Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Umwandlung von Furan oder eines oder mehrerer Furanderivate.

Ein Ziel der präparativen organischen Elektrochemie ist es, die bei einem elektrochemischen Verfahren auftretenden Prozesse an beiden Elektroden parallel zu nutzen. Insbesondere sind solche Verfahren von Interesse, in denen die beiden Elektrodenprozesse, die in einer ungeteilten Zelle ablaufen, zur Umsetzung von chemischen Verbindungen genutzt werden können.

Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist etwa die oxidative Dimerisierung von 2,6-Dimethylphenol, die mit der Dimerisierung von Maleinsäureestern gekoppelt wird (M. M. Baizer, in: H. Lund, M. M. Baizer (Hrsg.), Organic Electrochemistry, Marcel Dekker, New York, 1991, Seiten 1442 ff.).

Ein weiteres Beispiel ist die gekoppelte Synthese von Phthalid und t-Butylbenzaldehyd (DE 196 18 854).

Es ist aber auch möglich, den Kathoden- und den Anodenprozeß zu nutzen, um ein einziges Produkt herzustellen oder ein Edukt zu zerstören. Beispiele für solche elektrochemischen Verfahren sind etwa die Erzeugung von Buttersäure (Y. Chen, T. Chou, J. Chin. Inst. Chem. Eng. 27 (1996) Seiten 337 - 345), die anodische Auflösung von Eisen, die mit der kathodischen Bildung von Ferrocen gekoppelt wird (T. Iwasaki et al., J. Org. Chem. 47 (1982) Seiten 3799 ff.) oder der Abbau von Phenol (A. P. Tomilov et al., Elektrokhimiya 10 (1982) Seite 239).
Hinsichtlich der Verfahren, in denen ein Furanderivat in einer ungeteilten Elektrolysezelle umgesetzt wird und die beiden Elektrodenprozesse genutzt werden, ist die Oxidation von Furancarbonsäure mit anschließender Ringöffnung zu 1-Carboxymethyl-4,4-dimethoxypropen, das in einer weiteren Stufe zum gesättigten Propanderivat hydriert wird, beschrieben (T. Iwasaki et al., J. Org. Chem. 47 (1982) Seiten 3799 ff.). Es handelt sich hierbei allerdings nicht um eine katalytische Hydrierung, sondern um eine direkte Elektroreduktion. In diesem Fall setzt sich jedoch nicht das Furan um, sondern der α,β-ungesättigte Ester, d. h. eine Substanzklasse, deren elektrochemische Reduktion bekannt ist. Außerdem erfolgt die Ringöffnung und die anschließende Hydrierung nicht direkt aus dem anodisch erzeugten Produkt sondern aus einer um ein C-Atom ärmeren, fragmentierten Stufe, die eine weitere Oxidation erlitten hat.

Eine elektrochemische Oxidation von Furan oder eines Furanderivates unter Beibehaltung der heterocyclischen Ringstruktur und anschließende Hydrierung, wobei eine Doppelbindung, die nach der Oxidation in der Ringstruktur vorliegt, hydriert wird, ist jedoch in Verfahren, in denen beide Elektrodenprozesse genutzt werden, nicht bekannt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektrochemisches Verfahren bereitzustellen, das vorzugsweise in einer ungeteilten Elektrolysezelle abläuft und in dem Furan oder ein substituiertes Furan in einem Elektrodenprozeß unter Beibehaltung der heterocyclischen Ringstruktur oxidiert wird und dieses Oxidationsprodukt mit Wasserstoff hydriert wird, wobei der Wasserstoff als Produkt in dem anderen Elektrodenprozeß entsteht oder als Wasserstoffäquivalent im Sinne einer Elektrokatalyse auf das Furanderivat übertragen wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur elektrolytischen Umwandlung mindestens eines Furanderivates (A) in einem Elektrolysekreis, das die beiden Schritte (i) und (ii) umfaßt:

• (i) Elektrolytische Oxidation von Furan oder eines substituierten Furans oder eines Gemisches aus zwei oder mehreren davon unter Erhalt
  • (a) mindestens eines, im heterocyclischen Fünfring eine C-C-Doppelbindung aufweisenden Furanderivates (B), und
  • (b) Wasserstoff;
• (ii) Hydrierung dieser C-C-Doppelbindung unter Verwendung des in Schritt (i) parallel an der Kathode erhaltenen Wasserstoffs oder von dem Elektrolysekreis von außen zugeführten Wasserstoff oder elektrokatalytische Hydrierung,

Vorzugsweise läuft das Verfahren in einer ungeteilten Elektrolysezelle ab.

