Lewis-Säure Lösungen in sauerstoffdonorhaltigen Lösemittel oder
Lösemittelgemisch
Die Erfindung betrifft Lewis-Säure Lösungen in asymmetrisch substituierten Ethern oder in Lösemittelgemischen, die asymmetrisch substituierte Ether und Kohlenwasserstoffe enthalten, die Herstellung der erfindungsgemäßen Lösungen und d ie Verwendung der Lösungen in der anorgan ischen , organ ischen und metallorganischen Synthese.
Die Erfindung betrifft weiterhin Lösungen der Halogenidverbindungen von Elementen aus der 8. 12. und 13. Gruppe des Periodensystems der Elemente in asymmetrisch substituierten Ethern oder in Mischungen aus asymmetrisch substituierten Ethern und Kohlenwasserstoffen.
Lewis-Säuren finden zahlreiche Anwendungen im Bereich der chemischen Synthese. Durch Zusatz von Lewis-Säuren, beispielsweise in Diels-Alder Reaktionen, radikalvermittelten Reaktionen, Friedel-Crafts-Alkylierungen oder -Acylierungen oder Aldolreaktionen, kann die Ausbeute einer Synthesereaktion erhöht sowie gegebenenfalls die Regio-, Enantio- oder Diastereoselektivität der entsprechenden Reaktion kontrolliert werden (H. Yamamoto, Lewis-Acids in Organic Synthesis, Wiley- VCH, 2000, Volume 1 and 2 und darin enthaltene Zitate ). Zusätzlich finden Lewis- Säuren Anwendungen in der Herstellung metallorganischer Verbindungen, Elementwasserstoffverbindungen (EHX), Elementhalogenwasserstoffverbindungen, Metallelementhydriden und komplexen Metallhydriden, wie beispielsweise in der Herstellung von kupfer- oder zinkorganischen Verbindungen, Alan (AIH3), Chloralanen (AIHXCI(3-X)) Zinkborhydrid oder Lithiumaluminiumhydrid (P. Knöchel, P. Jones in Organozinc Reagents (Editoren: L. M. Harwwod, C. J. Moody), Oxford University Press Inc., New York, 1999 und darin enthaltene Zitate; C. Eischenbroich, A. Salzer, Organometallchemie, Teubner, 1993, 3. Auflage; A. J. Downs, C. R. Pulham, Chem. Soc. Rev. 1994, 175; A. E. Finholt, A. C. Bond Jr., H. I. Schlesinger, J. Am. Chem . Soc. 1 947, 69, 1 1 99). Lösungen von Lewis-Säuren weisen den Nachteil auf, dass sie sich bei Kontakt mit Spuren von Wasser zersetzen,
so dass die Ausgangsstoffe einen äußerst geringen Wassergehalt aufweisen sollten, um den Gehalt an Lewis-Säuren in den Lösungen zu maximieren. Halogenhaltige Lewis-Säuren werden zusätzlich häufig als Rohstoffe zur Herstellung organosubstituierter oder auch chiraler Lewis-Säuren verwendet. Ein weiteres Anwendu ngsgebiet sind C-C-Kupplungsreaktionen, die durch Lewis-Säuren katalysiert werden (M. Nakamura, S. Ito, K. Matsuo, E. Nakamura, Synlett. 2005, 1 1 , 1794; A. Fürstner, G. Seidel, DE-A-10355169).
Feste halogenhaltige Lewis-Säu ren si nd in d er Regel äu ßerst korros iv u nd hygroskopisch. Problematisch ist daher die Dosierung dieser Feststoffe in der chemischen Synthese, da dieses unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss erfolgen muss. Das Anhaften dieser Verbindungen an den verwendeten Werkstoffen ist gleichfalls problematisch, da dadurch Korrosion und Verschleiß bedingt sind. Die Lewis-Säuren werden bei Kontakt mit Wasser oder auch Luftfeuchtigkeit unter Freisetzung von Halogenwasserstoff hydrolysiert. Die Hydrolyseprodukte vermindern die Ausbeute der Umsetzungen, stören Folgereaktionen, beispielsweise durch Verminderung der Stereoselektivität, und müssen aufwendig abgetrennt werden. Nachteilig ist auch, dass die feinpulvrigen Feststoffe zu Verätzungen der Schleimhäute und Atemwege des Personals führen können.
Es ist bekannt, dass sich halogenhaltige Lewis-Säuren in Diethylether in hohen Konzentrationen lösen. Beispielsweise beträgt die Löslichkeit von Aluminiumtrichlorid in Diethylether bei 25°C etwa 55 Gewichtsprozent (Gew.-%), von Zinkdichlorid beträgt die Löslichkeit bei 25°C etwa 50 Gew.-%.
