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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein neuartiges, kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Grignard-Addukten
aus den entsprechenden Halogenverbindungen und Cyclohexanon-Derivaten.
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Verfahren zur Herstellung von Grignard-Addukten
sind seit langem bekannt.
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So findet im industriellen Maßstab ein
mehrstufiges Verfahren Anwendung, das sog. „Säulengrignard-Verfahren", bei dem die Lösung einer
organischen Halogenverbindung kontinuierlich über eine säulenförmige Aufschichtung von Magnesiumspänen gegeben
wird, wodurch sich das Organomagnesiumhalogenid bildet, das am Säulenablauf
als Lösung
entnommen werden kann. Die Lösung
des Organomagnesiumhalogenids wird dann in einem zweiten, nachfolgenden
Verfahrensschritt, entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich
mit der entsprechenden Carbonylverbindung zum Grignard-Addukt umgesetzt.
Anschließend
wird durch Hydrolyse des Grignard-Addukts, der Alkohol erhalten.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass mehrere Verfahrensschritte
notwendig sind, der apparative Aufwand des Folgeschritts, die Problematik
der notwendigen Konzentrationsbestimmung und dass beim Mischen die
Mischer verstopfen.
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Ebenfalls bekannt ist, dass die Umsetzung
zu einem Grignard-Addukt auch erfolgen kann, indem die organische
Halogenverbindung nach dem sog. Anspringen der Reaktion gemeinsam
mit der entsprechenden Carbonylverbindung zum magnesiumhaltigen
Reaktionsgemisch zudosiert wird (sog. „Barbier-Variante"). Nachteilig an
diesem Verfahren ist, dass auch in diesem Fall, bedingt durch die
nicht-kontinuierliche, „batch"-Fahrweise, stationär größere Mengen an reaktiven Zwischenstufen hergestellt
und gehandhabt werden müssen.
Ferner ergeben sich für
die „batch"-Fahrweise, insbesondere
im großtechnischen
Maßstab,
sowohl für
die Reaktanden sowie die reaktiven Zwischenstufen längere Verweilzeiten
in den Reaktoren, was unter anderem zur Folge hat, dass vermehrt
Nebenreaktionen, wie z.B. die Bildung höhersiedender Kondensationsprodukte,
auftreten. Diese stellen in den Folgestufen für viele organisch-chemische Zielprodukte
ein ernstes Qualitätsproblem
dar. Darüber
hinaus sind die Nachteile von „batch"-Verfahren gegenüber kontinuierlichen Verfahren,
wie z.B. längere
Rüstzeit,
aufwendige Reinigung und höhere
Kosten, hinlänglich
bekannt.
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In der
CS 222 899 B wird ein kontinuierliches Verfahren
zur Herstellung von 1-Phenylpentan-1-ol beschrieben, bei dem Benzaldehyd
mit 1-Brombutan in einer mit Mg-Spänen befüllten Kolonne in Ether zur
Reaktion gebracht wird. Die Reaktion wird durch kleine Mengen Jod
aktiviert. Das Reaktionsprodukt wird aus der Kolonne abgeleitet
und mit Eis und Schwefelsäure
hydrolysiert. Dieses Dokument offenbart somit lediglich die Umsetzung
von Aldehyden.
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Ausgehend von dem bekannten Stand
der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von Grignard-Addukten
bereitzustellen, das nicht die aus dem Stand der Technik bekannten
Nachteile, wie zum Beispiel:
– unnötig viele Verfahrensschritte,
– stationär große Mengen
an Grignard-Addukten sowie reaktiven Zwischenstufen,
– unwirtschaftliche
lange Verweilzeiten und
– Zunahme
der Bildung von Nebenprodukten, aufweist oder diese zumindest minimiert.
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Überraschenderweise
wurde nun gefunden, dass es möglich
ist, Grignard-Addukte
in einem kontinuierlichen und zudem einstufigen Verfahren herzustellen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist somit ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Grignard-Addukten,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass
- a) Magnesiumspäne in einer
lösungsmittelgefluteten
Säule vorgelegt
werden,
- b) auf die Säule
eine Lösung
zudosiert wird, die sowohl die organische Halogenverbindung als
auch das umzusetzende Cyclohexanon-Derivat enthält, nachfolgend auch als Reaktionslösung bezeichnet,
- c) die Lösung
unter Bildung des Grignard-Reagenzes sowie dessen anschließender Umsetzung
mit dem Cyclohexanon-Derivat die Säule passiert,
- d) am Säulenablauf
die Lösung,
die das gebildete Grignard-Addukt enthält, entnommen wird,
- e) gegebenenfalls die am Säulenablauf
entnommene Lösung,
die das gebildete Grignard-Addukt enthält, direkt hydrolysiert wird,
wodurch das entsprechende Cyclohexanol-Derivat gebildet wird, und
- f) gegebenenfalls das in Schritt e) gebildete Cyclohexanol-Derivat
durch Dehydratisierung zu dem entsprechenden Cyclohexen-Derivat
umgesetzt wird.
