DE102005035103A1

DE102005035103A1 - Verfahren zur Herstellung von Onium-Salzen mit Tetrafluoroborat-Anion mit reduziertem Halogenid-Gehalt

Info

Publication number: DE102005035103A1
Application number: DE200510035103
Authority: DE
Inventors: Nikolai Dr. Ignatiev; Urs Dr. Welz-Biermann; Andriy Dr. Kucheryna; Helge Prof. Dr. Willner
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Onium-Salzen mit Tetrafluoroborat-Anion durch Umsetzung eines Onium-Halogenids mit einem Sulfonium-Tetrafluoroborat.

Description

Eine große Anzahl von Onium-Salzen sind ionische Flüssigkeiten. Ionische Flüssigkeiten stellen durch Ihre Eigenschaften in der modernen Forschung eine wirksame Alternative zu traditionellen flüchtigen organischen Solventien für die organische Synthese dar. Die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten als neues Reaktionsmedium könnte weiterhin eine praktische Lösung sowohl für die Lösungsmittel-Emission als auch für Probleme in der Wiederaufbereitung von Katalysatoren sein (R. Sheldon „Catalytic reactions in ionic liquids", Chem. Commun., 2001, 2399–2407; M.J. Earle, K.R. Seddon "Ionic liquids. Green solvent for the future", Pure Appl. Chem, 72 (2000), 1391–1398; P. Wasserscheid, W. Keim „Ionische Flüssigkeiten – neue Lösungen für die Übergangsmetallkatalyse", Angew. Chem, 112 (2000), 3926–3945; T. Welton „Room temperature ionic liquids. Solvents for synthesis and catalysis", Chem. Rev., 92 (1999), 2071–2083 oder R. Hagiwara, Ya. Ito „Room temperature ionic liquids of alkylimidazolium cations and fluoroanions", J. Fluorine Chem, 105 (2000), 221–227).

Ionische Flüssigkeiten oder flüssige Salze sind ionische Spezies, die aus einem organischen Kation und einem in der Regel anorganischen Anion bestehen. Sie enthalten keine neutralen Moleküle und weisen meistens Schmelzpunkte kleiner 373 K auf. Der Schmelzpunkt kann jedoch auch höher liegen, ohne die Anwendbarkeit der Salze auf allen Anwendungsgebieten zu beschränken. Beispiele für organische Kationen sind unter anderem Tetraalkylammonium, Tetraalkylphosphonium, N-Alkylpyridinium, 1,3-Dialkylimidazolium oder Trialkylsulfonium. Unter einer Vielzahl von geeigneten Anionen sind beispielsweise BF₄ ^–, PF₆ ^–, SbF₆ ^–, NO₃ ^–, CF₃SO₃ ^–, (CF₃SO₂)₂N^–, ArylSO₃ ^–, CF₃CO₂ ^–, CH₃CO₂ ^– oder Al₂Cl₇ ^– zu nennen.

Die Eigenschaften der ionischen Flüssigkeiten, beispielsweise der Schmelzpunkt, die thermische und elektrochemische Stabilität oder Viskosität, werden durch die Auswahl der Kationen und Anionen bestimmt.

Ionische Flüssigkeiten sind nicht flüchtige Materialien und können daher nicht durch herkömmliche Methoden der Aufreinigung, wie beispielsweise der Destillation, gereinigt werden, weil sie für die meisten organischen Lösungsmittel entwickelt wurden.

Daher ist bei Verfahren zur Herstellung von Onium-Salzen, insbesondere ionischer Flüssigkeiten mit Tetrafluoroborat-Anion, die Technologie von entscheidender Bedeutung, damit diese durch die Reaktion per se oder die Reaktionsführung mit geringen Verunreinigungen synthetisiert werden können. Eine vorwiegend vorhandene Verunreinigung in bekannten ionischen Flüssigkeiten sind Halogenid-Ionen. Ist der Anteil an Halogenid-Ionen, beispielsweise Chlorid-Ionen, größer als 1000 ppm (0,1 %), so reduziert sich die Anwendbarkeit der ionischen Flüssigkeit, insbesondere in der Anwendung für elektrochemische Prozesse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war dementsprechend ein alternatives Verfahren zur Herstellung von Onium-Tetrafluoroboraten mit geringem Chlorid-Gehalt zur Verfügung zu stellen, welches zu Produkten mit hoher Reinheit in guter Ausbeute führt und auch für eine großtechnische Produktion geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Gegenstand der Erfindung ist demgemäss ein Verfahren zur Herstellung von Onium-Tetrafluoroboraten durch Umsetzung eines Onium-Halogenids mit einem Sulfonium-Tetrafluoroborat.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Verbesserung der bekannten Syntheseverfahren für Onium-Tetrafluoroborate, die in der Regel 2-Stufen-Verfahren sind, wie in P. Wasserscheid und W. Keim, Angew. Chem. 112 (2000), 3926–3945 beschrieben. Im ersten Schritt der bekannten Verfahren wird eine organische Base, typischerweise ein Amin, Phosphin oder eine heterocyclische Verbindung, mit einem Alkylhalogenid alkyliert und das entstehende Onium-Halogenid im zweiten Schritt über einen Anionenaustausch in das Tetrafluoroborat umgewandelt.

