MOLEKULASZITA-HORDOZÓS ÁTMENETIFÉM- KATALIZÁTOROK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSUK SZERVES KÉMIAI SZINTÉZISEKBEN

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar MOLEKULASZITA-HORDOZÓS ÁTMENETIFÉM- KATALIZÁTOROK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSUK SZERVES KÉMIAI SZINTÉZISEKBEN PhD-értekezés Készítette: Magyar Ágnes okleveles gyógyszervegyész-mérnök Témavezető: Dr. Hell Zoltán habil. egyetemi docens SZERVES KÉMIA ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK 2017

2 Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretném hálás köszönetemet kifejezni témavezetőmnek, Dr. Hell Zoltánnak és munkatársaimnak a segítségükért és bizalmukért. Köszönöm továbbá a Sanofi-Aventis Chinoin Zrt.-nek az anyagi és technikai támogatást. Végül, de nem utolsó sorban köszönöm a támogatást családomnak. 2

3 TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS 6 2. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ Heterogén katalízis Hordozós katalizátorok Molekulasziták A molekulasziták típusai A zeolitok A 4Å molekulaszita Az MS-4A előállítása Az MS-4A szerves kémiai alkalmazásai KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK Molekulaszita-hordozós fémkatalizátorok előállítása és vizsgálata A Co 2+ /4A katalizátor vizsgálata Az In 3+ /4A katalizátor vizsgálata A La 3+ /4A katalizátor vizsgálata A Ti 4+ /4A katalizátor vizsgálata A Zn 2+ /4A katalizátor vizsgálata A Zr 4+ /4A katalizátor vizsgálata A katalizátorok alkalmazása szerves kémiai reakciókban Alkoholok tetrahidropiranil-csoporttal történő védése Bevezetés A megfelelő katalizátor kiválasztása Alkoholok és fenolok védése DHP-vel Forró szűrés (hot filtration) teszt ,3-Dihidrokinazolin-4(1H)-onok előállítása Bevezetés A gyűrűzárási reakció vizsgálata 39 3

4 Polihidrokinolinok előállítása Bevezetés A nem-szimmetrikus Hantzsch-reakció vizsgálata H-Pirán- és 4H-benzo[b]piránszármazékok előállítása Bevezetés Aminopirán- és benzopiránszármazékok előállítása Iminek előállítása aminokból Bevezetés A reakciókörülmények optimálása Aminok heterogén katalitikus kapcsolási reakciói Mechanizmusvizsgálat KÍSÉRLETI RÉSZ A katalizátorok általános előállítása A katalizátorok ph értékének meghatározása Alkoholok tetrahidropiranil-csoporttal történő védése ,3-Dihidrokinazolin-4(1H)-onok előállítása Polihidrokinolinok előállítása H-Pirán- és 4H-benzo[b]piránszármazékok előállítása Iminek előállítása aminokból TÉZISPONTOK PUBLIKÁCIÓK IRODALOMJEGYZÉK 90 4

5 Rövidítések jegyzéke AAS Atomabszorpciós spektrofotometria Atomic Absorption Spectroscopy BET Brunauer-Emmett-Teller módszer: anyagok fajlagos felületének meghatározására szolgáló mérési módszer, melynek alapja gázok, elsősorban nitrogén adszorpciója a szilárd felületen EDS Energiadiszperzív röntgenspektrometria Energy-dispersive X-ray Spectroscopy ICP-OES SEM XRF Induktív csatolású plazma optikai emissziós spektrometria Inductive Coupled Plasm Optical Emission Spectroscopy Pásztázó Elekton Mikroszkóp Scanning Electron Microscope Röntgen fluoreszcens spektroszkópia X-Ray Fluorescence 5

6 1. BEVEZETÉS A szerves kémiai reakciók jelentős hányadában, egyes statisztikai adatok szerint közel 90%-ában szükséges valamilyen katalizátor alkalmazása a megfelelő konverzió elérése érdekében. A katalitikus redukciót, illetve oxidációt nem számítva ezeknek a katalizátoroknak a többsége valamilyen sav, vagy bázis. A hagyományos savak, illetve bázisok esetében jelentős probléma, hogy előállításuk, valamint a reakciók utáni kezelésük során nagy mennyiségű, a környezetre ártalmas hulladék képződik. Ezen felül sokszor nehéz őket elválasztani a reakcióelegytől, mérgezőek, maróak, esetenként tűzveszélyesek. Ennek következtében az utóbbi időben a kémiai és a technológiai kutatások körében olyan katalizátorok keresése került a középpontba, melyek a hagyományos katalizátorokat meghaladó aktivitással, illetve szelektivitással rendelkeznek, lehetőség szerint újrafelhasználhatóak, egyszerűbben kezelhetőek, ezáltal környezetterhelésük kisebb. Ezek során nagyszámú ásvány típusú anyag, természetes, módosított, illetve szintetikus agyagásványok, zeolitok, vegyes oxidok bizonyultak ígéretesnek a további kutatások szempontjából. A különböző szerves kémiai reakciókban történt alkalmazásuk során szerzett tapasztalatok egyértelműen bizonyítják előnyeiket. Ezek közül kiemelendő, hogy nem terhelik a környezetet, semlegesítésük nem szükséges, így az elfolyó ipari szennyvizek só-, sav-, és lúgterhelése csökkenthető. Technológiai szempontból könnyebbség, hogy a reakcióelegytől egyszerű szűréssel elválaszthatóak, ebből következően csökken a feldolgozáshoz szükséges műveleti idő, energia, és a korróziós problémák sem jelentősek. A kiszűrt katalizátor sok esetben újra felhasználható közvetlenül, vagy regenerálást követően, az aktivitásában bekövetkező jelentős csökkenés nélkül. A szilárd sav, illetve bázis katalizátorok előnyei közé tartozik továbbá, hogy nem toxikusak, egyes típusaikat gyógyszerkészítményekben is alkalmazzák. Megfelelő kezelés esetén nagy aktivitás, valamint az üreges szerkezet következtében sok esetben jelentős sztereo-, illetve regioszelektivitás érhető el viszonylag enyhe körülmények között. Hátrányként említhető viszont, hogy szilárd anyag lévén erősen koptatják, erodálják a készülékeket. A természetes ásványok aktivitása eltérő lehet a bányászás helyétől függően, ezért az utóbbi időben egyre több szintetikus ásvány típusú anyag (pl. zeolitok) alkalmazásáról számoltak be. Egy szintetikus katalizátor esetében a szintézis során akár az adott feladatra történő célzott optimálás is lehetséges. A természetes ásványi alapú anyagok, és ezek módosított változatainak használata alacsony áruk miatt napjainkban továbbra is jelentős. 6