Neben Furan lassen sich hier als substituierte Furane beispielsweise die folgenden Verbindungen bevorzugt nennen:
Furfural(Furan-2-aldehyd), alkylsubstituierte Furane, Furane mit -CHO, -COOH, -COOR, worin R für eine Alkyl-, Benzyl- oder Arylgruppe, insbesondere für eine C₁- bis C₄-Alkylgruppe steht, -CH(OR₁)(OR₂), wobei R₁ und R₂ gleich oder unterschiedlich sein können und R₁ und R₂ jeweils für eine Alkyl-, Benzyl-, Arylgruppe, insbesondere für eine C₁- bis C₄-Alkylgruppe stehen und -CN-Gruppen in 2-, 3-, 4- oder 5-Stellung.

Bei der erfindungsgemäßen Umsetzung organischer Verbindungen können Lösungsmittel und Leitsalze eingesetzt werden, wie sie in H. Lund, M. M. Baizer, (Hrsg.) "Organic Electrochemistry", 3^rd Edition, Marcel Dekker, New York 1991, beschrieben werden.

Die Oxidation erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt in Gegenwart von Methanol oder in Gegenwart von Ethanol oder einem Gemisch davon, bevorzugt jedoch in Gegenwart von Methanol. Diese Substrate können dabei gleichzeitig Reaktand und Lösungsmittel sein.

Als Lösungsmittel bei der Umsetzung sind neben Furan bzw. substituiertem Furan und der zur Oxidation verwendeten Verbindung generell alle geeigneten Alkohole einsetzbar.

Als Leitsalze können neben NaBr können im erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise auch Alkali- und/oder Erdalkalimetallhalogenide, wobei als Halogenide Bromide, Chloride und Iodide denkbar sind, eingesetzt werden. Ebenso sind auch Ammoniumhalogenide einsetzbar.

Druck und Temperatur können an die Bedingungen, die bei katalytischen Hydrierungen üblich sind, angepaßt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Reaktionstemperatur T < 50°C, vorzugsweise T < 25°C, der Druck p < 3bar und der pH-Wert im neutralen Bereich.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zusätzlich zu den Edukten, die in die ungeteilte Elektrolysezelle eingebracht
werden, Zwischenprodukte zugeführt. Als Zwischenprodukt wird dasjenige mindestens eine Produkt bezeichnet, das in Schritt (i) des oben beschriebenen Verfahrens durch elektrolytische Oxidation von Furan oder eines substituierten Furans oder eines Gemisches aus zwei oder mehreren davon als Furanderivat (B) erhalten wird und sich deshalb im Elektrolysekreislauf befindet. Die Konzentration der zusätzlichen Zwischenprodukte wird durch übliche elektrochemische und elektrokatalytische Parameter, wie beispielsweise Stromdichte, Katalysatorart und -menge, eingestellt, oder das Zwischenprodukt wird dem Kreislauf zugegeben.

Bezüglich der speziellen Wahl des Materials der Elektroden besteht im erfindungsgemäßen Verfahren keine Beschränkung, solange sich die Elektroden für das wie vorstehend beschriebene Verfahren eignen.

Vorzugsweise werden in der ungeteilten Zelle Graphitanoden verwendet.

Was die Geometrie der Elektroden in der ungeteilten Elektrolysezelle anbelangt, so existieren dafür im wesentlichen im Rahmen der vorliegenden Erfindung keine Beschränkungen. Als bevorzugte Geometrien sind beispielsweise plan-parallele Elektrodenanordnungen und ringförmige Elektrodenanordnungen zu nennen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine Elektrode in Kontakt mit mindestens einem Hydrierkatalysator. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Hydrierkatalysator Bestandteil einer Gasdiffusionselektrode. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine Elektrode eine mit Edelmetall beschichtete Graphitelektrode, bestehend aus Platten, Netzen oder Filzen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Hydrierkatalysator in Form einer Suspension im Elektrolyten ständig mit mindestens einer Elektrode in Kontakt gebracht. Hierbei wird der Hydrierkatalysator, d. h. das katalytisch wirksame Material, in der Zelle umgepumpt oder auf eine entsprechend strukturierte Kathode oder Anode angeschwemmt. Eine derartige Anschwemmelektrode ist beispielsweise in DE 196 20 861 beschrieben.

