[0001] Ester der 2,2-Dimethyl-3-alkenyl-cyclopropylcarbonsäu- re und im Alkylenrest substituierte
Derivate sind wichtige Insektizide. Die bekanntesten Vertreter dieser Klasse sind
die in den Blütenköpfen der Pyrethrum Chrysanthemum cinerariae folium aufgefundenen
"pyrethrine", das sind Ester der Chrysanthemsäure, einer 2,2-Dimethyl-3(ß-methylpropenyl)cyclopropancarbonsäure.

die in der cis- und der trans-Form auftreten kann.
[0002] In der Literatur sind mehrere Synthesen der Chrysanthemsäure oder deren Ester beschrieben.
Da diese Synthesen über mehrere Zwischenstufen (6-11) verlaufen, sind die bekannten
Verfahren sehr zeit- und kostenaufwendig und ergeben dann, bezogen auf Ausgangsstoffe,
nur Ausbeuten von maximal 35 % (J. Ficini und J. d'Angelo, Tetrahedron Letters 1976,
2441; M. Matsui und M. Uchiyama, Agr. Biol. Chem. 26, 523 (1962); S.C. Welch und T.A.
Valdes, J. Org. Chem. 42, 2108 (1977)).
[0003] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich demgegenüber 2,2-Dimethyl-3-alkenylcyclopropancarbonsäuren
bzw. deren Ester in guten Ausbeuten und hoher Reinheit aus den billigen Ausgangsstoffen
Isobuten, Chloroform, Alkenylchlorid bzw. Butadien oder Isopren, Magnesium und Kohlendioxid
bzw. Chlorameisensäureester gewinnen.
[0004] Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit 3,3-Dimethylcyclopropen als einem Ausgangsmaterial.
3,3-Dimethylcyclopropen ist in einem Dreistufenverfahren aus Chloroform und Isobuten
in Ausbeuten von 50 bis 70 % erhältlich. Es wurde überraschend gefunden, daß sich
Alkenylmagnesiumhalogenide und Dialkenyl- und Alkendiyl- sowie Alkadiendiyl-magnesiumverbindungen
sehr leicht und in hohen Umsätzen an Dimethylcyclopropen addieren, siehe das folgende
Reaktions-Schema 1. Die erhaltene Magnesium-verbindung läßt sich durch die bekannte
Reaktion mit Kohlendioxid und anschließende Hydrolyse in hohen Ausbeuten in die entsprechenden
2,2-Dimethyl-3(Z)-alkenylcyc- lopropyl-carbonsäuren umwandeln (siehe bezüglich der
C0
2-Reaktion von Organomagnesiumverbindungen: Houben-Weyl-Müller, Methoden der Organischen
Chemie, Band 13/ IIa, S. 247, Thieme-Verlag, Stuttgart 1973).
[0005] Anstatt mit Kohlendioxid können die Magnesiumverbindungen 2 auch in an sich bekannter
Weise mit Chlorameisensäureäthylester oder anderen analogen Estern der Chlorameisensäure
zu den entsprechenden Estern der Cyclopropancarbonsäuren umgesetzt werden (bezüglich
der Reaktion von magnesiumorganischen Verbindungen mit Chlorameisensäureestern siehe
Houben-Weyl-Müller, Methoden der Organischen Chemie, Band 13/IIa, S. 462, Thieme-Verlag,
Stuttgart 1973)).