7 A BME Szerves Kémia és Technológia Tanszékén több éve folynak kísérletek különböző szilárd savak és szilárd bázisok alkalmazhatóságának vizsgálatára szerves kémiai reakciókban. Ezek a szilárd savak és bázisok nem csak önmagukban, hanem fémkatalizátorok hordozójaként is jelentős aktivitással rendelkezhetnek. A hordozókkal szemben régebben az volt az általános követelmény, hogy semlegesek legyenek, ne vegyenek részt a reakcióban. Később azonban felismerték, hogy sav-bázis tulajdonságaik is előnyösek lehetnek. Kutatócsoportunk új, hordozós fémkatalizátorok kifejlesztésén dolgozik, és vizsgálja alkalmazhatóságukat szerves kémiai szintézisekben. E kutatások során korábban sikeresen alkalmazták 4Å molekulaszita hordozós réz-, valamint palládiumkatalizátorokat különböző szerves kémiai szintézisekben. A rézzel módosított 4Å molekulaszita jó katalizátornak bizonyult boronsavak aminokkal történő kapcsolásában 1, aldoximok nitrilekké 2, valamint nitrilek amidokká történő alakításában 3, továbbá aldehidek, alkinek és aminok egy lépésben történő összekapcsolására az úgynevezett A 3 -reakcióban 4. A palládiumkatalizátor pedig hatékonynak bizonyult többek között nitrobenzolok transzferhidrogénezésében 5. Doktori munkám során e kutatások folytatásaként 4Å molekulaszita-hordozós fémkatalizátorok előállításával és szerves kémiai szintézisekben történő alkalmazhatóságuk vizsgálatával foglalkoztam. Célom egyszerűen, gyorsan és költséghatékonyan előállítható katalizátorok kifejlesztése volt, amelyek használhatóak lehetnek az ipar számára is, és környezetvédelmi szempontból is megfelelnek a követelményeknek. 7

8 2. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ Ebben a fejezetben a hordozóként alkalmazható szilárd savakkal és bázisokkal, valamint az általam használt 4Å molekulaszita-hordozóval foglalkozom. Az ezt követő kísérleti eredmények és értékelésük részben a vizsgált reakciótípusok előzményeit, majd saját munkámat ismertetem Heterogén katalízis Katalízisnek nevezzük a jelenséget, amikor egy idegen anyag, más néven katalizátor, relatíve kis mennyisége növeli a reakció sebességét anélkül, hogy önmaga elfogyna. 6 Manapság az ipari kémiai eljárások több, mint 90%-a esetében szükséges valamilyen katalizátor alkalmazása. 7 A zöld kémia 12 pontja közül a kilencedik kimondja, hogy a reagensek helyett szelektív katalizátorok alkalmazását kell előtérbe helyezni. 8 Katalizátor alkalmazása növelheti egy folyamat szelektivitását, és csökkentheti a szükséges energia mennyiségét. A katalizátorok csoportosítására többféle megközelítésmód létezik például típus, forma vagy akár eredet alapján. A mi szempontunkból a legfontosabb megközelítésmód a reagensek és a katalizátor fázisa alapján történő osztályozás, ez alapján két csoportot különböztethetünk meg: - Homogén katalízis: ebben az esetben a katalizátor és a reaktánsok azonos fázisban vannak jelen, vagy az oldószerrel kölcsönhatásba lépve kerülnek azonos fázisba. Ez a fajta katalízis nagy átalakítási számot (TON = Turnover Number), nagy átalakítási frekvenciát (TOF = Turnover Frequency), nagy reakciósebességet, magas szelektivitást és magas hozamot eredményez. Hátrányként említhető, hogy a katalizátor sok esetben nem, vagy csak fáradságos úton nyerhető vissza, emellett ezek a katalizátorok rendkívül drágák lehetnek, valamint fennáll a veszélye annak, hogy a katalizátor, vagy valamelyik összetevője szennyezi a terméket. 9 - Heterogén katalízis: a katalizátor és a reaktánsok eltérő fázisban vannak jelen. Előnyt jelent, hogy a katalizátor egyszerűen elválasztható a reakcióelegytől, esetenként újrafelhasználható, illetve regenerálható, és általában olcsóbb, mint a megfelelő homogén katalizátor. 9 A heterogén katalizátorok magas hőmérsékleten történő alkalmazás esetében is stabilisak, ami általában szükséges annak érdekében, hogy a homogén katalízissel elérhető konverzióval megegyezőt lehessen elérni. Hátrányként 8

