DE2941211C2 - Verfahren zum gegebenenfalls kontinuierlichen Cyclisieren von γ-Chlorcarbonsäureestern - Google Patents

Description

R₅ R₃ H

in der Ri bis R5 gleich oder verschieden sind und entweder ein Wasserstoffatom oder die CHj-Gruppe bedeuten und Re für einen Methyl- oder Äthylrest steht, zu Cyclopropancarbonsäureestern der allgemeinen Formel II

R₃

R₄

₃
\

C-COOR₆

R₁

in der R₁ bis K₆ die oben angegebene Bedeutung haben, in Gegenwart von Kalium- oder vorzugsweise Natriummethyiat/Methanol oder von Kalium- oder vorzugsweise Natriumäthylat/Äthanol als Kondensationsmittel/Lösungsmittel-Gcmisch bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Cyclisierung bei einer Temperatur zwischen 9O⁰C und 200^cC, gegebenenfalls unter Druckanwendung, vorgenommen wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Cyclopropancarbonsäuremethyl- 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 dabiii in mäßiger Ausbeute Cyclopropancarbonsäurcäthylester neben der freien Säure und y-Butyrolacton (Rambaud. Hull. Soc. Chim. Fr. [5\ 5 (1938), S. 1552-1564).

Es ist auch bekannt, )<-Chlorcarbonsäur?-;ster unter Verwendung von wasserfreien Alkoholaten zu cyclisieren. Zum Beispiel wird y-Chlorbuttersäurcäthylester mit t-Natriumamylot in (Amylalkohol vier Stunden lang unter Rückfluß gekocht. Es wird Cyclopropancarbonsnnreäi.hylester in einer Ausbeute von 4"5⁰A d. Th. erhalten. Verwendet man Natriumdimethylbenzylat als Kondensationsmittel, so beträgt die Ausbeute 47% d.Th.(|ulia et al.. Bull. Soc. Chim. Fr., I960, S. 304-312).

Weiter ist bekannt, daß man die Cyclisierung mit Alkoholaten in inerten Lösungsmitteln vornehmen kann. Zum Beispiel ist die ( /clisierung von 5-Methyl-3-(l-chlorisopropyl)-hex-4-enoat mit Natrium-t-amylat in Benzol zu dl-trans-Chrysenthenumethylester beschrieben. Die Ausbeute beträgt 41,8% bzw. 53,6% (US-PS 30 77 496, US-PS 31 23 629).

In der US-PS 37 I i 549 wird für den allgemein beanspruchten Prozeß zur Herstellung von wäßrigen Cyclopropylaminlösungen in der ersten Stufe des Verfahrens die Umsetzung von 4-Chlorbutiersäuremethylester mit Natriummcihylat in inerter Gasatmosphäre in einer nichtreaktiven 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 einer Ausbeute von 85% d. Th. zu erhalten (J. Am. Chem. Soc. 81 (1959), S. 1660-66;. ?.in ähnlicher Versuch mit a-Methyl-y-chlorbuttersäureester ergibt l-Methylcyclopropancarbonsäureester in 47,6%iger Ausbeute(J.Am.Chem.Soc.81 [1959],S. 1660-66).

In der japanischen Patentanmeldung J 7 49-28 509 wird die Kondensation von y-Chlorbuttersäureäthylester mit NaH in Paraffin beschrieben. Man erhält Cyclopropancarbonsäureäthylester in einer Ausbeute von 87,9% d. Th.

Es ist weiter die Cyclisierung von 6-Brom-233-trimethyl-4-hexensäureäthy!ester mit Kalium-t-butoxid in wasserfreiem Tetrahydrofuran zu l-Methyl-2-vinyl-33-dimethylcyclopropancarbonsäureäthylester beschrieben worden. Die Ausbeute beträgt 55% d. Th. (japanische Patentanmeldung 51-82 242).

Bunce et al. beschreiben in »Organic Preparations and Procedures Inc.«, 6. S. 193—6 (1974), die Herstellung von Cyclopropancarbonsäureäthylester aus y-Chlor-

buttersäureäthylester und Natriumäthylat in Äthanol. Die Ausbeute beträgt 66% d. Th. G. M. Lampman et al. (I. Chem. Eng. Data 14, 396 (1969)) beschreiben die Herstellung von Cyclopropancarbonsäureäthylester aus 4-Brombultersäureäthylester durch Cyclisierung mit

-to NaH. die Ausbeute beträgt 88% d. Th.