[0007] Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung von 2,2-Dimethyl-3-alkenyl-cyclopropancarbonsäuren
bzw. ihren Estern, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß man 3,3-Dimethylcyclopropen
mit Alkenylmagnesiumhalogenid und/oder Dialkenylmagnesiumverbindungen umsetzt, das
Reaktionsprodukt mit Kohlendioxid oder einem ChlorameisensäureEster umsetzt und das
jetzt angefallene Reaktionsprodukt hydrolysiert.
[0008] Die glatte Addition von Alkenylmagnesiumverbindungen an die C=C-Bindung im 3,3-Dimethylcyclopropen
ist aus folgenden Gründen außerordentlich überraschend: Infolge des besonderen Bindungscharakters
der Kohlenstoffatome der Doppelbindung im Cyclopropen wird eine Hybridisierung der
C-Atome ähnlich der sp-Hybridisierung in Acetylenderivaten angenommen. Für die C-H-Bindungen
an der Doppelbindung errechnet sich ein s-Charakter von 42 %, für 3,3-Dimethylcyclopropen
kann aus C-Resonanzmessungen auf einen s-Charakter der C-H-Bindungen von 44 % geschlossen
werden (siehe Houben-Weyl-Müller, Methoden der Organischen Chemie, Band 4/III, S.
679-681, Thieme-Verlag, Stuttgart, 1971); G.L. Closs, Proceedings Chem. Soc. 1962,
152, schreibt wörtlich:
"Hinsichtlich der =C-H-Bindungen scheinen Cyclopropene den Acetylenen ähnlicher zu
sein als Olefinen, ein Schluß, der seine chemische Berechtigung in der kürzlich beobachteten
relativ großen Acidität dieser Protonen findet."
[0009] So beträgt der s-Charakter der C-H-Bindungen im

50 %, im

44 %. und in CH
2=CH
2 nur 31 % (siehe Houben-Weyl-Müller, Band 4/III, S. 680).
[0010] Chemisch würde bedeuten, daß 3,3-Dimethylcyclopropen wie ein Alkin mit magnesiumorganischen
Verbindungen nicht unter Addition an die C-C-Mehrfach-Bindung, sondern unter Ersatz
des Wasserstoffs gegen Mg reagieren sollte. Tatsächlich haben russische Autoren (O.A
Nesmeyanova, T.Yu. Rudaschevskaya und M.Yu. Lukina, Izv. Akad. Nauk SSSR 1965, 1510,
engl. 1482) bei der Reaktion von 1,3,3-Trimethylcyclopropen mit Äthylmagnesiumbromid
die Bildung von Äthan beobachtet

[0011] Das Cyclopropenderivat verhält sich damit sehr ähnlich den 1-Alkinen, die ebenfalls
unter Äthanentwicklung und Substitution des Wasserstoffs durch Mg reagieren:

[0012] 1-Alkine sind dabei reaktionsträger als der Grundkörper, das Acetylen (siehe Houben-Weyl-Müller,
Methoden der Organischen Chemie, Band 13/IIa, S. 136, Thieme-Verlag Stuttgart, 1973).
[0013] Ein ähnliches Verhalten wie Alkylmagnesiumhalogenide zeigen Alkenylmagnesiumhalogenide.
So wurde gefunden, daß 2-Methyl-2-propenylmagnesiumchlorid mit 1-Hexin ausschließlich
unter Substitution im Sinne folgender Reaktionsgleichung reagiert:

[0014] Die russischen Autoren haben zwar in einer späteren Veröffentlichung mitgeteilt,
daß bei der Reaktion von Alkylmagnesiumhalogeniden mit 1,3,3-Trimethylcyclopropen
neben der Substitution unter Alkanentwicklung auch eine Addition der Organomagmesiumverbindung
stattfindet (M. Yu. Lukina, T. Yu. Rudavshevskaya und O. A. Nesmeyanova, Dohlady Akad.
Nauk SSSR 190, 1109 engl. 133). Beim Übergang vom 1,3,3-Trimethylcyclopropan zum 3,3-Dimethylcyclopropen
war jedoch wie beim Übergang von einem Alkylacetylen zum Acetylen eine weitere Zunahme
der Acidität des Wasserstoffs und damit ein Uberhandnehmen der Substitutionsreaktion
gegenüber der Addition zu erwarten, und zwar durch den induktiven Effekt der Methylgruppe.
Beim Vergleich von Acetylen mit 1-Alkinen ist dieser Effekt nachgewiesen (siehe Houben-Weyl-Müller,
Methoden der Organischen Chemie, Band 13/IIa, S. 136, 138, Thieme-Verlag).
[0015] Völlig überraschend unterbleibt die Substitutionsreaktion bei der Reaktion von 3,3-Dimethylcyclopropen
mit Alkenylmagnesiumverbindungen. Bei der Hydrolyse der Reäktionsprodukte wurden nur
die entsprechenden 1-Alkenyl-2,2-dimethylcyclopropane und kein 3,3-Dimethylcyclopropen
erhalten, das sich durch Hydrolyse des Substitutionsproduktes hätte zurückbilden sollen:

