DE69623117T2 - Verfahren zur herstellung von 4-hydroxy-2-pyrrolidon - Google Patents
Verfahren zur herstellung von 4-hydroxy-2-pyrrolidonInfo
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Description
- Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von 4-Hydroxy-2-pyrrolidon, das als Zwischenprodukt für Medikamente, Agrochemikalien usw. verwendbar ist.
- 4-Hydroxy-2-pyrrolidon wird als Zwischenprodukt für Medikamente, Agrochemikalien usw. verwendet. Die folgenden Verfahren zu seiner Herstellung sind bekannt. Diese sind ein Verfahren zu seiner Herstellung aus einem 4-Chlor-3-hydroxybutyrat und Ammoniak [Japanische Patent-Veröffentlichung Nr. 183756/1982, Tetrahedron Lett., 41, 5603 (1985), Japanische Patent-Veröffentlichung Nr. 176564/1986], ein Verfahren zu seiner Herstellung aus einem 4-Chlor-3-hydroxybutyrat und Benzylamin (Japanische Patent- Veröffentlichung Nr. 45360/1989), ein Verfahren zu seiner Herstellung aus einem Cyclobutanonderivat und optisch aktivem α-Methylbenzylamin (Synthetic Comm., 21, 693 (1991)), ein Verfahren zu seiner Herstellung aus 3,4-Epoxybutyramid und optisch aktivem cc-Methylbenzylamin (J. Chem. Research(s), 376, 1990), ein Verfahren zu seiner Herstellung durch Erhitzen und Dehydratisieren von 4-Amino-3-hydroxybuttersäure (nachstehend zu GABOB abgekürzt) [Tetrahedron Lett., 21, 2443 (1980), J. Org. Chem., 19, 1589 (1954)], ein Verfahren zu seiner Herstellung aus optisch aktivem GABOB und Hexamethyldisilazan (Synthesis, 1978, 614), ein Verfahren zu seiner Herstellung aus optisch aktivem 4-Hydroxyprolin (Japanische Patent-Veröffentlichung Nr. 250352/1988) und ein Verfahren zu seiner Herstellung aus einem 4-Bromcrotonsäureester [J. Org. Chem., 44, 2798 (1979)].
- Diese Verfahren haben jedoch industriell die folgenden Nachteile:
- Das Verfahren aus einem 4-Chlor-3-hydroxybutyrat und Ammoniak erzeugt viele Arten von Nebenprodukten und es ist schwierig, eine hohe Ausbeute zu erreichen. Das Verfahren aus Benzylamin oder α-Methylbenzylamin braucht ein Entbenzylierungs- oder Entmethylbenzylierungsverfahren nach Aufbauen eines Pyrrolidongerüstes und dieses Verfahren ist schwierig, da es ein Alkalimetall in flüssigem Ammoniak bei niedriger Temperatur verwendet. Das Verfahren durch Erhitzen und Dehydratisieren von GABOB führt zu einer geringen Ausbeute und falls eine optisch aktive Verbindung verwendet wird, tritt Racemisierung auf. Das Verfahren aus optisch aktivem GABOB und Hexamethyldisilazan führt zu einer hohen Ausbeute, aber das Hexamethyldisilazan ist teuer und das Verfahren braucht ein Entsilylierungsverfahren nach Aufbauen eines Pyrrolidongerüstes. Das Verfahren aus optisch aktivem 4-Hydroxyprolin oder einem 4-Bromcrotonsäureester umfasst viele Schritte, und es ist nicht praktisch. Deshalb wurde ein effizienteres Verfahren zum Herstellen von 4-Hydroxy-2-pyrrolidon gewünscht.
- GB-B-1 378 068 offenbart Citronensäurederivate und ein Verfahren zu deren Herstellung; das Verfahren umfasst die Herstellung einer Azidoverbindung, die reduziert und anschließend cyclisiert wird.
- Die vorliegenden Erfinder engagieren sich sehr, eine Lösung der vorstehenden Probleme zu finden, und sie fanden ein neues Verfahren zum Herstellen der vorstehenden Zielverbindung aus einem 4-Halogen-3-hydroxybutyrat und einem Alkalimetall- oder Erdalkalimetallazid.
- Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von 4-Hydroxy-2-pyrrolidon der Formel
- durch Umsetzen eines 4-Halogen-3-hydroxybutyrats der Formel
- in der X ein Halogenatom und R ein C&sub1;-C&sub4;-Alkylrest ist,
- und eines Alkalimetall- oder Erdalkalimetallazids, wobei ein 4-Azido-3-hydroxybutyrat der Formel
- in der R wie vorstehend definiert ist, hergestellt wird
- und durch anschließendes Hydrieren der Azidgruppe der Esterverbindung in Gegenwart eines Katalysators und durch Cyclisieren der hydrierten Verbindung.
- Die vorliegende Erfindung wird durch Zeigen des Umsetzungsschemas ausführlich erkärt.
- Beispiele von 4-Halogen-3-hydroxybutyraten der Formel (2), die als Ausgangsmaterial verwendet werden, sind Methyl-4-chlor-3-hydroxybutyrat, Ethyl-4-chlor-3- hydroxybutyrat, Isopropyl-4-chlor-3-hydroxybutyrat, Butyl-4-chlor-3-hydroxybutyrat, t-Butyl-4-chlor-3-hydroxybutyrat, Methyl-4-brom-3-hydroxybutyrat, Ethyl-4- brom-3-hydroxybutyrat, Isopropyl-4-brom-3-hydroxybutyrat, Butyl-4-brom-3-hydroxybutyrat und t-Butyl-4-brom-3-hydroxybutyrat.
- Verschiedene Verfahren dieser Ausgangsmaterialien werden vorgeschlagen, und diese Materialien können durch die folgenden bekannten Verfahren hergestellt werden: z. B. ein Verfahren mit Umsetzen von Epichlorhydrin, Kohlenmonoxid und einem Alkohol (Japanische Patent-Veröffentlichung Nr. 183749/1982) und ein Verfahren mit Reduzieren eines γ-Halogenacetoacetats, das aus Diketon, einem Halogen und einem Alkohol hergestellt wird (Japanische Patent-Veröffentlichung Nr. 157747/1983).
- Ein 4-Azido-3-hydroxybutyrat (Formel (3)) wird durch Umsetzen des vorstehenden 4-Halogen-3-hydroxybutyrats mit einem Alkalimetall- oder Erdalkalimetallazid in einem Lösungsmittel hergestellt. Die Lösungsmittel sind dipolare aprotische Lösungsmittel, wie N,N-Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Sulfolan, Hexamethylphosphoramid usw., ein Ester, wie Essigsäureethylester, Essigsäurebutylester usw., ein Ether, wie Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan, 1,2-Dimethoxyethan, Diglyme, Triglyme, Diethylenglycolmonomethylether usw., ein Keton, wie Aceton, Methylethylketon, Methylisobutylketon usw., ein Nitril, wie Acetonitril usw., ein Alkohol, wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, t-Butanol, Ethylenglycolmonoethylether usw., Wasser und ein Gemisch dieser Lösungsmittel.
- Beispiele von Alkalimetall- oder Erdalkalimetallaziden sind Lithiumazid, Natriumazid, Kaliumazid, Calciumazid, Bariumazid usw.. Natriumazid ist vorzuziehen, da es leicht erhältlich ist. Die Azidmenge beträgt 1-3 Mol pro 1 Mol 4-Halogen-3-hydroxybutyrat, vorzugsweise 1 bis 2 Mol. Die überschüssige Azidmenge beeinflusst die Ausbeute nicht, aber sie ist nicht wirtschaftlich.
- Die Umsetzung wird von Raumtemperatur bis zur Rückflusstemperatur des Lösungsmittels ausgeführt. Wenn die Reaktionstemperatur zu gering ist, ist es nicht praktisch, da die Reaktionsgeschwindigkeit wesentlich beeinflusst wird.
- Diese Umsetzung verläuft ohne irgendeinen Reaktionsbeschleuniger, aber wird in Gegenwart von Dimethylaminopyridin, einer jodierten Verbindung, wie Cäsiumjodid, Natriumjodid und Kaliumjodid, einem quartären Ammoniumsalz, wie Tetrabutylammoniumchlorid, Trimethylammoniumbromid, oder einem Kronenether, wie 18-Krone-6 usw., gefördert. Solch ein Reaktionsbeschleuniger wird in 0,01 bis 0,3 Mol pro einem 4-Halogen-3-hydroxybutyrat zugesetzt.
