DE69920252T2

DE69920252T2 - Verfahren zur herstellung von vernetzt verbrückten tetraazamacrocyclen

Info

Publication number: DE69920252T2
Application number: DE69920252T
Authority: DE
Inventors: Douglas George HILER; Mark Christopher PERKINS
Original assignee: Procter and Gamble Co
Current assignee: Procter and Gamble Co
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: ES2226463T3; JP2002530284A; AU1522200A; DE69920252D1; EP1129095B1; US6555681B1; EP1129095A1; WO2000029413A1; ATE276258T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von kreuzverbrückten Tetraaza-Makrocyclen, wobei die Makrocyclen als Liganden zur Verwendung in der Herstellung von Übergangsmetallkomplexen geeignet sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, welches zur Verwendung in industriellen und anderen kommerziellen Zubereitungen der hierin beschriebenen kreuzverbrückten Makrocyclen äußerst geeignet ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Tetraaza-Makrocyclen, beispielsweise Cyclam, wurden auf verschiedene Art und Weise hergestellt. Jedoch besteht ein Mangel an Informationen bezüglich der Herstellung von kreuzverbrückten Tetraaza-Makrocyclen inter alia 1,5,8,12-Tetraaza-bicyclo[6.6.2]hexadecan. Kürzlich wurde herausgefunden, dass bis-N-substituierte Tetraaza-Makrocyclen, inter alia 5,12-Dialkyl- oder -Dialkylenaryl-1,5,8,12-tetraazabicyclo[6.6.2]hexadecane, als Liganden insbesondere auf dem Gebiet der Übergangsmetallkatalysatoren, inter alia von Bleichkatalysatoren, weitreichend anwendbar sind.
Die WO 98/39335 A1 "Improved Methods of Making Cross-Bridged Macropolycycles" offenbart ein vernünftiges Verfahren zur Herstellung von kreuzverbrückten makropolycyclischen Liganden, welches für einen industriellen Scale-up notwendigen hohen Ausbeuten zugänglich ist. Jedoch verwendet der Schritt der reduktiven Ringspaltung, welcher in der Bildung von bicyclischen verbrückten Ringen resultiert, einen großen Überschuss eines Borhydrid-Reduktionsmittels. Dieser Überschuss an Reduktionsmittel kann für den Zubereiter Einschränkungen bedeuten. Wenn beispielsweise die offenbarten Liganden in einem industriellen Maßstab hergestellt werden, bedeutet ein jeglicher Überschuss eines Reagenzes jenseits der stöchiometrischen Menge einen erhöhten Kostenaufwand für den Zubereiter. Zusätzlich erhöht eine angemessene Rückgewinnung und Entsorgung von Bor-Abfallprodukten die Kosten des Verfahrens. Ein Überschuss an Borhydrid erfordert die Neutralisierung, welche die Verwendung von Säure und die Freisetzung einer großen Menge an Wasserstoffgas einschließt.
Daher besteht der Bedarf an einem hoch quantitativen, stöchiometrischen Verfahren zur Herstellung von kreuzverbrückten makropolycyclischen Liganden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erfüllt den vorstehend erwähnten Bedarf dahingehend, dass überraschend gefunden wurde, dass ungefähr 1 Moläquivalent eines Borhydrid-Reduktionsmittels zur Umwandlung von cis-Tetracyclen zu kreuzverbrückten makropolycyclischen Liganden erforderlich ist.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kreuzverbrückten makrocyclischen Tetraaza-Liganden mit der Formel:
worin jedes R unabhängig ein lineares C₁-C₂₂-Alkyl, verzweigtes C₁-C₂₂-Alkyl, C₇-C₂₂-Alkylenaryl, alkylsubstituiertes C₈-C₂₂-Alkylenaryl und Mischungen hiervon bedeutet; jeder Index n unabhängig 0 bis 3 ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

a) Umsetzen eines Moläquivalents eines makrocyclischen Tetraaza-Ligandenvorläufers der Formel:
worin X^– ein Anion ist, das Ladungsneutralität vorsieht, mit 1 Moläquivalent bis 3,5 Moläquivalenten eines Reduktionsmittels der Formel MBH₄, worin M aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus Lithium, Natrium, Kalium und Mischungen hiervon;

Alle Prozentangaben, Verhältnisse und Proportionen hierin beziehen sich auf das Gewicht, solange nichts anderes angegeben ist. Alle Temperaturen sind in Grad Celcius (°C), solange nichts anderes angegeben ist. Alle zitierten Dokumente sind in ihren relevanten Teilen hierin durch Bezugnahme eingeschlossen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bis zur Offenbarung der WO 98/39335 A1 existierte kein Verfahren zur Herstellung von kreuzverbrückten makrocyclischen Tetraaza-Liganden, insbesondere von Liganden, welche zur Verwendung in der Herstellung von Katalysatoren, inter alia Mangan(II)-Bleichkatalysatoren, geeignet sind, welches einer industriellen Anwendung zugänglich wäre.
