DE1280867B

DE1280867B - Verfahren zur Deuterierung von organischen Verbindungen

Info

Publication number: DE1280867B
Application number: DED49213A
Authority: DE
Inventors: Nguyen Dinh-Nguyen; Einar August Stenhagen
Original assignee: NGUYEN DINH NGUYEN
Current assignee: NGUYEN DINH NGUYEN
Priority date: 1965-02-01
Filing date: 1966-01-26
Publication date: 1968-10-24
Also published as: GB1103607A; SE358875B; JPS4517402B1; CH478071A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES JifäWWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Deutsche Kl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

C 07c

120-27
1/01;5/04; 10;
11; 25

P 12 80 867.2-42 (D 49213)

26. Januar 1966

24. Oktober 1968

Deuterierte Verbindungen werden als wasserstofffreie Lösungsmittel für spektroskopische Zwecke (NMR- und IR-Spektroskopie) und als »Tracer«- Substanzen bei Studien über Reaktionsmechanismen bei organisch-chemischen Umsetzungen sowie bei 5 Untersuchungen über den intermediären Stoffwechsel in der Biochemie verwendet. Bei den letztgenannten Anwendungsgebieten sind die sehr charakteristischen Infrarotspektren und Massenspektren der deuterierten Verbindungen sehr vorteilhaft, da sie den Nachweis ihres Vorhandenseins auch in sehr kleinen Konzentrationen in einfacher Weise möglich machen. Weiterhin können die deuterierten Verbindungen als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Substanzen benutzt werden, die in spezifischer Stellung durch Wasserstoff substituiert sind und in der physikalischen Chemie Verwendung finden.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Deuterierung von organischen Verbindungen bekannt, beispielsweise solche durch Umsetzung der organischen Verbindungen mit Deuteriumoxyd in Gegenwart von Alkali und eines Platinmetallkatalysators. Diese Verfahren gestatten jedoch nur den Austausch von besonders leicht austauschbaren Wasserstoffatomen, stellen jedoch keine allgemeine Methode für den vollständigen Austausch aller Wasserstoffatome in Verbindungen von hohem Molekulargewicht dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein allgemein verwendbares Verfahren zur Deuterierung von organischen Verbindungen zu erhalten, das auch zur Deuterierung von Verbindungen mit hohem Molekulargewicht brauchbar ist und auch in industriellem Maßstab angewendet werden kann.

Das Verfahren zur Deuterierung von organischen Verbindungen durch Umsetzung mit Deuteriumoxyd in Gegenwart von Alkali und eines Platinmetallkatalysators ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart von Deuteriumperoxyd als Promotor in einem geschlossenen Reaktionsgefäß unter heftigem Schütteln bei erhöhter Temperatur durchführt.

Das Verfahren kann beispielsweise für die Herstellung von vollständig deuterierten (perdeuterierten) Fettsäuren, Dicarbonsäuren, Ketonen, Alkoholen und Kohlenwasserstoffen verschiedener Art angewandt werden. Man erhält dabei deuterierte Verbindungen von hoher Isotopenreinheit, d. h. über 99 %> wobei die Isotopenreinheit nur durch die Reinheit des Deuteriumoxyds bestimmt wird. Allgemein wird das Verfahren folgendermaßen durchgeführt:

Die organische Ausgangsverbindung wird in eine Lösung von Alkalideuteroxyd in Deuteriumoxyd in Verfahren zur Deuterierung von organischen
Verbindungen

Anmelder:

Nguyen Dinh-Nguyen,

Einar August Stenhagen, Mölndal (Schweden)

Vertreter:

Dr. H.-H. Willrath, Patentanwalt,

6200 Wiesbaden, Hildastr. 18

Als Erfinder benannt:

Nguyen Dinh-Nguyen,

Einar August Stenhagen, Mölndal (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 1. Februar 1965 (1280)

Gegenwart von Deuteriumperoxyd und eines Metallkatalysators, z. B. Adams-Platinkatalysators, erhitzt. Die Erhitzung erfolgt in einem geschlossenen Gefäß unter ständigem Schütteln. Die deuterierten Verbindungen werden aus dem Reaktionsgemisch mittels üblicher Methoden isoliert. Der Metallkatalysator kann zurückgewonnen und wieder in die aktive Form umgewandelt werden.

Für das Ausmaß des Austausches in einem einzigen Durchgang sind mehrere Faktoren von Bedeutung, wie die Temperatur, die relative Katalysatormenge, die Erhitzungsdauer, die Natur des Metallkatalysators und die Struktur der organischen Verbindung.

