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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen mit mindestens einer Tetrafluorethylen-Brücke im Molekül. Moleküle mit dieser Struktureinheit sind als Zwischenstufen für Polymere, Pharmazeutika und Agrochemikalien von Interesse. Besonders eignen sich derartige Verbindungen als Bestandteil von Flüssigkristallen.
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Flüssigkristalle haben ein breites Anwendungsfeld gefunden, seitdem vor etwa 30 Jahren die ersten kommerziell anwendbaren flüssigkristallinen Verbindungen aufgefunden wurden. Bekannte Anwendungsgebiete sind beispielsweise Anzeigedisplays für Uhren, Taschenrechner oder Telephone. Weitere Anwendungsgebiete sind Displays von tragbaren Computern oder Navigationssystemen sowie Videoapplikationen und PC-Monitore. Insbesondere für die zuletzt genannten Anwendungen werden hohe Anforderungen an Schaltzeiten und den Kontrast der Abbildungen gestellt.
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Um für kommerzielle Anwendungen brauchbar zu sein, müssen die flüssigkristallinen Moleküle bestimmte Eigenschaften aufweisen. Um Geräte mit einem Flüssigkristalldisplay unter unterschiedlichen Klimabedingungen einsetzen zu können, müssen die Moleküle über einen möglichst großen Temperaturbereich, der im Bereich der Raumtemperatur liegt, eine stabile nematische Phase ausbilden. Die Verbindungen müssen also einen niedrigen Schmelzpunkt und einen hohen Klärpunkt besitzen.
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Um niedrige Schaltzeiten verwirklichen zu können, müssen die Moleküle eine niedrige Rotationsviskosität aufweisen. So werden für Videoapplikationen Schaltzeiten von weniger als 16.7 ms gefordert. Ferner sollen die flüssigkristallinen Moleküle eine hohe dielektrische Anisotropie aufweisen, so daß nur niedrige Schwellenspannungen erforderlich sind. Dies bedeutet einen niedrigen Energiebedarf, so daß beispielsweise in Laptops kleinere und damit leichtere Akkus verwendet werden können. Für die Gestaltung des Displays sind ferner die Doppelbrechungs-eigenschaften der Moleküle von Bedeutung, welche Kontrast und nutzbaren Blickwinkel beeinflussen.
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Um alle diese Anforderungen gleichzeitig erfüllen zu können, werden keine reinen Substanzen verwendet, sondern Gemische, die meist 5 bis 15 unterschiedliche Komponenten umfassen. Dies bedeutet, daß die einzelnen Komponenten miteinander verträglich sein müssen, also sich beispielsweise ausreichend ineinander lösen.
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Für moderne Aktivmatrixdisplays wird ein hoher Kontrast der Abbildungen gewünscht. Die flüssigkristallinen Verbindungen müssen daher einen hohen spezifischen Widerstand und eine hohe voltage holding ratio aufweisen.
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Als flüssigkristalline Verbindungen mit einem besonders hohen spezifischen Widerstand haben sich Verbindungen erwiesen, die fluorhaltige Gruppen in ihrem Molekülgerüst enthalten. Eine Verbindungsgruppe sind dabei Moleküle, die eine Tetrafluorethylengruppe -CF
2-CF
2- als Brückeneinheit aufweisen. Insbesondere werden damit häufig Phenylgruppen, Cyclohexylgruppen und/oder Vinylgruppen, die gegebenenfalls geeignete Substituenten aufweisen, miteinander verbunden. Beispiele solcher Verbindungen sind in der
DE-A 401 56 81 beschrieben.
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Die Darstellung dieser Verbindungen wird bis jetzt durchgeführt, indem zwei Moleküle mit der Struktureinheit -CCl3, die mit dem erwähnten Phenyl- oder Vinylrest substituiert sind, in einer Kopplungsreaktion miteinander verbunden werden. Dabei wird die Struktureinheit -CCl2-CCl2- ausgebildet; die Kopplung geschieht generell unter Zuhilfenahme von Kupfer und in N-Methylpyrrolidon (NMP) unter Anlegen einer hohen Temperatur. Anschließend wird ein Austausch der Chlor- gegen Fluoratome vorgenommen, wobei im allgemeinen HF, SbF3 und/oder SbF5 eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise beschrieben in J. Gen. Chem. USSR 1965 (35), S. 1616–1623.