In der zweiten Stufe wird das Halogenid, beispielsweise 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid oder -bromid, mit NaBF₄ in Aceton nach S. Park und R. J. Kazlauskas, J. Organic Chemistry, 66 (2001), 8395–8401, mit NaBF₄ in Wasser nach R. Karmakar und A. Samanta, J. Phys. Chem. A, 106 (2002), 6670–6675, mit AgBF₄ oder HBF₄ in Wasser nach J. D. Holbrey und K. R. Seddon, J. Chem. Soc., Dalton Trans., (1999), 2133–2139, mit NH₄BF₄ in Aceton nach J. Fuller et al, J. Electrochem. Soc., 144 (1997), 3881–3885, mit HBF₄ in Methanol nach T. Nishida et al, J. of Fluorine Chem, 120 (2003), 135–141 oder mit NH₄BF₄ unter Mikrowellenbestrahlung nach V.V. Namboodiri und R. S. Varma, Tetrahedron Lett., 43 (2002), 5381–5383 umgesetzt.

Alle bekannten Verfahren haben einen Nachteil, insbesondere für eine großtechnische Synthese. Silbertetrafluoroborat ist beispielsweise ein teures Reagenz. Die Umsetzungen mit NaBF₄, NH₄BF₄ und HBF₄ in Wasser erfordern einen Aufreinigungsschritt, eventuell durch Verwendung von AgBF₄ oder Adsorbentien. HBF₄ in Methanol ist nicht kommerziell erhältlich und ist teurer als wässrige HBF₄, die wiederum kommerziell erhältlich ist. Bei der Umsetzung in wässriger HBF₄ entsteht jedoch die Halogenwasserstoffsäure als Nebenprodukt, die aus dem Endprodukt nicht durch Destillation entfernt werden kann, da sich im Wasser zwei Salze und zwei Säuren im Gleichgewicht befinden. Die erhaltenen Onium-Tetrafluoroborate enthalten zwangsläufig immer einige Prozente an Halogenidionen, dokumentiert durch Untersuchungen von N.M.M Mateus et al, Green Chemistry, 5 (2003), 347–352.

Überraschenderweise wurde ein einfaches Verfahren entwickelt. Bei der Umsetzung eines Onium-Halogenids, beispielsweise einem Chlorid, Bromid oder Iodid mit einem Sulfonium-Tetrafluoroborat, entstehen daher Onium Tetrafluoroborate, Alkylhalogenide und Dialkylsulfide als Nebenprodukte, die entweder Gase oder leicht flüchtige Verbindungen sind und ohne großen prozesstechnischen Aufwand aus der Reaktionsmischung entfernt werden können. Einige dieser Nebenprodukte sind selbst wertvolle Materialien für organische Synthesen.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Synthese einer Vielzahl von Tetrafluoroborat-Salzen, wobei unterschiedliche Substituenten, beispielsweise Alkylgruppen, am Onium-Kation vorliegen können, sogenannte unsymmetrische Verbindungen. Die neue Methode kann jedoch auch zur Reinigung von Tetrafluoroboraten verwendet werden, die Chlorid-, Bromid- oder Iodid-Anionen als Verunreinigungen enthalten. Man erhält so ionische Flüssigkeiten mit Tetrafluoroborat-Anionen in hoher Qualität ohne den Einsatz von teuren Materialien wie Silbertetrafluoroborat bzw. ohne Verunreinigungen an Silberkationen.

Geeignete Onium-Halogenide sind Ammoniumhalogenide, Phosphoniumhalogenide, Thiouroniumhalogenide, Guanidiniumhalogenide oder Halogenide mit heterocyclischem Kation, wobei die Halogenide aus der Gruppe Chloride, Bromide oder Iodide ausgewählt werden können. Bevorzugt werden im erfindungsgemäßen Verfahren Chloride oder Bromide eingesetzt.

Die Onium-Halogenide sind in der Regel kommerziell erhältlich oder können nach Syntheseverfahren hergestellt werden, wie sie aus der Literatur, z.B. in den Standardwerken wie Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart oder Richard C. Larock, Comprehensive Organic Transformations, 2nd Edition, Wiley-VCH, New York, 1999 bekannt sind. Dabei kann man auch von an sich bekannten, hier nicht näher erwähnten Varianten Gebrauch machen.

Onium-Halogenide, wie zuvor oder später beschrieben, werden bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt.

Ammonium- oder Phosphoniumhalogenide können beispielsweise durch die Formel (1) [XR₄]⁺ Hal^– (1),beschrieben werden,
wobei
X N, P
Hal Cl, Br oder I und
R jeweils unabhängig voneinander
H, wobei nicht alle Substituenten R gleichzeitig H sein dürfen,
geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1–20 C-Atomen,
geradkettiges oder verzweigtes Alkenyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Doppelbindungen,
geradkettiges oder verzweigtes Alkinyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Dreifachbindungen,
gesättigtes, teilweise oder vollständig ungesättigtes Cycloalkyl mit 3–7 C-Atomen, das mit Alkylgruppen mit 1–6 C-Atomen substituiert sein kann bedeutet,
wobei ein oder mehrere R teilweise oder vollständig mit F substituiert sein können, wobei jedoch nicht alle vier oder drei R vollständig mit F substituiert sein dürfen,
und wobei ein oder zwei nicht benachbarte und nicht α-ständige Kohlenstoffatome des R, durch Atome und/oder Atomgruppierungen ausgewählt aus der Gruppe -O-, -S-, -S(O)- oder -SO₂- ersetzt sein können.

