DE4101737A1 - Verfahren zur herstellung von olefinischen verbindungen aus carbonyl-verbindungen und diazoalkanen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von olefinischen verbindungen aus carbonyl-verbindungen und diazoalkanenInfo
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Description
Olefine gehören zu den wichtigsten industriellen Groß- und
Feinchemikalien. Sie können aus einer Vielzahl
unterschiedlicher Vorstufen hergestellt werden. Abgesehen
von den olefinischen Grundchemikalien wie Äthylen,
Propylen, iso-Butylen sind Olefine als Zwischenprodukte für
die Herstellung von Verbindungen mit komplizierterer
Struktur für eine Vielzahl spezieller Anwendungen (z. B.
Naturstoffchemie, Riechstoffchemie) ganz besonders wichtig.
Unter den gezielten Aufbaureaktionen für Olefine hat sich
die sogenannte Wittig-Reaktion deshalb einen besonderen
Stellenwert erobert, weil sie es ermöglicht, olefinische
Bindungen durch Kombinationen zweier voneinander zunächst
unabhängiger Alkyliden-Vorstufen zu erzeugen, und zwar aus
Aldehyden oder Ketonen und aus Phosphoryliden gemäß
nachfolgendem Schema I; aus diesem Grund wird die Reaktion
Carbonyl-Olefinierung genannt.
Die Wittig-Reaktion und einige ihrer Varianten (Römpp's
Chemie-Lexikon, 8. Aufl., Bd. 6, S. 4666-7, Franckh'sche
Verlagshandlung, Stuttgart 1988, und die dort zitierte
Literatur) werden sogar in der technischen Naturstoffchemie
zum Aufbau von Vitamin A und Carotinoiden, von Vitamin D
sowie zur Herstellung verschiedener Riechstoff-Komponenten
und von Pheromonen (Insektenlockstoff) genutzt.
Methodisch handelt es sich bei der Wittig-Reaktion um eine
stöchiometrische Metathesereaktion, bei der zwischen zwei
Reaktanden (Ylid und Keton) ein wechselseitiger
Gruppenaustausch stattfindet. Die Wittig-Reaktion und
einige ihrer Varianten leiden aber darunter, daß viele
Phosphorylid-Derivate nicht oder nur schwierig zugänglich
sind oder mit der erforderlichen Carbonyl-Komponente nicht
oder nicht in erwünschter Weise reagieren (B. Trost, Top.
Curr. Chem., Bd. 133 (1986), S. 13-28).
Als organometallische Variante der Phosphorylide für die
Wittig-Reaktion ist das sogenannte Tebbe-Reagens, eine
titanorganische Verbindung, verwendet worden, das gewisse
Nachteile der Phosphorylide hinsichtlich ihrer Reaktivität
nicht hat. Es ist aber sehr luft- und wasserempfindlich und
kann außerdem mit den entstandenen Olefinen unter
Cyclopropanierung weiterreagieren. Es wird deshalb für
Carbonyl-Olefinierungen sehr selten eingesetzt, zumal es in
stöchiometrischen Mengen zugesetzt werden muß (K.A. Brown-
Wensley, S.L. Buchwald, L.F. Cannizzo, L. Clawson, S. Ho,
D. Meinhardt, J.R. Stille, D. Straus und R.H. Grubbs,
Pure Appl. Chem., Bd. 55 (1983), 1733-37; L.F. Cannizzo
und R.H. Grubbs, J. Org. Chem., Bd. 50 (1985), 2316-17.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung
von olefinisch-ungesättigten Verbindungen (Carbonyl-
Olefinierung) zu finden, das einer Phosphorylid-Komponente
nicht mehr bedarf und die Verwendung einer anderen
Stoffklasse als Alkyliden-Baustein ermöglicht, die
konstitutionell möglichst breit variierbar ist.
Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Carbonylverbindung O=CR¹R² (I), also ein Aldehyd oder ein
Keton, mit einer offenkettigen oder cyclischen, gesättigten
oder ungesättigten Diazoverbindung der Formel N₂=CR³R⁴ (II),
in der die Diazogruppe an ein nichtaromatisches C-Atom
gebunden ist (im folgenden auch als Diazoalkane
bezeichnet), in Gegenwart eines tertiären Phosphans
unter Zusatz einer katalytischen Menge eines
Organorheniumoxids der Formel R⁵aRebOc (III), wie weiter
unten definiert, in einem organischen Lösungsmittel
umgesetzt wird. Dies geschieht nach folgendem Schema II.
worin ein tertiäres Phosphan ist. Man erhält so aus
Aldehyden selektiv die Olefine der Formel R¹HC=CR³R⁴ bzw.
aus Ketonen Olefine der Formel R¹R²C=CR³R⁴. Geht man von
Formaldehyd aus, sind R¹ und R²=H, so daß Verbindungen mit
endständiger Doppelbindung (alpha-olefinische Verbindungen)
erhalten werden. Bei solchen Reaktionen wird der Stickstoff
aus dem Diazoalkan in elementarer Form abgespalten;
außerdem entsteht das jeweilige Oxid des tertiären
Phosphans, z. B. Triphenylphosphanoxid aus
Triphenylphosphan.
Als Carbonylverbindungen I kommen z. B. solche in Betracht,
in denen R¹ und R² zusammen bis zu 20 C-Atome, vorzugsweise
bis zu 12 C-Atome haben. R¹ ist z. B. Wasserstoff, ein
nicht-aromatischer Kohlenwasserstoffrest, vorteilhaft mit
bis zu 10 C-Atomen wie Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Cycloalkyl,
Cycloalkenyl, Cycloalkinyl, wobei alle diese Substituenten
auch mehrere, z. B. bis zu 3, Mehrfachbindungen und/oder
einen oder mehrere aromatische Reste mit 6 bis 13 C-Atomen
als Substituenten enthalten können. R¹ kann auch ein
aromatischer oder heterocyclischer, insbesondere
heteroaromatischer Rest mit Stickstoff und/oder Sauerstoff
als Heteroatom sein. Geeignete Reste sind z. B. Methyl,
Äthyl, die verschiedenen Propyl-, Butyl-, Pentyl-, Hexyl-,
Octyl- und Decylreste, Vinyl, Allyl, Butenyl, Phenyl,
Tolyl, Xylyl, Pyridyl, Pyrryl, Piperidyl und
Tetrahydrofuryl. Bezüglich weiterer Substituenten wie
Halogen, z. B. Fluor, Chlor oder Brom, in den Resten R¹ und
R² bestehen keine Beschränkungen. So können Aldehyde der
Aromatenreihe, insbesondere mit R¹=Phenyl, 1- und
2-Naphthyl, Fluorenyl, an beliebigen Positionen mit
elektronenschiebenden Substituenten, wie Aminogruppen, Alkyl
und Alkoxy mit z. B. jeweils bis zu 4, insbesondere bis zu
2 C-Atomen, und elektronenziehenden Substituenten wie
Halogenen, z. B. Fluor, Chlor, Brom, Jod, Nitro- oder
Trifluormethylgruppen versehen sein. Bei Verwendung von
Formaldehyd (R¹=R²=H) wird eine CH₂-Baugruppe in das zu
synthetisierende Olefin eingebracht. Ähnlich breit
variierbar sind die Substituenten R², wenn man von Ketonen
ausgeht, wobei R¹ und R² gleich oder verschieden sein
können. Abgesehen davon, daß R² die für R¹ angegebene
Bedeutung haben kann, besteht hier zusätzlich die
Möglichkeit der Cyclisierung zwischen R¹ und R². So sind die
gespannten Cycloketone Cyclopropanon, Cyclobutanon und
Cyclopentanon durch eine besondere Reaktivität im
erfindungsgemäßen Verfahren gekennzeichnet, ebenso cyclische
Lactone wie beta-Propio- und gamma-Butyrolacton (Tabelle 2).
