DE19603377A1

DE19603377A1 - Verfahren zur Herstellung von Cucurbituril

Info

Publication number: DE19603377A1
Application number: DE1996103377
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Buschmann; Harald Fink; Eckhard Prof Dr Schollmeyer
Original assignee: DEUTSCHES TEXTILFORSCHZENTRUM; Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
Current assignee: Sensient Imaging Technologies GmbH
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2016-02-01
Also published as: DE19603377B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur synthetischen Herstellung von Cucurbituril.

Cucurbituril wurde erstmals 1905 in einem Aufsatz (R. Behrend, E. Meyer und F. Rusche: Über Condensations produkte aus Gycoluril und Formaldehyd, Justus Liebigs Ann. Chem. 339 (1905), S. 1-37) beschrieben. Zur damaligen Zeit war die makrocyclische Struktur der Verbindung nicht bekannt.

Die Struktur der makrocyclischen Verbindung wurde erstmals in der Veröffentlichung W.A. Freeman, W.L. Mock und N.-Y. Shih: Cucurbituril, J. Am. Chem. Soc. 103 (1981), S. 7367- 7368 publiziert. In dieser Publikation wird auch erstmals der Name Cucurbituril für die Verbindung vorgeschlagen.

Mit den Kristallstrukturen verschiedener Komplexe von Cucurbituril befaßt sich die Veröffentlichung: W.A. Freeman, Structures of the p-Xylylenediammonium Chloride and Calcium Hydrogensulfate Adducts of the Cavitand "Cu curbituril, C36H3N24024, Acta Cryst. B40 (1984), S.382- 387.

Die Synthese der Verbindung Cucurbituril wird in allen vorgenannten Veröffentlichungen entsprechend der Vor schrift aus dem Jahre 1905 in drei Stufen durchgeführt:

1. Stufe: Synthese von Glykoluril

Zu 100 g Glyoxallösung (40%ig) werden 17,5 ml konzentrier te Salzsäure, 200 ml Wasser und 120 g Harnstoff gegeben und anschließend erhitzen. Dann wird die Lösung mindestens 5 Minuten gekocht. Es bildet sich ein weißer bis gelber Niederschlag. Nach dem Abkühlen wird der Niederschlag (Glykoluril) abfiltert und mit etwas Wasser gewaschen und getrocknet. Ausbeute: ca. 130 g.

2. Stufe: Synthese von Behrends Polymer

Eine Mischung aus 20 g Glykoluril, 35 ml 37-40%ige Formal dehydlösung, 70 ml konzentrierte Salzsäurelösung und 100 ml Wasser wird schnell erhitzt bis zum Kochen. Die Lösung wird solange gekocht, bis sich eine klare dünne Maut auf der Oberfläche bildet. Das heiße Reaktionsgemisch wird anschließend in 500 ml kaltes Wasser eingerührt. Es bildet sich ein weißer amorpher Niederschlag, den man absitzen läßt. Die überstehende klare Lösung wird abdekantiert. Der Niederschlag wird filtriert und mit Wasser, danach mit Ethanol und schließlich mit Diethylether gewaschen. Der Niederschlag wird bei 100°C bis zur Gewichtskonstanz (wasserfrei) eventuell unter Vakuum getrocknet. Ausbeute: ca. 22 g.

3. Stufe: Synthese von Cucurbituril

Zu 14 g fein pulverisiertem Behrends Polymer werden 30 ml konzentrierte Schwefelsäure gegeben. Die Mischung wird unter Rühren bei 120-130°C mindestens 20 min erhitzt. Die Reaktion ist dann abgeschlossen, wenn eine kleine Probe der Lösung beim Verdünnen mit Wasser keinen oder nur wenig Niederschlag ergibt. Man läßt die Lösung auf Raumtempera tur abkühlen. Anschließend wird sie vorsichtig unter Rüh ren in 300 ml kaltes Wasser gegeben und sofort filtriert. Das klare Filtrat wird 5 min aufgekocht und über Nacht bei Raumtemperatur stehengelassen, damit sich möglichst viel Niederschlag bildet. Der Niederschlag (Cucurbituril) wird abfiltriert mit etwas Wasser gewaschen und getrocknet. Ausbeute: ca. 5 g Cucurbituril.

