EP4543860A1 - Neue carboxy-liganden sowie deren verwendung in katalysatoren - Google Patents

Neue carboxy-liganden sowie deren verwendung in katalysatoren

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Publication number
EP4543860A1
EP4543860A1 EP23734644.0A EP23734644A EP4543860A1 EP 4543860 A1 EP4543860 A1 EP 4543860A1 EP 23734644 A EP23734644 A EP 23734644A EP 4543860 A1 EP4543860 A1 EP 4543860A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alkyl
bismuth
cio
general formula
containing catalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23734644.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian DIELMANN
Emre LEVENT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Publication of EP4543860A1 publication Critical patent/EP4543860A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D235/00—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, condensed with other rings
    • C07D235/02—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, condensed with other rings condensed with carbocyclic rings or ring systems
    • C07D235/04—Benzimidazoles; Hydrogenated benzimidazoles
    • C07D235/24—Benzimidazoles; Hydrogenated benzimidazoles with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached in position 2
    • C07D235/30—Nitrogen atoms not forming part of a nitro radical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/16—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/18—Arsenic, antimony or bismuth
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • B01J31/02—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides
    • B01J31/04—Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds containing organic compounds or metal hydrides containing carboxylic acids or their salts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08—Heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D233/00—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings
    • C07D233/04—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings having one double bond between ring members or between a ring member and a non-ring member
    • C07D233/28—Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings having one double bond between ring members or between a ring member and a non-ring member with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D233/44—Nitrogen atoms not forming part of a nitro radical
    • C07D233/50—Nitrogen atoms not forming part of a nitro radical with carbocyclic radicals directly attached to said nitrogen atoms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F5/00—Compounds containing elements of Groups 3 or 13 of the Periodic Table
    • C07F5/02—Boron compounds
    • C07F5/022—Boron compounds without C-boron linkages
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07F—ACYCLIC, CARBOCYCLIC OR HETEROCYCLIC COMPOUNDS CONTAINING ELEMENTS OTHER THAN CARBON, HYDROGEN, HALOGEN, OXYGEN, NITROGEN, SULFUR, SELENIUM OR TELLURIUM
    • C07F9/00—Compounds containing elements of Groups 5 or 15 of the Periodic Table
    • C07F9/94—Bismuth compounds

Definitions

  • the invention relates to a carboxy ligand as such, which is defined by the general formula (I) listed in the text below.
  • the invention further relates to a bismuth-containing catalyst as such according to the general formula (II), the bismuth-containing catalyst comprising 3 carboxy ligands of the general formula (I).
  • the present invention further relates to a process for producing such a carboxy ligand and a process for producing such a bismuth-containing catalyst.
  • a precursor of a ligand according to the general formula (III) which is also according to the invention, is obtained.
  • the present invention further relates to the use of such a bismuth-containing catalyst for producing compounds which contain a urethane group.
  • WO 2020/160939 relates to a bismuth-containing catalyst as such, which is defined there by a general formula (I).
  • the bismuth-containing catalyst according to WO 2020/160939 contains at least one radical R 1 which, according to the general formula (II), contains a carboxyl fragment, with a first carbon atom (a-carbon) being bonded to the carbon atom of the carboxyl group, which in turn is directly substituted with at least one aromatic.
  • WO 2020/160939 further relates to a process for producing such a bismuth-containing catalyst and the use of such a bismuth-containing catalyst for producing compounds that contain a urethane group.
  • WO 2018/069018 relates to a coating agent system which comprises components (A) to (C) and optionally further components.
  • Component (A) is at least one compound containing polyhydroxy groups and component (B) is at least one compound containing polyisocyanate.
  • Component (C), on the other hand, is a catalyst which comprises at least two salts of an aliphatic monocarboxylic acid with at least 4 carbon atoms.
  • the metal component of the first salt is bismuth (Bi), while the second salt has magnesium (Mg), sodium (Na), potassium (K) or calcium (Ca) as the metal component.
  • the coating agent systems according to WO 2018/069018 can be designed in such a way that all components are present separately from one another, i.e. the individual components are not mixed with one another, while according to a second option of the corresponding coating agent system, the respective components are also completely or at least partially mixed with one another may be present.
  • the production of compounds containing a urethane group (urethane bond) has also been known for a long time.
  • a compound having a urethane group is usually obtained when a compound having an isocyanate group is reacted with a compound having a hydroxyl group.
  • the reaction usually takes place in the presence of a catalyst.
  • tin-containing catalysts show a very high activity in such reactions, the use of such tin-containing catalysts, in particular alkyl tin compounds, should be avoided due to their (very high) toxicity.
  • the object of the present invention was therefore to provide a new ligand and/or a catalyst comprising such a new ligand, wherein the catalyst can be used to produce compounds which contain a urethane group.
  • A is N or (NH) + (X)-,
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • E is H or alkali
  • R 1 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 2 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 3 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 4 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 5 is Ci-C -alkyl
  • R 6 is Ci-C -alkyl or R 5 and R 6 together form a bridge with four
  • R 7 is Ci-Cio-alkyl
  • X is BF4, OH or halogen
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • R 1 is C 2 -C4 alkyl
  • R 2 is C 2 -C 4 alkyl
  • R 3 is H or methyl
  • R 4 is H or methyl
  • R 5 and R 6 together form a bridge with four carbon atoms, provided B and D are not CH 2 or CH, where B, D, R 5 and R 6 together preferably form an unsubstituted benzene fragment,
  • A is N or (NH) + (X)-,
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • R 1 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 2 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 3 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 4 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 5 is Ci-C -alkyl
  • R 6 is Ci-C -alkyl or R 5 and R 6 together form a bridge with four
  • R 7 is Ci-C -alkyl
  • X is BF4, OH or halogen, whereby the respective variables can be defined regardless of the two other ligands in each of the three ligands of the bismuthful catalyst or all three ligands are defined equally.
  • the bismuth-containing catalysts according to the invention are characterized, among other things, by the fact that the use of toxic tin-containing catalysts in the production of compounds that contain a urethane group can be avoided.
  • the bismuth-containing catalysts according to the invention have a comparable catalyst activity to known representatives of the effective, on the one hand catalytically active, but on the other hand toxic tin-containing catalysts.
  • pot life is understood to mean how long reactive materials can be processed in the mixed state without any loss of quality being observed in the corresponding application. The pot life is determined by the gel time.
  • the bismuth-containing catalysts according to the invention it is also not necessary for the catalyst to be present as a salt in the corresponding acid.
  • the bismuth-containing catalysts according to the invention can therefore also be used without the presence of the corresponding acid in order to form compounds with urethane groups with high catalytic activity.
  • Ci-C -alkyl as defined for example above for the radical R 1 in formula (I), mean that this substituent (residue) is an alkyl radical with a number of carbon atoms of 1 to 10, any substituents present are not taken into account in the number of carbon atoms.
  • the alkyl radical can be both linear and branched and, if appropriate, cyclic. Alkyl radicals that have both a cyclic and a linear component also fall under this definition. The same also applies to other alkyl radicals, such as a Ci-Ce alkyl radical or a C1-C12 alkyl radical.