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Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist,
– dass
es kontinuierlich durchgeführt
werden kann,
– dass
auf der Säule
nicht nur die Umsetzung des Magnesiums mit der organischen Halogenverbindung
sondern auch die Umsetzung des Cyclohexanon-Derivats zum Grignard-Addukt
in einem Verfahrensschritt erfolgt,
– dass stationär keine
größeren Mengen
an Grignard-Addukten sowie reaktiven Zwischenstufen entstehen, wodurch
ein höheres
Maß an
Sicherheit gewährleistet
ist, und
– dass
aufgrund der kurzen Verweilzeiten, die Bildung von Nebenprodukten,
wie z.B. höhersiedender
Kondensationsprodukten, minimiert werden kann.
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Insbesondere aufgrund der Tatsache,
dass das erfindungsgemäße Verfahren
einstufig ist, entfällt
die aufwendige und fehlerbehaftete Bestimmung der Konzentration
des Grignardreagenzes vor der Umsetzung mit der Carbonylverbindung
im Falle einer kontinuierlich durchgeführten Folgeumsetzung. Auch
ist eine zusätzliche
Steuerung der Zugabe der Carbonylverbindung zum Grignardreagenz überflüssig.
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Als Säulen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
können
alle dem Fachmann bekannten und für diese Reaktion geeigneten
Säulen
eingesetzt werden. Insbesondere weiß der Fachmann entsprechend
dem Durchsatz die Säulenparameter,
wie z.B. Länge,
Durchmesser und Füllmenge,
zu wählen.
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Die Auswahl der Magnesiumspäne ist in
jeder Hinsicht unproblematisch. Es können alle handelsüblichen
Magnesiumspäne,
die üblicherweise
zur Durchführung
einer Grignard-Reaktion Verwendung finden, eingesetzt werden.
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Auch hinsichtlich der Auswahl des
Lösungsmittels,
das zur Flutung der Säule
und/oder als Lösungsmittel
für die
Reaktion eingesetzt wird, kann aus einer Vielzahl von Lösungsmitteln
bzw. Lösungsmittelgemischen
ausgewählt
werden. Bevorzugte Lösungsmittel
sind jedoch Ether, wie z.B. Diethylether, Dibutylether, Amylether
und Tetrahydrofuran (THF), aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe,
wie z.B. Heptan, Cyclohexan, Benzol, Toluol und Xylol, sowie Lösungsmittelgemische
der vorgenannten Gruppen, wie z.B. ein Gemisch aus THF und Toluol.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird zum Starten der Reaktion vor Schritt b) die Lösung einer organischen
Halogenverbindung und/oder eine Jod-Lösung, nachfolgend auch als
Startlösung
bezeichnet, auf die Säule
gegeben. Besonders bevorzugt wird jedoch zum Starten der Reaktion
die gleiche organische Halogenverbindung eingesetzt, wie im nachfolgenden
Schritt b). Die Menge an organischer Halogenverbindung, die zum
Starten der Reaktion erforderlich ist, kann sich dabei nach der
Dimensionen der Säule
und damit nach der Menge an Magnesiumspänen richten.
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Vorzugsweise liegt sie jedoch im
Bereich von 0,1 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 1
bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an in beiden Schritten
eingesetzter organischer Halogenverbindung.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
enthält
die in Schritt b) eingesetzte Lösung,
die organische Halogenverbindung in stöchiometrischen Mengen bzw.
in einem leichten Überschuss.
Besonders bevorzugt liegt das molare Verhältnis von organischer Halogenverbindung
zu umzusetzendem Cyclohexanon-Derivat im Bereich von 1,01 : 1,0
bis 1,2 1,0, insbesondere im Bereich von 1,02 : 1,0 bis 1,1 : 1,0.
Zwar ist auch ein Verhältnis
von 1 : 1 oder darunter denkbar, jedoch ist im Hinblick auf die
spätere
Aufreinigung, aus wirtschaftlichen und qualitativen Überlegungen
ein Überschuss
an organischer Halogenverbindung bevorzugt.