[0016] Die Addition der Organomagnesiumverbindung an Dimethylcyclopropen kann bei Temperaturen
zwischen -20° und +100°C, vorzugsweise zwischen -10° und +40°C, in inerten Lösungsmitteln,
z.B. aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, z.B. Pentan, Hexan, Heptan,
Benzol, Toluol oder in offenkettigen oder cyclischen Äthern, z.B. Dimethyl-, Diäthyl-,
Diisopropyl- oder Dibutyläther, Tetrahydrofuran, Dimethyoxyäthan, Diglyme oder Dioxan,
durchgeführt werden. Die Umsetzung der primär anfallenden Additionsprodukte mit C0
2 oder dem Chlorameisensäureester erfolgt in an sich bekannter Weise, siehe hierzu
die zuvor zitierten Literaturstellen.in Houben-Weyl-Müller, Band 13/IIa. Auch die
abschließende Hydrolyse erfolgt in an sich bekannter Weise, z.B. bei Temperaturen
von O°C bis Raumtemperatur in wäßrig saurem Medium, vorzugsweise unter gleichzeitiger
Auflösung des abgespaltenen Magnesiums als Salz in der wäßrigen Lösung. Alkendiylmagnesium
und Alkadienylmagnesium reagieren trotz des Vorhandenseins zweier Mg-C-Bindungen im
ungesättigten Rest überwiegend nur im Molverhältnis 1:1 mit Dimethylcyclopropan, z.B.
polymeres, aus Butadien und Mg leicht zugängliches 2-Butendiylmagnesium:

oder

Das für die Synthese benötigte Dimethylcyclopropen kann auf einem einfachen Syntheseweg
aus den leicht zugänglichen Ausgangsstoffen Isobuten und Chloroform in guten Ausbeuten
erhalten werden. Das Syntheseprinzip ist in dem folgenden Schema 2 dargestellt:

[0017] Durch Addition von Methallylmagnesiumchlorid an 3,3-Dimethylcyclopropen und anschließende
Reaktion mit Kohlendioxid und Hydrolyse wird Cis-iso-Chrysanthemsäure in 67 % Ausbeute,
durch Reaktion mit Chlorameisensäureester der Cis-iso-Chrysanthemsäureäthylester in
> 70% Ausbeute rein erhalten.

[0018] Durch Zugabe von einigen Tropfen Säure, z.B. konz. H
2SO
4 in Dioxan isomerisiert der Ester der Cis-iso-Chrysanthemsäure in den Äthylester der
cis-Chrysanthemsäure. Erhitzt man den Äthylester der cis-Chrysanthemsäure mit einer
Lösung von Natriumäthylat in Äthanol, so bildet sich quantitativ trans-Chrysanthemsäureäthylester.

[0019] Durch Säurekatalyse können im erfindungsgemäßen Verfahren zunächst erhaltene Verbindungen
mit ß-ständiger Doppelbindung dann zu Verbindungen mit α-ständiger Doppelbindung isomerisiert
werden, wenn im primär erhaltenen Reaktionsprodukt noch mindestens ein Wasserstoffatom
in α-Stellung vorhanden ist, z.B.