  • alkyl radicals are methyl, ethyl, n-propyl, sec-propyl, n-butyl, sec-butyl, iso-butyl, 2-ethylhexyl, tertiary-butyl (tert-Bu/t-Bu), pentyl, hexyl, heptyl , cyclohexyl, octyl, nonyl or decyl.
  • halogen as defined above for the radical X in formula (I), means that the substituent (residue) is fluorine, chlorine, bromine or iodine, preferably Chlorine.
  • benzene that is unsubstituted or at least monosubstituted with C-C-alkyl means that benzene can be present either in unsubstituted form or at least via one Ci-C -alkyl substituents (monosubstituted). If one or more substituents (for example bisubstituted, trisubstituted or even more highly substituted) are present, the corresponding substituents are selected independently of one another from the respective substituent groups indicated.
  • a corresponding radical such as R 1
  • R 1 can occur two or more times due to the definition of, for example, formula (II) (in conjunction with formula (I))
  • the individual radicals R 1 can be selected completely independently of one another in accordance with the respective definitions . Unless stated otherwise in the following text, this also applies mutatis mutandis to all other radicals, such as R 2 , R 3 , R 5 and/or R 6 .
  • a first subject of the present invention is a ligand according to the general formula (I) in which the variables are defined as follows:
  • A is N or (NH) + (X)-,
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • E is H or alkali
  • R 1 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 2 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 3 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 4 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 5 is Ci-C -alkyl
  • R 6 is Ci-C -alkyl or R 5 and R 6 together form a bridge with four carbon atoms, where B, D, R 5 and R 6 can together form a benzene fragment, which can optionally be at least monosubstituted with a radical R 7 ,
  • R 7 is Ci-C -alkyl
  • X is BF4, OH or halogen.
  • D is CR 6 , where the radicals R 5 and R 6 have a total of 4 carbon and 4 hydrogen atoms and six delocalized between the total of 6 carbon atoms TT electrons are located.
  • the residues R 1 , R 2 , R 4 , R 5 , B and D form a benzimidazole residue.
  • B is CH or CR 5
  • D is CH or CR 6 .
  • B and D and optionally R 5 and R 6 each have the same definition, where B, D, R 5 and R 6 together optionally form a benzene fragment, which is preferably unsubstituted is, and/or ii) R 1 and R 2 each have the same definition, and/or ill) R 3 and R 4 each have the same definition, and/or iv) alkali is equal to sodium or potassium, preferably sodium, provided E is alkaline, and/or v) halogen is chlorine or bromine, provided X is halogen.
  • R 1 and R 2 are different and/or R 3 and R 4 are different.
  • B and D are different.
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • R 1 is C 2 -C4 alkyl
  • R 2 is C 2 -C 4 alkyl
  • R 3 is H or methyl
  • R 4 is H or methyl
  • R 5 and R 6 together form a bridge with four carbon atoms, provided B and D are not CH 2 or CH, where B, D, R 5 and R 6 together preferably form an unsubstituted benzene fragment, X is BF4.
  • Ligands of the general formula (I) which are particularly preferred according to the invention are 4-carboxy-N-(1,3-diisopropyl-1,3-dihydro-2H-benzo[d]imidazol-2-ylidene)-2,6-dimethyl-benzeneaminium -tetrafluoroborate or 4-carboxy-N-(1,3-di-tert-butylimidazolidin-2-ylidene)benzenaminium tetrafluoroborate.
  • Another subject of the present invention is a bismuth-containing catalyst according to the general formula (II) in which the variables are defined as follows:
  • A is N or (NH) + (X)
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • R 1 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 2 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 3 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 4 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 5 is Ci-C -alkyl
  • R 6 is Ci-C -alkyl or R 5 and R 6 together form a bridge with four
  • R 7 is Ci-C -alkyl
  • X is BF4, OH or halogen, whereby the respective variables can be defined regardless of the two other ligands in each of the three ligands of the bismuty catalyst or all three ligands are defined equally. However, it is preferred that all three ligands of the bismuth-containing catalyst are defined the same according to the general formula (II).
  • B and D and optionally R 5 and R 6 each have the same definition, where B, D, R 5 and R 6 together optionally form a benzene fragment which is preferably unsubstituted, and/or ii) R 1 and R 2 each have the same definition, and/or ill) R 3 and R 4 each have the same definition, and/or iv) halogen is chlorine or bromine, provided that X is halogen.
  • R 1 and R 2 it also applies here that it is also possible for R 1 and R 2 to be different and/or for R 3 and R 4 to be different. Of course, it is also possible that B and D are different.
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • R 1 is C 2 -C4 alkyl
  • R 2 is C 2 -C 4 alkyl
  • R 3 is H or methyl
  • R 5 and R 6 together form a bridge with four carbon atoms, provided B and D are not CH 2 or CH, where B, D, R 5 and R 6 together preferably form an unsubstituted benzene fragment,
  • the bismuth-containing catalyst according to the general formula (II) is particularly preferably bismuth(III)-(4-((1,3-di-tert-butylimidazolidin-2-ylidene)ammonio)benzoate)tetrafluoroborate) 3 ([Bi( O 2 C(PNsltBu)H) 3 ][BF 4 ]3).
  • another metal central atom to be used as the central atom instead of a bismuth central atom in the catalyst according to the invention, for example a zinc, titanium or zirconium central atom.
  • a further subject of the present invention is also a metal-containing catalyst which is produced by reacting at least one compound of the general formula (I) with at least one metal-containing compound, the metal-containing compound preferably being a bismuth, zinc, titanium or zirconium-containing compound is, preferably one containing bismuth.
  • Another subject of the present invention is a precursor of a ligand according to the general formula (III) in which the variables are defined as follows:
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • R 1 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 2 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 3 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 4 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 5 is Ci-C -alkyl
  • R 6 is Ci-C -alkyl or R 5 and R 6 together form a bridge with four
  • R 7 is Ci-Cio-alkyl
  • X is BF4, OH or halogen
  • Y is halogen, preferably Br.
  • B is CH 2 , CH, CR 5 or CR 5 H
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • R 1 is C 2 -C4 alkyl
  • R 2 is C 2 -C 4 alkyl
  • R 3 is H or methyl
  • R 4 is H or methyl
  • R 5 and R 6 together form a bridge with four carbon atoms, provided B and D are not CH 2 or CH, where B, D, R 5 and R 6 together preferably form an unsubstituted benzene fragment,
  • N-(4-bromo-2,6-dimethylphenyl)-1,3-diisopropylbenzimidazol-2-imine Br(P"NBiPr)
  • N-(4-bromophenyl)-1,3- di-tert-butylimidazolidine-2-imine Br(PNsltBu)
  • a further subject of the present invention is also a process for producing a ligand according to the invention according to the general formula (I), wherein the ligand according to the invention according to the general formula (I) from the corresponding precursor of a ligand of the general formula (III) by carboxylation of this precursor is obtained in the presence of a catalyst.
  • a suitable catalyst for carboxylation is, for example, n-butyllithium.
  • a further subject of the present invention is also a process for producing a bismuth-containing catalyst of the general formula (II), wherein i) at least one compound of the general formula (I) with ii) at least one bismuth-containing compound selected from Bi 2 O 3 , bismuth carbonate, Bismuth hydrogen carbonate, bismuth halide, bismuth carboxylate, Bi(C6-Ci 4 -aryl) 3 , Bi(Ci-Ci 2 -alkyl) 3 or metallic bismuth is implemented.