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Als organische Halogenverbindungen
können
alle bekannten Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Aryl- und Alkylarylhalogenide
eingesetzt werden. Als Halogenide bevorzugt sind dabei die Chloride,
die Bromide sowie die Jodide, wobei die Bromide und Chloride besonders
bevorzugt sind. Desweiteren bevorzugt sind Alkylgruppen mit 1 bis
20 C-Atomen sowie Alkenyl- und Alkinylgruppen mit 2 bis 20 C-Atomen.
Die Alkyl-, Alkenyl- und Alkinylgruppen können dabei entweder geradkettig
oder verzweigt sein. Auch können
die Alkyl-, Alkenyl- und Alkinylgruppen ein- oder mehrfach durch
Halogen, vorzugsweise Fluor, substituiert sein. Ferner kann in den
Alkyl-, Alkenyl- und Alkinylgruppen auch eine oder mehrere CH2-Gruppen jeweils unabhängig voneinander durch -O-,
-S-, oder -CO-NR- so ersetzt sein, dass Heteroatome nicht direkt
miteinander verknüpft
sind. Bevorzugte Arylgruppen enthalten einen oder mehrere aromatische
Ringe, die gegebenenfalls substituiert sein können. Bevorzugte Substituenten
sind dabei Halogen (F, Cl und Br), -CN, -CO-NR2,
lineare oder verzweigte, gegebenenfalls chirale, unsubstituierte,
ein- oder mehrfach durch Halogen substituierte Alkylreste mit 1
bis 10 C-Atomen oder Alkenyl- bzw. Alkinylreste mit 2 bis 10 C-Atomen,
worin auch eine oder mehrere CH2-Gruppen jeweils unabhängig voneinander
durch -O- oder -S- so ersetzt sein können, dass Heteroatome nicht
direkt miteinander verknüpft
sind. Besonders bevorzugte Substituenten sind dabei -F, -CF3, -OCF3, -OCF2-R, sowie -CH3,
und insbesondere -F. Der Rest R kann dabei die gleichen Bedeutungen
annehmen, wie für
die bevorzugten Alkyl-, Alkenyl- und Alkinylgruppen angegeben.
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Als Carbonylverbindungen können alle
bekannten Verbindungen eingesetzt werden, die eine Cyclohexanongruppe
aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die am Säulenablauf
entnommene Lösung,
die das gebildete Grignard-Addukt, im gewählten Lösungsmittel enthält, üblicherweise
anschließend
direkt hydrolysiert, d.h. zum Alkohol umgesetzt. Die Hydrolyse kann
dabei entweder „batchweise" oder kontinuierlich
durchgeführt werden.
Bevorzugt ist jedoch die kontinuierliche Durchführung der Hydrolyse. An die
Hydrolyse schließt
sich im allgemeinen eine Phasentrennung an, die ebenfalls vorzugsweise
kontinuierlich durchgeführt
wird. Auf diese Weise wird direkt die Lösung des gewünschten
Alkohols erhalten, der unmittelbar der weiteren Verarbeitung bzw.
Umsetzung zugeführt
werden kann. Zugleich wird die wässrige
Phase ebenso kontinuierlich abgetrennt und kann der weiteren Verwertung
bzw. Entsorgung zugeführt
werden. Zum Einsatz kommen dabei vorzugsweise sog. „Module
zur kontinuierlichen Hydrolyse und/oder Extraktion", wie sie dem Fachmann
bekannt sind.
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Im Falle der erfindungsgemäß eingesetzten
Cyclohexanon-Derivate, werden somit nach der Hydrolyse Cyclohexanol-Derivate
gebildet, die nachfolgend im allgemeinen direkt durch Dehydratisierung,
beispielsweise in Toluol, zu Cyclohexen-Derivaten weiter umgesetzt
werden.
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Da es sich bei sämtlichen vorgenannten Verfahrensschritten
um kontinuierliche Prozesse handelt, ergibt sich eine optimal genutzte
Prozeßführung. Auf
diese Weise kommt es zu deutlichen Verkürzungen der Herstellungszeit.
Dementsprechend wird die Produktivität erhöht und somit werden die Herstellungskosten
gesenkt.
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Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt 1. Eine solche
Vorrichtung weist als notwendige Bestandteile, die beiden folgenden
Bauelemente auf:
- a) eine Säule, die das Magnesium-Festbett,
d.h. die Magnesium-Späne,
enthält
und die mit dem zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
eingesetzten Lösungsmittel
bzw. Lösungsmittelgemisch
geflutet ist, mit einem Säulenablauf,
aus dem die Lösung,
die die umgesetzte Carbonylverbindung, das Grignardaddukt, enthält, entnommen
wird, und
- b) mindestens ein Zulaufgefäß, aus dem
die Reaktionslösung
sowie gegebenenfalls die Startlösung,
auf die Säule
dosiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Lösung
einer organischen Halogenverbindung und/oder eine Jod-Lösung, die sogenannte Startlösung, zum
Starten der Reaktion auf die Säule
gegeben. Dies kann entweder über
das gleiche Zulaufgefäß, über das
die sogenannte Reaktionslösung,
die sowohl die organische Halogenverbindung als auch die umzusetzende
Carbonylverbindung enthält,
oder aber über
ein weiteres Zulaufgefäß erfolgen.