9 említhető, hogy erodálhatják a reaktort, ez azonban folytonos csőreaktor alkalmazásával elkerülhető. Az 1. táblázat a homogén és heterogén katalízis rövid összevetését tartalmazza. 1. táblázat A homogén és heterogén katalízis erősségei és gyenge pontjai 9 Homogén katalízis Heterogén katalízis Molekuláris szinten meghatározott Elválasztás, visszanyerés, visszaforgatás Alkalmazhatóság, variabilitás Stabilitás, kezelhetőség Erősségek Számos (hidrogénező) katalizátor Előállítás kereskedelmi forgalomban hozzáférhető Magas TOF, szelektivitás és aktivitás Érzékenység (kezelés, stabilitás) Jellemzés (molekuláris szinten történő megértés) Gyenge pontok Termelékenység Előállítás (speciális eljárást igényelhet), reprodukálhatóság Elválasztás Diffúzió a katalizátorhoz, valamint azon belül Ezek alapján a heterogén katalízis esetében a kihívást egy egyszerű és kellően robusztus módszerrel reprodukálhatóan előállítható, olcsó katalizátor elkészítése jelenti, amely katalizátor kellőképpen aktív, szelektív, és reakciók lehető legszélesebb körében stabilis Hordozós katalizátorok A hordozós katalizátorok esetében a hordozót az aktív komponens - gyakran egy katalizátorfém - váz-, illetve kötőanyagaként alkalmazzák. Korábban úgy vélték, hogy a hordozó aktivitása egy adott reakcióban általában kicsi, akár inaktív is lehet. A mennyisége viszont az aktív komponenséhez képest lényegesen nagyobb. Régen a hordozót kizárólag azért alkalmazták, hogy az aktív komponens mennyiségét takarékossági okokból lecsökkentsék. A hordozónak ugyanakkor jelentős hatatása lehet az aktivitásra, a szelektivitásra, az élettartamra, a regenerálhatóságra és a méreganyagokkal szembeni 9

10 érzékenységre, emellett növeli az aktív komponens felületét, stabilizálja annak nagy diszperzitását és promotorként is viselkedhet. 10 Ezeken felül a hordozó savas vagy bázikus tulajdonsága is kedvezően befolyásolhatja a katalitikus hatást, lehetővé válik a homogén katalitikus folyamatokban alkalmazott ligandumok helyettesítése. 11,12 A hordozóként alkalmazott anyagok rendkívül sokfélék lehetnek. Természetes hordozóként alkalmazhatóak többek között agyagásványok (Mg-, Al-szilikátok), egyéb szilikát ásványok, kovaföld, bauxit, természetes zeolitok és aktív szenek. Mesterséges hordozókra példa a grafit és egyéb szintetikus szenek, a különböző oxidok (pl. Si, Al, Mg, Ti), szintetikus zeolitok, szén nanocsövek, polimerek, fémek, és ötvözetek. A hordozós katalizátorok előállítása többnyire két lépésben történik. Az első lépésben impregnálással, együttlecsapással, oldatból való adszorpcióval, vagy depozícióval diszpergálják a prekurzort a hordozón. A második lépésben kalcinálással és/vagy redukcióval kötik az aktív komponenst a felülethez Molekulasziták A molekulasziták típusai A molekulasziták vegyiparban történő alkalmazása hosszú múltra tekint vissza, leginkább gázok, oldószerek, folyékony reagensek szárítására alkalmazzák őket. Egyes molekulasziták képesek akár 22 m/m % vizet is megkötni. A legtöbb molekulaszitát ma is erre a célra gyártják, legegyszerűbben adszorber oszlopba töltve használhatóak. Az áttörést követően az oszlop könnyen regenerálható hevítés, forró levegő, nitrogén, vagy nyomásingadoztatás segítségével. Napjainkban egyre több példát találunk olyan oszlopokra, melyekben különböző tulajdonságú adszorbenseket rétegeznek egymásra, így azok különböző anyagok megkötésére is alkalmasak. Ezekben a technológiákban is fontos szerepet töltenek be a molekulasziták. A gázkromatográfiás oszlopok között számos példát találhatunk molekulasziták alkalmazására például a nedvesség megkötésére szolgáló csapdákban, valamint gázok elválasztására szolgáló oszlopokban. A molekulaszita elnevezés valójában nem egyértelműen definiált. Tágabb értelembe ebbe a csoportba számos, egymástól jelentősen eltérő tulajdonságokkal rendelkező anyag sorolható, így például a szilikagél, a porózus üvegek, a mikropórusos csontszén, egyéb aktív szenek, az agyagok, zeolitok, és egyéb aluminoszilikát ásványok. Ezek nagyon különböző anyagok, közös tulajdonságuk azonban a pórusszerkezet. Szűkebb értelemben a pórusos 10

