Elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von Benzaldehyddimethylacetalen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von Benzaldehyddimethylacetalen.

Es ist bekannt, substituierte Benzaldehyddimethylacetale direkt durch elektrochemische Methoxylierung der entsprechenden Toluole herzustellen. P. Loyson,

S. Gouws, B. Barton, M. Ackermann, S. Afr. J. Chem 2004, 57, 53-56 beschreiben ein derartiges Verfahren. Nachteilig an der elektrochemischen Seitenkettenmethoxylierung von Toluolen ist, dass nur mit elektronenschiebenden Resten wie te/f-Butyl, Methyl oder Alkoxy substituierte Toluole in wirtschaftlich interessanten Ausbeuten methoxyliert werden können. Reste wie Ethyl, Isopropyl oder Isobutyl wirken zwar ebenfalls elektronenschiebend, ihre benzylischen Protonen können aber ebenfalls bei der elektrochemischen Umsetzung in einer Nebenreaktion durch Methoxygruppen substituiert werden. So lässt sich p-Cymol nicht glatt zum Cuminaldehyd-

Dimethylacetal methoxylieren, wie in F. Vaudano, P. Tissot, Electrochimica Acta 2001 , 46, 875-880 beschrieben, da auch stets die Isopropylgruppe anteilig methoxyliert wird.

Substituierte Benzaldehyddimethylacetale und die diesen zugrunde liegenden Aldehyde sind wichtige Zwischenprodukte z.B. in der Synthese von 2-Methyl-3- Phenylpropanal-Riechstoffen wie z.B. Cyclamenaldehyd, Lysmeral ^® oder Silvial.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Benzaldehyddimethylacetalen bereitzustellen, das sich durch eine sehr gute Produktausbeute und eine sehr gute Produktselektivität auszeichnet.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Benzaldehyddimethylacetalen der allgemeinen Formel (I)

worin R ¹ , R ² , R ³ , R ⁴ , R ⁵ gleich oder verschieden sind und Wasserstoff, geradkettiges oder verzweigtes Ci-Ci _O -Alkyl oder Ci-Ci ₀ -Alkoxy, C ₃ -Ci ₀ -Cycloalkyl, gegebenenfalls substituiertes Phenyl, Halogen, Nitril, -COOR ⁷ , CONR ⁸ R ⁹ , worin R ⁷ , R ⁸ , R ⁹ , geradkettiges oder verzweigtes Ci-Cio-Alkyl oder Ci-Ci ₀ -Alkoxy, C ₃ -Ci ₀ -Cycloalkyl, gegebenenfalls substituiertes Phenyl und R ⁸ , R ⁹ zusätzlich Wasserstoff sein können, bedeuten,

durch elektrochemische anodische Methoxylierung mit Methanol von Benzylethern der allgemeinen Formel (II),

worin R ¹ , R ² , R ³ , R ⁴ , R ⁵ die oben angegebene Bedeutung haben und R ⁶ Wasserstoff, geradkettiges oder verzweigtes Ci-Ci _O -Alkyl, gegebenenfalls substituiertes Phenyl oder einen Rest

worin R ^1' , R ^2' , R ^3' , R ^4' , R ^5' gleich oder verschieden von R ¹ , R ² , R ³ , R ⁴ , R ⁵ sind und die oben für R ¹ bis R ⁵ angegebene Bedeutung haben, bedeutet.

Es wurde gefunden, dass sich Selektivitäts- und Reaktivitätsprobleme bei der elektrochemischen Herstellung von substituierten Benzaldehydacetalen elegant umgehen lassen, wenn als Edukte für die elektrochemische Methoxylierung nicht Toluole, sondern substituierte Benzylalkylether oder substituierte Dibenzylether eingesetzt werden. Durch die Etherstruktur erfährt die Benzylposition in diesen Verbindungen eine im Vergleich zu Toluolen stärkere Aktivierung (vergleiche P. Loyson, S. Gouws, B. Zeelie, S. Afr. J. Chem. 2002, 55, 125-31 ), so dass eine höhere Ausbeute und eine höhere Produktselektivität erzielt werden.

