DE102012005219A1

DE102012005219A1 - Verfahren zur Isomerisierung von Alkenen

Info

Publication number: DE102012005219A1
Application number: DE102012005219A
Authority: DE
Inventors: Alexander Pflug; Guenther Nothnagel
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2012-10-11
Also published as: CN102731237A; CN102731237B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von E-konfigurierten Alkenylverbindungen, das einen Isomerisierungsschritt umfasst, der Z-konfigurierte Alkenylverbindungen unter Isomerisierungsbedingungen in die E-Konfiguration überführt, wobei die E-konfigurierte Alkenylverbindungen in der festen Phase vorliegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von E-konfigurierten Alkenylverbindungen, das einen Isomerisierungsschritt umfasst, der Z-konfigurierte Alkenylverbindungen unter Isomerisierungsbedingungen in die E-Konfiguration überführt, wobei die E-konfigurierten Alkenylverbindungen in der festen Phase vorliegen.
Funktionale Chemikalien werden nicht nur durch ihre vorhandenen funktionellen Gruppen, sondern auch maßgeblich durch ihre Stereochemie, also ihrem räumlichen Aufbau, beeinflusst. Ein nicht unwesentlicher Teilbereich der Stereochemie ist der E/Z-Isomerie von Alkenen gewidmet.
Im Folgenden wird speziell auf die Isomerie von 1,2-substituierten Ethenderivaten eingegangen. Obwohl Methoden zur Isomerisierung von Alkenen existieren, ist die Reinsynthese eines E-Isomers relativ schwierig zu steuern. In der Regel werden durch chemische oder photochemische Behandlung nur 75–85% E-konfiguriertes Alken erhalten. Die Reinigung ist bei diesem Rohgehalt daher entsprechend aufwendig, zumal die Isomere sich bei der Chromatographie kaum unterscheiden.
Eine bekannte Reaktion ist die E/Z-Isomerisierung von Alkenen in Gegenwart einer Sulfinsäure oder eines Salzes davon (T. W. Gibson, P. Strassburger, J. Org. Chem. 1976, 41, 791–793; US 5,709,820 ). Die Reaktion erzielt in der Regel Selektivitäten von 75 bis 85% E-Isomer. Daneben existieren eine Reihe von weiteren Isomerisierungsadditiven, die mehr oder weniger selektiv das E-Isomer erzeugen. Eine weitere Methode ist die photochemische Isomerisierung mittels Licht oder UV. Eine Übersicht über verschiedene Methoden gibt die Druckschrift "Olefin inversion", P. E. Sonnet, Tetrahedron 1979, 36, 557–604.
Die bisher erreichten Selektivitätsgrade für die Isomerisierung der oben genannten Alkene zu den E-konfigurierten Produkten sind noch nicht ausreichend, um ohne anschließende Abtrennung des Z-Isomers und anderer Nebenprodukte auszukommen. Ein Isomerisierungsverfahren, das die gewünschten Olefine in hohen Ausbeuten und hoher Reinheit bereitstellt, wäre von hohem wirtschaftlichen Vorteil.
Auf dem Gebiet der Substanzen mit flüssigkristallinen Eigenschaften (Mesogene) werden häufig neben Alkylderivaten auch Verbindungen mit E-Alkenylgruppen verwendet. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es den Zugang zu solchen Verbindungen zu vereinfachen.
Eine E-konfigurierte Alkengruppe bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Gruppe der Formel
worin sich die Reste A und B an den entfernter gelegenen Positionen gegenüberstehen und die beiden anderen Positionen durch Wasserstoff substituiert sind. Eine ”E-konfigurierte Alkenylverbindung” umfasst wenigstens eine solche Alkengruppe.
Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von E-konfigurierten Alkenen der Formel I gefunden, R¹-[A¹-Z¹]_m-A²-(CH₂)_n-CH=CH-R² I worin
R¹ H, einen halogenierten oder unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 15 C-Atomen, wobei in diesem Rest auch eine oder mehrere CH₂-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -C≡C-, -CH=CH-, -CF=CF-, -(CO)O-, -O(CO)-, -(CO)- oder -O- so ersetzt sein können, dass O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind, F, Cl, Br, CN, OH, CF₃, OCF₃, SCN, NCS oder SF₅,
R² einen halogenierten oder unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 15 C-Atomen, wobei in diesem Rest auch eine oder mehrere CH₂-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -C≡C-, -CH=CH-, -CF=CF-, -(CO)O-, -O(CO)-, -(CO)- oder -O- so ersetzt sein können, dass O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind,
m 0, 1, 2 oder 3, bevorzugt 1 oder 2,
n 0, 1, 2, 3 oder 4, bevorzugt 0, 1, 2 oder 4 und
A¹, A² unabhängig voneinander
a) trans-1,4-Cyclohexylen oder Cyclohexenylen, worin auch eine oder zwei nicht benachbarte CH₂-Gruppen durch -O- und/oder -S- ersetzt sein können, und worin H durch F ersetzt sein kann,
b) 1,4-Phenylen, worin eine oder zwei CH-Gruppen durch N ersetzt sein können und worin auch ein oder mehrere H-Atome gegen Br, Cl, F, CN, C₃-O₆ Cycloalkyl, C₁-C₁₀ Alkyl, C₁-C₁₀ Alkoxy oder eine ein- oder mehrfach fluorierte C₁-C₁₀ Alkyl- oder Alkoxygruppe ersetzt sein können,
oder
c) ein Rest aus der Gruppe 1,4-Bicyclo(2,2,2)-octylen, Cylcobut-1,3-diyl, Spiro[3.3]heptan-2,6-diyl, Thiophen-2,5-diyl,
worin ein oder mehrere CH-Gruppen durch N ersetzt sein können, ein oder mehrere H-Atome gegen Br, Cl, F, CN, C₃-C₆ Cycloalkyl, C₁-C₁₀ Alkyl, C₁-C₁₀ Alkoxy oder eine ein- oder mehrfach fluorierte C₁-C₁₀ Alkyl- oder Alkoxygruppe ersetzt sein können, und
eine oder mehrere Doppelbindungen durch Einfachbindungen ersetzt sein können, und
R¹-A¹ zusammen auch einen Rest
Z¹ eine Einfachbindung, -C≡C-, -CH=CH-, -CH₂O-, -(CO)O-, -CF₂O-, -CF₂CF₂-, -CH₂CF₂-, -CH₂CH₂-, -(CH₂)₄-, -CH=CF- oder -CF=CF-, wobei asymmetrische Brücken nach beiden Seiten orientiert sein können, bevorzugt eine Einfachbindung, -C≡C-, -CH=CH- oder -CF=CF-,
bedeuten,
das die Umsetzung von Z-konfigurierten Alkenverbindungen entsprechend der Formel I unter Isomerisierungsbedingungen umfasst, wobei die E-konfigurierte Alkenverbindung (Hauptprodukt) in der festen Phase vorliegt.
Bevorzugt liegt auch das Edukt, die Z-konfigurierte Alkenverbindung, bereits in der festen Phase vor, so dass sich das Verfahren als Festphasenreaktion darstellt. In besonderen Fällen kann das Reaktionsgemisch teilweise in der festen Phase und teilweise in einer flüssigkristallinen Phase vorliegen. Bei dieser flüssigkristallinen Phase handelt es sich in der Praxis häufig um smektische Phasen der Z-Verbindung, die eine wachsartige Konsistenz aufweisen kann, also praktisch als Feststoff erscheint. Die E-konfigurierten Verbindungen der Formel I kristallisieren in der Regel sehr gut. Daher liegt das Produkt des Verfahrens besonders bevorzugt in einer festen, kristallinen Form vor.
Die Verbindungen der Formel I sind in der Regel farblos und werden von der Strahlung ohne weiteres durchdrungen, so dass die photochemische Katalyse in der gesamten Reaktionsmasse stattfindet.
Unter Isomerisierungsbedingungen bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Gegenwart eines geeigneten Additivs, das die Isomerisierung unterstützt und/oder unter photochemischer Katalyse. Bevorzugt findet die Reaktion in Gegenwart eines Additivs zusammen mit photochemischer Katalyse statt.
Bevorzugt wird das Verfahren in Gegenwart einer Sulfinsäure oder eines Sulfinsäure-Derivates (insbesondere Sufinsäureester) als Additiv durchgeführt. Alternative Additive sind solche, wie sie bereits für Z-E-Isomerisierungen von Alkenen im Stand der Technik beschrieben wurden, beispielsweise Phenylthiyl-Radikalbildner (Diphenyldisulfid, LiSPh, LiTi(OiPr)₄(SPh) etc., vgl. O. Miyata et al. Synthesis 1990, 1123; R. Clauss et al. Synlett 1997, 57), Alkylzinnverbindungen (Stannane, bevorzugt Tri- und Tetraalkylstannane; vgl. H.-P. Hemmerich et al. Chem. Ber. 1973, 106, 505–510), Organoaluminium-Verbindungen, galliumorganische Verbindungen, generell metallorganische Verbindung der 4. Hauptgruppe, Iod, Brom, UV-Sensibilisatoren (z. B. aromatische Ketone) oder Radikalkettenreaktionspromotoren.