Ausgeschlossen sind jedoch Verbindungen der Formeln (1), in denen alle vier oder drei Substituenten R vollständig mit Halogenen substituiert sind, beispielsweise Tris(trifluormethyl)methylammoniumchlorid, Tetra(trifluormethyl)ammoniumchlorid oder Tetra(nonafluorbutyl)ammoniumchlorid, Tris(trifluormethyl)methylphosphoniumchlorid, Tetra(trifluormethyl)phosphoniumchlorid oder Tetra(nonafluorbutyl)phosphoniumchlorid.

Thiouroniumhalogenide können beispielsweise durch die Formel (2) [(R¹R²N)-C(=SR⁷)(NR³R⁴)]⁺ Hal^– (2)und Guanidiniumhalogenide können beispielsweise durch die Formel (3) [C(NR¹R²)(NR³R⁴)(NR⁵R⁶)]⁺ Hal^– (3),beschrieben werden,
wobei
Hal bei Formel (2) Br oder I bedeutet und bei Formel (3) Cl, Br oder I bedeutet, und
R¹ bis R⁷ jeweils unabhängig voneinander
Wasserstoff oder CN, wobei Wasserstoff für R⁷ ausgeschlossen wird,
geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1 bis 20 C-Atomen,
geradkettiges oder verzweigtes Alkenyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Doppelbindungen,
geradkettiges oder verzweigtes Alkinyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Dreifachbindungen,
gesättigtes, teilweise oder vollständig ungesättigtes Cycloalkyl mit 3–7 C-Atomen, das mit Alkylgruppen mit 1–6 C-Atomen substituiert sein kann, bedeutet,
wobei ein oder mehrere der Substituenten R¹ bis R⁷ teilweise oder vollständig mit F substituiert sein können, wobei jedoch nicht alle Substituenten an einem N-Atom vollständig mit F substituiert sein dürfen,
wobei die Substituenten R¹ bis R⁷ paarweise durch Einfach- oder Doppelbindung miteinander verbunden sein können
und wobei ein oder zwei nicht benachbarte und nicht direkt am Heteroatom gebundene Kohlenstoffatome der Substituenten R¹ bis R⁶ durch Atome und/oder Atomgruppierungen ausgewählt aus der Gruppe -O-, -S-, -S(O)- oder -SO₂- ersetzt sein können.

Halogenide mit heterocyclischem Kation können beispielsweise durch die Formel (4) [HetN]⁺ Hal^– (4)beschrieben werden, wobei
Hal Cl, Br oder I und
HetN⁺ ein heterocyclisches Kation, ausgewählt aus der Gruppe

bedeutet, wobei die Substituenten
R^1' bis R^4' jeweils unabhängig voneinander
Wasserstoff oder CN,
geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1–20 C-Atomen,
geradkettiges oder verzweigtes Alkenyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Doppelbindungen,
geradkettiges oder verzweigtes Alkinyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Dreifachbindungen,
Dialkylamino mit Alkylgruppen mit 1–4 C-Atomen, welches jedoch nicht am Heteroatom des Heterocyclus gebunden vorliegt,
gesättigtes, teilweise oder vollständig ungesättigtes Cycloalkyl mit 3–7 C-Atomen, das mit Alkylgruppen mit 1–6 C-Atomen substituiert sein kann oder Aryl-C₁-C₆-alkyl bedeutet,
wobei die Substituenten R^1' und R^4' teilweise oder vollständig mit F substituiert sein können, wobei jedoch nicht gleichzeitig R^1' und R^4' CN sind oder vollständig mit F substituiert sein dürfen,
wobei die Substituenten R^2' und R^3' teilweise oder vollständig mit Halogenen oder teilweise mit NO₂ oder CN substituiert sein dürfen,
und wobei ein oder zwei nicht benachbarte und nicht direkt am Heteroatom gebundene Kohlenstoffatome der Substituenten R^1' bis R^4', durch Atome und/oder Atomgruppierungen ausgewählt aus der Gruppe -O-, -S-, -S(O)- oder -SO₂- ersetzt sein können.

Unter vollständig ungesättigten Substituenten werden im Sinne der vorliegenden Erfindung auch aromatische Substituenten verstanden.

Als Substituenten R und R¹ bis R⁷ der Verbindungen der Formeln (1) bis (3) kommen erfindungsgemäß dabei neben Wasserstoff bevorzugt in Frage: C₁- bis C₂₀-, insbesondere C₁- bis C₁₄-Alkylgruppen, und gesättigte oder ungesättigte, d.h. auch aromatische, C₃- bis C₇-Cycloalkylgruppen, die mit C₁- bis C₆-Alkylgruppen substituiert sein können, insbesondere Phenyl.

Die Substituenten R und R¹ bis R⁷ können jedoch ebenfalls durch weitere funktionelle Gruppen substituiert sein, beispielsweise durch CN, SO₂R', SO₂OR' oder COOR'. R' bedeutet nicht, teilweise oder perfluoriertes C₁- bis C₆ Alkyl, C₃- bis C₇-Cycloalkyl, unsubstituiertes oder substituiertes Phenyl.

Die Substituenten R in den Verbindungen der Formel (1) können dabei gleich oder verschieden sein. Bevorzugt sind drei Substituenten in Formel (1) gleich und ein Substituent verschieden.

Der Substituent R ist insbesondere bevorzugt Methyl, Ethyl, Isopropyl, Propyl, Butyl, sek.-Butyl, Pentyl, Hexyl, Octyl, Decyl oder Tetradecyl.

Bis zu vier Substituenten des Guanidinium-Kations können auch paarweise derart verbunden sein, dass mono-, bi- oder polycyclische Kationen entstehen.

