Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung reaktiven Zinks durch elektrochemische Reduktion, wobei als Kathodenmaterial Eisen oder Stahl verwendet wird.

Es besteht ein großer Bedarf an Verfahren zur Herstellung von reaktivem Zink als Ausgangsmaterial für funktionalisierte metallorganische Building Blocks. Diese Building Blocks dienen zum Beispiel zum Aufbau von pharmakologisch relevanten Wirkstoffen oder komplexen Agrochemikalien. So können Zinkorganyle, die aus reaktivem Zink zugänglich sind, in Übergangsmetall-vermittelten Kupplungen zur C,C-Bindungs- knüpfung eingesetzt werden, wobei AIIyI-, Aryl-, Alkenyl- und Alkinyl-halogenide als Kupplungspartner verwendet werden können. Ferner können Zinkorganyle an Carbo- nylverbindung addiert werden, wobei chirale Hilfsreagenzien diese Transformationen sogar in stereoselektiver Weise ermöglichen.

Die direkte Synthese von Zinkorganylen ausgehend von elementarem Zink ist aufgrund einer passivierenden ZnO-Schicht nur in wenigen Fällen möglich. Hierzu zählen die sogenannten Reformatsky-Reagenzien, deren Synthese ausgehend von handelsüblichem Zinkpulver und α-Halogen-Essigsäureestern erfolgt. Daneben können auch reaktive Halogenverbindungen, allen voran Alkyliodide, mit unaktiviertem Zinkpulver zur Reaktion gebracht werden. Ein Nachteil dieser Reaktion ist, dass ausschließlich Zinkorganyle von α-Halogen-Essigsäureestern oder Alkyliodiden und keine anderen funkti- onalisierten Zinkorganyle erhältlich sind, so dass diese Methode der Herstellung sehr eingeschränkt und extrem substratspezifisch ist.

Die Großzahl an Zinkorganylen ist ausgehend von unaktiviertem, elementarem Zink jedoch nicht zugängig. Für die Aktivierung des Zink und die anschließenden Synthesen der entsprechenden Zinkorganyle sind im Stand der Technik diverse Verfahren beschrieben worden.

P. Knöchel beschreibt im Handbook of Functionalized Organometallics- Applications in Synthesis, Wiley-VCH Verlag Weinheim, 2005, verschiedene Methoden um Zinkorga- nyle zu erhalten. Hierzu gehören die Transmetallierung, die chemische Aktivierung von Zink als auch die Herstellung von reaktivem Zink durch chemische Reduktion.

Unter Transmetallierung versteht man die Umsetzung eines Metallorganyls mit einem meist anorganischen Metallsalz, wobei der Organylteil vom einen Metall zum anderen übertragen wird. Ausgehend von Li- und Mg-Organylen können auch die entsprechenden verschiedenen Zinkorganyle generiert werden. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass meist nur unfunktionalisierte Metallorganyle hergestellt werden können, da viele funktionelle Gruppen mit Li- und Mg-Organylen nicht verträglich sind. Funktionelle Gruppen dagegen wie Nitrile, Carbonsäureester, Ketone oder tertiäre A- mide werden im Sinne einer Addition von Li- oder Mg-Organylen angegriffen und stehen somit für weitere Reaktionen nicht mehr zur Verfügung. Andere Funktionalitäten wie Acetylide, sekundäre Amide oder Nitroverbindungen, die mäßig acide Protonen enthalten, können durch starke Metallorganyle deprotoniert werden, wodurch auch diese für weitere Reaktionen nicht mehr verfügbar sind.

Die chemische Aktivierung von Zink erfolgt in klassischen Verfahren mit Hilfe von LiCI, lod, Dibromethan oder TMSCI als Hilfsstoffe. All diese Reagenzien dienen zur Über- Windung der passivierenden ZnO-Schicht. Der Nachteil dieser Reaktionen ist, dass die chemischen Hilfsstoffe in substöchiometischen oder stöchiometischen Mengen hinzugefügt werden müssen und in nachfolgende Reaktionen der Zinkorganyle nicht stören dürfen. Somit ist der Einsatz dieser Zinkorganyle nur begrenzt möglich.

Rieke ^® -Zink ist ein reaktives Zink enthaltenes Reagenz, dass durch chemische Reduktion von ZnCb mittels Lithium-Metall in Gegenwart von Naphthalin gewonnen wird. Dieses Material zeichnet sich verglichen mit chemisch aktiviertem Zink durch eine sehr hohe Reaktivität aus. Diese Reaktivität resultiert aus der Erzeugung des Zinks unter Sauerstoff- und Wasser-freien Bedingungen, wodurch die Entstehung einer passivie- renden Oxidschicht vermieden wird. Nachteilig an dieser Reaktion ist, das Lithium in stöchiometrischen Mengen eingesetzt werden muss, so dass hohe Rohstoffkosten entstehen als auch ein mehr Aufwand für Sicherheitsmaßnahmen im Umgang mit dem reaktivem Alkalimetall in Kauf genommen werden muss.