Ganz besonders bevorzugte Benzylether (I) sind solche, in denen R ¹ und R ⁵ Wasserstoff oder Methyl sind, R ³ Wasserstoff, Methyl, Isopropyl, Isobutyl oder tert- Butyl ist und R ² und R ⁴ Wasserstoff sind.

Bevorzugte Benzylether (II) sind Benzylmethylether (IIa), das heißt R ⁶ in Fromel (II) ist Methyl.

Benzylmethylether (IIa) können durch Methoxymethylierung von entsprechend substituierten Benzolen der allgemeinen Formel (III)

mit Formaldehyd-Dimethylacetal an einem Zeolith-Katalysator hergestellt werden.

Die Herstellung substituierter Benzylmethylether aus Alkylbenzolen (Toluol, Ethylbenzol, Isobutylbenzol, Cumol, te/f.-Butylbenzol etc) durch Umsetzung mit Formaldehyd-Dimethylacetal an einem Zeolith-Katalysator ist in DE 199 04 900 A1 beschrieben. Bei niedrigen Umsätzen (< 30%) werden gute Produktselektivitäten erhalten, bei höheren Umsätzen überwiegt die Reaktion zum Diarylmethan. Weitere dem Fachmann bekannte Möglichkeiten zur Herstellung von Benzylmethylethern der Formel (IIa) sind die Methylierung von entsprechend substituierten Benzylalkoholen oder die Umsetzung von entsprechend substituierten Benzylhalogeniden mit Methanol bzw. Methanolaten in einer Williamson-Ethersynthese.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform wird als Benzylether ein Dibenzylether der allgemeinen Formel (IIb)

eingesetzt, wobei aus einem äquivalent des Dibenzylethers (IIb) zwei äquivalente Benzaldehyddimethylacetal der allgemeinen Formel (I) gebildet werden.

Dibenzylether (IIb) können durch Umsetzung eines entsprechend substituierten Benzylalkohols der allgemeinen Formel (IV)

mit einem entsprechend substituierten Benzylhalogenid der allgemeinen Formel (V)

hergestellt werden.

Beispielsweise können Dibenzylether (IIb) aus mit R p-substituierten Benzylalkoholen (R ist z.B. Alkyl) mit den entsprechenden Benzylhalogeniden in einer Williamson- Ethersynthese zu den Dibenzylethern umgesetzt werden. Dabei wird meist zur Depro- tonierung der Alkohole in Gegenwart von Basen gearbeitet (Fileti, Gazz. Chim. Ital. 1884, 14, 498-501 ). Die Ethersynthese kann auch durch sauer katalysierte Kondensation zweier Moleküle Benzylalkohol ausgeführt werden (Fileti, Gazz. Chim. Ital. 1882, 12, 501 ; F. Shirini, M.A. Zolfigol, K. Mohammadi, Phosphorus, Sulfur Silicon Relat. E- lem. 2003, 178 (1 1 ); 2357-2362). Für diese Reaktion gibt es zahlreiche weitere Beispiele in der Literatur.

Dibenzylether (IIb) können durch Funktionalisierung von unsubstituiertem Dibenzylether nach einschlägigen Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, wie elektrophile aromatische Substitution oder Friedel-Crafts-Alkylierung, hergestellt werden.

Dibenzylether ist ein großtechnisches Produkt, das unter anderem als Weichmacher eingesetzt wird.

Das Auftreten von Alkylbenzylmethylethern als Zwischenstufen der elektrochemischen Methoxylierung von Alkyltoluolen, so als Zwischenstufen der Methoxylierung von p-tert- Butyltoluol bzw. p-Xylol, ist in P. Loyson, S. Gouws, B. Zeelie, S. Afr. J. Chem., 2002, 55, 125 bis 31 bzw. P. Loyson, S. Gouws, B. Barton, M. Ackermann, S. Afr. J. Chem., 2004, 57, 53 bis 56 beschrieben. Der Eintritt der ersten Methoxygruppe ist dabei der geschwindigkeitsbestimmende Schritt, der infolge dessen mit nur mäßiger Ausbeute verläuft.