  • any bismuth-containing compound can be used which is suitable for producing the bismuth central atom in the bismuth-containing catalyst according to the invention by reaction with the corresponding compound according to the general formula (I).
  • Bismuth-containing compounds as such are known to those skilled in the art. If, according to the invention, a bismuth halide is used as the bismuth-containing compound, it is preferably a chlorine-containing compound, in particular Bids.
  • the bismuth-containing compound is preferably selected from Bi 2 Os, BiCh, Bi(C6H 5 )3 or metallic bismuth.
  • a further object of the present invention is the use of at least one bismuth-containing catalyst according to the above definitions for the production of compounds which contain a urethane group.
  • a further embodiment of the present invention comprises a ligand according to the general formula (I) in which the variables are defined as follows:
  • A is N or (NH) + (X)
  • D is CH 2 , CH, CR 6 or CR 6 H
  • E is H or alkali
  • R 1 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 2 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 3 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 4 is H or Ci-Cio-alkyl
  • R 5 is Ci-C -alkyl
  • R 6 is Ci-C -alkyl or R 5 and R 6 together form a bridge with four carbon atoms, where B, D, R 5 and R 6 can together form a benzene fragment, which can optionally be at least monosubstituted with a radical R 7 ,
  • R 7 is Ci-C -alkyl
  • X is BF4, OH or halogen.
  • the precursor 2-chloro-1,3-diisopropyl-benzimidazolium tetrafluoroborate was synthesized according to the following literature protocol: LFB Wilm, T. Eder, C. Mück-Lichtenfeld, P. Mehlmann, M. Wunsch, F. Buß and F. Dielmann, Green Chem., 2019, 21, 640-648.
  • the precursor 2-chloro-1,3-di-tert-butylimidazolium chloride was also synthesized according to the above literature instructions.
  • the amount required for catalysis was prepared by deprotonation of [Bi(O2C(PNsltBu)H) 3 ][BF 4 ] 3 with a potassium tert-butoxide standard solution in tetrahydrofuran and used directly for the urethane reaction.
  • Table 1 shows the respective catalyst activity of the individual exemplary and comparative examples. Catalyst activity is checked by a reaction that forms a compound containing a urethane group.
  • a reaction that forms a compound containing a urethane group.
  • 11 mmol of 2-ethylhexyl-(6-isocyanatohexylj-carbamate (commercially available as Desmodur LD (3.3 mL)) is reacted with 11 mmol of n-butanol (1 mL).
  • the reaction was carried out in the presence of a solvent (2 mL xylene) and the catalysts listed in Table 1 (with a content of 0.05 mol% catalyst based on the amount of bismuth) were carried out at room temperature.
  • the decrease in isocyanate and thus the formation of a urethane group are examined using horizontal ATR-IR spectroscopy. To do this, 0.05 mL of the reaction solution is removed at defined time intervals and spectroscoped directly. The conversion is determined based on the relative decrease in intensity of the asymmetric isocyanate stretching vibration at 2250 - 2285 cm' 1 . The initial free isocyanate content was determined at room temperature of the reaction solution in the absence of a catalyst. All IR spectra were normalized to the bands of the symmetric and asymmetric stretching vibrations of the CFh groups (3000 - 2870 cm' 1 ).
  • the compound Bi(O2C(PNsltBu)) 3 is just as inactive in the first 10 minutes of catalysis as the mixture consisting of Bi(bbz) 3 and 3 eq. Br(PNsltBu) (See 3).
  • this inhibitory phase a remarkable increase in catalytic activity is observed, reaching a conversion of 90% after 60 min.

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Abstract

Neue Carboxy-Liganden sowie deren Verwendung in Katalysatoren Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Carboxy-Liganden als solchen, der über die im nachfolgenden Text aufgeführte allgemeine Formel (I) definiert ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen bismuthaltigen Katalysator als solchen gemäß der allgemeinen Formel (II), wobei der bismuthaltige Katalysator 3 Carboxy-Liganden der allgemeinen Formel (I) umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Carboxy-Liganden sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bismuthaltigen Katalysators. Bei der erfindungsgemäßen Herstellung des Carboxy-Liganden wird zudem eine ebenfalls erfindungsgemäße Vorstufe eines Liganden gemäß der allgemeinen Formel (III) erhalten. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines solchen bismuthaltigen Katalysators zur Herstellung von Verbindungen, die eine Urethan-Gruppe enthalten.

Description

Neue Carboxy-Liganden sowie deren Verwendung in Katalysatoren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Carboxy-Liganden als solchen, der über die im nachfolgenden Text aufgeführte allgemeine Formel (I) definiert ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen bismuthaltigen Katalysator als solchen gemäß der allgemeinen Formel (II), wobei der bismuthaltige Katalysator 3 Carboxy-Liganden der allgemeinen Formel (I) umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Carboxy-Liganden sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bismuthaltigen Katalysators. Bei der erfindungsgemäßen Herstellung des Carboxy- Liganden wird zudem eine ebenfalls erfindungsgemäße Vorstufe eines Liganden gemäß der allgemeinen Formel (III) erhalten. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines solchen bismuthaltigen Katalysators zur Herstellung von Verbindungen, die eine Urethan-Gruppe enthalten.
WO 2020/160939 betrifft einen bismuthaltigen Katalysator als solchen, der dort über eine allgemeine Formel (I) definiert ist. Der bismuthaltige Katalysator gemäß WO 2020/160939 enthält mindestens einen Rest R1, der gemäß der allgemeinen Formel (II) ein Carboxyl-Fragment enthält, wobei an das Kohlenstoffatom der Carboxyl- Gruppe ein erstes Kohlenstoffatom (a-Kohlenstoff) gebunden ist, das wiederum mit mindestens einem Aromaten direkt substituiert ist. WO 2020/160939 betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bismuthaltigen Katalysators sowie die Verwendung eines solchen bismuthaltigen Katalysators zur Herstellung von Verbindungen, die eine Urethan-Gruppe enthalten.
