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Verfahren zur Herstellung von primären und sekundären dl-Alkenylmalonsäureestern
oder -cyanessigsäureestern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Derivaten von Malonsäure- oder Cyanessigsäureestern, insbesondere von dl-Alkenylmalonsäure-
oder -cyanessigsäureestern.
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Die gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellten Verbindungen sind
Malon.säure- oder Cyanessigsäureester, in denen eines ihrer Methylenwasserstoffatome
durch einen primären oder sekundären dl-Allzenylrest, das andere durch einen Kohlenwasserstoff-
oder substituierten Kohlenwasserstoffrest ersetzt ist. Hierfür kommen beispielsweise
in Betracht Alkyl, Arylalkyl, Aryl, cyclische Kohlenwasserstoffreste, wie Cyclohexyl
oder Cyclopentyl oder andere. Die Al-Alkenylgruppe, die eines der Methylenwasserstoffatome
ersetzt, hat im allgemeinen folgende allgemeine Formel
In dieser können etwa zwei der Reste R1, R2 und R, Wasserstoffatome, wenigstens
eines von ihnen muß aber eine gesättigte oder ungesättigte Alkylgruppe darstellen.
Wenn R, Wasserstoff ist, so soll die A'-Alkenylgruppe als primäre dl-Alkenylgruppe
bezeichnet werden, entsprechend spricht man von einer sekundären dl-Alkenylgruppe,
wenn R1 eine Alkylgruppe darstellt.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung werden diese Verbindungen vorzugsweise
durch Alkylierung der entsprechenden Alkyl.idenmalonsäure- oder -cyanessigsäureester
erhalten, in deren Verlauf die
doppelte Bindung zwischen der Alkylidengruppe
und der Malonsäure- oder Cyanessigsäureestergruppe in AI-Stellung wandert, wobei
die Alkyli.dengruppe durch Isomerisation oder andere Mittel in die entsprechende
Alkenylgruppe mit doppelter Bindung in AI-Stellung umgewandelt wird, wie aus der
folgenden Gleichung hervorgeht, die die Umwandlung eines Alkylidencyanessigsäureesters
in einen dl-Alkenylcy anessigsäureester zeigt:
Die dl-Alkenylgruppe in diesen Alkenylestern kann weitgehend variieren, da .alle
primären und sekundären Alkylidenester mit Ausnahme der Äthylidenverbindungen leicht
in die entsprechende d'-Alkenylmalonsäure- oder -cyanessigsäurees.ter durch das
Verfahren der Erfindung umgewandelt werden ikönnen. .D ie herstellbaren Arten der
Alkenylester sind demnach lediglich durch die Verfügbarkeit der verschiedenen Al'kylidenmalonsäure-
und cyanessigsäureester begrenzt.
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Die dl-Alkenylmalonsäure- und -cyaness.igsäureester waren sowohl mit
primärer als auch mit sekundärer Alkenylgruppe bisher noch unbekannte Verbindungen,
von denen sich viele als Zwischenglieder für. die Herstellung von dl-Alkenylbarbitursäuren
und -thidbarbitursäurendurch Kondensation -von Harnstoff oder Th.i.oharnsboff mit
den entsprechenden Malonsäure- oder Cyanessigsäureestern eignen, wobei später die
Iminogruppe durch Hydrolyse, bei Verwendung von Cyanessigsäureestern durch ein Sauerstoffatom,
ersetzt wird; die Verbindungen eignen sich weiter auch zur Herstellung ungesättigter
Säuren durch Entfernung der Nitrilgruppe des Cyanessigsäureesters oder der Carboxylgruppe
des Malonsäureesters.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung werden die Alkyliidenmalonsäure-
und -cyanessigsäureester in Lösung mit einem Alkyl- oder Arylal'kylhalogenid, -sulfat
oder anderem Salz in Gegenwart eines isomerisierend wirkenden Stoffes, z. B. eines
Natriumalkoholats, wie Na-Isopropylat, -Methylat, -Äthylat oder eines Alkaliamids
oder eines Alkalimetalls, wie Natrium, unterworfen. Unter isomerisierend wirkenden
Mitteln werden solche verstanden, welche die Fähigkeit haben, die Verschiebung der
Doppelbindung, welche die Alkylidengruppe an die Malonsäure- oder Cyanessi@gsäureestergruppe
bindet, in die d1-,Stellung unter Umwandlung .der Alkylidengruppe in die entsprechende
dl-Alkenylgruppe zu begünstigen. Bei der nun vor sich gehenden Reaktion wandert
die Doppelbindung der Alkyli-denmalonsäure- oder -cyanessigsäureester in die dl-Stellung
der Alkenylgruppe, und die Alkyl-oder Arylalkylgruppe der Halogene, Sulfate oder
anderen Salze reagiert mit dem Methylenkohlenstoffatomdes Esters.
