DE3940196A1

DE3940196A1 - Organische derivate von rheniumoxiden sowie ihre herstellung und verwendung zur matathese von olefinen

Info

Publication number: DE3940196A1
Application number: DE3940196A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof Dr Herrmann; Werner Dipl Chem Wagner; Ursula Volkhardt
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1988-12-10
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1990-06-13

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf organische Derivate von Rheniumoxiden, ihre Herstellung und Verwendung zur Metathese von nicht-funktionalisierten wie auch funktionalisierten Olefinen.

Der Begriff Metathese bezeichnet bekanntlich die Spaltung von olefinischen Verbindungen in der Weise, daß die Doppelbindung auseinandergebrochen wird und die beiden Bruchstücke sich zu neuen Verbindungen vereinigen. Zur Metathese gehört im weiteren Sinne auch die Ringöffnungspolymerisation von Cycloolefinen. Durch die Erfindung wird erstmals eine in Substanz isolierbare Organorhenium-Verbindung definierter Struktur als Katalysator erhalten.

Es ist bekannt, daß Verbindungen des Elements Rhenium katalytische Aktivitäten in der Olefin-Metathese aufweisen, und zwar nur bei der Metathese nicht funktionalisierter Olefine. Nur wenn man solchen Rhenium-Katalysatoren sogenannte Cokatalysatoren, insbesondere Tetraalkylzinn- Verbindungen zusetzt, gelingt auch die Metathese funktionalisierter, d. h. Heterofunktionen aufweisender Olefine (K.J. Ivin: Olefin Metathesis, Academic Press, London 1983, 32-34). So wurde die Metathese von olefinisch ungesättigten Carbonsäureestern, von Allylhalogeniden usw. an Mehrkomponenten-Katalysatoren wie WCl₆/Sn(CH₃)₄ oder Re₂O₇/Sn(CH₃)₄/Al₂O₃ beschrieben. Das letztgenannte System (R.A. Fridman et al., Dokl. Akad. Nauk. SSSR 234, (1977), 1354-57; R.H. Bosma et al., J. Organometal. Chem. 225 (1983) 159-171; X. Xiaoding et al., J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1985, 631-633; G.C.N. van den Aardweg, ibid. 1983, 262-263) ist das einzige rheniumhaltige, welches olefinisch ungesättigte organische Halogenide, Ester usw. zu metathetisieren imstande ist. Über die wirksame Katalysatorspezies hat man bisher keine Kenntnis. Praktische Nachteile der bisher verwendeten rheniumhaltigen Katalysatorsysteme sind

a) die Notwendigkeit, bei der Metathese funktionalisierter Olefine hochtoxische Tetraalkylzinn-Verbindungen als Aktivatoren mitzuverwenden (J.E. Cremer, Biochem. J. 68 (1958) 685-688; W.N. Aldridge et al., The Lancet, Sept. 26, 1981, S. 692/3),
b) geringe, für die industrielle Nutzung nicht tragbare Katalysatoraktivitäten,
c) relativ eng begrenzte Anwendungsbreite, d. h. die katalytische Wirkung tritt nur bei wenig bzw. nicht funktionalisierten Olefinen ein.

Es bestand daher die Aufgabe, ein möglichst leicht zugängliches, einfach handhabbares, lagerfähiges, ungiftiges und wirksames Katalysatorsystem zu finden, das auch bei der Metathese funktionalisierter Olefine ohne jeden Aktivator auskommt. Den Produkten kommt für die industrielle Weiterverarbeitung großes Interesse zu.

Einige sogenannte "Organorheniumoxide", z. B. CH₃ReO₃, ( η⁵-C₅(CH₃)₅)ReO₃ (= Pentamethylcyclopentadienyl- Rheniumtrioxid) sind als Katalysatorkomponenten der homogen-katalysierten Olefin-Metathese bekannt (W. A. Herrmann et al., Angew. Chem. 100 (1988) 420-422, Übersetzung in Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 27 (1988) 394- 396). So ist aus dieser Arbeit bekannt, daß Methylrheniumoxid CH₃ReO₃ in Gegenwart von AlCl₃ und Tetramethylzinn bereits bei Raumtemperatur die Metathese offenkettiger Olefine und auch die katalytische Ringöffnungspolymerisation von Cycloolefinen zu Polyalkenameren bewirkt. Aus der gleichen Veröffentlichung ist auch bekannt, daß das Methylrheniumoxid bei der Behandlung mit Dimethylzink zu einem sublimierbaren, zitronengelben Methylrheniumoxid der Formel (CH₃)₄Re₂O₄ methyliert wird, also zu einer Verbindung mit 6wertigem Rhenium. Auch diese Verbindung katalysiert in Gegenwart von Tetramethylzinn und Aluminiumchlorid die metathetische Ringöffnungspolymerisation von Cyclopenten.

