δ-Valerolacton

δ-Valerolacton (delta-Valerolacton, Oxan-2-on) ist das pyranoide Lacton der 5-Hydroxyvaleriansäure (5-Hydroxypentansäure), während die stellungsisomeren Tetrahydropyranone Oxan-3-on und Oxan-4-on cyclische Etherketone darstellen.

Strukturformel
Allgemeines
Name	δ-Valerolacton
Andere Namen	5-Valerolacton Tetrahydro-2H-pyran-2-on 5-Hydroxyvaleriansäurelacton 5-Pentanolid Oxan-2-on Pentano-1,5-lacton DELTA-VALEROLACTONE (INCI)
Summenformel	C5H8O2
Kurzbeschreibung	farblose bis gelbliche oder hellbraune Flüssigkeit
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 542-28-9 EG-Nummer 208-807-1 ECHA-InfoCard 100.008.007 PubChem 10953 Wikidata Q903610
Eigenschaften
Molare Masse	100,11 g·mol^−1
Aggregatzustand	flüssig
Dichte	1,056 g·cm^−3 bei 20 °C 1,079 g·cm^−3 bei 25 °C
Schmelzpunkt	−13 °C
Siedepunkt	230 °C 105 °C bei 8 mm Hg 58–60 °C bei 0,7 hPa
Dampfdruck	0,088 hPa bei 20 °C 0,84 mbar bei 50 °C
Löslichkeit	vollständig mit Wasser mischbar mischbar mit Diethylether und Ethanol
Brechungsindex	1,4553 (25 °C) 1,4560 bis 1,4580 (20 °C)
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H: 318 P: 280​‐​305+351+338
Toxikologische Daten	>2,000 mg·kg^−1 (LD50, Ratte, oral) >5,000 mg·kg^−1 (LD50, Ratte, transdermal)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

δ-Valerolacton findet vor allem Verwendung als Monomer für Polyester, das stellungsisomere furanoide γ-Valerolacton (4-Hydroxypentansäurelacton) als biogener Brennstoff und als „grünes“ Lösungsmittel.

Herstellung

Bei der Hydrierung von 2-Pyron (2H-pyran-2-on) – zugänglich in 25%iger Ausbeute durch Umsetzung von 3-Butensäure mit Paraldehyd in einem Gemisch von konzentrierter Schwefelsäure und Eisessig mit einem Ferrocen-basierten Palladium(II)-Komplex wird delta-Valerolacton in 99%iger Ausbeute erhalten.

Hydrierung von 5,6-Dihydro-2H-pyran-2-on zu δ-Valerolacton

δ-Valerolacton entsteht in 96%iger Ausbeute bei der Cyclisierung von 5-Bromvaleriansäure – z. B. aus Dihydropyran durch Acidolyse zu δ-Hydroxyvaleraldehyd, anschließende Oxidation zur δ-Hydroxyvaleriansäure und Umsetzung mit Bromwasserstoffsäure – mit Tetraalkylammoniumfluoriden

Cyclisierung von 5-Bromvaleriansäure zu delta-Valeolacton

Ein gängigerer Syntheseweg ist die Baeyer-Villiger-Oxidation von Cyclopentanon mit Peroxytrifluoressigsäure, die δ-Valerolacton in 96%iger Ausbeute liefert.

Baeyer-Villiger-Oxidation von Cyclopentanon zu delta-Valerolacton

Die Oxidation kann auch in Gegenwart von Molybdän-Komplexen mit Wasserstoffperoxid durchgeführt werden. Eine „grüne“ Route mit sehr guter Ausbeute von 98 % zeigt die Oxidation von Cyclopentanon mit Wasserstoffperoxid und einer Lipase auf.

Für die großtechnische Produktion von δ-Valerolacton scheint das einfach zugängliche 1,5-Pentandiol das geeignetste Edukt zu sein, das z. B. auch durch destillative Auftrennung des komplexen, so genannten Ol/On-Stoffgemischs bei der Oxidation von Cyclohexan zu Cyclohexanol/Cyclohexanol isoliert werden kann. Die Oxidation von 1,5-Pentandiol wird durch Kupferverbindungen, wie z. B. Kupferchromit katalysiert. Die Reaktionsführung bei Temperaturen über 200 °C ist entscheidend für Umsatz des Edukts und Reinheit des Produkts, wobei sich ein herkömmlicher Rührreaktor als wenig geeignet erweist, da beim Versuch der vollständigen Umsetzung von 1,5-Pentandiol 30–35 % polymere Nebenprodukte gebildet werden.

In einem Rohrreaktor verläuft die Reaktion dagegen wesentlich gezielter zum Produkt, das unter Katalyse mit einem Kupfer(II)-oxid und Zinkoxid-Mischkatalysator reines δ-Valerolacton in 86%iger Ausbeute liefert.