Alle diese vorbekannten Verfahren zeigen, daß man nur dann technisch interessante Ausbeuten erhalten kann, wenn man als Kondensationsmittel Natriumhydrid. Natriumamid oder alkoholfreie Alkoholate verwendet und in Abwesenheit nichtinerter Lösungs- bzw. Dispergiermittel arbeilet. Werden zum Beispiel die Alkoholate in Alkohol angewendet, tritt eine starke Verminderung der Ausbeuten ein.

Im Falle der Cyclisierung von ^-Chlorbuttersäure-

äthylester mit Natriumäthylat in Äthanol läuft neben car Cyclopropancarbonsäurecyclisierung eine andere Reaktion ab, nämlich die Bildung des 4-Äthoxibuttersäureäthylesters. Weiter ist eine Rückcyclisierung in Richtung Butyrolacton 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

so ist sehr schwierig

Wasserfreie Alkoholate sind ebenfalls teuer, ihre Handhabung ist sehr aufwendig und erfordert einen größeren technischen Aufwand. Stäube von Natriumoder Kaliummethylat oder -äthylat sind gesundheitsschädlich und wirken stark ätzend. Wasserfreie Alkoholate hydrolysieren leicht, dabei entstehen die freien Basen, die den Cyclisierungsprozeß stören, indem sie die Ausgangsverbindungen (Ester) verseifen. Ver-

wendet man zum Beispiel Natriummethylat in Toluol für die Cyclisierung von j'-Chlorbuttcrsäuremethyiester gemäß US-PS 37 11 549 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 der technischen Synthese oft einen großen Überschuß von Alkalialkoholat verwenden muß. Kondensiert man nach diesem Verfahren, so fallen Natriumoder Kaliumchlorid bzw. -bromid in feinster Verteilung an, die sofort die Natrium- oder Kaliumalkoholatpariikel 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 im obigen Patent offenbarte Verfahren technisch zu realisieren.

Es wurde nun gefunden, daß man y-Chlorcarbonsäureester der allgemeinen Formel I

R4 R.2 R₁

I I I

Cl-C-C-C-COOR₆

I I I

R₅ R₃ H

in der Ri bis Rs gleich oder verschieden sind und entweder ein Wasserstoffatom oder die CHj-Gruppe bedeuten und R6 füi einen Methyl- oder Äthylrest steht, zu Cyclopropancarbonsäurf.ästern der allgemeinen Formel Il

R₁

\ .
R₄ C

R₅

C-COOR₆
R.

in der Ri bis Rt die oben angegebene Bedeutung haben, in Gegenwart von Kalium- oder vorzugsweise Natriummethylat/Methano! oder von Kalium- oder vorzugsweise Natriumäthylat/Äthanol als Kondensationsmittel/ Lösungsmittel-Gemisch herstellen kann, wenn man die Cyclisierung bei einer Temperatur zwischen 90⁰C und 200°C vornimmt.

Nach diesem Verfahren können die Cyclopropancarbonsäureester in sehr hohen Ausbeuten sowohl in diskontinuierlicher als auch in kontinuierlicher Durchführung gewonnen werden. Sie können, auch ohne Zwischenisolierung, nach an sich bekannten Methoden in die enisprechenden freien Säuren überführt werden. Diese Weiterverarbeitung ist nicht Gegenstand dieser Erfindung. Alkalialkoholate in Alkohol sind technische Chemikalien, die leicht handhabbar sind, sie können leicht hergestellt werden und sind leicht transportierbar.

Es ist zwar aus Chem. Absif. 88,1978, Referat 222 12 q bekannt, y-Brombuttersäureäthylester mit Natriumäthy-IaI durch Kochen unter Rückfluß zu cyclieren, jedoch läßt sich diese Verfahrensweise nicht auf die y-Chlorverbindungen übertragen. Es werden in diesen Fällen Ausbeuten von max. 66,2% bzw. 25% erhalten.

Die Alkoholate werden in äquimolaren Mengen eingesetzt. Die Anwendung eines 10%igen Überschusses ist vorteilhaft.

