CH644579A5 - Verfahren zum cyclisieren von gamma-chlorcarbonsaeureestern. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Cyclopropancarbonsäuren-methyl- und -äthylestern, durch gegebenenfalls kontinuierliche Cyclisierung von y-Chlorcarbonsäuremethyl- und -äthylestern in Gegenwart von Alkoholaten und Alkoholen bei erhöhter Temperatur.

Cyclopropancarbonsäureester sind wertvolle Zwischenprodukte für die Herstellung von agrochemischen, insbesondere insecticiden, und pharmazeutischen Chemikalien.

Es ist bekannt, 4-Chlorbuttersäureäthylester mit Kalilauge auf Bimsstein zu kondensieren. Man erhält dabei in mässiger Ausbeute Cyclopropancarbonsäureäthylester neben der freien Säure und y-Butyrolacton (Rambaud, Bl. [5], 5(1938), p. 1552,1564).

Es ist auch bekannt, y-Chlorcarbonsäureester unter Verwendung von wasserfreien Alkoholaten zu cyclisieren. Zum Beispiel wird y-Chlorbuttersäureäthylester mit t-Natrium-amylat in t-Amylalkohol vier Stunden lang unter Rückfluss gekocht. Es wird Cyclopropancarbonsäureäthylester in einer Ausbeute von 45% d.Th. erhalten. Verwendet man Natri-umdimethylbenzylat als Kondensationsmittel, so beträgt die Ausbeute 47% d.Th. (Julia et al., Bull. Soc. chimie (France) 1960, p. 306 ff).

Weiter ist bekannt, dass man die Cyclisierung mit Alkoholaten in inerten Lösungsmitteln vornehmen kann. Zum Beispiel ist die Cyclisierung von 5-Methyl-3-(l-chlorisopro-

pyl)-hex-4-enoat mit Natrium-t-amylat in Benzol zu dl-trans-Chrysenthemum-methylester beschrieben. Die Ausbeute beträgt 41,8% bzw. 53,6% (US-PS 3 077 496, US-PS 3 123 629).

s In der US-PS 3 711 549 wird für den allgemein beanspruchten Prozess zur Herstellung von wässrigen Cyclopro-pylaminlösungen in der ersten Stufe des Verfahrens die Umsetzung von 4-Chlorbuttersäuremethylester mit Natrium-methylat in inerter Gasatmosphäre in einer nichtreaktiven io organischen Flüssigkeit unter wasserfreien Bedingungen beansprucht. Die Ausbeute beträgt 92% d.Th.

Es ist weiter bekannt, y-Chlorcapronsäureester mit Natriumamid in Äther während 4 bis 5 Tagen zu kondensieren und dabei 2-Methylcyclopropancarbonsäureester in is einer Ausbeute von 85% d.Th. zu erhalten. Ein ähnlicher Versuch mit a-Methyl-y-chlorbuttersäureester ergibt 1-Methylcyclopropancarbonsäureester in 47,6%iger Ausbeute (Am. Soc. 81, p. 1660-66).

In der japanischen Patentanmeldung J 7 49-28509 wird 20 die Kondensation von y-Chlorbuttersäureäthylester mit NaH in Paraffin beschrieben. Man erhält Cyelopropancar-bonsäureäthylester in einer Ausbeute von 87,9% d.Th.

Es ist weiter die Cyclisierung von 6-Brom-2,3,3-tri-methyl-4-hexensäureäthylester mit Kalium-t-butoxid in was-25 serfreiem Tetrahydrofuran zu l-Methyl-2-vinyl-3,3-di-methylcyclopropancarbonsäureäthylester beschrieben worden. Die Ausbeute beträgt 55% d.Th. (japanische Patentanmeldung 51-82 242).

Bunce et al. beschreiben in «Organic Préparations and 30 Procédures Inc.,» 6, p. 193-6 (1974), die Herstellung von Cyclopropancarbonsäureäthylester aus y-Chlorbuttersäureäthylester und Natriummethylat in Äthanol. Die Ausbeute beträgt 66% d.Th. G.M. Lampman et al. (I. Chem. Eng. Data 14, 396 (1969)) beschreiben die Herstellung von Cyclo-35 propancarbonsäureäthylester aus 4-Brombuttersäureäthyl-ester durch Cyclisierung mit NaH, die Ausbeute beträgt 88% d.Th.