Erfindungsgemäß wird die Benzylether-Zwischenstufe gezielt synthetisiert und in der elektrochemischen Methoxylierung eingesetzt. Insbesondere vorteilhaft ist diese Verfahrensweise beim Vorliegen ebenfalls oxidierbarer Alkylgruppen wie /so-Butyl und iso- Propyl als Substituenten am aromatischen Kern. Durch die zusätzliche Aktivierung, die die benzylischen Protonen durch die schon vorhandene Methoxygruppe erfahren, steigt die Selektivität zugunsten der Methoxylierung an der gewünschten Stelle. So liefert die elektrochemische Methoxylierung von p-Cymol p-(2-Methoxyisopropyl)toluol und p-lsopropylbenzylmethylether im Verhältnis von ca. 1 : 1. Wird jedoch p-lsopropyl- benzylmethylether methoxyliert, erhält man p-(2-Methoxyisopropyl-)benzylmethylether und Cuminaldehyd-Dimethylacetal im Verhältnis

von ca. 1 : 15. Bei der elektrochemischen Methoxylierung von p-lsobutyl- benzylmethylether beträgt das Verhältnis p-(2-Methoxyisobutyl-)benzylmethylether und Isobutylbenzaldehyd-Dimethylacetal sogar 1 : 59.

Bei der elektrochemischen Methoxylierung von Dibenzylethern der Formel IIb (R = Alkyl) werden direkt die Benzaldehyd-Dimethylacetale 3 erhalten, wobei die Dibenzylether-Bismethoxylierungs-Zwischenstufe 2 durchlaufen wird. 2 ist jedoch unter den Reaktionsbedingungen nicht beständig und setzt sich mit Methanol unter Freisetzung von Wasser zu 3 um.

So lässt sich beispielsweise 4,4'-Diisopropyldibenzylether (1 , R = /so-Propyl), der durch sauer katalysierte Veretherung von Isopropylbenzylalkohol erhalten wird, mit guter Ausbeute und guter Selektivität zu Cuminaldehyd-Dimethylacetal (3, R = /so-Propyl) oxidieren. Die Selektivität zugunsten der Methoxylierung an der gewünschten Benzyl- position beträgt dabei etwa 24 : 1. p-te/f-Butylbenzaldehyd-Dimethylacetal (3, R = tert.- Butyl) lässt sich ebenfalls mit guten Ausbeuten und Selektivitäten aus 4,4'-Di-te/f- Butylyldibenzylether (3, R = te/t-Butyl) erhalten.

Der Vorteil der Elektrolyse der Dibenzylether im Vergleich zu Toluolen als Einsatzstoffe

in der elektrochemischen Methoxylierung besteht dabei auch darin, dass mit denselben Ladungsäquivalenten im Falle der Dibenzylether die doppelte Acetalstoffmenge erhalten wird.

Die Elektrolyselösung enthält neben dem Benzylether (I) mindestens Methanol sowie im Allgemeinen ein Leitsalz. Bevorzugte Leitsalze sind Methyltributylammoniummethyl- sulfat, Natriummethylsulfonat, Natriumethylsulfonat und Schwefelsäure.

Gegebenenfalls setzt man der Elektrolyselösung übliche Cosolventien zu. Dabei han- delt es sich um die in der organischen Chemie allgemein üblichen inerten Lösungsmittel mit einem hohen Oxidationspotential. Beispielhaft genannt seien Dimethylcarbonat oder Propylencarbonat.

Als Cosolvens ist grundsätzlich auch Wasser geeignet, der Anteil von Wasser im Elek- trolyten beträgt bevorzugt weniger als 20 Gew.-%.

Bei den Leitsalzen, die in der Elektrolyselösung enthalten sein können, handelt es sich im Allgemeinen um Alkali, Tetra(d- bis C ₆ -alkyl)ammonium-, bevorzugt Tri(d- bis C ₆ - alkyl)methylammoniumsalze. Als Gegenionen kommen Sulfat, Hydrogensulfat, Alkyl- sulfate, Arylsulfate, Halogenide, Phosphate, Carbonate, Alkylphosphate, Alkylcarbona- te, Nitrat, Alkoholate, Tetrafluorborat oder Perchlorat in Betracht.