11 szerkezettel rendelkező zeolitokat és aluminoszilikátokat nevezzük molekulaszitáknak. Doktori munkám során csak ilyen típusú anyagokat használtam, így a következőkben csak ezekkel foglalkozom részletesebben. Az 1. ábra azt illusztrálja, hogy a zeolitokban az összes pórus mérete egy szűk tartományban van, míg például a szilikagél esetében szélesebb tartományban mozog. 1. ábra Különböző molekulasziták pórusméret-eloszlása 14 A molekulasziták pórusmérete és pórusszerkezete rendkívül fontos tulajdonság, meghatározza, hogy mekkora méretű anyagok férnek be a pórusokba. A gáz- és kisebb folyadékmolekulák mérete éppen a zeolitok üregeinek mérettartományába esik. Erre a tulajdonságra utal maga a molekulaszita elnevezés is, hiszen képesek kisméretű anyagok kiszűrésére az elegyből. A pórusméret lehetőséget ad a zeolit típusú molekulasziták csoportosítására 15,16 : - MS-3A (K-zeolit-A, névleges pórusátmérő: 3 Å): NH 3, H 2 O megkötése, szárítás; - MS-4A (Na-zeolit-A, névleges pórusátmérő: 3,9 Å): H 2 O, CO 2, SO 2, H 2 S, C 2 H 4, C 2 H 6, C 3 H 6, EtOH megkötése (propánnál nagyobb szénhidrogéneket nem köt meg), nem-poláris oldószerek és természetes gázok általános szárítószere, rendkívül jól köti meg a CO 2 -t; - MS-5A (Ca-zeolit-A, névleges pórusátmérő: 4,3 Å): adszorbeál lineáris szénhidrogéneket butánig, alkoholokat butanolig, merkaptánokat tiobutanolig, de nem adszorbeál C 4 -nél nagyobb elágazó és gyűrűs vegyületeket; 11

12 - MS-10X (Ca-zeolit-X, névleges pórusátmérő: 7,8 Å): adszorbeál elágazó szénhidrogéneket és aromásokat is, kőolajfinomítási eljárásban alkalmazható aromás szénhidrogének, nitrogén- és kéntartalmú vegyületek eltávolítására; - MS-13X (Na-zeolit-X, névleges pórusátmérő: 8 Å): adszorbeál dibutil-amint, de tributil-amint nem (HMPA szárítás), víz előtisztítására is alkalmazzák a CO 2 -dal és vízzel szemben mutatott nagy affinitása következtében. A fentiekből látható, hogy molekulaszitákkal adszorpcióképességükből eredően különböző elválasztási műveleteket is végrehajthatunk. A víz mellett egyéb kismolekulás anyagok, például NH 3, CO 2, SO 2, H 2 S stb. eltávolítására is alkalmasak lehetnek, emellett a kőolajfeldolgozásban és kenőolajgyártásban is fontos szerepet töltenek be a szénhidrogénelegyek elválasztásában. A molekulasziták felhasználása azonban nem korlátozódik egyedül a szárítószerként történő alkalmazásra, ezen felül hatékonyak vízkilépéssel járó reakciók esetében a keletkező víz megkötésére. Ez különösen azokban az esetekben jelentős, amikor az adott reakció körülményei között a keletkező víz károsíthatja valamelyik reagenst, a katalizátort, vagy a terméket, illetve ha hasonló okokból más, erélyesebb vízmegkötőszer alkalmazása kerülendő. Erre példák egyes cukorkémiai reakciók, amelyeknél gyakran kondenzációs reakcióban történik a védőcsoportok felvitele. Szerves kémiai reakcióban történő felhasználásuk esetén fontos, hogy az adott reakció körülményei között ne adjanak mellékreakciókat. Léteznek savas és bázikus típusú molekulasziták is, így lehetőség nyílik egy adott reakcióban a sav-, illetve báziskatalízis kiváltására. A különböző zeolitok névleges pórusátmérőjét, így magát a molekulaszűrő tulajdonságot a vázban levő kationok is nagymértékben befolyásolják azáltal, hogy a meglévő üregeket különböző mértékben árnyékolják le. Ezt jól szemlélteti például az MS-3A, MS-4A és az MS-5A közötti különbség, mivel ezek az anyagok ugyanannak az A-típusú zeolitnak a K, Na, illetve Ca formái A zeolitok A zeolit elnevezés a svéd Axel Fredrik Crønstedtől ered, aki egy lappföldi rézbányában fedezte fel az első zeolitot, a stilbitet egy vulkáni eredetű kőzetben 1756-ban. 17 Az újonnan felfedezett ásvány gyors hevítés hatására eleresztette az adszorbeált víztartalmát, és felhabosodott, így zeolitnak ( forró kő ) nevezte el, amely a görög eredetű zeo (forrni) és lithos (kő) szavakból ered. Korábban korlátot szabott a zeolitok felhasználásának az eredetük, 12

13 hiszen a természetben többnyire bazaltban és egyéb vulkanikus kőzetekben fordulnak elő főként minor komponensként. Az utóbbi években a korábban már említett A típuson kívül megjelentek más zeolitok is a piacon, például a zeolit P és a zeolit X, ennek ellenére az A- típusú zeolit ma is tipikus összetevője a mosóporoknak. 18,19 Napjainkban azonban számos mesterséges zeolitot is előállítanak, ami szabad teret enged a széles körben történő alkalmazásnak. Az MCM sorozat (Mobil Composition of Matter) például a mezopórusos anyagoknak egy olyan szériája, amit a Mobil kutató-fejlesztő társaság 1992-ben állított elő. 20 Az MCM-41 és az MCM-48 a két legnépszerűbb mezopórusos anyag, melyeket elterjedten tanulmányoznak a kutatók, számos kémiai reakcióban alkalmazzák őket hordozóként, valamint adszorbensként a szennyvízkezelésben. A zeolitok különleges tulajdonságokkal (szelektív adszorpció vagy molekulaszűrő hatás, szelektív kationcserélő képesség, katalizáló képesség) bíró, laza szerkezetű alkálifém-, alkáliföldfém-alumínium-hidroszilikát ásványok. Ezek az egyedülálló tulajdonságok elemi szerkezetükre vezethetőek vissza. Vázukat SiO 4 -AlO 4 tetraéderek alkotják, melyek közös oxigénatomon keresztül kapcsolódnak össze egymással (2. ábra). 2. ábra A különböző zeolitok építőkövei 21 Kémiai összetételüket tekintve a következő általános képlettel írhatóak le: M x/n [(AlO 2 ) x *(SiO 2 ) y ]* wh 2 O M valamennyi n vegyértékű kation w vízmolekulák száma x+y tetraéderek száma az elemi cellában y/x Si/Al atom arány, mely a zeolit típusától függ (általában 1-5) 13