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Nachteilig ist hierbei, daß für den Fluor-Halogen-Austausch eine Druckreaktion bei hohen Temperaturen unter Anwendung toxischer Reagenzien erforderlich ist; zudem treten häufig Korrosionsprobleme auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren der Herstellung von disubstituierten Tetrafluorethylen-Derivaten bereitzustellen, das die Nachteile der bisher bekannten Verfahren nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von disubstituierten Tetrafluorethylenderivaten, bei dem ein dimeres Koppelprodukt von Bis(alkylthio)carbenium-Salzen mit einem geeigneten Fluorierungsmittel unter Abspaltung der schwefelhaltigen Gruppen und Einsatz eines geeigneten Oxidationsmittels fluoriert wird. Diese erfindungsgemäße Reaktion wird nachfolgend als Fluorodesulfurierung bezeichnet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der dimere Bis(alkylthio)-substituierte Kohlenwasserstoff durch reduktive Kopplung zweier entsprechender Bis(alkylthio)carbenium-Salze unter Zuhilfenahme eines aprotischen, im Reaktionsmedium löslichen Reduktionsmittels wie beispielsweise Tetrakisdimethylaminoethylen (TDAE) oder Tetrathiafulvalen (TTF) hergestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren der Herstellung von disubstituierten Tetrafluorethylenderivaten (I) durch Fluorodesulfurierung von dimeren Bis(alkylthio)-Kohlenwasserstoffen (II) ist in der nachfolgenden Gleichung (1) wiedergegeben.
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R1 ist dabei ein linearer oder verzweigter, cyclischer oder acyclischer, gesättigter oder ungesättigter, aromatischer oder aliphatischer Kohlenwasserstoff, der einen oder mehrere Substituenten aufweisen kann. Vorzugsweise ist R1 ein aromatischer Kohlenwasserstoff von C5 bis C10, der gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome enthält, oder eine Vinylgruppe. Wenn der aromatische Kohlenwasserstoff oder die Vinylgruppe einen oder mehrere Substituenten besitzt, sind diese vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus linearen und verzweigten, cyclischen und acyclischen, chiralen und achiralen, unsubstituierten und einfach durch -CN oder CF3 oder mindestens einfach durch Halogen substituierten C1-C12-Alkyl-, C1-C12-Alkoxy-, C1-C12-Oxyalkyl-, C2-C12-Alkenyl-, C2-C12-Alkenyloxy- und C3-C12-Oxalkenylresten, wobei in diesen Resten auch eine oder mehrere CH2-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch, unsubstituiertes oder mit bis zu 2 Fluoratomen substituiertes 1,4-Phenylen, 1,4-Cyclohexylen, -O-, -S-, -CO-, -CO-O-, -O-CO- oder -O-CO-O- so ersetzt sein können, daß Heteroatome nicht direkt miteinander verknüpft sind, Halogenen, CN, SF5, N3 und CF3.
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Für den Fall, daß die vorstehend genannten Gruppen cyclisch sind, wiesen diese mindestens 3 Kohlenstoffatome auf.
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R2 und R3 können in einer Ausführungsform jeweils unabhängig voneinander einen Substituenten darstellen und sind dann ausgewählt aus der Gruppe der linearen und verzweigten, cyclischen und acyclischen, gesättigten und ungesättigten, aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffe, die einen oder mehrere Substituenten aufweisen können. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn R2 und R3 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus linearen und verzweigten, acyclischen und cyclischen, unsubstituierten und substituierten C1-C20-Alkylgruppen. Diese können gegebenenfalls in ihrer Kette ein oder mehrere Sauerstoffatome enthalten. Gegebenenfalls vorhandene Substituenten sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Halogenen und Pseudohalogenen.
