A furfurol homogén katalitikus redukciójának vizsgálata

A bevezetőben összefoglaltak alapján a FAL szelektív redukciójára az erősen toxikus króm-alapú katalizátorrendszert alkalmazzák. Ennek kiváltása hozzájárulhat az iparilag is fontos reakció környezetbarátabb megvalósításához.

Ismeretes, hogy a C=O kötés szelektíven redukálható szulfonált foszfinokkal (pl. TPPMS vagy TPPTS) módosított Ru-alapú katalizátorok jelenlétében¹⁹³ és adott szubsztrátum, pl. LA esetén az átalakítás ún. "neat" körülmények között is kivitelezhető.¹⁹⁶ Ezek alapján, célom volt a FAL segédoldószer-mentes homogén katalitikus szelektív redukciójának kidolgozása (86. ábra). A reakcióra azonban a a Ru/TPPTS rendszer még magasabb hőmérsékleten sem mutatott kielégítő aktivitást (37. táblázat #1), melyen a Bu-DPPDS ligandum bevezetésével sem sikerült számottevően javítani (#2–3). LI és munkatársai sikeres homogén katalitikus redukciót hajtottak végre RuCl2(PPh3)3 prekurzor alkalmazásával, etil-acetát oldószerben, viszonylag enyhe körülmények között (70 °C, 23 bar).³¹⁸ Az eredmény sikeres reprodukálása után és korábbi eredmények alapján, miszerint a kétfogú ligandumok jelenlétében nagyobb aktivitás tapasztalható a Ru tartalmú rendszerek esetében,^197,287 kísérletet tettem a FAL

86. ábra. A FAL szelektív hidrogénezése

37. táblázat. A FAL homogén katalitikus hidrogénezése

# [Ru]×10³

A nyomás hatását megvizsgálva (37. táblázat #5–9) 25 bar alatt jelentős nyomásfüggés mutatható ki, valamint 25 bar esetén 0,8 h is elegendő a teljes konverzió eléréséhez (37.

táblázat #10). Nagyobb nyomás esetén a hidrogén gázfázisból folyadékfázisban történő anyagtranszportjának sebessége döntően meghatározhatja a reakciósebességet, azonban ennek egyértelmű eldöntésére kinetikai méréssorozat szükséges, ami jelen esetben nem volt célom. A kétfogú ligandumok szerkezetének aktivitásra gyakorolt hatását vizsgálva egyértelműen kimutatható, hogy a két (DPPE), illetve a három (DPPPr) metiléncsoportot tartalmazó ligandumok esetén az aktivitás a DPPB-hez képest lényegesen kisebb. A legnagyobb aktivitás egyértelműen a DPPB esetén mutatható ki. Négynél több metiléncsoportot tartalmazó ligandumok esetén az aktivitás ismét csökken (37. táblázat #10–

14). Utóbbi esetben már számolni kell azzal a lehetőséggel, hogy a ligandumok az ("arm-off" jelenség alapján egyfogúként viselkedhetnek.

Ismert, hogy bizonyos foszfinok egy ikerionos szerkezetű addukt képződése mellett kölcsönhatásba léphetnek az aldehidekkel.³⁰² Esetemben ennek vizsgálata során 6 mmol FAL-hoz 0,04 mmol P(nBu)3-at adva, a ³¹P NMR spektrumban 35,2 ppm-nél megjelenő széles jel utalhat az addukt jelenlétére. DPPB esetében ilyen kölcsönhatást nem tudtam igazolni. A két különböző foszfinligandumot 30 mL FAL hidrogénezése során összehasonlítva megállapítható, hogy 0,095 mmol Ru(acac)3 prekurzor és 1,86 mmol P(nBu)3 ligandumból in situ képződő katalizátor aktivitása lényegesen elmarad a hasonló mennyiségű Ru(acac)3 és 0,95 mmol DPPB ligandumból képződő rendszerétől (87. ábra).

A hőmérséklet hatását vizsgálva megállapítható, hogy az értékelhető aktivitás eléréséhez minimum 140 °C-ra van szükség. Abban az esetben ha a reakciót 160 °C-on végezzük, a Ru/DPPB katalizátor rendszer 0,6 h

reakcióidő alatt 100% konverzió és 100%

szelektivitás és TOF = 6273 h^–1 mellett képes a FAL redukciójára (88. ábra), amely az aktuális szakirodalom alapján jelenleg a legnagyobb aktivitású rendszer.