P. Knöchel beschreibt im Handbook of Functionalized Organometallics- Applications in Sythesis, Wiley-VCH Verlag Weinheim, 2005 auch die elektrochemische Aktivierung von Zink. In WO-A 01/02625 wird die übergangsmetall-katalysierte elektrochemische Reduktion beschrieben. Hierbei erfolgt anodisch die Auflösung einer Zinkanode, wodurch Zn ²⁺ in Lösung generiert wird. Simultan wird das Übergangsmetall an der Katho- de reduziert, wonach es in die C-Halogen-Bindung insertiert und den organischen Rest auf das Zn ²⁺ überträgt. Verwendbare Übergangsmetalle sind Ni, Co und Fe. Nachteilig an dieser Methode ist die Anwesenheit des Übergangsmetalls im späteren Produkt. Das erzeugte Zinkorganyl ist inhärent mit dem Übergangsmetall verunreinigt, das sich dann auch in den Folgestufen in den Produkten wiederfinden kann. Speziell bei der Synthese pharmakologischer Wirkstoffe müssen Verunreinigungen durch Übergangsmetalle aber vermieden werden, so dass Zinkorganyle aus der oben beschriebenen Methode hierfür nicht geeignet sind.

N. Kurono, T. Inoue und M. Tokuda beschreiben in Tetrahedron 2005, 61 , 11 125- 11 131 eine weitere Methode zur Herstellung von reaktivem Zink durch elektrochemische Reduktion, dem sogenannten Electrogenerated Zinc (EGZn). Bei diesem Verfahren wird Zn anodisch aufgelöst, um Zn ²⁺ -lonen in der Lösung zu erzeugen. Im Folgen- den wird Zn ²⁺ durch einen Redox-Mediator wie beispielsweise Naphthalin oder aber auch an der Kathode direkt reduziert und bildet elementares Zink in Lösung. Dieses ist für Insertionen in C-Halogen-Bindungen äußerst reaktiv, da es keine passivierende Oxidschicht enthält. Nachteilig an diesem Verfahren ist der Einsatz von Pt-Elektroden, die in technischem Maßstab nicht einsetzbar und zu kostspielig sind und tiefe Temperaturen im Bereich von 0 bis -10 ⁰ C, die zu erhöhtem Kostenaufwand führen würden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren bereit zu stellen, dass es ermöglicht reaktives Zink ohne den Einsatz von chemischen Reduktionsmittel oder Reagenzien möglichst kostengünstig herzustellen und dass auch in technischem Maßstab einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von reaktivem Zink umfassend folgende Schritte

a) Bereitstellung einer Elektrolysezelle mit einer Kathode und einer Zink-Anode, b) Befüllen der Elektrolysezelle mit einem Elektrolyten ausgewählt aus der Gruppe von N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon und andere tertiäre Amide, der ein Leitsalz ausgewählt aus der Gruppe von quartären Ammoniumsalzen, organischen Metallsalzen und anorganischen Metallsalzen enthält, c) Anlegen von Strom an die Zelle bis eine 2 bis 20%ige Suspension an reaktivem Zink im Elektrolyten entstanden ist,

wobei als Kathode eine Eisen oder Stahl-Kathode eingesetzt wird und die elektrochemische Reduktion bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 60 ⁰ C durchgeführt wird.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn als Elektrolyt N,N-Dimethyl- formamid eingesetzt wird.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn als Leitsalz Tetrabutylammoni- umtetrafluorborat eingesetzt wird.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der Elektrolyt noch einen Re- dox-Mediator ausgewählt aus der Gruppe von Naphthalin, N,N-Dimethyl-1-naphthalin und weitere 1 -substituierte Naphthaline sowie Phenanthren, Anthracen, 4,4'-Dipyridyl, und 4,4'-Di-tert-butylbiphenyl enthält.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Temperatur, bei der die e- lektrochemische Reduktion durchgeführt wird, im Bereich von 35 bis 45°C liegt. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn eine Stromdichte von 1 bis 4 A/dm ² eingestellt wird.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn eine ungeteilte Elektrolysezelle eingesetzt wird.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn als Kathode ein Eisen- oder Stahlrohr verwendet wird und die Zink-Anode konzentrisch innerhalb der Kathode angeordnet ist.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn es Batch-weise durchgeführt wird.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn es kontinuierlich geführt wird.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer Elektrolysezelle das aktivierte Zink durch elektrochemische Reduktion von Zinkionen, die durch Auflösung der Zinkanode bereitgestellt werden, hergestellt. Hierfür eignet sich jede dem Fachmann bekannte Elektrolysezelle wie geteilte oder ungeteilte Durchflusszelle, Kapillarspaltzelle oder Plattenspaltzelle. Bevorzugt ist die ungeteilte Durchflusszelle.