- Ein so erhaltenes 4-Azido-3-hydroxybutyrat (Formel (3)) wird einer katalytischen Hydrierung unter einer Wasserstoffatmosphäre in einem Lösungsmittel unterworfen, wobei ein 4-Amino-3-hydroxybutyrat (Formel (4)) hergestellt wird, und die Verbindung wird sofort cyclisiert, wobei 4-Hydroxy-2-pyrrolidon (Formel (1)) erhalten wird.
- Die Lösungsmittel sind ein Ester, wie Essigsäureethylester, Essigsäurebutylester usw., ein Ether, wie Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan, 1,2-Dimethoxyethan usw., ein Keton, wie Aceton, Methylethylketon, Methylisobutylketon usw., ein Alkohol, wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, t-Butanol usw., Wasser und ein Gemisch dieser Lösungsmittel.
- Katalysatoren sind nicht beschränkt solange die Katalysatoren üblicherweise bei einer Umsetzung dieser Art verwendet werden, und sie sind vorzugsweise ein Metallkatalysator, wie Palladium, Platin usw., weiterhin vorzugsweise Palladium im Hinblick auf die Ausbeute und Wirtschaftlichkeit. Insbesondere ist etwa 5-10% Palladium-Kohlepulver besser. Die Katalysatormenge beträgt 0,5-50 Gewichtsprozent für ein Rohmaterial. Die Umsetzung wird üblicherweise bei Raumtemperatur unter Wasserstoffatmosphäre ausgeführt. So hergestelltes 4-Hydroxy-2-pyrrolidon wird in guter Ausbeute und in hoher Reinheit durch übliche Reinigung, wie Umkristallisation, hergestellt. Die Reduktions- und Cyclisierungseaktion eines 4-Azido-3-hydroxybutyrats (Formel (3)) erfolgt üblicherweise unter neutralen Bedingungen, und ist auch unter basischen Bedingungen möglich. Andererseits wird ein Alkyl-4-amino-3-hydroxybutyrathydrochlorid erzeugt, wenn sie unter sauren Bedingungen ausgeführt wird, und dann hört die Umsetzung auf dieser Stufe ohne Cyclisierung auf. So wird das gewünschte 4-Hydroxy-2-pyrrolidon nicht erhalten (Acta Chem. Scand., B 37, 341 (1983)). Das Hydrochlorid wird mit einer Base behandelt, um cyclisiert zu werden, wobei 4-Hydroxy-2-pyrrolidon erzeugt wird. Durch eine katalytische Hydrierung von 4-Azido-3-hydroxybuttersäure statt eines 4-Azido-3-hydroxybutyrats wird auch 4-Amino- 3-hydroxybuttersäure erhalten, aber es wird keine cyclisierte Verbindung 4-Hydroxy-2- pyrrolidon erhalten (siehe Japanische Patent-Veröffentlichung Nr. 174957/1988).
- Im Fall einer Verwendung eines optisch aktiven 4-Halogen-3-hydroxybutyrats als Ausgangsmaterial wird optisch aktives 4-Hydroxy-2-pyrrolidon erhalten. Zum Beispiel wird durch Verwendung eines (S)-4-Chlor-3-hydroxybutyrats (S)-4-Hydroxy-2-pyrrolidon erhalten. Dasselbe gilt für eine (R)-Verbindung. Durch Verwendung einer Verbindung mit hoher optischer Reinheit wird ein Pyrrolidon mit hoher optischer Reinheit ohne die auffallende Racemisierung bei der Umsetzung erhalten.
- Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert, aber sie ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
- Einem Gemisch aus Ethyl-(S)-4-chlor-3-hydroxybutyrat (193 g, 1,16 mol, optische Reinheit: 98,5% ee) und N,N-Dimethylformamid (1,41) wird Natriumazid (151 g, 2,32 mol) zugesetzt und das Gemisch wurde bei 100-110ºC 2 Stunden gerührt. Nach dem Abkühlen wurde N,N-Dimethylformamid abdestilliert und dem Rückstand wurde Wasser (1 l) zugesetzt. Das Gemisch wurde mit Essigsäureethylester extrahiert und der Extrakt wurde über Magnesiumsulfat getrocknet. Durch Abdestillation von Essigsäureethylester unter Vakuum wird Ethyl-(S)-4-azido-3-hydroxybutyrat als Rohprodukt (206 g) erhalten. Dann wurde das Rohprodukt in Methanol (1 l) gelöst und ihm wurde 5% Palladium-Kohle (10 g) zugesetzt. Das Gemisch wurde 17 Stunden bei Raumtemperatur unter einer Wasserstoffatmosphäre gerührt. Nachdem die Umsetzung zu Ende war, wurde Palladium-Kohle abfiltriert und das Lösungsmittel wurde unter Vakuum abdestilliert. Das erhaltene Produkt wurde aus Aceton-Wasser umkristallisiert, wobei (S)-4-Hydroxy-2-pyrrolidon (99 g, 0,98 mol, Ausbeute: 84%) als farbloser kristalliner Feststoff erhalten wurde. Optische Reinheit: 98,3% ee, Spezifische Drehung: [α]D²²-57,6º (c = 1,00, H&sub2;O).
- Lithiumazid (1,8 g, 37 mmol) wurde einem Gemisch aus Methyl-4-chlor- 3-hydroxybutyrat (33 mmol) und N,N-Dimethylformamid (40 ml) zugesetzt und das Gemisch wurde bei 80-90ºC 7 Stunden gerührt. Und gefolgt von demselben Verfahren wie in Beispiel 1 wurde 4-Hydroxy-2-pyrrolidon erhalten (2,6 g, 26 mmol, Ausbeute: 79%).
- Einem Gemisch aus Methyl-4-chlor-3-hydroxybutyrat (5 g, 33 mmol) und Methylisobutylketon (40 ml) wurden Natriumazid (2,3 g, 36 mmol) und 4-Dimethylarninopyridin (403 mg, 3,3 mmol) zugesetzt und das Gemisch wurde unter Rühren 11 Stunden zum Rückfluss erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde das Salz abfiltriert und das Lösungsmittel wurde unter Vakuum abdestilliert und Methyl-4-azido-3-hydroxybutyrat (5,5 g) wurde als Rohprodukt erhalten. Und gefolgt von demselben Verfahren wie in Beispiel 1 wurde 4-Hydroxy-2-pyrrolidon erhalten (2,3 g, 23 mmol, Ausbeute: 70%). Wenn die vorstehende Umsetzung in Abwesenheit von 4-Dimethylaminopyridin ausgeführt wurde, dauerte es mehr als 120 Stunden, um das Verschwinden der Ausgangsmaterialien durch Gaschromatographie nachzuweisen.
- Gemäß dieser Erfindung wird 4-Hydroxy-2-pyrrolidon durch ein paar Schritte in hoher Ausbeute, wirtschaftlich und mit fast keinen Nebenprodukten erhalten. Durch Verwendung eines Ausgangsmaterials mit hoher optischer Reinheit wird 4-Hydroxy-2- pyrrolidon mit hoher optischer Reinheit ohne merkliche Racemisierung erhalten.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von 4-Hydroxy-2-pyrrolidon der Formel
gekennzeichnet durch Umsetzen eines 4-Halogen-3-hydroxybutyrats der Formel
in der X ein Halogenatom ist und R ein C&sub1;-C&sub4;-Alkylrest ist,
mit einem Alkalimetallazid oder Erdalkalimetallazid unter Bildung eines 4-Azido-3-
hydroxybutyrats der Formel
in der R wie oben definiert ist,
und Hydrieren der Azidgruppe der Esterverbindung (3) in Gegenwart eines
Katalysators und anschließendes Cyclisieren der hydrierten Verbindung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verwendung eines optisch aktiven
4-Halogeno-3-hydroxybutyrats als Ausgangsmaterial.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Verwendung einer
Verbindung der Formel (2), in der X ein Chloratom oder Bromatom ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Verwendung
einer Verbindung (2), in der R Methyl oder Ethyl ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Umsetzen einer
Verbindung (2) mit einem Alkalimetall- oder Erdalkalimetallazid in Gegenwart eines
Reaktionsbeschleunigers.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verwendung von N,N-
Dimethylaminopyridin als Beschleuniger.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
Verwendung von Natriumazid als Alkalimetallazid.
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