DE19633168A1 - Verfahren zur Herstellung von Cyclopropan-1,1-dicarbonsäurederivaten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Cyclopropan- 1,1-dicarbonsäurederivaten aus Malonsäurederivaten und 1,2-Dichlor­ verbindungen

Cyclopropan-1,1-dicarbonsäurederivate sind wertvolle Ausgangsstoffe für die Herstellung von Pharmaka und Pflanzenschutzmitteln (siehe z. B. EP 0 512 211, DE 41 14 733, US 5 334 747).

Cyclopropan-1,1-dicarbonsäurediethylester wurde zuerst durch eine intramolekulare Kondensationsreaktion von W.H.Perkin (Ber.d.Dt.Chem. Ges., 17 (1884), 54) aus Malonsäurediethylester und 1,2-Dibromethan mit Natriumethanolat als Kondensationsmittel hergestellt. Die Ausbeu­ te betrug 27 bis 29% d.Th. A.W.Dox und L.Yoder (J.A.C.S., 1921, 2097) konnten die Ausbeute auf 40% d.Th. steigern, was von J.M.Ste­ wart und H.H.Westberg (J.Org.Chem., 30 (1965), 1951) bestätigt wurde.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die geringe Ausbeute. Als Hauptne­ benprodukt identifizierten W.A.Bone und W.H.Perkin (J.Chem.Soc., 67 (1895), 108) Butan-1,1,4,4-tetracarbonsäuretetraethylester, der in einer intermolekularen Konkurrenzreaktion entsteht. Bei Verwendung von 1,2-Dichlorethan, das als billiger und in technischen Mengen ver­ fügbarer Ausgangsstoff anstelle der 1,2-Dibromverbindung erwünscht wäre, kann die Ausbeute an diesem Nebenprodukt sogar bis auf 50% d.Th. ansteigen.

Ein weiterer Nachteil besteht nach J.M.Stewart und W.H.Westberg, loc. cit., in der schwierigen Abtrennung von nicht umgesetztem Malonsäure­ ester durch Destillation. Die Autoren setzten zur Lösung dieses Problems den Malonsäureester mit n-Butylamin zum entsprechenden n-Bu­ tyldiamid um.

Die geschilderten Nachteile werden erheblich vermindert, wenn man statt Natriumalkoholat Kaliumcarbonat als Kondensationsmittel verwen­ det (D.A.White, Synth.Comm, 7/8 (1977), 559). Bei Verwendung von 1,2-Dibromethan werden Ausbeuten an Cyclopropan-1.1-dicarbonsäuredi­ methylester von 73% d.Th. angegeben. Ein verbessertes Verfahren mit Kaliumcarbonat, bei dem 1,2-Dichlorethan als Ausgangsstoff benutzt wird, ist in DE 43 26 917 beschrieben. Bei diesem Verfahren beträgt die Ausbeute zwar bis zu 85% d.Th., es entsteht jedoch, wie bei al­ len Verfahren mit Kaliumcarbonat als Kondensationsmittel, Kohlendio­ xid in erheblichen Mengen. Dieses Abgas führt 1,2-Dichlorethan mit, das umweltrelevant ist und in einer gesonderten Reinigungsstufe daraus entfernt werden muß.

Es ist daher erwünscht, ein Verfahren zur Herstellung von Cyclopro­ pan-1,1-dicarbonsäurederivaten aus Malonsäurederivaten und 1,2-Di­ chlorverbindungen zu haben, bei dem die wohlfeilen 1,2-Dichlorverbin­ dungen eingesetzt werden, aber kein Abgas entsteht, und das zudem noch bessere Ausbeuten ergibt als das Verfahren der DE 43 26 917.

Es wurde nun gefunden, daß sich Cyclopropan-1,1-dicarbonsäurederivate aus Malonsäurederivaten und 1,2-Dichlorverbindungen mit Alkoholaten als Kondensationsmittel vorteilhaft herstellen lassen, wenn man einem Gemisch aus einem Malonsäurederivat, einer 1,2-Dichlorverbindung und gegebenenfalls einem Lösungsmittel nach und nach eine Lösung oder Suspension eines Alkoholats in einem Alkohol zusetzt.

