DE3225605C2 - - Google Patents

Description

Bestimmte Cyclopropanderivate weisen extreme insektizide Eigenschaften auf. Dementsprechend wurden viele Untersuchungen bezüglich der Synthesemöglichkeiten zur Darstellung von Verbindungen mit geeigneten substituierten Cyclopropylgruppen durchgeführt. Viele Arbeiten befassen sich mit der Reaktion von Schwefelyliden und Olefinen zur Bildung des Cyclopropanringes. Beispielsweise beschreibt G. B. Payne in Journal of Organic Chemistry 32 33 51 (1967) die Verwendung von Yliden, die von Dimethylsulfid abgeleitet wurden, und andere Forschungsgruppen haben auch schon dieselben oder ähnliche Ylide benützt. Diese Ylide eignen sich in der Tat gut für Darstellungen im Labormaßstab, jedoch eignen sie sich im allgemeinen nicht für großtechnische Darstellungen aufgrund ihrer - und ihrer Vorläufer, den Sulfoniumsalzen - geringen thermischen Stabilität. Zusätzlich bereitet die Handhabung der Dimethylsulfide im Industriemaßstab aufgrund ihrer Leichtflüchtigkeit erheblichen Probleme.

Die GB-PS 15 53 153 beschreibt einen Versuch zur Lösung dieser Probleme und offenbart, daß bestimmte Cyclopropanderivate durch Reaktion von Thiolan mit m-Phenoxybenzyl oder einem C(1-4)Alkylester von Chlor- oder Bromessigsäure dargestellt werden können, indem das resultierende Sulfoniumsalz in das entsprechende Ylid durch Reaktion mit einer Base umgewandelt und mit einem entsprechend substituierten Olefin umgesetzt wird. Dieses Verfahren zeigt einige Vorteile gegenüber der ursprünglich vorgeschlagenen Methode von Payne. Dennoch ergeben sich weiterhin Probleme. Es existieren Daten, die aufzeigen, daß die thermische Zersetzung des von Thiolan abgeleiteten Sulfoniumsalzes reversibel verläuft, jedoch zeigt die nähere Betrachtung dieser Daten (Beispiel 2 dieser Beschreibung), daß lediglich die Hälfte des ursprünglichen Ausgangsmaterials nach Erhitzen in Aceton für eine Stunde erhalten bleibt.

Eines der Probleme bei der Reaktion von Thiolan mit Halogenessigsäureestern ist, daß stets eine Ringöffnung zur Verbindung I erfolgt. Zusätzlich wird, insbesondere bei Vorhandensein von Thiolan im Überschuß, die Verbindung II gebildet.

Hal-(CH₂)₄-S-CH₂-CO₂R (I)

Dabei bedeutet Hal ein Chlor- oder Bromatom und R steht für m-Phenoxybenzyl oder C(1-4)Alkyl.

Weiterhin wird gefunden, daß bei Verwendung von Mesityloxid als Olefin zur Darstellung eines Esters von 2,2-Dimethyl- 3-acetylcyclopropancarbonsäure, die ein Vorläufer von Insektiziden des Pyrethroidtyps mit einem 2,2-Dimethyl- 3-(2,2-dihalogenvinyl)cyclopropylteil ist (sh. dazu das Beispiel in der DE-OS 26 39 777), in der Praxis Schwierigkeiten auftauchen, wenn versucht wird, diesen Prozeß in ökonomischer Weise großtechnisch durchzuführen. Thiolan wird während der Reaktion des Ylids mit Mesityloxid zurückgewonnen und aufgrund seines hohen Preises zwingen ökonomische Gegebenheiten, daß es für die Reaktion mit dem Halogenacetat wieder zugeführt wird. Ebenso ist es wünschenswert, nicht umgesetztes Mesityloxid zu recyclisieren. In der Praxis ist es nicht möglich, das zurückgewonnene Thiolan von nicht umgesetztem Mesityloxid zu trennen, da ihre Siedepunkte mit 120 und 129°C sehr nahe beieinanderliegen, so daß eine Mischung von Thiolan und Mesityloxid recyclisiert werden muß. Jedoch wurde gefunden, daß bei Anwesenheit von Mesityloxid die Reaktionsrate von Thiolan mit Halogenacetat deutlich abnimmt und zusätzlich die Selektivität für das gewünschte Produkt verringert wird. Dieses Problem tritt natürlich bei Verwendung jeglichen Olefins auf, wenn diese schwierig von Thiolan abzutrennen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das mit günstiger Reaktionsgeschwindigkeit und günstiger Selektivität zu den gewünschten Produkten führt, und das unter Bedingungen durchgeführt werden kann, bei denen ein ökonomisches Recycling der Reaktanten möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in obigem Anspruch 1 charakterisiert. Spezielle Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorzugsweise stehen R¹ und R² unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom oder eine niedrige Alkylgruppe. Noch besser eignen sich R¹ und R² in Form einer Methylgruppe.

