DE2723383C2

DE2723383C2 -

Info

Publication number: DE2723383C2
Application number: DE2723383A
Authority: DE
Inventors: Gohu Ibaraki Jp Suzukamo; Tsuneyuki Takatsuki Jp Nagase
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1976-05-24
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1988-09-15
Also published as: DE2723383A1; JPS618048B2; IT1117095B; JPS52144651A; GB1525209A; FR2352768B2; NL7705610A; CH632981A5; FR2352768A2; US4182906A; DK224577A

Description

Die Chrysanthemummonocarbonsäuren sind eine wesentliche Komponente von natürlichen und synthetischen Insektiziden des Pyrethrintyps, wie "Pyrethrin I", "Cinerin I", "Allethrin" oder "Phthalthrin". Von diesen Carbonsäuren existieren geometrische Isomere (cis- und trans-Isomere) und optische Isomere [(+)- und (-)-Formen]. Die trans-Isomeren der Chrysanthemummonocarbonsäureester haben eine stärkere Aktivität als die entsprechenden cis-Isomeren. Ferner zeigt die (+)-Form eine wesentlich höhere Wirkung als die entsprechende (-)-Form.

Im allgemeinen werden die Chrysanthemummonocarbonsäuren technisch in Form des racemischen Gemisches, d. h. der (±)-Form, hergestellt, die das cis- und das trans-Isomere enthält. Dieses racemische Gemisch wird hierauf mit einer optisch aktiven organischen Base gespalten und das wertvolle (+)-Isomere isoliert. Das weniger wertvolle (-)-Isomere kann racemisiert und erneut in die optischen Antipoden gespalten werden.

Die optisch aktiven Chrysanthemummonocarbonsäuren haben zwei asymmetrische Kohlenstoffatome in der 1- und 3-Stellung. Daher ist ihre Racemisierung sehr schwierig zu erreichen. Die Epimerisierung am Kohlenstoffatom in der 1-Stellung ist leichter zu erreichen als die Racemisierung. Für die Epimerisierung sind mehrere Verfahren bekannt. Beispielsweise wird ein Alkylester der cis-Chrysanthemummonocarbonsäure mit einem speziellen basischen Katalysator in der Wärme behandelt und die trans- Chrysanthemummonocarbonsäure erhalten; vgl. US-PS 35 38 143. Nach einem anderen Verfahren wird cis-Pyrethrinsäurechlorid auf hohe Temperaturen erhitzt; vgl. JP-AS 24 694/1971. Nach diesen Methoden läßt sich jedoch eine Epimerisierung an beiden asymmetrischen Kohlenstoffatomen nicht erreichen, sondern lediglich eine Umwandlung der (-)-cis-Chrysanthemummonocarbonsäure in die (+)-trans-Chrysanthemummonocarbonsäure oder der (+)-cis-Chrysanthemummonocarbonsäure in die (-)-trans-Chrysanthemummonocarbonsäure. Da diese Methoden auf der höheren thermodynamischen Stabilität des trans-Isomeren gegenüber dem cis-Isomeren beruhen, wird die Umwandlung des (-)-trans-Isomeren in das (+)-trans-Isomere nicht erreicht. Diese Umwandlung kann lediglich durch Überführung des (-)-trans-Isomeren in das (-)-cis-Isomere nach komplizierten Verfahren und Epimerisieren des erhaltenen Produktes in der 1-Stellung erreicht werden.