Bei Verfahren der Erfindung werden Ausbeuten an Cyclopropan-1,1-di­ carbonsäurederivaten von nahezu 90% d.Th. erreicht. Es entstehen keine Abgase, insbesondere keine Abgase, die nicht ohne Behandlung in die Umwelt entlassen werden dürfen. Trotz der allmählichen Zugabe des Alkoholats werden Raum-Zeit-Ausbeuten an Cyclopropan-1,1-dicarbonsäu­ rederivaten von bis zu 10 kg je m³ und Stunde erzielt. Die konkurrie­ rende unerwünschte intramolekulare Chlorwasserstoffabspaltung wird weitgehend unterdrückt. Die Produkte lassen sich leicht in hoher, zur Verwendung als Vorprodukte für Pharmaka und Pflanzenschutzmittel geeigneten Reinheit herstellen. Auch die in stöchiometrischen Mengen anfallenden Salze fallen in wiederverwendbarer Form an und müssen nicht entsorgt werden.

Die Cyclopropan-1,1-dicarbonsäurederivate entsprechen vorzugsweise der allgemeinen Formel

in der die Reste R gleich oder verschieden sein können und jeweils für sich Wasserstoff oder einen organischen Rest, insbesondere einen Alkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, bezeichnen oder jeweils zu zweit einen Alkylenrest mit 5 bis 12 Kohlenstoffatomen bedeuten kön­ nen und X und Y wiederum gleich oder verschieden sein können und eine Carbonestergruppe, insbesondere eine Carboalkoxygruppe mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen, eine Nitril- oder eine gegebenenfalls N-substi­ tuierte Carbonamidgruppe bezeichnen. Unter den N-substituierten Car­ bonamidgruppen sind die N,N-dialkylsubstituierten mit Alkylresten mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bevorzugt.

Die Malonsäurederivate entsprechen vorzugsweise der allgemeinen For­ mel

in der X und Y die angegebene Bedeutung haben. Von den geeigneten Malonsäurederivaten Ii seien z. B. Malonsäuredimethylester, Malonsäu­ rediethylester. Malonsäurediisobutylester, Malonsäuredi-2-ethylhexyl­ ester, Malonsäuredinitril. Cyanessigsäuremethylester, Cyanessigsäure­ ethylester, Carbonamidoessigsäureethylester, N,N-Diethylcarbonamido­ essigsäuremethylester, N,N,N′,N′-Tetramethylmalonsäurediamid, ge­ nannt. Bevorzugte Malonsäurederivate sind die Diester mit Alkanolen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen.

Geeignete 1,2-Dichlorverbindungen haben vorzugsweise die allgemeine Formel

in der R die angegebene Bedeutung hat. Geeignete 1,2-Dichlorverbin­ dungen III sind z. B. 1,2-Dichlorethan, 1,2-Dichlorpropan, 1,2-Di­ chlorbutan, 2,3-Dichlorbutan, 2,3-Dichlorpentan, 2-Methyl-1,2-di­ chlorbutan, 1,2-Dichlorn-octan, 1,2-Dichlorcyclopentan, 1,2-Dichlor­ cyclohexan, 1,2-Dichlorcyclododecan, 1,2-Dichlorethylbenzol und 1,2-Dichlorisopropylbenzol.

Die Reaktion wird vorteilhaft in Gegenwart eines inerten Lösungsmit­ tels durchgeführt. Als solche haben sich besonders N,N-disubstituier­ te Carbonsäureamide, wie N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethylacetamid und N-Methylpyrrolidon, bewährt.