Vorzugsweise stehen Z¹ und Z² zusammen mit dem benachbarten Kohlenstoffatom für eine Cyclopentadienyl- oder Benzocyclopentadienylgruppe oder Z¹ steht für ein Wasserstoffatom und Z² für eine CO₂R³- oder COR⁴-Gruppe, wobei R³ und R⁴ die oben gegebene Bedeutung besitzen und vorzugsweise niedrige Alkylgruppen darstellen. Besonders bevorzugt sind Z¹ als Wasserstoffatom und Z² als Acetylgruppe.

Daher ist ein speziell bevorzugtes Olefin der Formel VI für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren Mesityloxid, bei der insbesondere R¹ und R² Methylgruppen bedeuten und Z¹ für ein Wasserstoffatom und Z² für eine Acetylgruppe stehen.

Bevorzugt repräsentiert A in der Verbindung der Formel IV eine direkte C-C-Bindung oder ein Sauerstoffatom.

Das direkte Reaktionsprodukt nach Reaktion a) kann ein Sulfoniumsalz (VII) oder eine zwitterionische Verbindung (VIII) plus HX sein, was natürlicherweise jedoch von der Basizität des Anions X^- und dem pH-Wert des Reaktionsgemisches abhängt.

Geeignete Austrittsgruppen X sind organische Sulfonylgruppen, beispielsweise Methylsulfonyl-, Phenylsulfonyl- oder p-Toluolsulfonylgruppen, Hydroxylgruppen und insbesondere Chlor- oder Bromatome.

Hier bedeutet der Ausdruck "niedriger" für die Alkylgruppe oder eine Alkanolgruppe, daß bis zu 6, vorzugsweise bis zu 4 Kohlenstoffatome vorhanden sein sollen. Besonders bevorzugte Alkylgruppen sind Methyl- und Ethylgruppen.

Die Substitutionsreaktion a) wird geeigneterweise bei einem Temperaturbereich zwischen 0 und 100°C, insbesondere zwischen 30 und 80°C durchgeführt. Das Molverhältnis der Reaktanten ist nicht kritisch. Zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit wird im allgemeinen ein Überschuß an einem der Reaktanten verwendet. Dieser liegt üblicherweise in einem Bereich von 0,1 bis 3 Mol Überschuß pro Mol an anderem Reaktionspartner. Andere Reaktanten können ebenfalls im Überschuß verwendet werden.

Jedoch wird bevorzugt die α-substituierte Essigsäure im Überschuß eingesetzt.

Die Reaktion wird geeigneterweise im sauren pH-Bereich in Anwesenheit eines Lösungsmittels, insbesondere eines hochpolaren Lösungsmittels, beispielsweise Wasser, einer Carbonsäure - wie Essigsäure -, einem Alkohol - wie Methanol - oder einem Cyanid - wie Acetonitril - durchgeführt. Besonders geeignet sind wäßrige Reaktionsmedien, wobei das Wasser allein oder in einer Mischung mit einem wassermischbaren Colösungsmittel, beispielsweise einem niedrigen Alkanol, wie Methanol, eingesetzt wird. Günstigerweise wird ein Überschuß an einem der Reaktionspartner als Lösungsmittel verwendet.

