Cyclopropancarbonsäure

Cyclopropancarbonsäure ist das kleinste Cycloalkan, das eine Carboxygruppe trägt, die direkt mit der Cyclopropylgruppe verknüpft ist. Die Verbindung ist Ausgangsstoff für pharmazeutische Wirkstoffe, Pestizide und Aromastoffe.

Strukturformel
Strukturformel von Cyclopropancarbonsäure
Allgemeines
Name Cyclopropancarbonsäure
Andere Namen
  • Cyclopropylcarbonsäure
  • Cyclopropanecarboxylic acid
Summenformel C4H6O2
Kurzbeschreibung

farblose[1] bis hellgelbe[2] Flüssigkeit

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 1759-53-1
EG-Nummer 217-162-5
ECHA-InfoCard 100.015.602
PubChem 15655
Wikidata Q2317381
Eigenschaften
Molare Masse 86,09 g·mol−1
Aggregatzustand

flüssig

Dichte

1,087 g·cm−3 bei 20 °C[1]

Schmelzpunkt
Siedepunkt

182–184 °C (1,013 hPa)[1]

pKS-Wert

4,83 (25 °C)[3]

Löslichkeit

vollständig mit Wasser mischbar,[4] löslich in Diethylether[5]

Brechungsindex

1,4390 (20 °C)[4]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[1]
Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 314
P: 280​‐​301+330+331​‐​305+351+338​‐​309+310[1]
Toxikologische Daten

172 mg·kg−1 (LD50, Maus, i.p.)[2]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Natürliche Vorkommen und Herstellung

Das Strukturelement der (3-Alkenyl-2,2-dimethyl-substiutierten)-Cyclopropancarbonsäure findet sich in den natürlich vorkommenden insektiziden Pyrethrinen und den daraus abgeleiteten synthetischen Pyrethroiden[6], sowie in der nichtproteinogenen Aminosäure Aminocyclopropancarbonsäure.[7]

Die chemische Synthese der Cyclopropancarbonsäure erfolgt durch vollständige Hydrolyse der Nitrilgruppe des Cyclopropancarbonitrils mit Schwefelsäure über die Zwischenstufe des Carbonsäureamids[8] oder biochemisch mit Enzymzubereitungen aus Rhodococcus-Stämmen[9] und liefert das Zielprodukt in 74 bis 79 %iger bzw. ca. 90%iger Ausbeute.

Cyclopropancarbonsäure Synthese aus Cyclopropancarbonitril
Cyclopropancarbonsäure Synthese aus Cyclopropancarbonitril

Bei der Luftoxidation von Cyclopropancarbaldehyd werden Ausbeuten von Cyclopropancarbonsäure bis 92 % erzielt.[10]

Eigenschaften

Cyclopropancarbonsäure ist eine organische Carbonsäure mit stechendem Geruch und einer mit der linearen C3-Säure Propionsäure (pKs = 4,87) fast identischen Acidität. In wässriger Lösung (10 g·l−1 bei 22 °C) beträgt ihr pH-Wert 3.[1] Die Verbindung löst sich in Alkoholen und in den meisten organischen Lösungsmitteln.

Anwendungen

Unter Druck (45 bar) und hohen Temperaturen (240 °C) wird aus Cyclopropancarbonsäure und Ammoniak Cyclopropancarboxamid in 90 %iger Ausbeute gebildet.[10]

Cyclopropylamin ist durch Reaktion von Cyclopropancarbonsäure mit Phosphortrichlorid zum Cyclopropancarbonylchlorid, dessen Amidierung mit Ammoniak zum Cyclopropancarboxamid und weitere Hofmann-Umlagerung mit Brom und Natronlauge (unter Bildung von Natriumhypobromit) in 82 %iger Ausbeute zugänglich.[11]

Synthese von Cyclopropylamin aus Cyclopropancarbonsäure
Synthese von Cyclopropylamin aus Cyclopropancarbonsäure

Der durch Veresterung von Cyclopropancarbonsäure mit Ethanol in 98 %iger Ausbeute erhältliche Ethylester Ethylcyclopropancarboxylat[10] ist Ausgangsstoff in der mehrstufigen Synthese des Antipsychotikums Pimozid.[12]

Höhere Ester der Cyclopropancarbonsäure eignen sich als Riechstoffe und Aromen, wie z. B. der cis-3-Hexenolester, dem ein ausgeprägtes „Regenwald“-Aroma zugeschrieben wird.[13]

Synthese von 3-cis-Hexenylcyclopropancarboxylat
Synthese von 3-cis-Hexenylcyclopropancarboxylat

Die Umsetzung des Cyclopropylcarbonsäureethylesters mit Toluol unter Friedel-Crafts-Acylierungsbedingungen liefert 2-Methyl-1-indanon in 93 %iger Ausbeute,[14]

Indanone+Isocarbostyrile aus Cyclopropancarbonsäure
Indanone+Isocarbostyrile aus Cyclopropancarbonsäure

einer Zwischenstufe für die ringerweiternde Synthese (mittels Umsetzung mit n-Butylnitrit) von Isochinolonen (auch als Isocarbostyrile[15] bezeichnet), deren Grundgerüst sich in einigen Alkaloiden wiederfindet.