Alle diese vorbekannten Verfahren zeigen, dass man nur dann eine technisch interessante Ausbeute erhalten kann, 40 wenn man als Kondensationsmittel Natriumhydrid, Natriumamid oder alkoholfreie Alkoholate verwendet und in Abwesenheit nichtinerter Lösungs- bzw. Dispergiermittel arbeitet. Werden z.B. die Alkoholate in Alkohol angewendet, tritt eine starke Verminderung der Ausbeute ein. 45 Im Falle der Cyclisierung von y-Chlorbuttersäureäthylester mit Natriumäthylat in Äthanol läuft neben der Cyclo-propancarbonsäurecyclisierung eine andere Reaktion ab, nämlich die Bildung des 4-Äthoxibuttersäureäthylesters. Weiter ist eine Rückcyclisierung in Richtung Butyrolacton so zu beobachten. So erklärt sich die schlechte Ausbeute von 66% d.Th. Gleiches gilt für den Methylester.

Die Anwendung von Natriumhydrid oder Natriumamid ist gefährlich und kostspielig. Eine Durchführung dieser Cyclisierungsprozesse im technischen Massstab ist sehr 55 schwierig.

Wasserfreie Alkoholate sind ebenfalls teuer, ihre Handhabung ist sehr aufwendig und erfordert einen grösseren technischen Aufwand. Stäube von Natrium- oder Kalium-methylat oder -äthylat sind gesundheitsschädlich und wirken 60 stark ätzend. Wasserfreie Alkoholate hydrolysieren leicht, dabei entstehen die freien Basen, die den Cyclisierungs-prozess stören, indem sie die Ausgangsverbindungen (Ester) verseifen. Verwendet man z.B. Natriummethylat in Toluol für die Cyclisierung von y-Chlorbuttersäuremethylester ge-65 mäss US-PS 3 711 549 im technischen Massstab, so fällt bei diesem Prozess feinstverteiltes Natriumchlorid an, das an den Wandungen der Reaktoren haftet und dann den Wärmeübergang erheblich stört. Die Folge ist, dass man bei

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der technischen Synthese oft einen grossen Überschuss von Alkalialkoholat verwenden muss. Kondensiert man nach diesem Verfahren, so fallen Natrium- oder Kaliumchlorid bzw. -bromid in feinster Verteilung an, die sofort die Natrium- oder Kaliumalkoholatpartikel umhüllen, so dass nur ein Teil des eingesetzten Kondensationsmittels wirksam ist. Man kann diesen Umstand zum Teil eliminieren, indem man das Reaktionsmedium in starker Bewegung hält und die Reaktionszeit stark erhöht. Auf jeden Fall müssen zusätzliche technische Mittel angewandt werden, um das in der obigen Patentschrift offenbarte Verfahren technisch zu realisieren.

Es wurde nun gefunden, dass man y-Chlorcarbonsäure-ester der Formel

Cl -

fc c -

I

R5

Ro I 2

C -

t

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C - COOR, I (

H

in der Rj bis R5 gleich oder verschieden sind und entweder ein Wasserstoffatom oder die CH3-Gruppe bedeuten und R6 für einen Methyl- oder Äthylrest steht, zu Cyclopropancar-bonsäureestern der Formel

«3 A Ri, A

C - COORx- II

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R5 R,

tionstemperaturen sind solche zwischen 140 und 200 °C, insbesondere aber zwischen 155 und 160 C. Bei dieser Temperatur wird nun der Halogenester in den Autoklav gepumpt, dabei läuft die Reaktion in wenigen Minuten ab. Am s Ende wird kurz nachgeheizt und aufgearbeitet.

Man kann diesen Prozess aber auch bei Normaldruck durchführen, z.B. so, dass man eine hochkonzentrierte Al-koholatlösung (z.B. 30%ig) verwendet und die hohe Konzentration während des gesamten Reaktionsablaufes da-lo durch aufrechterhält, dass man während des Cyclisierungs-prozesses laufend den bei dieser Reaktion gebildeten Alkohol abdestilliert.