Die Verwendung von Diethylether im technischen Maßstab ist durch dessen niedrigen Siedepunkt (34,6°C) und dem damit verbundenen hohen Dampfdruck (443 mm Hg, 20°C), dem niedrigen Flammpunkt (-40°C), der niedrigen Zündtemperatur (1 60°C) sowie der hohen Explosivität (untere Explosionsgrenze 1 ,8%, obere Explosionsgrenze 48%) problematisch. Nachteilig ist weiterhin, dass Diethylether stark zur Bildung hochexplosiver Peroxide neigt.
ln Tetrahydrofuran (THF) ist die Löslichkeit halogenhaltiger Lewis-Säuren jedoch häufig gering. Es müssen sehr große Volumina für eine Reaktion eingesetzt werden, die die Raum-Zeit-Ausbeute minimieren und die Synthese unwirtschaftlich machen. Die Löslichkeit von Zinkdichlorid bei 25°C in THF beträgt beispielsweise nur etwa 20 Gew.-%.
Lewis-Säuren bilden mit Lösemitteln, die mehr als ein Donoratom aufweisen, schwerlösliche Chelatkomplexe oder zersetzen sich. Beispielsweise bildet Aluminiumtrichlorid mit 1 ,2-Dimethoxyethan (1,2-DME) einen unlöslichen Komplex der Zusammensetzung [(1 ,2-DME)3AI][CI]3. Versuche zum Lösen von Aluminiumtrichlorid in Diethoxymethan resultieren in Zersetzung des Lösemittels unter Bildung von Ethoxychlormethan. In 1,2-DME beträgt die Löslichkeit von Zinkdichlorid bei 25°C lediglich etwa 1 Gew.-%.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, konzentrierte Lösungen von Lewis-Säuren in einem aprotischen, sauerstoffdonorhaltigen Lösemitteln, oder deren Mischungen mit Kohlenwasserstoffen bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Lösungen von Lewis-Säuren in aprotischen, sauerstoffdonorhaltigen Lösemitteln, oder deren Mischungen mit Kohlenwasserstoffen bereitzustellen, in denen sich diese Verbindungen überwiegend monomer zu einem hohen Prozentsatz lösen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Lösungen von Lewis-Säuren in sauerstoffdonorhaltigen Lösemitteln, oder deren Mischungen mit Kohlenwasserstoffen bereitzustellen, die eine schlechte Mischbarkeit mit Wasser aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe überraschenderweise durch Lewis-Säuren gelöst, die in aprotischen, asymmetrisch substituierten, sauerstoffdonorhaltigen Lösemittel der allgemeinen Formel I aufgelöst sind.
Formel I
Dabei gilt: R1 R2 und R1, R2 = u nabhäng ig voneinander H , oder eine funktionalisierte oder eine unfunktionalisierte verzweigte oder unverzweigte Alkyl-, Alkyloxy, Cycloalkyl, Cycloalkyloxygruppe mit 1 bis 20 C-Atomen oder eine Aryl- oder eine Aryloxygruppe mit 1 -12 C-Atomen eingesetzt werden. Für den Fall, dass R1 = H ist R2 ^ H.
Beispiele für R1 und R2 sind: H, Methyl, Methoxy, Methyl methoxy, Ethyl, Ethoxy, Methylethoxy, n-Propyl, Propoxy, Methylpropoxy, iso-Propyl, n-Butyl, 2-Butyl, iso- Butyl, terf-Butyl, n-Pentyl, iso-Pentyl, neo-Pentyl, tert-Pentyl, Hexyl, n-Heptyl, iso- Heptyl, n-Octyl, iso-Octyl, 2-Ethyl-1 -hexyl, 2,2,4-Trimethylpentyl, Nonyl, Decyl, Dodecyl, n-Dodecyl, Cyclopentyl, Cyclohexyl, Cycloheptyl, Methylcyclohexyl, Vinyl, 1 - Propenyl, 2-Propenyl, Naphthyl, Anthranyl, Phenanthryl, o-Tolyl, p-Tolyl, m-Tolyl, Xylyl, Ethylphenyl, Mesityl, Phenyl, Pentafluorphenyl, Phenoxy, Methoxyphenyl, Benzyl, Mesistyl, Neophyl, Thexyl, Trimethylsilyl, Triisopropylsilyl, Tri(tertbutyl)silyl), Dimethylthexylsilyl. Besonders bevorzugt ist R1 = Methyl und R2 = H (Tetrahydro-2- methylfuran (2-MeTHF)).
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich Lewis-Säuren auch in Mischungen erfindungsgemäßer Lösemittel mit Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Benzol, Toluol , Ethylbenzol, m-Xylol, p-Xylol, o-Xylol, Cyclohexan, Heptan, n-Hexan, Methylcyclohexan oder Cumol, vorzugsweise Toluol, in hoher Konzentration lösen.