Unter den verschiedenen untersuchten Metallkatalysatoren hat sich der bekannte Adams-Platinoxydkatalysator in der mit Deuterium reduzierten Form als sehr geeignet erwiesen, die man durch Reduktion von [PtO₂ · H₂O] in Suspension in D₂O mittels Deuteriumgas erhält.

Das Alkalideuteroxyd und das Deuteriumoxyd können zweckmäßigerweise zusammen durch die Umsetzung des Alkaliperoxyds mit Deuteriumoxyd erhalten werden. Die Verwendung von granuliertem Natriumperoxyd ist zweckmäßig. Bei der Umsetzung von Natriumperoxyd mit Deuteriumoxyd werden Natriumdeuteroxyd als Alkalikatalysator und Deu-

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teriumperoxyd als Promotor in äquivalenten Mengen gebildet, aber es können auch andere Verhältnisse von basischem Katalysator zu Promotor verwendet werden.

Bei der Herstellung der perdeuterierten organischen Verbindungen in kleinen Mengen können Reaktionsrohre mit stärken Wänden aus widerstandsfähigem Glas verwendet werden, aber die Rohre sollen nur einmal verwendet werden. Die Herstellung in größerem Maßstabe erfordert die Erhitzung von Hochdruckgefäßen mit inerten inneren Oberflächen. Im ersteren Falle werden die Rohre in den mit Thermostaten ausgerüsteten Ofen in eine wirksame Schüttelmaschine eingesetzt. Im letzteren Falle muß für eine wirksame Durchführung des Inhaltes des Reaktionsgefäßes gesorgt werden. Während des ganzen Verfahrens soll dafür gesorgt werden, daß eine Isotopenverdünnung vermieden wird.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung; in diesen sind alle angegebenen Teile Gewichtsteile.

Beispiel 1

Perdeuterostearinsäure ^a5

Herstellung des Metallkatalysators

24,5 Teile Adams-Katalysator (PtO₂-H₈O) und 100 Teile 99,78 %iges Deuteriumoxyd werden in das Reaktionsgefäß gegeben. Nach Entfernung der Luft durch Evakuierung wird das Deuteriumgas eingelassen und das Gefäß geschüttelt, bis das Platinoxyd vollständig reduziert ist.

Herstellung von Alkalikatalysator und Promotor

15,5 Teile granuliertes Natriumperoxyd (Na₂O₂, analysenrein) werden sorgfältig in kleinen Anteilen zu 100 Teilen Deuteriumoxyd unter Kühlung zugesetzt. Die entstehende Lösung enthält theoretisch 16,4 Teile Natriumdeuteroxyd und 7,2 Teile Deuteruimperoxyd, die den Alkalikatalysator und den Promotor darstellen.

Austauschreaktion

Nach allmählicher Einführung von 57 Teilen Stearinsäure, der Lösung von Alkalikatalysator und Promotor und 400 Teilen Deuteriumoxyd in das Reaktionsgefäß wird das System in Trockeneis eingefroren. Die Luft wurde durch Vakuum entfernt und das Gefäß hermetisch verschlossen.

Das Gemisch wird auf 240° C erhitzt und 28 Stunden lang unter heftigem Schütteln auf dieser Temperatur gehalten. Nach der Abkühlung wird das Gefäß geöffnet und die erhaltene nicht homogene Mischung gerührt, bis sie homogen ist. Die wäßrige Mischung von H_aO, HDO und D₂O wird bei Zimmertemperatur im Vakuum eingedampft. Das im Reaktionsgefäß zurückerhaltene trockene restliche Pulver wird erneut mit 1500 Teilen Deuteriumoxyd versetzt, und nach Evakuierung wird das Gefäß verschlossen. Diese zweite Austauschreaktion wird unter denselben Bedingungen wie die beschriebene erste Austauschreaktion durchgeführt. Nach Eindampfen bis zur Trockne und Ansäuerung mit verdünnter Salzsäure wird die organische Phase mit Äther extrahiert. Das Rohprodukt wird auf einer Kieselsäuresäule chromatographisch getrennt.