Die Elektrolysezelle ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Zink-Anode und einer Eisen oder Stahlkathode ausgestattet. Als Kathode eignet sich jede dem Fachmann bekannte Form einer Eisen oder Stahl-Kathode wie stabförmig, als Bleche, als zu einem Rohr geformte Eisen- oder Stahlbleche, konisch geformte Eisen oder Stahlbleche.

Die Zink-Anode selbst kann ebenfalls jede dem Fachmann bekannte Form aufweisen, wie stabförmig, als Blech, als Kegel/Konus oder als Schüttelektrode. Besonders bevor- zugt ist die Zink-Anode in Form eines Stabes, Zylinders oder Konus.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jede dem Fachmann bekannte Anordnung der Anode zur Kathode möglich wie gegenüberliegende Anordnung, planparallele Anordnung oder eine konzentrische Anordnung bei der die Anode kon- zentrisch innerhalb der Kathode platziert ist. Bevorzugte ist, dass die Zink-Anode konzentrisch innerhalb der Kathode angeordnet ist.

Die Elektrolysezelle wird mit einem Elektrolyten gefüllt. Der Elektrolyt ist dabei ausgewählt aus der Gruppe von N,N-Dimethylformamid, N,N-Dimethylacetamid, N-Methyl- pyrrolidon und andere tertiäre Amide. Bevorzugt sind N,N-Dimethylformamid und N, N- Dimethylacetamid. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von N,N-Dimethylform- amid. Der Elektrolyt enthält für das erfindungsgemäße Verfahren auch noch ein Leitsalz, das ausgewählt ist aus der Gruppe von quartären Ammoniumsalzen, organischen Metallsalzen und anorganischen Metallsalzen. Bevorzugt sind Tetrabutylammoniumtetraflu- orborat, Natriummethylsulfonat und Zinkchlorid. Ganz besonders bevorzugt ist Tetrabu- tylammoniumtetrafluorborat.

Als weiteren Zusatz ist es vorteilhaft, wenn der Elektrolyt einen Redox-Mediator enthält. Dieser ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von Naphthalin, N,N-Dimethyl-1- naphthalin und weitere 1 -substituierte Naphthaline sowie Phenanthren, Anthracen, 4,4'-Dipyridyl, und 4,4'-Di-tert-butylbiphenyl. Besonders bevorzugt ist Naphthalin.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird der Elektrolyt auf Temperaturen im Bereich von 20 bis 60 ⁰ C, bevorzugt im Bereich von 30 bis 50 ⁰ C, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 35 bis 45°C erwärmt. Die Temperaturregulierung erfolgt über einen im Elektrolytkreislauf integrierten Wärmetauscher.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Stromdichte im Bereich von 1 bis 4 A/dm ² an Kathode und Anode angelegt. Bevorzugt liegt die Stromdichte im Bereich von 1 ,5 bis 3 A/dm ² . Besonders bevorzugt im Bereich von 1 ,5 bis 2,5 A/dm ² .

Die Elektrolyse wird beendet, wenn der Feststoffanteil von reaktivem Zink im Elektrolyten einen theoretischen Gehalt von 2 - 20 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 2 bis 10 Gew.-% angenommen hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann Batch-weise oder kontinuierlich gefahren wer- den. Bei der kontinuierlichen Fahrweise wird der Elektrolyt mit einem Gehalt von reaktiven Zink im Bereich von 2 bis 20 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von 2 bis 10 Gew.-% aus der Zelle ausgeschleust. Gleichzeitig wird eine gleiche Menge an frischen Elektrolyten nachgefüllt. Dies wird so lange durchgeführt, bis die Zinkanode aufgrund des fast vollständigen Abbaus ausgewechselt werden muss.