Besonders geeignete Alkoholate sind die Alkalialkoholate, insbesonde­ re Natriumalkoholate. Bevorzugt werden die Alkalialkoholate, die sich von Alkanolen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ableiten. Besonders bevorzugt sind Natriummethylat und Natriumethylat. Die Alkoholate werden als Lösung oder Suspension in einem Alkohol eingesetzt zweck­ mäßig in konzentrierter Form mit einem Alkoholatgehalt von 20 bis 40 Gewichtsprozent, beispielsweise als 30 gewichtsprozentige Natriumme­ thylat-Lösung in Methanol. Als Lösungs- oder Suspensionsmittel für das Alkoholat verwendet man vorteilhaft den Alkohol, von dem sich das Alkoholat ableitet. Bevorzugt werden dementsprechend Alkanole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen. Wenn der Ausgangsstoff II ein Malonsäure­ ester ist, verwendet man zweckmäßig dasjenige Alkoholat und denjeni­ gen Alkohol, der dem Alkohol des Esters entspricht, um Umesterungen zu vermeiden.

Die Ausgangsstoffe II und III sowie das Alkoholat werden zweckmäßig in molaren Mengenverhältnissen von 1 : (2,0-6,0) : (1,6-2,0) einge­ setzt. Ein Überschuß an Alkoholat sollte vermieden werden, um die intramolekulare Chlorwasserstoffabspaltung, z. B. zu Vinylchlorid oder Allylchlorid, hintanzuhalten.

Wenn man ein Lösungsmittel mitverwendet, setzt man es vorteilhaft in der 1- bis 3-fachen Gewichtsmenge, bezogen auf den Malonester, ein.

Das Verfahren wird im allgemeinen bei Temperaturen von 80 bis 140°C, insbesondere von 95 bis 120°C durchgeführt. Die optimale Temperatur hängt von den verwendeten Ausgangsstoffen II und III sowie auch von deren Mengenverhältnis ab und läßt sich für einen gegebenen Fall durch orientierende Versuche unschwer ermitteln. Zur Ausschleusung des Alkohols sollte die Reaktion bei der Siedetemperatur des Reak­ tionsgemisches durchgeführt werden. Dabei ist die optimale Reaktions­ temperatur die bestimmende Größe. Man stellt also den Druck so ein, daß das Reaktionsgemisch bei der optimalen Reaktionstemperatur sie­ det.

Man führt das Verfahren der Erfindung z. B. durch, indem man die Aus­ gangsstoffe II und III sowie vorteilhaft ein inertes Lösungsmittel in einem beheizbaren Reaktor vorlegt und auf die Reaktionstemperatur erhitzt. Dann fügt man nach und nach die Lösung oder Suspension des Alkoholats zu. Der Alkohol aus der Lösung oder Suspension sowie aus dem Alkoholat frei werdender Alkohol destillieren über eine Kolonne ab, je nach Alkohol und eingesetzter 1,2-Dichlorverbindung mit dieser im Verhältnis der Dampfdrücke oder als Azeotrop. Die Dämpfe werden kondensiert, und das Kondensat wird durch fraktionierte Destillation in Alkohol und 1,2-Dichlorverbindung getrennt, sofern diese Stoffe kein Azeotrop bilden. Bilden sie ein Azeotrop. so wird das Kondensat einem Phasentrenngefäß zugeführt, in dem Wasser zur Aufnahme (oder Extraktion) des Alkohols vorgelegt ist. Das Wasser kann kontinuier­ lich zufließen und wäßriger Alkohol in entsprechender Menge abgezogen werden, oder aber die Wassermenge ist bei diskontinuierlicher Fahr­ weise von vornherein ausreichend, um den gesamten Alkohol aufzuneh­ men. Wenn man als Ausgangsstoff III 1,2-Dichlorethan einsetzt und Natriummethanolat in Methanol als Alkoholat verwendet, sollten 40 bis 70 Gewichtsteile Wasser zur Aufnahme von etwa 35 Gewichtsteilen Methanol vorhanden sein. Diese Methanolmenge entspricht 100 Gewichts­ teilen Azeotrop das aus 35 Gewichtsteilen Methanol und 65 Gewichts­ teilen 1,2-Dichlorethan besteht.