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind Beispiele für solche Guanidinium-Kationen:

oder

, wobei die Substituenten R¹ bis R³ und R⁶ eine zuvor angegebene oder besonders bevorzugte Bedeutung haben können.

Gegebenenfalls können die Carbocyclen oder Heterocyclen der zuvor angegebenen Guanidinium-Kationen noch durch C₁- bis C₆-Alkyl, C₁- bis C₆-Alkenyl, NO₂, F, Cl, Br, I, C₁-C₆-Alkoxy, SCF₃, SO₂CH₃, SO₂CF₃, COOR'', SO₂NR''₂, SO₂X', SO₃R'', substituiertes oder unsubstituiertes Phenyl substituiert sein, wobei X' und R'' eine zuvor oder später angegebene Bedeutung haben.

Bis zu vier Substituenten des des Thiouroniumkations [(R¹R²N)-C(=SR⁷)(NR³R⁴)]⁺ können auch paarweise derart verbunden sein, dass mono-, bi- oder polycyclische Kationen entstehen.

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind Beispiele für solche Kationen im folgenden angegeben:

oder

, wobei die Substituenten R¹, R³ und R⁷ eine zuvor angegebene oder besonders bevorzugte Bedeutung haben können. Gegebenenfalls können die Carbocyclen oder Heterocyclen der zuvor angegebenen Guanidinium-Kationen noch durch C₁- bis C₆-Alkyl, C₁- bis C₆-Alkenyl, NO₂, F, Cl, Br, I, C₁-C₆-Alkoxy, SCF₃, SO₂CH₃, SO₂CF₃, COOR'', SO₂NR''₂, SO₂X', SO₃R'', substituiertes oder unsubstituiertes Phenyl substituiert sein, wobei X' und R'' eine zuvor oder später angegebene Bedeutung haben.

Die C₁-C₁₄-Alkylgruppe ist beispielsweise Methyl, Ethyl, Isopropyl, Propyl, Butyl, sek.-Butyl oder tert.-Butyl, ferner auch Pentyl, 1-, 2- oder 3-Methylbutyl, 1,1-, 1,2-oder 2,2-Dimethylpropyl, 1-Ethylpropyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, Nonyl, Decyl, Undecyl, Dodecyl, Tridecyl oder Tetradecyl. Gegebenenfalls perfluoriert, beispielsweise als Difluormethyl, Trifluormethyl, Pentafluorethyl, Heptafluorpropyl oder Nonafluorbutyl.

Ein geradkettiges oder verzweigtes Alkenyl mit 2 bis 20 C-Atomen, wobei auch mehrere Doppelbindungen vorhanden sein können, ist beispielsweise Vinyl, Allyl, 2- oder 3-Butenyl, Isobutenyl, sek.-Butenyl, ferner 4-Pentenyl, iso-Pentenyl, Hexenyl, Heptenyl, Octenyl, -C₉H₁₇, -C₁₀H₁₉ bis -C₂₀H₃₉; vorzugsweise Allyl, 2- oder 3-Butenyl, Isobutenyl, sek.-Butenyl, ferner bevorzugt ist 4-Pentenyl, iso-Pentenyl oder Hexenyl.

Ein geradkettiges oder verzweigtes Alkinyl mit 2 bis 20 C-Atomen, wobei auch mehrere Dreifachbindungen vorhanden sein können, ist beispielsweise Ethinyl, 1- oder 2-Propinyl, 2- oder 3-Butinyl, ferner 4-Pentinyl, 3-Pentinyl, Hexinyl, Heptinyl, Octinyl, -C₉H₁₅, -C₁₀H₁₇ bis -C₂₀H₃₇, vorzugsweise Ethinyl, 1- oder 2-Propinyl, 2- oder 3-Butinyl, 4-Pentinyl, 3-Pentinyl oder Hexinyl.

Aryl-C₁-C₆-alkyl bedeutet beispielsweise Benzyl, Phenylethyl, Phenylpropyl, Phenylbutyl, Phenylpentyl oder Phenylhexyl, wobei sowohl der Phenylring als auch die Alkylenkette, wie zuvor beschrieben teilweise oder vollständig mit F substituiert sein können, besonders bevorzugt Benzyl oder Phenylpropyl.

Der Phenylring oder auch die Alkylenkette können jedoch ebenfalls durch weitere funktionelle Gruppen substituiert sein, beispielsweise durch CN, SO₂R', SO₂OR' oder COOR'. R' hat dabei eine zuvor definierte Bedeutung.

Unsubstituierte gesättigte oder teilweise oder vollständig ungesättigte Cycloalkylgruppen mit 3–7 C-Atomen sind daher Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Cyclopentenyl, Cyclopenta-1,3-dienyl, Cyclohexenyl, Cyclohexa-1,3-dienyl, Cyclohexa-1,4-dienyl, Phenyl, Cycloheptenyl, Cyclohepta-1,3-dienyl, Cyclohepta-1,4-dienyl oder Cyclohepta-1,5-dienyl, welche mit C₁- bis C₆-Alkylgruppen substituiert sein können, wobei wiederum die Cycloalkylgruppe oder die mit C₁- bis C₆-Alkylgruppen substituierte Cycloalkylgruppe auch mit Halogenatomen wie F, Cl, Br oder I, insbesondere F oder Cl oder NO₂ substituiert sein kann. Die Cycloalkylgruppen können jedoch ebenfalls durch weitere funktionelle Gruppen substituiert sein, beispielsweise durch CN, SO₂R', SO₂OR' oder COOR'. R' hat dabei eine zuvor definierte Bedeutung.

