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Verfahren zur Reinigung aprotischer Lösungsmittel und deren Verwendung
zur Herstellung von Grignard Reagenzien Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Reinigung von aprotischen Lösungsmitteln wie Äther, Kohlenwasserstoffen,bestimmten
Olefinen und tertiären Aminen und die Ver-Wendung der gereinigten Lösungsmittel
zur Herstellung von Grignard Reagenzien.
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Es sind verschiedene Verfahren zum Trocknen, Reinigen und Stabilisieren
aprotischer ösungsmittel bekannt. Im allge meinen sind diese bekannten Prozesse
chemische Umsetzungen in heterogener Phase. Alle bekannten Verfahren benötigen eine
bestimmte Zeit, da die Reaktionsgeschwindigkeit des zum Reinigen verwendeten Reagenz
mit dem zu reinigenden Material in logarithmischer Weise abnimmt.
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Es ist praktisch unmöglich, absolut gemachte aprotische Lösungsmittel
aufzubewahren und aus diesem Grunde sind sie nicht im Handel erhältlich. Der Grund
ftlr die Lagerunfshigz
keit besteht darin, daß die Diffusionsgeschwindigkeit
des Wassers aus einer feuchten Atmosphäre in das zu reinigende Material größer ist
als der in heterogener Phase ablaufende Trocknungsprozess.
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Bis Jetzt sind nur einige Verfahren zum Herstellen absoluter Lösungsmittel
bekannt: 1) Die Behandlung der Lösungsmittel mit metallischem Natrium 2) Behandlung
mit Calziumhydrid und )) Verwendung von Molekularsieben.
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Zumeist wird das Verfahren mit metallischem Natrium eingesetzt trotz
der gefährlichen Handhabung und der problematischen Abfallvernichtung. Die anderen
Methoden,mit Calziumhydrid und Molekularsiebenwsind nur dann wirksam, wenn dabei
das Lösungsmittel gerührt wird. Bei der Verwendung von Natriumdraht ist Rühren-
des Lösungsmittels im allgemeinen nicht errorderlich.
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Unabhängig von dem angewandten Verfahren benötigt der Trocknungsvorgang
ein bis drei Tage; eine Tatsache, die alle Verfahren umständlich macht.
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Weiterhin ist die Verwendung von Natriumdraht zum Reinigen von Lösungsmittelndie
zur Peroxidbildung neigen, wie beispielsweise Ather und einige ungesättigte Kohlenwasserstoffe,
ausgesprochen gefährlich und die Verwendung von Calziumhydrid oder
Molekularsieben
ist dann unwirksam. Dies liegt daran, daß vor dem Trocknen oder Destillieren dieser
Lösungsmittel die Peroxide durch Schütteln des Lösungsmittels mit einer wässrigen
Lösung eines anorganischen Salzes, beispielsweise mit FeSO4, in einen niedrigen
Valenzzustand usw. reduziert werden müssen.
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Die bisher üblichen Methoden sind daher aus dem einen oder anderen
Gruna alle ungenügend.
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Völlig trockene, absolute aprotische Lösungsmittel werden fÜr viele
chemische Synthesen und insbesondere Grignard-Reaktionen benötigt. Die Herstellung
von Grignard-Verbindungen aus Alkyl- oder Aryl-haliden und Magnesiumspänen in Äther
als Lösungsmittel ist allgemein bekannt. Es ist aber auch bekannt, daß die Darstellung
der Grignard- Reagenzien oft schwierig ist.
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Die Bildung der Grignard-Verbindungen wird bei Anwesenheit von Wasser
oder A]koholen in den Äthern und Haliden oder durch Verunreini.gungen auf der Oberfläche
der Magensiumspäne verhindert.
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Die üblichen Methoden, eine Grignard-Umsetzung zum zu bringen, bestehen
in der Zugabe sehr kleiner Mengen von Jod, Methyljodid oder einer ähnlichen Verbindung
oder der Zugabe von bereits hergestellter Grignard-Verbindung zu den Lösungsmitteln,
die mit einem kleinen Prozentsatz des insgesamt umzusetzenden Halids versetzt sind.
lin Fall des Zusatzes von Jod kann die Farbänderung visuell verfolgt werden oder
das Anspringen der Reaktion erfolgt im Fa] 1 der Alkyljodide oticr der ffli.tigcn
Grignard-Verbindungen
spontan, bevor die restliche Halogenverbindung zugesetzt werden kann.