Für die Abschätzung der optimalen Wassermenge werden in der folgenden Tabelle als Beispiel die Zusammensetzungen der wäßrigen (oberen) und der organischen (unteren) Phasen nach der Aufnahme von 35 Gewichts­ teilen Methanol (aus 100 Gewichtsteilen Azeotrop mit 1,2-Dichlor­ ethan) in Abhängigkeit von der aufnehmenden Wassermenge gegeben:

Wenn die 1,2-Dichlorverbindung und der Alkohol kein Azeotrop bilden, können sie nach der Trennung durch fraktionierte Destillation ohne weiteres wieder verwendet werden. Bilden sie ein Azeotrop, so kann man die bei der Extraktion mit Wasser anfallende untere Phase, die die 1,2-Dichlorverbindung enthält, auf den Kopf der Kolonne geben und so in das Reaktionsgefäß zurückführen. Dabei muß man jedoch darauf achten, daß das in kleiner Menge (siehe die obige Tabelle) enthaltene Wasser nicht bis in den Reaktor durchschlägt und dort durch Hydrolyse Alkoholat inaktiviert. Aus der oberen, wäßrigen Phase kann man durch Destillation den Alkohol in wiederverwendbarer Form gewinnen. Das Wasser ist behandlungsbedürftig kann aber in eine normale biologi­ sche Kläranlage entsorgt werden.

Die Zugabe des Alkoholats nimmt im allgemeinen, je nach Malonsäurede­ rivat II und 1,2-Dichlorverbindung III, 5 bis 10 Stunden in Anspruch. Man läßt zweckmäßig noch einige Zeit, z. B. etwa eine Stunde, nachrea­ gieren und dann das Reaktionsgemisch abkühlen. Das ausgefallene Salz wird in üblicher Weise abgetrennt, z. B. durch Filtration mit oder ohne Druck oder durch Zentrifugieren, und zweckmäßig mit einem Lösungsmittel und/oder mit der jeweiligen 1,2-Dichlorverbindung gewa­ schen. Wenn bei der Reaktion ein Lösungsmittel, wie Dimethylformamid, mitverwendet worden war, wäscht man natürlich am besten mit diesem Lösungsmittel.

Das von Salz befreite Reaktionsgemisch und die Waschflüssigkeit wer­ den zweckmäßig durch Destillation aufgearbeitet. Zuerst gehen über­ schüssige 1,2-Dichlorverbindung III und gegebenenfalls Lösungsmittel über. Sie können für einen weiteren Ansatz verwendet werden. Nicht umgesetztes Malonsäurederivat II wird unter vermindertem Druck über eine gut wirksame Kolonne abgezogen. Zum Schluß destilliert das gewünschte Cyclopropan-1.1-dicarbonsäurederivat I über.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter erläutern, nicht aber ihren Umfang begrenzen, wie er in den Patentansprüchen dargelegt ist.

Beispiel 1 Herstellung von Cyclopropan-1.1-dicarbonsäuremethylester (CDME)

Die Apparatur besteht aus einem 4-l-Mehrhalskolben als Reaktor, der mit Rührer, Thermometer, Tropftrichter und Destillationsteil ein­ schließlich Kolonne versehen ist. Die Vorlage für das Kopfdestillat ist als Phasentrenngefäß ausgebildet, aus dem die untere, im wesent­ lichen aus 1,2-Dichlorethan bestehende Phase wieder auf die Kolonne gegeben wird. Aus der oberen Phase wird kontinuierlich wäßriger Alko­ hol abgezogen, und Wasser wird zugeführt, so daß der Stand gehalten wird.