Aus der genannten Veröffentlichung ist schließlich bekannt, daß das (CH₃)₄Re₂O₄ durch weitere Methylierung mit Dimethylzink zu (CH₃)₆Re₂O₃ umgesetzt wird, also ebenfalls zu einer Verbindung mit 6wertigem Rhenium. Diese Verbindung ist nach der genannten Literaturstelle in der Lage, die Ringöffnungspolymerisation von Cyclopenten selbst dann zu katalysieren, wenn nur AlCl₃, nicht aber der sonst noch notwendige Cokatalysator Sn(CH₃)₄ zugegegen ist. Es war bisher also stets die Mitverwendung einer in organischen Lösungsmitteln zumindest teilweise löslichen Lewis-Säure als Aktivator nötig, vorzugsweise Aluminium(III)-chlorid, und in den meisten Fällen auch die Mitverwendung von toxischen Zinntetraalkylen (z. B. Sn(CH₃)₄) als weiteren Aktivatoren. Selbst dann sind die so erhältlichen Katalysatorsysteme bezüglich der Metathese funktionalisierter Olefine völlig inaktiv.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß auf oxidische Trägermaterialien, insbesondere Aluminiumoxid-Träger, aufgebrachtes Methylrheniumtrioxid CH₃ReO₃ und verwandte Verbindungen der unten angegebenen Formel I als Metathesekatalysator geeignet sind. Dabei entfällt erstmals die aus vielen Gründen nachteilige Verwendung zusätzlicher Aktivatorsubstanzen ("Cokatalysatoren").

Gegenstand der Erfindung ist somit die Verwendung von solchen Verbindungen des Rheniums, die die allgemeine Formel

R¹_aRe_bO_c (I)

haben, worin a 1 bis 6, b 1 bis 4 und c 1 bis 14 sind und die Summe von a, b und c so ist, daß sie der 5- bis 7-Wertigkeit des Rheniums gerecht wird, mit der Maßgabe, daß c nicht größer als 3 · b ist, und die auf oxydische Trägermaterialien aufgebracht sind, als Heterogenkatalysatoren für die Metathese. Dabei bedeutet R¹ eine organische Gruppe, die über ein Kohlenstoffatom, an das noch wenigstens ein Wasserstoffatom gebunden ist, an das Metall Rhenium gebunden ist, und zwar Alkylreste mit 1 bis 9 C-Atomen, Cycloalkyl mit 5 bis 10 C-Atomen, wie Cyclohexyl oder 1-Norbornyl, oder Aralkyl mit 7 bis 9 C-Atomen, wie Benzyl, vorzugsweise aber Methyl. Die Begriffe Alkyl und Cycloalkyl beinhalten naturgemäß, daß diese Gruppen keine Mehrfachbindungen enthalten. R¹ kann wenigstens teilweise fluoriert sein. Jedoch kommt in den Verbindungen aus sterischen Gründen die Anwesenheit von mehr als drei Gruppen mit mehr als 6 C-Atomen je Rheniumatom nicht in Betracht; zweckmäßig enthalten die Verbindungen nur höchstens eine solche Gruppe. Der Begriff der Metathese schließt hierbei die Ringöffnungspolymerisation von Cycloolefinen ein.

Von den Verbindungen der vorgenannten Formel sind das CH₃ReO₃, das (CH₃)₆Re₂O₃, das (CH₃)₄Re₂O₄ und das Pentamethylcyclopentadienyl-Rheniumtrioxid zwar bekannt, jedoch war die katalytische Wirksamkeit dieser Verbindungen ohne Mitverwendung von Aktivatoren, also die Eignung als alleiniger Katalysator, nicht bekannt und ebenso wenig zu erwarten wie die der ganzen Verbindungsklasse. Diese katalytische Wirkung überrascht um so mehr, als das isostrukturelle (Trimethylstannoxy)-rheniumtrioxid [(CH₃)₃SnO]ReO₃ katalytisch unwirksam ist. Dies zeigt die Bedeutung der an Rhenium gebundenen Alkylgruppen für die katalytische Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Verbindungen.

Gegenstand der Erfindung sind daher auch die Verbindungen der vorgenannten Formel I mit Ausnahme des CH₃ReO₃, des (CH₃)₆Re₂O₃, des (CH₃)₄Re₂O₄ und des Pentamethylcyclopentadienyl-Rheniumtrioxids.

Die erfindungsgemäßen Verbindungen sind synthetisch auf sehr einfache Weise aus Re₂O₇ mit Hilfe üblicher Alkylierungsmittel synthetisierbar. Z. B. setzt man Dirheniumheptoxid in einem wasserfreien, gegenüber den Rheniumverbindungen inerten Lösungsmittel bei einer Temperatur von 0 bis 60, vorzugsweise 10 bis 40°C, mit einer Lösung von R¹₂Zn um, wobei R¹ die oben angegebene Bedeutung hat, und entfernt die flüchtigen Anteile. Die erfindungsgemäßen Verbindungen sind völlig unempfindlich gegenüber Luft und Feuchtigkeit. Die auf oxidische Trägermaterialien aufgebrachten Rheniumverbindungen sind hochaktive Katalysatoren für die Metathese nichtfunktionalisierter wie auch funktionalisierter Olefine des Typs