A hatékonyság további lehetséges növeléséhez állandó [Ru] = 3,1 × 10⁻³ M koncentráció mellett megvizsgáltam a ligadumkoncentráció hatását a [DPPB] = 15,5 × 10⁻³ – 37,2 × 10⁻³ M tartományban.

A várakozásoknak megfelelően a DPPB

87. ábra. A FAL hidrogénezése különböző foszfinokkal módosított Ru katalizátorok segítségével.

[Ru] = 3,1 × 10⁻³ M, [DPPB] = 3,1 × 10⁻² M, [P(nBu)3] = 6,2 × 10⁻² M, p = 25 bar, T = 140 °C

mennyiségének jelentős hatása van a katalitikus rendszer aktivitására, melynek maximuma a [DPPB] ≃ 3,1 × 10⁻² M, azaz [DPPB]/[Ru] ≃ 10 értéknél mutatható ki (89. ábra). Az eredmény összhangban van a LA redukciójánál kimért optimálisnak tekintett fém/ligandum aránnyal.¹⁹⁷

A fejlesztett katalizátor nagyobb volumenű alkalmazásának szempontjából kérdéses az újrafelhasználhatóság. Abban az esetben, ha a katalizátor kellő stabilitással rendelkezik, lehetőség nyílik a termék vákuumdesztillációval történő elválasztására. Ennek vizsgálatához első lépésben elvégeztem 30 mL FAL redukcióját 25 bar nyomáson és 140 °C-on. A reakció 0,5 h után 62,4%-os konverziót mutatott, a teljes átalakulás eléréséhez a várakozásoknak megfelelően hosszabb idő, 1,3 h kellett. Ezután az illékony komponenseket csökkentett nyomáson (3–5 Hgmm) eltávolítottam a reakcióelegyből. A párlat tiszta folyadék volt és GC–MS analízise alapján 99,99% FOL. A párlatban foszfortartalmú komponens jelenlétét nem tudtam kimutatni, azaz még cseppelhordással sem került ligandum a termékbe. A visszamaradt sötét katalizátort és ligandumot tartalmazó fázis könnyedén feloldódott a következő 30 mL szubsztrátumban. A katalizátor elválasztásának és újrafehasználásának folyamata azonos a LA-ra is alkalmazott folyamattal (70. oldal, 56. ábra). A reakciót az első ciklusnak megfelelő körülmények között megvalósítva, beleértve 0,5 h utáni mintavételt, ismét >99,9% konverziót kaptam. A feldolgozást és a katalizátor újrafelhasználást tíz egymást követő körben megvizsgálva megállapítható, hogy a katalizátor aktivitása 12 körön keresztül nem változott, az összesített katalitikus ciklusszám értéke TON = 22528. A 12 körre vonatkozó konverzió értékeket a 90. ábrán mutatom be.

Összegzésként kijelenthető, hogy a Ru(acac)3 katalizátor prekurzorból és Ph2P–(CH2)4–PPh2 ligandumból in situ képződő katalizátor alkalmas a furfurol

88. ábra. A hőmérséklet hatása a konverzióra.

[Ru] = 3,1 × 10⁻³ M, [DPPB] = 3,1 × 10⁻² M, p = 25 bar

89. ábra. A ligandumkoncentráció hatása az aktivitásra. [Ru] = 3,1 × 10⁻³ M, p = 25 bar,

t = 50 min, T = 140 °C

segédoldószer nélküli homogén katalitikus szelektív redukciójára, amelyre vonatkozólag ezidáig, legjobb ismeretem szerint nem közöltek adatokat a szakirodalomban.

