Verfahren zur Herstellung von unsymmetrischen Biarylalkoholen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von unsymmetrischen Biarylalkoholen, wobei durch anodische Dehydrodimerisierung von substituierten ortho-Alkoxy- arylalkoholen in Gegenwart von teil- und/oder perfluorierten Mediatoren und einem Leitsalz gearbeitet wird.
Biaryle sind als solche bekannt und werden industriell eingesetzt. Verbindungen wie 3,3',5,5'-Tetramethylbiphenyl-2,2'-diol sind als Rückgrate für Liganden von sehr großem Interesse. Ein möglicher Zugang zu dieser Substanzklasse ist die (elektrochemische) oxidative Dimerisierung von Phenolen. Diese verläuft jedoch oftmals unselektiv.
Es konnte gezeigt werden, dass die symmetrische Phenolkupplung an bordotierten
Diamantelektroden (BDD) unter Verwendung von Leitsalzen und fluorierten Mediatoren realisiert werden kann wie es von A. Kirste, M. Nieger, I. M. Malkowsky, F. Stecker, A. Fischer, S. R. Waldvogel in Chem. Eur. J. 2009, 15, 2273 und in WO-A 2006/077204 beschrieben ist. Ein Verfahren zur Herstellung der unsymmetrischen Biarylalkohole wird nicht beschrieben.
Unter Verwendung von anderen Kohlenstoffelektroden und auch fluorierten Carbonsäuren als Mediatoren kann eine selektive und effiziente symmetrische Biphenol- kupplung von z.B. 2,4-Dimethylphenol erreicht werden. Das lösungsmittelfreie Verfah- ren benötigt lediglich ungeteilte Elektrolysenzellen wie es von A. Fischer, I. M. Malkowsky, F. Stecker, A. Kirste, S. R. Waldvogel in Anodic Preparation of Biphenols on BDD electrodes und EP-A 08163356.2 beschrieben ist. Die Verwendung einer Diamantelektrode als Anode für die Herstellung der unsymmetrischen Biarylverbindungen wurde hier nicht beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die selektive und effiziente anodische Dehydrodimerisierung von substituierten ortho-Alkoxyarylalkoholen zu unsymmetrischen Biarylalkoholen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von unsymmetrischen Biarylalkoholen, wobei substituierte ortho-Alkoxyarylalkohole in Gegenwart von teil- und/oder perfluorierten Mediatoren und wenigstens einem Leitsalz anodisch dehydro- dimerisiert werden.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die OH-Gruppe der eingesetzten ortho-Alkoxyarylalkohole direkt an den Aromaten gebunden ist.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die eingesetzten substituierten ortho-Alkoxyarylalkohole identisch sind.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die eingesetzten substituierten ortho-Alkoxyarylalkohole ein- oder zweikernig sind.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Dimerisierung in ortho- Stellung zur einen und in meta-Stellung zur anderen Alkoholgruppe der ortho- Alkoxyarylalkohole stattfindet.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die eingesetzten Mediatoren teil- und/oder perfluorierte Alkohole und/oder Säuren sind.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn als Mediatoren 1 ,1 ,1 ,3,3,3- Hexafluorisopropanol und/oder Trifluoressigsäure eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wobei als Leitsalze solche eingesetzt werden, die ausgewählt sind aus der Gruppe von Alkali-, Erdalkali-, Tetra(d- bis Cβ- alkyl)ammoniumsalzen.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Gegenionen der Leitsalze ausgewählt sind aus der Gruppe von Sulfat, Hydrogensulfat, Alkylsulfate, Arylsulfate, Halogenide, Phosphate, Carbonate, Alkylphosphate, Alkylcarbonate, Nitrat, Alkoholate, Tetrafluorborat, Hexafluorophosphat und Perchlorat.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn für die Elektrolyse kein weiteres Lösungsmittel eingesetzt wird.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn eine Nickelkathode verwendet wird.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn für die Elektrolyse eine Durchflusszelle eingesetzt wird.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn Stromdichten von 1 bis 1000 mA /cm2 eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Elektrolyse bei Temperaturen im Bereich von -20 bis 1000C und Normaldruck durchgeführt wird.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn als ortho-Alkoxyarylalkohol 4- Methylguajacol eingesetzt wird.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Anode ausgewählt ist aus der Gruppe von Graphit- und bordotierter Diamantelektrode.
