden über einen Gaszähler durch das Ventil 13 und den Einlaßstutzen 12 in die Zentrifugalpumpell 30 Mol Kohlendioxyd (1320 g = 7201) pro Stunde eingeleitet. Aus einem Vorrat an verflüssigtem Ammoniak wird über eine Kolbendosierpumpe durch das Ventil 17 über die Zuleitung und Düse 16 gleichzeitig 30MoI (=510g) Ammoniak eingespeist. Dabei wird mittels der Pumpe 11 der Kreislauf über den Kühler 4, das Ventil 5, das Tauchrohr 6, den Produktabscheider 7 und das Ventil 10 aufrechterhalten. Der Stutzen 14 dient zum Druckausgleich. 15 ist eine Kühlvorrichtung, beispielsweise ein Kühlfinger, die dazu dient, Ammoniumbicarbonat, welches sich bei einer Überdosierung von Kohlendioxyd bilden kann, abzuscheiden.

Pro Stunde können mit geringen Schwankungen etwa 3600 g (= 93,6% der Theorie) kristallines Dimethylhydantoin (Fp. = 175° C) über die Produktentnahme 9 bzw. 8 entnommen werden. Etwa 600 ml Mutterlauge fallen dabei an, die gesondert aufgearbeitet werden und insgesamt etwa 200 bis 240 g (= 5,3 bis 6,4% der Theorie) Dimethylhydantoin zusätzlich ergeben.

Beispiel 7

In eine wie im Beispiel 6 beschriebene Kreislaufapparatur werden 2500 g 25%iges wäßriges Ammoniak (= 36,5 Mol) eingefüllt. Nach der oben angeführten Arbeitsweise werden pro Stunde über den Dosierbehälter ein Gemisch von 2040 g /?-Methylmercaptopropionaldehyd (20 Mol) und 540 g reiner, frisch destillierter Blausäure (20 Mol) zugegeben. Gleichzeitig werden 20 Mol (= 880 g = 480 1) Kohlendioxyd pro Stunde eingeleitet. Über eine Kolbendosierpumpe werden im gleichen Tempo 20 Mol flüssiges Ammoniak (= 340 g pro Stunde) eingespeist. Aus dem Abscheider können pro Stunde etwa 3150g (= 90,5 «/0 der Theorie) rohes, sich als Öl abscheidendes 5,2'-Methylmercaptoäthylhydantoin abgezogen werden. Das öl kristallisiert langsam zu einer hellgelben Masse aus. Der Schmelzpunkt des Rohproduktes liegt bei 90 bis 105° C. Etwa 460 bis 500 ml wäßrige Mutterlauge werden pro Stunde aus dem Abscheider dem Kreislauf entnommen, aus der sich weitere 225 bis 295 g des Hydantoins (entsprechend zusätzlich 6,5 bis 8,5% der Theorie) durch Vakuumeindampfung gewinnen lassen.

Beispiel 8

In die im Beispiel 6 beschriebene Kreislaufapparatur werden 2000 g 10%iges wäßriges Ammoniak eingefüllt. Aus dem Dosierbehälter wird ein Gemisch von 312 g /7-Methylmercapto-propionaldehyd und 89 g Blausäure zugegeben. Gleichzeitig werden 3 Mol Kohlendioxyd eingeleitet. Die Konzentration des Ammoniaks wird durch das Einspeisen von Ammoniak bei 8 bis 10% gehalten. Die Temperatur der umlaufenden Lösung wird auf etwa 55° C eingeregelt. Erhalten wird eine etwa 30%ige Lösung von 5,2'-Methylmercaptoäthylhydantoin, die nach dem Austreiben des überschüssigen Ammoniaks sofort zu beispielsweise Methionin durch Verseifung weiterverarbeitet werden kann. Isoliert man aus dieser Lösung das Hydantoin, so erhält man eine Ausbeute von 477 g entsprechend 92,8% der Theorie (Schmp. 98 bis 100° C).

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Druckloses Verfahren zur Herstellung von in 5-Stellung ein- oder zweifach C-substituierten Hydantoinen aus Aldehyden oder Ketonen und Blausäure oder aus den entsprechenden Cyanhydrinen durch Umsatz mit Ammoniak und Kohlendioxyd in Gegenwart überschüssiger Mengen Ammoniak und in Gegenwart von Wasser oder organischen Lösungsmitteln bei Temperaturen unterhalb 60° C, dadurch gekennzeichnet, daß man in eine vorgelegte Lösung von 5 bis 100 Mol Ammoniak in weniger als 5 Mol Wasser, die gegebenenfalls als Lösungsvermittler zusätzlich noch Methanol oder Äthanol enthalten kann, gleichzeitig je 1 Mol Kohlendioxyd und Aldehyd- oder Ketoncyanhydrin oder an Stelle des Cyanhydrine langsam je 1 Mol Blausäure und Aldehyd bzw. Keton einträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgelegte Ammoniaklösung gesättigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 566 094;
USA.-Patentschrift Nr. 2 603 651.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 540/540 3.64 © Bundesdruckerei Berlin