Bei
den vorbeschriebenen Verfahren sind die Ausbeuten bei der Herstellung
zwar befriedigend, die Ausgangsprodukte müssen jedoch in mehrstufigen
Synthesen hergestellt werden. Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe bestand deshalb darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit
dem Trimethylorthoformiat oder Orthokohlensäuremethylester aus großtechnisch
einfach bereitzustellenden Ausgangsverbindungen in hohen Produktausbeuten
und mit hoher Selektivität
hergestellt werden kann.
Demgemäß wurde
ein Verfahren gefunden zur Herstellung von Trimethylorthoformiat
oder Orthokohlensäuremethylester,
indem man in einem Elektrolyten,
- – im Fall
von Trimethylorthoformiat eine Mischung, enthaltend Methanol und
eine Verbindung, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Formaldehyd und Formaldehyddimethylacetal,
oder Mischungen von Verbindungen der vorgenannten Gruppe (Mischung
I),
- – im
Fall von Orthokohlensäuremethylester
eine Mischung, enthaltend Methanol und Trimethylorthoformiat (Mischung
II)
an einer Elektrode oxidiert.
Bevorzugt
enthält
der Elektrolyt eine Mischung (I) aus Methanol und Formaldehyddimethylacetal
und praktisch kein Formaldehyd.
In
Mischung (I) beträgt
das Gewichtsverhältnis
Methanol zu der Summe der Verbindungen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus Formaldehyd und Formaldehyddimethylacetal im Allgemeinen 1000
: 1 bis 0,01 : 1, bevorzugt 100 : 1 bis 0,1 : 1, ganz besonders
bevorzugt 3: 1 bis 0,1 : 1.
In
Mischung (II) beträgt
das Gewichtsverhältnis
Methanol zu Trimethylorthoformiat im Allgemeinen 1000 : 1 bis 0,01
: 1, bevorzugt 100 : 1 bis 0,1 : 1 ganz besonders bevorzugt 3: 1
bis 0,1 : 1.
Damit
die gebildeten Wertprodukte nicht hydrolysieren und die Ausbeute
dadurch herabgesetzt wird, ist es zweckmäßig, dafür Sorge zu tragen, dass die
Wasserkonzentration im Elektrolyten weniger als 0,1 Gew.-% beträgt. Dies
kann z.B. geschehen, indem man den Umsatz entsprechend gering wählt oder
indem man das Wasser während
der Reaktion mit üblichen
Trennmethoden kontinuierlich aus dem Elektrolyten entfernt.
Gegebenenfalls
setzt man der Elektrolyselösung übliche Cosolvenzien
zu. Dabei handelt es sich um die in der organischen Chemie allgemein üblichen
inerten Lösungsmittel
mit einem hohen Oxidationspotential. Beispielhaft genannt seien
Tetrahydrofuran, Acetonitril, Dimethylformamid, Dimethoxyethan,
Dimethylcarbonat oder Propylencarbonat.
Zur
Verbesserung der Leitfähigkeit
können
dem Elektrolyten Leitsalze zugesetzt werden. Bevorzugte Leitsalze
sind Alkali, Tetra(C1- bis C6-alkyl)ammonium-,
bevorzugt Tri(C1- bis C6-alkyl)-methylammoniumsalze. Als
Gegenion kommen Sulfat, Hydrogensulfat, Alkylsulfate, Arylsulfate,
Halogenide, Phosphate, Carbonate, Alkylphosphate, Alkylcarbonate,
Nitrat, Alkoholate, Tetrafluorborat oder Perchlorat in Betracht.
Besonders bevorzugt ist (CF3SO2)2NLi (Lithium-Bistriflimid) und Methyltributylammonium-Methylsulfat (MTBS).
Daneben
eignen sich als Leitsalze auch ionische Flüssigkeiten als Leitsalze. Geeignete
ionische Flüssigkeiten
sind beschrieben in "Ionic
Liquids in Synthesis",
Hrsg. Peter Wasserscheid, Tom Welton, Verlag Wiley VCH, 2003, Kap.
1 bis 3 sowie der DE-A-102004011427.
Zur
Entladung der Anode wird an der Kathode meistens durch Entladung
von Protonen Wasserstoff hergestellt.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in allen üblichen
geteilten oder ungeteilten Elektrolysezellentypen durchgeführt werden.