Weiterhin kommen die von den vorstehend genannten Anionen abgeleiteten Säuren als Leitsalze in Betracht, also zum Beispiel Schwefelsäure, Sulfonsäuren sowie Car- bonsäuren.

Daneben eignen sich als Leitsalze auch ionische Flüssigkeiten. Geeignete ionische Flüssigkeiten sind beschrieben in "lonic Liquids in Synthesis", Hrsg. Peter Wasserscheid, Tom Welton, Verlag Wiley VCH, 2003, Kap. 1 bis 3 sowie in der DE-A 10200401 1427.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in allen üblichen geteilten oder ungeteilten Elektrolysezellentypen durchgeführt werden. Vorzugsweise arbeitet man kontinuierlich mit ungeteilten Durchflusszellen.

Ganz besonders geeignet sind bipolar geschaltete Kapillarspaltzellen oder Plattensta- pelzellen, bei denen die Elektroden als Platten ausgestaltet sind und planparallel angeordnet sind (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1999 electronic re- lease, Sixth Edition, VCH-Verlag Weinheim, Volume Electrochemistry, Chapter 3.5

special cell designs sowie Chapter 5, Organic Electrochemistry, Subchapter 5.4.3.2 Cell Design). Als Elektrodenmaterial ist Graphit bevorzugt.

Die Stromdichten, bei denen man das Verfahren durchführt, betragen im Allgemeinen 1 bis 1000, bevorzugt 10 bis 100 mA/cm ² . 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. des Lösungsmittels zu vermeiden.

Als Anodenmaterialien eignen sich beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Metalloxide wie Ruthenium oder Chromoxid oder Mischoxide des Typs RuO _x , TiO _x sowie Diamantelektroden. Bevorzugt sind Graphit oder Kohleelektroden.

Als Kathodenmaterialien kommen beispielsweise Eisen, Stahl, Edelstahl, Nickel oder Edelmetalle wie Platin sowie Graphit oder Kohlematerialien sowie Diamantelektroden in Betracht. Bevorzugt ist das System Graphit als Anode und Kathode sowie Graphit als Anode und Nickel, Edelstahl oder Stahl als Kathode.

Nach Beendigung der Reaktion wird die Elektrolytlösung nach allgemeinen Trennme- thoden aufgearbeitet. Hierzu wird die Elektrolyselösung im Allgemeinen zunächst destilliert und die einzelnen Verbindungen werden in Form von unterschiedlichen Fraktionen getrennt gewonnen. Eine weitere Reinigung kann beispielsweise durch Kristallisation, Extraktion, Destillation oder chromatographisch erfolgen.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.

Beispiele

Beispiel 1 Herstellung von Cuminaldehyd-Dimethylacetal durch Zeolith-katalysierte Methoxy- methylierung von Cumol und nachfolgende Elektrolyse

12 g Cumol 1 , 54 g Formaldehyddimethylacetal und 6 g ß-Zeolith wurden 17 h bei 80 bis 90 ⁰ C im Glasdruckkolben erhitzt, woraufhin sich ein überdruck von 2 bar einstellte. Der p-Cuminmethylether 2 wurde bei einem Umsatz von 12% mit einer Selektivität von 76% (nach GC) gebildet, das m/p-Verhältnis bei 2 ist ca. 1 : 50. Die Abtrennung von 2 aus der Reaktionsmischung erfolgte destillativ.

Zur elektrochemischen Methoxylierung von 2 wurde ein Elektrolyt bestehend aus 52,5 g 2, 1 1 ,7 g Methyltributylammoniummethylsulfat (60%ig in Methanol) als Leitsalz und 635,7 g Methanol bei 50 ⁰ C und einer Stromdichte von 22 mA/cm ² so lange in einer ungeteilten Kapillarspaltzelle mit 10 runden Grafitelektroden (A = 32 cm ² ) elektrolysiert, bis eine Ladungsmenge von 2,7 F/mol 2 erreicht war. Die destillative Aufarbeitung ergab 44,6 g 3 sowie 1 ,3 g Cuminaldehyd, entsprechend einer Gesamtausbeute von Acetal und Aldehyd von 74,6%. 6,2 g (11 ,9%) 2 konnten ebenfalls zurückgewonnen werden.

