DE69706412T2

DE69706412T2 - Verfahren zur herstellung von calixarenen

Info

Publication number: DE69706412T2
Application number: DE69706412T
Authority: DE
Inventors: Philippe Choquard; Christian Duchamp; Isabelle Dumazet; Roger Lamartine; Arnold Marcillac; Francis Vocanson
Original assignee: Cal X Invest S A
Current assignee: Cal-X Investment Sa Geneva Ch
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: ES2160327T3; AU2041097A; WO1997037957A1; ATE204842T1; EP0892772A1; DE69706412D1; EP0892772B1; CA2251070A1

Description

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Calixarenen. Insbesondere richtet sie ich auf eine neues und nutzbringendes Verfahren zur Herstellung von bekannten und auch von neuen Calixarenen.
Calixarene sind cyclische phenolische Oligomere, bei denen zwei benachbarte Phenolringe über eine ortho-ortho-CH&sub2;-Brücke oder eine analoge homo-CH&sub2;-Brücke miteinander verknüpft sind. Manche Calixarene sind bereits bekannt insbesondere die Tetramere, Hexamere und Octamere sowie mehrere Calixarene mit einer ungeraden Anzahl von Ringen in ihrem Molekül. Es scheint, dass Calixarene mit weniger als drei Phenolringen nicht zugänglich sind.
Die Calixarene haben verschiedenartige Anwendungen in der Industrie gefunden; sie werden beispielsweise als Ausgangsstoffe für Hartschäume, als Abfangstoffe für andere, kleine Moleküle, als Reagenzien zur Inertierung von Abfällen oder gefährlichen Feststoffen usw. verwendet.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Wie oben schon erwähnt wurde, sind einige Calixarene bereits bekannt, siehe z. B. die Arbeiten von Gutsche und Mitarb.. in Org. Syn. 1989, 69, 234 Niederl und Vogel in J. Am. Chem. Soc. 1990, 62, 2512, und Hogberg in J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 6046. p-Methylcalix[4]aren ist schon 1956 in einem zehnstufigen Syntheseverfahren unter Verwendung bromierter Zwischenprodukte hergestellt worden. Dieses Verfahren ist übernommen und vervollkommnet worden, wobei lineare phenolische Oligomere hergestellt werden, welche dann unter Bildung von Calixarenen cyclisiert werden, die eine gerade oder ungerade Anzahl von Phenolringen aufweisen, welche manchmal unterschiedlich substituiert sind, oder von asymmetrischen Calixarenen (siehe z. B. V. Böhmer u. Mitarb., Makromol. Chem. 180, 2503-06 (1979), die jedoch nur das cyclische Tetramer beschreiben). Lineare phenolische Oligomere bestehen aus mindestens zwei Phenolringen, die in den ortho-Stellungen über eine Methylengruppe miteinander verbunden sind. In allen Fällen sind die Synthesen zeitaufwendig und ergeben nur sehr niedrige Ausbeuten.
Im Jahre 1981 ist eine kritische Übersicht über die zwei meistverwendeten Verfahren zur Synthese von Calixarenen von C. D. Gutsche und Mitarbeitern in J. Am.. Chem. Soc. 1981, 103, 3782-92 veröffentlicht worden. Diese beiden Verfahren sind ein einstufiges Verfahren, Methode nach Munch genannt, und ein dreistufiges Verfahren, als Zinke-Methode bezeichnet.
Bei der Munch-Methode wird ein Gemisch, das p-tert-Butylphenof, Paraformaldehyd und Kaliumhydroxid im ungefähren Verhältnis 45 : 75 : 1 enthält, während 4 Std. in Xylollösung erhitzt die etwa 1,3-molar an Phenol ist wobei ein Abscheider nach Dean und Stark zur Wasserabscheidung verwendet wird. Man erhält normalerweise ein farbloses, in Xylol unlösliches Produkt in etwa 75%iger Ausbeute. Dieses Produkt enthält lineare phenolische Oligomere und p-tert-Butylcalix[73]aren (45%), während man die 6- und 4-Calixaren-Homologe in kleinen Mengen (d. h. 9,5 bzw. 9%) aus der Mutterlauge isolieren konnte.
Die Zinke-Methode erfordert das Erwärmen eines Gemisches der oben genannten Ausgangssubstanzen während etwa 45 Std. auf 50-55ºC und anschliessendes Erhitzen auf 110-120ºC während etwa 2 Std. Dann wird das Reaktionsgemisch angesäuert, die sich abscheidenden Feststoffe werden abgetrennt, und die gewaschenen und getrockneten Feststoffe werden etwa 2 Std. lang in einer hochsiedenden Flüssigkeit auf etwa 210- 220ºC erhitzt. Dieses Verfahrten ergibt hauptsächlich das cyclische Tetramer und kleine Anteile an Hexamer und Octamer. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, siehe das im vorstehenden Absatz genannte Dokument, die ersten beiden Stufen des Verfahrens zu kombinieren.
Die Patentschrift USA Nr. 4'098'717 offenbart vorgebildete phenolische Verbindungen, die in einer ortho-Stellung oder in einer ortho- und einer meta-Stellung durch eine Methylolgruppe substituiert sind, als Ausgangsstoffe einer Cyclisierung. Die vorliegende Erfindung verwendet keine solchen Ausgangsstoffe, sondern para-substituierte Phenole. Darüber hinaus beschreiben die Dokumente zum Stand der Technik in klarer Weise, dass die Cyclisierung dieser vorgebildeten phenolischen Formaldehydderivate unter Neutralbedingungen keine Calixarene, sondern cyclische Ether bilden, und dass unter milden basischen Bedingungen cyclische Harze entstehen, d. h. keine Calixarene.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0'447'977 offenbart ein Verfahren zur Herstellung cyclischer phenolischer Tetramere durch Erhitzen eines Vorkondensats aus p-Alkylphenolen und Formaldehyd, oder eines Alkylcalix[8]arens zusammen mit einem wässrigen Alkalimetallhydroxid während etwa 1 bis 10 Std. auf 217 bis 257ºC in einem Kohlenwasserstoff- Lösungsmittel. Diese Variante der Zinke-Methode ergibt das cyclische Tetramer nur in einer Ausbeute von 50 bis 60%; weiterhin werden die genannten Vorkondensate vor der endgültigen Kondensation isoliert.