YCZ=CZ-(CX₂)_nR², (II)

wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 28, X H oder F ist, Y=H oder Alkyl mit 1 bis 10 C-Atomen ist und Z H oder einen nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 C-Atomen darstellt, der z. B. Cyclohexyl ist, vorzugsweise aber offenkettiges Alkyl mit 1 bis 4 C-Atomen ist, und der Substituent R²H, Alkyl, Halogen, COOR³ oder OR⁴ ist, worin R³ Alkyl oder Aryl und R⁴ Alkyl, Aryl oder Trialkylsilyl R⁵₃Si ist. Die Alkylgruppen in R⁵ enthalten 1 bis 5, vorzugsweise 1 bis 3 C-Atome. In R³ und R⁴ steht Alkyl für 1 bis 15, vorzugsweise 1 bis 6 Kohlenstoffatome und Aryl für Phenyl, das am Ring noch ein bis drei Substituenten enthalten kann, wie Halogen, z. B. Fluor, Chlor oder Brom, NO₂, NR⁶R⁷, OR⁸ und/oder Alkyl. Die Reste R⁶, R⁷ und R⁸ sind gleich oder verschieden und können Wasserstoff oder Alkyl mit 1 bis 4 C-Atomen sein. Die Gruppen YCZ und CZ-(CH₂)_nR² müssen jedoch verschieden sein. R² als Halogen kann Fluor, Chlor, Brom oder Jod sein. Wenn Z Wasserstoff und R² Halogen ist, ist dieses bevorzugt Brom. Verbindungen, in denen wenigstens ein X = F ist, sind z. B. 4-(Perfluor-n- hexyl)-buten(1) Formel

(n-C₆F₁₃)-CH₂-CH₂-CH=CH₂

und Perfluorpropen C₃F₆. Die Gliederzahl n variiert vorzugsweise im Bereich von 1 bis 12 und insbesondere bis 8.

Die neuartigen Katalysatoren sind also nicht nur bei Olefinen mit Z=H, sondern auch bei der Metathese teilweise fluorierter Olefine wirksam. Sie eignen sich auch für die Metathese innenständiger, funktionalisierter Olefine der Formel

R⁹CH=CH-(CH₂)_nR¹⁰, (IV)

worin R⁹ ein verzweigter oder zweckmäßig unverzweigter Alkylrest mit 1 bis 12 C-Atomen, R¹⁰ ein Carboxyalkylrest ist, worin der Alkylrest zweckmäßig 1 bis 4 C-Atome hat und n eine ganze Zahl von 1 bis 10 darstellt. Beispielhaft sei Methyloleat genannt sei (R⁹ = n-Octyl, R¹⁰ = CO₂CH₃, n = 7).

Als Trägermaterialien eignen sich besonders gut SiO₂/Al₂O₃ (z. B. im Gewichtsverhältnis 87 : 13) und Al₂O₃, das je nach Vorbehandlung sauer, neutral oder basisch sein kann. Die Aktivität dieser Katalysatoren kann erheblich gesteigert werden, wenn die Rheniumverbindungen auf einen ausgeglühten, d. h. möglichst wasserfreien Träger wie Kiesel-/Aluminiumoxid aufgebracht werden. Enthält nämlich das Trägermaterial größere Feuchtigkeitsmengen, so verringert sich die Aktivität, weil dann die an Rhenium gebundene Alkylgruppe durch das Wasser teilweise als Alkan abgespalten wird.

Die katalytische Aktivität der erfindungsgemäßen Katalysatoren für die Metathese von Olefinen ist höher als bei den bisher beschriebenen rheniumhaltigen Katalysatorsystemen. Als beispielhafter Beleg dienen die Ansätze gemäß Fig. 1 und Fig. 4. Das System CH₃ReO₃/SiO₂/Al₂O₃ (Fig. 1) metathetisiert Allylbromid bereits in 20 min zu Q über 25, wobei der

mit Propan als vorgegebenem Standard gebildet und gegen die Zeit aufgetragen wird. Der Kurvenverlauf gibt Aufschluß über die Aktivität des jeweiligen Katalysatorsystems. Der literaturbekannte Standard-Katalysator NH₄[ReO₄]/SiO₂/Al₂O₃ (Fig. 4) wirkt dagegen nur in Gegenwart von Sn(CH₃)₄, und auch dann erst in 180 min, in vergleichbarem Maße. Das Symbol "r 2" ist ein Maß für die Übereinstimmung des rechnerisch ermittelten Kurvenverlaufs mit den experimentellen Werten.

Die bisher in der Olefin-Metathese technisch verwendeten rheniumhaltigen Katalysatoren werden in der Regel so hergestellt (S. Warwel et al., Chem.-Ztg. 107 (1983) 115-120), daß handelsübliches Ammoniumperrhenat NH₄[ReO₄] als Dioxan/Wasser-Lösung mit dem Trägermaterial (in der Regel Aluminiumoxid) behandelt wird. Die entstandene Suspension wird dann im Vakuum der Wasserstrahlpumpe zur völligen Trockne gebracht; das trockene Material wird dann bei 550°C zunächst etwa 2 h im Sauerstoffstrom und dann etwa 2 h im Stickstoffstrom erhitzt. Erst das so erhaltene, auf Raumtemperatur abgekühlte Material wird für die Katalysezwecke eingesetzt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren hingegeben kann man auf diese zeit- und energieaufwendigen Arbeitsschritte verzichten, wodurch auch besser reproduzierbare Katalysatoren erhalten werden. Die katalytisch wirkende Rheniumverbindung wird für das vorliegende Verfahren vorteilhaft bei Raumtemperatur aus einem Lösungsmittel, vorzugsweise einer Dichlormethan-Lösung, auf den Katalysatorträger, vorteilhaft Kieselgel/Aluminiumoxid, aufgebracht, wobei lediglich der Katalysatorträger vor seiner Verwendung 2 h bei 550 bis 800°C im Stickstoffstrom von Feuchtigkeit befreit wird, damit das Katalysatorsystem nachher seine volle Aktivität entfaltet.