Beispiel 2

Herstellung von Cuminaldehyd-Dimethylacetal durch sauer katalysierte Kondensation von Cuminalkohol und nachfolgende Elektrolyse des resultierenden 4,4'- Diisopropyldibenzylethers

Eine Mischung aus 250 g p-lsopropylbenzylalkohol 1 , 12,5 g p-Toluolsulfonsäuremono- hydrat und 987,5 g Toluol wurden unter azeotroper Wasserentfernung 2 h zum

Rückfluss erhitzt. In dieser Zeit wurden 12,4 g Wasser abgeschieden (83% der

Theorie). Die gaschromatographische Untersuchung des Reaktionsgemisches zeigte, dass sich der 4,4'-Diisopropyldibenzylether 2 bei einem Umsatz von 92% mit einer

Ausbeute von 75% gebildet hat. Zur Aufarbeitung wurde mit verd. NaOH neutralisiert, die Phasen getrennt, die org. Phase gewaschen, getrocknet, vom Toluol befreit und 2 durch fraktionierende Destillation erhalten.

Zur elektrochemischen Methoxylierung von 2 wurde ein Elektrolyt bestehend aus 100 g 2, 83,3 g Methyltributylammoniummethylsulfat (60%ig in Methanol) als Leitsalz und 2316 g Methanol bei 50°C und einer Stromdichte von 34 mA/cm ² so lange in einer ungeteilten Kapillarspaltzelle mit 1 1 runden Grafitelektroden (A = 147 cm ² ) elektrolysiert,

bis eine Ladungsmenge von 6 F/mol 2 erreicht war. Die destillative Aufarbeitung ergab 76,5 g 3 sowie 16,5 g Cuminaldehyd, entsprechend einer Gesamtausbeute von Acetal und Aldehyd von 79,8%.

Beispiel 3

Herstellung von Isobutylbenzaldehyd-Dimethylacetal durch Zeolith-katalysierte Methoxymethylierung von Isobutylbenzol und nachfolgende Elektrolyse

12 g Isobutylbenzol 1 , 54 g Formaldehyd-Dimethylacetal und 6 g ß-Zeolith wurden 65 h bei 75°C im Glasdruckkolben erhitzt, woraufhin sich ein überdruck von 1 ,4 bar einstellte. Der p-lsobutylbenzylmethylether 2 wurde bei einem Umsatz von 25% mit einer Selektivität von 58% (nach GC) gebildet, das m/p-Verhältnis bei 2 ist ca. 1 : 67. Die Abtrennung von 2 aus der Reaktionsmischung erfolgte destillativ.

Zur elektrochemischen Methoxylierung von 2 wurde ein Elektrolyt bestehend aus 4,1 g 2, 4 g Methyltributylammoniummethylsulfat (60%ig in Methanol) als Leitsalz und 71 ,9 g Methanol bei 50 ⁰ C und einer Stromdichte von 34 mA/cm ² so lange in einer ungeteilten Becherglaszelle mit 2 Grafitelektroden (A = 10 cm ² ) elektrolysiert, bis eine Ladungsmenge von 2,55 F/mol 2 erreicht war. Die gaschromatographische Untersuchung der Reaktionsmischung ergab 75% (GC-Flächen-%) Acetal 3, 6,0% p-lsobutylbenzaldehyd (entsprechend einer Gesamtausbeute von Acetal und Aldehyd von 81%) sowie 8,5% nicht umgesetztes Edukt 2. Als weitere Verbindung konnte 1 ,3% p-(2-Methoxy- isobutyl)benzylmethylether nachgewiesen werden. 3 kann durch Destillation aus der Reaktionsmischung isoliert werden.