Besonders geeignete Additive sind Ester und andere Derivate der Sulfinsäuren. Die Sulfinsäureester entsprechen der allgemeinen Formel R³-(S=O)-O-R⁴ worin
R³ und R⁴ unabhängig voneinander einen organischen Rest bedeuten, der typischerweise und bevorzugt durch einen Kohlenwasserstoffrest repräsentiert wird.
Bevorzugte Sulfinsäureester sind die Alkylester niederer Alkohole (C₁ bis C₂₀, bevorzugt C_1-6), die sich aus den Sulfinsäuren leicht unter Zugabe von entsprechenden Alkoholen bilden lassen. Unter den Sulfinsäuren mit verschiedenen organischen Resten R³ sind die aromatischen Reste gegenüber den möglichen (C₁-C₂₀) Alkylresten bevorzugt.
R³ und R⁴ in der Formel R³-(S=O)-O-R⁴ bedeuteten daher unabhängig voneinander bevorzugt geradkettiges, verzweigtes oder cyclisches Alkyl mit 1 bis 25 C-Atomen, worin auch eine oder mehrere nicht benachbarte CH₂-Gruppen durch -NR⁰-, -O-, -S-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -O-CO-O- so ersetzt sein können, dass N-, O- und/oder S-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind, und worin auch ein oder mehrere H-Atome durch F oder Cl, ersetzt sein können, oder
eine aromatische, heteroaromatische, alicyclische oder heterocyclische Gruppe, vorzugsweise mit 4 bis 25 C-Atomen, welche auch anellierte Ringe enthalten kann, und welche auch durch L ein- oder mehrfach substituiert sein kann,
wobei
L jeweils unabhängig voneinander OH, -(CH₂)_n1-OH, F, Cl, Br, I, -CN, -NO₂ , -NCO, -NCS, -OCN, -SCN, -C(=O)N(R⁰)2, -C(=O)R⁰, -N(R⁰)₂, -(CH₂)_n1-N(R⁰)₂, optional substituiertes Silyl, optional substituiertes Aryl oder Cycloalkyl mit 6 bis 20 C-Atomen, oder geradkettiges oder verzweigtes Alkyl, Alkoxy, Alkylcarbonyl, Alkoxycarbonyl, Alkylcarbonyloxy oder Alkoxycarbonyloxy mit 1 bis 25 C-Atomen, worin auch ein oder mehrere H-Atome durch F oder Cl ersetzt sein können, und
R⁰ und R⁰⁰ jeweils unabhängig voneinander H oder Alkyl mit 1 bis 12 C-Atomen
bedeuten.
R³ bedeutet besonders bevorzugt eine ein-, zwei- oder dreikernige Arylgruppen mit 6 bis 25 C-Atomen sowie ein-, zwei- oder dreikernige Heteroarylgruppen mit 2 bis 25 C-Atomen, welche optional mit einer Gruppe L ein- oder mehrfach substituiert sind. Besonders bevorzugt bedeutet R⁴ geradkettiges, verzweigtes oder cyclisches Alkyl mit 1 bis 25 C-Atomen.
Exemplarische geeignete Sulfinsäureester haben folgende Struktur:
worin L wie oben definiert ist, insbesondere H oder para-CH₃, und Alkyl einen Alkylrest mit 1 bis 20 C-Atomen, insbesondere Methyl, Ethyl oder iso-Propyl, bedeutet.
Als Edukte für das erfindungsgemäße Verfahren werden die entsprechenden Verbindungen der Formel I verwendet, bei denen eine oder mehrere Doppelbindungen zumindest teilweise Z-konfiguriert vorliegen. In der Regel werden in das Verfahren Z-/E-Gemische eingesetzt, so wie sie aus den vorangehenden Synthesen entstehen.
Vorteilhaft kann dem erfindungsgemäßen photochemischen Isomerisierungsschritt bereits eine herkömmliche Isomerisierung ohne Bestrahlung vorausgehen. Ebenso kann die Isomerisierung auch mit dem Alken, wie es aus der Synthese entsteht, durchgeführt werden. Bei den Ausgangsprodukten mit überwiegendem Anteil an Z-Alken wird für die Isomerisierung in der Regel eine längere Bestrahlungszeit benötigt als bei vorisomerisierten Produkten mit überwiegendem E-Anteil.