Im erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft, wenn bei Verwendung einer die Anode umschließenden Rohrkathode der Elektrolyt während der Elektrolyt^ umgepumpt wird. Bevorzugt ist eine Umpumpleistung von 100 bis 600 L/h, besonders bevorzugt von 300 bis 600 L/h. Beispiele

a) Reaktives Zink in der Becherglaszelle: Stromausbeute (9120-155)

In einer Becherglaszelle mit einer Zink-Anode und einer Eisen-Kathode (Elektrodenmaße jeweils 70 x 20 x 3 mm, Eintauchfläche 45 * 20 mm, Abstand: 9 mm) werden 0.65 g Bu ₄ NBF ₄ und 1.25 g Naphthalin in 61.00 g DMF vorgelegt. Nach Erwärmung des Elektrolyten auf 40 ⁰ C wird die Elektrolyse mit einer Stromstärke von 0.2 A gestar- tet (entsprechend einer Stromdichte von 2 A/dm ² ). Im Laufe der Elektrolyse dunkelt der Elektrolyt stark ab und die Spannung fällt von 9.0 V auf 5.5 V ab. Nach einer Laufzeit von 12 h wird die Elektrolyse beendet. Es wird eine dunkle Suspension von feinverteiltem Zink erhalten. Die Elementaranalyse des Elektrolyten liefert einen Zink(0)-Wert von 2.7%, was einer Stromausbeute von ca. 60% entspricht.

b) Reaktives Zink in der Becherglaszelle: Reaktivität (9120-172)

In einer Becherglaszelle mit einer Zink-Anode und einer Eisen-Kathode (Elektrodenmaße jeweils 70 x 20 x 3 mm, Eintauchfläche 45 * 20 mm, Abstand: 9 mm) werden 0.64 g Bu ₄ NBF ₄ und 1.30 g Naphthalin in 61.00 g DMF vorgelegt. Nach Erwärmung des Elektrolyten auf 40 ⁰ C wird die Elektrolyse mit einer Stromstärke von 0.2 A gestartet (entsprechend einer Stromdichte von 2 A/dm ² ). Im Laufe der Elektrolyse dunkelt der Elektrolyt stark ab und die Spannung steigt von 8.0 V auf 8.7 V an. Nach einer Laufzeit von 3.4 h wird die Elektrolyse beendet. Es wird eine dunkle Suspension von feinverteiltem Zink erhalten.

Zur Überprüfung der Reaktivität des elektrochemisch generierten Zinks wird 1 ,00 g 2- Brompyridin in den Elektrolyseaustrag gegeben und die Reaktionsmischung für 0.5 h auf 8O ⁰ C erwärmt. Nach Erkalten werden 2 mL der Reaktionsmischung mit 4 mL Wasser versetzt und mit 4 mL MTBE (Methyl-tert-butylether) extrahiert. Die gaschroma- tographische Untersuchung der organischen Phase zeigt einen Umsatz von 2-Brom- pyridin zu Pyridin von 86% an (bei einer Stromausbeute von 60% laut Bsp. a) entspricht dies einer Reaktivität von 70%). c) Reaktives Zink in der Rohrzelle: Stromausbeute bei voller Pumpleistung (9120-169)

In einer Elektrolysezelle mit einem Stahlrohr als Kathode (0 = 5.0 cm, I = 55 cm, aktive Elektrodenfläche 864 cm ² ) und einem dazu konzentrisch angeordneten, innenliegenden Zink-Stab als Anode (0 = 3.7 cm, I = 55 cm, aktive Elektrodenfläche 639 cm ² ) wird ein Elektrolyt bestehend aus 25 g Bu ₄ NBF ₄ und 50 g Naphthalin in 2425 g DMF bei 40 ⁰ C mit einer Pumpleistung von 600 L/h umgepumpt. Für 8.4 h werden 12.8 A an die Elektrolysezelle gelegt, wobei die Spannung von 6.0 V auf 6.8 V steigt. Es wird eine dunkle Suspension von feinverteiltem Zink erhalten.

Die Elementaranalyse des Elektrolyten liefert einen Zink(0)-Wert von 3.4%, was einer Stromausbeute von 68% entspricht.

d) Reaktives Zink in der Rohrzelle: Stromausbeute bei halber Pumpleistung (9120-190)

In einer Elektrolysezelle mit einem Stahlrohr als Kathode (0 = 5.0 cm, I = 55 cm, aktive Elektrodenfläche 864 cm ² ) und einem dazu konzentrisch angeordneten, innenliegenden Zink-Stab als Anode (0 = 3.7 cm, I = 55 cm, aktive Elektrodenfläche 639 cm ² ) wird ein Elektrolyt bestehend aus 25 g Bu ₄ NBF ₄ und 50 g Naphthalin in 2425 g DMF bei 40 ⁰ C mit einer Pumpleistung von 300 L/h umgepumpt. Für 8.4 h werden 12.8 A an die Elektrolysezelle gelegt, wobei die Spannung von 6.5 V zunächst auf 9.9 V steigt und im weiteren Verlauf auf 1.2 V fällt. Es wird eine dunkle Suspension von feinverteiltem Zink erhalten. Die Elementaranalyse des Elektrolyten liefert einen Zink(0)-Wert von 4.1 %, was einer Stromausbeute von 82% entspricht.