Unter ortho-Alkoxyarylalkohol werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung aromatische mit einer Alkoxygruppe in ortho-Stellung substituierte Alkohole verstanden, bei denen die Hydroxylgruppe direkt an den aromatischen Kern gebunden ist.
Der Aromat, der dem ortho-Alkoxyarylalkohol zugrunde liegt, kann ein- oder mehrkernig sein. Bevorzugt ist der Aromat einkernig (Phenolderivate) gemäß Formel I oder zweikernig (Naphtholderivate) gemäß Formel II, besonders bevorzugt sind einkernige Aromaten.
I
Die Alkoxygruppe (OAIk) der ortho-Alkoxyarylalkohole, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden sind Ci bis Cio-Alkoxygruppe, bevorzugt Methoxy, Etho- xy, n-Propoxy, i-Propoxy-, n-Butoxy, i-Butoxy, tert-Butoxygruppen, besonders bevorzugt, Methoxy-, Ethoxy-, n-Propoxy-, ganz besonders bevorzugt Methoxygruppen. Die ortho-Alkoxyarylalkohle können noch weitere Substituenten R1 bis R6 tragen. Diese Substituenten R1 bis R6 sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe von Ci-Cio-Alkylgruppen, Halogenen, Ci-Cio-Alkoxygruppen, durch Sauerstoff oder Schwefel unterbrochene Alkylen- oder Arylenreste, Ci-Cio-Alkoxycarboxyl-, Nitril-, Nitro- sowie Ci-Cio-Alkoxycarbamoylgruppen. Bevorzugt sind die Substituenten ausgewählt aus der Gruppe von Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, Trifluormethyl, Fluor, Chlor, Brom, lod, Methoxy, Ethoxy, Methylen, Ethylen, Propylen, Isopropylen, Benzyliden, Nitril, Nitro. Besonders bevorzugt sind die Substituenten ausgewählt aus der Gruppe von Methyl, Methoxy, Methylen, Ethylen, Trifluormethyl, Fluor und Brom.
Die Herstellung des unsymmetrischen Biarylalkohols erfolgt elektrochemisch, wobei der entsprechende ortho-Alkoxyarylalkohol anodisch oxidiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend Elektrodimerisierung genannt. Es wurde überraschender Weise gefunden, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Mediatoren die unsymmetrischen Biarylalkohole selektiv und in hoher Ausbeute entstehen. Des Weiteren wurde gefunden, dass durch das erfindungsgemä-
ße Verfahren ungeteilte Zellaufbauten sowie lösungsmittelfreie Verfahren angewendet werden können.
Die Aufarbeitung und Gewinnung der unsymmetrischen Biarylalkohole gestaltet sich sehr einfach. Nach Beendigung der Reaktion wird die Elektrolytlösung nach allgemei- nen Trennmethoden aufgearbeitet. Hierzu wird die Elektrolytlösung im Allgemeinen zuerst destilliert und die einzelnen Verbindungen in Form von unterschiedlichen Fraktionen getrennt gewonnen. Eine weitere Reinigung kann beispielsweise durch Kristallisation, Destillation, Sublimation oder chromatographisch erfolgen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren sind Elektroden ausgewählt aus der Gruppe von Eisen, Stahl, Edelstahl, Nickel, Edelmetalle wie Platin, Graphit, Kohlematerialien wie die Diamantelektroden. Diese Diamantelektroden entstehen in dem man auf ein Trägermaterial ein oder mehrere Diamantschichten aufbringt. Als mögliche Trägermaterialien eignen sich Niob, Silizium, Wolfram, Titan, Siliziumcarbid, Tantal, Graphit oder keramische Träger wie Titansuboxid. Bevorzugt für das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch ein Träger aus Niob, Titan oder Silizium, ganz besonders bevorzugt ist ein Träger aus Niob, wenn eine Diamantelektrode eingesetzt wird. Bevorzugt ist die Anode ausgewählt aus der Gruppe von Graphit- und Diamantelektrode, wobei die Diamantelektrode auch noch mit weiteren Elementen dotiert sein kann. Als Dotierungselemente sind Bor und Stickstoff bevorzugt. Ganz besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren mit einer bordotierten Diamantelektrode (BDD-Elektrode) als Anode.
