DE60205017T2

DE60205017T2 - Verfahren zur Herstellung 2-hydroxymethyl-2, 3- dihydro-thieno(3, 4-b) (1, 4) dioxine-5, 7-dicarbonsaürediester

Info

Publication number: DE60205017T2
Application number: DE2002605017
Authority: DE
Inventors: Bert Septestraat 27 Groenendaal
Original assignee: Agfa Gevaert NV
Current assignee: Agfa Gevaert NV
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2022-05-15
Also published as: JP2003335781A; DE60205017D1; EP1362859B1; EP1362859A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung eines 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäurediesters.
Allgemeiner Stand der Technik
Wegen ihrer interessanten elektrischen und/oder optischen Eigenschaften sind Polythiophene in zahlreichen Studien erörtert worden (siehe „Handbook of Conducting Polymers", Herausgeber Skotheim, T. A., Elsenbaumer R. L., Reynolds J. R., Marcel Dekker, New York, 1998, 2. Ausgabe). In diesen Klassen von elektrisch leitfähigen Polymeren warten Poly(3,4-alkylendioxythiophene) mit besonders nutzbaren elektrischen und/oder optischen Eigenschaften auf. Poly(3,4-ethylendioxythiophen) [PEDOT] in Kombination mit dem Polyanion Poly(styrolsulfonsäure) [PSS] ist weltweit eines der erfolgreichsten, im Handel erhältlichen elektrisch leitenden Polymere. Es kommt in einer Verschiedenheit von Anwendungen zum Einsatz, wie 2000 von L. Groenendaal et al. beschrieben in „Advanced Materials", Band 12, Seiten 481–494.
3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) und seine Derivate sind wichtige Ausgangsmaterialien bei der Herstellung von PEDOT. In „Advanced Materials", Band 12, Seiten 481–494, 2000, beschreiben L. Groenendaal et al., dass (2,3-Dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-2-yl)-methanol [EDOT-CH₂OH]:
ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Synthese vieler neuer EDOT-Derivate ist, z.B. zur Synthetisierung von EDOT-Derivaten mit Alkoxyfunktion (Chevrot et al. in „J. Chim. Phys.", Band 95, Seiten 1258–1261, 1998), EDOT-Derivaten mit Sulfonsäurefunktion (Chevrot et al. in „Journal Electroanalytical Chemistry", Band 443, Seiten 217–226, 1998, und in „Synthetic Metals", Band 93, Seiten 33) und EDOT-Derivaten mit Oligoethylenoxidfunktion (Roncali et al. in „Chemical Materials", Band 14, Seiten 449–457, 2002).
Die Synthese von EDOT-CH₂OH wurde erstmals von Blohm et al. in US 5 111 327 beschrieben. In US 5 111 327 wird ein elektrisch empfindliches Polymer mit chemisch kombinierten Struktureinheiten der Klasse von
und einem Gemisch derselben, in denen R ein Wasserstoffatom oder ein organisches C(_1-18)-Radikal ist, beschrieben.
Es wird ein Gemisch aus 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäuredimethylester und 3-Hydroxy-3,4-dihydro-2H-thien-[3,4-b]-[1,4]-dioxepin-6,8-dicarbonsäuredimethylester in einem Verhältnis von etwa 70/30 unter Verwendung von 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäuredimethylester und Epibromhydrin hergestellt. Dieses Gemisch lässt sich zwar im Prinzip durch Säulenchromatografie auftrennen, diese Verfahrensweise hat sich aber als äußerst schwierig, wenn nicht unmöglich ergeben, wie 1997 von Ng et al. in „J. Mater. Sci. Lett.", Band 16, Seiten 809–811, angegeben wird. Der Diester von EDOT-CH₂OH kann dann zum Dicarbonsäure-Derivat hydrolysiert und schließlich zu EDOT-CH₂OH decarboxyliert werden.