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Auch diese Methoden haben diverse Nachteile, sie müssen visuell verfolgt
werden, was bei großtechnischen Umsetzungen besonders schwierig ist, und die Gegenwart
kleiner Mengen Verbindungen mit aktivem Wasserstoff hindert die katalytische Aktivität
der Zusätze. Die Bildung von Krusten wird zu einem Problem, wenn die Reaktion nicht
innerhalb einer bestimmten Zeit anspringt und diese Krustenbildung führt oft zu
einer unkontrollierbaren exothermen Reaktion, wenn die Umsetzung schließlich doch
anfängt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum
Reinigen aprotischer Lösungsmittel unter Vermeidung der aufgezeigten Probleme zu
entwickeln, und ferner die Verwendung dieser Lösungsmittel zur Herstellung von Grignard-Verbindungen
zu benutzen, um die aufgezeigten.Schwierigkeiten bei der Herstellung von Grignard-Verbindungen
durch vorhandenes Wasser oder Alkohol in den Lösungsmitteln und Reagenzien und Verunreinigungen
auf den Oberflächen der Magnesiumspäne und die damit zusammenhängenden Probleme
in der Induktionsperiode und bei der nachfolgenden exothermen Reaktion zu verhindern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird daher vorgeschlagen, die zu reinigenden
aprotischen Lösungsmittel von allen aktiven Wasserstoff enthaltenen Verbindungen
wie Alkoholen, Thiolen, primären und
sekundären Aminen und allen
reduzierenden organischen Peroxiden, organischen Säuren, Ketonen, Aldehyden und
im Lösungsmittel gelösten Kohlendioxid zu befreien durch Zusatz komplexer Metallhydride
mit der allgemeinen Formel NaAlH(OR)3 oder NaAlH2(OR)2 in der R R'O(CH2)n bedeutet
und R' eine niedere Alkylgruppe oder A(CH2)nlwobei n 2,3 oder 4 und A eine CH3O
-1C2H5O-
(CH5)2N-, (C2H5)2N- oder
Gruppe bedeuten, oder R R'O(CH2)n entspricht, wobei in dieser Formel R' eine niedere
Alkylgruppe und m und n 2,3 oder 4 und R ein
Rest ist, in dem wiederum R' und R" niedere Alkylgruppen und n 2,3 oder 4 bedeuten
oder in der R eine
Gruppe bedeutet.
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Unter den genannten Verbindungen sindi die wichtigsten und werden
für das Verfahren am meisten bevorzugt NaAlH2[OCH2CH2OCH3]2, NaAlH2[OCH2CH2N(CH3)2]2
und
Alle genannten Verbindungen können entsprechend den Verfahren
der
französichen Patentschrift 1 515 582 oder nach Shnlichen Verfahren mit entsprechend
gewähltem Ausgangsmaterial hergestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird zum Reinigen eines bestimmten Lösung mittels
eine der Verbindungen zu dem Lösungsmittel zugesetzt.
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Dieses Reagent reagiert sofort mit allen aktiven Wasserstoff enthaltenden
Verunreinigungen wie Wasser, Alkoholen, Thiolen usw. unter Bildung von sichtbaren
Wasserstoffblasen, Das Reagenz wird so lange zugesetzt, bis die Wasserstoffentwicklung
aufhört,und zum Stabilisieren des gereinigten Lösung mittels wird eine weitere Menge
des Reagenz von ungefähr 0,1 bis 5 Gew.% zugegeben.
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Dieses Verfahren führt im allgemeinen zu einem homogenen Produkt bei
allen äthern, flüssigen aromatischen Kohlenwasserstoffen und bestimmten Olefinen.
In anderen Fällen entsteht keine homogene Lösunglsondern ein Zweiphasensystem zweier
Flüssigkeiten, die allerdings teilweise mischbar sind Das Verfahren verläuft heterogen
mit gesättigten Kohlenwasserstoffen und tertiären Aminen. Trotzdem, auch wenn zwei
Phasen entstehen, ist das Reagenz in beiden Phasen löslich und der Reinigungsprozess
selbst verläuft immer homogen.
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Die beiden verschiedenen Verbindungstypen der verwendeten Reagenzien,
nämlich NaAlH(OR) 5 und NaA lH2(OR)2,befinden s ich
in folgendem
Gleichgewicht: 2 NaAlH(OR)»
NaAlH2(OR)2 + NaAl(OR)4.
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Die Verbindungen NaAlH2(OR)2 und NaAl(OR)4 sind stabiler als NaAlH(OR)3
und daher verhält sich dieseVerbindung wie eine Mischung der beiden erstgenannten.
In der weiteren Beschreibung werden alle chemischen Reaktionen mit diesem Reagenz
ausgedrückt als Reaktionen von NaAlH2(OR)2 und NaAl(OR)4.
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(A) Reaktionen mit NaAlH2(OR)2 Verbindungen mit der Formel NaAlH2(OR)2
reagieren mit aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindungen unter Entwicklung von
Wasserstoff in ähnlicher Weise wie andere komplexe Metall-Aluminium-Hydride. Der
Hauptunterschied in der Reaktion liegt darin, daß Verbindungen des Typs NaAlH2(OR)2
be Reaktion in überschüssigem Äther und aromatischen Kohlenwasserstoffen mit Verunreinigungen
an aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindungen lösliche Produkte bilden. Wenn
sie im Unterschuß reagieren, d.h. wenn die aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbinnen
im Uberschuq in Bezug auf NaAlH2(OR)2 vorliegen, bilden sich in hohen Konzentrationen
unlösliche Produkte. Die Wasserstoffentwicklung und die Klärung des zu reinigenden
Lösungsmittels verlaufen proportional und der Grad der reinigung des Lösungsmitteis
läßt sich visuell sehr empfindlich @eststellen.