Der Nachteil dieser dreistufigen Synthese besteht darin, daß sie industriell nur sehr schwierig realisiert werden kann. Die zweite Stufe kann heute in der vorgeschriebenen Weise nicht durchgeführt werden, da der gleichzeitige Ein satz von Salzsäure und Formaldehyd zu karzinogenen Neben produkten führen kann. Auch die Isolation und Trocknung der Reaktionsprodukte (Behrend′s Polymer) ist technisch sehr aufwendig.

Die Isolierung von Behrend′s Polymer und dessen separate Umsetzung zu Cucurbituril nach dem Stand der Technik führt zu höheren Einsatzmengen an Chemikalien und zu geringeren Ausbeuten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur synthetischen Herstellung von Cucurbituril anzugeben, mit dem eine hohe Ausbeute mit einer großen Verfahrenssicherheit erzielbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An spruchs 1.

Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, Acetylen diharnstoff (Glycoluril) in wäßriger Lösung einer starken Mineralsäure in Gegenwart eines Überschusses an Formalde hyd durch Erwärmung zu lösen und durch Verkochen des Wassers zur Reaktion zu Behrend′s Polymer zu bringen. Das Wasser wird ohne weitere Zwischenschritte vollständig durch Abdampfen entfernt und die verbleibende Polymer lösung durch Erhitzen zu Cucurbituril umgesetzt.

Ausgehend vom Acetylendiharnstoff, dem Monomerenbaustein von Cucurbituril, wird Cucurbituril in einer Stufe synthe tisiert. Durch Verdampfen des Lösungsmittels Wasser, wer den die Reaktionsbedingungen für die Synthese von Cucur bituril nacheinander durchlaufen. Dadurch entfällt die Isolation der Zwischenprodukte und die Ausbeute wird deut lich größer. So beträgt die Ausbeute an Cucurbituril bei der neuen Synthese ca. 80-85% der theoretisch maximalen Ausbeute bezogen auf Acetylendiharnstoff. Im Vergleich zu der eingangs genannten Synthese mit einem Ausbeutegrad zwischen 40 und 70% ist somit nicht nur die Ausbeute erheblich erhöht worden, sondern darüber hinaus auch die Schwankungsbreite der Ausbeute verringert worden.

Da Cucurbituril in der Reinigung farbiger Abwässer tech nisch eingesetzt werden kann, kommt einer wirtschaft licheren Synthese dieser Verbindung eine große Bedeutung zu.

Der entstandene Kristallbrei wird nach Kühlung in kaltes Wasser eingebracht, wobei das Cucurbituril, nachdem es kurzzeitig in Lösung gegangen ist, als schwerer, feinkri stallinen Niederschlag ausfällt.

Die Ausbeute kann in vorteilhafter Weise durch kurzzeiti ges Aufkochen oder durch längeres Stehenlassen, z. B. für eine Zeitspanne zwischen einer ½ Stunde und 2 Tagen, noch gesteigert werden.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den wei teren Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Synthese von Cucurbituril wird nachstehend im einzel nen beschrieben:

Acetylendiharnstoff ist im Handel erhältlich, oder kann leicht aus Glyoxal und Harnstoff säurekatalysiert darge stellt werden.

Acetylendiharnstoff wird in wäßriger Schwefelsäure mit einem Überschuß an Formaldehyd durch Erwärmung gelöst, und durch Verkochen des Wassers zur Reaktion zu Behrend′s Polymer gebracht. Das Wasser wird ohne weitere Zwischen schritte vollständig durch Abdampfen entfernt, und die verbleibende Polymerlösung durch Erhitzen zu Cucurbituril unter Formaldehydabspaltung umgesetzt.

Die Menge der einzusetzenden konzentrierten Schwefelsäure wird hauptsächlich durch die Handhabbarkeit bestimmt. Ist sie zu klein, ist im ungünstigsten Fall die Umsetzung des Polymeren zu Cucurbituril nicht vollständig, so daß das erhaltene Cucurbituril mit hohen Anteilen an Polymeren und Oligomeren verunreinigt ist. Ist sie zu groß, verringert sich die Ausbeute entsprechend, da die Löslichkeit von Cucurbituril von der Säurekonzentration abhängig ist, und bei der weiter unten aufgeführten Fällung entsprechende Anteile im Filtrat gelöst bleiben. Es ist ferner zu beach ten, daß die Viskosität des erkalteten Kristallbreis we sentlich von der Menge der eingesetzten konzentrierten Schwefelsäure abhängt.