Die Veresterungsreaktion b) kann mit jeder geeigneten Methode durchgeführt werden, beispielsweise durch direkte Reaktion mit einem Alkohol oder einem Olefin, oder durch eine Umesterung mit einem Ester in Anwesenheit eines sauren Katalysators. Ein Sulfoniumsalz VII, das entsprechend Reaktion a) dargestellt wurde, ist natürlich eine Säure und kann daher selbst als saurer Katalysator wirken, jedoch wird diese Säure während des Reaktionsverlaufs entfernt, so daß vorzugsweise zusätzliche Säure zugegeben wird. Geeignete Säuren schließen organische Säuren, wie beispielsweise p-Toluolsulfonsäure, Mineralsäuren, wie Halogenwasserstoff- und Schwefelsäure, sowie feste saure Ionaustauscherharze und Molekularsiebe ein. Niedrige Alkanole, insbesondere Methanol, werden zur Veresterung bevorzugt. Die Reaktion wird ohne wesentliche Mengen von Wasser durchgeführt, da das Wasser eine Gleichgewichtsverschiebung von der Esterseite zur Seite der freien Säure bewirkt. Wasser wird natürlich bei der Veresterungsreaktion freigesetzt, wenn ein Alkohol als Reaktant verwendet wird. Daher wird es wünschenswert sein, dieses Wasser während des Reaktionsverlaufes zu entfernen.

Die Reaktion wird in Anwesenheit eines geeigneten Lösungsmittels, beispielsweise einem niedrigen Alkanol, durchgeführt. Wo es wünschenswert erscheint, kann die Reaktion mit einem Überschuß des veresternden Agens als Lösungsmittel oder Colösungsmittel durchgeführt werden, beispielsweise mit Methanol. Die Reaktionstemperatur sollte in einem Bereich von 0 bis 100°C, insbesondere zwischen 30 und 80°C, liegen.

Für die Reaktion c) kann jede geeignete Base zur Umwandlung des Sulfoniumsalzes in das entsprechende Ylid verwendet werden. Die Base kann organischer Natur sein, beispielsweise ein tertiäres Amin, wie Triethylamin, oder ein Alkaliorganooxid, beispielsweise Natrium- oder Kalium-t-butoxid, jedoch auch anorganischer Natur, beispielsweise kann sie ein Alkalihydroxid oder -carbonat sein. Basische Ionaustauscherharze können ebenfalls verwendet werden. Bevorzugt sind Alkalihydroxide, niedrige Alkoxide und Carbonate. Vorzugsweise wird mindestens eine äquivalente Menge von Base relativ zu derjenigen des Sulfoniumsalzes eingesetzt. Die Zahl der Äquivalente an Base pro Mol des Sulfoniumsalzes liegt vorzugsweise in dem Bereich von 1 bis 5, insbesondere bewegt sie sich zwischen 1,2 bis 3. Der geeignete Temperaturbereich liegt zwischen 0 und 100°C, insbesondere zwischen 0 und 40°C. Die Reaktion wird in Anwesenheit eines inerten Lösungsmittels durchgeführt, wobei beispielsweise eine Kohlenwasserstoffverbindung wie Toluol, eine halogenierte Kohlenwasserstoffverbindung wie Dichlormethan, ein Ether wie Diethylether oder Dimethoxyethan oder ein Alkohol, insbesondere ein niedriges Alkanol, wie Methanol, verwendet wird. Die Base kann im Reaktionsmedium löslich sein, sie kann jedoch auch als Feststoff verwendet werden. Wasser kann, falls gewünscht, in der Reaktionsmischung vorhanden sein, jedoch wird im allgemeinen die Reaktion in nichtwäßriger Phase durchgeführt. Bevorzugt wird insbesondere die Verwendung von alkoholischen Lösungsmitteln. Bei Verwendung eines Alkohols als Lösungsmittel oder eines Alkoxids als Base kann eine Umesterung der Estergruppe im Sulfoniumsalz stattfinden, so daß die Estergruppe, die sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt, nicht notwendigerweise dieselbe ist, die durch Reaktion b) des Verfahrens eingeführt wurde.

