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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung
einer Aryletherverbindung und insbesondere ein den Umweltschutz
berücksichtigendes
Verfahren zur Herstellung eines Arylethers in gasförmigem oder
superkritischem Kohlendioxid.
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Hintergrund der Erfindung
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Auf
dem Gebiet der herkömmlichen
Chemie besteht ein übliches
Ziel darin, nützliche
Substanzen auf den Markt zu bringen. Bei der Erreichung dieses Ziels
achtet man darauf, die Erzeugung von Nebenprodukten zu verringern.
Da jedoch bisher aber eine richtige Bewertung der Nebenprodukte
in biologischer Hinsicht nicht in ausreichender Weise vorgenommen
wurde, wurden zahlreiche Nebenprodukte, die für die Umgebung unter biologischen
Gesichtspunkten schädlich
sind, an die natürliche
Umgebung abgegeben.
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Unter
den vorerwähnten
Umständen
wird vom sorgsamen Betrachter, der ein echtes Interesse für die Natur
hat, die Veränderung
der Lebensumstände
von lebenden Organismen wahrgenommen, wobei er zahlreiche Substanzen
erkennt, die für
derartige Veränderungen
verantwortlich sind. Dies bedeutet, dass sich allmählich grundlegende Änderungen
in der Beurteilung von chemischen Produkten ergeben.
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Dies
bedeutet, dass bei der Entwicklung von Techniken zur Herstellung
von unschädlichen
Substanzen oder zur Entfernung der vorerwähnten chemischen Substanzen
mit negativen Auswirkungen oder bei Verfahren zur Herstellung von
nützlichen
bekannten Substanzen die Entwicklung zunehmend dahin geht, Produkte,
die umweltfreundlich sind, oder Produkte, die biologische Materialien
nachahmen, herzustellen.
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Bei
dieser Sachlage wurden auf dem Gebiet der synthetischen Chemie Anstrengungen
gemacht, Syntheseverfahren zu konzipieren, bei denen keine Abfallprodukte
oder Nebenprodukte entstehen. Ferner trägt man für den Fall, dass Nebenprodukte
entstehen, Sorge, dass der Einfluss der Nebenprodukte auf lebende Organismen
auf ein Minimum beschränkt
wird. Ferner ist es erforderlich, als Substanzen zur Verwendung
in einem synthetischen Verfahren solche Substanzen zu verwenden,
mit denen es nicht leicht zu chemischen Unfällen kommt. Angesichts dieser
Umstände
hat man erkannt, dass bei Synthesereaktionen Kohlendioxid, das unschädlich und
unbrennbar ist, und insbesondere superkritisches Kohlendioxid, das
einen Zwischenstatus zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit
hat, ein reaktives Medium für
eine Umsetzung darstellt, die die vorerwähnten, von der Gesellschaft
gestellten Anforderungen erfüllt.
Diesbezüglich
werden neue Reaktionsverfahren entwickelt.
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Unter
Berücksichtigung
der vorerwähnten
Umstände
hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung bei der Synthese von
Urethan bereits ein Verfahren zur Umsetzung eines Amins und eines
Alkylhalogenids in superkritischem Kohlendioxid in Gegenwart einer
Base und eines Oniumsalzes vorgeschlagen (Chem. Commun., (2000),
S. 151), wobei dieses Verfahren Ähnlichkeit
mit den erfindungsgemäßen Synthesebedingungen für einen
Arylether hat.
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Bei
der Veretherungsreaktion von Phenolen wurde das nachstehend angegebene
Verfahren in der japanischen Offenlegungsschrift 11-236344 (veröffentlicht
am 31. August 1999) beschrieben. Dabei werden eine aromatische Verbindung,
die mindestens eine Hydroxylgruppe an einem aromatischen Ring aufweist
und eine Carboxylgruppe und/oder eine Hydrocarbyloxycarbonylgruppe
aufweisen kann, und ein niederer Alkohol als Ausgangsmaterialien
verwendet. Ein Verfahren zur Herstellung eines Hydrocarbylethers
der aromatischen Verbindung durch Ersetzen eines Wasserstoffatoms
einer Hydroxylgruppe am aromatischen Ring der aromatischen Verbindung
durch eine Hydrocarbylgruppe eines niederen Alkohols wird beschrieben.
