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Dokumentenidentifikation DE4338088C2 15.05.1996
Titel Verfahren zur Herstellung von Lithiumalkoxiden
Anmelder FMC Corp., Philadelphia, Pa., US
Erfinder Schwindeman, James Anthony, Charlotte, N.C., US;
Dover, Bob Troy, Kings Mountain, N.C., US;
Morrison, Robert Charles, Gastonia, N.C., US;
Kamienski, Conrad William, Gastonia, N.C., US
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Anmeldedatum 08.11.1993
DE-Aktenzeichen 4338088
Offenlegungstag 11.05.1994
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse C07C 31/30
IPC-Nebenklasse C07C 29/70   C07C 43/10  

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Lithiumalkoxiden, bevorzugt von Lithium-tert.-alkoxiden durch Umsetzung von Lithiummetall mit einem (bevorzugt) tertiären Alkylalkohol in einem polaren Lösungsmittel.

Lithium-tert.-alkoxide werden als Polymerisationskatalysatoren und in der Synthese von pharmazeutischen Verbindungen verwendet. Lithiumalkoxide sind seit längerem bekannt und werden in einer Vielzahl von Lösungsmitteln hergestellt. Beispielsweise beschreiben C.W. Kamienski und D.H. Lewis ihre Herstellung und Löslichkeitseigenschaften in Alkoholen, Kohlenwasserstoffen und Ethern (J. Org. chem. 30 (1965), 3498). Weitere Autoren, beispielsweise O.C. Dermer in chem. Rev., (1934), 14, 38; J.H. Jones und J.S. Thomas, J. chem. Soc., 123 (1923), 3284 und D.J. Cram und Mitarbeiter, J. Am. Chem. Soc., 81 (1959) beschreiben die Herstellung von Lithiumalkoxiden in Alkoholen und Ethern, geben jedoch keine Löslichkeitswerte an.

Lithium-tert.-butoxid ist ein im Handel erhältliches Produkt, das als Polymerisationsinitiator und in der synthetischen Chemie angewendet wird, insbesondere in der Herstellung von antibakteriellen Arzneimitteln, wo es zur Beschleunigung der Cyclisierung zu β-Lactamringen dienen kann (US 5 075 439).

N.I. Kozlova et al., ZH. Neorg. Khein., 24(1), (1979) 192-9 führten physikalische Untersuchungen zur Löslichkeit von Lithium- und Natrium-tert.-butoxid in Tetrahydrofuran (THF) aus. Lithium-tert.-butoxid wurde in Hexan hergestellt, das feste Produkt isoliert und anschließend in Tetrahydrofuran gelöst. L. Lochmann et al., Collection Czechoslov. chem. Commun., Bd. 35 (1970), 733 beschreibt ebenfalls die Herstellung von Lithium-tert.-butoxid in Tetrahydrofuran, führt die Umsetzung zwischen dem Lithiummetall und dem tertiären Butylalkohol aber direkt in diesem Lösungsmittel aus. In US 3 761 529 wird ein Verfahren zur Reinigung von Alkalimetallalkoxiden durch Kristallisation aus polaren Lösungsmitteln wie Tetrahydrofuran beschrieben. L. Lochmann, J. Coupek und D. Lim (collection Czechoslov. chem. Commun. Bd. 36 (1970), Seite 734 ("Preparation of Some Alkoxides of Alkaline Metals") geben bei den Bedingungen für die Herstellung von Lithium-tert.-butoxid an, daß die Trübung der THF- Lösung schwer zu entfernen ist, und man das Alkoxid daher geeigneterweise eher in einem Kohlenwasserstoffmedium, wie z. B. Heptan herstellt. Hieraus ist ersichtlich, daß ein Überschuß an Lithiummetall gegenüber dem tert.-Butanol verwendet wurde.

Es ist in der Tat so, daß Lithiummetall das für eine beliebige wesentliche Zeitspanne (einige Stunden oder länger vor oder nach der Umsetzung mit dem tert.-Butanol) mit trockenem Tetrahydrofuran in Kontakt kommt, suspensoide Produkte erzeugt, die schwierig abzufiltrieren sind. Es ist daher nicht möglich, die gewünschten klaren Lösungen zu erhalten. Die Gegenwart von solchen schwer entfernbaren Suspensoiden, die unumgesetztes Lithiummetall enthalten, ist häufig ungünstig für die nachfolgenden Umsetzungen unter Verwendung des Lithium-tert.-butoxids insbesondere bei der Cyclisierung von Ketonen, Amiden, Estern usw.