Verwendet man für mindestens eine der Elektroden eine Gasdiffusionselektrode, so kann prinzipiell das Material, aus dem die Gasdiffusionselektrode gefertigt ist, so verarbeitet sein, daß die Gasdiffusionselektrode ohne Stützmaterial als Elektrode verwendet werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt alternativ dazu mindestens eine der verwendeten Elektroden einen Verbundkörper dar, der mindestens ein herkömmliches Elektrodenmaterial und mindestens ein Material für eine Gasdiffusionelektrode umfaßt.

Dabei ist es denkbar, daß dieses weitere Elektrodenmaterial aus einer oder auch aus mehreren elektrischen Leitern besteht.

Prinzipiell ist es denkbar, daß der Verbundkörper, der das herkömmliche Elektrodenmaterial und das Material der Gasdiffusionselektrode umfaßt, als eine Elektrode im erfindungsgemäßen Verfahren zusammen mit einer oder mehreren geeigneten Gegenelektroden eingesetzt wird.

Diese eine oder mehreren geeigneten Gegenelektroden unterliegen von ihrer Geometrie und ihrer chemischen Zusammensetzung her keinen Beschränkungen, solange das erfindungsgemäße Verfahren mit ihnen durchführbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das weitere Elektrodenmaterial, das mit dem Gasdiffusionselektrodenmaterial einen Verbundkörper bildet, auch als Gegenelektrode der Gasdiffusionselektrode eingesetzt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Elektrodenanordnung bipolar geschaltet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Gasdiffusionselektrodengrundmaterial Graphit und/oder Kohlefaserpapier verwendet. Darauf ist die Katalysatormasse aufgebracht.

Als Stützmaterial, auf der das Gasdiffusionselektrodenmaterial aufgebracht ist, werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt weitere Elektrodenmaterialien verwendet, die Kohlenstoff umfassen.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wie oben beschrieben, eine C-C-Doppelbindung unter Verwendung des in Schritt (i) erhaltenen Wasserstoffs elektrokatalytisch oder mit den entsprechenden Wasserstoffäquivalenten im Sinne einer Elektrolyse hydriert. Diese Hydrierung findet vorzugsweise so statt, daß die zu hydrierende Verbindung mit einem oder mehreren Hydrierkatalysatoren in Kontakt gebracht wird.

Hinsichtlich der Auswahl an hydrieraktiven Katalysatoren bestehen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens prinzipiell keine Beschränkungen. Sämtliche aus dem Stand der Technik bekannte Katalysatoren sind dabei einsetzbar. Unter anderem sind dabei die Metalle der I., II. und VIII. Nebengruppe des Periodensystems zu nennen, insbesondere Co, Ni, Fe, Ru, Rh, Re, Pd, Pt, Os, Ir, Ag, Cu, Zn und Cd.

Beispielsweise ist es möglich, die Metalle unter anderem in feinverteilter Form einzusetzen. Beispiele unter anderen sind Raney-Ni, Raney-Co, Raney-Ag oder Raney-Fe, die jeweils auch weitere Elemente wie beispielsweise Mo, Cr, Au, Mn, Hg, Sn oder auch S, Se, Te, Ge, Ga, P, Pb, As, Bi oder Sb enthalten können.

Ebenso können natürlich die beschriebenen hydrieraktiven Materialien ein Gemisch aus zwei oder mehreren der genannten Hydriermetalle umfassen, die gegebenenfalls mit beispielsweise einem oder mehreren der oben genannten Elemente vermengt sein können.

Selbstverständlich ist es auch denkbar, daß das hydrieraktive Material auf einem inerten Träger aufgebracht ist. Als solche Trägersysteme können beispielsweise Aktivkohle, Graphit, Ruß, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Zirconiumdioxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid oder Gemische aus zwei oder mehreren davon, z. B. als Suspension oder als feinverteiltes Granulat, eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das hydrieraktive Material auf Gasdiffusionselektroden-Grundmaterial aufgebracht.

Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren, wie oben beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Gasdiffusionselektroden-Grundmaterial mit einem hydrieraktiven Material beladen ist.

Als hydrieraktives Material, mit dem das Gasdiffusionselektrodensystem beladen ist, kommen alle wie oben beschriebenen Hydrierkatalysatoren in Frage. Selbstverständlich ist es auch möglich, als hydrieraktives Material ein Gemisch aus zwei oder mehreren dieser Hydrierkatalysatoren einzusetzen.

Natürlich ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, daß das Gasdiffusionselektrodenmaterial mit hydrieraktivem Material beladen ist und zusätzlich hydrieraktives Material eingesetzt wird, das gleich oder unterschiedlich zu dem ist, mit dem das Gasdiffusionselektrodenmaterial beladen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben beschrieben, zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß es im wesentlichen die Wahlmöglichkeit läßt, ob die elektrokatalytisch wirksame Elektrode, d. h. die Elektrode, die mit einem Hydrierkatalysator in Kontakt ist, als Kathode oder als Anode oder als Kathode und Anode eingesetzt wird.

Daher betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren, wie oben beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die elektrokatalytisch wirksame Elektrode, wie beispielsweise eine Gasdiffusionselektrode, als Kathode und/oder als Anode verwendet wird.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wie oben beschrieben, wobei das hergestellte Furanderivat (B) zu mindestens einem ringoffenen Butanderivat umgesetzt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen ringoffenen Butanderivat um 1,1,4,4-Tetramethoxybutan oder um ein substituiertes 1,1,4,4-Tetramethoxybutan.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung näher erläutern.

Es wurde eine ungeteilte Zelle mit 6 ringförmigen Elektroden mit einer Oberfläche pro Seite von 15,7 cm² eingesetzt. Die Elektroden wurden durch 5 Spacernetze von 0,7 mm Stärke voneinander getrennt.

Die oberste und unterste Elektrode hatte Kontakt zu einem Stromanschluß. Die oberste Elektrode war anodisch geschaltet, die unterste kathodisch, die mittleren Elektroden waren bipolar.

Die Elektroden bestanden aus Graphitscheiben von je 5 mm Stärke, die auf einer Seite mit Gasdiffusionselektrodenmaterial belegt waren. Dieses Material wiederum war mit 10 g Platin / m² belegt.

Die Gasdiffusionselektrode wurde als Kathode geschaltet.

Der Elektrolyseansatz bestand aus 30 g Furan, 57,63 g 2,5-Dimethoxydihydrofuran, 2 g NaBr und 112 g Methanol.

Die Elektrolyse erfolgte bei 0,47 A und einer Temperatur von 15°C. Im Laufe der Umsetzung stieg die Zellspannung von 13,0 V auf 17,4 V. Die Elektrolyse wurde gaschromatographisch verfolgt.

Nach 1 F/mol Furan hatte sich der GC-Flächenprozentanteil von Furan von 22,9% auf 18,8% reduziert, der Dimethoxydihydrofurananteil von 32,2% auf 34,5% erhöht. Gleichzeitig entstanden 1,4% 2,5-Dimethoxytetrahydrofuran.

Die Zellanordnung entsprach der von Beispiel 1. Statt einer Pt-beladenen Gasdiffusions-Kathode wurde eine mit 5,2 g/m² Pd beladene Gasdiffusionselektrode eingesetzt.

Der Elektrolyseansatz bestand aus 60 g Furan, 126,2 g 2,5-Dimethoxydihydrofuran, 2 g NaBr und 234,4 g Methanol.

Die Elektrolyse erfolgte bei 0,47 A und einer Temperatur von ca. 18°C. Die Zellspannung stieg von 19,1 V auf 26,4 V. Die Elektrolyse wurde gaschromatographisch verfolgt.

Nach 1 F/mol Furan hatte sich der GC-Flächenprozentanteil von Furan von 22,8% auf 18,0% reduziert, der Dimethoxydihydrofurananteil von 30,7 auf 30,9% erhöht. Gleichzeitig entstanden 0,7% 2,5-Dimethoxytetrahydrofuran.

Die Zellanordnung entsprach der von Beispiel 1. Statt einer Gasdiffusions-Kathode wurde eine mit 5,2 g Pd/m² beladene Gasdiffusionselektrode als Anode eingesetzt.