Ein anderes einstufiges Verfahren zur Synthese von Calixarenen und Bishomooxacalixarenen, bei dem ein eher stark basisches Medium angewandt wird, ist in Chemical Abstracts 97, 1982, Nr. 197914 h geoffenbart, ohne dass Reaktions-Parameter wie Temperatur und Dauer angegeben werden. Ein derartiges einstufige Verfahren, bei dem ebenfalls in einem basischen Medium gearbeitet wird, ist in Chemical Abstracts 92, 1980, Nr. 22301a geoffenbart, wobei die Anwesenheit von Bishomooxacalix[4]arenen im Reaktionsprodukt erwähnt wird.
Schliesslich sind bereits Versuche unternommen worden, Calixarene mit einer ungeraden Anzahl von Ringen im Molekül zu synthetisieren. So schlägt A. Ninagawa in Makromol. Chem., Rapid Commun. 3, 1982, 65-67 die Isolierung des cyclischen Pentamers aus dem Reaktionsprodukt der ersten zwei Stufen einer modifizierten Zinke-Methode vor. Gemäss Y. Nakamoto (Makromol. Chem., Rapid Commun. 3, 1982, 705-07) wurde das Heptamer in geringer Ausbeute aus den festen Reaktionsprodukt von p- tert-Butylphenol, Paraformaldehyd und Kaliumhydroxid nach 30-stündigem Kochen des Gemisches in Dioxan erhalten.
Die oben beschriebenen Verfahren des Standes der Technik leiden an mehreren schwerwiegenden Nachteilen. Keines dieser Verfahren kann zur Herstellung eines gewünschten Calixarens in hoher Ausbeute und in industriellem Massstab hergestellt werden, da diese bekannten Verfahren einerseits zu zeitaufwendig sind und eine grosse Anzahl von Arbeitsgängen wie Abtrennen, Waschen, Trocknen und isolieren erfordern, andererseits die Calixarene mit einer industriell unzureichenden, niedrigen Ausbeute ergeben, oder beides.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine allgemeine Methode anzugeben, die die Herstellung beliebiger, gewünschter Calixarene in industriellem Massstab gestattet. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines solchen Verfahrens, das einfach ist, verhältnismässig wenig Verfahrensstufen umfasst und befriedigende Ausbeuten an Calixaren ergibt. Weiterhin stellt sich die Erfindung als zusätzliche Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, welches die Erzeugung eines beliebigen, gewünschten Calixarens durch geeignete Auswahl der jeweiligen Ausgangsstoffe ohne unzumutbare Veränderungen der Reaktionsbedingungen und -parameter erlaubt.
Diese Aufgaben werden durch das erfindungsgemässe Verfahren gelöst das einen zweistufigen Ablauf umfasst, wobei beide Stufen nicht notwendigerweise in getrennten Reaktionsgefässen ausgeführt werden müssen. In der ersten Verfahrensstufe werden lineare phenolische Oligomere in einem basischen Reaktionsmedium synthetisiert, ausgehend von einem para-substituierten, ortho-unsubstituierten Phenol und einer Formaldehydquelle, und die zweite Stufe ist die Cyclisierung dieser linearen Oligomere in einem praktisch wasserfreien, neutralen oder sauren Medium, wobei die in der ersten Stufe erhaltenen linearen Oligomere nicht isoliert werden.
Grundsätzlich ist es nicht erforderlich, das Reaktionsmedium zu wechseln, wenn man von der ersten Stufe zur zweiten Stufe übergeht; es reicht aus, wenn das in der ersten Stufe verwendete Reaktionsmedium an die in der zweiten Stufe erforderlichen Bedingungen angepasst wird. Wenn die erste Stufe beispielsweise in einem wässrigen, eine Base enthaltenden Medium ohne vollständige Entfernung des Wassers ausgeführt wird, kann mit der Arbeit in der zweiten Stufe nach einer Neutralisierung oder, wenn gewünscht, Ansäuerung begonnen werden, wobei ein gewünschtes Lösungsmittel zugegeben wird, im Normalfall ein organisches, höhersiedendes Lösungsmittel, das vorzugsweise mit Wasser nicht mischbar ist. Verbliebenes Wasser sowie das Reaktionswasser werden während des Arbeitsvorganges in einem bekannten Wasserabscheider nach Dean und Stark entfernt. Die Neutralisierung bzw. Ansäuerung kann vor oder nach dem Beginn der zweiten Verfahrensstufe vorgenommen werden.
Die in der ersten Stufe erhaltenen linearen phenolischen Oligomere werden im allgemeinen zur Cyclisierung in der zweiten Stufe nicht aus der Reaktionsmischung isoliert. Es kann jedoch manchmal erwünscht sein, sie aus dem Reaktionsgemisch zwecks Reinigung oder Analyse auszufällen.
Im allgemeinen wird die erste Stufe bei einer Temperatur im Bereich von 40 bis 150ºC ausgeführt, in den meisten Fällen und wenn ein wässriges Medium verwendet wird, zwischen 50 und 90ºC oder am Siedepunkt des Mediums. Die zweite Stufe wird normalerweise bei Temperaturen weit oberhalb 100ºC ausgeführt. Vorzugsweise wird die Cyclisierung in einer organischen Flüssigkeit als Reaktionsmedium ausgeführt, beispielsweise in Toluol, Xylol, Tetralin, Erdölfraktionen mit einem passenden Siedebereich, Diphenylether usw. Dabei kann die Flüssigkeit ein Lösungsmittel sein oder auch nicht; ihre Art ist überhaupt nicht kritisch, sofern es die Cyclisierung nicht stört. Manchmal ist es von Vorteil, polare Flüssigkeiten wie Dimethylsulfoxid, Diethylformamid etc. zu benutzen. Die auszuwählende Flüssigkeit sollte einen Siedepunkt aufweist, der im Hinblick auf die Reaktionstemperatur so hoch liegt dass die Reaktion am Rückfluss der siedenden Flüssigkeit leicht ausgeführt werden kann. Dadurch wird eine bequeme und praktisch automatische Regelung der Reaktionstemperatur erreicht.