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Die folgenden Gleichungen geben den Verlauf der Reaktion zwischen
NaAlH2(OR)2 und verschiedenen Verbindungen mit aktivem Wasserstoff an und zeigen,
wie diese Verbindungen aus dem zu reinigenden Lösungsmittel entfernt werden: 1.
Reaktion von NaAlH2(OR)2 mit H2O NaAlH2(OR)2 + H20 NaAlO(OR)2 + 2H2 (1) NaAlO(OR)2
+ H2O NaAlO2(Niederschlag # ) + 2ROH (2) Das Reaktionsprodukt nach (1) d.h. NaAlO(OR)2
ist hochgradig in Äthern löslich und gut löslich in aromatischen Kohlenwasserstoffen,
unlöslich in gesättigten Kohlenwasserstoffen. Das Reaktionsprodukt NaAlO2 ist praktisch
in allen aprotischen Lösungsmitteln unlöslich, aber die Reaktionsmischung nach (2)
reagiert mit NaAlH2(OR)2 nach folgender Gleichung:
Der erste Teil der Gleichung nach (3) verläuft sehr schnell und quantitativ, während
der zweite Teil langsamer und im Gleichgewicht verläuft; aber auch der zweite Teil
der Umsetzung wird quantitativ, wenn NaAl(OR)4 im Überschuß vorhanden ist.
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2. Reaktion von NaAlH2(OR)2 mit Alkoholen der Formel R'OH
Beide Gleichungen (4) und (5) verlaufen schnell und quantitativ sogar dann, wenn
R'OH ein tertiärer Alkohol ist. Die Produkte dieser Umsetzung sind in Äthern und
aromatischen Kohlenwasserstoffen löslich.
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3. Reaktion von NaAlH2(OR)2 mit Thiolen der Formel R'SH
Beide Reaktionen (6) und (7) verlaufen schnell und quantitativ. Die Löslichkeit
der Reaktionsprodukte der beiden Gleichungen in Äthern und Kohlenwasserstoffen liegt
etwas unter der Löslichkeit der Reaktionsprodukte nach (4) und (5); sie ist aber
völlig ausreichend.
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4. Reaktion von NaAlH2(OR)2 mit Aminen der Formel R'2NH und R'NH2
NaAl(NR? )(OR)2 + H2 ( o) Die Reaktionen nach (8) bis (10) verlaufen quantitativ
und
die Reaktionsprodukte sind in Äthern und aromatischen Kohlenwasserstoffen
gut löslich.
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5. Reaktion von NaAlH2(OR)2 mit Peroxiden der Formel R'202
Diese Reaktion verläuft quantitativ und die Löslichkeit der Reaktionsprodukte in
Wasser verhält sich wie oben.
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6. Reaktion von NaAlH2(OR)2 mit C02
Die Reaktion mit CO2 verläuft schnell und quantitativ und die Reaktionsprodukte
sind vollständig löslich.
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7. Reaktion von NaAlH2(OR)2 mit organischen Säuren, Ketonen, Aldehyden
und deren Derivaten.
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Diese Verbindungen reagieren quantitativ mit NaAlH2(OR)2 unter Bildung
des löslichen NaAl(OR? )2(oR)2, wobei. R das organische Radikal der entsprechenden
Ausgangssä.ure,-ketons -aldehyds oder des Derivates ist.
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(B) Reaktionen mit NaAl(OR)4 Die komplexen Alkoholate NaAl(OR)4 sind
völlig in allen Äthern
und aromatischen Kohlenwasserstoffen löslich.
Sie reagieren mit Wasser und Alkoholen nach der Formel:
Die Reaktionen (13) oder (14) haben keine Bedeutung für die Reinigung aprotischer
Lösungsmittel1 aber NaAl(OR)4 ist oft in NaAlHx(OR)4-x anwesend und die oben gegebenen
Gleichungen zeigen nur den nicht störenden Charakter des NaAl(OR)4; in der obigen
Formel bedeutet x 1 oder 2.
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Im Vergleich zu den erwähnten Reagenzien ergeben die Natrium-Aluminiumhydride
der Formel I{aAlH4 oder Na3AlH6 keine schnell löslichen Produkte wie unter (A),
(1) bis (7) gezeigt wurde; wie auch weiterhin die Löslichkeiten von NaAlH4 oder
Na»AlH6 selbst in keiner Weise mit der Löslichkeit von NaAlH(OR)4 vergleichbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem für folgende Verfahren verwendbar:
1. Trocknen und Reinigen von Äther und aromatischen Kohlen wasseistoffen in homogener
Löung.
