Zur Synthese von Chloroform-D sind seit langem zahlreiche Syntheseverfahren bekannt (A. Murray u. D.Williams: Organic Synthesis with Isotropes. New York: Interscience Publishers, 1958, S. 1488 bis 1490; DE-PS 1271100; DD-PS 154813). Alle diese Verfahren, die auf der hydrolytischen Spaltung entsprechender Chlorverbindungen oder auf dem basenkatalysierten Wasserstoffaustausch mit Deuteriumoxid beruhen, liefern jedoch keine sehr reinen Produkte. Sie enthalten wasserstoffhaltige Verunreinigungen, die in ihrer Konzentration zwar gering sind, (insgesamt S 0,05%) die aber beim Einsatz von Chloroform-D als Lösungsmittel in der seit 1966 bekannten und seit 1970 mit kommerziellen Geräten betriebenen FT-NMR-Spektroskopie im Spektrum bei hoher Akkumulation häufig stark störende intensive Fremdsignale hervorrufen. Durch das Auftreten von Störsignalen im Lösungsmittel-Spektrum ist eine Auswertung der FT-NMR-Spektren beim Arbeiten mit Substanzen, die in geringer Konzentration gelöst sind, praktisch unmöglich.

In solchen Fällen ist bei der Spektrenauswertung stets mit Fehlinterpretationen zu rechnen. (H. Günther: NMR-Spektroskopie. Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1983, S. 62 bis 64). Verfahren zur Herstellung von Chloroform-D in der für diesen Einsatzzweck geforderten Qualität sind bisher nicht bekannt.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein ökonomisch vorteilhaftes Produktionsverfahren zur Herstellung eines spezialreinendeuterierten Chloroforms zur Verfügung zu stellen, das den Qualitätsanforderungen für den Einsatz als Lösungsmittel in der FT-NMR-Spektroskopie genügt.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Synthese und Aufbereitung umfassendes Verfahren zu finden, nach dem Chloroform-D mit einem Isotopenanreicherungsgrad über 99% und einem Verunreinigungsgrad von maximal 10"⁶% protonenhaltiger Verbindungen hergestellt werden kann.

Die handelsüblichen, unmarkierten Chloroforme der besten Qualität weisen einen erheblich höheren Verunreinigungsgrad

Da die Zusammensetzung der Verunreinigungen, vor allem in den geringen Mengen, weitgehend unbekannt ist, ist ein systematisches Vorgehen zur geforderten Absicherung an protonenhaltigen Verunreinigungen nicht möglich.

Zur Lösung der Aufgabe wurde von den über zehn durchaus gängigen Synthesewegen zum Chloroform-D das Chloralverfahren ausgewählt. In Abkehr von der bei diesem Verfahren prinzipiell geübten Verfahrensweisen wird das Chloral vordem Einsatz keiner Reinigungsdestillation unterzogen, da gefunden wurde, daß diese Reinigungsoperation eine zusätzliche und im weiteren Verfahren nicht mehr kompensierbare Quelle für protonenhaltige Verunreinigungen darstellt. Das Chloral wird mit 30%iger deuterierter Natronlauge oder Lösungen von Alkalicarbonat in Deuteriumoxid in an sich bekannter Weise zum Chloroform-D hydrolysiert:

CCI₃-CHO + NaOD -» CDCI₃ + HCOONa.

Es wurde gefunden, daß aus undestilliertem Chloral oderTrichloracetylchlorid ein Chloroform-D herstellbar ist, das durch eine zweistufige Reinigung, bestehend aus Schwefelsäurewäsche und Rektifikation, jeweils unter den im folgenden beschriebenen Verfahrensbedingungen, zu einem Produkt der geforderten Qualität aufarbeitbar ist. Dabei war überraschend, daß bei der Behandlung des deuterierten Chloroforms mit konzentrierter Schwefelsäure im Verhältnis (2 bis 4) zu !,vorzugsweise 2,5:1, bei einer Temperatur von 20 bis 25⁰C, keinesfalls darüber, über 2,5 bis 4,0 Stunden Behandlungszeit nicht der geringste Wasserstoffisotopenaustausch festgestellt werden konnte (massenspektrometrische Isotopenanalyse). Mit einem solchen Wasserstoffisotopenaustausch, der die Schwefelsäurewäsche als Reinigungsoperation ausgeschlossen hätte, mußte jedoch gerechnet werden; da das Chloroform als stark elektronegativ substituiertes Molekül hierfür bekannt ist. Folgerichtig ist diese Reinigungsmethode bisher auch nicht für deuteriertes Chloroform beschrieben worden.