5.4 A g-valerolakton alkalmazása oldószerként

Az USA 2014-es energiafelhasználási adatai alapján számításokkal igazolták, hogy a ténylegesen energiatermelésre használt fosszilis források kiváltása a jelenlegi technológiai ismeretek alapján biomassza alapon nem lehetséges.³¹⁹ Azonban a termelő iparágak pl.

vegyipar, mezőgazdasági ipar, fémipar, stb. energiaszükségletének fedezésére, valamint a vegyipari alapanyagok pl. etén, propén, benzol, toluol, xilolok, butadién, etilén-oxid biomassza alapon történő előállítására, noha a fenntarthatóság szempontjából erősen megkérdőjelezhetően ugyan, de van lehetőség.^29,320

Az alapanyagok mellett a legtöbb kémiai reakció és/vagy technológiai folyamat sikeres megvalósításához alapvető jelentőséggel bíró segédanyag, úm. oldószer használatára is szükség van. Ezek szerepe nyilvánvaló, miszerint a molekulák közös helyen tartásával elősegítik a reakciók hatékony végbemenetelét, segítik a keverést, szűrést, anyagáram továbbítást stb.; a hosszabb felsorolástól eltekintek. Kihangsúlyozandó viszont, hogy a leggyakoribb konvencionális oldószerek fosszilis eredetűek és jelentős toxicitással rendelkezhetnek. Alkalmazásukkal kapcsolatosan irányadó az Amerikai Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszer Engedélyezési Hivatalának (FDA – Food and Drug Administration) osztályozása.³²¹ Ennek alapján az első kategóriába sorolt benzol és egyes klórozott szénhidrogének (CCl4, ClCH2CH2Cl, stb.) használata különösen a gyógyszeriparban kerülendő, a végtermékben megengedett maximális koncentrációjuk 2–8

90. ábra. A Ru/DPPB katalizátor újrafelhasználhatóságának vizsgálata.

[Ru] = 3,1 × 10⁻³ M, [DPPB] = 3,1 × 10⁻² M, p = 25 bar, T = 140 °C

ppm. Toxicitásuk miatt számos nagyon gyakori, kettes kategóriába sorolt oldószer pl. toluol, hexán, piridin, DMF, MeOH, 1,4-dioxán stb. használatát is jelentősen korlátozták. A téma fontosságát jelzi, hogy a veszélyes oldószerek osztályozására és helyettesítőinek feltérképezésére olyan mérvadó cégek is ajánlásokat dolgoztak ki mint a Pfizer, a Sanofi vagy a GlaxoSmithKline.³²²

A toxicitáson túl egy másik fontos jellemzőt, a hőmérsékletfüggő gőznyomást is figyelembe kell venni, ami egyes oldószereknél már kis hőmérsékleten is nagy lehet és jelentős szerepe van a környezeti emisszióban. Az EU-ban kb. 6,5 Mt, az USA-ban kb. 15 Mt illékony szerves anyag került a környezetbe, melyek jelentős részét az oldószerhasználatnak tulajdonítják.323 , 324 Ez nemcsak környezetvédelmi okból aggályos, hanem komoly gazdasági kérdés is.

Kétség kívül a fenti kockázatok elkerülésének legkézenfekvőbb megoldása lehet, ha egy reakciót ún. "neat" körülmények között végzünk, azaz nem használunk hozzá segédanyagként oldószert.³²⁵ A legtöbb kémiai reakcióhoz azonban szükség van oldószerre.

Következésképpen, a hagyományos fosszilis eredetű oldószerek kiváltása olyan környezetbarát helyettesítővel, amelyek nem, vagy lényegesen kevésbé toxikusak, magasabb hőmérsékleten is kis tenzióval rendelkeznek, biodegradálhatóak és a felhasznált mennyiség alapján biomassza alapon előállíthatók, hozzájárulhat egy már ismert, vagy új eljárás környezetbarátabbá tételéhez. Gazdasági szempontból pedig a fosszilis források árának és felhasznált mennyiségének figyelembevételével a jelenleg még nem versenyképes biomassza alapú vegyületek alkalmazása sokkal gazdaságosabb lehet a kisebb volumenű, de nagy hozzáadott értékű molekulák előállítása során, aminek kiváló példája a gyógyszeripar.

Az utóbbi években kiemelkedő eredmények születtek az alternatív reakcióközegek alkalmazásának területén. Ezek a közegek nemcsak a fenti környezetvédelmi problémákat orvosolhatják, hanem katalitikus reakció esetén a katalizátor elválasztására és újrafelhasználására is megoldást adhatnak.³²⁶ Ilyenek pl. a víz, ^327,328 perfluorozott szénhidro-gének,³²⁹ alkoholok, ³³⁰ szuperkritikus szén-dioxid³³¹ vagy az ionos folyadékok.^{332 – 334} Az utóbbi időben pedig a különböző biomassza eredetű, ún. megújuló oldószereket, pl. a glicerint, a tejsavat, az EtOH-t és butanolokat is egyre intenzívebben vizsgálják.322,325,335–338

Ezt a sort hivatott bővíteni a korábban bemutatottak alapján biomassza hulladékokból könnyen előállítható, kis toxicitással rendelkező, gyümölcsökben is előforduló, kis tenziójú GVL. Jelenlegi igen magas ára miatt nagymennyiségű felhasználása még nem gazdaságos, de kisebb volumenben, oldószerként történő alkalmazása ígéretes lehet a hulladékok értéknövelésének egy új területeként. A javasolt koncepciót a 91. ábrán mutatom be.