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Als Äther können beispielsweise eingesetzt werden (C2H5)20, Diisopropyläther
(C4H9)2O, Tetrahydrofuran, CH3OCH2CH2OCH3, CH3OCI{2CH2OCH2CH2OCH3, 2-Methoxymethyltetrahydrofuran,
Dioxan.
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Zu den aromatischen Kohlenwasserstoffen gehören beispielsweise Benzol,
Toluol, Xylole und Äthylbenzol Der Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Anwendung
zur Trocknung von Äthern und aromatischen Kohlenwasserstoffen liegt darin, daß das
Verfahren sehr schnell d.h. fast augenblicklich, sicher, quantitativ und leicht
kontrollierbar verläuft, d.h. also, daß die Beendigung der Reaktion visuell verfolgt
werden kann. Alle unter (A), (1) bis (7) beschriebenen Verunreinigungen können durch
das Verfahren entfernt werden.
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2. Reinigung und Trocknung von Olefinen und Alkanen in heterogener
Phase.
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Zu den Olefinen gehören Cyclohexen, Methylcyclohexen, Cyclopenten
und Methylcyclopenten.
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Zii den Alkanen gehören beispielsweise Pentene, Hexane und Jieptane.
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Die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Anwendung auf Olefine
und Alkane liegen darin, daß das Verfahren sicher, quantitativ und leicht kontrollierbar
verläuft. Das Verfahren verläuft schneller als alle bekannten Verfahren, wenn eine
konzentrierte Lösung wie beispielsweise über 70 % von NaAlHn ()4In (n = 1 oder 2)
verwendet wird. Bisher benutzte Reagenzien sind nicht löslich genug, um zufriedenstellende
Resultate zu ergeben und bilden außerdem unmittelbar nach dem Vermischen mit dem
Lösungsmittel Niederschläge. Alle unter (A )s (1) bis (7) aufgeführten Verunreinigungen
können durch das Verfahren entfernt werden.
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3. Stabilisierung absoluter Lösungsmittel sicher und aromatische Kohlenwasserstoffe
mit einem Gehalt an 0,1 bis 5 und vorzugsweise 0,5 bis 1 % NaAlH2(OR)2 oder NaAlH(OR)»
sind quantitativ und sicher von allen unter (A), (1) bis (7) beschriebenen Verunreinigungen
frei. Diese Lösungsmittel sind einfach und sicher transportierbar und für längere
Zeiten lagerbar, ohne daß eine Gefahr der Aufnahme der unerwÜnschten Verunreinigungen
besteht.
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Für viele Zwecke und Anwendungen der so gereinigten Lösungsmittel
stört die Anwesenheit des Reagenzes nicht und daher
kann das Reagenz
in; Lösungsmittel verbleiben. Wenn aber aus irgend einem Grund die Notwendigkeit
besteht, daß Reagenz zu entfernen, kann dies auf zwei Wegen geschehen: (1) Abdestillieren
des Lösungsmittels direkt in das Reaktionsgefäß, in dem es benutzt werden soll,
(2) direktes Versetzen des Reagenz mit Jod oder Brom im Lösungsmittel:
wobei X2 Jod oder Brom bedeutet.
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Die Reaktion nach (15) verläuft quantitativ und schnell mit einer
sichtbaren Farbänderung am Reaktionsende. Bei Beendigung der Reaktion verschwindet
die charakteristische Farbe des Halogens nicht mehr. Dies kann einfach mit analytIscher
Genauigkeit visuell bestimmt werden. Das Produkt NaAlX2(OR)2 ist praktisch für alle
synthetischen organischen Reaktionen als inert zu bezeichnen. Wenn beispielsweise
Äthyläther mit einem Gehalt an diesem Produkt für eine normale Grignard-Reaktion
eingesetzt wird, springt die Reaktion sofort an und verläuft ohne Schwierigkeiten.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:
Beispiel
1 In einem 5-Litergefäß wurde langsam eine 70%-ige Benzollösung von NaAlH2(OCH2CH2OCH5)2
oder NaAlHx(OR)4-x, wobei x 1 oder 2 bedeutet, zu 4,5 Liter der folgenden Lösungsmittel
gegeben: (a) Äther: (C2H5)O, Tetrahydrofuran, CH3OCH2CH2OCH3, CH3OCH2CH2OCH2CH2OCH3,
2-Methoxy- methyltetrahydrofuran oder Dioxan (b) aromatische Kohlenwaaserstoffe;
Benzol, Toluol, Xylole oder Äthylbenzol,(c) Olefine: Cyclohexen, Methylcyclohexen
oder Methylcyclopenten. Die Zugabe der Lösung wurde so lange fortgesetzt, bis keine
Entwicklung von Wasserstoffgasblasen mehr statt@fand. Anschließend wurden weitere
4,5 bis 135 ml,entsprechend 0,1 bis 3 ,der Benzollösung zur Stabilisierung des Lösungsmittel
zugesetzt.