Die kontinuierliche Durchführung erfolgt vorzugsweise in einem Dünnschichtverdampfer. Hierbei geht man zweck-is mässigerweise so vor, dass man die Lösung von Alkalialkoholat in Alkohol und den y-Chlorbuttersäureester getrennt, oder - vorher gemischt - gemeinsam in den Dünnschichtverdampfer einpumpt. Die Wandtemperatur des z. B. mit Öl beheizten Mantels soll zweckmässig so bemessen sein, 20 dass der eintretende Alkohol sofort verdampft. Während dieser Zeit tritt momentan auch die Cyclisierung ein, und der gebildete Ester destilliert mit dem Alkohol laufend ab. Am unteren Austrittsende des Dünnschichtverdampfers kann das bei der Reaktion gebildete Alkalichlorid, speziell 25 Natriumchlorid, kontinuierlich abgezogen werden. Bevorzugte Wandtemperaturen sind - je nach Material des Verdampfers- 120 bis 200 °C, insbesonders 170 bis 180 °C. Das bei diesem Verfahren aus dem Reaktionsdünnschichtver-dampfer austretende Gemisch von Ester und Alkohol kann 30 z.B. über mehrere hintereinander geschaltete Destillationskolonnen kontinuierlich aufgearbeitet werden.

Die für das erfindungsgemässe Verfahren als Ausgangsstoffe benötigten y-Chlorcarbonsäureester können nach an sich bekannten Verfahren aus den entsprechenden Lactonen 35 oder y-Hydroxycarbonsäuren hergestellt werden (Liebigs Ann. 596,163-164).

in Gegenwart eines Alkoholates als Kondensationsmittel und in Gegenwart eines Lösungsmittels bei erhöhter Temperatur cyclisieren kann,-wenn man entweder als Kondensationsmittel Kalium- oder vorzugsweise Natriummethylat und als Lösungsmittel Methylalkohol oder als Kondensationsmittel Kalium- oder vorzugsweise Natriumäthylat und als Lösungsmittel Äthylalkohol verwendet und die Cyclisierung bei einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des verwendeten Alkohols, gegebenenfalls unter Druckanwendung, vornimmt.

Gegenstand der Erfindung ist somit das in Patentanspruch 1 definierte Verfahren.

Nach diesem erfindungsgemässen Verfahren können die Cyclopropylcarbonsäureester in sehr hoher Ausbeute sowohl diskontinuierlich als auch kontinuierlich gewonnen werden. Sie können, auch ohne Zwischenisolierung, nach an sich bekannten Methoden in die entsprechenden freien Säuren überführt werden. Alkalialkoholate in Alkohol sind technische Chemikalien, die leicht handhabbar sind, sie können leicht hergestellt werden und sind leicht transportierbar.

Von den Alkoholaten werden das Natriummethylat und -äthylat bevorzugt. Das Alkoholat wird zweckmässig in äquimolarer Menge eingesetzt, wobei jedoch ein 10%iger Überschuss vorteilhaft ist.

Bei diskontinuierlicher Führung des Verfahrens kann so vorgegangen werden, dass die alkoholische Lösung des Natriummethylats oder Natriumäthylats in einem Druckge-fäss (Autoklav) vorgelegt wird. Auf 1 Mol y-Chlorcarbon-säureester wird 1 Mol Alkoholat für die Cyclisierung benötigt, doch ist ein 10%iger Überschuss des Alkoholates angebracht. Der Autoklav wird hochgeheizt. Bevorzugte Reak-

Beispiel 1

Man legt in einem 5-Liter-Rührautoklav 540 g Natrium-40 methylat in 1500 ml Methanol vor und heizt anschliessend auf 155 bis 160 °C auf. Nun pumpt man innerhalb von 30 Minuten 1228,5 g y-Chlorbuttersäuremethylester hinzu und hält anschliessend noch eine Stunde lang diese Temperatur aufrecht. Anschliessend kühlt man ab. Der Autoklav wird 45 entleert, mit Methylenchlorid versetzt, so viel Wasser zugegeben, dass sich das gebildete Kochsalz gerade löst, das CH2C12 abgetrennt und die wässrig-methanolische Lösung noch dreimal mit CH2C12 ausgeschüttelt. Die CH2C12-Frak-tionen werden vereinigt, getrocknet und an einer 1 m-Füll-50 körperkolonne mit Dephlegmator fraktioniert.