Eine anschließende Rektifikation über 20 praktische Böden und bei einem Rücklaufverhältnis von r_m3x = 100 ermöglichtes, die noch verbliebenen protonenhaltigen Verunreinigungen bis zu einer Kopftemperatur von tk = 42,0⁰C als Vorlauf abzutrennen. Das nach diesem Verfahren gewonnene Chloroform-D zeigt im FT-NMR-Spektrum keine Fremdsignale mehr: Die protonenhaltigen Verunreinigungen sind auf einen Restgehalt von max. 10"⁶% abgesenkt. Die Isotopenreinheit liegt bei 99 Atom% D im Vergleich zu 99,8 Atom% der deuterierten Einsatzstoffe. Im Bedarfsfalle kann die Anreicherung des Deuteriums auf mind. 99,8 Atom% erhöht werden. Zu diesem Zweck wird im Anschluß an die Schwefelsäurebehandlung ein zusätzlicher Wasserstoffprotonenaustausch mit Deuteriumoxid entsprechend DD-WP 154813 durchgeführt.

1. Synthese von Chloroform-D

1.1. In einen 6-l-Dreihalsrundkolben mit Rührer, Tropftrichter und Rückflußkühler wurden 1,6130%igedeuterierte Natronlauge (Isotopenreinheit 99,8 Atom% D) vorgelegt. Alle Einzelteile der Apparatur wurden zuvor im Trockenschrank bei 150 bis 200 ⁰C über 3 Stunden ausgeheizt. Über den Tropftrichter wurden 1,61 Chloral, undestilliert, unter Rühren in einem dünnen Strahl so zufließen gelassen, daß bei Kühlung mit Wasser die Reaktionstemperatur bei 20 ⁰C lag. Anschließend wurde das Reaktionsgefäß 4 Stunden auf 60 ⁰C erhitzt.

Nach dem Erkalten wurde die Chloroformschicht abgetrennt. Das unumgesetzte Deuteriumoxid wurde aus der wäßrigen Schicht zurückgewonnen.

Ausbeute: 1,6 kg Isotopenreinheit: 99 Atom% D

1.2. In einem 6-l-Dreihalsrundkolben mit Rückflußkühler und 2 Tropftrichtern wurde ein gut getrocknetes Gemisch von 750 g Calciumcarbonat und 800 g Natriumcarbonat vorgelegt. Zur Entfernung von Feuchtigkeitsspuren wurde die Apparatur auf 0,65 kPa evakuiert und der Kolben im Ölbad auf 200 °C erhitzt. Nach Ablauf von 2 Stunden war die Trocknung beendet und die Apparaturwurde über eine Kühlfalle (flüssiger Stickstoff) allmählich belüftet. Sobald das Ölbad auf 110⁰C abgekühlt war, wurden 1 250 ml Deuteriumoxid (99,8 Atom% D) durch den Tropftrichter hinzugegeben. Über den 2. Tropftrichter wurden 2 400 g Trichloracetylchlorid so hinzugetropft, daß das entstehende Chloroform-D ständig abdestillierte. Es wurde in einer mit Trockeneis gekühlten Vorlage aufgefangen. Im Laufe von 4 Stunden wurde die Badtemperatur auf 160 ⁰C erhöht.

Nach Abschluß der Reaktion wurde das Rohprodukt mit Calciumchlorid getrocknet und nochmals destilliert. Ausbeute: 1,2kg Isotopenreinheit: 99,5 Atom% D

2. Reinigungsoperationen 2.1 Schwefelsäurewäsche:

Dienach 1.1 und 1.2 gewonnenen Rohprodukte wurden mit konzentrierter Schwefelsäure im Verhältnis 2,5 zu 1 bei 20 ⁰C über 4 Stunden intensiv gerührt. Die Chloroformschicht wurde abgetrennt und gewaschen.

2.2. Rektifikation:

Das gewaschene Chloroform-D wurde fraktioniert destilliert. Unter Verwendung einer Glockenbodenkolonne mit 20 Böden und einem Rücklaufverhältnis von r_max= 100 wurde bis zu einer Kopftemperatur von 42,0 ⁰C ein Vorlauf (ca. 10%) abgetrennt. Eine 2. Fraktion wurde bis 62,0 ⁰C abgenommen, sodann der Hauptlauf bei 62,0⁰C. Die 2. Fraktion wurde nochmals unter den gleichen Bedingungen destilliert.

Das gewonnene Produkt weist unter folgenden Meßbedingungen kein Fremdsignal auf:

NMR-Spektrometer WP 200 oder WM 250, Fa. Bruker AG, mindestens 64 scans.