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Vorzugsweise bilden R2 und R3 eine (CH2)n-Einheit mit n = 2–5, wobei diese Einheit einen oder mehrere Alkylsubstituenten aufweisen kann und mit den Atomen, an die sie gebunden ist, zu einer cyclischen Einheit verbunden ist. Insbesondere bilden R2 und R3 eine (CH2)n-Einheit mit n = 2 oder 3 oder eine -CH2-C(CH3)2-CH2-Gruppe. Bei diesen Ausführungsformen entstehen Dithianyliumsalze (sechsgliedriger Ring) bzw. Dithiolanyliumsalze (fünfgliedriger Ring).
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Die erfindungsgemäße Fluorodesulfurierung wird durchgeführt, indem der dimere Bis(alkylthio)-substituierte Kohlenwasserstoff mit einem geeigneten Fluorierungsmittel in Gegenwart eines geeigneten Oxidationsmittels umgesetzt wird. Geeignete Fluorierungsmittel umfassen HF, Amin-HF-Komplexe, -(HF-Oligomer)-Komplexe des Typs R4N(Hn+1Fn) mit R = organischer Rest, vorzugsweise Niederalkyl, Verbindungen des Typs R2NSF3 wie (MeOCH2CH2)2NSF3, Et2NSF3 (DAST), Me2NSF3, (N-Morpholino)-SF3 und (R2N)2SF2 mit jeweils R = Niederalkyl.
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Vorzugsweise wird als Fluorierungsmittel HF eingesetzt, das mit einem Amin komplexiert wurde. Geeignete Amine sind dem Fachmann bekannt. Besonders zur Komplexierung von HF geeignete Amine sind Trialkylamine, insbesondere Triethylamin, Pyridin, Polyvinylpyridin und Melamin.
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Als Oxidationsmittel werden in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Agentien eingesetzt, die eine Quelle für aktive, gegebenenfalls in monomerer Form vorliegende Halogenatome darstellen. Diese Oxidationsmittel sind dem Fachmann bekannt und umfassen Br2, IBr, IF5, ICl, Cl2, F2 (gegebenenfalls mit Inertgas verdünnt), N-Bromsuccinimid (NBS), N-Chlorsuccinimid (NCS), N-Iodsuccinimid (NIS), Dibromdimethylhydanthoin (DBH), SO2Cl2, und elektrophile Fluorierungsmittel wie beispielsweise N-Fluor-Sulfonimide, N-Fluor-Pyridiniumsalze, N-Fluorchinuclidiniumsalze (Selectfluor®), ClO3F, CF3OF und XeF2.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Oxidationsmittel eingesetzt, das keine aktiven Halogenatome freisetzt. Ein Beispiel für ein solches Oxidationsmittel sind Nitrosyliumsalze, vorzugsweise NOBF4.
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Oxidations- und Fluorierungsmittel können gleichzeitig oder nacheinander mit dem zu fluorierenden Edukt in Kontakt gebracht werden. Im letzten Fall wird das Produkt vorzugsweise zuerst mit dem Fluorierungsmittel, dann mit dem Oxidationsmittel umgesetzt.
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Die erfindungsgemäße Fluorodesulfurierung wird generell in einem geeigneten Lösungsmittel wie beispielsweise halogenierten Kohlenwasserstoffen, Nitrilen und/oder Ethern durchgeführt. Vorzugsweise wird Acetonitril, Dichlormethan, Trichlormethan, Diethylether, THF, Methyl-tert-Butyl-Ether und/oder Diglyme verwendet. Die bei der Umsetzung angelegten Temperaturen liegen generell bei Werten von –90 bis 100°C, vorzugsweise von –75 bis 30°C. Nach beendeter Reaktion wird wie üblich aufgearbeitet, beispielsweise durch Extraktion und/oder Reinigung des Produkts über eine mit Kieselgel belegte Säule.
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In einer Variante der erfindungsgemäßen Reaktion, die bei Verbindungen (I) mit R1 = gegebenenfalls substituierter Aromat anwendbar ist, wird gleichzeitig mit der Fluorodesulfurierung eine Halogenierung des oder der mit der Tetrafluorethylen-Brücke verknüpften aromatischen Kerne durchgeführt. Diese Kernhalogenierung verläuft am einfachsten, wenn der zu halogenierende Aromat mit einer elektronenreichen Gruppe aktiviert ist. Beispiele für geeignete elektronenreiche Substituenten am aromatischen Kern umfassen Alkoxygruppen und Aryloxygruppen.