Die Cycloalkanone können z. B. bis zu 18 Ringglieder
aufweisen; außerdem können sie ein- und mehrfach olefinisch
und/oder acetylenisch ungesättigt sein.
In den Diazokomponenten N₂=CR³R⁴ können die Gruppen R³ und
R⁴ gleich- oder ungleichartig sein. Geeignete Reste sind
z. B. H, Kohlenwasserstoffreste, die bis zu zwei nichtkumulierte
Doppelbindungen oder bis zu einer Dreifachbindung
und bis zu 10 C-Atome haben, also Alkyl, Alkenyl, Alkinyl,
Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Cycloalkinyl, Aryl, Aralkyl,
Aralkenyl, ein heterocyclischer Rest mit Stickstoff und/oder
Sauerstoff als Heteroatomen, insbesondere Heteroaryl, COR⁶,
COOR⁶, worin R⁶ H oder ein Kohlenwasserstoffrest ist, der
vorteilhaft frei von aliphatischen Mehrfachbindungen ist,
wie Alkyl, Aralkyl und der z. B. bis zu 7, vorzugsweise bis
zu 4 C-Atome hat. Einer der Reste R³ und R⁴ kann auch NO₂
oder Si(CH₃)₃ bedeuten, und auch R⁶ kann den
Trimethylsilylrest darstellen. R³ und R⁴ können auch
Halogen, NO₂ und/oder CF₃ als nicht-reaktiven
Substituenten enthalten.
Außerdem kann zwischen den Gruppen R³ und R⁴ eine
Cyclisierung vorliegen, wofür das Diazocyclobutan (R³/R⁴=
CH₂CH₂CH₂) und das Diazocyclopentadien (R³/R⁴=CH=CH-CH=CH)
sowie dessen ringssubstituierte Derivate (z. B.
Tetrabromdiazocyclopentadien, N₂=C₅Br₄), das 1-Diazo-
2,5-cyclopentandion und das 1-Diazo-2,6-cyclohexandion
typische Beispiele sind. Geeignete Diazokomponenten sind
z. B. Diazomethan, die verschiedenen Diazoessigsäure- und
-malonsäureester, wie die Äthylester, und die in den
Beispielen 29-34 verwendeten Verbindungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem dann sehr
vorteilhaft, wenn man handelsübliche Diazoalkane einsetzen
kann, was beim unzersetzt destillierbaren Diazoessigsäureäthylester
(R³=H, R⁴=CO₂C₂H₅) der Fall ist.
Als Katalysatoren haben sich überraschend
Komplexverbindungen der Formel R⁵ReO₃ und einige seiner
Derivate mit Rhenium in hohen Oxidationsstufen erwiesen.
In der Formel R⁵aRebOc (III) sind a 1 bis 6, b 1 bis 4 und
c 1 bis 14, und die Summe von a, b und c ist so, daß sie der
5- bis 7-Wertigkeit des Rheniums gerecht wird mit der
Maßgabe, daß c nicht größer als 3·b ist; R⁵ kann gleich
oder verschieden sein, und zwar einen nicht-aromatischen
Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 10 C-Atomen oder Aralkyl
mit 7 bis 9 C-Atomen darstellen, wobei R⁵ wenigstens
teilweise fluoriert sein kann, die Verbindungen nicht mehr
als drei Gruppen mit mehr als 6 C-Atomen je Rheniumatom
enthalten und an das C-Atom in alpha-Stellung noch
wenigstens ein Wasserstoffatom gebunden ist.
In der Formel III gedeutet R⁵ als Aralkyl z. B. Benzyl und
als nicht-aromatischer Kohlenwasserstoffrest Alkyl mit
1 bis 10 C-Atomen oder Cycloalkyl mit 5 bis 10 C-Atomen.