Vorzugsweise arbeitet man kontinuierlich mit ungeteilten Durchflusszellen.
Wird
das Verfahren in einer kontinuierlich durchströmten Elektrolysezelle ausgeführt, geht
man bevorzugt so vor, dass man der Elektrolysezelle permanent eine
definierte Menge an Elektrolyten entnimmt (Ablauf) und permanent
eine definierte Menge an Elektrolyten ergänzt (Zulauf), mit der Maßgabe, dass
- – Zulauf
und Ablauf in etwa gleich groß sind
- – die
Wasserkonzentration im Zulauf geringer als im Ablauf ist,
- – im
Fall der Herstellung von Trimethylorthoformiat der Zulauf Methanol
und Formaldehyddimethylacetal und im Fall der Herstellung von Orthokohlensäuremethylester
Methanol und Trimethylorthoformiat enthält,
- – im
Fall der Herstellung von Trimethylorthoformiat das Verhältnis Methanol
zu Formaldehyddimethylacetal, und im Fall der Herstellung von Orthokohlensäuremethylester
das Verhältnis
Methanol zu Trimethylorthoformiat im Zulauf größer als im Ablauf ist.
Werden
als Ausgangsprodukte als Mischung (I) Methanol und Formaldehyddimethylacetal
eingesetzt, beträgt
das Gewichtsverhältnis
von Methanol zu Formaldehyddimethylacetal im Zulauf 10000 : 1 bis
0,001 : 1 und im Ablauf 9999 : 1 bis 0,01 : 1.
Bei
Mischung (II) beträgt
das Gewichtsverhältnis
von Methanol zu Trimethylorthoformiat im Zulauf 10000 : 1 bis 0,001
: 1 und im Ablauf 9999 : 1 bis 0,01 : 1.
Besonders
geeignet sind bipolar geschaltete Kapillarspaltzellen oder Plattenstapelzellen,
bei denen die Elektroden als Platten ausgestaltet sind und planparallel
angeordnet sind (vgl. Ullmann's
Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1999 electronic release, Sixth
Edition, VCH-Verlag Weinheim, Volume Electrochemistry, Chapter 3.5.
special cell designs sowie Chapter 5, Organic Electrochemistry,
Subchapter 5.4.3.2 Cell Design). Als Elektrodenmaterial ist Graphit
oder Diamant bevorzugt.
Als
Anodenmaterialien eignen sich beispielsweise Edelmetalle wie Diamant,
Platin oder Metalloxide wie Ruthenium-, Chromoxid oder Mischoxide
des Typs RuOxTiOx sowie
Graphit oder Kohle. Bevorzugt sind Diamant-, Graphit- oder Kohleelektroden.
Als
Kathodenmaterialien kommen beispielsweise Diamant, Eisen, Stahl,
Edelstahl, Nickel oder Edelmetalle wie Platin sowie Graphit oder
Kohle Betracht. Bevorzugt sind Diamant-, Graphit- oder Kohleelektroden.
Bevorzugt
ist das System: Diamant als Anode und Kathode, Diamant als Anode
und Edelstahl als Kathode, Graphit als Anode und Kathode sowie Graphit
als Anode und Nickel, Edelstahl oder Stahl als Kathode.
Besonders
geeignete Diamantelektroden sind in der EP-A-1036861 oder DE-A-102005003012 beschrieben.
Geeignete Diamantelektroden sind kommerziell von den Herstellern
Condias GmbH (Itzehoe, Deutschland), CSEM SA (Neuchâtel, Schweiz)
oder pro aqua Diamantelektroden Produktion GmbH (Niklasdorf, Österreich)
erhältlich.
Solche
Diamantelektroden umfassen einen Grundkörper und eine auf dem Grundkörper aufgebrachte bordotierte
Diamantschicht. Der Grundkörper
weist dabei vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Materialien
auf: Carbide, Silicide und Boride sowie Graphit. In einer anderen
bevorzugten Ausführungsform
besteht der Grundkörper
aus Silizium oder einem Metall, z.B. Niob, Titan oder Wolfram, besonders
bevorzugt aus einem carbidbildenden Metall.