57 Teile (90% der theoretischen Menge) an Perdeuterostearinsäure werden auf diese Weise erhalten. Eine Massenspektroskopieanalyse des Methylesters zeigt, daß die Säure eine Isotopenreinheit von mehr als 98% besitzt. Die Synthese kann wie folgt zusammengefaßt werden:

Verbindungen	M	Molverhältnisse	Gewichtsteile
CH₃ — (CH₂)IO — COOH	. 284,468	2	57
	20,028	1500	3000
	245,246	1	25,4
	195,09	1	(19,5)
	77,994	2	15,5
	41,011	4	(16,4)
D₂O	36,028	2	(7,2)
Pt₂O · H₈O*	319,678	2	(63,8)57
Pt
Na₂O₂*
NaOD
^ D₂O₂
CD₃-(CD₂)IO-COOH

Die gesamte Umsetzungsdauer beträgt 56 Stunden. Das Ausgangsmaterial für die Katalysatoren und den Promotor sind mit einem Sternchen bezeichnet. Die Zahlen in den Klammern sind theoretische Werte.

Beispiel 2 Perdeuterokampfer

Kampfer enthält drei Methylgruppen, deren Wasserstoffatome schwer auszutauschen sind. Um die Wirksamkeit des Verfahrens nach der Erfindung in einem schwierigen Fall zu zeigen, wird nur ein Wasserstoffaustausch vorgenommen. Das Verfahren ist das gleiche wie im Beispiel 1, das Reaktionsprodukt wird mit wasserfreiem Äther aus dem Reaktionsgemisch extrahiert. Aus 60,8 Teilen Kampfer liefert das Verfahren 62 Teile deuteriertes Produkt, und es werden keine Nebenprodukte durch gaschromatographische Analyse ermittelt. Massenspektrogrammanalyse dieser Verbindung zeigt die Gegenwart von molekularem C₁₀D₁₆O; C₁₀HiD₁₂O fehlt praktisch völlig. Der Gesamtaustausch in diesem einfachen Versuch betrug etwa 78 %> berechnet aus dem Massenspektrum.

Die Synthese ist in folgender Tabelle zusammengefaßt:

Verbindungen	Pt	Na₂O₈*	M	Molver hältnisse	Gewichts teile
C₁₀H₁₆O	NaOD	152,228	4	60,8
	^y D₂O₃	20,028	1000	2000
	C₁₀D₁₆O + Analoge	245,246	1	24,5
	von niedrigerem	195,09	1	(19,5)
	Deuteriumgehalt	77,994	2	15,5
	41,011	4	(16,4)
D₂O	36,028	2	(7,2)
PtO₂ · HgO*	168,324	4	(67,2)62

99°/()ig) erhalten, wie
Analyse hervorgeht.
Die Synthese wird
gefaßt:

aus der massenspektrometischen in folgender Tabelle zusammen

Beispiel 3
Perdeuteroanthracen

Das Verfahren wurde unter denselben Bedingungen wie Beispiel 1 durchgeführt. Im Falle von Anthracen »° sind die Wasserstoffatome leicht auszutauschen, und ein einzelner Durchgang ergibt ein völlig deuteriertes Produkt. Die Abtrennung der erwarteten Verbindung von der anfallenden Reaktionsmischung wird nach dem Eindampfen durch Extraktion mit trockenem «5 Benzol durchgeführt. Der schwach gelbe Extrakt wird dann auf ein kleines Volumen durch Eindampf ung bei Zimmertemperatur eingeengt und mit Heptan versetzt, um den fertigen deuterierten polycyclisch^ Kohlenwasserstoff auszufällen. Aus 53,4 Teilen Anthracen wird eine Ausbeute von 48 Teilen (85 %) Perdeuteroanthracen von hoher Isotopenreinheit (mehr als

Verbindungen	D₂O	Pt	Na₂O₂*	M	Molver- hältnisse	Gewichts- teile
ίο C₁₄H₁₀	Pt₂O · H₂O*	NaOD	178,220	3	53,4
	* D₂O₂	20,028	1000	2000
	C₁₄D₁₀	245,246	1	24,5
	195,09	1	(19,5)
	77,994	2	15,5
¹S	41.011	4	(16,4)
36,028	2	(7,2)
188,280	3	(56,4)48

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Deuterierung von organischen Verbindungen durch Umsetzung mit Deuteriumoxyd in Gegenwart von Alkali und eines Platinmetallkatalysators, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart von Deuteriumperoxyd als Promotor in einem geschlossenen Reaktionsgefäß unter heftigem Schütteln bei erhöhter Temperatur durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Promotor aus Natriumperoxyd und Deuteriumoxyd gewonnenes Deuteriumperoxyd verwendet.