Abhängig von der Herstellung des Ausgangsmaterials ist in manchen Fällen eine Zugabe des Additivs nicht nötig, weil bereits genügend Isomerisierungsreagenz enthalten ist, die die Rolle des Additivs übernehmen kann. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Herstellung des Ausgangsmaterials eine herkömmliche Isomerisierung in Gegenwart einer Sulfinsäure umfasst und das benötigte Additiv durch Zugabe des entsprechenden Alkohols in situ hergestellt werden kann oder bereits erfolgt ist.
Ein bevorzugtes Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es als einen weiteren, vorausgehenden Verfahrensschritt vor der photochemischen Isomerisierung eine teilweise Isomerisierung der Alkengruppe in Gegenwart eines geeigneten Additivs, vorzugsweise mit Sulfinsäure oder deren Derivaten bzw. Sulfinaten, umfasst, wobei die vorausgehende Reaktion in flüssiger Phase durchgeführt wird, und anschließend das entstandene Gemisch aus Z-konfigurierter und E-konfigurierter Alkenverbindung in fester Phase photochemisch isomerisiert wird. Bei geeigneter apparativer Gestaltung ist jedoch auch die Isomerisierung nur in der Festphase ohne vorab durchgeführte Isomerisierung in der Flüssigkeit möglich.
Bevorzugte Mengen des Additivs sind 5 bis 10 mol% bezogen auf das Produkt. Diese Mengenangaben sind nicht einschränkend zu sehen. Die Zugabe von zu großen Mengen an Additiv kann jedoch von Nachteil für das Verfahren sein, weil sich vermehrt Abbau- und Nebenprodukte bilden.
Das Verfahren wird in der Regel ohne Lösungsmittel durchgeführt, damit eine feste Phase vorliegt. Vorausgehende Verfahrensschritte sind hiervon ausgenommen. Ein geringer Gehalt an Lösungsmittel kann dennoch vorhanden sein, insbesondere bei Einschluss von Lösungsmittel in die feste bzw. kristalline Phase. Ein solcher Restgehalt an Lösungsmittel scheint nicht nachteilig zu sein, so lange das Reaktionsprodukt in der festen Phase vorliegt.
Die Reaktionstemperatur ist durch die Voraussetzung, dass das Reaktionsprodukt in der festen Phase vorliegt, auf den Bereich unterhalb des Schmelzpunktes der betreffenden Substanz beschränkt. Die gewählte Temperatur kann auch deutlich unter dem Schmelzpunkt liegen. Die Reaktionstemperatur im Verfahren beträgt im Allgemeinen bevorzugt von 150°C bis –80°C, besonders bevorzugt von 50°C bis –30°C und ganz besonders bevorzugt von 40°C bis 0°C. Durch die im Vergleich zu thermischen Isomerisierungen niedrige Verfahrenstemperatur werden wenig Nebenprodukte erzeugt. Auch temperaturempfindliche Edukte und Produkte eignen sich für den erfindungsgemäßen Prozess.
Das gewünschte Produkt wird in der Regel nach einer Reaktionszeit von 0,1 h bis 500 h erhalten. Die Reaktionszeit ist stark von der gewählten Bestrahlungsapparatur (Lichtquelle) abhängig. Die Reaktionszeit sinkt mit steigendem Verhältnis von Bestrahlungsfläche/Reaktionsmasse und bei guter Abdeckung des UV/VIS-Spektrums. Die optimale Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes kann mittels Bestrahlung durch Filter bestimmt werden. In der Regel wird aus Effizienzgründen eine Breitbandlichtquelle mit UV-Anteil zum Einsatz kommen, z. B. eine Hochdruckquecksilberdampflampe.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine schonende Verfahrensweise aus, durch einen äußerst hohen E-Anteil im Isomerisierungsprodukt und durch wenig Nebenprodukte. Die Abtrennung der optional als Additiv zugesetzten oder resultierenden Sulfinsäurederivate ist unproblematisch, weil diese leicht mittels Filtration durch Kieselgel oder Aluminiumoxid zurückgehalten werden.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Alkene der Formel I mit einem zu isomerisierenden Z-konfiguriertem Stoffanteil werden nach üblichen Methoden hergestellt. Der synthetische Zugang zu dieser Verbindungsklasse ist aus den Untersuchungen an flüssigkristallinen Verbindungen und Mischungen praktisch vollständig erschlossen. Bewährte Ausgangsverbindungen sind beispielsweise 4-(4-Alkylcyclohexyl)cyclohexan-1-carbonsäuren und daraus erhältliche Cyclohexylaldehyde. Aus diesen Edukten bietet sich eine Wittig-Reaktion zu den Alkenen an. Aus den Wittig-Reaktionen resultieren in der Regel E-/Z-(cis/trans)-Gemische mit einem E-Gehalt kleiner 50%, meistens wesentlich darunter. Die erzeugten Alkenyle mit E/Z-Isomere liegen bis zu 80% in ihrer Z-Form vor.