Es sind bereits einige Verfahren zur Racemisierung bekannt, beispielsweise ein Verfahren, bei dem die Alkenylgruppe in der 3-Stellung der (-)-trans-Chrysanthemummonocarbonsäure in eine Ketoalkoholgruppe überführt und die Säuregruppe in der 1-Stellung in einen niederen Alkylester umgewandelt wird, der hierauf mit einem Alkalimetallalkoholat in einem Lösungsmittel behandelt wird; vgl. US-PS 32 82 984. Ein weiteres Verfahren besteht in der Bestrahlung von (-)-trans-Chrysanthemummonocarbonsäure mit UV-Licht in Gegenwart eines Photosensibilisators; vgl. US-PS 36 57 086. Das zuerst genannte Verfahren ist aufgrund der zahlreichen Reaktionsstufen technisch wenig wirtschaftlich, während das zuletzt genannte Verfahren in schlechter Ausbeute verläuft und einen hohen Verbrauch an elektrischer Energie aufweist. Somit bestehen diese herkömmlichen Racemisierungsverfahren in der chemischen Umwandlung der Alkenylgruppe in der 3-Stellung in eine Ketoalkoholgruppe, die chemisch die gleiche Eigenschaft hat wie die Carbonlygruppe in der 1-Stellung, und in der anschließenden gleichzeitigen Epimerisierung sowohl in der 1- und 3-Stellung mit einer starken Base oder in der Anwendung einer energiereichen Strahlungsquelle zur Spaltung des Cyclopropanringes.

Gegenstand des Hauptpatents 24 53 639 ist ein Verfahren zur Herstellung von racemischen Cyclopropancarbonsäureverbindungen aus optisch aktiven 2,2-Dimethyl-3-(1′-alkenyl)-cyclopropan-1-carbonsäure-Verbindungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man als Ausgangsmaterial ein optisch aktives Cyclopropancarbonsäurehalogenid der allgemeinen Formel I

verwendet, in der R₁ und R₂ Wasserstoffatome oder Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten oder zusammen mit dem Kohlenstoffatom, an das sie gebunden sind, einen Cycloalkylidenrest mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen bilden und X ein Halogenatom darstellt, dieses mit einer Lewis-Säure bei Temperaturen von 20°C bis zum Siedepunkt des Reaktionsgemisches und zweckmäßig in Gegenwart eines inerten Lösungsmittels behandelt und gewünschtenfalls das gebildete racemische Säurehalogenid in üblicher Weise mit einer wäßrigen alkalischen Lösung verseift und anschließend die Säure mit einer Mineralsäure freisetzt.

Aus den Beispielen ist ersichtlich, daß bei Verwendung üblicher Katalysatoren selbst im Temperaturbereich von 50° bis 80°C die Reaktionszeit mehrere Stunden beträgt. Bei Einhaltung niedrigerer Reaktionstemperaturen verlängert sich die Reaktionszeit erheblich und der Anteil an unerwünschten Nebenprodukten nimmt zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren des Hauptpatents zu verbessern und die Racemisierung bei möglichst niedrigen Temperaturen in sehr kurzer Zeit unter Erzielung guter Ausbeuten durchzuführen. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Die Erfindung betrifft den in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.

Unter die Verbindungen der allgmeinen Formel I fällt die 2,2- Dimethyl-3-(2′-methyl-1′-propenyl)-cyclopropan-1-carbonsäure, d. h. die Chrysanthemummonocarbonsäure, sowie die 2,2-Dimethyl-3- vinylcyclopropan-1-carbonsäure, die 2,2-Dimethyl-3-cyclopenty lidenmethyl-cyclopropan-1-carbonsäure und die 2,2,-Dimethyl-3- cyclohexylidenmethyl-cyclopropan-1-carbonsäure.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß sich die Säurehalogenide der allgemeinen Formel I bei Temperaturen von höchstens 10°C, gewöhnlich von -70 bis 10°C, in Gegenwart von Bortrichlorid, -fluorid oder -bromid in kurzer Zeit racemisieren lassen. Vorzugsweise wird als Säurehalogenid das Säurechlorid verwendet. Das als Ausgangsmaterial verwendete Säurehalogenid ist, wie bekannt, aus der entsprechenden Carbonsäure hergestellt worden. Beispielsweise ist das Säurechlorid durch Umsetzen der Carbonsäure mit einem Chlorierungsmittel, wie Thionylchlorid, Sulforylchlorid, Oxalylchlorid, Phosphortrichlorid oder Phosphorpentachlorid, hergestellt worden. Durch Umsetzung mit Phosphortribromid kann das entsprechende Säurebromid hergestellt werden.