Die Menge des einzusetzenden "Reaktionswassers" beeinflußt wesentlich die Bildung von Behrend′s Polymer in der Weise, daß die Ausbeute um so höher ausfällt, je mehr Wasser für die Polymerisation eingesetzt wird. Die Obergrenze der Wassermenge wird durch die Wirtschaftlichkeit bestimmt, da alles eingesetzte Wasser vollständig durch Verdampfung eliminiert werden muß.

Der entstandene Kristallbrei wird nach Abkühlung in kaltes Wasser eingebracht, wobei das Cucurbituril, nachdem es kurzzeitig in Lösung gegangen ist, als schwerer, feinkri stalliner Niederschlag ausfällt. Die Niederschlagmenge richtet sich nach der Menge des "Fällungswassers", in welchem der Kristallbrei eingebracht wird, wird aber nur noch unwesentlich gesteigert, wenn die Wassermenge mehr als das Zehnfache der eingesetzten Masse an konzentrierter Schwefelsäure beträgt. Außerdem kann die Ausbeute durch kurzzeitiges Aufkochen oder durch längeres Stehenlassen noch gesteigert werden.

Der Niederschlag wird abfiltriert, mit Wasser säurefrei gewaschen und getrocknet. Liegt die Trocknungstemperatur über 100°C, so wird auch der größte Teil gebundenen Was sers abgegeben.

Die Ausbeuten können bei dieser Verfahrensweise 80% der theoretischen Ausbeute und mehr betragen.

Die Entstehung von Behrend′s Polymer ist zwar mit anderen Säuren ebenso möglich, die Umsetzung zu Cucurbituril funk tioniert allerdings nur mit Schwefelsäure, da diese wich tige strukturbildende Eigenschaften besitzt.

In einer Verfahrensvariante wird der Kristallbrei in der konzentrierten Schwefelsäure mit etwas Wasser verdünnt, bis er vollständig aufgelöst ist. Der Lösung werden unter heftigem Rühren ein inertes Trägermaterial, nämlich mine ralische Oxide, wie z. B. Kieselgel und Aluminiumoxid, und organische Polymere zugesetzt. Danach wird durch weitere Zugabe von Wasser das Cucurbituril auf das Trägermaterial niedergeschlagen.

Beispiel

Ansatz:

15,0 g Acetylendiharnstoff
26,5 g Formaldehydlösung ca. 37%ig
26,5 g konzentrierte Schwefelsäure
0,50 g bzw. 100 g Wasser.

Das Wasser wird mit konzentrierter Schwefelsäure und Form aldehydlösung vorgelegt und der Acetylendiharnstoff unter Rühren eingestreut. Die Suspension wird unter Rühren er hitzt, wobei der Acetylendiharnstoff vor Erreichen der Siedetemperatur vollständig in Lösung geht. Daraufhin wird das Wasser abgedampft, wobei die Lösung immer viskoser wird und gegen Ende gelblich weiß geliert, dann aber schnell in eine orangerote klare Lösung übergeht.

Die Lösung wird dann vorsichtig weiter erhitzt, bis bei einer Temperatur zwischen 135 und 145°C die Formaldehyd abspaltung einsetzt. Bei Beginn der Formaldehydabspaltung wird sofort die Heizung abgestellt. Die Temperatur steigt dann noch von allein auf etwa 165 °C. Zur Vervollständi gung der Reaktion wird noch 15 Minuten gerührt und der inzwischen entstandene Kristallbrei auf Raumtemperatur heruntergekühlt.

Der Kristallbrei wird anschließend in 265 ml kaltes Wasser gegossen, worin sich dieser erst klar auflöst, jedoch sofort ein weißer kristalliner Niederschlag gebildet wird. Durch etwa 5-minütiges Aufkochen wird diese Ausfällung vervollständigt, und nach Abkühlung auf Raumtemperatur der Niederschlag abgesaugt, mit Wasser säurefrei gewaschen, und bei 130°C im Trockenschrank bis zur Gewichtskonstanz getrocknet.