Es ist noch nicht geklärt, woraus diese nicht-filtrierbaren Suspensoide letztlich bestehen, es wird aber angenommen, daß eine langsame Oberflächenreaktion zwischen dem Lithiummetall und Tetrahydrofuran stattfindet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, klare Lösungen von Lithiumalkoxiden einfach und ohne Filtrationsschwierigkeiten herzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von klaren, weitgehend farblosen Lösungen verzweigter Lithiumalkoxide, die 3 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten, in einem polaren Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithiummetall als Dispersion mit einer Teilchengröße von weniger als 300 µm vorliegt und mit einem stöchiometrischen Überschuß von mindestens 5 Mol-% eines verzweigten Alkylalkohols von 3 bis 12 Kohlenstoffatomen in einem polaren Lösungsmittel welches aus Tetrahydrofuran, Methyltetrahydrofuran, Tetrahydropyran, Pyridin, N,N,N&min;,N&min;-Tetramethylethylendiamin und 1,2-Dimethoxyethan gewählt wird, als Reaktionstionsmedium bei einer Temperatur von 50°C bis zum Siedepunkt des Lösungsmittels in einer inerten Atmosphäre umgesetzt wird. Das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Lithiummetall ist üblicherweise in Form einer Suspension (Dispersion), die nach Entfernen des Mineralöls durch Waschen mit dem Lösungsmittel in das Umsetzungsgefäß eingeführt wird, üblicherweise als Aufschlämmung mit dem Lösungsmittel. Es wird üblicherweise eine kommerziell erhältliche Dispersion aus Lithiummetall verwendet, die eine legierende Menge von Natrium (0,4 bis 0,76 Gew.-%, bezogen auf das Lithium) enthält; Dispersionen aus reinem Lithiummetall können jedoch ebenfalls verwendet werden. Die Lithiummetallteilchen sind bis zu 300 µm groß, insbesondere von 10 bis 300 µm.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Alkohole sind verzweigtkettige einwertige Alkylalkohole, die 3 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten. Beispiele für solche Alkohole sind iso-, sek.- und tert.-Alkohole oder Alkanole, wie Isopropylalkohol, sek. -Butanol, 4-Methyl-2-pentanol, tert.-Butanol, tert.-Amylalkohol, 3-Methyl-3-pentanol und 2,6-Dimethyl-4-heptanol. Erfindungsgemäß ebenfalls bevorzugt sind in 2-Stellung mit einem Alkylrest substituierte einwertige Alkohole, wie 2-Methylpentanol oder 2-Ethylhexanol.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt eine Dispersion aus Lithiummetall verwendet, die mehrere Male mit dem gleichen Lösungsmittel, das bei der Umsetzung verwendet werden wird, gewaschen wird, um das Dispersionsöl von dem Metall zu entfernen. Als Lösungsmittel wird besonders bevorzugt Tetrahydrofuran (THF) verwendet. Im allgemeinen sind drei Waschvorgänge ausreichend. Nach dem Waschen wird die Dispersion mit dem gesamten oder einem Teil des Lösungsmittels in das Umsetzungsgefäß überführt und auf 50°C erwärmt. Der Alkohol beispielsweise tert.-Butanol wird langsam in das Umsetzungsgefäß gegeben. Während der Zugabe steigt die Temperatur selbständig auf die Rückflußtemperatur an, im Fall von Tetrahydrofuran auf 66°C. Nachdem etwa die Hälfte des Alkohols zugegeben ist, fällt die Temperatur, wird aber auf mindestens 50°c gehalten. Nach vollständiger Zugabe des Alkohols wird das Umsetzungsgemisch für 2 bis 3 Stunden zur Vervollständigung der Umsetzung unter Rückfluß erhitzt. Nach Vervollständigung der Umsetzung wird das Umsetzungsgemisch auf Umgebungstemperatur abgekühlt und das Produkt wird üblicherweise mittels einer Filtrierhilfe abfiltriert, wobei sich eine klare farblose, 2 molare Lösung des Lithiumalkoxids in dem Lösungsmittel, beispielsweise des Lithiumtert.-butoxids in Tetrahydrofuran, ergibt.

Überraschenderweise bildet sich das schwer filtrierbare Suspensoid selbst bei erhöhten Temperaturen nicht, solange eine Umsetzung auf der Oberfläche des Lithiummetalls beispielsweise mit tert.-Butylalkohol stattfindet. Bringt man daher beispielsweise Lithiummetallpulver und THF nur für eine kurze Zeit, von 1 Stunde oder weniger in Kontakt und verwendet außerdem einen Überschuß an tert.-Butanol über Lithium wird die Bildung dieser unfiltrierbaren Suspensoide wirksam verhindert und eine klare Lösung des gewünschten Produktes beispielsweise aus Lithium-tert.-Butoxid in THF kann durch eine schnelle Umsetzung erzeugt werden.