Dabei wird ein Verfahren zur Umsetzung dieser Verbindungen in einem
Zustand, bei dem mindestens eine der Carbonsäuren einen superkritischen
Zustand erreicht, in Gegenwart der aromatischen Verbindung, des
niederen Alkohols oder der Carbonsäure beschrieben. Bei diesem
Verfahren wird Kohlendioxid als inertes Medium zusammen mit Argon
und Methan verwendet, jedoch ist eine Reaktionstemperatur erforderlich,
die über
der kritischen Temperatur des niederen Alkohols liegt, und die Ausbeute
des Reaktionsprodukts übersteigt
50 % nicht. Da ferner die Ausgangsmaterialien von den erfindungsgemäßen Ausgangsmaterialien
sehr unterschiedlich sind und saure Bedingungen für den Reaktionsablauf
erforderlich sind, vermittelt dieses Verfahren nicht die erfindungsgemäße Lehre
zur Herstellung eines Arylethers. Ferner lehrt dieses Verfahren
eine Verbesserung der Synthesetechnik beim herkömmlichen Verfahren zur Herstellung
eines Arylethers in einem organischen Lösungsmittel unter Verwendung
von Hydroxydiarylethern und einer organischen Halogenverbindung
als Ausgangsmaterialien.
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Arylether
sind chemische Verbindungen, die auf zahlreichen Gebieten als Synthesematerialien
eingesetzt werden, z. B. zur Herstellung von Flüssigkristallen, Arzneimitteln,
landwirtschaftlichen Chemikalien, Farbstoffen, synthetischen Polymeren
und anderen Materialien. Bei der Herstellung dieser Verbindungen
ist es üblich,
Phenole und halogenierte Alkylverbindungen oder schädliches
Alkylsulfat sowie schädliche
und entflammbare organische Lösungsmittel
zu verwenden. Die nach der Verwendung anfallenden organischen Lösungsmittel
verursachen bei der Entsorgung Umweltprobleme.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neuartige,
verbesserte Synthesetechnik zur Herstellung von Arylethern unter
Verwendung von Hydroxyarylverbindungen und organischen Halogenverbindungen
als Ausgangsmaterialien bereitzustellen. Bei ernsten Bemühungen zur
Lösung
dieser Aufgabe ist der Erfinder der vorliegenden Erfindung auf die
Verwendung von gasförmigem
Kohlendioxid oder superkritischem Kohlendioxid, bei denen es sich
um umweltfreundliche Flüssigkeiten
handelt, als Reaktionsmedium anstelle der vorerwähnten organischen Medien in
flüssigem
Zustand gestoßen.
Der Erfinder hat Forschungsarbeiten durchgeführt, um ein Reaktionssystem
bereitzustellen, das die Synthese der angestrebten Verbindung unter
Verwendung der vorerwähnten
Ausgangsmaterialien im vorerwähnten
Medium ermöglicht.
Im Verlauf der Untersuchungen hat der Erfinder der vorliegenden
Erfindung die Anwendung der Reaktionsbedingungen, die vom Erfinder
der vorliegenden Erfindung im vorerwähnten Dokument vorgeschlagen
werden, in Betracht gezogen. Dies bedeutet, dass diese Bedingungen
bei der Umsetzung unter Verwendung einer organischen halogenierten
Verbindung als eines der Ausgangsmaterialien herangezogen wurden
und dass ein charakteristisches Merkmal im Vorliegen einer Base
und eines Oniumsalzes in katalytischen Mengen im Reaktionssystem besteht.
