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)[1]
Summenformel	C5H8O2
Kurzbeschreibung	farblose bis gelbliche[2] oder hellbraune[3] 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[2] 1,079 g·cm−3 bei 25 °C[3]
Schmelzpunkt	−13 °C[2]
Siedepunkt	230 °C[2] 105 °C bei 8 mm Hg[4] 58–60 °C bei 0,7 hPa[3]
Dampfdruck	0,088 hPa bei 20 °C[5] 0,84 mbar bei 50 °C[5]
Löslichkeit	vollständig mit Wasser mischbar[3] mischbar mit Diethylether und Ethanol[6]
Brechungsindex	1,4553 (25 °C)[4] 1,4560 bis 1,4580 (20 °C)[6]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[2] Gefahr H- und P-Sätze H: 318 P: 280​‐​305+351+338[2]
Toxikologische Daten	>2,000 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral)[5] >5,000 mg·kg−1 (LD50, Ratte, transdermal)[5]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). 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^[7] mit einem Ferrocen-basierten Palladium(II)-Komplex^[8] 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,^[9] anschließende Oxidation zur δ-Hydroxyvaleriansäure und Umsetzung mit Bromwasserstoffsäure^[10] – mit Tetraalkylammoniumfluoriden^[11]

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.^[12]

Baeyer-Villiger-Oxidation von Cyclopentanon zu delta-Valerolacton

Die Oxidation kann auch in Gegenwart von Molybdän-Komplexen mit Wasserstoffperoxid durchgeführt werden.^[13] Eine „grüne“ Route mit sehr guter Ausbeute von 98 % zeigt die Oxidation von Cyclopentanon mit Wasserstoffperoxid und einer Lipase auf.^[14]

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.^[15] 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.^[4][12]

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.^[16]

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.^[17]

Eigenschaften

Reines δ-Valerolacton ist eine wasserklare, farblose Flüssigkeit mit esterartigem Geruch,^[5] 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.^[5] 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.^[18]

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^[19].

Synthese von 5-Chlorvaleriansäure aus delta-Valerolacton

das als Ausgangssubstanz für eine Reihe von Zwischenstufen von Arzneistoffen, wie z. B. Virustatika^[20], Phosphodiesterase-3-Hemmer, wie Cilostazol^[21] oder Antikoagulanzien, wie Apixaban^[22] 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^[23] und mit anderen Lactonen bzw. δ-Hydroxycarbonsäuren auch durch anionische^[24] sowie auch durch enzymatische Polymerisation^[25] 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)^[23] 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.^[26]

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.^[27]