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Die nach den erfindungsgemäßen Verfahren gereinigten und stabilisierten
Äther (a) konnten unmittelbar für Grignard-Reaktionen, Reduktionen mit komplexen
Metallhydriden usw.
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verwendet werden. Die Reaktionen springen sofort an und verlaufen
ohne Schwierigkeiten; die gleichen Resultate wurden nach Lagerung des Lösungsmittels
für Zeiträume von einem Monat bis zu einem Jahr erhalten.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen aromatischen Kohle@@arserstoffe
(b) konnten für Claissen- und Dieckmann -Konderratich@@ nit Natriumb@arid mit ausgezeichnet@n
h@@ulisten
eingesetzt werden.
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Die so hergestellten Lösungsmittel können in den meisten Fällen ohne
weitere Verarbeitung eingesetzt werden, da in dem Fall der Verwendung von NaAlH2(OCH2CH2OCH3)2
dessen molare Konzentration nur 0,035 bis 0,0035 Mol je Liter beträgt. Die gleichen
Resultate wurden erhalten, wenn der Überschuß an NaAlHx(OR)4 x durch Reaktion mit
Jod- oder Bromlösung (1 bis 10 Mol des Halogens je Liter des zu säubernden Lösungsmittels)
entfernt wurde. Das Verfahren wird durchgeführt, indem die Halogenlösung unter Rühren
tropfenweise zugesetzt wird. Wenn der erste überschüssige Tropfen der Halogenlösung
seine charakteristische Farbe nicht mehr verliert, wird die Zugabe abgebrochen und
das Lösungsmittel sofort für die durchzuführende Synthese eingesetzt.
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Die gleichen Resultate werden erhalten, wenn das Lösungsmittel direkt
in das Reaktionsgefäß abdestilliert wird.
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Außer NaAlH2(OCH2CH2 OCH3)2 kann jedes der bereits erwähnten Reagenzien
in gleicher Weise und mit praktisch gleichen Resultaten benutzt werden.
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Wie bereits ausgeführt, ist für eine erfolgreiche Grignard-Reaktion
folgendes notwendig: a) vorherige Reinigung des Äthers, der immer mit Feuchtigkeit,
Alkoholen und/oder Peroxiden verunreinigt ist rund b) Aktivierung der Oberfläche
der Magnesiumspäne, die im allgemeinen mit einer dünnen Schicht aus Magnesiumoxid
bedeckt sind, die wiederum Wasser absorbiert.
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Es wurde nun festgestellt, daß sich beides, die Reinigung des äther
und die Aktivierung des Magnesiums,mit dem gleichen Reagenz durchführen läßt. Alle
Verunreinigungen im Äther und auf der Oberfläche der Magnesiumspäne können in inerte
Verbindungen durch die Zugabe kleiner Mengen eines der folgenden komplexen Hydride
überführt werden: NaAlH(OR)3(I) oder NaAlH2(OR)2 (II) in denen R eine R1O(CH2)n
Gruppe,R1O(CH2)nO(CH2)m- Gruppe
Gruppe, sowie R1 eine niedere Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen, R" eine niedere
Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen, n 2,3 oder 4 und m 2,3 oder 4 bedeuten.
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Diesen komplexen Hydride gehören zu der Gruppe der Verbindungen, die
auch zur Reinigung der aprotischen Lösungsmittel in dem erfindungsgemäßen
Verfahren
eingesetzt werden können.
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Die komplexen Hydride mit der Formel (I) und (II) sind fn Äther löslich.
Die Reaktionsprodukte dieser Hydride mit den im Äther enthaltenen Verunreinigungen
sind ebenfalls löslich.
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Daher bleiben Ätherlösungen nach Behandlung mit diesen Hydriden klar.
Überschüssige Mengen der komplexen Hydride (I) und (1-I) in Äther sind gegen Sauerstoff
stabil und daher ist auch keine inerte Atmosphäre für die Verwendung, Aufbewahrung
und den Umgang damit notwendig. Bei Berührung mit Magnesium reagieren die komplexen
Hydride rasch und quantitativ mit Spuren chemisch gebundener Feuchtigkeit, wobei
die Oberfläche der Metalle sauber und aktiv für Grignard-Reaktionen zurück bleibt.
Während beider Reaktionen, der Reinigung des Lösungsmittels und der Aktiverung der
Magnesiumoberfläche,wird Wasserstoff entwickelt. Das Aufhören der W«sserstoffentwicklung
zeigt an, daß ausreichende Mengen der komplexen Hydride (I) oder (II) zugesetzt
wurden, und daß die Aktivierung komplett ist. Beide Reaktionen können gleichzeitig
oder nacheinander durchgeführt werden. Daher ergeben sich zwei Einsatzmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Verfahrens, die beide ihre Vorteile aufweisen: a) Verwendung
eines frisch zubereiteten KataiysatorY Lösungsmittel-Systems. Dies wird zumeist
bei Vrfahren unter Verwandung von frischem Äther durchgeführt.