Geeignet sind Alkylreste wie Methyl, Äthyl, Propyl,
Isopropyl und die verschiedenen Butyl-, Pentyl-, Hexyl-,
Octylreste wie Äthylhexyl- und Decylreste; geeignet sind
auch Cycloalkylreste wie Cyclopentyl, Cyclohexyl,
alkyliertes Cyclohexyl wie hydriertes Toluyl, Xylyl,
Äthylphenyl, Cumyl oder Cymyl und 1-Norbornyl. Methyl ist
besonders bevorzugt.
Die Begriffe Alkyl und Cycloalkyl beinhalten naturgemäß,
daß die Gruppen keine Mehrfachbindungen enthalten.
R⁵ kann wenigstens teilweise fluoriert sein. Zweckmäßig
enthalten die Verbindungen nur höchstens eine Gruppe mit
mehr als 6 C-Atomen je Rheniumatom.
Insbesondere ist das sehr einfach und in großen Mengen
zugängliche, lagerfähige Methylrheniumtrioxid der Formel
CH₃ReO₃ geeignet. Beispiele von Verbindungen mit mehr als
einem Rheniumatom sind die Komplexe (CH₃)₄Re₂O₄ und
(CH₃)₆Re₂O₃ des sechswertigen Rheniums sowie die Verbindung
(CH₃)₃ReO₂ des siebenwertigen Rheniums. Da die
letztgenannten Verbindungen aber aus dem fortan
"Standardkatalysator" genannten System CH₃ReO₃ hergestellt
werden müssen, kommt ihnen in der Normalausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens nur untergeordnete Bedeutung
zu. R⁵ kann auch die Pentamethylcyclopentadienyl-Gruppe
C₅(CH₃)₅ bedeuten (Beispiele 24-28).
Für das erfindungsgemäße Verfahren kommen inerte organische
Lösungsmittel in Betracht wie Benzol, Toluol, Diäthyläther,
Tetrahydrofuran, Methylenchlorid, Chloroform, Dioxan. Dabei
kommt es lediglich darauf an, daß in dem gewählten
Lösungsmittel der Aldehyd bzw. das Keton sowie das
Diazoalkan und der Katalysator in ausreichendem Maße
löslich sind und daß die erforderliche Reaktionstemperatur
erreicht wird.
Die Reaktionstemperaturen liegen je nach der Natur des
Aldehyds, Ketons und Diazoalkans im Bereich von -30 bis
+120°C, vorzugsweise von 35 bis 85°C. Der Einfachheit
halber wählt man den Siedepunkt des jeweiligen
Lösungsmittels als Reaktionstemperatur.
Die Reaktionsgeschwindigkeit wird im allgemeinen erhöht,
wenn sich in einer der beiden Komponenten I und II
elektronenziehende Substituenten befinden.
Das verwendete tertiäre Phosphan kann, muß aber nicht, im
gewählten Lösungsmittel löslich sein. Aromatische Phosphane
sind bevorzugt. In der Regel wird man aus Kostengründen
handelsübliches, billiges Triphenylphosphan als
Reduktionsmittel verwenden. Führt man das Verfahren in
wäßriger Suspension durch - eine Variante, die in bezug auf
die Abtrennung der olefinischen Produkte besondere Vorteile
erbringen kann -, dann kann auch sulfoniertes
Triphenylphosphan der Formel (P(C₆H₄-m-SO₃Na)₃ Verwendung
finden. In speziellen Fällen kann die Verwendung der
stärker reduzierenden Trialkylphosphane, insbesondere
Tricyclohexylphosphan oder Trimethylphosphan, angezeigt
sein.
Die Abtrennung des entstandenen Phosphanoxids nach
Reaktionsende wird erleichtert, wenn man ein Phosphan
verwendet, das an ein Polymeres gebunden ist, das in allen
für die erfindungsgemäße Carbonyl-Olefinierung geeigneten
Lösungsmitteln unlöslich ist; hier bietet sich insbesondere
das handelsübliche "polymer-fixierte Triphenylphosphan" an
(z. B. Firma Aldrich Nr. 24, 814-2). Auch in diesem Fall
kann man in wäßriger Suspension arbeiten. Das entstandene
polymergebundene Phosphanoxid kann dann nach dem Ende der
Reaktion auf einfache Weise abfiltriert, gewaschen und nach
üblichen Verfahren regeneriert werden.