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Elektrode
umfaßt
der Grundkörper
einen Kern und eine auf dem Kern aufgebrachte Zwischenschicht. Der
Kern enthält
dabei vorzugsweise Graphit oder Titan oder Molybdän oder Gold
oder eine Kombination aus zwei oder mehr davon. In einer bevorzugten
Ausführungsform
besteht die auf dem Kern aufgebrachte Zwischenschicht aus Gold oder
Platin oder einem Gemisch aus Gold und Platin.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Elektrode
ist der Borgehalt der Diamantschicht vergleichsweise gering. Vorzugsweise
liegt er in einem Bereich von 10 ppm bis 2000 ppm.
Die
Dicke der Diamantbeschichtung der erfindungsgemäßen Elektrode liegt vorzugsweise
in einem Bereich von 1 bis 50 μm,
weiter bevorzugt 1 bis 10 μm.
Die
Stromdichten, bei denen man das Verfahren durchführt, betragen im allgemeinen
1 bis 1000, bevorzugt 10 bis 400, besonders bevorzugt 25 bis 150
mA/cm2. Die Temperaturen betragen üblicherweise –20 bis
60, bevorzugt –10
bis 40°C.
Im Allgemeinen wird bei Normaldruck gearbeitet. Höhere Drücke werden
bevorzugt dann angewandt, wenn bei höheren Temperaturen gearbeitet
werden soll, um eine Sieden der Ausgangsverbindungen bzw. des Lösungsmittels
zu vermeiden.
Der
pH-Wert des Elektrolyten wird bevorzugt auf 6 bis 14, eingestellt,
was bei Bedarf im Allgemeinen durch Zugabe einer Broenstedt-Base
geschieht. Bevorzugt ist die Brönstedt-Base
ein Alkalialkoholat, abgeleitet von einem einem primären aliphatischen
C1- bis C6-Alkohol.
Nach
Beendigung der Reaktion wird die Elektrolytlösung nach allgemeinen Trennmethoden
aufgearbeitet. Hierzu werden aus der Elektrolyselösung ggf.
zunächst
die Leitsalze z.B. mittels Extraktion oder Filtration entfernt.
Zur weiteren Aufarbeitung wird die Elektrolyselösung im Allgemeinen zunächst destilliert
und die einzelnen Verbindungen in Form von unterschiedlichen Fraktionen
getrennt gewonnen. Eine weitere Reinigung kann beispielsweise durch
Kristallisation, Extraktion, Destillation oder chromatographisch
erfolgen.
Der
Elektrolyt, bestehend aus 96 g (24 Gew%) Methanol 1, 280 g (70 Gew%)
Formaldehyd-Dimethylacetal 2, 4,0 g (1,0 Gew%) Natriummethylat und
20 g (5,0 Gew%) Lithium-Bistriflimid LiN(SO2CF3)2, wurde in einer
ungeteilten Durchflusszelle, die mit einer kreisförmigen Edelstahl-Kathode
(∅ = 100 mm) und einer kreisförmigen bordotierten Diamantanode
(∅ = 100 mm, Schichtdicke ca. 1 μm, Dotierung mit ca. 1000 ppm
B in der Gasphase, Trägermaterial:
Silizium, Hersteller: CSEM, Neuchâtel, Schweiz) im Abstand von
3,4 mm versehen war, bei einer Stromdichte von 9 A/dm2 und
einer Temperatur von 20°C
durch die Zelle gepumpt. Die sich hierbei einstellende Zellspannung
lag im Bereich von 12-15 V. Nach Applikation einer Ladungsmenge
von 0,4 F/mol 2 wurde durch quantitative Gaschromatographie die
Zusammensetzung der Reaktionsmischung untersucht und folgendes Ergebnis
erhalten: 24,3 Gew% Methanol 1, 61,7 Gew% Formaldehyd-Dimethylacetal 2,
5,74 Gew% TMOF 3, 1,36 Gew% Methylformiat und 0,88 Gew% H3C-(-OCH2-)2-CH3. Dies entspricht
einer TMOF-Stromausbeute von 29,4%.