In den Substituenten R, R¹ bis R⁶ oder R^1' bis R^4' können auch ein oder zwei nicht benachbarte und nicht α-ständig zum Heteroatom gebundene Kohlenstoffatome, durch Atome und/oder Atomgruppierungen ausgewählt aus der Gruppe -O-, -S-, -S(O)- oder -SO₂- ersetzt sein.

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind Beispiele für derart modifizierte Substituenten R, R¹ bis R⁶ und R^1' bis R^4':
-OCH₃, -OCH(CH₃)₂, -CH₂OCH₃, -CH₂-CH₂-O-CH₃, -C₂H₄OCH(CH₃)₂, -C₂H₄SC₂H₅, -C₂H₄SCH(CH₃)₂, -S(O)CH₃, -SO₂CH₃, -SO₂C₆H₅, -SO₂C₃H₇, -SO₂CH(CH₃)₂, -SO₂CH₂CF₃, -CH₂SO₂CH₃, -O-C₄H₈-O-C₄H₉, -CF₃, -C₂F₅, -C₃F₇, -C₄F₉, -CF₂CF₂H, -CF₂CHFCF₃, -CF₂CH(CF₃)₂, -C₂F₄N(C₂F₅)C₂F₅, -CHF₂, -CH₂CF₃, -C₂F₂H₃, -C₃FH₆, -CH₂C₃F₇, -CH₂C(O)OCH₃, -CH₂C₆H₅ oder -C(O)C₆H₅.

In R' ist C₃- bis C₇-Cycloalkyl beispielweise Cyclopropyl, Cyclobutyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl oder Cycloheptyl.

In R' bedeutet substituiertes Phenyl, durch C₁- bis C₆-Alkyl, C₁- bis C₆-Alkenyl, NO₂, F, Cl, Br, I, C₁-C₆-Alkoxy, SCF₃, SO₂CH₃, SO₂CF₃, COOR'', SO₂X', SO₂NR''₂ oder SO₃R'' substituiertes Phenyl, wobei X' F, Cl oder Br und R'' ein nicht oder teilweise fluoriertes C₁- bis C₆-Alkyl oder C₃- bis C₇-Cycloalkyl wie für R' definiert bedeutet, beispielsweise, o-, m- oder p-Methylphenyl, o-, m- oder p-Ethylphenyl, o-, m- oder p-Propylphenyl, o-, m- oder p-Isopropylphenyl, o-, m- oder p-tert.-Butylphenyl, o-, m- oder p- Nitrophenyl, o-, m- oder p-Methoxyphenyl, o-, m- oder p-Ethoxyphenyl, o-, m-, p-(Trifluarmethyl)phenyl, o-, m-, p-(Trifluormethoxy)phenyl, o-, m-, p-(Trifluormethylsulfonyl)phenyl, o-, m- oder p-Fluorphenyl, o-, m- oder p-Chlorphenyl, o-, m- oder p-Bromphenyl, o-, m- oder p-Iodphenyl, weiter bevorzugt 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5-Dimethylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5-Difluorphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5-Dichlorphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5-Dibromphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,6-, 3,4- oder 3,5-Dimethoxyphenyl, 5-Fluor-2-methylphenyl, 3,4,5-Trimethoxyphenyl oder 2,4,5-Trimethylphenyl.

Die Substituenten R¹ bis R⁷ sind jeweils unabhängig voneinander bevorzugt eine geradkettige oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 10 C-Atomen. Die Substituenten R¹ und R², R³ und R⁴ und R⁵ und R⁶ in Verbindungen der Formeln (2) und (3) können dabei gleich oder verschieden sein.

Besonders bevorzugt sind R¹ bis R⁷ jeweils unabhängig voneinander Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, sek.-Butyl, Phenyl oder Cyclohexyl, ganz besonders bevorzugt Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl oder n-Butyl.

Als Substituenten R^1' bis R^4' von Verbindungen der Formel (4) kommen erfindungsgemäß dabei neben Wasserstoff bevorzugt in Frage: CN, C₁- bis C₂₀-, insbesondere C₁- bis C₁₂-Alkylgruppen, und gesättigte oder ungesättigte, d.h. auch aromatische, C₃- bis C₇-Cycloalkylgruppen, die mit C₁- bis C₆-Alkylgruppen substituiert sein können, insbesondere Phenyl oder Aryl-C₁-C₆-alkyl oder Diaminoalkyl mit C₁-C₄-Alkylgruppen, sofern diese nicht an das Heteroatom gebunden vorliegt.

Die Substituenten R^1' bis R^4' können jedoch ebenfalls durch weitere funktionelle Gruppen substituiert sein, beispielsweise durch CN, SO₂R', SO₂OR' oder COOR'. R' bedeutet nicht, teilweise oder perfluoriertes C₁- bis C₆ Alkyl, C₃- bis C₇-Cycloalkyl, unsubstituiertes oder substituiertes Phenyl.

Die Substituenten R^1' und R^4' sind jeweils unabhängig voneinander insbesondere bevorzugt CN, Methyl, Ethyl, Isopropyl, Propyl, Butyl, sek.-Butyl, Pentyl, Hexyl, Octyl, Decyl, Cyclohexyl, Phenyl, Phenylpropyl oder Benzyl. Sie sind ganz besonders bevorzugt CN, Methyl, Ethyl, n-Butyl oder Hexyl. In Pyrrolidinium-, Piperidinium oder Indolinium-Verbindungen sind die beiden Substituenten R^1' und R^4' bevorzugt unterschiedlich.