Durch umfangreiche Experimente hat der Erfinder der vorliegenden
Erfindung Reaktionsbedingungen zur Herstellung eines Arylethers
unter den vorerwähnten
reaktiven Bedingungen aufgefunden und ist dabei zu der vorliegenden
Erfindung gelangt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung besteht in einem Verfahren zum Herstellen
eines Arylethers, der durch Bindung einer Aryloxygruppe einer Hydroxyarylverbindung
mit einer organischen Gruppe einer organischen Halogenverbindung
erzeugt wird. Das Verfahren umfasst das Umsetzen einer Hydroxyarylverbindung
mit einer organischen Halogenverbindung in gasförmigem Kohlendioxid oder superkritischem
Kohlendioxid in Gegenwart einer Base und eines Oniumsalzes. Vorzugsweise
wird erfindungsgemäß das Verfahren
zur Herstellung des Arylethers unter Verwendung des Oniumsalzes
in einer katalytischen Menge durchgeführt. Insbesondere handelt es
sich beim Oniumsalz um eine Verbindung der Formel R1R2R3R4N+X– oder R1R2R3R4P+X– (wobei R1, R2, R3 und R4 jeweils eine substituierte oder eine unsubstituierte
Alkyl-, Cycloalkyl-, Alkenyl-, Cycloalkenyl-, Aryl-, Aralkyl-, Aralkenyl-,
Alkenaryl- oder Alkarylgruppe bedeuten. R1,
R2, R3 und R4 können
gleich oder verschieden sein. Bei 1 bis 3 Resten davon kann es sich
um ein Wasserstoffatom handeln. X bedeutet ein Halogenatom, eine
Hydroxylgruppe, eine Hydrogensulfatgruppe, eine Hydrogenphosphatgruppe,
eine Hydrogenphosphitgruppe oder eine Hydrophosphitgruppe.) Ferner
wird erfindungsgemäß vorzugsweise
ein Verfahren zur Herstellung eines Arylethers bereitgestellt, wobei
es sich bei der Base um ein Carbonatsalz oder ein Phosphorsäuresalz
eines Alkalimetalls oder Erdalkalimetalls handelt (mehr als 2 Bestandteile
können
zusammen verwendet werden).
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Kurze Erläuterung
der Zeichnungen
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1 zeigt
die Beziehung zwischen dem Druck und der Ausbeute.
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2 zeigt
die Beziehung zwischen der Temperatur und der Ausbeute.
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Beste Ausführungsform
zur Durchführung
der Erfindung
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Nachstehend
wird die Erfindung ausführlich
unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung erläutert.
- A. Beim gasförmigen Zustand oder super-
bzw. überkritischen
Zustand von Kohlendioxid, das das Lösungsmittel für die Umsetzung
darstellt, handelt es sich um den Zustand, der bei chemischen Reaktionen
von herkömmlicher
Technologie eingesetzt wird. Der gasförmige Zustand von Kohlendioxid
bedeutet einen Zustand mit einem Druck von weniger als 75,2 kg/cm2 (7,4 MPa), in dem Kohlendioxid in gasförmigem Zustand vorliegt.
Der super- bzw. überkritische
Zustand von Kohlendioxid bezeichnet den Zustand, der über der
kritischen Temperatur von 31,0 °C
und über
dem kritischen Druck von 75,2 kg/cm2 (7,4
MPa) liegt. Beim Reaktionszustand gibt es keine Obergrenze für die Temperatur
und den Druck; was jedoch die Temperatur betrifft, so liegt diese
unter der Wärmezersetzungstemperatur
der als Ausgangsmaterialien verwendeten Verbindungen und des Katalysators
(die Umsetzung verläuft
bei relativ milden Bedingungen von 60 bis 120 °C). Was den Druck betrifft,
so liegt er vorzugsweise im Bereich von 10 bis 140 kg/cm2 (1 bis 13,7 MPa), da bei einer Umsetzung
bei höheren
Drücken
die Kosten für
die Apparatur steigen. Wenn der Reaktionsdruck über 200 kg/cm2 (19,6
MPa) liegt, so ergibt sich eine Beeinträchtigung der Produktausbeute.
Wenn ferner der Druck auf 1 atm (0,1 MPa) sinkt, so ergibt sich
ebenfalls eine Beeinträchtigung
der Ausbeute.
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Als
Vorrichtung für
die Umsetzung kann ein herkömmlicher
Reaktor, der für
Umsetzungen unter Verwendung von Kohlendioxid in superkritischem
Zustand verwendet wird, eingesetzt werden, z. B. ein absatzweise
arbeitender Reaktor, ein kontinuierlich arbeitender Reaktor, ein
Kolben-Zirkulationsreaktor
oder ein Turm-Zirkulationsreaktor.