Die zweite Stufe des erfindungsgemässen Verfahren wird in Abwesenheit von Wasser ausgeführt. Etwaiges noch aus der ersten Stufe im Reaktionsgemisch vorhandenes Wasser sowie das Wasser, welches sich bei der Cyclisierung bildet, wird im Verlaufe der zweiten Stufe durch Destillation und Absitzenlassen entfernt. Zu diesem Zweck wird bevorzugt ein Wasserabscheider nach Dean und Stark eingesetzt. Um die Einführung von Wasser in das Reaktionsgemisch beim Neutralisieren oder Ansäuern zu vermeiden, setzt man bevorzugt keine wässrige Säure zu, sondern leitet trockenen gasförmigen Chlorwasserstoff in das Gemisch ein, bis der gewünschte pH-Wert erreicht ist, oder man fügt trockenes gasförmiges HCl zur vorstehend genannten Flüssigkeit wenn erforderlich bis zur Sättigung. Manchmal kann es bevorzugt sein, durch Destillation das gesamte Wasser aus der Reaktionsmischung der ersten Stufe zu eliminieren.
Ausgangsmaterialien für das erfindungsgemässe Verfahren sind die für die Calixarensynthese bereits bekannten, nämlich p-substituiertes Phenol. Dieser para-Substituent ist bevorzugt eine Alkyl- oder Aralkylgruppe wie Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, die Butyle, tert-Octyl, Benzyl usw. Besonders bevorzugt ist tert-Butyl. Dieser Substituent ist vor allem, falls er nicht schon als solcher im Endprodukt vorhanden sein soll, eine para- Schutzgruppe, damit die Reaktionen der Oligomerisierung und Cyclisierung in der oder den ortho-Stellungen zur phenolischen OH-Gruppe stattfindet. Wenn nichts anderes angegeben ist, beziehen sich die Ausdrücke "Phenol" und "Calixaren ", wie sie in diesem Dokument gebraucht werden, auf die p- substituierten Vertreter, siehe obenstehende Ausführungen.
Das zweite Ausgangsprodukt beim erfindungsgemässen Verfahren ist Formaldehyd. Da die erste Stufe des vorliegenden Verfahrens oft in einem wässrigen Medium durchgeführt wird, kann Formalin oder Formol (eine wässrige Lösung von Formaldehyd, die gewöhnlich 37%ig ist) verwendet werden. Falls eine höhere Konzentration im Reaktionsmedium gewünscht wird, kann Paraformaldehyd eingesetzt werde, entweder allein oder im Gemisch mit Formol. Es ist ebenfalls möglich, gasförmigen Formaldehyd ins Reaktionsgemische einzuleiten.
In der ersten Stufe des Verfahrens ist ein basisches Medium erforderlich. Geeignete Basen sind NaOH und KOH. In machen Fällen werden andere Basen anzuwenden sein, für sich oder im Gemisch mit andren, z. B. LiOH, CsOH, RbOH, (CH&sub3;)&sub3;COK, [CH&sub3;(CH&sub2;)&sub3;]&sub4;NOH oder noch andere. Die geeignete Auswahl der Base hängt von der Optimierung der Reaktion bezüglich Selektivität und Ausbeute ab.
Im Verlauf der ersten Stufe des vorliegenden Verfahrens werden lineare phenolische Oligomere gebildet. Man erhält im allgemeinen ein Gemisch von Oligomeren, die zwischen 2 und 6 monomere phenolische Einheiten und ausserdem monomeres Phenol enthalten. Die Anzahl an phenolischen Einheiten im Oligomer wird im allgemeinen durch Reaktionsbedingungen wie Temperatur, Dauer, relative Konzentration der Reaktionsteilnehmer, die Art und zuweilen auch die Menge der anwesenden Base beeinflusst. Normalerweise wird die Kette der Oligomere mit steigender Reaktionszeit und steigendem Verhältnis von Formaldehyd zu Phenol länger. Die Ausbeute und die Art der Oligomere kann beeinflusst werden, wenn die Reaktionstemperatur erhöht wird, insbesondere auf über 100ºC.
Die Reaktionen, die in der zweiten Stufe des vorliegenden Verfahrens ablaufen, sind an sich ebenfalls bereist bekannt. Es wurde jedoch ganz überraschend gefunden, dass bei Zugabe von monomerem Phenol oder eines anderen Oligomers als demjenigen, welches im Reaktionsgemisch anwesend ist, sowie gegebenenfalls zusätzlichem Formaldehyd zum Ausgangs-Reaktionsgemisch der zweiten Stufe ein Calixaren mit ungerader Anzahl von phenolischen Einheiten im Cyclus, ein Calixaren mit mehr als 8 Einheiten im Cyclus, und/oder selbst ein asymmetrisches Calixaren erhalten werden kann. Alle diese Verbindungen sind höchstens als Nebenprodukte der bekannten Cyclisierungsreaktionen aufgetreten oder waren sogar bisher unbekannt.
Die anliegende Zeichnung zeigt Reaktionsschemata, welche die Grundlage des vorliegenden Verfahrens bilden, und weiterhin schematisch die verschiedenen Synthesemöglichkeiten. Auch ist eine Anlage zur Ausführung des Verfahrens der Erfindung gezeigt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1A, 1B Reaktionsschemata, die den Bildungsmechanismus von p-tert-Butylcalix[6]aren ausgehend von linearen Oligomeren zeigen;
Fig. 2A, 2B Reaktionsschemata, die den Bildungsmechanismus von p-tert-Butylcalix[8]aren ausgehend von linearen Oligomeren zeigen;
Fig. 3 eine Übersicht, die die Möglichkeiten von Synthesen bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens skizzieren;
Fig. 4 als Beispiel einige Strukturformeln der herzustellenden Calixarene; und
Fig. 5 schematisch eine Anlage zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.

EINZELBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäss den angewandten experimentellen Bedingungen sind unterschiedliche Kombinationen, Ordnungsschemata und Reaktionen zwischen linearen Oligomeren beim erfindungsgemässen Verfahren möglich. Daher bilden sich bestimmte Calixarene bei der Cyclisierung eines einzigen linearen Oligomers (Pseudocalixaren-Route), wohingegen andere Calixarene aus der Kombination von zwei identischen oder verschiedenen linearen Oligomeren hervorgehen (Hemicalixaren-Route), wie aus den folgenden Schemata hervorgeht A) p-tert-Butylcalix[6]aren, Pseudocalixaren-Route: B) p-tert-Butylcalix[6]aren, Hemicalixaren-Route:
Die in Fig. 1A, 1B, 2A und 2B gezeigten Schemata bedürfen keiner näheren Erläuterung; es geht aus ihnen ohne weiteres hervor, wie ein lineares Oligomer zunächst gebildet und dann cyclisiert wird, siehe die letzte Zeile der Bilder. In Fig. 1A und 1B läuft diese Cyclisierung nach der Pseudocalixaren-Route ab, während die Cyclisierung gemäss Fig. 2A und 2B der Hemicalixaren-Route folgt.
Fig. 3 zeigt einige Beispiele der Synthesemöglichkeiten und der in diesem Dokument beschriebenen Herstellungen; dieses Diagramm ist keinesfalls abschliessend. Ausgehend von einem p-substituierten Phenol und einer Formaldehydquelle können unterschiedliche lineare Oligomere hergestellt werden. Nach den oben beschriebenen zwei Routen kann eine grosse Vielfalt von Calixarenen aus identischen oder unterschiedlichen linearen Oligomeren synthetisiert werden unter eventueller Zugabe von monomeren phenolischen Verbindungen.
Fig. 4 zeigt als Beispiel die Strukturformeln dreier Calixarenverbindungen, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, zusammen mit ihrer systemischen Nomenklatur.
Die in den Fig. 3 und 4 und in der folgenden Beschreibung verwendeten Abkürzungen sind die folgenden:
1 p-tert-Butylphenol ("Monomer"), gegebenenfalls substituiert in meta-Stellung zur OH-Gruppe
1^ o-Hydroxymethyl-p-tert-butylphenol ("Hydroxymethyl- Monomer")
^1^ "o,o-Dihydroxymethyl-Monomer"
2 o,o'-Methylen-p,p'-di-tert-butyldiphenol ("Dimer")
2^ o,o'-Methylen-o-hydroxymethyl-p,p'-di-tert-butyldiphenol ("Hydroxymethyl-Dimer")
^2^ o,o'-Methylen-o,o'-dihydroxymethyl-p,p'-di-tertbutyldiphenol' ("Dihydroxymethyl-Dimer")
4+ p-tert-Butylcalix[4]aren
4O+ p-tert-Butyldihomooxacalix[4]aren
4O p-Isopropyldihomooxacalix[4]aren
nH Calix[n]aren, unsubstituiert in para-Stellurüg
Allgemein: Ziffer = Anzahl an phenolischen Einheiten; H = paraunsubstituiert; = Hydroxymethyl; + = p-tert-Butyl; = p-Isopropyl; O = Dihomooxa.
Das Schema von Fig. 3 ist weder einschränkend noch abschliessend, da beispielsweise der gezeigte p-tert-Butylsubstituent durch einen anderen ersetzt werden kann, z. B. Isopropyl, und das Schema enthält nicht alle möglichen Reaktionen oder Produkte, die hergestellt werden können. Das Schema veranschaulicht vielmehr, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur gesteuerten und grundlegend selektiven Synthese von beliebigen gewünschten besonderen Calixarenverbindungen zur Verfügung stellt.
Wie oben zum Teil schon erwähnt wurde, betrifft die vorliegende Erfindung auch neue Verbindungen. Alle Oligomere und Calixarene, welche in p-Stellung durch eine Isopropylgruppe substituiert sind, wurden bisher noch nicht beschrieben. Die meisten asymmetrischen Calixarene sind ebenfalls neue Verbindungen. Weiterhin sind alle Calixarene, die im Molekül mehr als 8 phenolische Einheiten enthalte, neue Verbindungen, seien es gerade oder ungerade Calixarene.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Anlage, die die Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens gestattet. Selbstverständlich können die Abmessungen der einzelnen Bestandteile der Anlage unterschiedlich sein, damit eine Anpassung an eine Herstellung im Labormassstab, in halbtechnischer Grösse oder an ein industrielles Verfahren stattfinden kann.
Die Anlage weist zwei praktisch identische Reaktionsblöcke 10 und 20 auf. Im Block 20 sind die Teile, welche im Bezugszeichen mit einem "A" versehen sind, den entsprechenden Teilen des Blockes 10 ähnlich oder mit ihnen identisch und werden sodann nicht gesondert beschrieben.
Jeder Reaktionsblock 10; 20 weist einen Reaktor 32 bzw. 32A auf mit einer doppelten Wandung zum Heizen oder Kühlen mittels des Durchlaufs eines geeigneten Wärmeträgers. Die Reaktoren 32, 32A sind mit einer Vorrichtung 33; 33A zum Messen und Aufzeichnen der Temperatur, einem Vorratsbehälter 12; 12A für das Phenol oder die Phenole und/oder die Vorprodukte, einem Lagertank 14; 14A für den Formaldehyd, einen Lagertank 16; 16A für den Katalysator, einen Vorratsbehälter 22; 22A mit Aufheizmitteln für Lösungsmittel und einen Behälter 18; 18A für Inertgas ausgerüstet.
Weiterhin weisen die Reaktoren 32; 32A einer motorgetriebenen Rührer 28; 28A und ein System nach Dean und Stark zur Abscheidung von Wasser auf. Dieses System umfasst einen Kondensator 24; 24A, der über ein Rohr 26; 26A mit dem Reaktor 32; 32A und über ein anderes Rohr mit einem Gefäss 30, 30A für kondensiertes Wasser verbunden ist.
Die Reaktoren 32; 32A können in einen Sammeltrog 36; 36A entleert werden.