Ein bevorzugtes Verfahren ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration des Reaktionsprodukts an der zu isomerisierenden Doppelbindung zu 90% oder mehr der E-Konfiguration entspricht. Dabei entspricht vorzugsweise die Konfiguration des eingesetzten Gemisches an der isomerisierbaren Doppelbindung zu 87% oder weniger der E-Konfiguration. Besonders bevorzugt entspricht die Konfiguration des Reaktionsprodukts an jeder E/Z-isomerisierbaren Alkengruppe zu 90%, mehr bevorzugt zu 92%, und ganz besonders bevorzugt zu 94% oder mehr der E-Konfiguration.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine effiziente Methode zur Isomerisierung des unerwünschten Z-Anteils der Alkenderivate dar. Das Verfahren kann zur direkten Erhöhung des E-Anteils von E/Z-Gemischen verwendet werden, selbst wenn der Anteil des E-Isomeren bereits 85% oder mehr beträgt. Der E-Anteil nach der Isomerisierung beträgt vorzugsweise 90% und mehr, besonders bevorzugt 93% und mehr und insbesondere 96% und mehr. Ebenso kann das Verfahren zur Isomerisierung von Rückständen mit erhöhtem Z-Anteil aus der Anreicherung von E-trans-Isomeren, z. B. Mutterlaugen aus der Kristallisation, verwendet werden. So können auch nicht verwertbare Reste an Z-konfiguriertem Material durch Isomerisierung noch verwertet werden.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren an den folgenden bevorzugten Verbindungen der Formel I durchgeführt:
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist in Formel I unabhängig voneinander
m = 1,
n = 0 oder 2, und
R¹ und R² sind bevorzugt n-Alkylreste mit 1 bis 7 C-Atomen oder ein Isopropylrest, wobei wiederum besonders bevorzugt die Gesamtsumme aller C-Atome in R₁ und R₂ acht nicht überschreitet. R² ist besonders bevorzugt Methyl.
Die Ringe A¹ und A² sind bevorzugt unabhängig voneinander trans-1,4-Cyclohexylen, Cyclohexenylen oder 1,4-Phenylen, worin ein oder mehrere H-Atome gegen Br, Cl, F, CN, C₃-C₆ Cycloalkyl, C₁-C₁₀ Alkyl, C₁-C₁₀ Alkoxy oder eine ein- oder mehrfach fluorierte C₁-C₁₀ Alkyl- oder Alkoxygruppe ersetzt sein können. Besonders bevorzugt sind A¹ und A² trans-1,4-Cyclohexylen oder 1,4-Phenylen, worin ein oder mehrere H-Atome gegen Cl oder F ersetzt sein können.
Z¹ ist besonders bevorzugt eine Einfachbindung, -CH=CH- oder -(CO)O-, insbesondere eine Einfachbindung.
Besonders bevorzugt, und exemplarisch für das erfindungsgemäße Verfahren sind die Verbindungen ausgewählt aus den folgenden Unterformen I-1 bis I-8 der Formel I:

wobei R¹, R² und n wie für Formel I definiert sind, und L¹ und L² unabhängig H oder F bedeuten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Bicyclohexan-Verbindungen der Formeln I-1-A bis I-1-D hergestellt:

worin R¹, n und R² wie für Formel I definiert sind. R¹ bedeutet besonders bevorzugt einen n-Propylrest, R² bedeutet bevorzugt einen Methylrest, und n bedeutet hier bevorzugt 1 oder 2
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ebenfalls für den Fall, dass die Formel I mehr als zwei Doppelbindungen aufweist. Dabei können auch bereits ein oder zwei der Doppelbindungen die gewünschte E-Konfiguration aufweisen, weil diese erhalten bleibt. Ohne ein erfindungsgemäßes effektives Isomerisierungsverfahren werden zur Abtrennung der Z-isomere in der Regel mehrere Kristallisationsstufen benötigt und die Kristallisation des E-trans-Produkts wird durch das anwesende Z-Isomer und die mitunter beobachteten flüssigkristallinsmektischen Phasen der Verbindungen erschwert. Die flüssigkristallinsmektischen Phasen stellen durch ihre hohe Viskosität hohe technische Anforderungen an den Reinigungsprozess.