A homogén katalitikus reakciókban gyakran alkalmazott konvencionális oldószer néhány képviselőjének toxicitási adatait, Kamlet-Taft szolvokromatikus paramétereit és hőmérsékletfüggő gőznyomás értékeiket összehasonlítva a GVL azonos jellemzőivel (38. táblázat és 92. ábra) feltételezhető, hogy a GVL, mint poláris, aprotikus molekula több fontos katalitikus reakció alkalmas oldószere lehet. A heterogén katalitikus reakciókra (pl. Heck, Sonogashira, Hiyama és Catellani reakciók) vonatkozóan a GVL sikeres alkalmazását VACCARO és munkatársai igazolták.^179–182 A továbbiakban a GVL homogén katalitikus reakciókban történő alkalmazhatóságának vizsgálatával kapcsolatos eredményeimet mutatom be.

38. táblázat. A különböző oldószerek toxicitási és szolvokromatikus paraméterei Oldószer LD₅₀

patkány, orális (mg/kg)

Kamlet-Taft paraméterek^339,340

a^a b^b p^c

hexán 25000³⁴¹ 0,00 0,00 –0,04

oktán n.a 0,00 0,00 –0,01

benzol 930³⁴² 0,00 0,10 0,59

toluol 5000³⁴³ 0,00 0,11 0,54

DMF 2800³⁴⁴ 0,00 0,69 0,88

1,4-dioxán 5200³⁴⁵ 0,00 0,37 0,55

acetonitril 175³⁴⁶ 0,19 0,40 0,75

bután-2-on 2900³⁴⁷ 0,06 0,48 0,67

THF 1650³⁴⁴ 0,00 0,55 0,58

GVL 8800²¹ 0,00 0,60 0,83

a savasság, ^b bázikusság, ^c polarizálhatóság

91. ábra. A GVL mint biomassza hulladékból előállítható oldószer

92. ábra. Különböző oldószerek hőmérsékletfüggő gőznyomása

5.4.1 Karbonilezési reakciók vizsgálata g-valerolaktonban

A karbonilezési reakcióknak, mint új szén-szén kötés kialakítását lehetővé tevő reakciók egyikének, vitathatatlan szerep jut a homogén katalízisben. Az elmúlt évtizedekben az eljárás a szintetikus szerves kémikusok egyik fontos eszköztárává vált, mellyel a kiindulási vegyülettől és a reakciópartner(ek)től függően enyhe reakciókörülmények között aldehidek, ketonok, karbonsavak, észterek, amidok, stb. állíthatók elő szelektíven.^348–350 A reakciókhoz legtöbb esetben toxikus és/vagy nagy tenzióval rendelkező oldószert használnak. Ezek helyettesítése egy biomassza alapú alternatív közeggel hozzájárulhat az eljárás környezeti kockázatának csökkentéséhez.

5.4.1.1 Aszimmetrikus hidroformilezés vizsgálata

A GVL homogén katalitikus reakciókban oldószerként való alkalmazhatóságát egy gyógyszeripari szempontból is releváns reakció, az enantioszelektív hidroformilezés vizsgálatával kezdtem. A termékként kapott optikailag aktív aldehidek királis építőelemekként használhatók további szintézissémákban.³⁵¹ Ezek között a legfontosabbak a különböző vinil aromásokból származtatott királis aldehidek, melyek a nem-szteroid típusú gyulladáscsökkentő hatóanyagok pl. ibuprofén, ketoprofén, szuprofén vagy naproxén potenciális alapanyagai lehetnek.^{352 , 353} Az átalakításra a különböző királis foszfinokkal módosított platina- és ródium-alapú katalizátorrendszerek a legalkalmasabbak. ^{354 , 355} Megfelelő ligandummódosítással a reakció alternatív oldószerekben pl. víz ³⁵⁶ és CO2357 is kivitelezhető, azonban biomassza alapú oldószerben a reakciót ezidáig még nem vizsgálták.