14 A zeolitok üreges kristályok, belsejükben a zeolit fajtájától függően 0,3 0,8 nanométer átmérőjű csatornák találhatóak, ezekben helyezkednek el az egy-, vagy kétértékű alkálifémvagy alkáliföldfém-kationok, valamint a víz. A vízmolekulák egy része hidrátburkot képezve a kationokhoz koordinálódik, a többi szabad folyadékként van jelen. Hevítés hatására a víz a kristályrács sérülése nélkül reverzibilisen eltávolítható. A víz legnagyobb része C között távolítható el, a teljes vízmentesítéshez C körüli hőmérséklet szükséges. 22 A kristályrács hőstabilitása, valamint ásványi savakkal szembeni ellenállása főként a Si/Al aránytól függ, mindkét paraméter javul a Si/Al arány növekedésével. A zeolitok szerkezetének alapját az AlO 4 és SiO 4 tetraéderek képezik, ezekből épülnek fel a másodlagos építőegységek, így köbös, hexaéderes, illetve oktaéderes rácsok alakulnak ki. A másodlagos építőelemek különböző módon történő összekapcsolódásával alakul ki a kristályok végső szerkezete. A többféle összekapcsolási lehetőség számos szerkezetet eredményez. 21,23 Dolgozatom keretei nem teszik lehetővé a zeolitstruktúrák részletes tárgyalását. A 3. ábrán egy tipikus A és X zeolit szerkezetét szemléltetem, az A és X jelölések a térszerkezet típusára utalnak. 3. ábra Zeolit típusú molekulasziták A és X típusú térszerkezete 24,25 A munkám során hordozóként alkalmazott A-típusú zeolit építőegységei az ún. α és β kalitka, melyek a legalapvetőbb másodlagos építőegységek közé tartoznak. Az α kalitka (szuperkalitka) geometriáját tekintve egy csonka kubooktaéder, míg a β-kalitka (szodalit kalitka) csonka oktaéder (4. ábra). A 3., valamint a 4. ábra ábrázolásmódjában a félszabályos testek csúcsain az Al és a Si atomok találhatóak, míg az O atomok az éleken foglalnak helyet (az egyszerűsített ábrázolásban ezeket nem szokták feltüntetni). 14

15 4. ábra A zeolit A építőegységei 26 A kationok szabadon elmozdulhatnak a pórusszerkezetben, ebből következően viszonylag könnyen eltávolíthatók, illetve más kationokra cserélhetők. Ez a tulajdonság teszi alkalmassá a zeolitokat a katalizátor szerepére. A zeolitok egy részének jellegzetes sajátsága, a molekulaszűrő hatás, arra vezethető vissza, hogy a kristályos állapot miatt a pórusok mérete állandó, és homogén eloszlást mutat. Következésképpen csak bizonyos mérettartományba eső gáz-, illetve folyadékmolekulák képesek adszorbeálódni, nagyobb méretű, vagy nem megfelelő alakú molekulák adszorpciójára nincs lehetőség. Ebben az esetben az adszorpció nem felületi megkötődést, hanem térkitöltést jelent. A molekulaszűrő hatást egyfelől a pórusrendszerben előforduló szűkületek átmérője, másfelől pedig a pórusrendszerben előforduló kationok befolyásolják. A zeolitok kationcserélő hatással is bírnak, melynek kapacitását az alumíniumiontartalom határozza meg. Ennek az az oka, hogy a kristályban a szilíciumot alumínium helyettesíti, ezáltal alumíniumonként egy negatív töltés áll elő, tehát töltéshiány lép fel. Ezt a negatív töltést kompenzálják a kristályban lévő alkálifém-, alkáliföldfém-kationok. Természetesen az ioncserélő kapacitás és szelektivitás a zeolit fajtától függően eltérő. Néhány természetes zeolit képes szelektíven ionokat eltávolítani, a klinoptilolit például alkalmas vizekből NH + 4 megkötésére, atomerőművi szennyvizek Cs + - és Sr 2+ -tartalmának megkötésére, kohászati szennyvizek Cd 2+ -, Ag + -, Pb 2+ -mentesítésére 27. A zeolitok tulajdonságait a felhasználásnak megfelelően módosíthatjuk. A négy legfontosabb módosítási lehetőség a következő: - Ioncsere 21 : a kationcserélő tulajdonság számos területen előnyösen kihasználható, például a detergensekben vízlágyítóként alkalmazott zeolitok esetében, illetve különböző katalizátorok készítésénél. Az ioncserélő kapacitás elsősorban a váz alumíniumtartalmától 15