Bei diskontinuierlicher Führung des Verfahrens kann so vorgegangen werden, daß das Alkalialkoholat, vorzugsweise das Natriummethylat oder Natriumäthylat, in einem Druckgefäß (Autoklav) vorgelegt wird. Auf ϊ I Mol v-Chlorcarbonsäureester werden 1 MoI Alkoholat für die Cyclisierung benötigt, doch ist ein 10%iger Überschuß des Cyclisierungsmittels angebracht. Der Autoklav wird hochgeheizt. Bevorzugte Reaktionremperaturen sind solche zwischen etwa 140 und 200⁰C,

in insbesondere aber zwischen etwa 155 und 160⁰C. Bei dieser Temperatur wird nun der Halogenester in den Autoklav gepumpt, dabei läuft die Reaktion in wenigen Minuten ab. Am Ende wird kurz nachgeheizt und aufgearbeitet.

Man kann diesen Prozeß aber auch bei Normaldruck durchführen, wenn man die Reaktion gemäß Patentanspruch oberhalb der Siedetemperatur des angewandten Alkohols ablaufen läßt. Man kann dies zum Beispiel dadurch erreichen, daß man hochkonzentrierte Alkoholatlösjnge.n (zum Beispiel 30%ig) verwendet und die hohe Konzentration während des gesamten Rcaktionsablaufes dadurch aufrechterhält, daß man während des Cyclisierungsprozesses laufend den bei dieser Reaktion gebildeten Alkohol abdestilliert.

Die kontinuierliche Durchführung erfolgt vorzugsweise in einem Dünnschichtverdampfer. Hierbei geht man zweckmäßigerweise so vor, daß man die Lösungen von Alkalialkoholat in Alkohol und den y-Chlorbuttersäureester getrennt oder — vorher gemischt — gemeinsam in den Dünnschichtverdampfer einpumpt. Die Wandtemperatur des zum Beispiel mit Öl beheizten Mantels soll so bemessen sein, 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 Natriumchlorid, kontinuierlich abgezogen wer-(Π) den. Bevorzugte Wandtemperaturen sind — je nach

Material des Verdampfers — etwa 120 bis 200⁰C, insbesondere 170 bis 18O⁰C. Das bei diesem Verfahren aus dem Reaktionsdünnschichtverdampfer austretende Gemisch aus Ester und Alkohol kann zum Beispiel 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 oder y-Hydroxicarbonsäuren

■)" hergestellt werden (Liebigs Ann. 596, S. 163—164).

Beispiel 1

Man legt in einem 5-l-Rührautoklav 540 g Natriummethylat in 1500 ml Methanol vor und heizt anschließend auf 155 bis 160⁰C auf. Nun pumpt man innerhalb von 30 Minuten 1228,5 gy-Chlorbuttersäuremelhyleslcr hinzu und hält anschließend noch eine Stunde diese Temperatur aufrecht. Anschließend kühlt man ab. Der Autoklav wird entleert, mit Methylenchlorid versetzt, so

6Λ vie! Wasser zugegeben, daß sich das gebildete Kochsalz gerade löst, das CH2CI2 abgetrennt und die wäßrig-methanolische Lösung noch dreimal mit CH2CI2 ausgeschüttelt. Die CHjC^-Fraktionen werden vereinigt, getrocknet und an einer l-m-Fiillkörperkolonne mit

<>5 Dephlegmator fraktioniert.

Bei Kpioürr-bar 114 bis t I5°C destilliert Cyclopropancarbonsäuremelhylester. Menge: 853,5 g, entsprechend 94.9% d. Th.

Beispiel 2

In einem 2-l-Rundko!ben (mil Rührwerk, aufgesetzt 50-cm-Füllkörperkolonne und Dephlegmator) iegt man 594 g 30%ige Natriummethylatlösung in Methanol vor {= 33 Mol CHjONa). Die Lösung wird zürn il\cIcn erhim. 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 -i(B.5g y-Chlorbuttersäuremethylester (= 3 Mol) zugetropft, dab^i wird laufend Methanol (mit kleinen Mengen Cyclopropancarbonsäuremethylester) abdestilliert. Der Einlauf und die Destillation sind so programmiert, daß die Temperatur der Msthylatlösung nie 90⁰C unterschreitet. Anschließend wird noch 15 Minuten nacherhilzt.