Genau so bedeutend, wie die kurze anfängliche Lithiummetall/THF-Kontaktzeit ist die Verwendung eines Überschusses an tert.-Butanol über Lithium. Es wurde gefunden, daß ein mindestens 5 Mol-% Überschuß von tert.-Butanol über Lithiummetall notwendig ist und bevorzugt ein Überschuß von mindestens 10 Mol-% tert.-Butanol vorhanden ist. Ein bevorzugter Bereich des Überschusses an tert.-Butanol ist von 5 bis 20 Mol-%, besonders bevorzugt 8 bis 15 Mol-%. Dieser Überschuß an tert.-Butanol ist ausreichend, um die Bildung der schwer filtrierbaren Suspensoide zu verhindert.

Der bevorzugt eingesetzte Überschuß an tertiärem Butanol von 8 bis 15 Mol-% ist verhältnismäßig gering und liegt nur bei etwa 1 bis 5 Gew. -%, bezogen auf die gesamte Lösung. Diese geringen Mengen an freiem Alkohol stören üblicherweise nicht bei der hauptsächlichen Verwendung solcher Lösungen in der synthetischen Chemie.

Erfindungsgemäß können außer tert.-Butanol weitere Alkohole verwendet werden, die in einem Umsetzungslösungsmittel, wie Tetrahydrofuran lösliche Lithiumalkoxide bilden. Beispiele dafür sind beliebige iso-, β-verzweigte, tertiäre und sekundäre Alkohole, wie z. B. Isobutylalkohol, Isopropanol, sek.- Butanol, tert.-Butanol, tert.-Amylalkohol, Isoamylalkohol, 2-Methylpentanol, 2-Ethylhexanol und 3,3-Dimethylpentanol.

Weitere Lithium "reaktive" Lösungsmittel außer Tetrahydrofuran können ebenfalls verwendet werden, wie z. B. 1,2-Dimethoxyethan, Methyltetrahydrofuran, Tetrahydropyran, Pyridin und N,N,N&min;,N&min;-Tetramethylethylendiamin.

In dem Verfahren wird ein mindestens 5 und vorzugsweise 10 Mol-% Überschuß an Alkohol über die stöchiometrische Menge an Lithium verwendet. Der stöchiometrische Überschuß an Alkohol kann auch 50 bis 100 Mol-% betragen, ein höherer Überschuß als 20 Mol-% an tert.-Butanol liefert jedoch keine wesentliche Verbesserung der Filtergeschwindigkeit mehr. Wird weniger als 5 Mol-% Überschuß über die stöchiometrische Menge des tert.-Butanols verwendet, ist das Produkt sehr schwer zu filtrieren.

Das folgende Beispiel veranschaulicht die Erfindung.

Beispiel 1 Herstellung von Lithium-tert.-butoxid in Tetrahydrofuran unter Verwendung eines Überschusses an tert.-Butanol

Ein 1-Liter Dreihalskolben wurde mit einem mechanischen Rührer, einem 250 ml Tropftrichter mit Druckausgleich und einem Claisen-Aufsatz, der mit einem Rückflußkühler, einem Thermoelement und einem Einlaß für Argongas ausgestattet war, ausgerüstet. Der Aufbau wurde über Nacht bei 125°C getrocknet, heiß zusammengefügt und unter einem Argonstrom auf Raumtemperatur abgekühlt. 8,75 g (1,26 Mol) Lithiumdispersion wurden durch dreimaliges Waschen mit Tetrahydrofuran von Mineralöl gereinigt, unter Argon getrocknet und zusammen mit 450 ml Tetrahydrofuran in den Kolben überführt. Die entstehende Aufschlämmung wurde mit 400 U/min gerührt und unter Verwendung eines Heizbands auf 50°C erhitzt, wobei die Temperatur über ein Thermoelement geregelt wurde. 103,03 g (1,39 Mol, 10,31% Überschuß) tert.-Butanol und 70 ml Tetrahydrofuran wurden in dem Tropftrichter gemischt und anschließend tropfenweise zugefügt. Die Entwicklung von Wasserstoffgas setzt praktisch sofort ein und die Temperatur begann spontan zu steigen. Nach Zugabe von 15 ml der alkoholischen Lösung war die Rückflußtemperatur erreicht. Bei der weiteren Zugabe der alkoholischen Lösung nahm die Umsetzungstemperatur langsam ab. Die Zugabe der alkoholischen Lösung war nach 1 Stunde und 3 Minuten beendet. Das Umsetzungsgemisch war am Ende der Zugabe weiß/opaque. Es wurde zum Rückfluß erhitzt und während des Erhitzens nahm die Opazität des Gemischs ab. Nach 2-stündigem Erhitzen unter Rückfluß entwickelte sich immer noch Gas und nach 3 Stunden Erhitzen unter Rückfluß war das Umsetzungsgemisch immer noch leicht trübe. Die Temperaturquelle wurde entfernt und man ließ das Umsetzungsgemisch auf Raumtemperatur abkühlen. Die Lösung wurde auf einen Filter mit einer Filterhilfe überführt und unter 17,2 kPa (2,5 psi) Argondruck schnell filtriert. Man ließ die Lösung auf Zimmertemperatur abkühlen und filtrierte erneut. Die Filtration verlief schnell (2 Minuten) bei 17,2 kPa (2,5 psi) Argondruck und ergab 522 g (625 ml) einer klaren hellgelben Flüssigkeit ohne Trübung. Die Lösung enthielt 17,65 Gew.-% (91,4 % d.Th.) Lithium-tert.-butoxid und war 1,94 molar.