Bei der Hydrierung von Cyclopropancarbonsäureethylester an einem Zinkoxid-Kontakt entsteht Cyclopropylmethanol in fast quantitativer Ausbeute,[16] das in einer Eintopfreaktion mit Salzsäure unter Ringerweiterung zum Cyclobutanol umgelagert und anschließend mit Chrom(VI)-oxid mit Ausbeuten von ca. 35 % zum Cyclobutanon oxidiert werden kann.[17]

Cyclopropylmethanol+Cyclobutanon aus Cyclopropancarbonsäure
Cyclopropylmethanol+Cyclobutanon aus Cyclopropancarbonsäure

Dieser Syntheseweg scheint einen günstigen und einfachen Zugang zu Cyclobutanon zu bieten.

Das mit Thionylchlorid aus Cyclopropancarbonsäure erhältliche Cyclopropancarbonylchlorid[10] findet Verwendung in der Synthese des Opioid-Analgetikums Buprenorphin, des Opioidantagonisten Naltrexon und des Benzodiazepins Prazepam. Es ist außerdem ein Baustein für die Herbizide Cyprazol, Cypromid und Cyclosulfamuron und das Fungizid Cyprofuram.[18]

Einzelnachweise
  1. Datenblatt Cyclopropancarbonsäure zur Synthese bei Merck, abgerufen am 28. Januar 2018.
  2. Datenblatt Cyclopropancarbonsäure bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 28. Januar 2018 (PDF).
  3. William M. Haynes: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition. CRC Press, Boca Raton, FL, U.S.A. 2017, ISBN 978-1-4987-5429-3, S. 5–90.
  4. Datenblatt Cyclopropanecarboxylic acid, 98% bei Alfa Aesar, abgerufen am 28. Januar 2018 (Seite nicht mehr abrufbar).
  5. C.M. McCloskey, G.H. Coleman: Cyclopropanecarboxylic acid In: Organic Syntheses. 24, 1944, S. 36, doi:10.15227/orgsyn.024.0036; Coll. Vol. 3, 1955, S. 221 (PDF).
  6. N. Matsuo, T. Mori (Hrsg.): Pyrethroids, From Chrysanthemum to Modern Industrial Insecticide, Topics in Current Chemistry 314. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-642-27345-2.
  7. F. Brackmann, A. de Meijere: Natural occurrence, syntheses, and applications of cyclopropyl-group-containing α-amino acids. 1. 1-Aminocyclopropanecarboxylic acid and other 2,3-methanoamino acids. In: Chem. Rev. Band 107, Nr. 11, 2007, S. 4493–4537, doi:10.1021/cr078376j.
  8. C.M. McCloskey, G.H. Coleman: Cyclopropanecarboxylic acid In: Organic Syntheses. 24, 1944, S. 36, doi:10.15227/orgsyn.024.0036; Coll. Vol. 3, 1955, S. 221 (PDF).
  9. M.A. Cohen, J. Sawden, N.J. Turner: Selective hydrolysis of nitriles under mild conditions by an enzyme. In: Tetrahedron Lett. Band 31, Nr. 49, 1990, S. 7223–7226, doi:10.1016/S0040-4039(00)97285-X.
  10. Patent US5663418: Process for the preparation of cyclopropanecarboxylic acid and derivatives thereof. Angemeldet am 27. November 1995, veröffentlicht am 2. September 1997, Anmelder: Eastman Chemical Co., Erfinder: S. Liang, T.W. Price.
  11. W. Kirmse, O. Schnurr, H. Jendralla: Desaminierungsreaktionen, 33. Reaktionen aliphatischer Diazonium-Ionen mit Lithiumazid. In: Chem. Ber. Band 112, Nr. 6, 1979, S. 2120–2144, doi:10.1002/cber.19791120621.
  12. R. Vardanyan, V. Hruby: Synthesis of Essential Drugs. Elsevier B.V., Amsterdam 2006, ISBN 978-0-444-52166-8, S. 96.
  13. Patent EP0869111A1: Cyclopropyl carboxylic acid ester and uses thereof in imparting, augmenting and enhancing aromas. Angemeldet am 6. Februar 1998, veröffentlicht am 7. Oktober 1998, Anmelder: International Flavors & Fragrances, Inc., Erfinder: M.G. Monteleone, G.I. Malcolm, M.R. Hanna, M.D. Evans.
  14. H.W. Pinnick, S.P. Brown, E.A. McLean, L.W. Zoller III: Friedel-Crafts reactions of ethyl cyclopropane carboxylate. In: J. Org. Chem. Band 46, Nr. 18, 1981, S. 3758–3760, doi:10.1021/jo00331a046.
  15. E.J. Moriconi, F.J. Creegan: 2-Hydroxy-2-methylisocarbostyril In: Organic Syntheses. 48, 1968, S. 90, doi:10.15227/orgsyn.048.0090; Coll. Vol. 5, 1973, S. 63 (PDF).
  16. Patent EP0728722A1: Verfahren zur Herstellung von Hydroxymethyl-cyclopropan. Angemeldet am 8. Februar 1996, veröffentlicht am 28. August 1996, Anmelder: Bayer AG, Erfinder: L. Frohn, R. Langer, G. Darsow, E. Zirngiebl, J.-D. Jentsch, B. Pennemann, C. Tiburtius.
  17. M. Krumpolc, J. Rocek: Cyclobutanone In: Organic Syntheses. 60, 1981, S. 20, doi:10.15227/orgsyn.060.0020; Coll. Vol. 7, 1990, S. 114 (PDF).
  18. Compendium of Pesticide Common Names, http://www.alanwood.net/pesticides/index.html
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