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b) Verwendung einer konzentrierten Äther - oder aromatischen Kohlenwasserstoff-Lösung
der komplexen Hydride (I) oder (II) zum Trocknen des ethers und Aktivieren des Magnesiums.
Dies Verfahren wird zumeist bei Mehrstufenverfahren unter Verwendung von zurückgewonnenem
Äther eingesetzt.
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Beide Hydride (I) und (11) sind in aromatischen Kohlenwasserstoffen
und Äthern löslich. Es können Lösungen mit einem Gehalt bis 80 ffi hergestellt werden,
die sicher und einfach zu verwenden sind. Die nicht vermeidbare Initiationsperiode
in einer damit durchgeführten Grignard-Synthese, die mit mit den Hydriden behandelten
Lösungsmitteln durchgeführt werden, ist signifikant kürzer und in jedem Fall verläuft
sie kontrolliert.
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Es können auch andere äther-lösliche Hydride eingesetzt werden wie
LiAlH4 und (i-C4H9)2AlH, aber sie haben die folgenden Nachteile: a) Sie sind selbst
entflammbar und während der Lagerung und dem Umgang mit dem Katalysator-Lösungsmittel-System
wird eine schützende Inertgasatmosphäre benötigt.
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b) Reaktionsprodukte dieser Hydride mit den im ether vohandenen Verunreinigungen
sind unlöslich und di.e damit behandelten Äther bleiben getrübt.
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Das für die Herstellung der Grignard-Reagenzien benötigte Katalysator-Lösungsmittel-System
kann durch einfaches Vermischen der äther-löslichen komplexen Hydride mit Äther
hergestellt werden. Die resultierende Lösung muß das Hydrid in Mengen enthalten,
die 0,005 bis 0,1 g aktivem Wasserstoff je Liter Äther äquivalent sind. Die völlige
Umsetzung der Hydride hängt von der insgesamt vorhandenen Menge an Verunreinigungen
im eingesetzten Äther ab. Klare-, gegen Sauerstoff stabile Lösungen können nur erhalten
werden bei Verwendung der komplexen Hydride (I) oder (II). Daher werden komplexe
Hydride mit einem niedrigen Molekulargewicht bevorzugt wie: NaAlH(OCh2CH2 OCH3)3
(III) Natrium- tris-(2-methoxy äthoxy)-aluminiumhydrid und NaAlH2(OCH2CH2 OCH3)2
(IV) Natrium- bis(2-methoxyäthoxy)-aluminiumhydrid.
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Die beiden Hydride stellen viskose Flüssigkeiten dar, die mit aromatischen
Kohlenwasserstoffen mischbar@sind. Die Verwendung erfolgt am besten in Form einer
70 %-igen Lösung in Benzol oder Toluol; Spuren aromatischer Lösungsmittel in irgendeinem
Äther haben keine negative Einwirkung auf die Grignard-Reaktion. Die beiden komplexen
Hydride (III) und (IV) unterscheiden sich in der Mischbarkeit mit ethern; NaAlH(OCH2CH2OCH3)5
ist mit allen Äthern vollständig mischbar, während NaAlH2(OCH2CH2OCH3)2
zur
Bildung metastabiler,in zwei Phasen auftrennender Lösungen neigt. Dabei ist die
untere Schicht hochkonzentriert und sehr viskos. Außerdem bildet NaAlH2( OCH2CH2OCH3)2
Ätherate geringer Löslichkeit mit bestimmten Äthern wie Dioxanen. Daher ist die
Verwendung von NaAlH(OCH2CH2OCH3)3 unbegrenzt, während der Einsatz von NaAlH2(OCH2CH2OCH3)2
beschränkt ist auf Tetrahydrofuran, CH3OCH2CH2OCH3, CH3OCH2CH2OCH2CH2OCH3 usw.
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Wie bereits ausgeführt, gibt es zwei Möglichkeiten das erfindungsgemäße
Verfahren einzusetzen, entweder als Katalysator-Lösungsmittel-System oder als Konzentrat
zum Starten der Grign,ard-Reaktion.
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Die beiden Möglichkeiten werden jetzt im einzelnen beschrieben: Katalysator-Lösungsmittel-System
Käuflicher, wasserfreier Diäthyläther wird in einen mit einem Gasausleitungsrohr
und Rührer ausgerüsteten Kolben eingebracht. Das Gasausleitungsrohr führt zu einer
transparenten mit leichtem Mineralöl gefüllter Gaswaschflasche. Das ätherlösliche
komplexe Hydrid wird dann, vorzugsweise in Form einer konzentrierten Lösung, langsam
unter Rühren in kleinen Mengen zugegeben. Die Entwicklung von Wasserstoffgas ist
in der Gaswaschflasche leicht zu verfolgen. Beendigung der Wasserstoffentwidlung
zeigt
an, daß eine vollständige Entfernung von Verbindungen mit aktivem Wasserstoff wie
Feuchtigkeit und Alkohole und von Peroxiden stattgefunden hat. Dann wird eine zusätzliche
Menge des Hydrids zugegeben, um ungefahr 0,005 bis 0,1 g der Verbindung je Liter
des Katalysator-Lösungsmittel-Systems zur Reduzierung von Wasserstoff zu erreichen.