Der
Elektrolyt, bestehend aus 318 g (53 Gew%) Methanol 1, 240 g (40
Gew%) Formaldehyd-Dimethylacetal 2, 12,0 g (2,0 Gew%) Natriummethylat
und 30 g (5,0 Gew%) MTBS, wurde in einer ungeteilten Durchflusszelle,
die mit einer kreisförmigen
Edelstahl-Kathode (∅ = 100 mm) und einer kreisförmigen bordotierten
Diamantanode (∅ = 100 mm, Schichtdicke ca. 10 μm, Dotierung
mit ca. 1000 ppm B in der Gasphase, Trägermaterial: Niob, Hersteller:
Condias, Itzehoe, Deutschland) im Abstand von 3,4 mm versehen war,
bei einer Stromdichte von 18 A/dm2 und einer
Temperatur von 15°C
durch die Zelle und eine Waschflasche, die mit 200 g Molekularsieb
4 Å beschickt
war, gepumpt. Die sich hierbei einstellende Zellspannung lag im
Bereich von 9-11 V. Nach Applikation einer Ladungsmenge von 1,8
F/mol 2 wurde durch quantitative Gaschromatographie die Zusammensetzung
der Reaktionsmischung untersucht und folgendes Ergebnis erhalten:
48,3 Gew% Methanol 1, 32,8 Gew% Formaldehyd-Dimethylacetal 2, 5,21
Gew% TMOF 3, 4,41 Gew% Methylformiat und 2,32 Gew% H3C-(-OCH2-)2-CH3.
Dies entspricht einer TMOF-Stromausbeute von 10,2%.
Der
Elektrolyt, bestehend aus 232 g (49 Gew%) Methanol 1, 237 g (50
Gew%) Trimethylorthoformiat 3 und 5 g (1,1 Gew%) MTBS, wurde in
einer ungeteilten Durchflusszelle, die mit einer kreisförmigen Edelstahl-Kathode
(∅ = 100 mm) und einer kreisförmigen bordotierten Diamantanode
(∅ = 100 mm, Schichtdicke ca. 1 μm, Dotierung mit ca. 1000 ppm
B in der Gasphase, Trägermaterial:
Silizium, Hersteller: CSEM, Neuchâtel, Schweiz) im Abstand von
3,4 mm versehen war, bei einer Stromdichte von 6,8 A/dm2 und
einer Temperatur von 40°C
durch die Zelle gepumpt. Die sich hierbei einstellende Zellspannung
lag im Bereich von 11 – 13
V. Nach Applikation einer Ladungsmenge von 1,5 F/mol 3 wurde durch
qualitative Gaschromatographie die Zusammen setzung der Reaktionsmischung
untersucht und folgendes Ergebnis erhalten: 49,4 GC-FL-% Methanol 1,
16,2 GC-FL-% Formaldehyd-Dimethylacetal 2, 22,8 GC-FI.-% TMOF 3,
8,31 GC-FL-% Methylformiat, 0,89 GC-FL-% H3C-(-OCH2-)2-CH3,
0,47 GC-FL-% Dimethylcarbonat und 0,72 GC-FL-% Orthokohlensäuretetramethylester
4.
Der
Elektrolyt, bestehend aus 96 g (24 Gew%) Methanol 1, 280 g (70 Gew%)
Formaldehyd-Dimethylacetal 2, 4,0 g (1,0 Gew%) Natriummethylat und
20 g (5,0 Gew%) Lithium-Bistriflimid LiN(SO2CF3)2, wurde in einer
ungeteilten Durchflusszelle, die mit einer kreisförmigen Edelstahl-Kathode
(∅ = 100 mm) und einer kreisförmigen Grafitanode (∅ =
100 mm, Typ Sigraflex, Hersteller: SGL Carbon, Meitingen, Deutschland),
im Abstand von 3,4 mm versehen war, bei einer Stromdichte von 9
A/dm2 und einer Temperatur von 20°C durch die Zelle
gepumpt. Die sich hierbei einstellende Zellspannung lag im Bereich
von 10 – 25
V. Nach Applikation einer Ladungsmenge von 0,2 F/mol 2 wurde die
Reaktion abgebrochen, da durch den Spannungsanstieg auf 25 V die
Leistungsgrenze des Potentiostaten erreicht war, und durch quantitative
Gaschromatographie die Zusammensetzung der Reaktionsmischung untersucht.
Es wurde folgendes Ergebnis erhalten: 25,3 Gew% Methanol 1, 66,1
Gew% Formaldehyd-Dimethylacetal
2, 0,58 Gew% TMOF 3, 1,38 Gew% Methylformiat und 0,21 Gew% H3C-(-OCH2-)2-CH3. Dies entspricht
einer TMOF-Stromausbeute von 5,6%.