Der Substituent R^2' oder R^3' ist jeweils unabhängig voneinander insbesondere Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Isopropyl, Propyl, Butyl, sek.-Butyl, tert.-Butyl, Cyclohexyl, Dimethylamino, Diethylamino, Methylethylamino, Phenyl oder Benzyl. Besonders bevorzugt ist R^2' Dimethylamino, Wasserstoff, Methyl, Ethyl, Isopropyl, Propyl, Butyl, sek.-Butyl oder tert.-Butyl. Ganz besonders bevorzugt sind R^2' und R^3' Wasserstoff, Dimethylamino oder Methyl.

HetN⁺ der Formel (4) ist bevorzugt

wobei die Substituenten R^1' bis R^4' jeweils unabhängig voneinander eine zuvor beschriebene Bedeutung haben.

HetN⁺ ist besonders bevorzugt Imidazolium, Pyrrolidinium oder Pyridinium, wie zuvor definiert, wobei die Substituenten R^1' bis R^4' jeweils unabhängig voneinander eine zuvor beschriebene Bedeutung haben.

Als Sulfonium-Tetrafluoroborat mit der Formel [(Alkyl)₃S]⁺ [BF₄]^– wird bevorzugt ein Sulfonium-Tetrafluoroborat mit geradkettigen oder verzweigten Alkylgruppen mit 1–8 C-Atomen, bevorzugt mit 1–4 C-Atomen eingesetzt, die jeweils unabhängig voneinander sind. Bevorzugt werden Sulfonium-Tetrafluoroborate eingesetzt, bei denen die Alkylgruppen gleich sind.

Die eingesetzten Sulfonium-Tetrafluoroborate sind in der Regel kommerziell erhältlich oder können nach Syntheseverfahren hergestellt werden, wie sie aus der Literatur, z.B. in den Standardwerken wie Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Georg-Thieme-Verlag, Stuttgart oder Richard C. Larock, Comprehensive Organic Transformations, 2nd Edition, Wiley-VCH, New York, 1999 bekannt sind. Dabei kann man auch von an sich bekannten, hier nicht näher erwähnten Varianten Gebrauch machen.

Beispiele für Sulfonium-Tetrafluoroborate sind Trimethylsulfonium-, Triethylsulfonium-, Dimethylethylsulfonium-, Diethylmethylsulfonium-, Dipropylmethylsulfonium-, Dipropylethylsulfonium-, Dibutylmethylsulfonium-, Di-sec-butylmethylsulfonium-, Dibutylethylsulfonium-Tetrafluoroborat. Ganz besonders bevorzugt wird Trimethylsulfonium- und Triethylsulfonium-Tetrafluoroborat eingesetzt.

Ein allgemeines Schema fasst das erfindungsgemäße Verfahren zusammen, wobei der Pfeil bei der entstehenden Alkylhalogenverbindung ein Symbol für die Flüchtigkeit der Verbindung darstellt:

Die Substituenten R, R¹ bis R⁷ und HetN⁺ der Verbindungen der Formeln (1) bis (8) entsprechen den Bedeutungen, wie zuvor beschrieben.

Die Reaktion wird erfindungsgemäß bei Temperaturen zwischen 0 und 150°C, bevorzugt bei 20 bis 100°C durchgeführt. Es wird kein Lösungsmittel benötigt. Es können jedoch auch Lösungsmittel eingesetzt werden, beispielsweise Dimethoxyethan, Acetonitril, Dichlormethan, Tetrahydrofuran, Dimethylsulfoxid, Dioxan, Propionitril oder Gemische untereinander.

Die Umsetzung wird mit einem Überschuss oder equimolarer Menge an dem entsprechenden Sulfonium-Tetrafluoroborat durchgeführt.

Die Reaktion kann bei Drücken zwischen Normaldruck und 0.1 mbar erfolgen. Um die Reaktion zu beschleunigen werden vorzugsweise reduzierte Drücke bis 0.1 mbar eingesetzt. Dies gilt insbesondere für Umsetzungen von Onium-Bromiden oder -Iodiden.

Die beschriebene Methode ist ebenfalls zur Einführung der Anionen [(Phenyl)₄B]^–, PF₆ ^–, SbF₆ ^– oder AsF₆ ^– in ionische Flüssigkeiten mit Onium- Kationen geeignet, indem Alkylsulfonium-Salze mit den entsprechenden Anionen mit Onium-Halogeniden umgesetzt werden.

Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, dass ein Fachmann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung aufzufassen.

Die NMR-Spektren wurden an Lösungen in deuterierten Lösungsmitteln bei 20°C an einem Bruker ARX 400 Spektrometer mit einem 5 mm Breitbandkopf ¹H/BB mit Deuterium Lock gemessen, falls nicht in den Beispielen angegeben. Die Messfrequenzen der verschiedenen Kerne sind: ¹H: 400,13 MHz und ¹⁹F: 376,50 MHz. Die Methode der Referenzierung wird bei jedem Spektrum bzw. bei jedem Datensatz separat angegeben.