Bei der Metathese mit den erfindungsgemäßen Katalysatoren ist darauf zu achten, daß Luft und Feuchtigkeit ausgeschlossen werden. Auch die eingesetzten Olefine sind vor ihrer Verwendung zweckmäßig gut zu trocknen. Die Metathese wird im allgemeinen bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von 0 bis 40°C, zweckmäßig 10 bis 35°C durchgeführt. Die Möglichkeit, bei solch milden Reaktionsbedingungen zu arbeiten, ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist aber auch möglich, noch höhere Temperaturen, z. B. bis 100°C anzuwenden oder bei Über- oder Unterdruck zu arbeiten. Jedoch sind hiermit gewöhnlich keine Vorteile verbunden.

In den Charakterisierungen einzelner Stoffe in den folgenden Beispielen bedeutet "sst" sehr stark, "st" stark, "br" breit und "El-MS" Electron-Impact-Massenspektrum.

Beispiele 1-5 - Metathese mit CH₃ReO₃

In den folgenden Versuchen wurden die eingesetzten Olefine vor ihrer Verwendung über CaH₂ getrocknet und destilliert. Als Katalysator wurde dabei Methylrheniumtrioxyd CH₃ReO₃ verwendet, das nach einem präparativ einfachen, das giftige Tetramethylzinn, Sn(CH₃)₄, vermeidenden Verfahren wie folgt hergestellt worden war:

Eine Lösung von 4,84 g (10 mmol) Dirheniumheptoxid Re₂O₇ (Fa. Degussa, 76,9% Re) in 100 ml eines wasserfreien Lösungsmittels wie Tetrahydrofuran wurde bei Raumtemperatur mit 20 ml einer 0,5molaren Lösung von Dimethylzink Zn(CH₃)₂ in Tetrahydrofuran binnen 10 min tropfenweise versetzt und dann noch 60 min bei Raumtemperatur gerührt. Die flüchtigen Anteile wurden dann im Vakuum einer Ölpumpe in eine Kühlfalle abgezogen. Der Rückstand wurde in einem Hochvakuum bei 40-55°C an einem wassergekühlten Sublimationsfinger sublimiert. Dabei erhielt man 3,89 g (78% d. Theorie) farblose, meist nadelförmige Kristalle des Katalysators CH₃ReO₃. Die Synthese gelingt auch mit nicht-sublimiertem Re₂O₇, doch sind die Ausbeuten dann geringer. Die Substanz ist folgendermaßen charakterisiert:
Schmelzpunkt 106°C.
IR (cm^-1, KBr): 1002 sst, 950 sst, br[v(Re=O)].
¹H-NMR (CDCl₃, 28°C): δ(CH₃) = 2,61 [Singulett].
¹³C-NMR (CDCl₃, 28°C): w(CH₃) = 19,03 [Quartett, ¹J(C,H) = 138 Hz].
¹⁷O-NMR (CDCl₃, 28°C) : δ(0) = 829 ppm.
EI-MZ : m/z = 250 (Molekül-Ion, mit korrektem Isotopenmuster ¹⁸⁵Re/¹⁸⁷Re).
Die Substanz kann bei Raumtemperatur unzersetzt aufbewahrt werden.

Elementaranalyse für CH₃O₃Re (249,21):
Berechnet: C 4,82, H 1,20, O 19,26, Re 74,72;
Gefunden: C 4,84, H 1,19, O 19,30, Re 74,78.

In einem 30 ml Reaktionsgefäß mit Septum, Rückflußkühler und Quecksilberüberdruckventil wurde unter Rühren eine Lösung von 13 mg (0,052 mmol) Methylrheniumtrioxid CH₃ReO₃ in 0,5 ml Dichlormethan in eine Suspension von 1000 mg Katalysatorträger [SiO₂/Al₂O₃, (87 : 13), Korngröße unter 15 µm (Präparat Nr. 14-7150 der Fa. Strem Chemicals, Newburyport/Mass. 01950 (USA), 2 h auf 550°C erhitzt] in 10 ml Dichlormethan (über Calciumhydrid getrocknet und unter Stickstoffatmosphäre aufbewahrt) eingetragen. Der Kolbeninhalt wurde zum Sieden erhitzt. Nach Einstellen des thermischen Gleichgewichts wurden 5,2 mmol Olefin mit einer Spritze durch das Septum injiziert. Zur Isolierung des Produkts wurde nach mehrstündigem Kochen unter Rückfluß (Tab. 1) der Kontakt auf einer Fritte abgesaugt und zweimal mit je 10 ml Dichlormethan ausgewaschen. Das Lösungsmittel wurde im Vakuum einer Ölpumpe abgezogen, das Produkt ausgewogen und durch einen Gaschromatographen mit angekoppeltem Massenspektrometer auf Reinheit überprüft.