Beispiel 1

A. Synthese des linearen dihydroxymethylierten (^4^) und monohydroxymethylierten (^4) Tetramers

Der Reaktor 32 des Blockes 10 der Anlage (siehe Fig. 5) wird mit 20 g (0,133 Mol) p-tert-Butylphenol, 12,4 ml (0,166 Mol) 37%igem Formol und 0,24 g (0,006 Mol) festem 98%igem NaOH beschickt. Das Reaktionsgemisch wird unter Rühren während 2 Std. auf 110ºC erhitzt, und es fällt schliess- Iich eine viskose Masse an, die etwa 40% an linearen phenolischen Tetrameren enthält nämlich die Verbindungen 4^ und ^4^, Rest Dimere und Monomer.

B. Synthese von p-tert-Butylcalix[4]aren

Die in obigem Beispiel 1A erhaltene Reaktionsmischung wird in den Reaktor 32A des Anlageblocks 20 überführt. Durch das Gemisch wird trockenes HCl-Gas bis zur Neutralität hindurchperlen lassen. Sodann werden unter Rühren 200 ml heisser Diphenylether zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird etwa 2 Std. am Rückfluss gekocht. Nach dem Abkühlen Lässt man eine Fällung sich abscheiden und gibt Ethylacetat zu. Nach Filtrieren, Waschen, Auflösen in Toluol und Einengen erhält man praktisch reines p- tert-Butylcalix[4]aren in 49%iger Ausbeute.

Beispiel 2

A. Synthese des linearen dihydroxymethylierten Hexamers (^6^)

Der Reaktor 32 des Blockes 10 der Anlage (siehe Fig. 5) wird mit 20 g (0,133 Mol) p-tert-Butylphenol, 27 ml (0,36 Mol) 37%igem Formol und 3 g (0,045 Mol) KOH-Pastillen 84%ig, beschickt. Dieses Gemisch wird unter Rühren bis zur Bildung einer trockenen Masse erhitzt.
Eine Probe davon wird in kaltem CHCl&sub3; gelöst und die Lösung mit konzentrierter Salzsäure neutralisiert, Nach Eindampfen zur Trockne und Analyse wird gefunden, dass die obige Reaktion die Verbindung ^6^ mit einer Ausbeute von 80 bis 90% ergeben hat.

B. Synthese von p-tert-Butylcalix[6]aren (6+)

Der gelbe trockene Rückstand im Reaktor 32, erhalten nach Beispiel 2A, wird mit o-Xylol behandelt, und die erhaltene Suspension wird nach Neutralisation in den Reaktor 32A überführt. Das Reaktionsgemisch wird 3 Std. lang unter Rühren am Rückfluss gehalten und dann nach Abkühlen filtriert. Der erhaltene Feststoff auf dem Filter wird in Chloroform gelöst und dann mit Salzsäure behandelt, und die organische Schicht wird bis auf 200 ml eingeengt. 200 ml heisses Aceton werden zugegeben. Nach Abkühlen und Filtrieren wird p-tert-Butylcalix[6]aren in einer Ausbeute von 80 bis 90% erhalten.