Oxidation von 1,5-Pentandiol zu delta-Valerolacton

Ein industrieller Prozess führt die katalytische Dehydrogenierung in einem Rohrreaktor an zwei Katalysatorschichten mit unterschiedlichen Gehalten an Kupferoxid mit dem Trägergas Wasserstoff und einem Temperaturgradienten von 300 °C bis 260 °C bei praktisch vollständigem 1,5-Pentandiol-Umsatz, einer δ-Valerolactonselektivität von 96 % und einer δ-Valerolactonreinheit von >99 % durch.

Eigenschaften

Reines δ-Valerolacton ist eine wasserklare, farblose Flüssigkeit mit esterartigem Geruch, die in wässriger Lösung schwach sauer reagiert. Sie erstarrt bei −13 °C, siedet bei 230 °C und besitzt eine dynamische Viskosität von 3,41 mPa·s bei 20 °C. Der Flammpunkt liegt bei 110,5 °C, die Zündtemperatur bei 414 °C. Bei Temperaturen über 370 °C beginnt sich δ-Valerolacton zu zersetzen.

Anwendungen

δ-Valerolacton wird als vielseitiges Zwischenprodukt für Beschichtungen vom Polyester-, Polyurethan-, Acryl- und Vinyltyp verwendet.

Aus δ-Valerolacton lässt sich durch Reaktion mit Phosgen in Gegenwart von 3-Picolin in Ausbeuten bis 87 % und Reinheiten von >98 % 5-Chlorpentanoylchlorid herstellen.

Synthese von 5-Chlorvaleriansäure aus delta-Valerolacton

das als Ausgangssubstanz für eine Reihe von Zwischenstufen von Arzneistoffen, wie z. B. Virustatika, Phosphodiesterase-3-Hemmer, wie Cilostazol oder Antikoagulanzien, wie Apixaban breitere Verwendung findet.

Ähnlich wie das weitaus häufiger eingesetzte ε-Caprolacton kann δ-Valerolacton entsprechender Reinheit durch kationische ringöffnende Polymerisation z. B. mit Trifluormethansulfonsäuremethylester zu Poly-δ-Valerolacton und mit anderen Lactonen bzw. δ-Hydroxycarbonsäuren auch durch anionische sowie auch durch enzymatische Polymerisation mittels Lipasen zu copolymeren Polyestern umgesetzt werden, die wegen ihrer Bioabbaubarkeit, Bioverträglichkeit und ihres Permeationsverhaltens als mögliche Implantatmaterialien interessant sind.

Ringöffnende Polymerisation von delta-Valerolacton

Wegen der Tendenz zur Depolymerisation vom Kettenende her (engl. back-biting) und der geringeren Reaktivität des sechsgliedrigen Lactonrings im δ-Valerolacton gegenüber dem siebengliedrigen ε-Caprolacton werden bei der enzymatischen ringöffnenden Polymerisation Polymere mit vergleichsweise niedrigeren Molmassen erzeugt, die aber bei der Verwendung thermophiler Esterasen immerhin zahlenmittlere Molmassen von M_n >2,000 g/mol aufwiesen und das erhaltene Poly-δ-Valerolacton für die Verwendung als hydrophobe Weichsegmente in thermoplastischen Elastomeren oder als Wirkstoffträger für die kontrollierte Arzneistofffreigabe erscheinen lassen.

Die kontrollierte lebende Polymerisation von δ-Valerolacton führt mit dem Katalysator Trifluormethansulfonimid zu Poly-δ-Valerolacton mit dem Katalysatoranteil entsprechenden Molmassen z. B. mit M_n = 9,600 g/mol und in Gegenwart funktioneller Initiatoren, wie z. B. N-(2-Hydroxyethyl)maleinimid zu endständig funktionalisierten telechelen Poly-δ-Valerolactonen mit kontrollierten Molmassen und geringer Polydispersität.

Einzelnachweise

1. Eintrag zu DELTA-VALEROLACTONE in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am 23. Oktober 2021.
2. Eintrag zu delta-Valerolacton in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 5. Februar 2017. (JavaScript erforderlich)
3. Datenblatt δ-Valerolacton bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 10. Juni 2015 (PDF).
4. L.E. Schniepp, H.H. Geller: Dehydrogenation of 1,5-pentanediol. In: J. Amer. Chem. Soc. Band 69, Nr. 6, 1947, S. 1545–1545, doi:10.1021/ja01198a517. 
5. BASF, Safety Data Sheet, Die nachstehende Seite ist nicht mehr abrufbar, festgestellt im Februar 2020. (Suche in Webarchiven.) @1@2Vorlage:Toter Link/worldaccount.basf.com delta-Valerolactone
6. Eintrag zu δ-Valerolacton bei TCI Europe, abgerufen am 5. Februar 2017.
7. M. Nakahawa, J. Saegusa, M. Tonozuka, M. Obi, M. Kiuchi, T. Hino, Y. Ban: 5,6-Dihydro-2H-pyran-2-one and 2H-Pyran-2-one. In: Org. Synth., Coll. Vol. Band 6, 1977, S. 462–454, doi:10.15227/orgsyn.056.0049. 
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