Das Lösungsmittel ist dann einsatzbereit für Grignard-Reaktionen. Magnesiumspäne
und das Katalysator-Lösungsmittel-Gemisch werden in ein übliches Xeaktionsgefäß
überführt, das mit einer mit leichten Mineralöl gefüllte Gaswaschflasche verbunden
ist. Die Mischung wird dann bis zum Siedepunkt erhitzt und solange ani Rückfluß
gehalten, wie sich Wassersto.ff entwickelt, im allgemeinen nicht länger als 5 Minuten.
Nach Beendigung der Wasserstoffentwicklung kann das organische Halid entweder unverdünnt
oder in Lösung zugegeben werden. Die Grignard-Reaktion springt nach einer wesentlich
kürzeren Induktionsperiode an als bei den üblichen Methoden. Die Induktionsperode
fUr organische Bromide und Iodide liegt unter einer Minute. Die wesentlich weniger
reaktionsfähigen organischen Chloride benötigen längere Induktionsperioden, im allgemeinen
aber nicht länger als 20. Minuten.
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Reaktion mit Konzentrat Magnesiumspäne und Äther werden in ein übliches
Reaktionsgefäß eingebracht, das mit einer Gaswaschflasche verbunden ist1 rund die
Mischung wird zum Sieden erhitzt. Dann wird ein lösliches komplexes Hydrid, vorzugsweise
als konzentrierte Lösung langsam in die siedende Mischung in kleinen Anteilen eingegeben,
so lange bis die WasserstOffentwicklung aufhört.
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Dann kann der Zusatz des organischen Halids in üblicher Weise beginnen.
Die Resultate bei beiden Verfahren sind praktisch gleich Der Zeitbedarf bei Verwendung
des Konzentrats ist allerdings größer, da die Trocknungsperiode für das Lösungsmittel
länger dauert, ungefähr 20 Minuten, als die Aktivierung der Magnesiumspäne (weniger
als 5 Minuten).
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Die folgenden Beispiele zeigen die Herstellung eines gereinigten Lösungsmittels
und dessen Verwendung zur Herstellung von Grignard-Reagenzien.
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Beispiel 2 Herstellung des Katalysator- Lösungsmittel-Systems In
einen mit Tropftrichter>Magnetrührer und mit leichtem Mineralöl gefüllter Gaswaschflasche
versehenen 5-Liter-Kolben werden 3 Liter des handelsüblichen wasserfreien Diäthyläthers
eingegeben.
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Die Jeweilige Lösung der komplexen Hydride wird dann langsam in den
in Tabelle 1 aufgeführten Mengen zugegeben und das Lösungsmittel wird gerührt. bis
die Wasserstoffentwicklung aufhört (10 bis 20 Minuten). Proben der so hergestellten
Lösungsmittel werden auf ihren Gehalt an reduzierenden Wasserstoffverbindungen durch
jodometrische Titration untersucht.
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Tabelle 1 Herstellung des Katalysator-Lösungsmittel-Systems Beispiel
Lösungs Hydrid Gehalt an aktivem H 2 mittel in g/l a (C2H5)20 NaAlH(OCH2CH2OCH3)3
0,021 90cc einer 27% Benzol lösung b (C2H5)2O LiAlH - 5cc einer 0,02) 30% Lösung
in THF c (C2H5)2O (i-C4H9)2AlH- 100cc 0,039 einer 20% Toluollösung d Tetrahydro-
NaAlH2(OCH2CH2OCH3)2- 0,042 furan (THF) 60cc einer 70%Benzollösung e THF NaAlH2(OCH2CH2OC4H9)2
0,035 75 cc einer 50% Toluollösung f CH3OCH2CH2- NaAlH2(OCH2CH2CH2CH2- 0,033 OCH3
OCH3)2 -60cc einer 50% Glycoldimetylätherlösung g CH3OCH2CH2- NaAlH2[OCH2CH2N(CH3)2]2
0,031 OCH2CH2OCH3 50cc einer 70% Benzol lösung h (C4H9)2O NaAlH(OCH2CH20C113)3-
0,027 I3Occ einer 70% Benzollösung
Beispiel 3 Herstellung des Grignard-Reagenz
5,3 g (0,22 g-Atom) Magnesiumspäne und 130 ccm des nach Beispiel 1 hergestellten
Katalysator-Lösungsmittel-Gemisches wurden in einen 500 ml Drethalskolben mit Rührer,
Tropftrichter und Rückflußkühler, angeschlossen an eine mit 1 gefüllte Gaswaschflasche,