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Der Gedanke der Erfindung soll nunmehr beispielsweise an Hand einiger
Ausführungsformen des Verfahrens erläutert werden: Beispiel i i n-Propyl-dl-butenyläthylcyanessigsäuremethylester
In einem mit mechanischem Rührwerk, Rückfllußkühler, Tropftrichter und Thermometer
ausgestatteten Reaktionsgefäß werden 300 Teile trockener Äther, der 33,1
Teile Natriumäthylat enthält, mittels einer Eis'kochsalzmischung his auf o° abgekühlt
und iol5 Teile i n-Propylbutylidencyanessigsäuremethylester so langsam unter Rühren
zugesetzt, daß die Temperatur der Mischung nicht über o° steigt. Nachdem aller Ester
zugesetzt ist, wird noch einige Zeit weitergerührt und dann auf einmal 85 Teile
Diäthylsulfat zugesetzt. Das Molverhältnis des Cyanessigsäureesters zu Diäthylsulfat
beträgt dabei etwa i : io bis ii. Nachdem .das Diäthylsulfat zugefügt ist, wird
das Kühlbad entfernt und die Reaktionsmischung rasch auf Rückflußtemperatur erwärmt,
worauf eine mehr oder weniger heftige Reaktion erfolgt ist. Es muß dafür gesorgt
werden, daß die Reaktion nicht allzu heftig vor sich geht. Wenn die Reaktion beginnt,
so fällt Natriumäthylsulfat aus der Lösung aus. Das Erhitzen unter Rückfluß und
das Rühren wird etwa 8 bis 1q. .Stunden fortgesetzt, worauf die Mischung über Nacht
stehengelassen wird. Sie wird dann mit etwa 2- Volumteilen Wasser verdünnt, die
organische Schicht wird abgetrennt und die wäßrige Schicht mit etwas Benzol, ungefähr
300 Teile im ganzen, ausgezogen. Der mit der organischen Schicht vereinigte
Benzolaüszug wird mit Wasser gewaschen. Das Benzol wird dann unter etwas erniedrigtem
Druck entfernt und das Produkt schließlich durch Destillation gereinigt. Es hat
einen Siedepunkt von 117 bis ii9° ,bei q. mm Druck. B;eispiel2 i n-Propyl-dl-n-butenylallylcyanessigsäuremethylester
Allylbromid, i n-Propylbutylidencyanessigsäuremethylester und Natriummethylat,
in etwa den gleichen Molverhältnissen wie im Beispiel i, reagieren miteinander unter
etwa denselben Bedingungen, nur wird hier Methanol statt Äther als Lösungsmittel
verwendet. Das erhaltene Produkt wird durch Destillation gereinigt. Es hat einen
Siedepunkt von 125 bis i26° bei 4 mm Druck.
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Beispiel 3 Al-Allylisopropenylcyanessigsäureäthylester
3o Teile Allylbromid, 28,5 Teile Isopropylidencyanessigsäureäthylester und i2,7
Teile Natri.umäthylat werden in 8o Teilen absolutem Alkohol wie im Beispiel e miteinander
zur Reaktion gebracht. Das Endprodukt wird durch Destillation gereinigt. Beispiel
4 Gemische dies Äthyl- und Isopropylesters der i-Methyl-Al-butenyläthylcyanessigsäure
13,8 Teile Natrium werden in 6oo Teilen absolutem Isopropylalkohol gelöst,
die Lösung bis auf 65° abgekühlt und dann io8,6 Teile Methylbutylidencyanessigsäureäthylester
innerhalb von 5 Minuten unter Kühlung in einem Eisbad zugegeben. Sodann werden auf
einmal 94 Teile Diäthylsulfat zugefügt und die Mischung sofort auf Rückflußtemperatur
gebracht. Die Alkylierung geht glatt und energisch vor sich; sie ist nach i Stunde
beendet. Die Mischung wird in Eis gekühlt und mit i4oo Teilen Wasser versetzt. Die
Esterschicht wird abgetrennt und die Wasserschicht viermal mit Benzol ausgezogen.