[0020] Aus 3,3-Dimethylcyclopropen und 2-Methyl-2-propenyl- magnesiumchlorid können nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren wahlweise cis- oder trans-Chrysanthemsäure bzw. deren
Ester in 60 bis 75 % Ausbeute erhalten werden.
Allgemeines Ausführungsbeispiel 1:
[0021] Zu einer etwa 1 bis 3 n Lösung der entsprechenden Alkenylmagnesiumverbindung in einem
Äther wird eine äquivalente Menge 3,3-Dimethylcyclopropens in 40 ml des gewählten
Lösungsmittels bei O°C unter Rühren innerhalb von 2 Std. getropft, anschließend läßt
man auf Raumtemperatur erwärmen. Dann gießt man die Reaktionslösung auf festes Kohlendioxid,
läßt wiederum erwärmen, säuert mit 1 n Salzsäure an, trennt die organische Phase ab,
wäscht die Wasserphase nochmal mit wenig Äther nach. Zu den vereinigten Ätherphasen
gibt man 50 ml 2 n Natronlauge, schüttelt gut durch und trennt die wäßrige Phase ab,
überschichtet diese mit 50 ml Äther, gibt so lange 5 %ige Salzsäure zu, bis die Lösung
sauer reagiert und äthert die wäßrige Phase mehrmals aus. Die vereinigten Ätherphasen
werden über Na
2SO
4 getrocknet und fraktionierend destilliert.
[0022] Die in Tabelle 1 aufgefundenen Säuren werden in dieser Weise und mit den in der Tabelle
angegebenen Reinheiten und Ausbeuten hergestellt.

Beispiel 2:
[0023] Cis-iso-Chrysanthemsäureäthylester:
Zu 125 mmol Methallylmagnesiumchlorid in 40 ml Diäthyl- äther wurden bei 0°C 8,5 g
(125 mmol) 3,3-Dimethylcyclopropen in 40 ml Äther innerhalb von 2 Std. zugetropft.
Anschließend ließ man unter Erwärmen der Reaktionsmischung bis auf 20°C nachrühren.
Die Reaktionslösung wurde dann zu einer Lösung von 138 mmol Chlorameisensäureäthylester
in 80 ml Äther innerhalb 2 Std. bei 20°C getropft. Bei O°C wurden zunächst Wasser,
dann 5 ml konz. Schwefelsäure zugesetzt und kräftig gerührt. Nach Abtrennen der ätherischen
Phase wurde die wäßrige Phase nochmals mit Äther ausgeschüttelt, die vereinigten ätherischen
Phase wurden mit Wasser gewaschen und über Na2S04 getrocknet. Der Äther wurde über eine 50 cm Vigreux-Kolonne abdestilliert. Bei der
anschließenden fraktionierenden Destillation wurden bei 43° bis 46°C/0.001 Torr 16,3gcis-iso-Chrysanthemsäureäthylester
erhalten in 97 %iger Reinheit. Das gaschromatografische Retentionsverhalten und das
1H-NMR-Spektrum entsprechen dem einer authentischen Probe. Die Ausbeute betrug 65 %.
Beispiel 3:
[0024] Cis-Chrysanthemsäureäthylester:
1,5 g des nach Beispiel 2 erhaltenen cis-iso-Chrysanthemsäureesters wurden in 5 ml
Dioxan mit 1 Tropfen konz. H2SO4 versetzt und 4 Std. auf 80°C erwärmt. Man erhielt cis-Chrysanthemsäureäthylester
in 92 %iger Reinheit.
Beispiel 4:
[0025] 24,3 g Magnesiumspäne (1 Mol) wurden in 200 ml THF suspendiert und durch Zugabe von
2 ml Äthylbromid aktiviert. Es wird auf 40 bis 50°C (Badtemperatur) aufgeheizt und
eine Lösung von 108 g ( 2 Mol) Butadien in 200 ml THF in solchem Maße zugetropft,
daß sich bei starkem Butadienrückfluß in einem auf -10°C gekühlten Kühler eine Innentemperatur
von 30°bis 40°C einstellt (Zutropfgeschwindigkeit ca. 40 ml/Std.). Es entstand 2-Buten-1,4-diylmagnesium
in Form einer breiigen Suspension eines hellgelben, in THF schwerlöslichen Feststoffes.
[0026] 22,2 g (100 mMol) 2-Buten-1,4-diylmagnesium und 6,8 g (100 mMol) Dimethylcyclopropen
wurden 24 Stunden in 60 ml THF bei 20 bis 22°C gerührt. Die Ausgangsmagnesiumverbindung
ging während der ersten Stunden in Lösung, das Reaktionsprodukt fiel anschließend
als gelber Niederschlag wieder aus. Bei 20°C/0,1 Torr wurde alles Flüchtige abgezogen,
der Rückstand in 100 ml THF suspendiert und zu festem CO
2 im Überschuß gegeben. Nach Erwärmen auf 20°C wurde THF im Vakuum abgezogen, der rückbleibende
Feststoff in Äther aufgeschlemmt und mit verdünnter Salzsäure hydrolysiert. Die entstandene
Dicarbonsäure wurde mit siedendem Äther extrahiert. Vom Ätherextrakt wurde das Lösungsmittel
abdestilliert, der ruckbleibende Feststoff mit Pentan gewaschen und filtriert. Man
erhielt 10,5 g Dicarbonsäure folgender Struktur:

2,2-Dimethyl-3(Z)-[α(carboximethyl) - allyl]-cyclopropylcar- bonsäure
Die Ausbeute betrug 49 %, Schmelzpunkt 173°C.
C11H1604 (212) C gef. 62,46 % Ber. 62,26% H gef. 7,64 % Ber. 7,55 %
Massenspektrum: m/e = kein M+, 194 (M+ - H20), 166, 152, 113, 95, 79, 67, 55, 41, 27.
1H-NMR (80 MHz, D8-THF) :γ= 4.20 (m, CH= ), 5.00 (m CH= <trans>, 5.15 (m, CH=<cis> , 6,88 (m, CH<Allyl>)
7,71 (a, CH2) . 8,52 (α. 1-CH; J (H1 - H3) = 9.0 Hz), 8,73 (s, CH3) 8,87 (s, CH3), 8,93 (m, 3-CH).
Beispiel 5:
[0027] Zu 50 mMol 2,6-Octadien-1,8-diylmagnesium in 30 ml THF ließ man bei 20°C 6,8 g (100
mMol) Dimethylcyclopropen in 30 ml THF während 2 Stunden unter Rühren zutropfen. Nach
60 Stunden Reaktionszeit wurde die Lösung mit weiteren 150 ml THF verdünnt, die THF-Lösung
tropfte man zu festem C0
2 innerhalb 0,5 Stunden. Nach Erwärmen auf 20°C wurde bei 20°C/0,1 Torr alles Flüchtige
abgezogen. Den zurückbleibenden farblosen Feststoff versetzte man mit 15 ml Eisessig
und erwärmte auf 50°C. Nach Zugabe von 250 ml H
20 wurde mehrmals mit Äther extrahiert und dann nach Phasentrennung der Äther abdestilliert.
Zum sirupösen Rückstand wurden 200 ml Pentan gegeben, der ausfallende weiße Niederschlag
abfiltriert und getrocknet. Man erhält 2,2 g 2,5-(Z)-Bis-(2,2-dimethyl-3-carboxidcyclopropyl)-1,7-octadien
(Ausbeute 13,2 %)

[0028] Aus der Addition beider Mg-C-Bindungen an Dimethylcyclopropan; Ausbeute 13,2 %.
C20H30O4 (334) C gef. 71,76 % ber. 71,85 % Schmelzpunkt 283°C H gef. 9,2 % ber. 8,98 %
Massenspektrum: m/e = kein M+, 319 (M+ -CH3) , 316 (M+ - H2O) , 113.
1H- NMR (80 MHz, D8 - THF) :γ= 0,1 (s, OH), 4,32 (m, CH=), 5,07 (m, CH=<trans]), 5,12 (m, CH=<cis>, 7,43
(m, CH<Allyl>), 8,58 (α, CH<C'propyl>, benachbart COOH), J (H1 - H3) = 9,0 Hz, 8,73 (s, CH3), 8,87 (s, CH3)
[0029] Das Pentanfiltrat wurde im Vakuum vom Lösungsmittel befreit, aus dem zurückbleibenden
Sirup erhält man 8 g bei 175° bis 185°C/0,001 Torr übergehendes Destillat, das als