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Die Säule kann einen Mantel zur Temperierung
der Säule
aufweisen.
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An den Säulenablauf schließen sich
vorzugsweise direkt sog. „Module
zur kontinuierlichen Durchführung
der Hydrolyse und/oder Extraktion" an.
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Die vorliegende Erfindung wird im
folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben, ohne
dadurch jedoch in irgendeiner Weise beschränkt zu werden.
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Beispiel 1
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In einem Eisbad wurde ein 1 Liter
Kolben mit Rührer
aufgebaut. Im Kolben wurden 100 ml Toluol und 100 ml Salzsäure vorgelegt.
Ein Hals des Kolbens wurde mit Thermometer und Kühler bestückt und auf den anderen Hals
ein Tropftrichter als Säule
aufgesetzt.
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Im Tropftrichter wurden 25 g Magnesiumspäne vorgelegt,
das Magnesium mit THF überschichtet
und mit Jod angeätzt.
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6,5 g 1-Brom-3,4,5-trifluorbenzol
(2) wurden in 12 ml THF gelöst
und in einen separaten Tropftrichter eingefüllt. 61 g 1-Brom-3,4,5-trifluorbenzol
(2) wurden mit 51,6 g 4-(trans-4-Pentylcyclohexyl)-cyclohexan-1-on (1)
gemischt und unter leichter Erwärmung
in 400 ml THF gelöst.
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Nun wurden 5 ml der 1-Brom-3,4,5-trifluorbenzol-Lösung auf
das Magnesium gegeben wobei die Temperatur leicht anstieg. Zusätzlich wurde
von außen
mit einem Fön
erwärmt.
Nun wurde die restliche gelöste Bromverbindung
(2) zulaufen gelassen und nochmals etwas erwärmt. Als Zeichen, dass die
Reaktion angesprungen war, begann das Gemisch zu schäumen und
die Temperatur stieg auf 65°C.
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Nach dem Anspringen der Reaktion
wurde begonnen, die Lösung,
die die Bromverbindung (2) sowie die Carbonylverbindung (1) enthielt,
langsam zulaufen zu lassen, wobei immer ein deutliches Sprudeln
zu beobachten war. Mit der gleichen Tropfgeschwindigkeit, mit der
die Mischung zudosiert wurde, wurde auch die Reaktionslösung aus
dem als Säule
fungierenden Tropftrichter ablaufen gelassen. In 1,5 Stunden wurde
die komplette Mischung zulaufen gelassen, wobei die maximale Temperatur
im Magnesium 71,6°C
betrug und die Hydrolysetemperatur im Kolben im Bereich von 8 bis
22°C lag.
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Nach der vollständigen Zugabe der Mischung
wurde die Reaktionslösung
mit 100 ml THF aus dem Tropftrichter gespült. Das Magnesium blieb mit
THF überschichtet
und konnte für
Folgeansätze
weiter verwendet werden.
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Der hydrolysierte Ansatz, der einen
pH-Wert von 1 aufwies, wurde in einen Scheidetrichter überführt, die
Phasen getrennt sowie gewaschen und die organische Phase erneut
in einen 1 Liter Kolben überführt.
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Anschließend wurde am Rotationsverdampfer
zunächst
das THF entfernt, dann der Ansatz auf 75°C abgekühlt und insgesamt 3,1 g p-Toluolsulfonsäure zugesetzt.
Der Ansatz wurde dann 2 Stunden am Wasserabscheider unter Rückfluss
gekocht.
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Nach Abschluss der Reaktion wurde
der Ansatz auf 25°C
abgekühlt,
mit Wasser gewaschen, dann die organische Phase am Rotationsverdampfer
abgezogen und der Rückstand
aus n-Heptan umkristallisiert.
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Das Enyl (5) wurde in 96,6%iger Reinheit
erhalten (gaschromatographisch bestimmt). Ausbeute: 35,1 g (47 %)
Der vollständige
Reaktionsablauf ist in Schema 1 dargestellt.
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Beispiel 2
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Analog Beispiel 1 wurden 50,1 g 4-(trans-4-Pentylcyclohexyl)-cyclohexan-1-on (6) mit 82,9
g 1-Brom-3-fluor-4-trifluormethoxybenzol (7) über eine Füllung von 25 g Magnesium umgesetzt
und anschließend
direkt hydrolysiert. Nach Dehydratisierung und Aufarbeitung wurde
das Enyl (10) in 86,3%iger Reinheit erhalten (gaschromatographisch
bestimmt). Ausbeute: 85,2 g (89 %).
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Der vollständige Reaktionsablauf ist in
Schema 2 dargestellt.
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Schema 1
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Schematische
Darstellung der im Beispiel 1 beschriebenen Reaktionen
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Schema 2
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Schematische
Darstellung der im Beispiel 2 beschriebenen Reaktionen