Diese Synthese wurde von verschiedenen Gruppen angewandt (z.B. von Chevrot et al. in „Journal Electroanalytical Chemistry", Band 443, Seiten 217–226, 1998, und „Synthetic Metals", Band 93, Seite 33, und von Ng et al. in „J. Mater. Sci. Lett.", Band 16, Seiten 809–811, 1997), die das Gemisch aus Monomeren erhielten und als solcher benutzten. 1997 berichteten Reynolds et al. in „Polymer Preprints", Band 38 (2), Seite 320, über die Synthese von acetylgeschütztem 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäuredimethylester über eine doppelte Williamson-Reaktion unter Verwendung des kostspieligen acetylgeschützten 2,3-Dibrom-1-propanols. Die Reaktionsausbeute war sehr niedrig (25%). In jüngerer zeit berichteten Roncali et al. in „Electrochemical Communications", Band 2, Seiten 72–76, 2000, über die Synthese des Diesters von EDOT-CH₂OH über die doppelte Williamson-Reaktion von 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäuredimethylester mit 2,3-Dibrom-1-propanol, jedoch erneut mit ziemlich schwacher Reaktionsausbeute (40%).
Da EDOT-CH₂OH ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Synthese vieler modifizierter EDOT-Derivate ist, ist eine Optimierung von dessen Synthese von großer Bedeutung. Die aus wirtschaftlicher Sicht interessanteste Annäherung ist die Synthese des Diesters von EDOT-CH₂OH mittels Epihalohydrin. Allerdings unterliegt diese Annäherung drei Hauptproblemen : dem Erhalt zweier, schwierig aufzutrennender Isomere, dem unvermeidlichen Einsatz eines großen Überschusses des sehr giftigen (T+) Epichlorhydrins (1,6 Äquivalente) und der sehr langen Reaktionszeit (48 Stunden).
Aufgaben der vorliegenden Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb das Verschaffen eines Verfahrens zur Herstellung eines 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäurediesters in wesentlicher Abwesenheit von 3-Hydroxy-3,4-dihydro-2H-thien-[3,4-b]-[1,4]-dioxepin-6,8-dicarbonsäurediester.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Kurze Darstellung der vorliegenden Erfindung
Man hat unerwartet gefunden, dass bei Verwendung eines kleineren Überschusses von Epihalohydrin und mit einer kürzeren Reaktionszeit ein 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäurediester ausschließlich erhältlich ist, wenn polare Lösungsmittel wie DMF, DMA, DMSO, NMP oder Gemische aus polaren Lösungsmitteln wie DMF und DMSO bei einer Temperatur zwischen –20°C und dem Siedepunkt des verwendeten Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches und eine Menge Epihalohydrin zwischen 1,01 und 1,4 Äquivalenten, bezogen auf die Molmenge des Thiophen-Derivats, verwendet werden.
Gelöst werden die obigen Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäurediesters, wobei man das Alkalisalz von 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäurediester und Epihalohydrin in einem Molverhältnis zwischen 1,01 und 1,4 bei einer Temperatur zwischen –20°C und dem Siedepunkt des verwendeten polaren Lösungsmittels oder Gemisches aus polaren Lösungsmitteln in einem polaren Lösungsmittel oder einem Gemisch aus polaren Lösungsmitteln reagieren lässt.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
Ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Definitionen
Der Begriff „Alkyl" umfasst alle möglichen Varianten für jede Anzahl von Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe, d.h. für drei Kohlenstoffatome: n-Propyl und Isopropyl, für vier Kohlenstoffatome n-Butyl, Isobutyl und t-Butyl, für fünf Kohlenstoffatome: n-Pentyl, 1,1-Dimethylpropyl, 2,2-Dimethylpropyl und 2-Methylbutyl usw.