Tabelle 1

Metathese funktionalisierter α-Olefine vom Typ II unter Abspaltung von Äthylen

Vergleiche

In einem mit einem Septum verschlossenen 30 ml- Reaktionsgefäß wurde unter Rühren eine Lösung von 13 mg (0,052 mmol) Methylrheniumtrioxid CH₃ReO₃ in 0,5 ml Dichlormethan in eine Suspension von 1000 mg Katalysatorträger (SiO₂/Al₂O₃ (Gewichtsverhältnis 87 : 13, Korngröße unter 15 µm; 2 h auf 550°C gehalten) in 10 ml Dichlormethan (über Calciumhydrid getrocknet und unter Stickstoffatmosphäre aufbewahrt) eingetragen. 0,5 ml Propan wurden als interner Standard injiziert. Nach 5minütigem Rühren wurden 5 mmol Olefin eingespritzt (t = 0) und der Äthylen-Gehalt der Gasphase nach den aus den Fig. 1, 2, 4 und 5 ersichtlichen Zeitabständen gaschromatographisch ermittelt. Fig. 4 gibt einen Vergleich zu Fig. 1 wieder, Fig. 2 zeigt den Effekt einer gegenüber Fig. 1 größeren Katalysatorverdünnung, und Fig. 5 zeigt einen Vergleich mit dem bisher verwendeten, literaturbekannten rheniumhaltigen Katalysatorsystem nach der Vorschrift von Warwel et al. l.c. Dazu wurden 900 mg neutrales Aluminiumoxid zunächst mit einer Lösung von 100 mg Ammoniumperrhenat NH₄[ReO₄] in 10 ml Dioxan/Wasser (9+1 Vol.-Teile) imprägniert. Das Katalysatorsystem wurde dann bei 550°C 2 h im Sauerstoffstrom und danach 2 h im Stickstoffstrom aktiviert. Die Kinetikversuche verliefen analog denen mit Methylrheniumtrioxid CH₃ReO₃, doch mußten zur Aktivierung 5 min vor der Olefinzugabe 0,005 ml Tetramethylzinn Sn(CH₃)₄ injiziert werden, um überhaupt einen katalytischen Effekt zu erreichen.

Einen direkten Vergleich lieferte der Vergleichsversuch V1, bei dem 14 mg Ammoniumperrhenat NH₄[ReO₄] auf 1 g SiO₂/Al₂O₃ aufgezogen und wie zuvor angegeben im O₂ und N₂-Strom aktiviert wurden.

Bei der Metathese nichtfunktionalisierter Olefine erreichten CH₃ReO₃ einerseits und NH₄[ReO₄] andererseits auf SiO₂/Al₂O₃ vergleichbare Aktivitäten. Die Gleichgewichts- Produktverteilung bei der Metathese eines Gemisches von 50 Mol-% 2-Penten +25 Mol-% 2-Buten +25 Mol-% 3-Hexen stellte sich bei beiden Systemen nach ca. 5 min ein, bei NH₄(ReO₄] jedoch nur nach zusätzlicher Aktivierung mit Tetramethylzinn, wie sich aus einem Vergleich von Fig. 3 und Fig. 6 ergibt.

Effekte durch den Katalysatorträger

Wie insbesondere die Ansätze gemäß Fig. 1 und Fig. 2 der Metathese von Allylbromid zeigen, nimmt die Aktivität des Katalyators CH₃ReO₃ mit der Verdünnung (in bezug auf die Menge des oxidischen Trägermaterials) stark zu:
Bei 300 min Reaktionszeit erreicht man
für 13 mg CH₃ReO₃ + 1000 mg SiO₂/Al₂O₃ den Wert Q = 30,
für 13 mg CH₃ReO₃ + 2000 mg SiO₂/Al₂O₃ den Wert Q = 40.

Beispiele 6-9 - Metathese mit (CH₃)₆Re₂O₃

6) In einem mit einem Septum verschlossenen 30 ml- Reaktionsgefäß wurde unter Rühren eine Lösung von 25,5 mg (0,052 mmol) Hexamethyltrioxodirhenium (CH₃)₆Re₂O₃ in 0,5 ml Dichlormethan in eine Suspension von 1000 mg Katalysatorträger (SiO₂/Al₂O₃; Gewichtsverhältnis 87 : 13, Korngröße unter 15 µm; 2 h auf 550°C gehalten) in 10 ml Dichlormethan (über Calciumhydrid getrocknet und unter Stickstoffatmosphäre aufbewahrt) eingetragen. 0,5 ml Propan wurden als interner Standard injiziert. Nach 5minütigem Rühren wurden 5 mmol Allylbromid eingespritzt (t = 0) und der Äthylen-Gehalt der Gasphase nach den aus der Fig. 7 ersichtlichen Zeitabständen gaschromatographisch ermittelt.

7-9) In einem 30 ml Reaktionsgefäß mit Septum, Rückflußkühler und Quecksilberüberdruckventil wurde unter Rühren eine Lösung von 25,5 mg (0,052 mmol) Hexamethyltrioxodirhenium (CH₃)₆Re₂O₃ in 0,5 ml Dichlormethan in eine Suspension von 1000 mg Katalysatorträger [SiO₂/Al₂O₃ (87 : 13), Korngröße unter 15 µm (Präparat Nr. 14-7150 der Fa. Strem Chemicals, Newburylport/Mass. 01950 (USA), 2 h auf 550°C erhitzt] in 10 ml Dichlormethan (über Calciumhydrid getrocknet und unter Stickstoffatmosphäre aufbewahrt) eingetragen. Der Kolbeninhalt wurde zum Sieden erhitzt. Nach Einstellen des thermischen Gleichgewichts wurden 5,2 mmol Olefin mit einer Spritze durch das Septum injiziert. Zur Isolierung des Produkts wurde nach mehrstündigem Kochen unter Rückfluß (Tab. 2) der Kontakt auf einer Fritte abgesaugt und zweimal mit je 10 ml Dichlormethan ausgewaschen. Das Lösungsmittel wurde im Vakum einer Ölpumpe abgezogen, das Produkt ausgewogen und durch einen Gaschromatographen mit angekoppeltem Massenspektrometer auf Reinheit überprüft.