Ennek lehetőségét C2 szimmetriájú ditercier foszfin- ((S,S)-BDPP, (R)-BINAP, (R,R)- DIOP, (R)-QUINAP, (R)-SEGPHOS, (S)-DM-SEGPHOS, (S)-DTMB-SEGPHOS) és centrális, valamint planáris kiralitással rendelkező (Rc,Sp)-JOSIPHOS ligandumok (93. ábra) segítségével módosított Pt- és Rh-alapú katalizátorrendszerrel, sztirol modellvegyületen végeztem.

Elsőként a Pt-alapú rendszereket vizsgáltam. A hidroformilezési kísérletek előtt a PtCl2(PhCN)2 prekurzor és a megfelelő foszfinligandumok reakciójában keletkező PtCl2(P2) komplexek (94. ábra 1.) szerkezeteit vizsgáltam meg GVL-ban. A ³¹P NMR kétséget kizáróan igazolta, a síknégyzetes szerkezetű PtCl2(P2) komplexek keletkezését. Kihasználva mind a PtCl2(P2) komplexek, mind pedig az SnCl2 kiváló oldhatóságát GVL-ben, a továbbiakban előállítottam a megfelelő PtCl(SnCl3)(P2) triklorosztannáto-komplexet (94.

ábra 2.). Képződésüket a ³¹P NMR spektrumban egyértelműen jelzi a megfelelő foszforatom

magasabb kémiai eltolódása, valamint az ónnal transz helyzetű foszfor (PB) és a Pt között mért, a tisztán klorokomplexekhez képest kisebb ¹⁹⁵Pt–³¹P csatolási állandója. JOSIPHOS ligadummal a két izomer mólaránya (95. ábra I. és II.) oldatfázisban I:II = 2:1 volt. A

várakozásnak megfelelően a GVL Pt központi atomhoz történő koordinációját a vizsgálati körülmények között nem lehetett kimutatni. A komplexek adatait a 39. táblázatban foglaltam össze. A GVL-ban meghatározott kémiai eltolódások és a csatolási állandók a BDPP ligandum alkotta komplexek esetében (39. táblázat #1 és 5 ill. #4) kiváló egyezést mutatnak a korábban klórozott szénhidrogénekben, pl. d2-diklórmetánban vagy d-kloroformban meghatározott értékekkel, amelyeket a táblázatban szintén feltüntettem.^358,360

Az eredmények alapján javasolható, hogy a GVL megfelelő biomassza alapú oldószer lehet átmenetifém-komplexek szerkezetének meghatározására, mellyel kapcsolatos további kutatómunka jelenleg is folyamatban van.

Miután a katalitikusan aktív Pt-komplexek prekurzorainak keletkezését igazoltam, elvégeztem a sztirol (1 mmol) aszimmetrikus hidroformilezését GVL-ban (5 mL). A katalizátor PtCl2(PhCN)2 (0,005 mmol), a megfelelő királis difoszfin (0,005 mmol) és SnCl2

(0,01 mmol) reakciójából in situ keletkezett. A konvencionális oldószerrel történő

94. ábra. A PtCl2(P2) és PtCl(SnCl3)(P2) komplexek előállítása

95. ábra. PtCl(JOSIPHOS)(SnCl3) komplexek szerkezete

PtCl2(PhCN)2 + PA PA

PtCl(SnCl₃)(R_c,S_p)-JOSIPHOS Cl Pt SnCl3

PtCl(SnCl3)(Rc,Sp)-JOSIPHOS SnCl3 Pt Cl

(I) (II)

összehasonlításhoz, a hidroformilezéshez leggyakrabban használt oldószert, a toluolt választottam. A különböző ligandumokkal elért eredményeket a 40. táblázatban foglaltam össze a következők szerint: BDPP #1–4, BINAP #5–18, SEGPHOS #19–20, DM-SEGPHOS #21–26, DTMB-DM-SEGPHOS #27–31 és JOSIPHOS #32–36.