Eine chirale Verbindung ist eine Verbindung mit einem chiralen Zentrum. Ein chirales Zentrum ist ein Atom, z.B. ein an vier verschiedene Gruppen gebundenes Kohlenstoffatom. Eine Verbindung mit einem chiralen Zentrum lässt sich nicht auf ihrem Spiegelbild abbilden und wird Chiralität aufweisen, wobei Chiralität als die Händigkeit eines asymmetrischen Moleküls bezeichnet wird. Bei Abtrennung in reinem Zustand werden solche Verbindungen in der Regel eine mit einem Polarimeter ermittelbare Drehung von polarisiertem Licht aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindung, die einen 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäurediester enthält
Die vorliegende Erfindung verschafft ein Verfahren zur Herstellung eines 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäurediesters [Diesters von (2,3-Dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-2-yl)-methanol], wobei man das Alkalisalz von 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäurediester und Epihalohydrin in einem Molverhältnis zwischen 1,01 und 1,4 bei einer Temperatur zwischen –20°C und dem Siedepunkt des verwendeten polaren Lösungsmittels oder Gemisches aus polaren Lösungsmitteln in einem polaren Lösungsmittel oder einem Gemisch aus polaren Lösungsmitteln reagieren lässt.
Nach einem ersten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Verfahren bei einer Temperatur zwischen 40°C und 100°C.
Nach einem zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als polares Lösungsmittel DMF, DMA, DMSO oder NMP oder ein Gemisch derselben verwendet.
Nach einem dritten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Epihalohydrin Epibromhydrin.
Nach einem vierten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäurediester Estergruppen aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl, n-Propyl und n-Butyl, z.B. den Dimethylester, Diethylester, Di-n-propylester, Di-n-butylester (oder eine Kombination dieser Ester wie Methylethylester) von 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäure.
Die nachstehenden vergleichenden und erfindungsgemäßen Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung. Die Prozentsätze und Verhältnisse in diesen Beispielen sind in Gewicht ausgedrückt, wenn nichts anders vermerkt ist. Alle Versuche erfolgen unter inerten Bedingungen (Stickstoff).
VERGLEICHENDES BEISPIEL 1
Zu einem unter Rückflusskühlung erhitzten Gemisch aus 18,06 g 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäuredimethylester und 350 ml Ethanol gibt man 7,7 ml Epibromhydrin und 1,92 g Kaliumcarbonat in einer Lösung von 100 ml Wasser. Nach 1stündiger Erhitzung unter Rückflusskühlung werden zusätzliche 5,34 ml Epibromhydrin zugesetzt. Nach 15stündiger Erhitzung unter Rückflusskühlung werden zusätzliche 1,0 g Kaliumcarbonat und 3,0 ml Epibromhydrin zugesetzt. Das Gemisch wird insgesamt 48 Stunden unter Rückflusskühlung erhitzt. Bei der Analyse des so erhaltenen Reaktionsgemisches mittels GC-MS (Gaschromatografie-Massenspektrometrie) besteht es aus einem Gemisch aus 30% 3-Hydroxy-3,4-dihydro-2H-thien-[3,4-b]-[1,4]-dioxepin-6,8-dicarbonsäuredimethylester (7-gliedriger Ring) und 70% 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäuredimethylester (6-gliedriger Ring), in Übereinstimmung mit der Beschreibung von Blohm et al. in US 5 111 327 .
ERFINDUNGSGEMÄßES BEISPIEL 1
Zu 10,4 g 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäuredimethylester gibt man 20,0 ml Methanol und 16,5 ml Natriummethoxid (30 gew.-%ige Lösung in Methanol), wonach das Gemisch 1 Minute lang gerührt wird. Nach anschließender Zugabe von 52 ml N,N-Dimethylformamid (DMF) und 2 ml Dimethylsulfoxid wird das Reaktionsgemisch erneut 1 Minute gerührt. Dann werden bei Zimmertemperatur 4,10 ml Epibromhydrin zugesetzt. Die Temperatur des Reaktionsgemisches wird auf 75°C gebracht und das Methanol abdestilliert. Anschließend wird die Temperatur auf 100°C gebracht und 5 Stunden weiter gerührt. Bei der Analyse durch GC-MS ergibt sich, dass das Reaktionsgemisch nur den Diester von 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäure enthält.