Tabelle 2

Beispiel 10 - Metathese mit (CH₃)₄Re₂O₄

In einem mit einem Septum verschlossenen 30 ml- Reaktionsgefäß wurde unter Rühren eine Lösung von 25,8 mg (0,052 mmol) Tetramethyltetraoxodirhenium (CH₃)₄Re₂O₄ in 0,5 ml Dichlormethan in eine Suspension von 1000 mg Katalysatorträger (SiO₂/Al₂O₃; Gewichtsverhältnis 87 : 13, Korngröße unter 15 µm; 2 h auf 550°C gehalten) in 10 ml Dichlormethan (über Calciumhydrid getrocknet und unter Stickstoffatmosphäre aufbewahrt) eingetragen. 0,5 ml Propan wurden als interner Standard injiziert. Nach 5minütigem Rühren wurden 5 mmol Allylbromid eingespritzt (t = 0) und der Äthylen-Gehalt der Gasphase nach den aus der Fig. 8 ersichtlichen Zeitabständen gaschromatographisch ermittelt.

Beispiele 11-14 - Verbindungen der Formel R¹_aRe_bO_c 11. Trimethyl(oxo)rhenium, (CH₃)₃ReO

a) Eine Lösung von 4,14 g (10 mmol) der Verbindung [(CH₃)₃SnO]ReO₃ in 100 ml wasserfreiem Tetrahydrofuran wurde rasch nacheinander bei Raumtemperatur mit 2,62 g (10 mmol) Triphenylphosphin P(C₆H₅)₃ und mit 10,85 g (0,1 mol) Trimethylchlorsilan (CH₃)₃SiCl unter kräftigem magnetischem Rühren versetzt. Nach 3 Stunden Rühren bei Raumtemperatur hatte sich ein grüner Bodensatz gebildet, der aus der Verbindung ReOCl₃[OP(C₆H₅)](OC₄H₈) bestand (OC₄H₈) = Tetrahydrofuran). Abfiltrieren dieses Niederschlags von der überstehenden Lösung, Waschen mit Tetrahydrofuran und Trocknen im Vakuum einer Ölpumpe ergab 6,19 g (94% d. Th.) dieser Verbindung in reiner Form.

b) 3,29 g (5 mmol) der unter a) hergestellten Verbindung wurden in 20 ml Tetrahydrofuran suspendiert. Zu dieser Suspension gab man tropfenweise bei 0°C eine 0,2molare Lösung von Lithiummethyl LiCH₃ (insgesamt 16 mmol) und ließ das resultierende Reaktionsgemisch noch 3 Stunden bei Raumtemperatur rühren. Die flüchtigen Anteile wurden dann im Vakuum einer Ölpumpe entfernt. Der dunkelbraun gefärbte, meist etwas ölige Rückstand wurde mit ca. 10 ml Toluol extrahiert. Der Extrakt wurde im Vakuum einer Ölpumpe zur Trockne gebracht. Der Rückstand wurde bei -60°C an einer Säule (40 cm lang, 2 cm Durchmesser) von silanisiertem, ausgeglühtem Kieselgel (Fa. Merck) chromatographiert, wobei sich mit Toluol die gelbe Zone der Verbindung (CH₃)₃ReO entwickelte. Das Eluat wurde im Vakuum einer Ölpumpe eingeengt. Der Rückstand wurde dann in 20 ml n-Pentan gelöst, und die Lösung wurde bei -80 bis -40°C der Kristallisation überlassen. Es ergaben sich 198 mg (16% d. Th.) gelbe Nadeln von (CH₃)₃ReO.
Charakterisierung: Löslich in den gebräuchlichen, wasserfreien organischen Lösungsmitteln, insbesondere Methylenchlorid, Tetrahydrofuran und Toluol. Die Substanz ist fest und in Lösung allerdings nur bei Lagerung im Temperaturbereich -80 bis -40°C einige Zeit unzersetzt haltbar.
IR (cm^-1, KBr): 978 sst [v(Re=0)].
¹H-NMR (270 MHz; 28°C, CD₂Cl₂): δCH₃ = 5,41 (Singulett).
FD-Massenspektrum: Molekül-Ion bei m/z = 248 (¹⁸⁷Re), mit korrektem Isotropenmuster ¹⁸⁵Re/¹⁸⁷Re.

12. Tris(neopentyl)oxorhenium, Re[CH₂C(CH₃)₃]₃O

Diese Verbindung wurde analog der Vorschrift gemäß Beispiel 11 synthetisiert, wobei man statt Lithiummethyl das Lithiumneopentyl Li[CH₂C(CH₃)₃] einsetzte. Das Produkt wurde analog aufgearbeitet. Ausbeute 249 mg (12% d. Theorie).
Charakterisierung: Gelbe Kristalle; über einen längeren Zeitraum (ca. 8 Tage) unzersetzt haltbar nur bei Temperaturen unterhalb -20°C.
IR (cm^-1, KBr): 975 cm^-1 sst [v(Re=O)].
¹H-NMR (400 MHz, 28°C, CDCl₃): δCH₃ = 1,12 (Singulett, 9H), δCH₂ = 2,21 [etwas verbreitertes Singulett, 2H].
FD-Massenspektrum: Molekül-Ion bei m/z = 416 (¹⁸⁷Re) mit korrektem Isotopenmuster ¹⁸⁵Re/¹⁸⁷Re.