Die photochemische Katalyse des Reaktionsgemisches enthaltend die Verbindungen) der Formel I in der festen Phase kann dadurch erfolgen, dass das Gemisch in den Wirkungsbereich einer geeigneten Strahlungsquelle gebracht wird. Technisch kann dies realisiert werden, dass das Gemisch durch Aufschmelzen, kristallisieren, zerkleinern, Ausbreiten in der Fläche oder andere technische Maßnahmen in eine geeignete Form gebracht wird, um anschließend bestrahlt zu werden. Nach dem Bestrahlungsvorgang kann das Reaktionsgemisch kurzzeitig erneut geschmolzen werden, beispielsweise zum Transport und Umfüllen. Der hohe E-Anteil bleibt dabei erhalten. Vorteilhaft ist es, das Verfahrensprodukt zeitnah zu reinigen, umzukristallisieren oder zu chromatographieren um das Additiv und/oder Verunreinigungen abzutrennen. Bei diesen Operationen wird der Anteil an E-Produkt in der Regel nochmals erhöht.
Als Strahlungsquelle für die photochemische Katalyse eignen sich solche Lichtquellen, die in der Literatur üblicherweise für die Aktivierung von Alkenbindungen verwendet werden. In der Regel werden für die Isomerisierung von Z-Alkenen Lichtquellen mit Breitbandspektrum und hoher Strahlungsdichte verwendet, vorzugsweise mit UV-Anteil, z. B. Hochdruckquecksilberdampflampen.
Der Ausdruck ”Alkyl” umfasst vorzugsweise unverzweigte oder verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 15 Kohlenstoffatomen, insbesondere die unverzweigten Gruppen Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl und Heptyl. Gruppen mit 2 bis 10 Kohlenstoffatomen sind im allgemeinen bevorzugt. Als verzweigte Alkylgruppe ist die Isopropylgruppe bevorzugt.
Das Verfahren, vorausgehende Operationen und die anschließende Aufarbeitung des Reaktionsgemisches kann grundsätzlich als Batch-Reaktion oder in kontinuierlicher Reaktionsweise durchgeführt werden. Die kontinuierliche Reaktionsweise umfasst z. B. die Reaktion in einem Strömungsrohr, einer Rührkesselkaskade, einem Schlaufen- oder Querstromreaktor oder in einer Mikroreaktionsapparatur. Für feste Phasen sind geeignete kontinuierliche Apparaturen wie Förderband oder Schneckenförderrohr geeignet. Die Aufarbeitung der Reaktionsgemische erfolgt wahlweise, je nach Bedarf, durch Filtration über feste Phasen, Chromatographie, Separation zwischen unmischbaren Phasen (z. B. Extraktion), Adsorption an festen Trägern, Abdestillieren von Lösungsmitteln und/oder azeotropen Gemischen, selektive Destillation, Sublimation, Kristallisation, Cokristallisation oder durch Nanofiltration an Membranen.
In den Diagrammen bedeuten die Ringe
(mit Punkt) einen 1,4-trans-substituierten Cyclohexanring, und
einen 1,4-substituierten Cyclohexanring mit gemischter Konfiguration oder überwiegend trans-Konfiguration, bevorzugt nur mit trans-Konfiguration.
Weitere bevorzugte Verfahrensvarianten lassen sich den Beispielen entnehmen, deren Details – auch verallgemeinert nach allgemeiner Fachkenntnis – repräsentativ für bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahren und seiner Produkte sind.
In der vorliegenden Anmeldung, bedeutet, wenn nicht ausdrücklich anders die Pluralform eines Begriffs sowohl die Singularform als auch die Pluralform, und umgekehrt.
Weitere Kombinationen der Ausführungsformen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.
Beispiele
Allgemeines
Die Auswertung der entnommen Proben und die Bestimmung der Konfiguration des Endprodukts erfolgt mittels HPLC mit Acetonitril als Lösungsmittel an einer 4x55 LiChroCART^® Purospher^® STAR RP-18 Säule (Merck KGaA, Darmstadt).
Beispiel 1
In einer 4 l Rührwerksapparatur werden 67 g p-Toluolsulfinsäure Na-Salz, 435 g Verbindung 1a/b (roh, aus Wittig-Reaktion) und 784 g n-Heptan vorgelegt. Zu der Suspension werden 57,0 g Salzsäure (25%ig), 351,7 g Wasser und 87,1 g Ethanol zugegeben.
