Valerolactam
chemische Verbindung
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Valerolactam (genauer δ-Valerolactam oder 2-Piperidon) ist das Lactam der 5-Aminovaleriansäure (5-Aminopentansäure), während die Stellungsisomeren 3-Piperidon und 4-Piperidon Aminoketone darstellen.
| Strukturformel | |||||||||||||||||||
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| Allgemeines | |||||||||||||||||||
| Name | Valerolactam | ||||||||||||||||||
| Andere Namen |
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| Summenformel | C5H9NO | ||||||||||||||||||
| Kurzbeschreibung | |||||||||||||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | |||||||||||||||||||
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| Eigenschaften | |||||||||||||||||||
| Molare Masse | 99,13 g·mol−1 | ||||||||||||||||||
| Aggregatzustand |
fest | ||||||||||||||||||
| Dichte |
1,073 g·cm−3[2] | ||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | |||||||||||||||||||
| Siedepunkt | |||||||||||||||||||
| Löslichkeit |
löslich in Wasser (291 g·l−1 bei 25 °C),[2] löslich in Ethanol und Diethylether | ||||||||||||||||||
| Sicherheitshinweise | |||||||||||||||||||
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| Toxikologische Daten | |||||||||||||||||||
| Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). | |||||||||||||||||||
Neue biotechnologische Verfahren liefern die nichtproteinogene ω-Aminosäure 5-Aminovaleriansäure in guten Ausbeuten und eröffnen so den direkten und indirekten (über δ-Valerolactam) Zugang zu dem bisher wenig untersuchten Polyvalerolactam (Polyaminovalerat, Polyamid 5).[3]
Herstellung
5-Aminovaleriansäure reagiert bei Aktivierung mit 2-Nitrophenyl-thiocyanat und Tributylphosphin in Dimethylformamid bei Raumtemperatur in einer intramolekularen Cyclisierung unter Wasserabspaltung mit 73-prozentiger Ausbeute zu δ-Valerolactam.[4]
Die Cyclisierung von 5-Aminovaleriansäure kann auch enzymatisch erfolgen.[5] Über diese Route könnte zukünftig δ-Valerolactam aus biotechnologisch erzeugter 5-Aminovalerian-säure kostengünstig in industriell brauchbaren Mengen zur Verfügung stehen.
Beim Erhitzen des Ammoniumsalzes der 5-Aminovaleriansäure entsteht ebenfalls δ-Valerolactam.
Die Umsetzung von Polymeren des δ-Valerolactons in N-Methylpyrrolidon mit Ammoniak bei 330 °C und einem Wasserstoffdruck von 280 bar erzeugt 2-Piperidon in Ausbeuten bis 83 %.[6]
Die Hydrierung von Glutarimid in einem Hochdruckautoklaven liefert δ-Valerolactam in Ausbeuten bis 70 % bei 270 °C und 490 atm Wasserstoffdruck in Gegenwart eines Nickelkatalysators[7]
Während diese Herstellrouten keine industrielle Anwendung fanden, ist die Beckmann-Umlagerung von Cyclopentanonoxim (aus Cyclopentanon und Hydroxylamin) ein brauchbares Verfahren zur Herstellung größerer Mengen von δ-Valerolactam.
Die Umlagerung des Cyclopentanonoxims verläuft in der Dampfphase an sauren Zeolith-Katalysatoren schneller als die Reaktion des homologen Cyclohexanonoxims, was von den Autoren auf die höhere Diffusion des kleineren Moleküls Cyclopentanonoxim in die Mikroporen des Katalysators zurückgeführt wird.[8]
Unter milden Bedingungen werden bei der säurekatalysierten Umlagerung von in ionischen Flüssigkeiten gelöstem Cyclopentanonoxim zwar sehr hohe Selektivitäten (>99 %), aber nur bescheidene Umsätze (48 %) erzielt, was mit der Behinderung der Umlagerung durch die höhere Ringspannung im Cyclopentanring (im Vergleich zum Cyclohexanhomologen) erklärt wird.[9]
Die goldkatalysierte Oxidation von Piperidin in Toluol liefert δ-Valerolactam in Ausbeuten von ca. 60 %.[10]
Eigenschaften
δ-Valerolactam fällt bei der Synthese meist als gelb-brauner und hygroskopischer Feststoff an. Nach Passage einer 50-prozentigen wässrigen Lösung über einen sauren Ionenaustauscher kann es in Form geruchloser weißer Kristalle isoliert werden, deren Reinheit sie auch zur Polymerisation zu Polyvalerolactam geeignet macht.[11]
Anwendungen
Nach Aktivierung mit Trifluormethansulfonsäureanhydrid reagiert das aktivierte δ-Valerolactam mit an der Carboxygruppe geschützten Aminosäuren zu Dipeptiden von ω-Aminosäuren.[12]
Durch Acylierung von δ-Valerolactam mit längerkettigen aliphatischen oder aromatischen Carbonsäuren entstehende N-Acylvalerolactame eignen sich als Bleichaktivatoren.[13]
Bei der anionischen Polymerisation von δ-Valerolactam entsteht analog zum homologen ε-Caprolactam Polyamid 5 (Nylon 5).
Polyamide mit ungeradzahliger Kohlenstoffzahl besitzen ferroelektrische Eigenschaften und daraus hergestellte polarisierte Folien zeigen piezoelektrische Eigenschaften, die mit denen von Polyvinylidenfluorid PVDF vergleichbar sind und insbesondere Nylon 5 und seine Copolymeren für Sensoranwendungen interessant erscheinen lassen.[14]