Beispiel 4

Herstellung von te/f-Butylbenzaldehyd-Dimethylacetal durch Zeolith-katalysierte Methoxymethylierung von te/f-Butylbenzol und nachfolgende Elektrolyse

12 g te/f-Butylbenzol 1 , 54 g Formaldehyd-Dimethylacetal und 6 g ß-Zeolith wurden 90 h bei 70 ⁰ C im Glasdruckkolben erhitzt, woraufhin sich ein überdruck von 1 ,3 bar ein- stellte. Der p-lsobutylbenzylmethylether 2 wurde bei einem Umsatz von 24% mit einer Selektivität von 81% (nach GC) gebildet, das m/p-Verhältnis bei 2 ist ca. 1 : 40. Die Abtrennung von 2 aus der Reaktionsmischung erfolgte destillativ.

Die elektrochemische Umsetzung von 2 zu 3 erfolgte analog Beispiel 3.

Beispiel 5

Herstellung von te/f-Butylbenzaldehyd-Dimethylacetal durch sauer katalysierte Kondensation von te/f-Butylbenzylalkohol und nachfolgende Elektrolyse

Eine Mischung aus 200 g p-te/f-Butylbenzylalkohol 1 , 10 g p-Toluolsulfonsäuremono- hydrat und 790 g Toluol wurden unter azeotroper Wasserentfernung 3 h zum Rückfluss erhitzt. In dieser Zeit wurden 1 1 ,6 g Wasser abgeschieden (94% d. Th.). Die gas- chromatographische Untersuchung des Reaktionsgemisches zeigte, dass sich der 4,4'- Ditertbutyldibenzylether 2 bei einem Umsatz von 87% mit einer Ausbeute von 73% gebildet hatte. Zur Aufarbeitung wurde mit verdünnter NaOH neutralisiert, die Phasen getrennt, die org. Phase gewaschen, getrocknet, vom Toluol befreit und 142 g 2 durch fraktionierende Destillation erhalten, entsprechend einer Ausbeute von 75%.

Zur elektrochemischen Methoxylierung von 2 wurde ein Elektrolyt bestehend aus 1 16,8 g 2, 83,3 g Methyltributylammoniummethylsulfat (60%ig in Methanol) als Leitsalz und 2316 g Methanol bei 50 ⁰ C und einer Stromdichte von 34 mA/cm ² so lange in einer ungeteilten Kapillarspaltzelle mit 1 1 runden Grafitelektroden (A = 147 cm ² ) elektrolysiert, bis eine Ladungsmenge von 6 F/mol 2 erreicht war. Die destillative Aufarbeitung ergab 48,9 g 3 sowie 35,3 g p-te/f-Butylbenzaldehyd, entsprechend einer Gesamtausbeute

von Acetal und Aldehyd von 84,2%. Als weitere Produkte wurden 9,4 g (8,7%) nicht umgesetztes 2 sowie 6,1 g (5,0%) p-te/f-Butylbenzylmethylether erhalten, die zurückgeführt werden konnten.

Vergleichsbeispiel

Herstellung von Cuminaldehyd-Dimethylacetal durch elektrochemische Methoxylierung von p-Cumol.

Elektrolyse MeOH, Leitsal

Ein Elektrolyt bestehend aus 600 g p-Cymol 1 , 100 g Methyltributylammoniummethyl- sulfat (60%ig in Methanol) als Leitsalz und 2300 g Methanol wurde bei 50 ⁰ C und einer Stromdichte von 20 mA/cm ² in einer ungeteilten Kapillarspaltzelle mit 11 runden Graphitelektroden (A = 147 cm ² ) elektrolysiert. Der Reaktionsfortschritt wurde gaschroma- tographisch untersucht.

Die nachstehende Tabelle zeigt die Produktverteilung nach GC in Abhängigkeit von der applizierten Ladungsmenge.

Tabelle

Die destillative Aufarbeitung nach einer Ladungsmenge von 8 F/mol 1 ergab 78 g 3 (1 1 % Ausbeute), 376 g 5 (43%), 187 g 4 (22%) und 101 g 6 (10%) in Form unterschiedlich zusammengesetzter Fraktionen.