WO 2018/069018 betrifft ein Beschichtungsmittelsystem, das die Komponenten (A) bis (C) sowie gegebenenfalls weitere Komponenten umfasst. Bei der Komponente (A) handelt es sich um mindestens eine polyhydroxygruppenhaltige Verbindung und bei der Komponente (B) handelt es sich um mindestens eine polyisocyanathaltige Verbindung. Die Komponente (C) ist hingegen ein Katalysator, der mindestens zwei Salze einer aliphatischen Monocarbonsäure mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen umfasst. Dabei ist die Metallkomponente des ersten Salzes Bismut (Bi), während das zweite Salz als Metallkomponente Magnesium (Mg), Natrium (Na), Kalium (K) oder Kalzium (Ca) aufweist. Die Beschichtungsmittelsysteme gemäß WO 2018/069018 können gemäß einer ersten Option derart ausgestaltet sein, dass alle Komponenten getrennt voneinander vorliegen, also die einzelnen Komponenten nicht miteinander vermischt sind, während gemäß einer zweiten Option des entsprechenden Beschichtungsmittelsystems die jeweiligen Komponenten auch vollständig oder zumindest teilweise miteinander vermischt vorliegen können. Die Herstellung von Verbindungen, die eine Urethan-Gruppe (Urethanbindung) enthalten, ist ebenfalls schon seit langem bekannt. Eine Verbindung mit einer Urethan-Gruppe wird in der Regel erhalten, sofern eine Verbindung, die eine Isocyanat-Gruppe aufweist, mit einer Verbindung, die eine Hydroxyl-Gruppe aufweist, umgesetzt wird. Die Umsetzung erfolgt in der Regel in Gegenwart eines Katalysators. Zinnhaltige Katalysatoren zeigen zwar eine sehr hohe Aktivität bei solchen Reaktionen, allerdings ist die Verwendung solcher zinnhaltigen Katalysatoren, insbesondere von Alkyl-Zinnverbindungen, aufgrund deren (sehr hohen) Toxizität zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, einen neuen Liganden und/oder einen Katalysator, der einen solchen neuen Liganden umfasst, bereitzustellen, wobei der Katalysator zur Herstellung von Verbindungen, die eine Urethan-Gruppe enthalten, eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ligand gemäß der allgemeinen Formel (I) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)-,
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
E ist H oder Alkali,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier
Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-Cio-Alkyl, X ist BF4, OH oder Halogen, wobei
A (NH)+(X)- ist,
B CH2, CH, CR5oder CR5H ist,
D CH2, CH, CR6 oder CR6H ist,
E H ist,
R1 C2-C4-Alkyl ist,
R2 C2-C4-Alkyl ist,
R3 H oder Methyl ist,
R4 H oder Methyl ist
R5 und R6 gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoffatomen ausbilden, sofern B und D nicht CH2 oder CH sind, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam vorzugsweise ein unsubstituiertes Benzolfragment ausbilden,
X BF4 ist.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch einen Bismuthaltigen Katalysator gemäß der allgemeinen Formel (II) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)-,
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier
Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-C -Alkyl,
X ist BF4, OH oder Halogen, wobei in jedem der drei Liganden des bismuthaltigen Katalysators die jeweiligen Variablen unabhängig von den jeweils beiden anderen Liganden definiert sein können oder alle drei Liganden gleich definiert sind.
Die erfindungsgemäßen bismuthaltigen Katalysatoren zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass die Verwendung von toxischen zinnhaltigen Katalysatoren bei der Herstellung von Verbindungen, die eine Urethangruppe enthalten, vermieden werden kann. Die erfindungsgemäßen bismuthaltigen Katalysatoren weisen eine vergleichbare Katalysatoraktivität auf wie bekannte Vertreter der effektiven, einerseits katalytisch aktiven, aber andererseits toxischen zinnhaltigen Katalysatoren.
Des Weiteren wurde überraschend gefunden, dass durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Bismuthaltigen Katalysators gemäß der allgemeinen Formel (II) in Urethanreaktionen durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Liganden der allgemeinen Formel (I) in den ersten Minuten ein inhibierter Reaktionsverlauf eintritt. Dies ist von besonderem Interesse für Anwendungen, die eine Inhibierung bei Raumtemperatur erfordern. Diese Blockierung des Katalysators kann zu längeren Topfzeiten in PU-Anwendungen führen. Unter Topfzeit (Potlife) wird erfindungsgemäß verstanden, wie lange reaktive Materialien im gemischten Zustand verarbeitet werden können, ohne dass Einbußen hinsichtlich der Qualität bei der entsprechenden Anwendung beobachtet werden. Das Potlife wird über die Gelzeit bestimmt.
Weiterhin ist es bei den erfindungsgemäßen bismuthaltigen Katalysatoren auch nicht erforderlich, dass der Katalysator als Salz in der korrespondierenden Säure vorliegen muss. Die erfindungsgemäßen bismuthaltigen Katalysatoren können also auch ohne Anwesenheit der korrespondierenden Säure verwendet werden, um Verbindungen mit Urethan-Gruppen bei hoher katalytischer Aktivität auszubilden.
Vom wissenschaftlichen Standpunkt ist es vertretbar, für die erfindungsgemäßen bismuthaltigen Katalysatoren gemäß der allgemeiner Formel (II) anstelle der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendeten Salzschreibweise eine Schreibweise/Darstellung zu wählen, bei denen eine chemische Bindung zwischen dem Bismut-Zentralatom und den drei Liganden gemäß allgemeiner Formel (II) jeweils vollständig oder zumindest teilweise ausgebildet wird. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass das Bismut-Zentralatom nicht als positiv geladenes Kation vorliegt und die entsprechenden Liganden auch nicht als negativ geladene Anionen, sondern stattdessen die entsprechende Ladung eine chemische Bindung zwischen den entsprechenden Liganden einerseits und dem Bismut-Zentralatom andererseits ausbilden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschreibt somit auch eine solche, nicht auf ein Salz basierende Definition die offenbarten erfindungsgemäßen bismuthaltigen Katalysatoren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeuten Definitionen wie Ci-C -Alkyl, wie beispielsweise vorstehend für den Rest R1 in Formel (I) definiert, dass dieser Substituent (Rest) ein Alkylrest mit einer Kohlenstoffatomanzahl von 1 bis 10 ist, wobei gegebenenfalls vorhandene Substituenten bei der Kohlenstoffatomanzahl nicht berücksichtigt sind. Der Alkylrest kann sowohl linear als auch verzweigt sowie gegebenenfalls zyklisch sein. Alkylreste, die sowohl einen zyklische als auch eine lineare Komponente aufweisen, fallen ebenfalls unter diese Definition. Gleiches gilt auch für andere Alkylreste, wie beispielsweise ein Ci-Ce- Alkylrest oder ein C1-C12- Alkylrest. Beispiele für Alkylreste sind Methyl, Ethyl, n-Propyl, sek-Propyl, n-Butyl, sek- Butyl, iso-Butyl, 2-Ethylhexyl, tertiär-Butyl (tert-Bu/t-Bu), Pentyl, Hexyl, Heptyl, Cyclohexyl, Octyl, Nonyl oder Decyl.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „Halogen“, wie beispielsweise vorstehend für den Rest X in Formel (I) definiert, dass der Substituent (Rest) Fluor, Chlor, Brom oder Jod ist, vorzugsweise ist X Fluor oder Chlor, besonders bevorzugt Chlor.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff „unsubstituiertes oder mit Ci-C -Alkyl zumindest monosubstituiertes Benzol“, wie beispielsweise in Verbindung mit dem Rest R7 in Formel (I) definiert, dass Benzol entweder in unsubstituierter Form vorliegen kann oder zumindest über einen Ci-C -Alkyl Substituenten (monosubstituiert) verfügt. Sofern einer oder mehrere Substituenten (beispielsweise bisubstituiert, trisubstituiert oder noch höher substituiert) vorhanden sind, werden die entsprechenden Substituenten unabhängig voneinander aus den jeweils angegebenen Substituentengruppen ausgewählt.
Sofern ein entsprechender Rest, wie beispielsweise R1, aufgrund der Definition von beispielsweise Formel (II) (in Verbindung mit Formel (I)) zwei- oder mehrfach vorkommen kann, können die einzelnen Reste R1 vollkommen unabhängig voneinander gemäß den jeweiligen Definitionen ausgewählt werden. Sofern im nachfolgenden Text nicht anders ausgeführt, gilt dies sinngemäß auch für sämtliche anderen Reste, wie R2, R3, R5 und/oder R6.