16 függ, hiszen a vázban levő kationok az Al 3+ -ionok okozta pozitív töltéshiányt kompenzálják. Maga az ioncsere a zeolit üregeiben, csatornáiban egyszerűen végbemehet, mivel a kationok és a vízmolekulák egyaránt beférnek a zeolit szerkezetébe. Különbségek nyilvánvalóan lehetnek a különböző zeolitok között mind az ioncserélő kapacitás, mind pedig a szelektivitás tekintetében. Ezzel a módszerrel számos kation bevihető a rácsba, például: NH + 4, Na +, K +, Mg 2+, Sr 2+, Ba 2+, Co 2+, Ni 2+, Cu 2+, Ag +. - Kationmentesítés 21 : az ioncsere egy speciális formája, amennyiben a zeolitok kationjait hidrogénionokra cseréljük, a zeolit ásványi savként (Brønsted-sav) viselkedik. Hevítésre a keletkezett Brønsted-savas helyek vizet veszítenek, így hiányosan koordinált, elektronpár megkötésére alkalmas alumíniumionok maradnak vissza, amelyek ezt követően már Lewis-savként viselkednek. Ilyen típusú zeolitokat a vegyiparban számos területen alkalmaznak katalizátorként. A zeolitok kationjainak - főleg az alkáli kationoknak - hidrogénionra történő cseréje legegyszerűbben két lépésben valósítható meg, először ammóniumionokra történő cserével, ezt követően pedig az ammónia termikus eltávolításával. - Ultrastabilizálás 28 : az ilyen eljárás során hidrotermális kezeléssel (vízgőzzel történő magas hőmérsékletű kezelés, gőzöléses dealuminálás) a zeolit szerkezetét változtatjuk meg. A zeolitrács hőstabilitását legfőképpen a Si/Al arány határozza meg, 1 körüli érték esetén a rács már 300 ºC környékén összeomlik, 3 5-nél azonban a hőstabilitás jelentős mértékben javul. Az ultrastabilizálási eljárás során az elemi cellában levő alumínium mennyiségét csökkentjük, tehát a Si/Al arányt növeljük. Az ilyen eljárással kezelt zeolitok akár 1000 C felett is megőrzik szerkezetüket. Az Y-típusú zeolit gőzölésével állítják elő az ún. USY (ultrastabil Y) típusú krakkoló katalizátorokat is. - Savas kezelés 28 : ennek hatására az alumíniumtartalom csökken, ezáltal a hőállóság és az adszorpcióképesség is nagymértékben javul. Az ultrastabilizálást és a savas kezelést gyakran kombinálva is alkalmazzák A 4Å molekulaszita A heterogén katalízis területén az utóbbi évtizedekben jelentős fejlődés következett be, a molekulasziták számos változatát fejlesztették ki, ennek ellenére molekulaszita célokra ma is az A-típusú zeolit az egyik legolcsóbban és legnagyobb volumenben gyártott zeolit, ezen belül is annak nátriumformája (MS-4A, Na-zeolit-A). Először gáz és folyadékszárításra használták az 1954 óta nagyiparilag előállított szintetikus zeolitot, emellett képes a 16

17 keménységet okozó Ca 2+ ionokat Na + ionokra cserélni, így detergensekben is felhasználták. 29,30 A 4Å molekulaszitát preparatív kémiai laboratóriumokban elterjedten használják vízmegkötőszerként. Előnyös tulajdonsága, hogy miután a vízen kívül csak néhány kismolekulás anyagot képes adszorbeálni, a feldolgozásnál nem kell azzal a veszéllyel számolni, hogy valamelyik termék a molekulaszita felületén marad. További előnyei, hogy olcsó, könnyen hozzáférhető anyag, nem ártalmas az egészségre, és a környezetre sem, gyakorlatilag minden vegyipari üzemben előfordul, egyszerű a beszerzése Az MS-4A előállítása Az MS-4A (Na-zeolit-A) kémiai összetétele a következő képlettel írható le: Na 12 [(AlO 2 ) 12 * (SiO 2 ) 12 ] * 27 H 2 O Jól definiált kristályos aluminoszilikát ásvány, benne a Si/Al arány 1:1. Morfológia tekintetében elsősorban 2 8 μm közötti zeolitszemcsékből áll. Előállítására alapvetően két módszert használnak, alumíniumszilikát hidrogélből történő hidrotermális kristályosítást, vagy kalcinált kaolinból történő kristályosítást. Gyakorlati jelentősége leginkább az első eljárásnak van. A zeolitszintézisekben a szilícium- és alumíniumforráson (Na 2 SiO 3, SiO 2, Si(OMe) 4, Si(OEt) 4, NaAlO 2, Al 2 O 3, Al(OH) 3, Al(NO 3 ) 3 ) kívül mindig használnak valamilyen szervetlen kationt, általában alkáli-, vagy ammóniumionokat, amelyek a zeolitszerkezet kialakulásakor az alumínium pozitív töltéshiányát kompenzálják. Ezen felül gyakran használnak szerves templátot is a szintézis során, mely jelentős mértékben meghatározza a zeolit szerkezetét. A zeolit A esetén a kompenzáló kation a nátriumion, és a szintézis nem igényel szerves templátot, így a technológia a legegyszerűbb zeolitszintézisek közé tartozik. 1. Hidrogél eljárás: A termék előállítása vizes fázisban történik. A szintézis során a víz számos célt szolgál, különböző mértékben szolubilizálja a komponenseket, kialakítja a koncentrációt és a rácskomponensek ph-függő jellegzetességeit, emellett segít a kristályos mikroporozitás alapvető stabilizálásában a töltéskompenzáló kationok koordinálásával a végtermékben, valamint kitölti a mikroporozitást eredményező üregeket. A korai hidrotermális eljárások az alumínium és szilícium aktív formáiból, alkáli-hidroxidból és vízből kiindulva gélt képeztek. A gél zeolittá történő kristályosításához szükséges hőmérséklet 100 C körül van. A magasabb Si/Al aránnyal rendelkező, szilikonban dús zeolitok előállítására hasonló eljárás 17