Reaktion c) wird bevorzugt unter einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise unter Stickstoff, durchgeführt.

In der Reaktion d) wird das aus Reaktion c) hervorgegangene Ylid mit einem Olefin VI umgesetzt. Das Molverhältnis von Olefin zu Ylid ist nicht kritisch und, falls das Olefin flüssig ist kann dieses im Überschuß als Lösungsmittel für die Reaktion eingesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch ein Molverhältnis von Olefin zu Ylid im Bereich von 1 : 1 bis 6 : 1, insbesondere 1,05 : 1 bis 2 : 1. Als geeignete Lösungsmittel können diejenigen verwendet werden, die in Reaktion c) schon beschrieben sind. Die Reaktionstemperatur bewegt sich günstigerweise in einem Bereich von 0 bis 100°C, insbesondere zwischen 30 und 90°C, wobei die Reaktion ebenfalls unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.

Das entsprechend der Reaktion c) erhaltene Ylid kann, vor Durchführung der Reaktion d), zunächst aufgearbeitet werden, jedoch wird bevorzugt das Ylid in situ mit dem Olefin VI umgesetzt. Dies kann durch Reaktion des Sulfoniumsalzes mit einer Base in einem zur Umwandlung des Hauptteils des Salzes zum Ylid adäquaten Zeit durchgeführt werden, wonach dann das Olefin der Reaktionsmischung zugegeben wird. Alternativ dazu wird das Olefin vorzugsweise zum Sulfoniumsalz zur selben Zeit, oder bevor die Base zugegeben wird, zugeführt, so daß es mit dem gebildeten Ylid direkt reagieren kann.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Reaktionen b), c) und d) alle unter Anwesenheit desselben Lösungsmittels ohne zwischenzeitliche Isolierung der Reaktionsprodukte durchgeführt. Niedrige Alkanole eignen sich besonders gut für dieses Verfahren.

Nach Vervollständigung der Reaktion des Ylids mit dem Olefin wird die Reaktionsmischung aufgearbeitet. Das zurückgewonnene cyclische Sulfid wird der Reaktion a) wieder zugeführt. Bei Verwendung eines Sulfids und eines Olefins mit ähnlichen Siedepunkten, wie dies bei Verwendung von Thiolan und Mesityloxid der Fall ist, erweist es sich als günstig, eine Trennung der beiden Verbindungen gar nicht zu versuchen, sondern diese wieder sofort der Reaktion a) zuzuführen. Bei Verwendung eines Sulfids und eines Olefins mit unterschiedlichen Siedepunkten kann eine Trennung dieser Komponenten an dieser Stelle erfolgen; im allgemeinen ist dies jedoch nicht notwendig. Im Gegensatz zur Reaktion eines Thiolans mit einem Halogenessigsäureester ergibt die Anwesenheit eines Olefins bei Schritt a) der Reaktion keine nachteiligen Effekte.

Nach Beendigung der Reaktion a) kann zurückbleibendes cyclisches Sulfid und Olefin abgedampft oder aus der Reaktionsmischung extrahiert, aufgearbeitet und vollständig oder teilweise für die Verwendung in Reaktion d) recyclisiert werden, falls ein Olefin anwesend ist. Nicht umgesetzte α-substituierte Essigsäure und das Sulfoniumsalzprodukt können dann beispielsweise durch Ausfällen des Sulfoniumsalzes aus der Lösung voneinander getrennt werden.