Der rheniumhaltige Katalysator wird gewöhnlich in einer
Menge von 0,01-50 mmol auf 1 Mol der Carbonyl-Komponente
eingesetzt, vorzugsweise 1-15 mmol. Durch geeignete Wahl
der Gruppen R⁵ im Katalysator kann die Stereochemie (cis/
trans-Isomerie) des entstehenden Olefins innerhalb weiter
Grenzen beeinflußt werden. In der Regel führen räumlich
anspruchsvolle Gruppen R⁵, insbesondere
Pentamethylcyclopentadienyl, ausschließlich oder nahezu
ausschließlich zu den trans-isomeren Olefinen, während
kleine Gruppen, insbesondere R⁵=Methyl, die Bildung
höherer Anteile der cis-Isomeren bewirken.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung von Olefinen liegen in der großen
Variierbarkeit der Substituenten R¹ bis R⁴, in der Luft-,
Wasser- und Temperaturbeständigkeit der rheniumhaltigen
Katalysatoren, in den milden Reaktionsbedingungen, in der
Möglichkeit, bestimmte stereochemische Konfigurationen in
Abhängigkeit von der Konstitution der Katalysatoren zu
erhalten sowie in der leichten Zugänglichkeit aller
Reaktionskomponenten. Die erforderlichen Diazoalkane sind
zwar nur in Ausnahmefällen im Handel erhältlich, können
aber nach einer Vielzahl von Methoden aus
unterschiedlichen, zumeist wohlfeilen Vorstufen hergestellt
werden. Es ist außerdem ein Vorteil, daß die
erfindungsgemäß verwendeten Katalysatoren gegen Wasser
völlig stabil sind, so daß das erfindungsgemäße Verfahren
besonderer Vorsichtsmaßnahmen bezüglich der Verwendung
wasserfreier Lösungsmittel nicht bedarf. Wie oben
ausgeführt, kann es sogar vorteilhaft sein, in Wasser oder
in einem Zweiphasensystem aus organischer Phase und Wasser
zu arbeiten, wenn dadurch aufgrund der
Löslichkeitsverhältnisse von Reaktanden und
Reaktionsprodukten die Abtrennung der Produkte erleichtert
wird.
Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Chemoselektivität
des Verfahrens: Es erfolgt nur eine Umsetzung an einer
Carbonylgruppe, während an zusätzlichen im Molekül
befindlichen ungesättigten Funktionen, z. B. olefinischen
und acetylenischen Mehrfachbindungen, Nitrilen,
Carbonsäureestern und heteroatomhaltigen Funktionen, keine
Reaktionen stattfinden.
Die katalytische Eignung der genannten Organorheniumoxide
für das erfindungsgemäße Verfahren war insofern
überraschend, als sich Diazoalkane an elektronisch und
koordinativ ungesättigten Metallkomplexen für gewöhnlich
unter Stickstoff-Eliminierung zersetzen, ohne sich selbst
oder ihre Alkyliden-Teilstruktur auf Carbonyl-Gruppen zu
übertragen. Typisch für die Chemie der Diazoalkane ist
vielmehr die thermische, photochemische oder
metallkatalysierte Cyclopropanierung, d. h. die Übertragung
der Alkyliden-Teilstruktur auf olefinische Doppelbindungen.
Was die relative Reaktivität angeht, so erfolgen im
erfindungsgemäßen Verfahren Umsetzungen mit Aldehyden
wesentlich rascher als jene mit offenkettigen Ketonen;
ringgespannte cyclische Ketone nehmen eine Zwischenstellung
ein.