Sofern in der nachfolgenden Beschreibung nichts anderes angegeben ist, sind von den jeweiligen Definitionen der Reste R1 bis R7 die jeweils unsubstituierten Definitionen bevorzugt. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung weiter präzisiert.
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ligand gemäß der allgemeinen Formel (I) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)-,
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
E ist H oder Alkali,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-C -Alkyl,
X ist BF4, OH oder Halogen.
Für einen Fachmann ist es klar, dass im Falle, dass R5 und R6 gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoffatomen ausbilden, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden, B und D wie folgt definiert sind:
B ist CR5 und
D ist CR6, wobei die Reste R5 und R6 in Summe 4 Kohlenstoff- und 4 Wasserstoffatome aufweisen und sich zwischen den insgesamt 6 Kohlenstoffatomen sechs delokalisierte TT-Elektronen befinden. Mit anderen Worten ausgedrückt bilden die Reste R1, R2, R4, R5, B und D einen Benzimidazol-Rest aus.
Darüber hinaus ist es auch möglich, dass sich zwischen B und D statt einer Einfach- eine Doppelbindung befindet. In diesem Fall gilt:
B ist CH oder CR5 und
D ist CH oder CR6.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass in der allgemeinen Formel (I) i) B und D sowie gegebenenfalls R5 und R6 jeweils die gleiche Definition haben, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam gegebenenfalls ein Benzolfragment ausbilden, das vorzugsweise unsubstituiert ist, und/oder ii) R1 und R2 jeweils die gleiche Definition haben, und/oder ill) R3 und R4 jeweils die gleiche Definition haben, und/oder iv) Alkali gleich Natrium oder Kalium, vorzugsweise Natrium, ist, sofern E gleich Alkali ist, und/oder v) Halogen gleich Chlor oder Brom ist, sofern X gleich Halogen ist.
Allerdings ist es auch möglich, dass R1 und R2 verschieden sind und/oder R3 und R4 verschieden sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass B und D verschieden sind.
Erfindungsgemäß mehr bevorzugt ist es, dass in der allgemeinen Formel (I)
A (NH)+(X)- ist,
B CH2, CH, CR5 oder CR5H ist,
D CH2, CH, CR6 oder CR6H ist,
E H ist,
R1 C2-C4-Alkyl ist,
R2 C2-C4-Alkyl ist,
R3 H oder Methyl ist,
R4 H oder Methyl ist
R5 und R6 gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoffatomen ausbilden, sofern B und D nicht CH2 oder CH sind, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam vorzugsweise ein unsubstituiertes Benzolfragment ausbilden, X BF4 ist.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Liganden der allgemeinen Formel (I) sind 4- carboxy-N-(1 ,3-diisopropyl-1 ,3-dihydro-2H-benzo[d]imidazol-2-yliden)-2,6-dimethyl- benzenaminium-tetrafluoroborat oder 4-carboxy-N-(1 ,3-di-tert-butylimidazolidin-2- yliden)benzenaminium-tetrafluoroborat.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein bismuthaltiger Katalysator gemäß der allgemeinen Formel (II) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier
Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-C -Alkyl,
X ist BF4, OH oder Halogen, wobei in jedem der drei Liganden des bismuthaltigen Katalysators die jeweiligen Variablen unabhängig von den jeweils beiden anderen Liganden definiert sein können oder alle drei Liganden gleich definiert sind. Es ist allerdings bevorzugt, dass alle drei Liganden des bismuthaltigen Katalysators gemäß der allgemeinen Formel (II) gleich definiert sind.
Die oben erfolgten Definitionen und Bevorzugungen bezüglich des Liganden gemäß der allgemeinen Formel (I) gelten analog auch für den vorliegenden Bismuthaltigen Katalysator gemäß der allgemeinen Formel (II).
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass i) B und D sowie gegebenenfalls R5 und R6 jeweils die gleiche Definition haben, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam gegebenenfalls ein Benzolfragment ausbilden, das vorzugsweise unsubstituiert ist, und/oder ii) R1 und R2 jeweils die gleiche Definition haben, und/oder ill) R3 und R4 jeweils die gleiche Definition haben, und/oder iv) Halogen gleich Chlor oder Brom ist, sofern X gleich Halogen ist.
Hier gilt ebenfalls, dass es auch möglich ist, dass R1 und R2 verschieden sind und/oder R3 und R4 verschieden sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass B und D verschieden sind.
Besonders bevorzugt ist es, dass in der allgemeinen Formel (II)
A (NH)+(X)- ist,
B CH2, CH, CR5 oder CR5H ist,
D CH2, CH, CR6 oder CR6H ist,
R1 C2-C4-Alkyl ist,
R2 C2-C4-Alkyl ist,
R3 H oder Methyl ist,
R4 H oder Methyl ist
R5 und R6 gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoffatomen ausbilden, sofern B und D nicht CH2 oder CH sind, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam vorzugsweise ein unsubstituiertes Benzolfragment ausbilden,
X BF4 ist.
Der Bismuthaltige Katalysator gemäß der allgemeinen Formel (II) ist besonders bevorzugt Bismut(lll)-(4-((1 ,3-di-tert-butylimidazolidin-2-yliden)ammonio)benzoat)tetra- fluoroborat)3 ([Bi(O2C(PNsltBu)H)3][BF4]3). Es ist allerdings auch möglich, dass als Zentralatom anstelle eines Bismut- Zentralatoms im erfindungsgemäßen Katalysator ein anderes Metall-Zentralatom verwendet wird, beispielsweise ein Zink-, Titan- oder Zirkonium-Zentralatom.
Daher ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch ein Metallhaltiger Katalysator, der durch Umsetzung mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (I) mit mindestens einer metallhaltigen Verbindung hergestellt wird, wobei die metallhaltige Verbindung vorzugsweise eine bismut-, zink-, titan- oder zirkoniumhaltige Verbindung ist, vorzugsweise eine bismuthaltige.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorstufe eines Liganden gemäß der allgemeinen Formel (III) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier
Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-Cio-Alkyl,
X ist BF4, OH oder Halogen
Y ist Halogen, vorzugsweise Br.
Vorzugsweise gilt in der allgemeinen Formel (III), dass A (NH)+(X)' ist,
B CH2, CH, CR5 oder CR5H ist,
D CH2, CH, CR6 oder CR6H ist,
R1 C2-C4-Alkyl ist,
R2 C2-C4-Alkyl ist,
R3 H oder Methyl ist,
R4 H oder Methyl ist
R5 und R6 gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoffatomen ausbilden, sofern B und D nicht CH2 oder CH sind, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam vorzugsweise ein unsubstituiertes Benzolfragment ausbilden,
X BF4 ist.
Die oben erfolgten Definitionen und Bevorzugungen bezüglich des Liganden gemäß der allgemeinen Formel (I) und bezüglich des Bismuthaltigen Katalysator gemäß der allgemeinen Formel (II) gelten analog auch für die vorliegende Vorstufe eines Liganden gemäß der allgemeinen Formel (III) .
Ganz besonders bevorzugt ist die Vorstufe N-(4-Bromo-2,6-dimethylphenyl)-1 ,3- diisopropylbenzimidazol-2-imin (Br(P"NBiPr)) oder N-(4-Bromophenyl)-1 ,3-di-tert- butylimidazolidin-2-imin (Br(PNsltBu)).