Die Suspension wird auf 81°C unter Rühren erwärmt. Bei 70°C treten klare Phasen auf. Nach 3,5 h wird die noch heiße untere Wasserphase abgetrennt. Die organische Phase wird dann mit 250 g NaHCO₃-Lösung 30 min ausgerührt und die Wasserphase wird abgetrennt (pH-Wert = 8). Die organische Phase wird abschließend nochmals mit 250 ml Wasser ausgeschüttelt und die Wasserphase wird wiederum abgetrennt (pH-Wert = 7). Aus der organischen Phase wird das Heptan bis zum Rückstand abdestilliert (Isomerenverteilung 85:15 E/Z, Cyclohexanringe jeweils 1,4-trans-konfiguriert, ca. 1,6% cis-konfigurierter Cyclohexanring enthalten).
Der Rückstand enthaltend 1a/b wird auf dem Dampfbad geschmolzen und in die jeweilige Apparatur (Variante I bzw. II) eingefüllt. Bei einer Temperatur von 10° bis 30°C wird das Gemisch die angegebene Zeit bestrahlt. Während des Bestrahlungsvorgangs wird das Reaktionsgemisch weiterhin gekühlt, so dass es als Feststoff vorliegt. Die Bestrahlung wird je nach Versuchsanordnung (siehe unten, Variante I oder II) zwischen 6 bis 20 Stunden durchgeführt (E/Z-Isomerenverteilung siehe unten).
Nach der angegebenen Bestrahlungsdauer wird die Reaktionsmasse geschmolzen, aus der Apparatur entnommen und analysiert.
1b:

Schmelzpunkt: 44°C
Klärpunkt (nematisch-isotrop): 85,5°C

Apparativer Aufbau Variante I:

Lampe: Quecksilberdampfhochdrucklampe (Original Hanau) TQ 150/47 W in doppelwandigem, wassergekühlten Tauchrohr aus Quarzglas.
Reaktortyp: Rundkolbenreaktor mit konzentrisch angeordnetem Tauchrohr.
Bestrahlungsfläche/Reaktionsmasse: ca. 1,1 cm²/g.
Bestrahlungsdauer: ca. 20 h.
Resultierendes Isomerenverhältnis: 96:4 (E/Z).

Apparativer Aufbau Variante II:

Lampe: Quecksilberdampfhochdrucklampe (Original Hanau) TQ 150/47 W in einfachem Tauchrohr aus Quarzglas.
Reaktortyp: Bechergläser. Die Reaktionsmasse befindet sich als ca. 1 cm dicke Schicht zwischen den Wandungen von zwei unterschiedlich großen, konzentrisch ineinander gestellten Bechergläsern aus Laborglas (Borosilikatglas). Abstand Reaktionsmasse zu Lampe beträgt 8–10 cm.
Bestrahlungsfläche/ Reaktionsmasse: ca. 3 cm²/g.
Bestrahlungsdauer: ca. 6 h.
Resultierendes Isomerenverhältnis: 97:3 (E/Z).

Die benötigte Reaktionszeit variiert mit dem verwendeten Reaktoraufbau und dem daraus resultierenden Verhältnis von Bestrahlungsfläche/Reaktionsmasse Beispiel 2
Die Verbindung 2a/b mit einem Rohgehalt von 75:25 (E/Z), erhalten durch Isomerisierung mit Sulfinsäure analog Beispiel 1, wird 27 h wie unter Beispiel 1 im apparativen Aufbau Variante I bei ca. 25°C bestrahlt.
Resultierendes Isomerenverhältnis: 94:6 (E/Z). Beispiel 3
Die Reaktion wird analog zu Beispiel 1 durchgeführt.