Die erfindungsgemäßen aprotischen, asymmetrisch substituierten, sauerstoffdonorhaltigen Lösemittel oder deren Gemische mit Kohlenwasserstoffen zeichnen sich durch ein ausgezeichnetes Lösevermögen für Lewis-Säuren, insbesondere von halogenhaltigen Lewis-Säuren aus.
Lewis-Säuren im Sinne der Erfindung sind Moleküle, Salze oder Ionen, die gegenüber anderen Teilchen unter Ausbildung einer kovalenten Bindung als Elektronenpaarakzeptor wirken können. Bevorzugt sind Halogenide der 8., 12. und 1 3. Gruppe des Periodensystems der Elemente, besonders bevorzugt sind die Chloride von Bor, Zink und Eisen.
Die erfindungsgemäßen aprotischen, asymmetrisch substituierten, sauerstoffdonorhaltigen Lösemittel zeichnen sich zudem, verglichen mit Diethylether, durch einen höheren Siedepunkt aus. Die Gefahr der Bildung einer explosionsgefährteten Atmosphäre im technischen Maßstab wird damit herabgesetzt. So hat Tetrahydro-2-methylfuran beispielsweise einen Siedepunkt von 77 bis 79°C.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösungen von Lewis-Säuren in aprotischen, asymmetrisch substituierten, sauerstoffdonorhaltigen Lösemitteln oder i n Gem isch en m it Koh l enwasserstoffen besteht darin, dass beispielsweise Lithiumhalogenide oder auch Magnesiumhalogenide in diesen Lösemitteln nur schlecht löslich sind. So beträgt beispielsweise die Löslichkeit von Lithiumchlorid in Tetrahydro-2-m ethylfu ran bei 25°C n u r 0 , 05 mmol/g. Dies ist insofern von Bedeutung, dass beispielsweise Lithium- oder Magnesiumhalogenide bei der Herstellung von metallorganischen Verbindungen oder Metallwasserstoffverbindungen oder Elementwasserstoffverbindungen aus halogenhaltigen Lewis- Säuren entstehen und aufgrund der geringen Löslichkeit dieser Halogenide eine einfachere Aufarbeitung des Reaktionsgemisches, beispielsweise durch Filtrieren, Dekantieren oder Zentrifugieren möglich ist. In THF ist die Löslichkeit von Lithiumchlorid deutlich höher und beträgt 1 ,14 mmol/g. Die Aufarbeitung und Herstellung von LiCI-armen Produktlösungen gestaltet sich daher in THF aufwendig.
Die erfindungsgemäßen Lösungen von Lewis-Säuren werden im Allgemeinen wie folgt erhalten.
Erfindungsgemäß wird das aprotische, asymmetrisch substituierte, sauerstoffdonorhaltige Lösemittel oder Gemische aus erfindungsgemäßen aprotischen, asymmetrisch substituierten, sauerstoffdonorhaltigen Lösemittel mit
Kohlen Wasserstoffen in einem Reaktor vorgelegt. Eine Lewis-Säure wird entweder in einer Portion oder in mehreren Portionen oder durch kontinuierliche Förderung, beispielsweise über eine Förderschnecke unter Rühren eingebracht. Anschließend wird so lange gerührt, bis sich die nötige Menge an Lewis-Säure gelöst oder bis sie sich komplett gelöst hat.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Lewis-Säure vorgelegt und das aprotische, asymmetrisch substituierte, sauerstoffdonorhaltige Lösem ittel oder deren M ischung m it Kohlenwasserstoffen - oder getrennt voneinander ein aprotisches, asymmetrisch substituiertes, sauerstoffdonorhaltiges Lösemittel und Kohlenwasserstoffe - zugegeben und solange gerührt bis sich die gewünschte Menge an Lewis-Säure gelöst hat oder sie sich komplett gelöst hat.
Vorzugsweise wird nicht gelöster Feststoffanteil durch Dekantieren, Zentrifugieren oder Filtrieren abgetrennt.
Das Verfahren wird vorzugsweise bei Temperaturen zwischen -78°C und dem Siedepunkt des Lösemittels oder des Lösemittelgemisches durchgeführt.
Bevorzugt wird ein sauerstoffdonorhaltiges Lösemittel oder ein Gemisch aus einem sauerstoffdonorhaltigem Lösemittel und einem Kohlenwasserstoff verwendet.
Wird ein Gemisch aus einem aprotischen, asymmetrisch substituierten, sauerstoffdonorhaltigen Lösemittel und Kohlenwasserstoff verwendet, beträgt der Anteil an Kohlenwasserstoff in der Produktlösung bevorzugt zwischen 0,1 Gew.-% und 70 Gew.-%.