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Liganden gemäß der allgemeinen Formel (I), wobei der erfindungsgemäße Ligand gemäß der allgemeinen Formel (I) aus der entsprechenden Vorstufe eines Liganden der allgemeinen Formel (III) durch Carboxylierung dieser Vorstufe in Gegenwart eines Katalysators erhalten wird.
Ein geeigneter Katalysator für die Carboxylierung ist beispielsweise n-Butyllithium .
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines bismuthaltigen Katalysators der allgemeinen Formel (II), wobei i) mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (I) mit ii) mindestens einer bismuthaltigen Verbindung ausgewählt aus Bi2O3, Bismutcarbonat, Bismuthydrogencarbonat, Bismuthalogenid, Bismuthcarboxylat, Bi(C6-Ci4-Aryl)3, Bi(Ci-Ci2-Alkyl)3 oder metallischem Bismut umgesetzt wird. Prinzipiell kann im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines bismuthaltigen Katalysators der allgemeinen Formel (II) jede bismuthaltige Verbindung eingesetzt werden, die dazu geeignet ist, durch Umsetzung mit der entsprechenden Verbindung gemäß der allgemeinen Formel (I) das Bismut-Zentralatom im erfindungsgemäßen bismuthaltigen Katalysator gemäß der allgemeinen Formel (II) auszubilden. Bismuthaltige Verbindungen als solche sind dem Fachmann bekannt. Sofern erfindungsgemäß ein Bismuthalogenid als bismuthaltige Verbindung eingesetzt wird, handelt es sich vorzugsweise um eine chlorhaltige Verbindung, insbesondere um Bids.
Vorzugsweise ist die bismuthaltige Verbindung ausgewählt aus Bi2Os, BiCh, Bi(C6H5)3 oder metallischem Bismut.
Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen bismuthaltigen Katalysatoren gemäß der allgemeinen Formel (II) hergestellt durch Umsetzung von mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (I) mit mindestens einer bismuthaltigen Verbindung, wobei i) die Umsetzung unter Schutzatmosphäre und/oder in Gegenwart von mindestens einem Lösungsmittel, insbesondere Toluol, Acetonitril oder Tetrahydrofuran, durchgeführt wird, und/oder ii) die Umsetzung für mindestens 10 Stunden und/oder bei einer Temperatur von mindestens 100°C durchgeführt wird, und/oder ill) im Anschluss an die Umsetzung flüchtige Bestandteile entfernt, der bismuthaltige Katalysator im Vakuum getrocknet und/oder eine Umkristallisation durchgeführt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von mindestens einem bismuthaltigen Katalysator gemäß den vorstehenden Definitionen zur Herstellung von Verbindungen, die eine Urethangruppe enthalten.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Liganden gemäß der allgemeinen Formel (I) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
E ist H oder Alkali,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-C -Alkyl,
X ist BF4, OH oder Halogen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen verdeutlicht.
N-(4-Bromo-2, 6-dimethylphenyl) - 1 , 3-diisopropylbenzimidazol-2-imin (Br(P' 'NBiPr) )
Die Vorstufe 2-Chloro-1 ,3-diisopropyl-benzimidazolium- tetrafluoroborat wurde nach folgender Literaturvorschrift synthetisiert: L. F. B. Wilm, T. Eder, C. Mück-Lichtenfeld, P. Mehlmann, M. Wünsche, F. Buß and F. Dielmann, Green Chem., 2019, 21 , 640-648.
In einem Schlenkkolben wurden 2-Chloro-1 ,3-diisopropyl-benzimidazoliumtetrafluoro- borat (3.38 g, 10.4 mmol, 1.00 eq.) und 4-Brom-2,6-xylidin (2.08 g, 10.4 mmol, 1.00 eq.) in 35 mL MeCN gelöst. Nach der Zugabe von EtsN (2.90 mL, 20.8 mmol, 2.00 eq.) wurde die Reaktionsmischung für 3 d bei 100 °C erhitzt. Der Reaktionsfortschritt wurde anhand von 1H-NMR-Spektroskopie verfolgt. Anschließend wurde das Lösungsmittel im Vakuum entfernt und der Rückstand mit heißem n-Hexan (50 mL) extrahiert. Die Lösung wurde über Nacht bei -20 °C gelagert und das Produkt Br(P"NBiPr) als kristalliner weißer Feststoff erhalten. Nachfolgend wurde das Produkt Br(P"NBiPr) bei 80 °C für 24 h im Vakuum getrocknet. Ausbeute: 89 % (3.90 g, 9.74 mmol).
N-(4-Bromophenyl)-1,3-di-tert-butylimidazolidin-2-imin (Br(PNsltBu); Katalysator gemäß Vergleichsbeispiel Vgl. 2)
Die Vorstufe 2-Chloro-1 ,3-di-tert-butylimidazoliumchlorid wurde ebenfalls nach obiger Literaturvorschrift synthetisiert.
In einem Schlenkkolben wurden 2-Chloro-1 ,3-di-tert-butyl- Imidazoliumchlorid (12.5 g, 49.5 mmol, 1.00 eq.) und p-Bromanilin (8.52 g, 49.5 mmol, 1.00 eq.) in 150 mL MeCN gelöst. Nach der Zugabe von EtsN (13.8 mL, 99.0 mmol, 2.00 eq.) wurde die für 4 d bei 80 °C erhitzt. Der Reaktionsfortschritt wurde anhand von 1 H-NMR-Spektroskopie verfolgt. Anschließend wurde das Lösungsmittel im Vakuum entfernt und der Rückstand mit heißem n-Hexan (150 mL) extrahiert. Die Lösung wurde über Nacht bei -20 °C gelagert und das Produkt Br(PNsltBu) als kristalliner gelber Feststoff erhalten. Nachfolgend wurde das Produkt Br(PNsltBu) bei 80 °C für 24 h im Vakuum getrocknet. Ausbeute: 87 % (15.1 g, 42.9 mmol).
4-carboxy-N-(1 ,3-diisopropyl-l ,3-dihydro-2H-benzo[d]imidazol-2-yliden)-2,6- dimethylbenzenaminium-tetrafluoroborat ([HO2C(P"NBiPr)H] [BF4])
In einem Schlenkkolben wurde Br(P"NBiPr) (2.18 g, 5.44 mmol, 1.00 eq.) in 25 mL THF gelöst und auf -78 °C gekühlt. Anschließend wurde eine 1.6 M Lösung von n- Butyllithium in n-Hexan (3.40 mL, 5.44 mmol, 1.00 eq.) langsam zugetropft und für 1 h bei dieser Temperatur gerührt. Nachfolgend wurde CO2 mit einer Teflonkanüle durch die Reaktionslösung für 15 min geleitet und anschließend für 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Alle flüchtigen Bestandteile wurden im Vakuum entfernt und der Rückstand mit 10 mL Wasser versetzt. Anschließend wurde langsam eine 5.5 M Lösung von Tetrafluoroborsäure in Wasser (2.00 mL, 10.9 mmol, 2.00 eq.) zugegeben und für 15 min gerührt. Das Produkt [H02C(P"NBiPr)H] [BF4] fällt als weißer Feststoff aus. Dieser wurde filtriert, zunächst mit Wasser und anschließend mit Et2© (3 x 20 mL) gewaschen. Abschließend wurde [HO2C(P"NBiPr)H] [BF4] im Vakuum bei 120 °C für 24 h getrocknet und als weißer Feststoff mit einer Ausbeute von 84% (2.10 g, 4.6 mmol) erhalten.