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Es ist dabei nicht nötig, ein Halogenierungsmittel gesondert zuzugeben. Die gewünschte Halogenierung läßt sich bereits mit dem erfindungsgemäß verwendeten Oxidationsmittel, das eine Quelle für aktive Halogenatome ist, durchführen. Es ist dabei lediglich wichtig, daß das Oxidationsmittel in einer stöchiometrisch ausreichenden Menge vorliegt, die die gewünschte Oxidation und die Halogenierung gestattet. Dies bedeutet, daß das Oxidationsmittel in einem Überschuß gegenüber der zur Oxidation notwendigen stöchiometrischen Menge vorliegt. Dabei bemisst sich dieser Überschuß an der Zur vollständigen Halogenierung notwendigen Menge.
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Erforderlichenfalls kann noch ein weiteres Oxidationsmittel hinzugegeben werden. Es kann auch ein Gemisch verschiedener Oxidationsmittel eingesetzt werden.
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Je nach der Reaktivität der zu halogenierenden aromatischen Kerne müssen bestimmte Reaktionsbedingungen eingehalten werden, um die Halogenierung zu erreichen. Es versteht sich, daß bei reaktionsträgen aromatischen Kernen härtere Reaktionsbedingungen nötig sind, als bei reaktionsfreudigen Aromaten. Gegebenenfalls läßt sich eine gewünschte Halogenierung auch dadurch erreichen, daß Halogenierungsmittel eingesetzt werden, die ein hohes Redoxpotential aufweisen, beispielsweise Br2, DBH, NCS, IF5, Cl2, F2 oder elektrophile Fluorierungsmittel, beispielsweise N-Fluor-Pyridinumsalze, N-Fluor-Sulfonimide oder N-Fluorchinuclidiniumderivate (Selectfluor®).
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Die mit der vorstehend beschriebenen Reaktion erhältlichen Verbindungen entsprechend der Formel
in der X ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus F, Cl, Br und I und R ein beliebiger Kohlenwasserstoffrest ist, sind ein weiterer Gegenstand der Erfindung.
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Vorzugsweise ist R ein gegebenenfalls substituierter aromatischer oder aliphatischer Kohlenwasserstoff. Insbesondere ist R eine C1-C20-Alkylgruppe oder eine Benzylgruppe.
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Die erfindungsgemäß als Edukte verwendeten dimeren Bis(alkylthio)substituierten Kohlenwasserstoffe (II) sind an sich bekannt. Sie werden durch reduktive Kopplung des entsprechenden Bis(alkylthio)carbenium-Salzes (III) hergestellt, wobei die Dimerisierung in Anwesenheit eines geeigneten Reduktionsmittels erfolgt. Es wurde die Verwendung von Zink als Reduktionsmittel beschrieben, siehe Acta Chem. Scand. 1986, B. 46, Seiten 373–380.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die reduktive Kopplung mit einem im Reaktionsmedium löslichen Reduktionsmittel durchgeführt. Dies sind insbesondere Tetrakisdimethylaminoethylen (TDAE) und Tetrathiafulvalen (TTF). Durch die Verwendung des flüssigen TDAE wird gegenüber der Verwendung von Zink eine einfachere, homogene Reaktionsführung und eine erheblich vereinfachte Aufarbeitung des nach der Reaktion erhaltenen Gemischs erreicht. Die Dimerisierungsreaktion ist in der nachfolgenden Gleichung II wiedergegeben.
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Y ist ein dem Fachmann bekanntes Anion, vorzugsweise ein Halogenid oder Pseudohalogenid, eine gegebenenfalls fluorierte Alkylsulfonatgruppe, eine Trifluoracetatgruppe, BF4 –, PF6 –, ClO4 –, insbesondere eine Trifluormethylsulfonatgruppe.