6,30 ml (60 mmol) Diazoessigsäure-äthylester wurden langsam
in eine benzolische Lösung (ca. 120 ml) von 9,06 g (60 mmol)
p-Nitrobenzaldehyd, 15,8 g (60,2 mmol) Triphenylphosphan
und 150 mg (1,0 mmol) Methylrheniumoxid unter Rühren
getropft. Die Reaktionslösung wurde 4 h bei Raumtemperatur
gerührt. Nach der Entfernung der flüchtigen Anteile im
Vakuum einer Ölpumpe wurde der erhaltene Rückstand an einer
Kieselgel-Säule (Kieselgel 60; 0,063 bis 0,200 mm,
Fa. Merck) chromatographiert, wobei man ein Gemisch aus
n-Hexan und Äthylacetat in schrittweise variierenden
Volumenverhältnissen (8 : 1 am Anfang bis 4 : 1 am Ende der
Chromatographie) verwendete. Das entstehende Olefin
isolierte man in farblosen, nadelförmigen Kristallen durch
Eindampfen des Eluats im Vakuum einer Ölpumpe. Das Ergebnis
ist zusammen mit den Ergebnissen, die bei veränderten
Parametern erhalten wurden, in Tabelle 1 (Beispiele 2-34)
unter Angabe der Reaktionsbedingungen aufgeführt. In allen
Fällen wurde Triphenylphosphan als Reduktionsmittel
verwendet. Die Aufarbeitung erfolgte analog.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von olefinisch ungesättigten
Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß man eine
Carbonylverbindung der Formel O=CR¹R² (I) mit einer
Diazoverbindung der Formel N₂=CR³R⁴ (II), in der die
Diazogruppe an ein nicht-aromatisches C-Atom gebunden ist,
in Gegenwart einer tertiären Phosphanverbindung und einer
katalytischen Menge eines Organorheniumoxids der
allgemeinen Formel R⁵aRebOc (III) in einem organischen
Lösungsmittel umsetzt, wobei R¹ bis R⁴ Wasserstoff,
Kohlenwasserstoffreste oder heterocyclische Reste sind, die
ggfs. substituiert sind, R³ und R⁴ auch COR⁶ und COOR⁶ sein
können, worin R⁶H, Trimethylsilyl oder ein
Kohlenwasserstoffrest ist und einer der Reste R³ und R⁴ auch
NO² oder Trimethylsilyl sein kann, wobei R³ und R⁴ zusammen
mit dem aliphatischen C-Atom auch einen Ring bilden können,
und worin in der Formel III R⁵ einen nicht-aromatischen
Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 10 C-Atomen oder Aralkyl
mit 7 bis 9 C-Atomen darstellt und wenigstens teilweise
fluoriert sein kann, die Verbindungen nicht mehr als drei
Gruppen mit mehr als 6 C-Atomen je Rheniumatom enthalten
und an das C-Atom in alpha-Stellung noch wenigstens ein
Wasserstoffatom gebunden ist und a 1 bis 6, b 1 bis 4 und
c 1 bis 14 sind und die Summe von a, b und c so ist, daß
sie der 5- bis 7-Wertigkeit des Rheniums gerecht wird mit
der Maßgabe, daß c nicht größer als 3·b ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
R¹ und R² zusammen bis zu 20, vorzugsweise bis zu 12 C-Atome
haben, wobei vorteilhaft jeder der Reste R¹ und R² nicht
mehr als 10 C-Atome enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Reste R¹ und R²
Wasserstoff ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion bei
-30 bis +120°C, vorzugsweise bei 35 bis 85°C durchgeführt
wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einem Polymeren
fixiertes Triphenylphosphan oder ein sulfoniertes
Triphenylphosphan verwendet und vorteilhaft in wäßriger
Suspension gearbeitet wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rheniumhaltige
Katalysator III in einer Menge von 0,01 bis 50 mMol,
vorzugsweise 1 bis 15 mMol, je Mol der Verbindung I
angewendet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rheniumkatalysator III
CH₃ReO₃ ist.
8. Verwendung von Rheniumverbindungen der Formel
R⁵aRebOc (III), wie in Anspruch 1 definiert, als
Katalysatoren für die Herstellung von olefinischen
Verbindungen aus Carbonylverbindungen und
Diazoverbindungen.
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