Der Benzolextrakt und die Esterschicht werden zusammen zweimal mit Wasser gewaschen
und das Benzol im Vakuum entfernt; der Ester wird dann im Vakuum destilliert. Das
rohe Estergemisch kann durch Schütteln mit Zoo Teilen einer 2o°/oigen Natriumbisulfitlösung
während eines Zeitraumes von 14 Stunden mit darauffolgender nochmaliger Destillierun-
im Vakuum gereinigt werden. Das gereinigte Estergemisch siedet bei 129 bis i33°
(i4 mm). Beispiel 5 Gemisch des Äthyl- und Isopropylesters der i-Methyl-,41-butenylpropylcyanessigsäure
23 Teile Natrium werden in i2oo Teilen absolutem Isopropylalkohol gelöst. Die Lösung
wird auf 45° abgekühlt und ihr 181 Teile Methylbutylidencyanessigsäureäthylester
innerhalb von io Minuten unter Kühlung in einem Eisbad zugegeben. Die Mischung wird
5 Minuten gerührt, sodann i25 Teile n-Propylbromid auf einmal zugegeben und die
Mischung auf Rückflußtemperatur gebracht. Nach zweistündigem Erhitzen unter Rückfluß
wird .abgekühlt, mit 2ooo Teilen Wasser versetzt, mit 6 n,Salzsäure gegen Läkmus
neutralisiert und die Esterschicht abgetrennt. Die Wasserschicht wird viermal mit
Benzol ausgezogen und der Benzolextrakt und die Esterschicht zusammen zweimal mit
Wasser gewaschen. Das Benzol wird im Vakuum entfernt und der Ester destilliert.
Er siedet bei 13o bis i45° (i5 mm). Das rohe Estergemisch kann .durch Schütteln
während einer Nacht mit 2-0o Teilen einer 2o°/oigen Natriumhisulfitlösung und nachfolgender
nochmaliger Destillation im Vakuum :gereinigt werden. Das gereinigte Estergemisch
siedet bei 129 bis 14i° (i2 mm).
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Nach den Beispielen 4 und 5 werden wegen der Wiederveresterung durch
den als Lösungsmittel verwendeten Isopropylalkohol Propyl- und Äthylestergemische
erhalten. Es bringt dies aber keine Komplikationen, da solche Gemische von Estern
für die Herstellung anderer Produkte, wie Barbitursäuren, ebenso wie reine Ester
Verwendung finden können. Beispiel 6 n-Al-Butenyläthylmalonsäurediäthylester
11,5 Teile Natrium werden unter Xylol gepulvert und in ein mit mechanischem Rührwerk,
Rückflußkühler und Tropftrichter versehenes, mit 35o Teilen trockenem Äther gefülltes
Gefäß gebracht. Unter Rühren und Kühlung des Gefäßes in einem Eisbad werden io7
Teile n-Butylidenmalonsäureäthylester im Verlauf von io'-\-Zinuten zugefügt. Die
erhaltene Lösung (ein Natriumderiv at des Esters bildet sich langsam) wird 6 Stunden
unter Rückfluß erhitzt. Hierauf werden 85 Teile Diäthylsulfat innerhalb von io =Minuten
zugegeben und die Erhitzung
auf Rückflußtemperatur weitere 24 Stunden
fortgesetzt. Der n-Butylidenmalonsäureäthylester und das Natrium werden in etwa
gleichem Molverhältnis verwendet, während das Diäthylsulfat in einem geringen Überschuß
verwendet wird. Nachdem die- Reaktionsmischung für etwa 24 Stunden auf Rückflußtemperatur
erhitzt worden ist, wird sie mit Salzsäure angesäuert, die. Ätherschicht entfernt
und die wäßrige Schicht mit Äther ausgezogen. Die Ätherschicht und der Auszug werden
vereinigt und der Äther unter vermindertem Druck abgedampft. Der Rückstand wird
sodann etwa 24 Stunden mit wäßriger Ammoniaklösung zur Entfernung nichtalkylierter
Stoffe geschüttelt, der erhaltene Ester aus der Ammoniaklösung mit Äther ausgezogen,
mit Wasser gewaschen und destilliert. Der n-di-Butenyläthylmalonsäurediäthylester
siedet bei 1o4 bis 1o7° (2 bis 3 mm).