Im Reaktor werden 330 g (2,5 Mol) Dimethylmalonat (DMM), 590 g Dime­ thylformamid (DMF) und 742 g (7,5 Mol) 1,2-Dichlorethan (DCE) vorge­ legt und auf 110°C erhitzt. Innerhalb von 8 Stunden dosiert man 900g (7,5 Mol) 30 gewichtsprozentige Lösung von Natriummethylat in Metha­ nol in das gerührte Gemisch. Es destilliert unter Normaldruck ein bei 70°C siedendes Azeotrop mit 68 Gewichtsprozent DCE und 32 Gewichts­ prozent Methanol ab. Das Kondensat wird in dem Phasentrenngefäß durch eine wäßrige Phase geleitet, so daß das Methanol extrahiert wird. Ein Teil der wäßrigen Phase wird kontinuierlich abgezogen, und die abge­ zogene Menge wird durch Zufuhr von Wasser ersetzt. Die untere, im wesentlichen aus DCE bestehende Phase läuft auf den Kopf der Kolonne zurück.

Wenn das gesamte Natriummethylat zugegeben ist, läßt man das Reak­ tionsgemisch 30 Minuten bei 110°C nachreagieren und auf Raumtempera­ tur abkühlen. Das ausgefallene Natriumchlorid wird abfiltriert, mit Dimethylformamid und 1,2-Dichlorethan gewaschen und getrocknet. Das Natriumchlorid ist für die Chlor-Alkali -Elektrolyse geeignet.

Das Filtrat und die Waschflüssigkeiten werden über eine gut wirkende Kolonne destiliert. Zuerst geht bei Normaldruck DCE über. Dann werden DMF und nicht umgesetztes DMM im Vakuum abdestilliert, und schließ­ lich destillieren bei 82°C/16 mbar 313,4 g CDME über. Dessen Reinheit beträgt nach GC-Analyse 99,5%. Die Ausbeute beträgt 78% d.Th., bezo­ gen auf eingesetztes DMM. Im Zwischenlauf sind 30,7 g nicht umgesetz­ tes DMM enthalten, das bei einem neue Ansatz wieder verwendet werden kann. Die Ausbeute, bezogen auf umgesetztes DMM, beträgt 87% d.Th.

Beispiele 2 und 3 Herstellung von Cyclopropan-1.1-dicarbonsäuremethylester (CDME)

Es wird verfahren wie in Beispiel 1, doch werden die Mengen an DCE erhöht bzw. vermindert. Da in beiden Fällen unter Normaldruck gear­ beitet wurde, änderten sich auch die Reaktionstemperaturen. Die Ergebnisse gehen aus der folgenden Tabelle hervor.

Beispiel 4 Herstellung von Cyclopropan-1.1-dicarbonsäureethylester (CDEE)

Es wird die Apparatur benutzt, die in Beispiel 1 beschrieben ist. Man legt 400,5 g (2,5 Mol) Diethylmalonet (DEM). 590 g DMF und 743 g (7.5 Mol) DCE vor, erhitzt das Gemisch auf 115°C und dosiert unter Rühren innerhalb von 7 Stunden 1.620 g (5,0 Mol) 21 gewichtsprozentige Lösung von Natriumethanolat in Ethanol zu. Es destilliert unter Nor­ maldruck bei ca. 75°C ein Azeotrop mit ca. 37 Gewichtsprozent Ethanol und ca. 63 Gewichtsprozent DCE ab, das kondensiert und in der Kopf­ vorlage durch eine wäßrige Ethanollösung geleitet wird, wodurch das Ethanol extrahiert wird. Die untere, vorwiegend aus DCE bestehende Phase wird auf den Kopf der Kolonne zurückgeleitet. Von der wäßrigen Phase wird ein Teil kontinuierlich abgezogen und durch frisches Was­ ser ersetzt. Aus der wäßrigen Phase wird das Ethanol abdestilliert. wasserfrei gemacht und für den nächsten Ansatz verwendet.

Man läßt das Reaktionsgemisch 30 Minuten bei 115°C nachreagieren und dann auf Raumtemperatur abkühlen. Das ausgefallene Salz wird abfil­ triert, mit DMF und DCE gewaschen und getrocknet. Man erhält 230 g (97,9%d.Th.) Natriumchlorid, das für die Chlor-Alkali-Elektrolyse tauglich ist.