Die WO 98/39098 A1 "Catalysts and Methods for Catalytic Oxidation", veröffentlicht am 11. September 1998, offenbart kreuzverbrückte makrocyclische Tetraaza-Liganden und daraus gebildete Übergangsmetallkomplexe. Diese Übergangsmetallkomplexe dienen als Oxidationskatalysatoren, welche einen breiten Verwendungsbereich inter alia als Bleichkatalysatoren zur Verwendung in der Entfernung von Flecken von Textilien aufweisen. Ein bevorzugter Katalysator ist 5,12-Dimethyl-1,5,8,12-tetraazabicyclo[6.6.2]hexadecan-Mangan(II)chlorid, welcher den kreuzverbrückten Liganden 5,12-Dimethyl-1,5,8,12-tetraazabicyclo[6.6.2]hexadecan umfasst. Die WO 98/39335 A1 beschreibt die Herstellung dieses Liganden, worin 12 Mole NaBH₄ zur Spaltung einer bis(quaternäres N-Methyl)-cis-tetracyclischen-Vorstufe zu 5,12-Dimethyl-1,5,8,12-tetraazabicyclo[6.6.2]hexadecan verwendet werden. Die vorliegende Erfindung stabilisiert das Borhydrid durch Führen des Schritts (a) bei einem pH von mindestens ungefähr 11.
Es wurde überraschend herausgefunden, dass diese Umwandlung und Umwandlungen, welche andere cis-Tetracyclen in kreuzverbrückte Makrocyclen umsetzen, in annähernd quantitativer Ausbeute in fast stöchiometrischer Menge des Borhydrid-Reduktionsmittels durchgeführt werden können.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung betrifft die reduktive Spaltung eines cis-Tetracyclus mit der Formel:
worin ein jedes R unabhängig voneinander lineares C₁-C₂₂-Alkyl, verzweigtes C₁-C₂₂-Alkyl, C₇-C₂₂-Alkylenaryl, alkylsubstituiertes C8-C₂₂-Alkylenaryl und Mischungen hiervon bedeutet; X ein Anion darstellt, welches eine Elektroneutralität gewährleistet; ein jeder Index n unabhängig voneinander von 0 bis 3 reicht. Die reduktive Ringspaltung resultiert in einem makrocyclischen Tetraaza-Liganden mit der Formel:
worin R und der Index n wie hierin oben definiert sind.
X ist ein Anion, welches zur Bereitstellung der Elektroneutralität in dem bisquaternären cis-Tetracyclus dient. Für den Fachmann ist es klar, dass der Begriff "Elektroneutralität" sich auf "eine ausreichende Menge einer anionischen Spezies, welche die molekularen Ladungsausgleichserfordernisse erfüllt" bezieht, und dass eine Mischung von mono-, di-, tri- etc. elektronischen Spezies hierin verwende werden können. X weist vorzugsweise eine einzige negative Ladung auf, beispielsweise Halogen, Tosylat, Methylsulfat. Jedoch kann X mehr als eine negative Ladung aufweisen, beispielsweise Sulfat, wobei der Zubereiter nur die halbe Menge benötigt, welche notwendig wäre, wenn ein einfach negativ geladenes Anion verwendet würde.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "lineares Alkyl" als "irgendeine lineare Alkylkette" definiert, wobei nicht begrenzende Beispiele Methyl, Ethyl, n-Propyl, n-Decyl etc. umfassen. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "verzweigtes Alkyl" hierin als "jegliche Alkylkette, welche ein oder mehrere Alkylverzweigungen aufweist" definiert, wobei nicht begrenzende Beispiele 2-Ethylhexyl, 3-Methylpentyl, Isopropyl, Isobutyl etc. umfassen. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "Alkylenaryl" als eine Einheit mit der Formel definiert: -(CH₂)_x-Ar worin Ar eine aromatische Einheit mit 6 bis 14 Kohlenstoffatomen darstellt und X den Wert von 1 bis 16 aufweist. Nicht begrenzende Beispiele für Ar-Einheiten sind Phenyl und Naphthyl. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "alkylsubstituiertes Alkylenaryl" als "eine Alkylenaryl-Einheit, worin ein oder mehrere Kohlenstoffatome der Ar-Einheit eine Alkyl-Einheit, welche das Wasserstoffatom ersetzt, aufweist" definiert. Nicht begrenzende Beispiele für alkylsubstituierte Alkylenaryl-Ar-Einheiten umfassen 4-Methylphenyl (Toluyl) und 3,5-Ditert-butylphenyl. Für alkylsubstituierte Alkylenaryl-Einheiten reicht der Index x von 1 bis 15.