Ausbeuten:
ohne Wasser: 8,89 g entspr. 50,8% der theore tischen Ausbeute
mit 50 g Wasser: 11,84 g entspr. 67,5% der theore tischen Ausbeute
mit 100 g Wasser: 14,42 entspr. 82,4% der theoretischen Ausbeute.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Cucurbituril ausgehend von Acetylendiharnstoff durch

- Lösen von Acetylendiharnstoff in wäßriger Lösung einer starken Mineralsäure in Gegenwart eines Überschusses an Formaldehyd durch Erwär mung,
- vollständiges Entfernen des Wassers durch Ab dampfen, und
- durch Umsetzen der verbleibenden Polymerlösung durch Erhitzen zu Cucurbituril in Form eines Kristallbreis.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallbrei nach Abkühlung in kaltes Wasser eingebracht wird, wobei das Cucurbituril, nachdem es kurzzeitig in Lösung gegangen ist, als schwerer, feinkristalliner Niederschlag ausfällt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzte Wassermenge ge wichtsmäßig weniger als das Zehnfache der Mineral säuremenge beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbeute an Cucurbituril durch kurzzeitiges Aufkochen der Mixtur oder durch längeres Stehenlassen gesteigert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederschlag abfiltriert bzw. abzentrifugiert wird, mit Wasser säurefrei gewaschen und anschließend getrocknet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Umsetzung von Behrend′s Polymer zu Cucurbituril Schwefelsäure verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Trocknungstemperatur über 100°C verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallbrei in der kon zentrierten Mineralsäure mit soviel Wasser verdünnt wird, bis er vollständig aufgelöst ist, daß der daraus entstandenen Lösung unter intensivem Rühren ein inertes Trägermaterial zugesetzt wird, und daß durch weitere Zugabe von Wasser das Cucurbituril auf das Trägermaterial niedergeschlagen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial mineralische Oxide, wie z. B. Kieselgel oder Aluminiumoxid, und/oder organische Polymere zugesetzt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Suspension aus Wasser, konzentrierter Schwefelsäure und Formaldehyd lösung gebildet wird,

- daß Acetylendiharnstoff unter Rühren beigemischt wird,
- daß die Suspension solange erhitzt wird, bis der Acetylendiharnstoff vollständig in Lösung gegan gen ist,
- daß das Wasser bis zur Bildung einer orange-rot gefärbten klaren Lösung abgedampft wird, daß die Lösung bis zu einer Temperatur zwischen ca. 130°C und 150°C, vorzugsweise zwischen ca. 135°C bis 145°C, erhitzt wird, wobei die Form aldehydabspaltung beginnt,
- daß die Wärmezufuhr beim Einsetzen der Form aldehydabspaltung sofort eingestellt wird,
- daß der inzwischen entstandene Kristallbrei wei ter gerührt wird und bis Raumtemperatur abge kühlt wird,
- daß der Kristallbrei in kaltem Wasser unter Bil dung eines weißen kristallinen Niederschlags aus Cucurbituril aufgelöst wird,
- daß dieses Präzipitieren durch Aufkochen ver vollständigt wird, und
- daß der Niederschlag nach Abkühlung auf Raum temperatur abgesaugt, säurefrei gewaschen und anschließend getrocknet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflösen des Kristallbreis gewichtsbezogen in einer ca. 3- bis 5-fachen, vorzugsweise 4-fachen Menge Wassers erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das gewichtsbezogene Mengenver hältnis von Formaldehyd in Form einer ca. 37 bis 40 %igen Formaldehydlösung zu konzentrierter Schwefel säure ca. 0,8 bis 1,2 beträgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das gewichtsbezogene Mengenver hältnis von Acetylendiharnstoff zu der ca. 37 bis 40%igen Formaldehydlösung oder der konzentrierten Schwefelsäure ca. 0,45 bis 0,7 beträgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das gewichtsbezogene Mengenver hältnis von Acetylendiharnstoff zu Wasser ca. 0,1 bis 0,3, vorzugsweise zwischen ca. 0,12 bis 0,2 beträgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfen des Lösungsmittels Wasser durch Destillation, Vakuumdestillation oder azetrope Destillation erfolgt.