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Wenn die Reaktion unter Verwendung metallischen Natriums oder eines
anderen Alikalimetalls wie in diesem Beispiel ausgeführt wird, können verschiedene
inerte Lösungsmittel, d. h. Lösungsmittel, die nicht mit dem Metall oder einem anderen
Reaktionsteilnehmer reagieren, Verwendung finden, z. B. wie trockener Äther, Benzol,
Toluol u. d@gl. Im allgemeinen ist dasjenige Lösungsmittel am vorteilhaftesten,
in dem das Zwischennatriumderivat das löslichste ist. So ist dann für manche Produkte
Äther das beste Lösungsmittel, während für andere Benzol oder Toluol die besten
Ergebnisse zeitigen. Auch andere Lösungsmittel können gebraucht werden, vornehmlich
solche, in denen die Zwischennatriumderivate verhältnismäßig gut löslich sind. Alkohole
können auch als Lösungsmittel verwendet werden, es bilden sich aber .in diesem Fall
Alkoholate, die als Katalysatoren wirken, außerdem reagiert natürlich bei Verwendung
von Natrium dieses mit dem als Lösungsmittel gebrauchten Alkohol. Beispiel ? di-Isopropenyldiphenylmethylmalonsäurediäthylester
11,7 Teile Natrium werden unter Xylol gepulvert und in ein mit Rührwerk, Rückflußkühler
und Tropftrichter versehenes Gefäß, das 4oo Teile trockenen Äther enthält, gebracht.
Sodann werden innerhalb von 1o- Minuten unter Kühlung in einem Eisbad und unter
Rühren Zoo Teile Isopropylidenmalonsäurediäthylester eingebracht. Die Suspension
wird unter Rühren 1o Stunden auf Rückflußtemperatur gehalten, worauf 13o Teile Diphenylmethylbromi-d
.innerhalb von 1o Minuten zugegeben und das Erhitzen nochmals 24 Stunden fortgesetzt
wird. Dann wird verdünnte Salzsäure zugegeben, die Ätherschicht abgezogen und die
wäßriae Schicht mit Äther ausgezogen. Der Äther wird aus dem mit der Ätherschicht
vereinigten Ätherauszug unter vermindertem Druck entfernt und der Rückstand zur
Entfernung nichtalkylierter Stoffe mit Ammoniaklösung geschüttelt. Der Ester wird
aus der Ammoniaklösung mit Äther ausgezogen, mit Wasser gewaschen und durch Destillation
und Umkristallisation gereinigt. Er schmilzt bei 89,5 bis 90,5°.
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Bei dem Verfahren nach den beiden letzten Beispielen kann an Stelle
von metallischem Natrium auch Natriumamid verwendet werden. Wenn Natriumamid verwendet
wird, muß vorsichtig vorgegangen werden, da es bei nicht sorgfältiger Behandlung
explosiv ist. Seine Lösung in wäßriger Ammoniaklösung unter Mischung der Lösung
mit inerten Lösungsmitteln, wie Benzol, Äther od. dgl., und Entfernung des Ammoniaks
durch Verdampfen bieten einen Weg, es gefahrlos zu handhaben.. Das inerte Lösungsmittel,
das das Natriumamid enthält, kann dann in dem Verfahren Verwendung finden. Meist
wird man ein gegenüber Natrium inertes Lösungsmittel wählen, wie Äther, Benzol,
Toluol od. dgl.
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Bei dem Verfahren nach den vorstehenden Beispielen können Alkyl- oder
Arylalkylsalze, wie die Sulfate, Halogenide od. dgl., zur Alkylierung der Alkylidenmalon-
oder -cyanessigsäureester verwendet werden, wobei in Gegenwart von Natriumisopropylat,
Natriummethylat oder Natriumäthylat oder anderen Alkoholaten oder Natrium oder Natriumamid
Alkyl-A1-allzenylmalonsäure- oder -cyanessigsäureester entsteht. Wenn Halogenide
als alkylierende Stoffe verwendet werden, so ist es nützlich, die reaktionsfähigeren
Bromide und jodide zu nehmen, da sie etwas bessere Ausbeute geben; Chloride können
aber gewünschtenfalls auch verwendet werden. Verschiedene Lösungsmittel, darunter
inerte Lösungsmittel, wie Äther, Benzol u. dgl., und Alkohole, wie Methanol, Äthylalkohol,
Propanol, Isopropanol u. dgl., können Verwendung finden. Die Verwendung von Natriumisopropylat
insbesondere mit Isopropylalko'hol als Lösungsmittel ergibt hohe Ausbeuten.
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Die auf diese Weise eingeführten Gruppen umfassen nicht allein primäre,
sondern auch sekundäre Alkylgruppen, wie Isopropyl- oder sekundäre -butylgruppen,
ebenso auch ungesättigte Alkylgruppen, wie die Allyl-, Crotyl- oder Citronellylgruppe,
Arylalkylgruppen, wie Benzyl u. dgl., cyclische Gruppen, wie Cyclohexyl- oder Cyclopenthylgruppen
und andere.