Der Elektrolyseansatz bestand aus 30 g Furan, 57,4 g 2,5-Dimethoxydihydrofuran, 2 g NaBr und 110,6 g Methanol.

Die Elektrolyse erfolgte bei 0,48 A und einer Temperatur von 17°C. Die Zellspannung stieg von 16,3 V auf 19,5 V. Die Elektrolyse wurde gaschromatographisch verfolgt.

Nach 1 F/mol Furan hatte sich der GC-Flächenprozentanteil von Furan von 22,7 auf 16,9% reduziert, der GC-Flächenprozentanteil von 2,5-Dimethoxydihydrofuran hielt sich bei 30%. Gleichzeitig entstanden 3,3% 2,5-Dimethoxytetrahydrofuran.

Es wurde eine Zelle mit 5 ringförmigen Elektroden mit einer Oberfläche von 44 cm² eingesetzt. Die Elektroden wurden durch je 2 Spacernetze von 1 mm Stärke voneinander getrennt.

Die Elektroden bestanden aus Graphitscheiben von je 5 mm Stärke, die auf den elektrolytzugewandten Seiten sowohl anodisch als auch kathodisch mit Gasdiffusionselektrodenmaterial belegt waren. Dieses Material war mit 0,5 mg Pd/cm² beaufschlagt.

Der Elektrolyseansatz bestand aus 120g Furan, 229,9g 2,5-Dimethoxydihydrofuran, 8 g NaBr und 542,5 g MeOH.

Die Elektrolyse erfolgte bei 1,32 A bis zu einem Stromeinsatz von 2 F/mol Furan, die Elektrolysetemperatur betrug 17°C. Die Elektrolyse wurde gaschromatographisch verfolgt.

Furan hatte von 21,2 Fl% auf 13,4 Fl% abgenommen, 2,5-Dimethoxydihydrofuran hatte von 25,2 Fl% auf 23,3 Fl% abgenommen.

Gleichzeitig waren 3,5 F1% Dimethoxytetrahydrofuran entstanden. Bei diesem Versuch fand eine Ringöffnung statt.

Aus 2,5-Dimethoxydihydrofuran entstand 1,1,4,4-Tetramethoxy-cis-buten [1,3 F1%] und aus 2,5-Dimethoxytetrahydrofuran entstanden 4,2 Fl% 1,1,4,4-Tetramethoxybutan.

Die bedeutet, daß die Menge an Furan über ein Drittel abgenommen hat, daß die Stufe der Methoxylierung (ringgeschlossen und ringoffen) nahezu konstant geblieben ist und daß die Weiterhydrierung in großem Umfang stattgefunden hat, und zwar entsprechend der Abnahme an Furan.

In einer Rahmenzelle mit je drei Anoden und Kathoden, bestehend aus einer flexiblen, einseitig mit einem Graphitnetz beschichteten Graphitpappe "Sigrabond CFC 07G" der Firma SGL, Meitingen, fand die Umsetzung statt. Je eine Anode und Kathode waren monopolar geschaltet und dienten als Endplatten, die anderen beiden Elektroden waren jeweils paarweise geschaltet und stellten somit zwei bipolare Elektroden dar. Die Elektroden wurden durch herkömmliche Spacernetze auf Abstand gehalten. Der Abstand betrug 5 mm. Die Fläche der jeweiligen Elektrode war 4,8×9,5 cm.

In dieser Zelle wurde ein Elektrolyt, bestehend aus 75 g Furan, 222 g Methanol, 3 g NaBr und 0,5 g einer 10% Paladium enthaltenen Aktivkohle bei 26°C umgesetzt. Bei einer Stromstärke von 1,36 A und einer mittleren Zellspannung von 24 V wurde 7,5 h lang elektrolysiert, wobei die den Katalysator enthaltene Suspension ständig im Zellenkreis umgepumpt wurde. Nach Abschluß war der Furangehalt auf 55% des Ausgangswertes gefallen. Mit einer Selektivität von ca. 95% hatten sich 2,5-Dimethoxydihydrofuran, 2,5-Dimethoxytetrahydrofuran und 1,1,4,4-Tetramethoxybutan im Verhältnis 1:0,75:1,55 gebildet. Der Anteil der gleichzeitig methoxylierten und hydrierten Produkte betrug somit 70%.