Das Säurehalogenid wird mit einer katalytischen Menge von Bortrichlorid, Bortribromid oder Bortrifluorid, behandelt. Bortrichlorid ist besonders bevorzugt. Bei dieser Racemisierungsreaktion kann jedes der vier optischen Isomeren allein oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden. Der Erfolg der Racemisierung hängt nicht von der optischen Reinheit der eingesetzten Verbindungen ab.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert unabhängig von der Zusammensetzung der Ausgangsverbindung ein Reaktionsprodukt, das reich an der trans-Verbindung ist. Je niedriger die Reaktionstemperatur, desto höher ist der Prozentsatz an trans-Isomer. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Umwandlung des racemischen cis-Isomers in das entsprechende racemische Gemisch mit hohem Gehalt an trans-Isomer eingesetzt werden.

Die Umsetzung wird vorzugsweise in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt, das sich bei der Reaktionstemperatur nicht verfestigt und das unter den Bedingungen der Racemisierung inert ist. Beispiele für verwendbare Lösungsmittel sind aromatische Kohlenwasserstoffe und ihre Derivate, wie Toluol, Xylol und Chlorbenzol, aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Pentan, Hexan, Heptan und Cyclohexan, und halogensubstituierte aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Tetrachlorkohlenstoffe, Chloroform und Äthylendichlorid. Diese Lösungsmittel können allein oder im Gemisch eingesetzt werden.

Der Katalysator wird in einer Menge von etwa 1/2000 bis 1/2 Mol, vorzugsweise von etwa 1/200 bis 1/5 Mol pro Mol Cyclopropan carbonsäurehalogenid der allgemeinen Formel I eingesetzt. Die Racemisierung verläuft sehr rasch. Die Reaktionszeit hängt unter anderem von der Menge des verwendeten Katalysators und der Reaktionstemperatur ab. Gewöhnlich ist die Racemisierung innerhalb etwa 0,1 Minuten bis 3 Stunden beendet.

Das Racemisieren kann diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Das optisch aktive Cyclopropancarbonsäurehalogenid kann zusammen mit dem Katalysator in einem Reaktionsgefäß vorgelegt werden. Gegebenenfalls kann das Säurehalogenid auch kontinuierlich oder absatzweise in das Reaktionsgefäß eingespeist werden. Der Ablauf der Racemisierung kann durch Bestimmung des optischen Drehwerts des Reaktionsgemisches oder durch Gaschromatographie verfolgt werden. Nach beendeter Umsetzung wird das racemisierte Produkt in üblicher Weise isoliert und vom Katalysator abgetrennt. Gegebenenfalls wird das Reaktionsgemisch mit einer wäßrig-alkalischen Lösung verseift und die Säure mit einer Mineralsäure freigesetzt.

Gegebenenfalls kann das racemisierte Säurehalogenid ohne vorherige Reinigung unmittelbar mit beispielsweise Pyrethrolon oder Allethrolon in Gegenwart eines Halogenwasserstoffacceptors zu dem entsprechenden Cyclopropancarbonsäureester umgesetzt werden.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Das Ausgangsmaterial wird wie folgt hergestellt:
In einem 300 ml fassenden Kolben werden 50 g n-Hexan und 50 g (-)-trans-2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäure vorgelegt. Innerhalb von 30 Minuten werden unter Rühren und unter Erhitzen am Rückfluß aus einem Tropftrichter 41,0 g Thionylchlorid eingetropft. Nach beendeter Zugabe wird das Reaktionsgemisch weitere 2½ Stunden gerührt. Sodann werden das Lösungsmittel und überschüssiges Thionylchlorid abdestilliert. Der Rückstand wird unter vermindertem Druck destilliert. Ausbeute 54,0 g (-)-trans-2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäurechlorid vom Kp. 50°C/0,73 mbar bis 56°C/0,88 mbar.

Andere Cyclopropancarbonsäurehalogenide werden in gleicher Weise hergestellt.