Beispiel 1: 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat
Zu 5.98 g (34.2 mmol) festem 1-Butyl-3-methylimidazoliumchlorid werden 7.06 g (34.3 mmol) Triethylsulfoniumtetrafluoroborat, (C₂H₅)₃S⁺ BF₄ ^–, zugefügt. Die Reaktionsmischung wird bei 60–70°C (Temperatur des Ölbades) und unter Inertgasatmosphäre (Stickstoff) für einen Zeitraum von 4 Wochen gerührt. Alle flüchtigen Produkte werden bei einer Badtemperatur von 70°C und bei einem Druck von 13.3 Pa innerhalb von 3 Stunden abgepumpt. Man erhält 7.74 g einer Flüssigkeit. Die Ausbeute an 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat ist nahezu quantitativ. Das erhaltene Produkt wird mittels NMR-Spektroskopie untersucht.
¹H NMR (Referenz: TMS; Lösungsmittel: CD₃CN), ppm: 0.91 t (CH₃); 1.29 m (CH₂); 1.79 m (CH₂); 3.82 s (CH₃); 4.13 t (CH₂); 7.36 d,d (CH); 7.39 d,d (CH); 8.61 br. s. (CH); ³J_H,H = 7.2 Hz; J_H,H = 1.5 Hz.
¹⁹F NMR (Referenz: CCl₃F-intern; Lösungsmittel: CD₃CN), ppm: –150.1 (BF₄). Beispiel 2: 1-Hexyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat
Zu 5.28 g (26 mmol) flüssigen 1-Hexyl-3-methylimidazoliumchlorids werden 5.38 g (26.1 mmol) Triethylsulfoniumtetrafluoroborat, (C₂H₅)₃S⁺ BF₄ ^–, zugefügt. Die Reaktionsmischung wird bei 60–70°C (Temperatur des Ölbades) und unter Inertgasatmosphäre (Stickstoff für einen Zeitraum von 3 Wochen gerührt. Alle flüchtigen Produkte werden bei einer Badtemperatur von 70°C und bei einem Druck von 13.3 Pa innerhalb von 3 Stunden abgepumpt. Man erhält 6.6 g einer Flüssigkeit. Die Ausbeute an 1-Hexyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat ist nahezu quantitativ. Das erhaltene Produkt wird mittels NMR-Spektroskopie untersucht.
¹H NMR (Referenz: TMS; Lösungsmittel: CD₃CN), ppm: 0.87 m (CH₃); 1.29 m (3CH₂); 1.81 m (CH₂); 3.82 s (CH₃); 4.11 t (CH₂); 7.34 d,d (CH); 7.37 d,d (CH); 8.50 br. s. (CH); ³J_H,H = 7.1 Hz; J_H,H = 1.5 Hz.
¹⁹F NMR (Referenz: CCl₃F-intern; Lösungsmittel: CD₃CN), ppm: –150.2 (BF₄). Beispiel 3: 1-Butyl-pyridiniumtetrafluoroborat
Eine Mischung aus 4.82 g (22.3 mmol) N-Buyl-pyridiniumbromid und 4.62 g (22.4 mmol) Triethylsulfoniumtetrafluoroborat, (C₂H₅)₃S⁺ BF₄ ^–, werden bei 85–90°C (Temperatur des Ölbades) bei einem dynamischen Druck von 7 Pa innerhalb von 24 Stunden umgesetzt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur werden 4.97 g eines Öls erhalten. Die Ausbeute an N-Butyl-pyridiniumtetrafluoroborat ist nahezu quantitativ. Das erhaltene Produkt wird mittels NMR-Spektroskopie untersucht.
¹H NMR (Referenz: TMS; Lösungsmittel: CD₃CN), ppm: 0.93 t (CH₃); 1.35 m (CH₂); 1.95 m (CH₂); 4.58 t (CH₂); 8.05 m (2CH); 8.52 t,t (CH); 8.82 d (2CH); ³J_H,H = 7.6 Hz; ³J_H,H = 7.2 Hz; ³J_H,H = 7.9 Hz; ⁴J_H,H = 1.4 Hz.
¹⁹F NMR (Referenz: CCl₃F-intern; Lösungsmittel: CD₃CN), ppm: –150.1 (BF₄).
Beispiel 4: S-Ethyl-N,N,N',N'-tetramethylthiouroniumtetrafluoroborat
Eine Mischung aus 1.07 g (3.71 mmol) S-Ethyl-N,N,N',N'-tetramethylthiouroniumiodid und 0.77 g (3.74 mmol) Triethylsulfoniumtetrafluoroborat, (C₂H₅)₃S⁺ BF₄ ^–, werden bei 85–90°C (Temperatur des Ölbades) bei einem dynamischen Druck von 7 Pa innerhalb von 20 Stunden umgesetzt. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur werden 0.92 g eines Feststoffs erhalten. Die Ausbeute an S-Ethyl-N,N,N',N'-tetramethylthiouroniumtetrafluoroborat ist nahezu quantitativ. Der Schmelzpunkt beträgt 72–76°C. Das erhaltene Produkt wird mittels NMR-Spektroskopie untersucht.
¹H NMR (Referenz: TMS; Lösungsmittel: CD₃CN), ppm: 1.31 t (CH₃); 3.01 q (CH₂); 3.23 s (4CH₃); ³J_H,H = 7.4 Hz.
¹⁹F NMR (Referenz: CCl₃F-intern; Lösungsmittel: CD₃CN), ppm: –150.5 (BF₄).