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Die Alkylidencyanessigsäure- und -malonsäureester, von denen,die di-Alleenylalkylcyanessigsäure-und
-malonsäureester gemäß dem Verfahren der Erfindung dargestellt werden, umfassen
sowohl die primären als auch die sekundären Alkylidencyanessigsäure- und -malonsäureester.
Diese können in beliebiger Weise hergestellt werden; sie «-erden aber besonders
zweckmäßig durch Kondensation eines Aldehyds oder eines Ketons mit einem Malonsäure
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oder Cyanessigsäureester in Gegenwart eines löslichen Salzes oder Säureamids oder
dessen Salzen hergestellt, vornehmlich in saurer Lösung, z. B. in Essigsäure, wobei
während der Reaktion zweckmäßig das Wasser, sei es durch Destillation, sei es durch
Trockenmittel, entfernt wird.
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Unter den di-Alkenylcyanessigsäure-und-malonsäureestern, die durch
das Verfahren der Erfindung hergestellt werden und als Zwischenprodukte für die
Herstellung anderer Verbindungen sehr geeignet sind, finden sich Verbindungen, die
z. B. dl-Alkenylreste enthalten: dl-n-Propenyl, dl-Isopropenyl, dl-Butenyl (normal
oder iso), dl-Pentenyl (normal oder iso), dl-Hexenyl (normal oder iso), AI-3 -Butadienyl,
i, 3-,Dimethyl-di.7-oktadienyl, i-Methyl-dl-n-propenyl, i-Äthyl-dl-n-propenyl, i
n-Propenyl-dl-n-butenyl, i n-Butyl-dl-n-pentenyl und andere. In diesen Verbindungen
kann das andere Wasserstoffatom, welches an das Methylenkohlenstoffatom des Malon-
oder Cyanessigsäureradikals gebunden ist, durch einen der folgenden Reste ersetzt
werden: Methyl, Äthyl, Propyl (normal oder iso), Butyl (normal, iso oder sekundär),
Allyl, Crotyl, Citronellyl, Cinnamyl, Amyl (normal, iso oder sekundär), Cyclohexyl,
Hexyl (normal,- iso oder sekundär), Cyclopentyl, Phenyläthyl, Benzyl, H.eptyl (normal,
iso oder sekundär) und andere mehr.
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Es ist bekannt, daß Cyaness.igsäureäthylester ebenso wie Malonsäureester
Natriumverbindungen bilden, mit deren Hilfe der Wasserstoff der > C H-bzw. -C H2-Gruppe
durch Alkyle ersetzt werden kann, hierbei also eine Allcylgruppe ein Wasserstoffatom
des ursprünglichen Esters verdrängt. Im Gegensatz hierzu wird bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren durch Behandlung von Alkalidenmalonsäure- oder -cyaness.igsäureestern
mit einem Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl- oder Aralkylsalz eine Umwandlung der Ausgangsstoffe
in die entsprechenden dl-Alkenylmalonsäure- oder -cyanessigsäureester durchgeführt.
Daß die Umsetzung dabei in dieser Weise verlaufen würde, war auf Grund der vorerwähnten
bekannten Reaktion nicht anzunehmen. Insbesondere ist es als überraschend anzusehen,
daß dabei die Verschiebung der Doppelbindung ausschließlich in die dl-Stellung erfolgt,
so daß aus den Alkylidenverbindungen quantitativ dl-Alkenylverbindungen erhalten
werden.
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Die Verschiebung von Doppelbindungen oder die Isomerisierung mittels
Alkalien ist wohl bei verschiedenen Stoffen bekannt. Bei derartigen bekannten Reaktionen
wird jedoch kein Enolat gebildet und kein Endprodukt erhalten, welches alkyliert
werden könnte. Es war darum auch nicht vorherzusehen, daß sogar dann, wenn die Doppelbindung
in den in Rede stehenden Alkylidenestern verschoben wird, ein Enolat gebildet werden
würde, welches der Alkylierung fähig wäre. Man hätte vielmehr an Stelle des ungewöhnlichen,
erfindungsgemäß erzielbaren Ergebnisses an sich viel eher erwarten sollen, daß die
Ester beispielsweise polymerisieren könnten, denn es wird z. B. Ätbyläthylidenmalonat
bei Behandlung mit einem Isomerierungsmittel vollständig polymerisiert und z. B.
Äthylisopropylidencyanacetat bei Behandlung mit einem Isomerierungsmittel in eine
cyclische Verbindung übergeführt und kann nicht alkyliert werden.