Általánosan megállapítható, hogy standard oxo-körülmények alatt (80 bar CO:H2 = 1:1, DTMB-SEGPHOS tartalmú katalizátor aktivitása mindkét oldószerben jelentősen elmaradt a Pt-alapú rendszerekhez képest.^361–364

40. táblázat. A sztirol Pt-katalizált aszimmetrikus hidroformilezése^a

# Ligandum oldószer T

39. táblázat. A Pt(II)-komplexek ³¹P NMR adatai GVL-ban^a

# Komplex d(P_A) képest transz helyzet, ^cPA: a szerkezetből adódóan kémiailag különböző foszforatomok. ^dRef: 361,362, ^eRef: 363

96. ábra. A sztirol Pt-katalizált aszimmetrikus hidroformilezése

P_B

# Ligandum oldószer T

B: 2-fenilpropanal, C: 3-fenilpropanal, D: etilbenzol.

aReakciókörülmények: Pt/sztirol = 1/100, Pt/SnCl2 = 1/2; p(CO) = p(H2) = 40 bar, sztirol 1 mmol, oldószer: 5 mL. összehasonlítva mindkét oldószer esetén a 80–88% közötti tartományban voltak.

Alacsonyabb hőmérsékleten BDPP ligandum alkalmazásával azonban GVL-ban ennél kismértékben nagyobb értékek voltak kimutathatók (#2 és 4). A hidrogén parciális

nyomásának hatása jelentősen függ a ligandumtól. Míg BINAP esetében kétszeres hidrogén parciális nyomás esetén – 40 bar CO nyomás mellett – kisebb aldehid szelektivitást kaptam (#12 és 15), addig DTMB-SEGPHOS esetén, kis konverzió mellett ugyan, de ellentétes hatást tapasztaltam (#29–30).

A regioszelektivitás (Rbr) értékek – a Pt-tartalmú rendszereknek megfelelően^361–364 – a normál aldehidek nagyobb arányú keletkezését igazolták és GVL-ban átlagosan 10%-kal kisebbek voltak, mint toluolban. Míg az alternatív oldószerben általánosan 30% alatti értékek voltak elérhetőek, addig a toluolban kapottak (pl. BINAP: 36-48%, DM-SEGPHOS:

36–46%) megfelelnek az irodalmi adatoknak. Mindezek alapján a parciális nyomások regioszelektivitásra gyakorolt hatása nem állapítható meg egyértelműen.

A vizsgált katalizátorok minden esetben igen mérsékelt enantioszelektivitást mutattak, azonban a GVL-ben végzett reakciók során több esetben, különösen kisebb konverzióknál, kissé nagyobb ee értékeket kaptam. Kiemelendő, hogy a korábban (S,S)-BDPP esetében tapasztalt enantioszelektivitás hőmérséklet függését, miszerint a kisebb hőmérséklet az (S)-2-fenilpropanal, a magasabb hőmérséklet pedig az (R)-2-fenilpropanal képződésének kedvez,^361,362 GVL-ban nem lehetett kimutatni. Továbbá (S,S)-BDPP és (S)-BINAP esetében GVL-ban, a toluollal ellentétben, mindkét esetben (S)-2-fenilpropanal keletkezett. A hidrogén parciális nyomásának hatása az enantioszelektivitásra nem volt kimutatható. Fontos megjegyezni, hogy a reakciót királis (S)-GVL-ban megismételve az enantioszelektivitás értékek összevethetők a racém GVL-ban mértekkel, tehát a királis oldószer esetleges pozitív hatása nem mutatható ki.

A Pt/Sn/BINAP-alapú katalizátor elválasztására és újrafelhasználására vonatkozóan, a korábban a Ru/DPPB katalizátornál alkalmazott eljárást alkalmaztam. A reakciót követően 10 Hgmm nyomáson az illékony komponensek eltávolítása után visszamaradt sűrű, katalizátort tartalmazó maradék oldható volt GVL-ban, így újrafelhasználtam egy következő reakcióban. Sajnos a konverzió csökkenése a rendszer aktivitásának a csökkenését jelezte. A negyedik körben az aktivitás a harmadára esett vissza. A "használt katalizátor" ³¹P NMR vizsgálata kimutatta, hogy az elegyben csak PtCl2(BINAP) komplex van jelen. A PtCl(SnCl3)(BINAP) komplex hiánya magyarázhatja a csökkenő aktivitást. Ezen felül sem szabad BDPP, sem BDPP-oxid jelenléte nem volt kimutatható. A szelektivitás értékekben jelentős változás nem következett be. Az újrafelhasználásra vonatkozó adatokat a 41.

táblázatban mutatom be.