Beispiel 1

In einem 200 ml fassenden Kolben werden 70 g Toluol und 30 g (-)-trans-2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäurechlorid vorgelegt. In die Lösung werden unter Stickstoff als Schutzgas und unter Rühren bei 0°C 0,94 g Bortrichlorid eingespeist, und das Gemisch wird 10 Minuten gerührt. Danach wird der Katalysator abgetrennt und das Toluol abdestilliert. Der Rückstand wird unter vermindertem Druck destilliert. Es werden 27,0 g racemisiertes 2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan- 1-carbonsäurechlorid vom Kp. 72 bis 78°C/2,92 mbar erhalten. Aufgrund der gaschromatographischen Analyse hat das Produkt folgende Zusammensetzung:

Das Produkt wird mit Natronlauge verseift. Das Verseifungsprodukt wird mit 20prozentiger Schwefelsäure angesäuert und mit n-Hexan extrahiert. Der n-Hexanextrakt wird mit Wasser gewaschen und getrocknet. Nach dem Abdestillieren des Lösungsmittels wird der Rückstand unter vermindertem Druck destilliert. Das Produkt siedet bei 103 bis 110°C/1,17 mbar. Das erhaltene Öl kristallisiert sofort und schmilzt bei 52 bis 54°C.

Beispiele 2 bis 4

Die Racemisierung wird gemäß Beispiel 1 bei -40°C, -20°C und 10°C durchgeführt. Es werden folgende Ergebnisse erhalten:

Beispiel 5

In einem 200 ml fassenden Kolben werden 70 g Toluol und 30 g (-)-trans-2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäure vorgelegt. In die Lösung werden innerhalb 30 Minuten bei 70 bis 80°C unter Rühren 24,0 g Thionylchlorid eingetropft. Nach beendeter Zugabe wird das Gemisch weitere 2½ Stunden bei der gleichen Temperatur gerührt. Danach wird das Reaktionsgemisch auf 0°C abgekühlt, mit 0,94 g Bortrichlorid versetzt und 30 Minuten gerührt. Hierauf wird der Katalysator abgetrennt und das Lösungsmittel abdestilliert. Der Rückstand wird unter vermindertem Druck destilliert. Es werden 28,6 g racemisiertes 2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäurechlorid vom Kp. 55 bis 62°C/0,44 mbar erhalten. Aufgrund der gaschromatographischen Analyse hat das Produkt folgende Zusammensetzung:

Beispiel 6

In einem 200 ml fassenden Kolben werden 70 g Tetrachlorkohlenstoff und 30 g linksdrehendes cis- und trans-2,2-Dimethyl-3- isobutenylcyclopropan-1-carbonsäurechlorid (Zusammensetzung: (+)-trans, 10,6%; (-)-trans, 70,4%; (+)-cis, 4,1%; (-)-cis, 14,9%) vorgelegt. In die Lösung werden bei 10° unter Stickstoff und unter Rühren 0,95 g Bortrichlorid gegeben. Das Gemisch wird weitere 30 Minuten gerührt und sodann gemäß Beispiel 1 aufgearbeitet. Es werden 24,6 g racemisiertes 2,2-Di methyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäurechlorid erhalten. Aufgrund der gaschromatographischen Analyse hat das Produkt folgende Zusammensetzung:

Beispiel 7

In einem 200 ml fassenden Kolben werden 90 g n-Hexan und 10 g linksdrehendes cis- und trans-2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclo propan-1-carbonsäurechlorid (Zusammensetzung: (+)-trans, 10,5%; (-)-trans, 70,5%; (+)-cis, 3,9%; (-)-cis, 15,1%) vorgelegt. In die Lösung werden bei 0°C unter Stickstoff als Schutzgas und unter Rühren 0,37 g Bortrichlorid gegeben. Das Gemisch wird weitere 2 Stunden gerührt. Sodann wird das Reaktionsgemisch gemäß Beispiel 1 aufgearbeitet. Es werden 8,5 g racemisiertes 2,2-Di methyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäurechlorid erhalten. Aufgrund der gaschromatographischen Analyse hat das Produkt folgende Zusammensetzung:

Beispiel 8

In einem 200 ml fassenden Kolben werden 90 g Toluol und 10 g linksdrehendes cis- und trans-2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclo propan-1-carbonsäurechlorid (Zusammensetzung: (+)-trans, 14,8%; (-)-trans, 69,0%; (+)-cis, 4,1%; (-)-cis, 12,0%) vorgelegt. Die Lösung wird mit 0,9 g Bortribromid versetzt und 10 Minuten bei 10°C gerührt. Aufgrund der gaschromatographischen Analyse hat das Produkt folgende Zusammensetzung:

Sodann wird das Reaktionsgemisch mit einer geringen Menge Wasser versetzt, um den Katalysator zu zersetzen. Hierauf wird das Lösungsmittel abdestilliert. Der Rückstand wird mit Natronlauge verseift, das Verseifungsprodukt mit 20prozentiger Schwefelsäure angesäuert und mit Toluol extrahiert. Der Toluolextrakt wird mit Wasser gewaschen und eingedampft. Der Rückstand wird unter vermindertem Druck destilliert. Es werden 7,6 g racemisierte 2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäure als Öl vom Kp. 104 bis 110°C/1,17 mbar erhalten. Das Öl kristallisiert sofort und schmilzt bei 50 bis 54°C.

Beispiel 9

In einem 200 ml fassenden Kolben werden 93 g Toluol und 10,3 g des in Beispiel 8 eingesetzten Säurechlorids vorgelegt. Das Gemisch wird auf etwa -70°C abgekühlt und sodann mit einer katalytischen Menge Bortrifluorid versetzt. Die Umsetzung wird bei der gleichen Temperatur durchgeführt. Nach 60 Minuten wird eine Probe des Reaktionsgemisches gaschromatographisch analysiert. Das Produkt ist vollständig racemisiert und hat folgende Zusammensetzung:

Beispiel 10

In einem 200 ml fassenden Kolben werden 70 g Toluol und 30 g (±)-cis-2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäurechlorid vorgelegt. Sodann werden bei 5 bis 10°C unter Stickstoff und unter Rühren 0,85 g Bortrichlorid zugegeben. Die Umsetzung wird 10 Minuten durchgeführt. Aufgrund der gaschromatographischen Analyse hat das Produkt folgende Zusammensetzung:

Nach Abtrennung des Katalysators wird das Toluol abdestilliert und der Rückstand unter vermindertem Druck destilliert. Es werden 27,5 g 2,2-Dimethyl-3-isobutenylcyclopropan-1-carbonsäurechlorid vom Kp. 73 bis 78°C/2,92 mbar erhalten, das reich an der (±)-trans-Form ist.

Das Produkt wird auf die vorstehend beschriebene Weise verseift. Es wird die entsprechende 2,2-Dimethyl-3-isobutenyl cyclopropan-1-carbonsäure vom F. 52 bis 54°C erhalten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von racemischen Cyclopropancarbonsäureverbindungen mit einem hohen Gehalt an trans-Isomeren durch Behandlung eines Cyclopropancarbonsäurehalogenids der allgemeinen Formel in der R₁ und R₂ Wasserstoffatome oder Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten oder zusammen mit dem Kohlenstoffatom, an das sie gebunden sind, einen Cycloalkylidenrest mit 4 bis 6 Kohlenstoffatomen bilden und X ein Halogenatom darstellt, in optisch aktiver Form oder in Form eines Racemats, bestehend aus einem cis-Isomeren oder einem Gemisch der racemischen cis- und trans-Isomeren, mit einer Lewis-Säure zweckmäßig in Gegenwart eines inerten Lösungsmittels, und gewünschtenfalls Verseifung des gebildeten racemischen Säurehalogenids in üblicher Weise mit einer wäßrigen alkalischen Lösung und anschließende Freisetzung der Säure mit einer Mineralsäure nach Patent 24 53 639, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung mit Bortrichlorid, Bortribromid oder Bortrifluorid als Lewis-Säure bei Temperaturen von höchstens 10°C durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Borhalogenid in einer Menge von 1/2000 bis 1/2 Mol pro Mol Säurehalogenid einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als inertes Lösungsmittel einen aromatischen Kohlenwasserstoff oder dessen Derivat, einen aliphatischen Kohlenwasserstoff oder einen halogensubstituierten aliphatischen Kohlenwasserstoff einsetzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung bei einer Temperatur von -70 bis 10°C durchführt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung während eines Zeitraums von 0,1 Minuten bis 3 Stunden durchführt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangsmaterial ein Cyclopropancarbonsäurechlorid einsetzt.