eingegeben. Die Suspension wurde 5 Minuten zum RUckfluß-erhitzt und dann mit 0,2
Mol einer organischen mit weiteren 70 ccm des Katalysator-Lösungsmittel-Gemisches
verdünnten Halogenverbindung tropfenweise versetzt. Der erste Anteil der Halogenidmischunglungefähr
10 % des Gesamtvolumens, wurde auf einmal zugegeben und der Rest nach der Induktionsperiode
tropfenweise. Am Ende der Induktionsperiode wird die Lösung meist trübe und die
Reak.tion beginnt exotherm zu werden. Die Mischung wurde dann am RUckfluß gehalten,
bis die Reaktion beendet war und dann argento -metrisch analysiert. Die Resultate
sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
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Tabelle 2 Synthese von Grignard-Reagenzien Beispiel Organisches Lösungs-
Induktions- Reaktions Aus-Halid mittel periode Min. dauer beute s.Tabelle 1 in h
% a n-C4H9Cl la 15 min. 2 h 90% b n-C4H9Cl le 8 min. 2 h c n-C4H9Br la 41 min. 1
h 94% d n-C4H9I la <l min. 3/4h 91%
| cl |
| e 3CII2C}I CH3 la 3 mino 1 h 90% |
f C6H5Br la <l min. 1 h 93% g t-C4H9-CH2Cl ld 20 inin. 3 h 87% h C6H5CH2Cl If
15 min. 2 h 850 i n-CU9C1 Ih 5 min 1 h j C2H5Br lb <1 min. 1/2h 92% k i-C3H7Cl
lc 2 min. 2 h l n-C4H9Br lg <1 min. 1/2h 89% m 2-C5H5NBr lc 10 min. 5 h 84% Beispiel
4 Grignard-Synthese Die Grignard-Reagenzien RMgX wurden wie in Beispiel 3 hergestellt.
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Dann wurden 0,2 Mol einer Carbonylverbindung in 100 ccm sicher zugegeben
und die Mischung einer weiteren Stunde am Rückfluß gehalte Die Mischung wurde anschließend
auf Raumtemperatur abgekühlt und mit 25 ml Wasser hydrolysiert. Die Produktidentifizierung
und Ausbeuteabschätzung wurde in der klaren Lösung mit Gasflüssigkeitschromatographie
vorgenommen. Die erhaltenen Resultate sind
in Tabelle 3 aufgeführt.
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Tabelle 3 Grignard-Synthese Beispiel 4 Grignard Reagenz Carbonylver-
Reaktionsbindung produkt
| von |
| b n-C4H9MgCl la CH,SCOC2H, -C2H5 |
| C4H9 |
| 87 % |
| 011 |
| b C6H5MgBr la C6H5COCH3 C g 5-C-CH |
| 1- |
| c6115 |
| 78 % |
| c i-CnH7MgCl lc C6H13CH0 C6H1;C'HOH |
| 1C3H7 |
Beispiel 5 Das Grignard-Reagenz RMgX wurde wie in Beispiel 3 beschrieben hergestellt.
Dann wurden 0,2 Mol einer Carboxylverbindung in 100 ml Äther zugesetzt. Die Reaktionsmischung
wurde für eine weitere Stunde am Rückfluß gehalten, hydrolysiert und wie in Beispiel
4 analysie-' Die erhaltenen Resultate sind in Tabelle 4 aufgefWirt.
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Tabelle 4 Grignard-Synthese Beispiel Grignard-Reagenz Carboxylver-
Reaktionsprobindung dukt
| OH |
| a n-C4H9MgCl la CH3COOC2H5 OH |
| 3-C-04H9 |
| 1 |
| 86 % |
b C6H5MgBr lf C6H5COCl (C6H5)3COH 74 % Beispiel 6 5,3 g (0,22 g-Atom) Magnesiumspäne
und 130 ml Lösungsmittel wurden entsprechend Beispiel 3 behandelt. Die Mischung
wurde zum Rückfluß erhitzt und die Lösung eines komplexen Hydrides tropfenweise
zugegeben, bis die Wasserstoffentwicklung aufhörte. Dann wurden 0,2 Mol eines organischen
Halids in 70 ml Lösungsmittel zugefügt und weiter entsprechend Beispiel 3 verarbeitet.
le Ausbeuten wurden durch argentonletrische Titration bestimmt. Die Resultate sind
in Tabelle 5 aufgeführt.
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Tabelle 5 Darstellung von Grignard-Reagenzien Beispiel Organisches
Lösungs- Hydrid Reaktions- Aus-6 Halid mittel dauer in beute h a nC4H9Cl (C2H5)2O
NaAlH(OCH2- 3 h 87 % 70%Benzollösung b C6H5Br THF NaAlH2(OCH2- 1 1/2 h 89 % CH2
OCH3)2 70%Toluollösung @ C2H5Br (C2H5)2O LiAlH4 1 1/4 h 90 % 30 % Lösung in THF