Összegzésként elmondható, hogy a GVL alkalmas reakcióközeg lehet a PtCl(SnCl3)(P2) katalizált aszimmetrikus hidroformilezésre. Noha a szelektivitás értékek összemérhetők, a katalizátorok aktivitása elmarad a toluolban mint referencia oldószerben tapasztaltakétól.

A Pt-alapú katalizátorok után áttértem a Rh-alapú rendszerek vizsgálatára, melyhez szintén sztirol (1 mmol) modellvegyületet használtam. A katalizátor [Rh(nbd)Cl]2 (0,005 mmol), a megfelelő királis difoszfin (0,001 mmol) reakciójából 5 mL GVL-ban in situ keletkezett (97. ábra). Királis ligandumként a 93. ábrán feltüntetettek közül (S,S)-BDPP-t, (R)-BINAP-t, (Rc,Sp)-JOSIPHOS -t, (R,R)-DIOP-t, (R)-QUINAP-t, SEGPHOS-t és (S)-DM-SEGPHOS-t használtam. Referencia oldószerként ebben az esetben is toluolt alkalmaztam. Az eredményeket a 42. táblázatban foglalom össze.

A királis ligandumok vizsgálata előtt elvégeztem a reakciót akirális lidandumokkal, úgymint PPh3 és DPPB (#1–5). A reakció mindkét oldószerben sikeresen végbement, azonban a Pt-alapú rendszerekhez hasonlóan az aktivitás GVL-ban itt is alacsonyabbnak bizonyult. Míg a kemoszelektivitás értékekben lényeges különbség nem tapasztalható, addig GVL-ban a normál aldehidek képződése kedvezményezettebbnek adódott.

A királis foszfinok közül az (S,S)-BDPP-nal végzett kísérletek eredménye (#6–18) alapján az aktivitások GVL-ban egyértelműen alacsonyabbak, mint toluolban, amely feltételezhetően a GVL koordináló tulajdonságának köszönhető.

42. táblázat. A sztirol Rh-katalizált hidroformilezésének vizsgálata^a

# Ligandum Oldószer T

97. ábra. A sztirol Rh-katalizált aszimmetrikus hidroformilezése 41. táblázat. A Pt/BINAP/SnCl₂ katalizátor újrafelhasználásának vizsgálata^a

Ciklus Xsztirol Rc (%) Rbr (%) ee (%)

# Ligandum Oldószer T

B: 2-fenilpropanal, C: 3-fenilpropanal, D: etilbenzol. ^aKörülmények (eltérés jelezve): Prekurzor: [Rh(nbd)Cl]2, Rh/Ligandum/sztirol = 1/1/100, 1 mmol sztirol, oldószer: 5 mL. ^b,c,dLásd 40. táblázat lábjegyzet. ^eRh:Ligandum = 1:3

fRh(CO)2(acac) prekurzor.

NOZAKI³⁶⁵ és AYERS³⁶⁶ hasonló megfigyeléseket közölt THF oldószerben végzett kísérletek esetében. A [Rh(nbd)Cl]2 helyett Rh(CO)2(acac) alkalmazása esetén is szinte azonos aktivitás és szelektivitás volt elérhető (#7–8).

Az aldehidképződésre vonatkozó kemoszelektivitás értékek GVL-ban is kiválóak (Rc >

99%), azonban jelentősen nagyobb hidrogén parciális nyomás esetén az érték a várakozásnak megfelelően alacsonyabb (#14–15).

A regioszelektivitás értékek (Rbr) mindkét oldószerben gyakorlatilag azonosak. A hőmérséklet változtatásának hatását a kemoszelektivitásra nem sikerült kimutatni, azonban mindkét oldószerben a regioszelektivitás kisebb hőmérsékleten kismértékben nagyobb (#6 és 9, ill. #16 és 18.). A nyomás jelentős befolyásoló hatása a regioszelektivitásra szintén nem volt tapasztalható egyik közeg esetében sem.

Az enantioszelektivitás értékek mindkét oldószerben nagyon alacsonyak, Rh:BDPP = 1:3 esetben GVL-ban is mindösszesen 9% (#12 és 13).