Aus dem Filtrat und den Waschflüssigkeiten wird zunächst unter Nor­ maldruck DCE abdestilliert. Dann gehen als Zwischenlauf im Vakuum DMF und nicht umgesetztes DEM über. Zum Schluß destilliert bei 96°C/16 mbar 318 g das Zielprodukt CDEE über. Die Reinheit beträgt nach GC- Analyse 99,4%, die Ausbeute entspricht 68.1% d.Th. Unter Berück­ sichtigung des im Zwischenlauf enthaltenen DEM beträgt die Ausbeute 85,8% d.Th.

Beispiel 5 Herstellung von 2-Methyl-cyclopropan-1,1-dicarbonsäuredimethylester (MCDM)

Die Reaktion wird in der in Beispiel 1 beschriebenen Apparatur durch­ geführt. Man legt 264,2 g (2,0 Mol) DMM, 590 g DMF und 677,4 g (6,0 Mol) 1,2-Dichlorpropan vor, erhitzt das Gemisch auf 114°C und dosiert unter Rühren innerhalb von 6 Stunden 720 g (4,0 Mol) einer 30 gewichtsprozentigen Lösung von Natriummethanolat in Methanol zu. Bei 55,5°C destilliert das Azeotrop aus Methanol und 1,2-Dichlorpropan ab. In die als Phasentrenngefäß dienende Kopfvorlage wird zur Extrak­ tion von Methanol kontinuierlich Wasser eingeführt, und eine entspre­ chende Menge wäßrig-alkoholischer Phase wird abgezogen.

Man arbeitet auf wie beschrieben, wäscht das ausgefallene Salz mit DMF und erhält nach Trocknung 230 g Natriumchlorid, entsprechend 98.4 % d.Th. Das Filtrat und die Waschflüssigkeit werden über eine Kolonne im Wasserstrahl-Vakuum aufdestilliert. Man erhält als Hauptfraktion bei 88°C/14 mbar 106 g MCDM. Die Reinheit beträgt nach GC-Analyse 98,4%. die Ausbeute 30,4% d.Th., bezogen auf eingesetztes DMM. Unter Berücksichtigung von 46 g als Zwischenlauf zurückgewonnenem DMM beträgt die Ausbeute 36,8% d.Th.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Cyclopropan-1,1-dicarbonsäurederi­ vaten aus Malonsäurederivaten und 1,2-Dihalogenverbindungen mit Alko­ holaten als Kondensationsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß man ei­ nem Gemisch aus einem Malonsäurederivat und einer 1,2-Dichlorverbin­ dung und gegebenenfalls einem inerten Lösungsmittel nach und nach ei­ ne Lösung oder Suspension eines Alkoholats in einem Alkohol zusetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Malonsäurederivat, die 1,2-Dichlorverbindung und das Alkoholat im Molverhältnis 1 : (2,0-6,0) : (1,6-2,0) einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkoholat ein Alkalialkoholat ist und als 20 bis 40-gewichtsprozenti­ ge Lösung oder Suspension in demjenigen Alkohol verwendet wird, von dem sich das Alkalialkoholat ableitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Reaktionstemperatur 80 bis 140°C, vorteilhaft 95 bis 120°C beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß man während der Reaktion aus dem Reaktionsgemisch 1,2-Di­ chlorverbindung und Alkohol abdestilliert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Gemisch aus 1,2-Dichlorverbindung und Alkohol den letzteren mit Wasser extrahiert, die 1,2-Dichlorverbindung auf den Kopf der Destil­ lationskolonne gibt und aus der wäßrigen Alkohollösung durch Destil­ lation den Alkohol in wiederverwendbarer Form gewinnt, wenn die bei­ den Stoffe ein Azeotrop bilden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man aus dem Gemisch aus 1,2-Dichlorverbindung und Alkohol durch fraktionierte Destillation beide Stoffe in wiederverwendbarer Form gewinnt, wenn die beiden Stoffe kein Azeotrop bilden.