In seiner grundlegenden Form umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen Reduktionsschritt und einen wahlweisen Isolierungs- und/oder Reinigungsschritt. Der Reduktionsschritt ist notwendig, da die erforderliche chemische Umwandlung in diesem Schritt erfolgt. Jedoch ist der Isolierungs- und/oder Reinigungsschritt optional. Der Zubereiter kann finden, dass die Isolierung des kreuzverbrückten Makrocyclus kein erforderlicher Schritt ist, wenn die nachfolgende Verwendung des gebildeten Liganden beispielsweise die Bildung eines Metallkomplexes ist und dieser nachfolgende Schritt mit dem rohen unisolierten Produkt, welches sich noch in der Mischung des Reduktionsschritts befindet, erfolgreich durchgeführt werden kann.
SCHRITT (a) Reduktive Spaltung
Der Schritt (a) umfasst die reduktive Spaltung mit Borhydrid (BH₄ ^–) wie sie in dem folgenden Schema dargestellt ist:
worin das bis-quaternäre cis-Tetracyclus-Salz in den kreuzverbrückten Tetraaza-makrocyclus umgewandelt wird.
Der pH, bei welchem der Schritt (a) durchgeführt werden muss, beträgt mindestens 11, vorzugsweise mindestens 12. Vorzugsweise liegt die Base, welche zur Einstellung des pH verwendet wird, in der Form einer wässrigen Lösung vor. Bevorzugte Basen sind ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid sowie Mischungen davon. Es ist zufriedenstellend, eine ausreichende Menge einer 1 M (molaren) wässrigen Base zur Einstellung des pH auf das erforderliche Niveau zu verwenden. Eine bequeme und bevorzugte Base ist Kaliumcarbonat.
Bevorzugt wird der Schritt (a) in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt. Nicht begrenzende Beispiele für Lösungsmittel umfassen Benzol, Toluol, Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, Diethylether, Tetrahydrofuran sowie Mischungen davon; bevorzugte Lösungsmittel sind ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ethanol, n-Propanol, Isopropanol sowie Mischungen davon. Wenn ein Lösungsmittel verwendet wird und die Base in der Form einer wässrigen Lösung vorliegt, beträgt das Verhältnis des Volumens der wässrigen Base, vorzugsweise von einmolarer wässriger Base, zu dem Lösungsmittel ungefähr 1 : 10 bis ungefähr 1 : 1, vorzugsweise beträgt das Verhältnis des Volumens der wässrigen Base zum Lösungsmittel 1 : 4. Es ist wünschenswert, allerdings kein Erfordernis, dass die wässrige Base und das Lösungsmittel ein Zweiphasensystem bilden.