Hasonló következtetések (kisebb aktivitás GVL-ban, hasonló kemo- és regioszelektivitás) vonhatók le a további királis difoszfinok esetében is (#19–38). A SEGPHOS típusú ligandumokkal módosított Rh-katalizátorok aktivitása a Pt-alapú rendszereknél tapasztaltakhoz hasonlóan kisebb.

Izopropenilbenzol (a-metil-sztirol) hidroformilezése során (98. ábra), BDPP és BINAP ligandumokkal elvégezve az átalakítást lényegesen alacsonyabb aktivitást tapasztaltam. A kemoszelektivitás BINAP esetében mindkét oldószerben kimagasló értékű (> 99%) volt (43.

táblázat). Amíg a kemoszelektivitás értékek kimagaslónak adódtak, a reakciók gyakorlatilag racém elegy képződéséhez vezettek.

98. ábra. Az a-metil-sztirol hidroformilezése

43. táblázat. Az a-metil-sztirol (E) Rh-katalizált hidroformile-zésének vizsgálata^a

# Ligandum Oldószer X_E

(%)

bR_c (%)

cR_lin (%)

1 BDPP GVL 9,2 95 >99

2 BDPP toluol 44,6 77 >99

3 BINAP GVL 3,6 >99 >99

4 BINAP toluol 23,1 >99 >99

F: 2-fenil-2-metilpropanal, G: 3-fenilbutanal, H: izopropilbenzol.

a Körülmények: Rh/ligandum/E = 1/1/100, 1 mmol E, p(CO)=p(H2)= 40 bar;

oldószer: 5 mL. ^bKemoszelektivitás (aldehid, F, G). [(mol F + mol G)/(mol F + mol G + mol H) × 100]. ^cRegioszelektivitás (normál aldehid G). [mol G/(mol G + mol F) × 100]. T = 60 °C, t = 24 h

+ CO + H₂

* CHO

+ +

(E) (F) (G) (H)

[Rh(nbd)Cl]₂ CHO

oldószer: GVL 60 °C, 80 bar CO:H₂

BDPP vagy BINAP

A sztirol típusú modellvegyületeken túl a reakciót megvizsgáltam egyéb szubsztrátumokra, úgymint dimetil-itakonát (99. ábra I) és (R)-limonén (100. ábra M) lehetséges átalakítására is. Dimetil-itakonát esetében, az eddigiekkel ellenkezőleg, GVL-ben még alacsonyabb hőmérsékleten is magasabb aktivitást tapasztaltam. A kemoszelektivitás értékek azonban alacsonynak bizonyultak (44. táblázat), valamint magasabb hőmérsékleten túlnyomórészt a C=C kettőskötés redukciója következett be. Az enantioszelektivitás értékek

minden esetben nagyon alacsonyak voltak, nem haladták meg a 3%-ot. (R)-Limonén esetében a teljes konverzió eléréséhez, a fentiekhez hasonlóan hosszabb (20 h) reakcióidőre volt szükség GVL-ban. Mind a BDPP, mind pedig a BINAP ligandummal jó kemoszelektivitást és kiváló regioszelektivitást tapasztaltam. Utóbbi jó egyezést mutat a korábban Pt-katalizált hidroformilezés eredményével.³⁶⁷ A diasztereo-szelektivitás értékek mindkét ligandum esetén alacsonynak adódtak (45. táblázat).

99. ábra. A dimetil-itakonát hidroformilezése

44. táblázat. A dimetil-itakonát (I) Rh-katalizált hidroformilezésének vizsgálata^a

# Ligandum Oldószer T

J: dimetil-(2-formil-2-metilszukcinát), K: dimetil-[2-(formilmetil)szukcinát], L: dimetil-(2-metil-szukcinát). ^a Körülmények: Rh/ligandum/I = 1/1/100, 1 mmol I, p(CO)=p(H2)= 40 bar; oldószer: 5

J: dimetil-(2-formil-2-metilszukcinát), K: dimetil-[2-(formilmetil)szukcinát], L: dimetil-(2-metil-szukcinát). ^a Körülmények: Rh/ligandum/I = 1/1/100, 1 mmol I, p(CO)=p(H2)= 40 bar; oldószer: 5

In document Biomassza alapú platform molekulák előállítása és alkalmazása (Pldal 104-0)