2. Irodalmi áttekintés
2.4. Heterogén katalitikus hidrogénezések királisan módosított
A katalitikus hidrogénezések alkalmazása a szerves kémiában már több mint egy évszázados múltra tekint vissza. Az erre a célra használt első katalizátorok heterogén fémkatalizátorok voltak. Már 1863-ban Debus leírta metilamin keletkezését hidrogéncianid és hidrogén reakciójában platina-katalizátoron [39]. Ezt követően az 1800-as évek végén és a múlt század elején számos szerves vegyület hidrogénezését valósították meg fémkatalizátorok használatával. Sabatier és Sendersen valamint munkatársaik nikkel- és rézkatalizátorokat tanulmányoztak, míg Paal, Adams és Zelinskii nemesfémeket, elsősorban platina- és palládium-kormot [29]. A heterogén fémkatalizátorok fejlesztése követte az iparban és laboratóriumokban felmerült igényeket, így az egyre hatékonyabb katalitikus tulajdonságú anyagok kidolgozása mellett, a kiindulási anyagok célzott, szelektív átalakítása is az elsődleges követelmények között szerepelt [29,40].
A katalizátorok alkalmazásával egyidőben a heterogén katalitikus hidrogénezések mechanizmusa is a kutatások célkeresztjébe került, hiszen a célzott katalizátorfejlesztés elképzelhetetlen a felületen végbemenő elemi lépések ismerete nélkül. Az olefinek hidrogénezésének kísérleti eredményei alapján megállapított Horiuti-Polanyi korai mechanizmusa még mindig széles körben elfogadott [41]. Ennek értelmében és a lejátszodó jelenségeket leíró Langmuir-Hinshelwood kinetikai egyenleteknek megfelelően [42,43] a felületi sebességmeghatározó lépésben két adszorbeált molekula vagy atom vesz részt, amint a 6. ábra mutatja [40,41]. Hasonló mechanizmus szerint játszódnak le más csoportok, például az aldehidek vagy ketonok karbonilcsoportjának heterogén katalitikus hidrogénezései is. Ezekben
6. ábra Olefinek és karbonilvegyületek hidrogénezése fémfelületen a Horiuti-Polanyi mechanizmus szerint (M fém) [41].
a reakciókban a két félhidrogénezett adszorbeált köztitermék közül az O-adszorbeált stabilabb, így valószínűsíthető, hogy a reakciók ezen keresztül mennek végbe. Ugyanakkor, karbonil-vegyületek hidrogénezése a keton vagy az enol forma reakciójával lejátszódó két mechanizmus közül kis hőmérsékleten túlnyomóan az első reakcióút szerint megy végbe [40,44]. A Horiuti-Polanyi mechanizmussal összhangban van Farkas azon következtetése is, amely szerint a felületen adszorbeált hidrogén szin(cisz)-addíciója játszódik le az olefinek hidrogénezése során [45]. A hidrogénezés sztereokémiája, azaz a felületi hidrogén cisz-addíciója, ezt követően széleskörűen elfogadottá vált, hiszen számos kísérleti eredmény igazolta, és erősítette meg a későbbiekben is [44,46].
A fentiek alapján látható, hogy a fémfelületen lejátszódó hidrogénezések során a hidrogén addíciója irányított, ami reményt adott a reakció enantioszelektív kivitelezésére. Ehhez azonban a kiindulási anyag ellenőrzött, azaz ugyancsak irányított adszorpciójára is szükség van. Ezt éppen a katalizátor heterogén jellege nehezíti, mivel a felületen található katalitikus fémcentrumok geometriailag és ennek következtében energetikailag is különböznek. Ennek következtében egy katalizátor különböző jellegű felületi centrumainak aktivitása egy adott reakcióban eltérő lehet.
Ennek a katalizátorszerkezettől való függésnek, azaz szerkezetérzékenységnek, a kimutatása a különböző kristálylapokon, illetve a fémrészecskék ellenőrzött méretváltozásával, elért eredmények összehasonlításával lehetséges [47]. Az olefinek hidrogénezéséről ismert, hogy döntően nem szerkezetérzékeny reakciók, amit a felület szénhidrogénréteggel való befedésével magyaráztak, ugyanakkor egy felületmódosító anyag adszorpciója lehet szerkezetérzékeny. Így a felületi reakció során a kiindulási anyagok térbeli elrendeződésének ellenőrzése rendkívül nehéz feladat, ami a múlt század második felében indult kezdeti kutatások esetében elsősorban olyan próbálkozásokra korlátozódott, amelyekben a kiindulási anyagokkal a felületen kölcsönható királis anyagokat használtak.
Az első próbálkozások bíztató előzményeit néhány prokirális telítetlen karbonsav optikailag tiszta aminnal alkotott sójának hidrogénezésében elért enantioszelektivitások jelentették [48]. A királis hordozókra: kvarcra, selyemre, cellulózra vagy poliaminosavakra [36-38] leválasztott fémekkel, döntően palládiummal, csak kis optikai tisztaságot sikerült elérni.