4-(( 1 ,3-diisopropyl- 1,3-dihydro-2H-benzo[d]imidazol-2-ylidene)amino) -3,5- dimethylbenzoic acid (HO2C(P"NBiPr))
In einem Schlenkkolben wurden [HO2C(P"NBiPr)H] [BF4] (340 mg, 0.75 mmol) und Natrium-tert-butanolat (72.0 mg, 0.75 mmol) vorgelegt. Nach der Zugabe von 5 mL Tetrahydrofuran wurde die Reaktionslösung für 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde die Suspension filtriert, die Lösung mit n-Hexan überschichtet und über Nacht gelagert. Die kristalline Verbindung
HO2C(P"NBiPr) wurde mit der Mutterlauge gewaschen und im Vakuum bei
Raumtemperatur über Nacht getrocknet. Ausbeute: 93 % (256 mg, 0.70 mmol).
4-carboxy-N-(1 ,3-di-tert-butylimidazolidin-2-yliden)benzenaminium-tetrafluoroborat
([HO2C(PNsltBu)H] [BF4]) In einem Schlenkkolben wurde Br(PNsltBu) (5.64 g, 16.0 mmol, 1.00 eq.) in 50 mL THF gelöst und auf -78 °C gekühlt. Anschließend wurde eine 1.6 M Lösung von n-Butyllithium in n- Hexan (10.0 mL, 16.0 mmol, 1 .00 eq.) langsam zugetropft und für 1 h bei dieser Temperatur gerührt. Nachfolgend wurde CO2 mit einer Teflonkanüle durch die Reaktionslösung für 15 min geleitet und anschließend für 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Alle flüchtigen Bestandteile wurden im Vakuum entfernt und der Rückstand mit 25 mL Wasser versetzt. Anschließend wurde langsam eine 5.5 M Lösung von Tetrafluoroborsäure in Wasser (5.90 mL, 32.0 mmol, 2.00 eq.) zugegeben und für 15 min gerührt. Das Produkt [HO2C(PNsltBu)H] [BF4] fällt als weißer Feststoff aus. Dieser wurde filtriert, zunächst mit Wasser und anschließend mit Et2© (3 x 50 mL) gewaschen. Abschließend wurde [HC>2C(PNsltBu)H] [BF4] im Vakuum bei 120 °C für 24 h getrocknet und als weißer Feststoff mit einer Ausbeute von 90 % (5.90 g, 14.6 mmol) erhalten.
4-((1,3-di-tert-butylimidazolidin-2-ylidene)amino)benzoic acid (HC^CfPNsitBu)) In einem Schlenkkolben wurden [HO2C(PNsltBu)H] [BF4] (304 mg, 0.75 mmol) und Natrium-tert-butanolat (72.0 mg, 0.75 mmol) vorgelegt. Nach der Zugabe von 5 mL Tetrahydrofuran wurde die Reaktionslösung für 1 h bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde die Suspension filtriert, die Lösung mit n-Hexan überschichtet und über Nacht gelagert. Die kristalline Verbindung HChCfPNsItBu) wurde mit der Mutterlauge gewaschen und im Vakuum bei Raumtemperatur über Nacht getrocknet. Ausbeute: 92 % (219 mg, 0.69 mmol).
Bismut(lll) -(4 -(( 1, 3-di-tert-butylimidazolidin-2-yliden)ammonio)benzoat)tetrafluoro- borat)3 ([Bi(O2C(PNsltBu)H)3][BF4]3/Bi(O2C(PNsltBu))3; Katalysator gemäß Ausführungsbeispiel Bsp. 4)
15 , und Verbindung [H02C(PNsltBu)H] [BF4] (243 mg, 0.60 mmol) bei 80 °C hergestellt. Anschließend wurde der Feststoff mit 3 x 5 mL Toluol gewaschen und im Vakuum bei 120 °C über Nacht getrocknet. Ausbeute: 95 % (270 mg, 0.19 mmol).
Zur Herstellung des Katalysators Bi(O2C(PNsltBu))s wurde die für die Katalyse benötigte Menge durch Deprotonierung von [Bi(O2C(PNsltBu)H)3][BF4]3 mit einer Kalium-tert-butanolat- Maßlösung in Tetrahydrofuran hergestellt und direkt für die Urethanreaktion eingesetzt.
Bismut-4-butylbenzoat (Bi(bbz)3; Katalysator gemäß Vergleichsbeispiel Vgl. 1)
Verbindung Bi(bbz)3 wurde nach einer modifizierten Literaturvorschrift (P. C. Andrews, G. B. Deacon, P. C. Junk, I. Kumar and M. Silberstein, Dalton Trans., 2006, 4852-4858) unter Verwendung von BiPhs (440 mg, 1.00 mmol) und 4- Butylbenzoesäure (540 mg, 3.00 mmol) in quantitativer Ausbeute hergestellt. II. Bestimmung der Katalysatoraktivität
Der nachfolgenden Tabelle 1 kann die jeweilige Katalysatoraktivität der einzelnen Ausführungs- sowie Vergleichsbeispiele entnommen werden. Die Katalysatoraktivität wird anhand einer Reaktion überprüft, bei der eine Verbindung gebildet wird, die eine Urethangruppe enthält. Als Edukt werden hierfür 11 mmol 2-Ethylhexyl-(6- isocyanatohexylj-carbamate (kommerziell erhältlich als Desmodur LD (3,3 mL)) mit 11 mmol n-Butanol (1 mL) umgesetzt. Die Reaktion wurde in Gegenwart eines Lösungsmittels (2 mL Xylol) sowie der in Tabelle 1 aufgeführten Katalysatoren (mit einem Gehalt von 0,05 Mol-% Katalysator bezogen auf die Menge an Bismut) bei Raumtemperatur durchgeführt.
Die Isocyanatabnahme und damit die Ausbildung einer Urethangruppe werden mittels horizontaler ATR-IR-Spektroskopie untersucht. Dazu werden in definierten Zeitabständen der Reaktionslösung 0,05 mL entnommen und direkt spektroskopiert. Anhand der relativen Intensitätsabnahme der asymmetrischen Isocyanat- Streckschwinung bei 2250 - 2285 cm'1 wird der Umsatz bestimmt. Der Ausgangsgehalt an freiem Isocyanat wurde bei Raumtemperatur der Reaktionslösung in Abwesenheit eines Katalysators bestimmt. Alle IR-Spektren wurden auf die Banden der symmetrischen und asymmetrischen Streckschwingungen der CFh-Gruppen normiert (3000 - 2870 cm'1).