Das Kathodenmaterial ist dabei ausgewählt aus der Gruppe von Eisen-, Stahl-, Edelstahl-, Nickel-, Edelmetalle- wie Platin-, Graphit-, Kohlematerialien- und Diamantelekt- roden. Bevorzugt ist die Kathode ausgewählt aus der Gruppe von Nickel, Stahl und Edelstahl. Besonders bevorzugt ist die Kathode aus Nickel.
Bevorzugte Elektrodenmaterialkombinationen für Anode und Kathode sind eine Kombination aus Graphitanode und Nickelkathode sowie die Kombination aus bordotierter Diamantanode und Nickelkathode.
Als Mediatoren werden im erfindungsgemäßen Verfahren teil- und/oder perfluorierte Alkohole und/oder Säuren, bevorzugt perfluorierte Alkohole sowie Carbonsäuren, ganz besonders bevorzugt 1 ,1 ,1 ,3,3,3-Hexafluorisopropanol oder Trifluoressigsäure ver- wendet.
Im Elektrolyten sind keine weiteren Lösungsmittel erforderlich.
Die Elektrolyse wird in den üblichen, dem Fachmann bekannten Elektrolysezellen durchgeführt. Geeignete Elektrolysezellen sind dem Fachmann bekannt. Vorzugsweise arbeitet man kontinuierlich in ungeteilten Durchflusszellen oder diskontinuierlich in Becherglaszellen.
Ganz besonders geeignet sind bipolar geschaltete Kapillarspaltzellen oder Plattensta- pelzellen, bei denn die Elektroden als Platten ausgestaltet sind und planparallel angeordnet sind wie es in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1999 electronic release, Sixth Edition, Wiley-VCH-Weinheim, (doi: 10. 1002/14356007.a09_183.pub2) und in Electrochemistry, Chapter 3.5. special cell designs sowie Chapter 5, Organic Electrochemistry, Subchapter 5.4.3.2 Cell Design beschrieben ist.
Die Stromdichten, bei denen das Verfahren durchgeführt wird, betragen im allgemeinen 1 - 1000, bevorzugt 5 - 100 mA/cm2. Die Temperaturen betragen üblicherweise -20 bis 1000C, bevorzugt 10 bis 600C. Im Allgemeinen wird bei Normaldruck gearbeitet. Höhere Drücke werden bevorzugt dann angewandt, wenn bei höheren Temperaturen gearbeitet werden soll, um ein Sieden der Ausgangsverbindungen bzw. Cosolventien bzw. Mediatoren zu vermeiden.
Zur Durchführung der Elektrolyse werden die ortho-Alkoxyarylalkoholverbindung in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Es eignen sich die üblichen, dem Fachmann bekannten Lösungsmittel, vorzugsweise Lösungsmittel aus der Gruppe der polaren protischen und polaren aprotischen Lösungsmittel. Besonders bevorzugt dient die or- tho-Alkoxyarylalkoholverbindung selbst als Lösungsmittel und Reagenz. Beispiele für polare aprotische Lösungsmittel umfassen Nitrile, Amide, Carbonate, E- ther, Harnstoffe, Chlorkohlenwasserstoffe. Beispiele für besonders bevorzugte polare aprotische Lösungsmittel umfassen Actonitril, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Propylencarbonat und Dichlormethan. Beispiele für polare protische Lösungsmittel umfassen Alkohole, Carbonsäuren und Amide. Beispiele für besonders bevorzugte polare protische Lösungsmittel umfassen Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol und Hexanol. Diese können auch teilweise oder vollständig halogeniert sein, wie 1 ,1 ,1 ,3,3,3-Hexafluorisopropanol (HFIP) oder Trifluoressigsäure (TFA).
Gegebenenfalls setzt man der Elektrolyselösung übliche Cosolvenzien zu. Dabei han- delt es sich um die in der organischen Chemie üblichen inerten Lösungsmittel mit einem hohen Oxidationspotential. Beispielhaft genannt seinen Dimethylcarbonat, Propylencarbonat, Tetrahydrofuran, Dimethoxyethan, Acetonitril oder Dimethylformamid.