Bei Kp760 114 bis 115 °C destilliert Cyclopropancarbon-säuremethylester. Menge: 853,5 g, entsprechend 94,9%

d.Th.

Beispiel 2

In einem 2-Liter-Rundkolben (mit Rührwerk, aufgesetzter 50 cm-Füllkörperkolonne und Dephlegmator) legt man 594 g 30gewichtsprozentige Natriummethylatlösung in Me-60 thanol vor (= 3,3 Mol CH3ONa). Die Lösung wird zum Sieden erhitzt. Es wird so lange Methanol abdestilliert, bis die Methylatlösung eine Temperatur von 100 °C anzeigt (135 ml).

Nun werden innerhalb von 2 Stunden langsam insgesamt 65 409,5 g y-Chlorbuttersäuremethylester (=3 Mol) zugetropft, dabei wird laufend Methanol (mit kleinen Mengen Cyclopropancarbonsäuremethylester) abdestilliert. Der Ein-lauf und die Destillation sind so programmiert, dass die

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Temperatur der Methylatlösung nie 90 °C unterschreitet. Anschliessend wird noch 15 Minuten lang nacherhitzt.

Man kühlt ab, neutralisiert die Lösung im Kolben mit ca. 20 g Eisessig, gibt 500 ml Methylenchlorid hinzu und verdünnt mit 11 Wasser.

Die Methylenchloridlösung wird mit dem bei der Reaktion abdestillierten Methanol (+ Cyclopropancarbonsäure-methylester) vermischt und an einer 1 m-Füllkörperkolonne (mit Dephlegmator) fraktioniert. Nach einem Methylenchloridvorlauf destilliert zuerst Methanol und anschliessend Cyclopropancarbonsäuremethylester, Kp 114-115 °C. Menge: 277,5 g, entsprechend einer Ausbeute von 92,5% d.Th.

Vergleichsversuch

In einem 2-Liter-Rundkolben mit Rührwerk legt man 178,2 g Natriummethylat in 570 ml Methanol vor. Innerhalb von einer Stunde tropft man unter Rückfluss 409,5 g y-Chlorbuttersäuremethylester ein und erhitzt anschliessend noch 2 Stunden lang unter Rückfluss. Dann wird so aufgearbeitet, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist. Man isoliert 198,6 g Cyclopropancarbonsäuremethylester, Kp760 114 bis 115 °C. Ausbeute 66,2% d.Th.

Die destillative Aufarbeitung des Rückstandes liefert 81g Methoxibuttersäuremethylester (= 20,4% d.Th.) und 36 g(= 8,8 Gew.-%) nicht umgesetzten y-Chlorbuttersäuremethylester, ferner 6,1 g y-Butyrolacton.

Beispiel 3

1,365 kg y-Chlorbuttersäuremethylester (=10 Mol) und 494 g Natriummethylat, gelöst in 1386 g Methanol, (= 30%ige Lösung), werden aus zwei getrennten Vorratsge-fässen über 2 Pumpen kontinuierlich in einen mittels Ölman-telheizung auf 180 °C erhitzten Reaktionsverdampfer (Dünnschichtverdampfer) eingespeist, wobei die Geschwindigkeit so bemessen ist, dass pro 15 Minuten 1 Mol y-Chlorbuttersäuremethylester umgesetzt wird. Der Rotor des Reaktors läuft mit einer Tourenzahl, die dadurch gegeben ist, dass die kontinuierlich zugelaufenen Reaktionskomponenten in wenigen Sekunden verdampfen und die Cyclisierung dann vornehmlich in der oberen Hälfte des Verdampfers stattfindet. Am unteren Ende der Apparatur wird laufend festes Salz, vermengt mit überschüssigem Alkoholat, abgezogen, am Kopf werden laufend Methanol und Cyclopro-pancarbonsäuremethylester abgezogen.

Die Reaktion ist in 2 Vi Stunden beendet, anschliessend werden noch 500 ml CH3OH im Reaktor verdampft.