ERFINDUNGSGEMÄßES BEISPIEL 2
Zu 5,2 g 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäuredimethylester gibt man 10,0 ml Methanol und 8,3 ml Natriummethoxid (30 gew.-%ige Lösung in Methanol), wonach das Gemisch 1 Minute lang gerührt wird. Nach anschließender Zugabe von 26 ml N,N-Dimethylacetamid (DMA) wird das Reaktionsgemisch erneut 1 Minute gerührt. Dann werden bei Zimmertemperatur 2,0 ml Epibromhydrin zugesetzt. Die Temperatur des Reaktionsgemisches wird auf 75°C gebracht und das Methanol abdestilliert. Anschließend wird die Temperatur auf 100°C gebracht und 6 Stunden weiter gerührt. Bei der Analyse durch GC-MS ergibt sich, dass das Reaktionsgemisch nur den Diester von 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäure enthält.
ERFINDUNGSGEMÄßES BEISPIEL 3
Zu 5,2 g 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäuredimethylester gibt man 10,0 ml Methanol und 8,3 ml Natriummethoxid (30 gew.-%ige Lösung in Methanol), wonach das Gemisch 1 Minute lang gerührt wird. Nach anschließender Zugabe von 24 ml N-Methylpyrrolidinon (NMP) wird das Reaktionsgemisch erneut 1 Minute gerührt. Dann werden bei Zimmertemperatur 2,0 ml Epibromhydrin zugesetzt. Die Temperatur des Reaktionsgemisches wird auf 75°C gebracht und das Methanol abdestilliert. Anschließend wird die Temperatur auf 100°C gebracht und 3 Stunden weiter gerührt. Bei der Analyse durch GC-MS ergibt sich, dass das Reaktionsgemisch nur den Diester von 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäure enthält.
Das Reaktionsgemisch wird in 150 ml Wasser gegossen und 5mal mit 50 ml tert-Butylmethylether (MTBE) extrahiert. Die organischen Teile werden gesammelt und das Lösungsmittel durch Vakuumdestillation abgetrennt. Dabei wird ein reines Produkt in Form eines gelben Feststoffes erhalten.
ERFINDUNGSGEMÄßES BEISPIEL 4
Zu 5,2 g 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäuredimethylester gibt man 10,0 ml Methanol und 8,3 ml Natriummethoxid (30 gew.-%ige Lösung in Methanol), wonach das Gemisch 1 Minute lang gerührt wird. Nach anschließender Zugabe von 23 ml Dimethylsulfoxid (DMSO) wird das Reaktionsgemisch erneut 1 Minute gerührt. Dann werden bei Zimmertemperatur 2,0 ml Epibromhydrin zugesetzt. Die Temperatur des Reaktionsgemisches wird auf 60°C gebracht und das Methanol innerhalb einiger Minuten abdestilliert. Nach 15minütiger Aufbewahrung bei 60°C wird das Reaktionsgemisch auf Zimmertemperatur abgekühlt. Bei der Analyse durch GC-M5 ergibt sich, dass das Reaktionsgemisch nur den Diester von 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäure enthält.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines 2-Hydroxymethyl-2,3-dihydrothien-[3,4-b]-[1,4]-dioxin-5,7-dicarbonsäurediesters, wobei man das Alkalisalz von 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäurediester und Epihalohydrin in einem Molverhältnis zwischen 1,01 und 1,4 bei einer Temperatur zwischen –20°C und dem Siedepunkt des verwendeten polaren Lösungsmittels oder Gemisches aus polaren Lösungsmitteln in einem polaren Lösungsmittel oder einem Gemisch aus polaren Lösungsmitteln reagieren lässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Temperatur zwischen 45°C und dem Siedepunkt des verwendeten polaren Lösungsmittels oder Gemisches aus polaren Lösungsmitteln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als polares Lösungsmittel DMF, DMA, DMSO, NMP oder ein Gemisch derselben verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Epihalohydrin Epibromhydrin ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der 3,4-Dihydroxythiophen-2,5-dicarbonsäurediester Estergruppen aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl, n-Propyl und n-Butyl enthält.