Das Reduktionsmittel für das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist Borhydrid, BH₄ ^–. Nicht begrenzende Beispiele für Reduktionsmittel, welche für das Verfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, umfassen Reduktionsmittel mit der Formel MBH₄, worin M ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Lithium, Natrium, Kalium sowie Mischungen davon; vorzugsweise ist M Natrium (Natriumborhydrid). Überraschend wird unter den Bedingungen der vorliegenden Erfindung nur das stöchiometrisch erforderliche Einmoläquivalent an Natriumborhydrid (entsprechend zwei Molen H₂) zum Erreichen der gewünschten Umwandlung benötigt. Jedoch können bis zu 3,5 Moläquivalente geeigneterweise verwendet werden, insbesondere in kontinuierlichen Verfahren, worin die wässrige Phase rezykliert wird und die Menge des Reduktionsmittels, welche während der chemischen Ringspaltung verbraucht wird, vor dem Einführen einer weiteren Charge an Ausgangsmaterial ersetzt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform, welche Zeit, Reaktionstemperatur und Ausbeute berücksichtigt, verwendet 2 Moläquivalente Borhydrid-Reduktionsmittel. Diese Begrenzung macht den Bedarf an großen Mengen an Säure zur Zerstörung des unumgesetzten Borhydrids überflüssig, wodurch die nicht notwendige Freisetzung an überschüssigem Wasserstoffgas während des Aufarbeitens und der wahlweisen Isolierung eliminiert wird.
Der Schritt (a) kann bei irgendeiner Temperatur von 10°C, vorzugsweise von ungefähr Raumtemperatur, besonders bevorzugt von ungefähr 40°C bis ungefähr 70°C, besonders bevorzugt bis ungefähr 50°C durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird ausreichend 1 M Base mit Ethanol in einem geeigneten Reaktionsbehälter unter Bildung eines Zweiphasensystems, welches mechanisch gerührt und auf 50°C erwärmt wird, gemischt. Gleichzeitig und portionsweise werden innerhalb gleicher Zeitabstände zwei Äquivalente Natriumborhydrid und ein cis-Tetracyclus zu dem Reaktionsgefäß zugegeben, wobei die Temperatur bei ungefähr 50°C gehalten wird. Nachdem die Zugabe der Reagenzien vollständig ist, wird die Reaktion unter Verwendung irgendeines geeigneten Mittels hinsichtlich des Verbrauchs/Umsatzes des cis-Tetracyclus verfolgt. Sobald das Ausgangsmaterial verbraucht ist, wird die organische Phase abgegossen und das Produkt mittels üblicher Verfahren isoliert.
Im Folgenden wird ein nicht begrenzendes Beispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, welches zur Aufspaltung eines spezifischen Tetracyclus verwendet wird, dargestellt.
BEISPIEL 1
Herstellung von 5,12-Dimethyl-1,5,8,12-tetraaza-bicyclo[6.6.2]hexadecan
Destilliertes Wasser (25 ml) und Kaliumcarbonat (13,8 g) werden in einem 250 ml-Rundbodenkolben gemischt. Absoluter Ethanol (75 ml) wird zugesetzt, und die resultierende zweiphasige Lösung wird gerührt und auf 60°C erwärmt. Natriumborhydrid (1,60 g; 42,3 mmol) und der cis-Tetracyclus mit der Formel:
worin X Methylsulfat ist, (10,0 g; 21,1 mmol) werden zu der Lösung zugesetzt. Die Reaktion wird bei 60°C 75 Minuten lang gerührt. Die Reaktionsmischung wird in einen Scheidetrichter überführt, und die Ethanolphase wird gesammelt. Ethanol wird unter vermindertem Druck abgezogen, und es wird ein leicht gefärbter öliger Feststoff erhalten. Das Rohmaterial wird mit 5 N KOH (5 ml) bis zur Auflösung behandelt, und die wässrige Lösung wird mit Toluol (2 × 50 ml) extrahiert. Das Toluol wird unter Vakuum entfernt, wobei ein Rohöl erhalten wird, welches anschließend bei ungefähr 0,2 mm Hg unter Ausbeute von 5,2 g (95%) 5,12-Dimethyl-1,5,8,12-tetraazabicyclo[6.6.2]hexadecan als farbloses Öl destilliert wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines makrocyclischen Tetraaza-Liganden der Formel:
worin jedes R unabhängig ein lineares C₁-C₂₂-Alkyl, verzweigtes C₁-C₂₂-Alkyl, C₇-C₂₂-Alkylenaryl, alkylsubstituiertes C₈-C₂₂-Alkylenaryl und Mischungen hiervon bedeutet; jeder Index n unabhängig 0 bis 3 ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Umsetzen eines Moläquivalents eines makrocyclischen Tetraaza-Ligandenvorläufers der Formel:
worin X^– ein Anion ist, das Ladungsneutralität vorsieht, mit 1 Moläquivalent bis 3,5 Moläquivalenten eines Reduktionsmittels der Formel MBH₄, worin M aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus Lithium, Natrium, Kalium und Mischungen hiervon; und dadurch gekennzeichnet, dass der pH mindestens 11 beträgt, um den makrocyclischen Liganden zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei R lineares C₁-C₈-Alkyl, C₇-C₁₀-Alkylenaryl, alkylsubstituiertes C₈-C₁₀-Alkylenaryl und Mischungen hiervon ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei R lineares C₁-C₄-Alkyl, Benzyl und Mischungen hiervon ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, wobei R Methyl ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, wobei zwei der Indizes n gleich 0 sind und zwei der Indizes n gleich 1 sind.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–5, wobei der durch das Verfahren gebildete makrocyclische Tetraaza-Ligand die Formel besitzt:
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, wobei das Reduktionsmittel NaBH₄ ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–7, wobei das Reduktionsmittel in einer Menge von 2 Moläquivalenten vorliegt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–8, wobei der pH in Schritt (a) mindestens 12 beträgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–9, wobei Schritt (a) in Gegenwart eines oder mehrerer Lösungsmittel durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–10, wobei Schritt (a) in Gegenwart von Wasser und einem oder mehreren Lösungsmitteln durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Schritte: a) Kombinieren in einem Reaktionsbehälter einer einmolaren Lösung einer Base und eines Lösungsmittels, wobei das Verhältnis der Base zu dem Lösungsmittel 1 : 10 bis 1 : 1 beträgt, um eine Zweiphasenlösung zu bilden; b) Zugeben zu der Zweiphasenlösung von einem Moläquivalent eines makrocyclischen Tetraaza-Ligandenvorläufers der Formel:
worin X^– ein Anion ist, das Ladungsneutralität vorsieht, und 1 Moläquivalent bis 3,5 Moläquivalente eines Reduktionsmittels der Formel MBH₄, worin M aus der Gruppe gewählt ist, bestehend aus Lithium, Natrium, Kalium und Mischungen hiervon; bei einem pH von mindestens 11, zur Bildung eines makrocyclischen Liganden; c) Trennen der wässrigen und der nichtwässrigen Phase; und d) wahlweise Isolieren des makrocyclischen Liganden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Base aus der Gruppe gewählt wird, bestehend aus Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und Mischungen hiervon; und das Lösungsmittel aus der Gruppe gewählt wird, bestehend aus Benzol, Toluol, Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, Diethylether, Tetrahydrofuran und Mischungen hiervon; und wobei Schritt (b) bei einer Temperatur von 10 bis 70°C durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung von 5,12-Dimethyl-1,5,8,12-tetraaza-bicyclo[6.6.2]hexadecan der Formel:
wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Kombinieren in einem Reaktionsbehälter einer einmolaren Lösung einer Base, wobei die Base aus der Gruppe gewählt wird, bestehend aus Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat und Mischungen hiervon; und eines Lösungsmittels, wobei das Lösungsmittel aus der Gruppe gewählt wird, bestehend aus Ethanol, n-Propanol, Isopropanol und Mischungen hiervon; wobei das Verhältnis des Volumens der Base zu dem Volumen des Lösungsmittels 1 : 4 beträgt; um eine Zweiphasenlösung zu bilden, welche eine wässrige Phase und eine Lösungsmittelphase umfasst; b) Zugeben zu der Zweiphasenlösung bei einer Temperatur von 50 bis 60°C eines makrocyclischen Ligandenvorläufers der Formel:
worin X^– ein Anion ist, das Ladungsneutralität vorsieht, zusammen mit 2 Moläquivalenten NaBH₄, zur Bildung von 4,11-Dimethyl-1,4,8,11-tetraaza-bicyclo[6.6.2]hexadecan; c) Abtrennen der Lösungsmittelphase von dem Zweiphasensystem; und d) Isolieren des 5,12-Dimethyl-1,5,8,12-tetraazabicyclo[6.6.2]hexadecans von der Lösungsmittelphase, dadurch gekennzeichnet, dass der pH in Schritt b) mindestens 12 beträgt.