Beispiel 3

Synthese von p-tert-Butylcalix[7]aren (7+)

In diesem Beispiel wird die Cyclisierung als zweite Stufe unmittelbar nach der Oligomerisierung im gleichen Reaktor vorgenommen.
Zunächst wird das lineare dihydroxymethylierte Oligomer 6 im Reaktor 32 hergestellt. In diesen Reaktor bringt man 10 g (66,5 mMol) p-tert- Butylphenol, 18,83 ml (250.6 mMol) 37%iges Formol und 0,63 g (15 mMol) LiOH·H&sub2;O unter Rühren. Das Gemisch wird erwärmt, das Wasser wird in den Abscheidern 24 und 30 entfernt und man erhält eine feste, trockene gelbe Kruste des linearen Oligomers.
Dia anschliessende Cyclisierungsstufe wird im gleichen Reaktor 32 in Anwesenheit von zusätzlichem Monomer ausgeführt. Eine Lösung von 1,792 g (11,95 mMol) p-tert-Butylphenol in 25 ml Xylol wird zur Kruste im Reaktor 32 gegeben; dann werden weitere 75 ml Xylol, gesättigt mit trockenem, gasförmigem HCl, zugesetzt. Diese Reaktionsmischung wird 3 Std. lang am Rückfluss gekocht. Nach Reinigung wird p-tert-Butylcalix[7]aren in 11%iger Ausbeute erhalten.

Beispiel 4

Synthese von Calix[6]aren (6H)

A. Das obige Beispiel 2 wird wiederholt, und es wird p-tert-Butylcalix[6]aren erhalten.

B. Zusatzreaktion: Dealkylierung

1,46 g (1,5 mMol) dieses p-tert-Butylcalix[6]arens, 0,84 g (8,93 mMol) Phenol, 1,68 g (12,53 mMol) AlCl&sub3; und 22 ml Toluol werden im Reaktor 32 in einer Stickstoffatmosphäre vermischt. Das Gemisch wird bei Zimmertemperatur 4 Std. lang gerührt, und man gibt 32 ml 3N HCl zur Reaktionsmischung, die dann in den Reaktor 32A überführt wird. Nach weiteren 2 Std. Rühren wird das Gemisch filtriert und der Rückstand gewaschen und getrocknet. Nach Umkristallisieren erhält man Calix[6]aren in 80% Ausbeute.

Beispiel 5

Herstellung von p-Isopropyldihomooxacalix[4]aren (40 )

Dieses Beispiel beschreibt die Synthese einer Verbindung der Familie der p-Isopropylverbindungen und eines neuen Calixarens.
Im Reaktor 32 werden 29,92 g (0,22 Mol) p-Isopropylphenol, 19,8 g (0,66 Mol) Paraformaldehyd und 150 ml Tetralin miteinander vermischt. Dann werden 0,2 ml (0,026 Mol) 13 N KOH zugesetzt. Das Gemisch ist eine Suspension, die kräftig gerührt und auf 150ºC Erwärmt wird. Nach 15 Minuten bei dieser Temperatur wird das Gemisch homogen. Nun wird gasförmiges, trockenes HCl bis zur Neutralität eingeleitet und das Gemisch unter Rühren 2 Std. bei 150ºC gehalten. Das Gemisch wird dann in den Reaktor 32A überführt. Nach Herunterkühlen und Filtrieren werden die Mutterlaugen aufkonzentriert. Die Zugabe von Methanol erzeugt eine weisse Fällung, aus der nach Abfiltrieren das p-Isopropyldihomooxacalix[4]aren vom Fp. 324-325ºC mit einer Ausbeute von 16% gewonnen wird

Beispiel 6 (erste Stufe des erfindungsgemässen Verfahrens)

Herstellung von p-tert-Butyldihomooxacalix[4]aren (40+)

Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines Homooxacalixarens, das als Zwischenprodukt zur Herstellung ungerader oder höherer Calixarene dienen kann siehe Beispiel 7.
Die folgenden Stoffe werden im Reaktor 32 vermischt: 33,33 g (0,22 Mol) p-tert-Butylphenol, 11,67 g (0,389 Mol) Paraformaldehyd und 200 ml Xylol. Nach 20-minütigem Rühren werden 0,667 ml (0,0667 Mol) 10 N- NaOH zugesetzt. Das Reaktionsgemisch wird 45 Minuten lang unter Rühren am Rückfluss gekocht, dann in den Reaktor 32A überführt, abgekühlt und filtriert Die filtrierte Mischung wird bei 10ºC 2 bis 3 Tage stehengelassen. Nach Filtrieren und Umkristallisieren erhält man das p-tert- Butyldihomooxacalix[4]aren in einer 24%igen Ausbeute aus diesem Gemisch.
Normalerweise wird das Gemisch in einer zweiten Stufe des erfindungsgemässen Verfahrens weiterverarbeitet.

Beispiel 7

Herstellung von p-tert-Butylcalix[5]aren

In diesem Beispiel wird ein lineares Oligomer (4) mit einem Monomer kombiniert und die Kombination cyclisiert. Die Linearverbindung (4) wird durch Ringöffnung der nach dem Verfahren des Beispiels 6 hergestellten Verbindung 40+ erhalten. Sämtliche Reaktionen werden im gleichen Reaktionsmedium ausgeführt.
Erste Stufe. 1,6 g (2,35 mMol) p-tert-Butyldihomooxacalix[4]aren, 0,354 g (2,35 mMol) p-tert-Butylphenol und 30 ml Tetralin werden unter Rühren im Reaktor 32 vermischt. Das Reaktionsgemisch wird auf 180-190 ºC erhitzt, und sobald es transparent geworden ist, werden 100 ul (0,4 mMol) KOH zugesetzt. Das Reaktionsgemisch wird bei 200ºC 1 Std. lang am Rückfluss gehalten. Es wird dann schnell in den Reaktor 32A überführt.
Zweite Stufe. Das Gemisch wird mit gasförmigem HCl neutralisiert und dann weitere 4 Std. am Rückfluss gekocht. Nach Eindampfen zur Trockne im Vakuum und Umkristallisieren des Rückstandes erhält man das p-tert-Butylcalix[5]aren in 20%iger Ausbeute.