Claims

Verfahren zur Herstellung von Onium-Tetrafluoroboraten durch Umsetzung eines Onium-Halogenids mit einem Sulfonium-Tetrafluoroborat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenid ein Ammoniumhalogenid, Phosphoniumhalogenid, Thiouroniumhalogenid, Guanidiniumhalogenid oder Halogenid mit heterocyclischem Kation ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenid der Formel (1) entspricht, [XR₄]⁺ Hal^– (1),wobei X N, P Hal Cl, Br oder I und R jeweils unabhängig voneinander H, wobei nicht alle Substituenten R gleichzeitig H sein dürfen, geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1–20 C-Atomen, geradkettiges oder verzweigtes Alkenyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Doppelbindungen, geradkettiges oder verzweigtes Alkinyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Dreifachbindungen, gesättigtes, teilweise oder vollständig ungesättigtes Cycloalkyl mit 3–7 C-Atomen, das mit Alkylgruppen mit 1–6 C-Atomen substituiert sein kann bedeutet, wobei ein oder mehrere R teilweise oder vollständig mit F substituiert sein können, wobei jedoch nicht alle vier oder drei R vollständig mit F substituiert sein dürfen, und wobei ein oder zwei nicht benachbarte und nicht α-ständige Kohlenstoffatome des R, durch Atome und/oder Atomgruppierungen ausgewählt aus der Gruppe -O-, -S-, -S(O)- oder -SO₂- ersetzt sein können.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenid der Formel (2) entspricht, [(R¹R²N)-C(=SR⁷)(NR³R⁴)]⁺ Hal^– (2),wobei Hal Br oder I und R¹ bis R⁷ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff oder CN, wobei Wasserstoff für R⁷ ausgeschlossen wird, geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1 bis 20 C-Atomen, geradkettiges oder verzweigtes Alkenyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Doppelbindungen, geradkettiges oder verzweigtes Alkinyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Dreifachbindungen, gesättigtes, teilweise oder vollständig ungesättigtes Cycloalkyl mit 3–7 C-Atomen, das mit Alkylgruppen mit 1–6 C-Atomen substituiert sein kann, bedeutet, wobei ein oder mehrere der Substituenten R¹ bis R⁷ teilweise oder vollständig mit F substituiert sein können, wobei jedoch nicht alle Substituenten an einem N-Atom vollständig mit F substituiert sein dürfen, wobei die Substituenten R¹ bis R⁷ paarweise durch Einfach- oder Doppelbindung miteinander verbunden sein können und wobei ein oder zwei nicht benachbarte und nicht direkt am Heteroatom gebundene Kohlenstoffatome der Substituenten R¹ bis R⁶ durch Atome und/oder Atomgruppierungen ausgewählt aus der Gruppe -O-, -S-, -S(O)- oder -SO₂- ersetzt sein können.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenid der Formel (3) entspricht, [C(NR¹R²)(NR³R⁴)(NR⁵R⁶)]⁺ Hal^– (3),wobei, Hal Cl, Br oder I und R¹ bis R⁶ jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff oder CN, geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1 bis 20 C-Atomen, geradkettiges oder verzweigtes Alkenyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Doppelbindungen, geradkettiges oder verzweigtes Alkinyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Dreifachbindungen, gesättigtes, teilweise oder vollständig ungesättigtes Cycloalkyl mit 3–7 C-Atomen, das mit Alkylgruppen mit 1–6 C-Atomen substituiert sein kann, bedeutet, wobei ein oder mehrere der Substituenten R¹ bis R⁶ teilweise oder vollständig mit F substituiert sein können, wobei jedoch nicht alle Substituenten an einem N-Atom vollständig mit F substituiert sein dürfen, wobei die Substituenten R¹ bis R⁶ paarweise durch Einfach- oder Doppelbindung miteinander verbunden sein können und wobei ein oder zwei nicht benachbarte und nicht direkt am Heteroatom gebundene Kohlenstoffatome der Substituenten R¹ bis R⁶ durch Atome und/oder Atomgruppierungen ausgewählt aus der Gruppe -O-, -S-, -S(O)- oder -SO₂- ersetzt sein können.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenid der Formel (4) entspricht, [HetN]⁺ Hal^– (4)wobei Hal Cl, Br oder I und HetN⁺ ein heterocyclisches Kation, ausgewählt aus der Gruppe

oder
bedeutet, wobei die Substituenten R^1' bis R^4' jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff oder CN, geradkettiges oder verzweigtes Alkyl mit 1–20 C-Atomen, geradkettiges oder verzweigtes Alkenyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Doppelbindungen, geradkettiges oder verzweigtes Alkinyl mit 2–20 C-Atomen und einer oder mehreren Dreifachbindungen, Dialkylamino mit Alkylgruppen mit 1–4 C-Atomen, welches jedoch nicht am Heteroatom des Heterocyclus gebunden vorliegt, gesättigtes, teilweise oder vollständig ungesättigtes Cycloalkyl mit 3–7 C-Atomen, das mit Alkylgruppen mit 1–6 C-Atomen substituiert sein kann oder Aryl-C₁-C₆-alkyl bedeutet, wobei die Substituenten R^1' und R^4' teilweise oder vollständig mit F substituiert sein können, wobei jedoch nicht gleichzeitig R^1' und R^4' CN sind oder vollständig mit F substituiert sein dürfen, wobei die Substituenten R^2' und R^3' teilweise oder vollständig mit Halogenen oder teilweise mit NO₂ oder CN substituiert sein dürfen und wobei ein oder zwei nicht benachbarte und nicht direkt am Heteroatom gebundene Kohlenstoffatome der Substituenten R^1' bis R^4', durch Atome und/oder Atomgruppierungen ausgewählt aus der Gruppe -O-, -S-, -S(O)- oder -SO₂- ersetzt sein können.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion bei Temperaturen von 0°C bis 150°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion bei Drücken zwischen Normaldruck und 0.1 mbar erfolgt.
Verwendung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Reinigung von Onium Tetrafluoroboraten, die durch Onium-Halogenide verunreinigt sind.