Resultierendes Isomerenverhältnis: 94:6 (E/Z).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5709820 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. W. Gibson, P. Strassburger, J. Org. Chem. 1976, 41, 791–793 [0004]
”Olefin inversion”, P. E. Sonnet, Tetrahedron 1979, 36, 557–604 [0004]
O. Miyata et al. Synthesis 1990, 1123 [0012]
R. Clauss et al. Synlett 1997, 57 [0012]
Stannane, bevorzugt Tri- und Tetraalkylstannane [0012]
H.-P. Hemmerich et al. Chem. Ber. 1973, 106, 505–510 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung von E-konfigurierten Alkenverbindungen der Formel I: R¹-[A¹-Z¹]_m-A²-(CH₂)_n-CH=CH-R² worin R¹ H, einen halogenierten oder unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 15 C-Atomen, wobei in diesem Rest auch eine oder mehrere CH₂-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -C≡C-, -CH=CH-, -CF=CF-, -(CO)O-, -O(CO)-, -(CO)- oder -O- so ersetzt sein können, dass O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind, F, Cl, Br, CN, OH, CF₃, OCF₃, SCN, NCS oder SF₅, R² einen halogenierten oder unsubstituierten Alkylrest mit 1 bis 15 C-Atomen, wobei in diesem Rest auch eine oder mehrere CH₂-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -C≡C-, -CH=CH-, -CF=CF-, -(CO)O-, -O(CO)-, -(CO)- oder -O- so ersetzt sein können, dass O-Atome nicht direkt miteinander verknüpft sind, m 1, 2 oder 3, n 0, 1, 2, 3 oder 4, und A¹, A² a) trans-1,4-Cyclohexylen oder Cyclohexenylen, worin auch eine oder zwei nicht benachbarte CH₂-Gruppen durch -O- und/oder -S- ersetzt sein können, und worin H durch F ersetzt sein kann, b) 1,4-Phenylen, worin eine oder zwei CH-Gruppen durch N ersetzt sein können und worin auch ein oder mehrere H-Atome gegen Br, Cl, F, CN, C₃-C₆ Cycloalkyl, C₁-C₁₀ Alkyl, C₁-C₁₀ Alkoxy oder eine ein- oder mehrfach fluorierte C₁-C₁₀ Alkyl- oder Alkoxygruppe ersetzt sein können, oder c) ein Rest aus der Gruppe 1,4-Bicyclo(2,2,2)-octylen, Cylcobut-1,3-diyl, Spiro[3.3]heptan-2,6-diyl, Thiophen-2,5-diyl,
worin ein oder mehrere CH-Gruppen durch N ersetzt sein können, ein oder mehrere H-Atome gegen Br, Cl, F, CN, C₃-C₆ Cycloalkyl, C₁-C₁₀ Alkyl, C₁-C₁₀ Alkoxy oder eine ein- oder mehrfach fluorierte C₁-C₁₀ Alkyl- oder Alkoxygruppe ersetzt sein können, und eine oder mehrere Doppelbindungen durch Einfachbindungen ersetzt sein können, und R¹-A¹ zusammen auch einen Rest
Z¹ eine Einfachbindung, -C≡C-, -CH=CH-, -CH₂O-, -(CO)O-, -CF₂O-, -CF₂CF₂-, -CH₂CF₂-, -CH₂CH₂-, -(CH₂)₄-, -CH=CF- oder -CF=CF-, wobei asymmetrische Brücken nach beiden Seiten orientiert sein können, bedeuten, umfassend die Umsetzung von Z-konfigurierten Alkenverbindungen entsprechend der Formel I unter Isomerisierungsbedingungen, wobei die E-konfigurierte Alkenverbindung in der festen Phase vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es unter photochemischer Katalyse durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-konfigurierte Alkenverbindung in der festen Phase vorliegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Formel A¹, A² unabhängig voneinander a) trans-1,4-Cyclohexylen oder Cyclohexenylen, oder b) 1,4-Phenylen, worin auch ein oder mehrere H-Atome gegen Br, Cl, F, CN, C₃-C₆ Cycloalkyl, C₁-C₁₀ Alkyl, C₁-C₁₀ Alkoxy oder eine ein- oder mehrfach fluorierte C₁-C₁₀ Alkyl- oder Alkoxygruppe ersetzt sein können, bedeuten.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Formel I n 0 ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass E-konfigurierte Bicyclohexan-Verbindungen der Formel IA
worin R¹ und R² wie in Anspruch 1 definiert sind, hergestellt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in Gegenwart einer Sulfinsäure oder eines Sulfinsäureesters durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Verbindungen der Formel I durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion ohne Lösungsmittel durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration des Reaktionsprodukts an der isomerisierten Alkenbindung zu 90% oder mehr der E-Konfiguration entspricht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es als einen vorausgehenden Verfahrensschritt vor der photochemischen Isomerisierung eine teilweise Isomerisierung der Alkengruppe in Gegenwart eines geeigneten Additivs umfasst, wobei die vorausgehende Reaktion in flüssiger Phase durchgeführt wird, und anschließend das entstandene Gemisch aus Z-konfigurierter und E-konfigurierter Alkenverbindung in fester Phase photochemisch isomerisiert wird.