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Die erfindungsgemäße Dimerisierung des Bis(alkylthio)carbenium-Salzes (III) wird ebenfalls in einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Acetonitril, Dichlormethan, Trichlormethan, Dichlorethan, Diethylether, THF, Methyl-tert-Butyl-Ether und/oder Diglyme, durchgeführt. Häufig wird für die erfindungsgemäße reduktive Kopplung das gleiche Lösungsmittel wie für die nachfolgende Fluorodesulfurierung gewählt, da es oftmals vorteilhaft ist, das nach der Dimerisierung erhaltene Produkt nicht zu isolieren und die Fluorodesulfurierung in situ durchzuführen.
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Die Temperaturen, bei denen die reduktive Kopplung ausgeführt wird, liegen bei Werten von –80 bis 100°C, vorzugsweise 0 bis 40°C.
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Die Herstellung der gemäß der Gleichung 2 als Edukt verwendeten Bis(alkylthio)carbeniumsalze (III) ist dem Fachmann bekannt. Sie werden beispielsweise aus dem entsprechenden Carbonsäurehalogenid hergestellt, wie dies etwa in Res. Chem. Intermed. 1996, 22, Seiten 821–838, beschrieben ist.
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Alternativ ist auch die Synthese aus den Carbonsäuren selber möglich. Die Beschreibung dieses Syntheseverfahrens befindet sich in der
DE-A 100 27 102.2
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Die Erfindung wird nun in den nachfolgenden Beispielen näher erläutert.
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Beispiel 1
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Dimerisierung von 2-(4-(4-Pentylcyclohexyl)phenyl)-1,3-dithianylium-triflat
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10 g (20 mol) 2-(4-(4-Pentylcyclohexyl)phenyl)-1,3-dithianylium-triflat wurden in 40 ml Acetonitril gelöst und mit einer Eis-/Kochsalzmischung auf –15°C abgekühlt. Anschließend wurden 2,4 g (11 mmol) TDAE zugetropft.
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Es wurde 2 h bei Raumtemperatur nachgerührt. Anschließend wurden 100 ml Methyl-tert-Butyl-ether mit Wasser vermischt zugegeben, anschließend mit Natriumhydrogencarbonat-Lösung ausgeschüttet. Nach dem Trocknen über Natriumsulfat wurde filtriert und eingeengt. Das Produkt wurde durch Filtration in Hexan über eine Kieselgelsäule gereinigt. Es wurden 6,7 g (96,4%) Produkt erhalten.
Fp. 182–186°C
MS (EI): m/z (%) = 694 (5, M+), 588 (29), 482 (10), 347 (100), 274 (30)
1H NMR (250 MHz, CDCl3, 303 K): δ = 7.33 (br. d, J = 8.8 Hz, 4H), 6.93 (d, J = 8.8 Hz, 4H), 2.68-2.55 (m, 8H), 2.53-2.37 (m, 4H), 2.0-1.75 (m, 12H), 1.50-0.73 (m, 30H)
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Beispiel 2
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Fluorodesulfurierung von 2,2'-Bis(2-(4-(4-Pentylcyclohexyl)phenyl)-1,3-dithian)
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3 ml 65%-ige HF in Pyridin (0,111 mol) und 1,0 g (0,004 mol) DBH wurden in 2 ml Dichiormethan suspendiert und vorgelegt. Es wurde auf –78°C abgekühlt und 0,5 g (0,719 mmol) 2,2'-Bis(2-(4-(4-Pentylcyclohexyl)phenyl)-1,3-dithian) in 3 ml Dichlormethan gelöst zugetropft. Man ließ bis auf Raumtemperatur auftauen, anschließend wurde über Nacht bei Raumtemperatur nachgerührt. Die Lösung wurde in ein kaltes wässriges Gemisch aus Natriumhydrogencarbonat und Natriumhydrogensulfit eingerührt und mit Diethylether ausgeschüttelt. Die wässrige Phase wurde mit Ether extrahiert, die vereinigten organischen Phasen mit Natriumsulfat getrocknet, anschließend wurde filtriert und eingeengt. Das Rohprodukt wurde durch Filtration in Petrolether/Essigester 10:1 über eine kurze mit Kieselgel belegte Säule aufgereinigt. Es wurden 0,3 g (74,7%) Produkt erhalten.