- B. Als Base
kann erfindungsgemäß ein Salz
eines Alkalimetalls verwendet werden. Beispielsweise lassen sich
ein Carbonat, ein Hydrogencarbonat, ein Phosphat, ein Sulfat, ein
Hydrogensulfat, ein Carboxylat oder ein Sulfonat erwähnen. Besonders
bevorzugt wird Kaliumcarbonat. Bei der Umsetzung können mehr
als zwei Arten der vorerwähnten
Basen miteinander verwendet werden.
- C. Als Oniumsalz lassen sich ein Ammoniumsalz oder ein Phosphoniumsalz
der allgemeinen Formel (I) R1R2R3R4Q+X– erwähnen (in
der Formel bedeuten R1, R2,
R3 und R4 jeweils
eine substituierte oder unsubstituierte Alkylgruppe, eine Cycloalkylgruppe,
eine Alkenylgruppe, eine Cycloalkenylgruppe, eine Arylgruppe, eine
Aralkylgruppe, eine Aralkenylgruppe, eine Alkenarylgruppe oder eine
Alkarylgruppe. R1, R2,
R3 und R4 können gleich
oder verschieden sein, 1 bis 3 Reste davon können ein Wasserstoffatom bedeuten.
X bedeutet ein Halogenatom, eine Hydroxylgruppe, eine Hydrogensulfatgruppe,
eine Hydrogenphosphatgruppe, eine Hydrogenphosphitgruppe oder eine
Hydrophosphitgruppe. Q hat die Bedeutung N oder P.) Bei Verwendung
von Bu4NI ergibt sich ein wirksamer Reaktionsverlauf.
Bei der Umsetzung können
zwei Arten der vorerwähnten
Oniumsalze miteinander verwendet werden.
- D. Als Hydroxyarylverbindungen (Phenole) lassen sich verschiedenartige
Verbindungen, die mindestens eine Hydroxylgruppe aufweisen, verwenden.
Die Auswahl kann gezielt in Verbindung mit der angestrebten Verbindung
(Verwendung) getroffen werden. Beispielsweise lassen sich im Fall
eines Materials für
Flüssigkristalle
p-Phenylphenole als bevorzugte Beispiele erwähnen.
- E. Gleichermaßen
können
verschiedenartige Verbindungen als organische Halogenverbindungen
verwendet werden. Diese können
ebenfalls gezielt in Verbindung mit der angestrebten Verbindung
ausgewählt werden.
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Beispiele
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Allgemeine
Reaktionsbedingungen
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5
bis 30 mmol einer Base, 0,1 bis 3 mmol eines Oniumsalzes, 2 bis
10 mmol einer organischen Halogenverbindung und 5 mmol einer Phenolverbindung
werden in ein Reaktionsgefäß mit einem
Fassungsvermögen
von 50 ml gegossen (z. B. in einen Autoklaven aus rostfreiem Stahl,
bei dem es sich um einen absatzweise arbeitenden Reaktor handelt;
ferner kann eine bekannte Vorrichtung für eine kontinuierliche Herstellung
verwendet werden). Die Menge der Phenolverbindung, die in das Reaktionsgefäß mit einem
Fassungsvermögen von
50 ml gegossen wird, kann 0,1 bis 20 mmol betragen. Bei Veränderung
der Menge der Phenolverbindung muss die Menge der übrigen Reagenzien
entsprechend dem veränderten
Anteil der Phenolverbindung abgeändert
werden. Die Innenatmosphäre
des Reaktionsgefäßes wird
2-mal durch Kohlendioxid ersetzt, wonach flüssiges Kohlendioxid bei normaler
Temperatur zugesetzt wird und anschließend die Temperatur auf 40
bis 200 °C
erwärmt
wird. Der Innendruck erreicht den vorgeschriebenen Druckwert. Der
angestrebte Bereich des Innendrucks beträgt 10 bis 250 kg/cm2 (1 bis 24,5 MPa). Das Gemisch wird 1 bis
24 Stunden auf die vorerwähnte
Temperatur erwärmt.