3-(2,2-dimethyl-3-carb- oxicyclopropyl)-octa-1,7-dien-6-carbonsäure identifiziert
wurde (Ausbeute: 60 %).
[0030] Massenspektrum (70 eV):
m/e = kein
M+, 248 (M
+ - H
20), 222 (M
+ - CO
2), 204, 113.
1.) Verfahren zur Herstellung von 2,2-Dimethyl-3-alkenyl- cyclopropancarbonsäuren
bzw. ihren Estern, dadurch gekennzeichnet, daß man 3,3-Dimethylcyclopropen mit Alkenylmagnesiumhalogenid
und/oder Dialkenylmagnesium-Verbindungen umsetzt, die gebildeten Additionsprodukte
mit Kohlendioxid oder einem Chlorameisensäureester zur Reaktion bringt und das erhaltene
Reaktionsprodukt hydrolysiert.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Addition der Alkenylmagnesiumverbindung
an das 3,3-Dimethylcyclopropen bei Temperaturen von -20° bis +100°C, vorzugsweise
bei -10° bis +40°C, durchführt und dabei zweckmäßigerweise die Reaktanten in einem
inerten Lösungsmittel gelöst zur Umsetzung bringt.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß man Alkenylmagnesiumverbindungen
einsetzt, in denen der Alkenylrest einfach oder mehrfach olefinisch ungesättigt und
dabei geradkettig oder verzweigt ist und vorzugsweise 2 bis 20, insbesondere 2 bis
15 C-Atome , aufweist, wobei als Dialkenylmagnesiumverbindungen insbesondereauch einfach
oder mehrfach olefinisch ungesättigte Alkendiylmagnesiumverbindungen eingesetzt werden
können.
4.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man primär anfallende
Umsetzungsprodukte mit einer olefinischen Doppelbindung in ß-Stellung des Alkenylrestes
in an sich bekannter Weise zu entsprechenden Verbindungen mit α-ständiger olefinischer
Doppelbindung isomerisiert und auf diese Weise insbesondere Reaktionsprodukte vom
Typ der Chrysanthemsäure bzw. ihrer Ester gewinnt.
5.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die primär stereospezifisch
in cis-Stellung anfallenden Reaktionsprodukte in an sich bekannter Weise zu Reaktionsprodukten
mit trans-Stellung isomerisiert.
6.) Verfahren zur Herstellung von 2,2-Dimethyl-3-alkenyl- cyclopropancarbonsäuren
der allgemeinen Formel

worin R eine gerade oder verzweigte Alkenyl- bzw. Alkendiyl- oder Alkadienvl- bzw.
Alkadiendiylgruppe mit bis zu 20 C-Atomen bedeutet bzw. ihre Ester, dadurch gekennzeichnet,
daß man 3,3-Dimethylcyclopropen mit einer Alkenyl-Magnesium-Verbindung der allgemeinen
Formel RMgX bzw. MgRMg, worin R obige Bedeutung hat und X Chlor, Brom oder Jod darstellt
oder die gleiche Bedeutung wie R hat, bei Temperaturen von -20°C bis +100°C, vorzugsweise
bei -10
0 bis +40
oC, zweckmäßig in einem inerten Lösungsmittel umsetzt, das gebildete Additionsprodukt
mit Kohlendioxid oder einem Chlorameisensäureester zur Reaktion bringt und hierauf
hydrolysiert, gegebenenfalls primär anfallende Umsetzungsprodukte mit einer olefinischen
Doppelbindung in ß-Stellung der Alkenylgruppe zu entsprechenden in α-Stellung ungesättigten
Verbindungen und/oder die primär stereospezifisch in cis-Stellung anfallenden Reaktionsprodukte
zu entsprechenden trans-Verbindungen isomerisiert.