Beispiel

a) Eine Mischung von Chloressigsäure (295 g, 3,12 mol), Thiolan (90 g, 1,02 mol) und Wasser (100 ml) wurden bei 50°C für 2 Stunden gerührt und dann das Wasser unter vermindertem Druck abgezogen. Anschließend wurde Aceton zugefügt. Der verbleibende Niederschlag wurde mit Hilfe der NMR-Spektroskopie als das gewünschte Produkt Hydroxycarbonylmethyltetramethylensulfoniumchlorid identifiziert und mit 81% Ausbeute isoliert. Die Formel der Verbindung lautet:

Bei Ersatz des Thiolans durch 1,4-Oxathian und Rühren der Reaktionsmischung über Nacht bei 55°C erhielt man das entsprechende Sulfoniumsalz in einer Ausbeute von 95%.

Die Wiederholung dieser allgemeinen Methode bei Verwendung von Thiolan in Gegenwart einer äquimolaren Menge von Mesityloxid ergab nach 4 Stunden das gewünschte Reaktionsprodukt mit 82% Ausbeute.

Analoge Verfahren können zur Herstellung auf die entsprechenden Bromidsalze angewandt werden.

b) Eine Lösung von Hydroxycarbonylmethyltetramethylensulfoniumchlorid (5,0 g, 28 mmol) in 20 ml Methanol wurde mit trockenem HCl bei Raumtemperatur gesättigt und bei 50°C für 45 Minuten gerührt. Die leichtflüchtigen Stoffe wurden unter vermindertem Druck abgezogen, wobei ein öliger Rückstand verblieb. NMR-Aufnahmen zeigten, daß das Produkt Methoxycarbonylmethyltetramethylensulfoniumchlorid war. Die Ausbeute betrug 87%.

Mit einem ähnlichen Verfahren wurde das 1,4-Oxathiansulfoniumsalz in seinen Methylester mit 75% Ausbeute überführt.

Analoge Verfahren können zur Darstellung der entsprechenden Ethylester und für die Herstellung von Bromidsalzen verwendet werden.

c) Eine Mischung von Ethoxycarbonylmethyltetramethylensulfoniumbromid (7,7 g, 30 mmol), Chloroform (25 ml) und gesättigte wäßrige Kaliumcarbonatlösung (18 ml) wurde bei 0 bis 5°C unter gleichzeitigem Zutropfen von 50%iger wäßriger Natriumhydroxidlösung (2,4 ml, 30 mmol) gerührt. Die Temperatur wurde dann auf 20°C erhöht und weitere 15 Minuten gerührt. Die Mischung wurde gefiltert, die obere Chloroformschicht über Kaliumcarbonat getrocknet und bei vermindertem Druck abgedampft. Der Rückstand, so zeigte die NMR-Aufnahme, war das Ylid:

Ausbeute: 67%.

d) Eine Mischung dieses Ylids (1,20 g, 5,2 mmol), Mesityloxid (1,0 g, 10,3 mmol) und Toluol (2,5 ml) wurde bei 80°C 6 Stunden gerührt. Wie die quantitative gaschromatographische Analyse der Reaktionsmischung zeigte, bestand diese mit 83% Ausbeute aus Ethyl-2,2-dimethyl-3-acetylcyclopropancarboxylat, das vorwiegend in seiner transisomeren Form vorlag. Bei Wiederholung dieses Verfahrens unter Verwendung von Chloroform und t-Butanol als Lösungsmittel anstelle von Toluol erhielt man eine Ausbeute von 69% bzw. 60%.

Die Wiederholung der beiden oben genannten Reaktionen unter Verwendung von 1,4-Oxathianverbindung als Ausgangsmaterial ergab das entsprechende Ylid mit 85% Ausbeute und die Cyclopropanverbindung mit 71% Ausbeute.

Analoge Verfahren können für die entsprechenden Chloridsalze und die Methylester angewandt werden.