Anschließend
wird das Reaktionsgefäß mit Eis
abgekühlt,
um den Innendruck auf Normaldruck zu bringen. Auf diese Weise lässt sich
ein Arylether erhalten.
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Erfindungsgemäß wird eine
Reaktionstemperatur von etwa 100 °C
als bevorzugte Reaktionsbedingung herangezogen.
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Beispiel 1
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Kaliumcarbonat
(1,38 g, 0,01 mol), Tetrabutylammoniumbromid (0,081 g, 0,00025 mol),
Phenol (0,47 g, 0,005 mol) und Benzylchlorid (1,00 g, 0,0079 mol)
werden in einen Autoklaven aus rostfreiem Stahl (Druckgefäß) mit einem
Fassungsvermögen
von 50 ml gegossen. Die Innenatmosphäre des Autoklaven wird 2-mal durch
Kohlendioxid ersetzt. Anschließend
wird flüssiges
Kohlendioxid (13,7 g) bei normaler Temperatur zugesetzt. Durch Erwärmen auf
100 °C steigt
der Innendruck auf 90 kg/cm2 (8,8 MPa).
Das Gemisch wird 1 Stunde bei 100 °C gerührt. Sodann wird das Reaktionsgefäß unter
Verwendung von Eis abgekühlt,
wobei der Innendruck Normaldruck erreicht. Sodann wird eine Extraktion
mit Chloroform (2 × 20
ml) vorgenommen. Das extrahierte Produkt wird mit verdünnter Salzsäure gewaschen,
sodann mit Wasser gespült
und über
wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet. 50 ml werden mit einem Messkolben
abgemessen. 5 ml davon werden entnommen. Die erhaltene Menge wird
durch 1H-NMR unter Verwendung von Cumarin
als interner Standard berechnet (73 %).
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Die
vorerwähnte
Umsetzung entspricht der folgenden Reaktionsgleichung:
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Beispiel 2
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Dieses
Beispiel erläutert
den Fall, bei dem die organische Halogenverbindung und das Phenol
abgeändert
werden.
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Kaliumcarbonat
(1,38 g, 0,01 mol), Tetrabutylammoniumbromid (0,081 g, 0,00025 mol),
Phenole (0,005 mol) und eine organische Halogenverbindung (0,0075
mol) werden in einen Autoklaven aus rostfreiem Stahl (Druckgefäß) mit einem
Fassungsvermögen
von 50 ml gegossen. Die Innenatmosphäre im Autoklaven wird 2-mal
durch Kohlendioxid ersetzt. Anschließend wird flüssiges Kohlendioxid
(13,7 g) bei normaler Temperatur zugesetzt. Durch Erwärmen auf
100 °C steigt
der Innendruck auf 90 kg/cm2 (8,8 MPa).
Das Gemisch wird 1 Stunde bei 100 °C gerührt. Sodann wird das Reaktionsgefäß unter
Verwendung von Eis abgekühlt.
Der Innendruck erreicht Normaldruck. Sodann wird eine Extraktion
mit Chloroform (2 × 20
ml) vorgenommen. Das extrahierte Produkt wird mit verdünnter Salzsäure gewaschen,
sodann mit Wasser gespült
und über
wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet. 50 ml werden unter Verwendung
eines Messkolbens abgemessen. 5 ml davon werden entnommen. Die erhaltene
Menge wird durch 1H-NMR unter Verwendung
von Cumarin als interner Standard berechnet. Die restliche Lösung wird
eingeengt und mit einer Kugelrohr-Apparatur destilliert, oder das
feste Produkt wird umkristallisiert, wodurch man einen Arylether
erhält.
Nach der Umwandlung lässt
sich die isolierte Ausbeute ermitteln.
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Der
Einfluss der organischen Halogenverbindung ist in Tabelle 1 dargelegt.
Der Einfluss von p-substituiertem Phenol ist in Tabelle 2 dargelegt.
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Tabelle
1 Einfluss
einer organischen Halogenverbindung
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Tabelle
2 Einfluss
von p-substituiertem Phenol
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Die
Zahlenwerte in Klammern geben die isolierte Ausbeute an.