18 használható azzal az eltéréssel, hogy ezekben az esetekben kvaterner ammóniumsót alkalmaznak adalékanyagként, valamint a kristályosítási hőmérséklet magasabb, C. A ph mindkét esetben közötti. 31 A zeolitszintézis sémái az 5. ábrán láthatóak. 5. ábra A zeolitszintézis sémái 31 A hidrogél eljárásban alapanyagként vízüveget (nátrium-szilikátot) és nátriumaluminátot használnak fel. Ezek az alapanyagok alapvetően kősóból (a NaOH-hoz), homokból és bauxitból származnak, így gyakran előfordul, hogy alumíniumipari üzemek foglalkoznak zeolitok előállításával. Az eljárás során a nátron-vízüveg és a nátrium-aluminát oldatokat összekeverik, ezáltal amorf nátrium-aluminoszilikátot hoznak létre. Az így keletkezett gélt hidrotermálisan kristályosítják C körüli hőmérsékleten, az így keletkezett terméket szűrik, majd szárítják. 2. Kalcinált kaolinból (agyagásványokból) kiinduló eljárás 21 : Zeolitszintézisek kiindulási anyagaként használnak agyagásványokat, az MS-4A előállításához leggyakrabban kaolin típusú ásványokból indulnak ki. Első lépésben az alapanyag kalcinálása történik C-on, így metakaolin (Al 2 Si 2 O 7 ) állítható elő, melyet a következő lépésben nátrium-hidroxiddal reagáltatva kapják a kristályosítás előtti gélt. A folyamat ezt követően lényegében megegyezik a hidrogél eljárással. Abban az esetben, ha magasabb Si/Al aránnyal rendelkező X-, illetve Y-típusú zeolitokat szeretnének előállítani, a 18

19 kiindulási kaolin alumíniumtartalmát savval kimossák, vagy a kaolinon felül SiO 2 -ot is adnak a reakcióelegyhez Az MS-4A szerves kémiai alkalmazásai Az MS-4A-t a szakirodalomban széles körben alkalmazható, környezetbarát katalizátorként írják le. 32 Rendkívül stabil anyag, ellenáll a mechanikai-, hő-, és ozmotikus sokkhatásnak egyaránt. További előnyt jelent, hogy könnyen hozzáférhető, olcsó anyag, amely jól alkalmazható szerves közegben. Könnyen adszorbeálja a vizet, így elterjedten alkalmazzák szárítószerként, például permanens gázok vízmentesítésére. 33 E képessége következtében gyakran alkalmazzák különböző vízkilépéssel járó reakciókban a kilépő víz megkötésére, ez különösen azokban az esetekben fontos, amikor a keletkező víz az adott reakció körülményei között károsíthatja valamelyik reaktánst, terméket, vagy ha más, erélyesebb vízmegkötőszer hasonló okokból kifolyólag nem használható. Han és munkatársai 3-aminoimidazo[1,2-a]piridineket állítottak elő ZnI 2 katalizátor jelenlétében, a keletkező vizet pedig MS-4A-val kötötték meg, így magasabb termeléseket értek el, mint vízmegkötőszer alkalmazása nélkül (6. ábra) ábra MS-4A alkalmazása vízmegkötőszerként I. Esmaeli és munkatársai ugyancsak MS-4A-t alkalmaztak a kilépő víz megkötésére, így sikerrel állítottak elő 3-ciano-3-benzoiloxioxindolokat izatinokból cianoacilezéssel (7. ábra). 35 Additív alkalmazása nélkül a reakció nem játszódott le. 7. ábra MS-4A alkalmazása vízmegkötőszerként II. 19

20 Az MS-4A bázikus karaktere is hozzájárul széles körű felhasználhatóságához. Additívként alkalmazva jelentős termelésnövekedés érhető el vele Michael-addícióban 36 (8. ábra), valamint Mannich- és aldolreakciókban 37 (9. ábra). 8. ábra Nitrometán Michael-addíciója MS-4A segítségével 9. ábra Mannich-reakció molekulaszita jelenlétében Moharram és munkatársai az MS-4A enantioszelektivitásra gyakorolt hatásáról számoltak be 2-metoxi-5-metil-1,4-benzokinon és 1-acetoxi-1,3-butadién királis TADDOL-Ti komplex promotorral végzett aszimmetrikus Diels-Alder-reakcióban (10. ábra). MS-4A távollétében az (R)-addukt keletkezett 72% ee értékkel, míg MS-4A jelenlétében az (S)- enantiomer képződött az 53% ee értéket meghaladó mértékben. A molekulaszita szerepe a keletkező sósav megkötésében kritikusnak bizonyult ábra Aszimmetrikus Diels-Alder-reakció Chen és munkatársai az MS-4A kokatalitikus hatásáról számoltak be ciklohexanon ón(ii) mezo-tetrafenilporfirin (SnTPP) katalizátor jelenlétében levegővel történő Baeyer- Villiger oxidációjában benzaldehid redukálószer jelenlétében (11. ábra). In situ Raman spektroszkópia igazolta a molekulaszita, valamint a benzaldehid és a ciklohexanon karbonilcsoportja között fellépő kölcsönhatást. Az MS-4A elsődleges szerepe a reakcióban a 20