Das laufend abdestillierte Gemisch von CH3OH und Cyclopropancarbonsäuremethylester wird diskontinuierlich aufgearbeitet, jedoch ist auch eine kontinuierliche Aufarbeitung möglich.

Bei Kp760 114 °C destilliert Cyclopropancarbonsäure-methylester.

Menge: 915 g = 91,5% d.Th.

s Beispiel 4

Es wird wie in Beispiel 3 beschrieben vorgegangen, jedoch werden 1,505 kg y-Chlorvaleriansäuremethylester mit 1,98 kg 30 gew.-%iger Natriummethylatlösung in CH3OH umgesetzt. Die Aufarbeitung liefert 1029 g 2-Methylcyclo-lo propancarbonsäuremethylester, Kp 131 °C.

Beispiel 5

Es wird wie in Beispiel 3 beschrieben vorgegangen, jedoch werden 1,505 kg 1-Methyl-y-chlorbuttersäuremethyl-15 ester und 1,98 kg 30gewichtsprozentige Natriummethylatlösung in Methanol umgesetzt.

Es werden erhalten: 991 g = 87% d.Th. 1-Methylcyclo-propancarbonsäuremethylester, Kp 136 °C.

20 Beispiel 6

Es wird wie in Beispiel 1 beschrieben vorgegangen, jedoch werden 1,505 kg y-Chlorbuttersäureäthylester und 4 kg einer 18,7gewichtsprozentigen Natriumäthylatlösung in Äthanol umgesetzt.

2s Es werden erhalten: 1040 g = 91,2% d.Th. Cyclopro-pancarbonsäureäthylester, Kp. 131 bis 132 °C.

Beispiel 7

409,5 kg y-Chlorbuttersäuremeth'ylester (= 3000 Mol) 30 werden mit 3300 Mol CH3ONa (= 594 kg) in Methanol entsprechend den in Beispiel 2 angegebenen Versuchsbedingungen in einem 2-m3-Reaktor cyclisiert.

Nach der Cyclisierung gibt man das bei der Reaktion gebildete Methanol zusammen mit dem überdestillierten 35 Cyclopropancarbonsäuremethylester in den Reaktor zurück. Die gaschromatographische Analyse der Lösung zeigt, dass die Cyclisierung quantitativ verlaufen ist. Nun lässt man langsam 300 kg 50 gew.-%ige Natronlauge einfliessen. Die Mischung wird 2 Stunden lang unter Rückfluss gekocht, anschliessend destilliert man Methanol über eine Kolonne ab. Der Reaktorrückstand wird auf 10 °C abgekühlt, mit 4001 Methylenchlorid versetzt und anschliessend mit konzentrierter Salzsäure (~ 36%) auf pH-Wert 2 eingestellt (ca. 701).

Die Methylenchloridlösung wird abgetrennt, anschlies-45 send wird die wässrige Lösung noch 2 x mit je 200 ml CH2C12 extrahiert.

Die CH2C12-Lösungen werden abdestilliert. Die verbliebene Cyclopropancarbonsäure wird an einer 2-m-Kolon-ne fraktioniert.

so Kp10 78 °C, Menge: 235 kg, entsprechend 96,7% d.Th.

Claims (3)

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1

R_

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H

5

3

COOR.

(I)

worin Rj bis Rs gleich oder verschieden Wasserstoff oder Methyl und Re Methyl oder Äthyl bedeuten, zu Cyclopropancarbonsäureestern der Formel x /:

R4 )C

\ / \

c—-c

/ I

Rs r:

(Ii)

- COOR,

in Gegenwart von Kalium- oder Natriummethylat/Methanol oder Kalium- oder Natriumäthylat/Äthanol als Kondensa-tionsmittel/Lösungsmittel-Gemisch bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass man die Cyclisierung bei einer Temperatur von 90-200 °C ausführt.

1

1

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Alkoholat zumindest in äquimolarer Menge, vorzugsweise jedoch in 10%igem Überschuss, einsetzt.

|2

I1

C -

C -

c

2

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Cyclisieren von y-Chlorcarbonsäure-estern der Formel

Cl -

R.

R_

R-.

|4

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man unter Druckanwendung cyclisiert.