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Beispiel 3
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Dieses
Beispiel erläutert
den Fall, dass die als Katalysator verwendete Verbindung und die
Basenverbindung abgeändert
werden.
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Eine
Base (0,01 mol), ein Katalysator (0,00025 mol), Phenol (0,47 g,
0,005 mol) und Benzylchlorid (0,96 g, 0,0075 mol) werden in einen
Autoklaven aus rostfreiem Stahl (Druckgefäß) mit einem Fassungsvermögen von
50 ml gegossen. Die Innenatmosphäre
des Autoklaven wird 2-mal durch Kohlendioxid ersetzt. Anschließend wird
flüssiges
Kohlendioxid (13,7 g) bei normaler Temperatur zugesetzt. Durch Erwärmen auf
100 °C steigt
der Innendruck auf 90 kg/cm2 (8,8 MPa).
Das Gemisch wird 1 Stunde bei 100 °C gerührt. Sodann wird das Reaktionsgefäß unter
Verwendung von Eis abgekühlt.
Der Innendruck erreicht Normaldruck. Sodann wird eine Extraktion
mit Chloroform (2 × 20
ml) vorgenommen. Das extrahierte Produkt wird mit verdünnter Salzsäure gewaschen,
sodann mit Wasser gespült
und über
wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet. 50 ml werden unter Verwendung
eines Messkolbens abgemessen. 5 ml davon werden entnommen. Die erhaltene
Menge wird durch 1H-NMR unter Verwendung
von Cumarin als interner Standard berechnet.
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Der
Einfluss des Katalysators ist in Tabelle 3 dargelegt. Der Einfluss
der Base ist in Tabelle 4 dargelegt.
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Tabelle
3 Einfluss
des Katalysators
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Tabelle
4 Veränderung
der Basenverbindung
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Beispiel 4
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Bei
einer Temperatur von 100 °C
wird die Beziehung zwischen Druck und Ausbeute untersucht.
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Die
Ergebnisse sind in 1 dargestellt.
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Der
Druck wird auf den konstanten Wert von 90 kg/cm2 (8,8
MPa) eingestellt. Dabei wird die Beziehung zwischen Temperatur und
Ausbeute untersucht.
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Die
Ergebnisse sind in 2 dargestellt.
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Beispiel 5
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Kaliumcarbonat
(1,38 g, 0,01 mol), Tetrabutylammoniumbromid (0,163 g, 0,00051 mol),
Anthron (steht in tautomerer Isomerenbeziehung zu 9-Hydroxyanthracen;
während
der Umsetzung entsteht ein Hydroxylprodukt) (0,927 g, 0,005 mol)
und Butylbromid (1,04 g, 0,0076 mol) werden in einen Autoklaven
aus rostfreiem Stahl (Druckgefäß) mit einem
Fassungsvermögen
von 50 ml gegossen. Die Innenatmosphäre des Autoklaven wird 2-mal
durch Kohlendioxid ersetzt. Anschließend wird flüssiges Kohlendioxid
(14,4 g) bei normaler Temperatur zugesetzt. Durch Erwärmen auf
100 °C steigt
der Innendruck auf 98 kg/cm2 (9,6 MPa).
Das Gemisch wird 1 Stunde bei 100 °C gerührt. Sodann wird das Reaktionsgefäß unter
Verwendung von Eis abgekühlt.
Der Innendruck erreicht Normaldruck. Sodann wird eine Extraktion
mit Chloroform (2 × 20
ml) vorgenommen. 50 ml werden unter Verwendung eines Messkolbens
abgemessen. 5 ml davon werden entnommen. Die Ausbeute an 9-Butoxyanthracen
wird durch 1H-NMR unter Verwendung von Cumarin
als interner Standard berechnet. Die Ausbeute beträgt 84 %.
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Möglichkeit zur gewerblichen
Anwendung
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Wie
vorstehend erwähnt,
lässt es
sich erfindungsgemäß in hervorragender
Weise erreichen, dass nützliche
chemische Verbindungen unter umweltfreundlichen Bedingungen erhalten
werden.