Als Katalysatoren werden in Tabelle 1 im Einzelnen eingesetzt:
Vergleichsbeispiel 1 (Vgl. 1): Bi(bbz)3
Vergleichsbeispiel 2 (Vgl. 2): Br(PNsltBu)
Vergleichsbeispiel 3 (Vgl. 3): Bi(bbz)3 + 3 eq. Br(PNsltBu)
Beispiel 4 (Bsp. 4): Bi(O2C(PNsl/Bu))3
Vergleichsbeispiel 5 (Vgl. 5): ohne Katalysator
Tabelle 1
Wie der Tabelle 1 entnommen werden kann, zeigt sowohl das Bi-Carboxylat mit dem Liganden bbz (Vgl. 1 ) als auch das Halo-Imin Br(PNsltBu) (Vgl. 2) keine erhöhte Aktivität in der Urethanreaktion im Vergleich zur nicht-katalysierten Reaktion. Auch die Mischung bestehend aus Bi(bbz)3 und 3 eq. Br(PNsltBu) (Vgl. 3) zeigt in der katalytischen Aktivität der Urethanreaktion nur eine leichte Erhöhung im Vergleich zur unkatalysierten Reaktion. Überraschenderweise ist die Verbindung Bi(O2C(PNsltBu))3 in den ersten 10 Minuten der Katalyse ebenso inaktiv wie die Mischung bestehend aus Bi(bbz)3 und 3 eq. Br(PNsltBu) (Vgl. 3). Nach dieser inhibierenden Phase wird jedoch ein bemerkenswerter Anstieg der katalytischen Aktivität beobachtet, der nach 60 min einen Umsatz von 90% erreicht.

Claims

Ansprüche
Ligand gemäß der allgemeinen Formel (I) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)-,
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
E ist H oder Alkali,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier
Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-C -Alkyl,
X ist BF4, OH oder Halogen, wobei
A (NH)+(X)' ist, B CH2, CH, CR5oder CR5H ist, D CH2, CH, CR6oder CR6H ist, E H ist,
R1 C2-C4-Alkyl ist, R2 C2-C4-Alkyl ist, R3 H oder Methyl ist, R4 H oder Methyl ist
R5 und R6 gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoffatomen ausbilden, sofern B und D nicht CH2 oder CH sind, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam vorzugsweise ein unsubstituiertes Benzolfragment ausbilden,
X BF4 ist.
2. Ligand gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass i) B und D sowie gegebenenfalls R5 und R6 jeweils die gleiche Definition haben, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam gegebenenfalls ein Benzolfragment ausbilden, das vorzugsweise unsubstituiert ist, und/oder ii) R1 und R2 jeweils die gleiche Definition haben, und/oder ill) R3 und R4 jeweils die gleiche Definition haben, und/oder iv) Alkali gleich Natrium oder Kalium, vorzugsweise Natrium, ist, sofern E gleich Alkali ist, und/oder v) Halogen gleich Chlor oder Brom ist, sofern X gleich Halogen ist.
3. Ligand gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ligand 4- carboxy-N-(1 ,3-diisopropyl-1 ,3-dihydro-2H-benzo[d]imidazol-2-yliden)-2,6- dimethylbenzenaminium-tetrafluoroborat oder 4-carboxy-N-(1 ,3-di-tert- butylimidazolidin-2-yliden)benzenaminium-tetrafluoroborat ist.
4. Bismuthaltiger Katalysator gemäß der allgemeinen Formel (II) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)-,
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl, R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier
Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-C -Alkyl,
X ist BF4, OH oder Halogen, wobei in jedem der drei Liganden des bismuthaltigen Katalysators die jeweiligen Variablen unabhängig von den jeweils anderen Liganden definiert sein können oder alle drei Liganden gleich definiert sind.
5. Bismuthaltiger Katalysator gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle drei Liganden des bismuthaltigen Katalysators gleich definiert sind.
6. Bismuthaltiger Katalysator gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass i) B und D sowie gegebenenfalls R5 und R6 jeweils die gleiche Definition haben, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam gegebenenfalls ein Benzolfragment ausbilden, das vorzugsweise unsubstituiert ist, und/oder ii) R1 und R2 jeweils die gleiche Definition haben, und/oder ill) R3 und R4 jeweils die gleiche Definition haben, und/oder iv) Halogen gleich Chlor oder Brom ist, sofern X gleich Halogen ist.
7. Bismuthaltiger Katalysator gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
A (NH)+(X)- ist,
B CH2, CH, CR5 oder CR5H ist,
D CH2, CH, CR6 oder CR6H ist,
R1 C2-C4-Alkyl ist,
R2 C2-C4-Alkyl ist,
R3 H oder Methyl ist,
R4 H oder Methyl ist
R5 und R6 gemeinsam eine Brücke mit vier Kohlenstoff atom en ausbilden, sofern B und D nicht CH2 oder CH sind, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam vorzugsweise ein unsubstituiertes Benzolfragment ausbilden, X BF4 ist. Bismuthaltiger Katalysator gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bismuthaltige Katalysator Bismut(lll)-(4-((1 ,3-di-tert- butylimidazolidin-2-yliden)ammonio)benzoat)tetrafluoroborat)3 ([Bi(O2C(PNsltBu)H)3][BF4]3) ist. Vorstufe eines Liganden gemäß der allgemeinen Formel (III) in der die Variablen wie folgt definiert sind:
A ist N oder (NH)+(X)-,
B ist CH2, CH, CR5 oder CR5H,
D ist CH2, CH, CR6 oder CR6H,
R1 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R2 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R3 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R4 ist H oder Ci-Cio-Alkyl,
R5 ist Ci-C -Alkyl,
R6 ist Ci-C -Alkyl oder R5 und R6 bilden gemeinsam eine Brücke mit vier
Kohlenstoffatomen aus, wobei B, D, R5 und R6 gemeinsam ein Benzolfragment ausbilden können, das gegebenenfalls mit einem Rest R7 zumindest monosubstituiert sein kann,
R7 ist Ci-C -Alkyl,
X ist BF4, OH oder Halogen
Y ist Halogen, vorzugsweise Br. Verfahren zur Herstellung eines Liganden gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ligand gemäß der allgemeinen Formel (I) aus der entsprechenden Vorstufe eines Liganden der allgemeinen Formel (III) gemäß Anspruch 10 durch Carboxylierung dieser Vorstufe in Gegenwart eines Katalysators erhalten wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines bismuthaltigen Katalysators der allgemeinen Formel (II) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass i) mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel (I) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 mit ii) mindestens einer bismuthaltigen Verbindung ausgewählt aus Bi2O3, Bismutcarbonat, Bismuthydrogencarbonat, Bismuthalogenid, Bismuth- carboxylat, Bi(C6-Ci4-Aryl)3, Bi(Ci-Ci2-Alkyl)3 oder metallischem Bismut umgesetzt wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die bismuthaltige Verbindung ausgewählt ist aus Bi2O3, BiCI3, Bi(CeH5)3 oder metallischem Bismut.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass i) die Umsetzung unter Schutzatmosphäre und/oder in Gegenwart von mindestens einem Lösungsmittel, insbesondere Toluol, Acetonitril oder Tetrahydrofuran, durchgeführt wird, und/oder ii) die Umsetzung für mindestens 10 Stunden und/oder bei einer Temperatur von mindestens 100°C durchgeführt wird, und/oder ill) im Anschluss an die Umsetzung flüchtige Bestandteile entfernt, der bismuthaltige Katalysator im Vakuum getrocknet und/oder eine Umkristallisation durchgeführt wird.
14. Verwendung von mindestens einem bismuthaltigen Katalysator gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8 zur Herstellung von Verbindungen, die eine Urethangruppe enthalten.
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