Bevorzugt finden die Manipulationen unter Ausschluss von Luft in einer Inertgasatmosphäre, vorzugsweise in Ar- oder N2-Atmosphäre, statt.
Die erfindungsgemäßen Lösungen sind für die Verwendung in der Synthesechemie, organischen Chemie und metallorganischen Chemie geeignet, insbesondere für:
- Lewis-Säure katalysierten Reaktionen;
- Friedel-Crafts-Alkylierungen und -Acylierungen;
- Aldolreaktionen;
- Diels-Alder Reaktionen;
- Salzeliminierungsreaktionen;
- Transmetallierungsreaktionen;
- Reaktionen mit Metallwasserstoffverbindungen und Elementwasserstoffverbindungen sowie
- bei Verwendung von ZnC^-haltigen Lösungen zur Herstellung von Zn(BH )2.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert, ohne sie darauf einzuschränken.
Allgemeines Vorgehen:
Das Lösemittel wird unter Inertgasatmosphäre in einen Reaktor eingebracht. Die Zugabe des Lewis-sauren Salzes erfolgt unter Rühren aufgrund der Exothermie des Lösevorgangs portionsweise unter Inertgasbedingungen bei den angegebenen Temperaturen. Es wurden technische Salze und Lösemittel verwendet.
Beispiel 1 : Herstellung einer gesättigten 40%igen Lösung von ZnC in 2-MeTHF
Einwaagen: ZnCI2: 25,0 g; 2-MeTHF: 37,5 g;
Zugabe bei 0°C bis 15°C, Nachreaktion bei 25°C;
Die erhaltene Suspension wurde klar filtriert und analysiert;
Analytik: [Zn2+] = 2,92 mmol/g; [CP] = 5,84 mmol/g;
Beispiel 2: Herstellung einer 26%igen Lösung von ZnCI2 in 2-MeTHF
Einwaagen: ZnCI2: 25,0 g; 2-MeTHF: 71 ,2 g;
Zugabe bei 0°C bis 15°C, Nachreaktion bei 25°C
Die erhaltene Lösung wurde analysiert;
Analytik: [Zn2+] = 1 ,90 mmol/g; [C\~] = 3,91 mmol/g;
Wassergehalt nach Karl-Fischer: 0,04%.
Beispiel 3: Herstellung einer 45 %igen Lösung von ZinkBr2 in 2-MeTHF
In einem inertisierten Glasreaktor werden 265 g MeTHF (Wassergehalt 120 ppm) vorgelegt und auf ca. 10 °C gekühlt. Unter Rühren werden mittels einer Dosierbirne 217 g Zinkbromid innerhalb ca. 20 min zugegeben. Nach Zugabeende wird auf ca. 25 °C erwärmt und noch 1 Stunde gerührt.
Die leicht trübe Lösung wird klarfiltriert.
Auswaage: 465 g leicht gelbliche, klare Lösung
Gehalt ZnBr2 : 45,1 % (Ausb. 97 % d. Th.)
Beispiel 4: Herstellung einer gesättigten 50%igen Lösung von FeCb-Lösungen in
2-MeTHF
Einwaagen: FeCI3: 25,0 g; 2-MeTHF: 25,0 g;
Zugabe bei 0°C bis 15°C, Nachreaktion bei 25°C;
Die erhaltene Lösung wurde analysiert;
Analytik: [Fe3+] = 3,1 mmol/g; [Cl~] = 9,3 mmol/g
Beispiel 5: Herstellung einer 25%igen Lösung von FeCb-Lösungen in 2-MeTHF
Einwaagen: FeCI3: 25,0 g; 2-MeTHF: 75,0 g;
Zugabe bei 0°C bis 15°C, Nachreaktion bei 25°C
Die erhaltene Lösung wurde analysiert;
Analytik: [Fe3+] = 1 ,57 mmol/g; [CI"] = 4,70 mmol/g; Wassergehalt nach Karl-Fischer: 0,16 %.
Zusamnnenfassung der Beispiele (Bsp.), Kristallisationsverhalten der Lösungen in Abhängigkeit vom Lösemittel (LM) und Vergleichsbeispiele
Kristallisiert (Ja +/Nein -)
Bsp. Substanz LM Gew. % 25°C 5°C 0°C -10°C
1 ZnCI2 2-MeTHF 40 + + +
2 ZnCI2 2-MeTHF 26 - -
ZnCI2 * THF 20 n.a. + +
ZnCI2 * THF 15 n.a. + +
ZnCI2 * Et20 50 n.a. + +
4 FeCI3 2-MeTHF 50 + + +
5 FeCI3 2-MeTHF 25 - +
* Vergleichsbeispiel; n.a. = nicht analysiert