MS (EI): m/z (%) = 558 (12, M+), 539 (17), 520 (5), 341 (5), 279 (100), 153 (19), 140 (7), 127 (25)
1H NMR (250 MHz, CDCl3, 303 K): δ = 7.38 (d, J = 8.8 Hz, 4H), 7.23 (d, J = 8.8 Hz, 4H) 2.57-2.42 (mc, 2H), 1.97-1.83 (m, 8H), 1.55-0.85 (m, 32H)
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Beispiel 3
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Dimerisierung von 4-Methoxyphenyl-1,3-dithianylium-triflat.
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In einem 1 l-Kolben wurden 34,95 g (0,093 mol) in 250 ml Acetonitril gelöst vorgelegt und bei 0°C 25,1 ml (0,102 mol) TDAE unter Rühren zugetropft. Die gelbe Lösung färbte sich sofort rötlich. Nach einigen Minuten fielen rötliche Kristalle aus. Nach Rühren über Nacht bei Raumtemperatur wurde mit 500 ml Wasser verdünnt und 30 Minuten nachgerührt. Der erhaltene Brei wurde abgesaugt, in Dichlormethan aufgenommen und mit gesättigter Natriumhydrogencarbonat-Lösung gewaschen. Die organische Phase wurde abgetrennt, mit Natriumsulfat getrocknet, filtriert und bis zum Rückstand eingeengt. Das erhaltene Rohprodukt wurde zur Reinigung aus Essigester/Petrolether 1:1 umkristallisiert. Es wurden 20 g (47%) analysenreines Produkt erhalten.
Fp 185–188°C.
1H NMR (250 MHz, CDCl3, 303 K): δ = 7.45 (d, J = 8.8 Hz, 4H), 6.72 (d, J = 8.8 Hz, 4H), 3.80 (s, 6H), 2.73-2.49 (m, 8H), 2.03-1.74 (m, 4H)
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Beispiel 4
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Fluorodesulfurierung und Bromierung von 2,2'-Bis(2-(4-Methoxyphenyl)-1,3-dithian.
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14,3 g (0,05 mol) DBH wurde in 25 ml Dichlormethan suspendiert und 5,4 ml 65%-iger HF in Pyridin bei –20°C zugegeben. Es wurden unter Stickstoffatmosphäre bei –78°C 4,5 g (0,01 mol) in 10 ml Dichlormethan gelöstes 2,2'-Bis(2-(4-Methoxyphenyl)-1,3-dithian unter Rühren zugetropft. Es wurde weitere 30 Minuten bei –70°C gerührt und anschließend auf Raumtemperatur erwärmt. Es wurde weitere 2 h bei Raumtemperatur gerührt, bevor eine gesättigte Natriumhydrogencarbonatlösung zugegeben wurde. Es wurde mit Dichiormethan verdünnt und die organische Phase abgetrennt. Nach Extraktion der organischen Phase mit Dichlormethan wurde der vereinigte organische Extrakt mit Kochsalzlösung gewaschen, über Natriumsulfat getrocknet, filtriert und die erhaltene klebrige Masse durch Filtrieren in Petrolether/Essigester 8:2 über eine kurze, mit Kieselgel belegte Säule gereinigt. Nach Entfernen des Lösungsmittels wurden 3,4 g Produkt erhalten, die zur weiteren Reinigung umkristallisiert wurden. So wurden 1,6 g (33,9%) Reinprodukt erhalten.
Fp. 154.5°C
MS (EI): m/z = 469.914015; C16H12Br2F4O2
MS (EI): m/z (%) = 470 (8, M+), 235 (100), 141 (22), 126 (19), 113 (26)
1H NMR (250 MHz, CDCl3, 303 K): δ = 7.66 (d, J = 3 Hz, 2H), 7.38 (dd, J = 3 Hz, J = 8.8 Hz, 2H), 6.92 (d, J = 8.8 Hz, 2H), 3.94 (s, 6H), 2.73-2.49 (m, 8H)
19F NMR (235 MHZ, CDCl3, 300 K): δ = –109.0 (s, 4F)