Als Leitsalze, die in der Elektrolyselösung enthalten sind, handelt es sich im Allgemei- nen um Alkali-, Erdalkali-, Tetra(d- bis C6-alkyl)ammonium-, bevorzugt Tri(Ci- bis Cβ- alkyl)-methylammoniumsalze. Als Gegenion kommen Sulfate, Hydrogensulfate, Alkyl- sulfate, Arylsulfate, Halogenide, Phosphate, Carbonate, Alkylphosphate, Alkylcarbona- te, Nitrat, Alkoholate, Tetrafluorborat, Hexafluorophosphat oder Perchlorat in Betracht. Weiterhin kommen die von den vorstehend genannten Anionen abgeleiteten Säuren als Leitsalze in Betracht.
Ganz besonders bevorzugt sind Methyltributylammoniummethylsulfate (MTBS), Me- thyltriethylammoniummethylsulfat (MTES), Methyltripropylmethylammoniummethylsul- fate, oder Tetrabutylammonium, Tetrafluoroborat (TBABF).
Beispiele: (Tabellen mit Umsetzungen)
Beispiel 1 : Anodische Oxidation von 4-Methylguajacol an einer BDD-Anode mit He- xafluorisopropanol (HFIP)
In einer Elektrolysezelle, an die über einen Flansch eine BDD-beschichtete Siliziumplatte angebracht und als Anode geschaltet ist, wird der Elektrolyt bestehend aus 2,76 g 4-Methylguajacol, 0,68 g Methyltriethylammoniummethylsulfat (MTES) und 30 ml_ Hexafluorisopropanol (HFIP) gemäß Tabelle 1 vorgelegt. Dabei ist die Anodenoberfläche vollständig mit Elektrolyt bedeckt. Als Kathode wird ein Nickelnetz verwendet, das in einer Distanz von 1 cm zur BDD-Anode in den Elektrolyten getaucht wird. Die Zelle wird in einem Sandbad temperiert (500C). Die Durchführung der Elektrolyse erfolgt unter galvanostatischer Kontrolle und bei Stromdichten zwischen 2,8-9,5 mA/cm2. Die Umsetzung wird nach Erreichen des eingestellten Ladungslimits (1 F pro mol 4- Methylguajacol) abgebrochen. Das erkaltete Reaktionsgemisch wird mit ca. 20 ml_ To- luol in einen Kolben überführt, woraus am Rotationsverdampfer Toluol und das verwendete fluorierte Lösungsmittel nahezu vollständig entfernt werden. Überschüssiges Phenol kann mittels Kurzwegdestillation bei 1 ,0*10-1 mbar und 125 0C zurückgewonnen werden. Durch säulenchromatographische Aufreinigung des Destillationsrückstands an Kieselgel 60 (CH:EE=4:1 ) und anschließendem Waschen mit wenig kaltem n-Heptan kann das Produkt als farbloser, kristalliner Feststoff isoliert werden (0.90 g). Rp-Wert (CH:EE=2:1 ): 0.33; 1 H NMR (300 MHz, CDCI3) δ = 6.80 (s, 1 H), 6.76 (s, 1 H), 6.68 (d, J=1.7, 1 H), 6.56 (d, J=1.7, 1 H), 5.28 (s, 2H), 3.90 (s, 6H), 2.30 (s, 3H), 2.13 (s, 3H); 13C-NMR (100 MHz, CDCI3): δ = 13C NMR (75 MHz, CDCI3) δ = 146.25, 145.80, 143.21 , 140.41 , 130.00, 128.70, 128.32, 127.37, 123.34, 1 16.15, 1 12.29, 1 10.54, 55.95, 55.89, 21.06, 19.49.
Tabelle 1 :
Umsetzung von 4-Methylguajacol (MG) an BDD unter Verwendung von HFIP
M HFIP: 1 ,1 ,1 ,3,3,3-Hexafluorisopropanol A: Ausbeute SA: Stromausbeute
Tabelle 2:
Umsetzung weiterer Guajacolderivate an BDD unter Verwendung von HFIP.
a Bezogen auf gesamtes Produkt: es entstehen ein symmetrisches 3,3'-Dihydroxy-1 ,1 '- biphenyl und das unsymmetrische Biphenyl im Verhältnis 2,5:1 ; Trennung der Isomere bisher nicht möglich. A: Ausbeute SA: Stromausbeute