Man kühlt ab, neutralisiert die Lösung im Kolben mit ca. 20 g Eisessig, gibt 500 ml Methylenchlorid hinzu und verdünnt mit 1 I Wasser.

Die Methylenchloridlösung wird mit dem bei der Reaktion abdestillierten Methanol (+ Cyckpropancarbonsäuremethylester) vermischt und an einer 1-m-Füllkörperkolonne (mit Dephlegmator) fraktioniert. Nach einem Methylenchloridvorlauf destilliert zuerst Methanol und anschließend Cyclopropancarbonsäuremethylester, Kp₁₀₁₃^r 1I4-1I5°C. Menge: 277,5 g, entsprechend einer Ausbeute von 92,5% d. Th.

Vergleichsversuch

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

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

Beispiel 3

1365 kg y-Chlorbuttersäuremeihylester (= 10 Mol) und 494 g Natriummethylat, gelöst in 1386 g Methanol (= 30%ige Lösung) werden aus zwei getrennten Vorratsgefäßen über 2 Pumpen kontinuierlich in einen mittels ölmantelheizuüg 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 werden laufend festes Salz, vermengt mit überschüssigem Alkoholal, abgezogen, am Kopf werden laufend Methanol und Cyclopropancarbonsäuremethylester abgezogen.

in Die Reaktion ist in 2¹/? Stunden hrendet, anschließend werden noch -U'*j πι'. CH/^!H im ;-lt;;ktnr verdampf'.

Di laufend abdestillierte Gemisch von CHjOH und Cvclopropancarbonsäuremethylester wird diskontinuierlich aufgearbeitet, jedoc.': ist auch eine koruHjierliche Aufarbeitung möglich.

Bei Kpinumbar 1H°C destilliert Cyclopropancarbonsäuremethylester.

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

Beispiel 4

Es wird, wie in Beispiel 3 beschrieben, vorgegangen, jedoch werden 1,505 kg y-Chlorvaleriansäuremethylester mit 1,98 kg 30%iger Natriummethylatlösung in CHjOH umgesetzt. Die Aufarbeitung liefert 1029 g 2-Methylcyclopropancarbonsäuremethylester, Kp.

131-C.

Beispiel 5

Es wird, wie in Beispiel 3 beschrieben, vorgegangen, jedoch werden 1,505 kg l-Methyl-y-ctilorbuttersäuremethylester und 1,98 kg 30%ige Natriummethylatlösung in Methanol umgesetzt.

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

Beispiel 6

Es wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, vorgegangen, jedoch werden 1,505 kg v-Chlorbuttersäureäthylester und 4 kg einer 18.7%igen Natriumäthylatlösung in Äthanol umgesetzt.

Es werden erhalten: 104Og = 91,2% d. Th. Cyclopropancarbonsäureäthylester, Kpioumbar 131 bis 132⁰C.

Beispiel 7

409,5 kgy-Chlorbuttersäuremethylesteri= 3000MoI) 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 Cyclopropancarbonsäuremethylester, in den Reaktor zurück. Die gaschromatographische Analyse der Lösung zeigt, daß die Cyclisierung quantitativ verlaufen ist.

Die Weiterverarbeitung zur freien Carbonsäure, die nicht Gegenstand dieser Erfindung ist, kann wie folgt durchgeführt werden: Man läßt langsam 300 kg 50%ige Natronlauge einfließen. Die Mischung wird 2 Stunden 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 2 eingestellt (ca. 70 I).

Die Methylenchloridlösung wird abgetrennt, anschließend wird die wäßrige Lösung noch 2 χ mit je 200 I CH₂CI₂extrahiert.

Die ChhCly-LöEiingen werden andestilliert. Die verbliebene Cyclcpropancarbonsäure wird an einer 2-m-Ko>nne fraktioniert.

Kpi,.T,b,r 78°C, Menge: 235 kg, entsprechend 96,7% d.Th.

20

25

30

35

40

45

50

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum gegebenenfalls kontinuierlichen Cyclisieren von y-Chlorcarbonsäureestern der allgemeinen Formel I

   R4

   Cl—C-C-C-COOR₆