Azonban az 1960-as évek elején ezek a próbálkozások vezettek el az egyik leghatásosabb enantioszelektív heterogén katalitikus rendszerkifejlesztéséhez. Japán kutatók optikailag tiszta borkősavval módosított Raney nikkel-katalizátoron, akkor kiemelkedőnek számító, 45% körüli
optikai hozammal
hidrogéneztek -ketoészte-reket [49]. A reakció ezt követő alapos vizsgálata tette lehetővé egyrészt kimagasló, akár 98%-os, enantiomerfelesleg (ee, enantiomeric excess) eléré-sét (7. ábra), másrészt a katalitikus rendszer alkal-mazásának kiterjesztését metil-ketonok és
-diketo-7. ábra Enantioszelektív hidrogénezések borkősavval (BS) módosított Raney Ni-katalizátoron és ennek ipari alkalmazása [52,54].
nok enantioszelektív hidrogénezésére [50-53]. A kifejlesztett katalitikus rendszer vonzó alternatívája lett az iparban használt komplexekkel végzett hidrogénezéseknek, például egy hosszú szénláncú -hidroxiészter intermedier előállítására használták (7. ábra) [10,54].
Ugyanakkor ez a felfedezés mérföldkőnek bizonyult az enantioszelektív hidrogénezések és talán a teljes aszimmetrikus katalízis területén, hiszen ezt követően gyorsultak fel azok a próbálkozások, amelyek más királis szilárd katalizátorok fejlesztését célozták meg, mi több vitathatatlan hatása volt még a királis komplexekkel katalizált átalakulások fejlesztésére is.
A fenti sikeres katalitikus rendszer leírását számos kísérlet követte, amely más szerkezetű prokirális telítetlen vegyület hidrogénezésében használható, királisan módosított katalizátor előállítását célozta meg. A vizsgálatok elsősorban a katalitikusan aktív fém, a kiindulási anyag és a királis módosító változtatására terjedtek ki, próba-szerencse alapon. Ez utóbbiak között cinkona alkaloidokkal is végeztek kísérleteket, ami érthető, hiszen ezek a vegyületek már a múlt század elejétől használt királis természetes aminoalkoholok, amelyeket rezolválásra és aszimmetrikus katalizátorként is régóta alkalmaztak [55-57]. Ugyancsak biztató volt, hogy az 1930-as években prokirális telítetlen savak cinkona alkaloidokkal alkotott sóinak hidrogénezése során optikailag aktív terméket kaptak [48]. Az sem elhanyagolható, hogy a természetes cinkona alkaloidok könnyen hozzáférhető, nagy mennyiségben előállított, viszonylag olcsó királis anyagok, amelyek szerkezete és kémiai viselkedése már ismert volt akkoriban [57].
Az 1970-es évek végén Orito és munkatársai, akik kezdetben borkősavval módosított katalizátorokat tanulmányoztak [58-60], kiváló optikai hozammal hidrogéneztek cinkonidinnel (Cd) módosított Pt/C-katalizátoron metil benzoilformátot (MBf) és piroszőlősav metilésztert (MPy) (8. ábra) [61,62]. Ugyancsak kis mennyiségű cinkona alkaloidok jelenlétében francia kutatók -subsztituált fahéjsavakat hidrogéneztek Pd/C-katalizátoron (8. ábra) [63].
Ez a két aszimmetrikus katalitikus rendszer később sokat vizsgált, gyakorlati és elsősorban elméleti jelentőségű rendszerekké váltak, amelyek tanulmányozása, alkalmazhatóságuknak bővítése, mechanizmusuknak feltárása volt kutatásaim célja az elmúlt másfél évtizedben, és amelyek alapján optikailag tiszta anyagok előállítására alkalmazható modern eljárások fejlesztésével is próbálkoztam. Ezért ezekről a rendszerekről felhalmozódott ismeretanyag áttekintésével foglalkozom a következő alfejezetekben. A feladatot nehezíti, hogy kutatási eredményeink szorosan kapcso-lódtak a terület fejlődéséhez, ezért az ismeretanyag részévé, néha más csoportok vizsgála-tainak kiindulópontjává váltak.
Ugyanakkor az áttekintés nem lenne teljes, ha csak vizsgálataink megkezdéséig terjedne, hiszen a kutatócsoportok, amelyek e területtel foglalkoztak, vagy időközben bekapcsolódtak ezek vizsgálatába, új, modern
mód-8. ábra Az első enantioszelektív hidrogénezések cinkona alkaloiddal módosított katalizátorokon [61-63].
szerek használatával elért eredményei sokszor felülírták a régebbi elképzeléseket. Ez indokolta, hogy maga az irodalmi áttekintés is közel napjainkig terjed, kihagyva az értekezés alapját képező saját eredményeinket, amelyek tárgyalására azt követően kerül sor.