13. 2,2,2-Trifluoräthyl)trioxorhenium, (CF₃CH₂)ReO₃

Eine Lösung von 4,84 g (10 mmol) Dirheniumheptoxid RE₂O₇ (Fa. Degussa, 76,9% Re) in 100 ml eines wasserfreien Lösungsmittels wie Tetrahydrofuran wurde bei Raumtemperatur mit 20 mmol einer 0,5molaren Lösung von Bis(2,2,2- Trifluoräthyl)zink Zn(CH₂CF₃)₂ in Tetrahydrofuran binnen 10 min tropfenweise versetzt und dann noch 80 min bei Raumtemperatur gerührt. Die flüchtigen Anteile wurden dann im Vakuum einer Ölpumpe in einer Kühlfalle abgezogen, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt war. Der Rückstand wurde in einem Hochvakuum bei 40-85°C an einem wassergekühlten Sublimationsfinger sublimiert. Dabei erhielt man 2,41 g (38% d. Theorie) schwach gelbliche, nadelförmige Kristalle der Verbindung (CF₃CH₂)ReO₃. Die Synthese gelingt auch mit nicht-sublimiertem Re₂O₇, doch sind die Ausbeuten dann geringer (Bereich 10-18%).

Die Substanz ist folgendermaßen charakterisiert:
Löslich in den meisten wasserfreien organischen Lösungsmitteln, insbesondere in Tetrahydrofuran, Methylenchlorid und Toluol, wobei sich nahezu farblose, lichtempfindliche Lösungen bilden.
IR (cm^-1, KBr): 1048 st, 960 sst [v(Re=O)].
¹H-NMR (CDCl₃, 28°C): δ(CH₂) = 2,30 [Quartett].
¹⁷O-NMR (CDCl₃, 28°C): δ(O) = 590 ppm.
EI-MS: m/z = 318 (Molekül-Ion mit korrektem Isotopenmuster ¹⁸⁵RE/₁₈₇Re). Die Substanz kann bei Eistemperatur (0°C) unzersetzt aufbewahrt werden, wenn für Lichtausschluß gesorgt ist.

Elementaranalyse für C₂H₂F₃O₃Re (317,21):
Berechnet: C 7,57, H 0,63, F 17,97, Re 58,70;
Gefunden: C 7,60, H 0,70, F 18,00, Re 58,59.

Dieselbe Verbindung erhielt man in 40-48% Ausbeute, wenn man Dirheniumheptoxid Re₂O₇ mit der äquimolaren Menge Tetrakis(2,2,2,-trifluoräthyl)zinn Sn(CH₂CF₃)₄ unter den in der vorgenannten Arbeitsvorschrift genannten Bedingungen umsetzte, wobei nur der Unterschied bestand, daß die Komponenten nicht bei Raumtemperatur, sondern in siedendem Tetrahyrofuran 1 bis 2 h miteinander umgesetzt wurden. Die Aufarbeitung des Produktes erfolgte analog.

Verwendung des (CF₃CH₂)ReO₃

Bei der Anwendung dieser Verbindung als Katalysator für die Olefin-Metathese wird ebenso verfahren wie es in den Beispielen 1 bis 5 für Methylrheniumtrioxid CH₃ReO₃ beschrieben ist.

14. (2,3,4,5,6-Pentafluorphenylmethyl)trioxorhenium, C₆F₅CH₂ReO₃

Aus einer Lösung von 6,16 g (20 mmol) 2,3,4,5,6- Pentafluorphenyl)methyljodid C₆F₅CH₂J wurde zunächst nach bekanntem Verfahren durch Umsetzung mit Magnesiumspänen in Diäthyläther als Lösungsmittels die entsprechende Grignard- Verbindung C₆F₅CH₂MgJ hergestellt. Die erhaltene Lösung wurde dann mit 12,3 g (9 mmol) wasserfreiem Zinkchlorid versetzt. Die entstandene Reaktionsmischung kochte man dann 5 h unter Rückfluß. Die so erzielbare Verbindung Bis(2,3,4,5,6-pentafluorphenylmethyl)zink Zn(CH₂C₆F₅)₂ konnte aus der Lösung nach Filtration durch Umkristallisation bei tiefen Temperaturen (-80 bis -40°C) erhalten werden.

2,14 g (5 mmol) Bis(2,3,4,5,6-pentafluorphenylmethyl)zink Zn(CH₂C₆F₅)₂ wurden bei Raumtemperatur zu einer Lösung von 4,84 g (10 mmol) Dirheniumheptoxid Re₂O₇ (Fa. Degussa, 76,9% Re) in 100 ml eines wasserfreien Lösungsmittels wie Tetrahydrofuran gegeben. Die resultierende Lösung wurde noch 60 min bei Raumtemperatur gerührt. Die flüchtigen Anteile wurden dann im Vakuum einer Ölpumpe in eine Kühlfalle abgezogen, die mit flüssiger Luft gekühlt war. Der Rückstand wurde dreimal mit jeweils 20 ml wasserfreiem Toluol extrahiert, der Extrakt filtriert und das Filtrat dann im Vakuum einer Ölpumpe bei 0°C zur Trockne gebracht. Der Rückstand wurde aus einem Lösungsmittelgemisch, das aus gleichen Volumina n-Hexan und Toluol bestand, bei -40 bis -8°C umkristallisiert. Dabei erhielt man 581 mg (28% d. Theorie, bezogen auf eingesetzte Zink-Verbindung) schwach gelb gefärbte oktaedrische Kristalle des Katalysators (C₆F₅CH₂)ReO₃.