Vergleichsbeispiel A Herstellung von Lithium-tert.-butoxid in Tetrahydrofuran unter Verwendung eines Überschusses an Lithiummetall

5,6 g (0,8 Grammatome) Lithiummetallpulver und 130 ml Tetrahydrofuran wurden zusammen mit 5 ml tert.-Butanol in einen Kolben gefüllt und zum Rückfluß erhitzt. Zu dem Gemisch unter Rückfluß wurde eine Lösung von 40 ml (0,42 Mol) tert.-Butanol, gelöst in der gleichen Menge Tetrahydrofuran tropfenweise während 1,5 Stunden zugegeben. Anschließend wurde das Gemisch weitere 1,5 Stunden unter Rückfluß erhitzt. Nach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur setzte sich selbst nach 3 Tagen (über ein Wochenende) kein Feststoff aus dem entstandenen pinkfarbigen Umsetzungsgemisch ab.

Die Filtration ging sehr langsam, und dauerte 16 Stunden. Man erhielt 200 ml einer gelben, klaren Lösung, die kein tert.-Butanol enthielt (nachgeprüft mittels GLC). Die Lösung war 1,87 molar bezüglich Lithium-tert.-butoxid (93,5% d.Th.) Es wird angenommen, daß die schlechte Filtrierbarkeit durch eine langsame Umsetzung zwischen dem Lithiummetall und Tetrahydrofuran hervorgerufen wird.

Um dies näher zu untersuchen, wurden Lithiummetallpulver und Tetrahydrofuran (6 ppm Wasser) 4 Stunden lang gerührt und anschließend mit einem 10 Mol-%igen Überschuß an tert.-Butanol auf übliche Art und Weise umgesetzt. Nach dem Abkühlen des Umsetzungsgemisches dauerte die Filtration 4 Stunden. Keine Schwierigkeiten mit der Filtration wurden beobachtet, wenn statt des Tetrahydrofurans zur Herstellung von Lithiumtert.-butoxid Heptan verwendet wurde, wie von c.w. Kamienski und D.H. Lewis, J. Org. chem., 30 (1965) 3503, vorgeschlagen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung klarer, weitgehend farbloser Lösungen verzweigter Lithiumalkoxide, die 3 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten, in einem polaren Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithiummetall als Dispersion mit einer Teilchengröße von weniger als 300 µm vorliegt und mit einem stöchiometrischen Überschuß von mindestens 5 Mol-% eines verzweigten Alkylalkohols mit 3 bis 12 Kohlenstoffatomen in einem polaren Lösungsmittel, welches aus Tetrahydrofuran, Methyltetrahydrofuran, Tetrahydropyran, Pyridin, N,N,N&min;,N&min;-Tetramethylethylendiamin und 1,2-Dimethoxyethan gewählt wird, bei einer Temperatur von 50°C bis zum Siedepunkt des Lösungsmittels in einer inerten Atmosphäre umgesetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verzweigte Alkylalkohol in einem stöchiometrischen Überschuß von 5 bis 50%, bezogen auf das verwendete Lithiummetall verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verzweigte Alkylalkohol in einem stöchiometrischen Überschuß von 8 bis 15%, bezogen auf das Lithiummetall verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verzweigte Alkylalkohol, Isopropanol, Isobutanol, sek.-Butanol, tert.-Butanol, 4-Methyl- 2-pentanol, 3-Methyl-3-pentanol, tert.-Amylalkohol, 2,6- Dimethyl-4-heptanol, 2-Ethylhexanol oder 3, 3-Dimethylpentanol ist bzw. daß die entsprechenden Alkylalkoholate eingesetzt werden.
  5. 5. Verfahren zur Herstellung klarer, weitgehend farbloser Lösungen von verzweigten Lithiumalkoxiden, die 3 bis 12 Kohlenstoffatome enthalten, in einem polaren Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithiummetall als Dispersion mit einer Teilchengröße von 10 bis 300 µm mit einem stöchiometrischen Überschuß von B bis 15 Mol-% an tert.-Butanol bei einer Temperatur zwischen 50°C und 66°C in Tetrahydrofuran in einer inerten Atmosphäre umgesetzt wird.






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