Beispiel 8

Herstellung eines asymmetrischen Calixarens

Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet zum ersten Male eine einfache Herstellung asymmetrischer Calixarene ohne ein Auswechseln von Seitenketten-Substituenten, wie es von Boehmer et al. beschrieben ist (siehe oben), d. h. von Calixarenen, bei denen die Ringglieder nicht identisch sind, in ziemlich guten Ausbeuten.
Beispiel 7 wird wiederholt mit der Änderung, dass die 2,35 mMol p- tert-Butylphenol, welche zum linearen 4-Oligomer zugesetzt werden, durch äquivalente Mengen anderer Monomere ersetzt werde, die in p- Stellung nicht oder durch eine andere Gruppe als p-tert-Butyl substituiert sind.
Nach Abdampfen des Lösungsmittels, Neutralisation und Umkristallisieren aus dem Reaktionsgemisch erhält man das entsprechende asymmetrische Calix[5]aren in Ausbeuten zwischen 5 und 15%.

Beispiel 9

Herstellung von p-tert-Butylcalix[9]aren (9+)

Dieses Beispiel veranschaulicht die Herstellung eines anderen ungeraden Calixarens durch Kombinieren des dihydroxymethylierten linearen Hexamers mit dem linearen Trimer.

A. Herstellung des linearen Trimers

In den Reaktor 32 bringt man 100 g (0,66 Mol) p-tert-Butylphenol und 33,33 ml (0,333 Mol) 10 N NaOH. Das Gemisch wird 1 Std. lang auf 50 ºC erwärmt. Dann werden 148,5 ml (1,98 Mol) 37%iges Formol portionsweise zugegeben. Das Gemisch wird 90 Min. lang auf 90ºC erwärmt. Dann wird Xylol sowie noch 399 g (2,66 Mol) p-tert-Butylphenol zugegeben und das Gemisch 3 Std. lang am Rückfluss gekocht. Die Mischung wird durch Zugabe von 3,33 ml (0,0266 Mol) konzentrierter HCl angesäuert. Eine Probe, umkristallisiert aus einem Gemisch von Benzol und Aceton, zeigt, dass die Mischung das lineare Trimer enthält, gebildet in 65%iger Ausbeute.

B. Herstellung von p-tert-Butylcalix[9]aren (9+)

Im Reaktor 32A werden gemäss dem Verfahren des Beispiels 2A 0,025 Mol des dihydroxymethylierten linearen Hexamers ( 6 ) als Suspension in Xylol hergestellt dann wird ein Teil des Gemisches im Reaktor 32, erhalten nach Teil A dieses Beispiels und entsprechend 0,025 Mol Trimer in den Reaktor 32A überführt. Das Reaktionsgemisch, das 200 ml Xylol enthält, wird zur Cyclisierung 3 Std. lang am Rückfluss gekocht. Nach Reinigung erhält man 5% p-tert-Butylcalix[9]aren vom Fp. 297-300ºC, Molekularmasse 1460, &epsi;max = 24420 im UV-Spektrum, und mit der folgenden Elementaranalyse:

Beispiel 10

Unter Verwendung der Arbeitsweisen der vorstehenden Beispiele wurde p-tert-Butylcalix[10]aren hergestellt. Diese Verbindung erhält man durch Cyclisieren entsprechender linearer Oligomere, z. B. ausgehend von einem Gemisch der Oligomere ^6^ und ^4^ oder über das Zwischenprodukt, das sich bildet, wenn das lineare Oligomere ^4^ mit Formaldehyd und Phenol umgesetzt wird.
Die erhaltene Verbindung hatte einen Schmelzpunkt (Fp.) von 300- 305ºC, eine Molekularmasse von 1621 und ein &epsi;max von 44570 im UV- Spektrum. Die Elementaranalyse ergab 80,98% C, 8,77% H und 10,00% O.

Beispiel 11

Unter Verwendung der Arbeitsweisen der vorstehenden Beispiele, die jeweils die Herstellung von Oligomeren in einem basischen, wässrigen Medium und deren Cyclisierung in einem neutralen oder sauren, wasserfreien Medium beschreiben, wurden die p-tert-Butylcalix[11, 12, 13 und 14]arene hergestellt. Man erhält ein Gemisch dieser Calixarene ausgehend von den Oligomeren ^6^ und 3 welche durch Aufspaltung und Rekombination cyclische Strukturen ergeben, welche 11, 12, 13 und 14 phenolische Einheiten enthalten. Das Reaktionsgemisch wird auf einer Kieselgelkolonne mit Chloroform/Hexan behandelt. Die Fraktionen werden aus einem Chloroform-Acetonitril-Gemisch umkristallisiert, und jedes der 11-, 12-, 13- und 14-Calixarene wird in kristalliner Form erhalten. Die physikalischen Eigenschaften sind die folgenden:

Beispiel 12

Verschiedene p-Isobutylcalixarene wurden durch Wiederholen der vorstehenden Beispiele, insbesondere Beispiel 1 und 2, hergestellt, mit der Abweichung, dass das p-tert-Butylphenol als Ausgangsverbindung durch die entsprechende molare Menge an p-Isopropylphenol ersetzt wurde.
Die folgenden Ergebnisse wurden nach der Isolierung verschiedener Isopropylcalixarene durch Chromatographie aus dem Reaktionsgemisch erhalten:

A) p-Isopropylcalix[4]aren (4 )

Diese Verbindung wurde in 19%iger Ausbeute als reines, kristallines Pulver erhalten, Fp. 291-293ºC, Molekularmasse 592 (FAB+); Rf = 0,60, eluiert mit Chloroform/Hexan 1 : 1. Elementaranalyse:

B) p-Isopropylcalix[6]aren (6 )

Diese Verbindung wurde in 55%iger Ausbeute als reines, kristallines Pulver erhalten, Fp. 348-351ºC, Molekularmasse 888 (FAB+); Rf 0,67, eluiert mit Chloroform/Hexan 1 : 1. Elementaranalyse:

C) p-Isopropylcalix[8]aren (8 )

Diese Verbindung wurde in 32%iger Ausbeute als reines, kristallines Pulver erhalten, Fp. 368-371ºC, Molekularmasse 1184,6 (FAB+); Rf = 0,84, eluiert mit Chloroform/Hexan 1 : 1. Elementaranalyse:

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Calixarenen ausgehend von einen Phenol, das zumindest in para-Stellung substituiert und in beiden ortho-Stellungen unsubstituiert ist, und von einer Formaldehydquelle, wobei in einer ersten Stufe die Synthese mindestens eines linearen phenolischen Oligomers in einem basischen Reaktionsmedium bei einer Temperatur im Bereich von 40 bis 150ºC und in einer zweiten Stufe die Cyclisierung dieser linearen phenolischen Oligomere in einem praktisch wasserfreien, neutralen oder sauren Medium bei einer höheren Temperatur von über 100ºC ausgeführt wird, und wobei die in der ersten Stufe erhaltenen linearen Oligomere nicht isoliert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Stufe bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 90ºC ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das in der ersten Stufe benutzte Reaktionsmedium ein wässriges, basisches Medium ist, welches mindestens eine anorganische oder organische Base enthält, und wobei dieses Reaktionsmedium vor oder während der zweiten Verfahrensstufe neutralisiert oder angesäuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin dem in der ersten Stufe gebildetem Reaktionsgemisch weiterhin eine mit Wasser nicht mischbare organische Flüssigkeit mit einem Siedepunkt oberhalb 100ºC zugesetzt wird, und Wasser, das im Reaktionsgemisch enthalten ist und sich bildet, wird im Verlauf der zweiten Stufe durch Destillation und Dekantierung aus dem Reaktionsgemisch entfernt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die genannte Flüssigkeit aus Toluol, Xylol, Tetralin, Erdölfraktionen und Diphenylether ausgewählt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin aus dem Reaktionsgemisch der ersten Stufe vor der Verbereitung des Gemisches für die zweite Stufe, die Cyclisierung, Wasser entfernt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin die neutrale oder saure Einstellung des von der ersten Stufe kommenden Reaktionsgemisches durch Einleiten von trockenem HCl-Gas in das genannte Reaktionsgemisch vorgenommen wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, worin die neutrale oder saure Einstellung des von der ersten Stufe kommenden Reaktionsgemisches durch vorheriges Beladen der genannten organischen Flüssigkeit mit trockenem gasförmigem Chlorwasserstoff vorgenommen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Anzahl von Phenoleinheiten im linearen Oligomer durch Auswahl des Molverhältnisses zwischen Formaldehyd und Phenol und/oder der Reaktionsdauer eingestellt wird, wobei erhöhte Molverhältnisse und/oder höhere Temperaturen und/oder längere Reaktionszeiten zur Erhöhung der Anzahl der Phenoleinheiten im erhaltenen linearen Oligomer und schliesslich auch im Calixaren-Endprodukt führen.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin p-tert.Butylphenol als phenolisches Ausgangsmaterial eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, worin p-Isopropylphenol als phenolisches Ausgangsmaterial eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Calixarenen mit einer ungeraden Anzahl von Phenoleinheiten im Molekül, worin monomeres, parasubstituiertes Phenol und gegebenenfalls zusätzlicher Formaldehyd zum Reaktionsgemisch aus der ersten Verfahrensstufe, das ein lineares phenolisches Oligomer mit einer geraden Anzahl von Phenoleinheiten im Molekül enthält, zugegeben und dieses Gemisch dann in der zweiten Stufe cyclisiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Calixarenen mit mehr als acht Phenoleinheiten im Molekül, worin ein lineares phenolisches Oligomer mit mindestens fünf Phenoleinheiten im Molekül zum Reaktionsgemisch aus der ersten Verfahrensstufe, welches ein lineares phenolisches Oligomer mit mindestens vier Phenoleinheiten im Molekül enthält, zugesetzt wird, oder umgekehrt, und dieses Gemisch dann in der zweiten Stufe cyclisiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, worin in einer weiteren Stufe der para-Substituent der Phenoleinheiten der Calixarene, die in der Cyclisierungsstufe erhalten wurden, entfernt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Stufe, nämlich die Oligomerisierung, unter basischen Bedingungen in einem ersten Reaktor ausgeführt wird, die darin erhaltene Reaktionsmischung in einen zweiten Reaktor überführt wird, zusätzliche Substanzen wenn nötig oder gewünscht zugesetzt werden und die zweite Stufe, nämlich die Cyclisierung, dann im zweiten Reaktor durchgeführt wird, wobei die Mischung vor oder während der Cyclisierungsreaktion neutralisiert oder angesäuert wird.