Die Substanz ist folgendermaßen charakterisiert:
Löslich in den meisten gebräuchlichen wasserfreien organischen Lösungsmitteln, insbesondere Toluol, Methylenchlorid und Tetrahydrofuran.
IR (cm^-1, KBr): 1058 st, 958 sst [v(Re=O)].
¹H-NMR (CDCl₃, 28°C): δ(CH₂) = 2,39 ppm [etwas verbreitertes Singulett].
¹⁷O-NMR (CDCl₃, 28°C): δ(O) = 604 ppm.
EI-MS: m/z = 416 (Molekül-Ion mit korrektem Isotopenmuster ¹⁸⁵Re/¹⁸⁷Re).

Elementaranalyse für C₆F₅CH₂ReO₃ (415,26):
Berechnet: C 20,25, H 0,48, F 22,87, Re 44,84;
Gefunden: C 20,20, H 0,50, F 22,60, Re 45,00.

Claims

1. Verbindungen der allgemeinen Formel R¹_aRe_bO_c, worin a 1 bis 6, b 1 bis 4 und c 1 bis 14 sind und die Summe von a, b und c so ist, daß sie der 5- bis 7-Wertigkeit des Rheniums gerecht wird mit der Maßgabe, daß c nicht größer als 3 · b ist, und worin R¹ einen Alkylrest mit 1 bis 9 C- Atomen, einen Cycloalkylrest mit 5 bis 10 C-Atomen oder einen Aralkylrest mit 7 bis 9 C-Atomen darstellt, wobei R¹ wenigstens teilweise fluoriert sein kann, die Verbindungen nicht mehr als drei Gruppen mit mehr als 6 C-Atomen je Rheniumatom enthalten und an das C-Atom in α-Stellung noch wenigstens ein Wasserstoffatom gebunden ist und wobei die Verbindungen Methylrheniumtrioxid CH₃ReO₃, das (CH₃)₆Re₂O₃ und Pentamethylcyclopentadienyl-Rheniumtrioxyd (η⁵-C₅(CH₃)₅)ReO₃ ausgenommen sind.

2. Verwendung von Verbindungen der allgemeinen Formel R¹_aRe_bO_c, worin a 1 bis 6, b 1 bis 4 und c 1 bis 14 sind und die Summe von a, b und c so ist, daß sie der 5- bis 7-Wertigkeit des Rheniums gerecht wird mit der Maßgabe, daß c nicht größer als 3 · b ist, und worin R¹ einen Alkylrest mit 1 bis 9 C-Atomen, einen Cycloalkylrest mit 5 bis 10 C-Atomen oder einen Aralkylrest mit 7 bis 9 C-Atomen darstellt, wobei R¹ wenigstens teilweise fluoriert sein kann, die Verbindungen nicht mehr als drei Gruppen mit mehr als 6 C-Atomen je Rheniumatom enthalten und an das C-Atom in α-Stellung noch wenigstens ein Wasserstoffatom gebunden ist, die auf oxydische Trägermaterialien aufgebracht sind, als Katalysatoren zur Metathese olefinischer Verbindungen.

3. Verfahren zur Herstellung von metallorganischen Katalysatoren, wie im Anspruch 2 definiert, dadurch gekennzeichnet, daß man die Rheniumverbindung aus einem wasserfreien, gegenüber den Rheniumverbindungen inerten Lösungsmittel auf den Katalysatorträger aufbringt und die flüchtigen Anteile entfernt.

4. Verfahren zur Metathese von Olefinen, dadurch gekennzeichnet, daß Olefine des Typs YCZ=CZ-(CX₂)_nR² (II)worin n eine ganze Zahl von 1 bis 28, X H oder F ist, Y H oder Alkyl mit 1 bis 10 C-Atomen ist und Z H oder einen nicht-aromatischen Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 C-Atomen darstellt und der Substituent R² H, Alkyl, Halogen, COOR³ oder R⁴ ist, worin R³ und R⁴ Alkyl mit 1 bis 15, vorzugsweise 1 bis 6, Kohlenstoffatomen oder Phenyl ist, das am Ring noch 1 bis 3 Substituenten enthalten kann oder worin R⁴ Trialkylsilyl R⁵Si ist, worin R⁵ Alkyl mit 1 bis 5, vorzugsweise 1 bis 3, C-Atomen darstellt, an Katalysatoren umsetzt, die aus oxydischen Trägermaterialien bestehen, auf die Verbindungen der im Anspruch 2 definierten Art aufgebracht sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man ein funktionalisiertes Olefin der Metathese-Reaktion unterwirft.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Cycloolefin der Metathese- Reaktion unterwirft.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man in Abwesenheit eines Aktivators arbeitet.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysatorträger aus Aluminiumoxid oder Kombinationen davon mit Siliziumdioxid besteht und durch Ausglühen getrocknet ist.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator als wirksame Substanz Methylrheniumtrioxid enthält.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man im Temperaturbereich von 0 bis 60°C, vorzugsweise von 10 bis 30°C und bei Atmosphärendruck, arbeitet.