Eine Mischung von Ethoxycarbonylmethyltetramethylensulfoniumchlorid (1,05 g, 5 mmol), Mesityloxid (1,45 g, 15 mmol) und t-Butanol (1,3 ml) wurden auf einem Eis/Wasserbad gerührt, während Kalium-t-butoxid (0,56 g) innerhalb von 4 Minuten zugefügt wurde. Anschließend wurde für weitere 15 Minuten gerührt und danach die Temperatur auf 50°C über eine Zeitdauer von einer Stunde erhöht. Die Mischung wurde dann für weitere 12 Stunden bei 50°C gerührt. Nach der Abkühlung wurde Toluol zugefügt und die Mischung gefiltert. Die quantitative gaschromatographische Analyse ergab, daß das Filtrat mit 60% Ausbeute aus Ethyl-2,2-dimethyl-3-acetylcyclopropancarboxylat bestand.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Cyclopropancarbonsäureesters der allgemeinen Formel in der R für C(1-6)Alkyl steht, R¹ und R² unabhängig voneinander für Wasserstoff, C(1-8)Alkyl, Benzyl, Phenyl, Alkylphenyl oder Halogenphenyl stehen oder R¹ und R² zusammen eine C(2-7)Alkylengruppe repräsentieren und in der jedes Z¹ und Z² unabhängig voneinander CO₂R³, COR⁴, CHO, CN, NO₂ oder SO₂R⁵ repräsentieren oder in der eine der Gruppen von Z¹ und Z² diese Bedeutung besitzt und die andere R⁶ bedeutet, oder in der Z¹ und Z² zusammen mit dem dazwischenliegenden Kohlenstoffatom eine Cyclopentadienyl- oder Benzocyclopentadienylgruppe repräsentieren, in der R³, R⁴ und R⁵ unabhängig voneinander für C(1-8)Alkyl, Phenyl, Alkylphenyl oder Halogenphenyl stehen und R⁶ für Wasserstoff, C(1-8)Alkyl, Phenyl, Alkylphenyl oder Halogenphenyl steht, dadurch gekennzeichnet, daß man

• a) ein cyclisches Sulfid der allgemeinen Formel bei der A eine direkte C-C-Bindung, eine CH₂-Gruppe oder ein Sauerstoffatom repräsentiert, mit einer α-substituierten Essigsäure der allgemeinen FormelX-CH₂-CO₂H, (V)in der X eine organische Sulfonylgruppe, eine Hydroxylgruppe oder ein Chlor- oder Bromatom ist, umsetzt,
• b) das erhaltene Sulfoniumsalz der allgemeinen Formel oder die erhaltene zwitterionische Verbindung der allgemeinen Formel bei denen A und X die oben angegebene Bedeutung haben, mit einem niedrigen C(1-6)Alkanol verestert,
• c) den erhaltenen Ester mit einer Base behandelt und
• d) das erhaltene Ylid mit einem Olefin der allgemeinen Formel bei der R¹, R², Z¹ und Z² dieselbe Bedeutung wie in der allgemeinen Formel III besitzen, umsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß R¹ und R² eine Methylgruppe, Z¹ und Z² zusammen mit dem dazwischenstehenden Kohlenstoffatom eine Cyclopentadienyl- oder Benzocyclopentadienylgruppe repräsentieren, oder Z¹ ein Wasserstoffatom und Z² eine CO₂R³- oder COR⁴-Gruppe sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Olefin der allgemeinen Formel VI Mesityloxid ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der allgemeinen Formel IV Thiolan ist und daß man das in Reaktion d) rückgebildete Thiolan zur Verwendung in der Reaktionsstufe a) mit nicht umgesetzten Mesityloxid recyclisiert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Beendigung der Reaktion a) jegliches überschüssiges Thiolan und Mesityloxid aus der Reaktionsmischung abdampft oder extrahiert und die umgesetzte α-substituierte Essigsäure der allgemeinen Formel V und das Sulfoniumsalz der allgemeinen Formel VII durch Ausfällen des Sulfoniumsalzes aus der Lösung trennt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen den Reaktionsschritten c) und d) nicht aufarbeitet und man das Olefin zu dem im Reaktionsschritt b) entstandenen Sulfoniumsalz gleichzeitig mit oder vor der Base zufügt.