21 ciklohexanon és benzaldehid molekulák aktiválása azáltal, hogy Lewis-savas centrumain keresztül koordinálja a karbonilcsoportok oxigénatomjait ábra Ciklohexanon oxidációja SnTPP/MS-4A katalizátor jelenlétében Dutra és munkatársai jó-kiváló termeléssel állítottak elő α-diazokarbonil-vegyületeket 1,3-dikarbonil vegyületek és tozil-azid reakciójában, enyhe körülmények között, katalizátorként MS-4A-t, valamint ennek termikusan módosított analogonjait alkalmazva (12. ábra). A leghatékonyabb katalizátornak a 4A-1000 bizonyult, melyet az MS-4A 1000 C-on történő termikus kezelésével állítottak elő ábra Diazotranszfer-reakció 4A és 4A-1000 jelenlétében Gujar és munkatársai hatékony módszert dolgoztak ki dihidropirano[2,3-c]pirazolszármazékok előállítására etanolban, reflux hőmérsékleten, ultrahang-besugárzás mellett, katalizátorként MS-4A-t használva (13.ábra). Számos aluminát, szilikát, és különböző pórusméretű molekulaszita hatékonyságát megvizsgálták a reakcióban, melyek közül legeredményesebbnek az MS-4A bizonyult. A katalizátor egyszerűen visszanyerhető, újrafelhasználható, rövid reakcióidő mellett kiváló termeléssel állítható elő a kívánt termék a környezet káros oldószerekkel történő terhelése nélkül ábra Dihidropirano[2,3-c]pirazolok szintézise Az említett alkalmazási lehetőségek mellett az MS-4A katalizátorok hordozójaként is kiválóan használható. Ritkábban használják ugyan, mint az egyéb zeolitokat (Y, X, ZSM-5, 21

22 MCM-41, stb.), de találhatunk irodalmi példákat az MS-4A katalizátorhordozóként történő felhasználására is. Az MS-4A-hordozós palládium(ii)-klorid hatékony katalizátornak bizonyult klórbenzolok Suzuki-kapcsolására terabutilammónium-bromid jelenlétében, ligandum alkalmazása nélkül (14. ábra). Ezzel a módszerrel olyan fontos bioaktív vegyületek intermedierei állíthatók elő, mint az irbesartan, vagy a losartan ábra Klórbenzolok Suzuki-kapcsolása Yang és munkatársai MoO 3 /MS-4A katalizátort alkalmaztak folyékony üzemanyagok kénmentesítésére. Az üzemanyagokban található kén a levegőszennyezés egyik fő forrása, napjainkban szigorúan szabályozzák a gázolajok megengedhető kéntartalmát. Az előállított hordozós molibdénkatalizátorral sikerrel valósították meg a modellrendszerül választott benzotiofénnel és dibenzotiofénnel szennyezett oktán oxidatív kénmentesítését. 42 Wang és munkatársai TiO 2 /MS-4A nanokompozitot állítottak elő, amely fotokatalizátorként alkalmazható a kémiai oxigénigény hatékony, gyors, egyszerű és környezetbarát meghatározására a szennyvízkezelési eljárás során. 43 Chen és munkatársai MS-4A hordozós Cu-Ni kétfémes katalizátorral széndioxidból és metanolból kiindulva dimetil-karbonátot állítottak elő folyamatos fixágyas csőreaktorban. Leírásuk szerint a molekulaszita nagyszámú bázikus centruma aktiválta a metanolt, amely következő lépésben reakcióba lépett az aktivált szén-dioxiddal. 44 KOH/MS-4A hordozós katalizátorral sikeresen valósították meg dimetil-karbonát szintézisét metanolból, propilén-oxidból és szén-dioxidból. Több hordozós szilárd bázist állítottak elő a hordozónak a bázis vizes oldatával történő impregnálásával, majd vizsgálták katalitikus aktivitásukat. A KOH/MS-4A katalizátor bizonyult a leghatékonyabbnak a reakcióban

23 3. KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ÉS ÉRTÉKELÉSÜK 3.1. Molekulaszita-hordozós katalizátorok előállítása és vizsgálata Kutatócsoportunkban korábban sikeresen alkalmaztak 4Å molekulaszita-hordozós fémkatalizátorokat szerves kémiai szintézisekben. Doktori munkám során ebbe a kutatási témába kapcsolódtam be. Katalizátorhordozóként a Merck 4Å molekulaszitáját (továbbiakban 4A) használtam, amely egy mesterséges zeolit. Fajlagos felülete 800 m 2 /g. Vizes szuszpenziójának ph-ja 11 (50 g/l), tehát erősen bázikusnak tekinthető 20. Ez a bázikus tulajdonsága nagy jelentőséggel bír mind katalizátorként, mind katalizátorhordozóként történő alkalmazása esetén. Előállítottam különféle fémekkel módosított 4Å molekulaszita-hordozós katalizátort, így kobalt- (Co 2+ /4A), indium- (In 3+ /4A), lantán- (La 3+ /4A), titán- (Ti 4+ /4A), cink- (Zn 2+ /4A), és cirkóniumkatalizátort (Zr 4+ /4A). A katalizátorok fizikai kémiai jellemzőit SEM-EDS, BET, fémtartalmukat ICP-OES vagy AAS módszerekkel jellemeztük, és meghatároztuk vizes szuszpenziójuk ph értékét. A katalizátorokat minden esetben a molekulaszita-hordozó megfelelő fémsóval (CoCl 2.6H 2 O, In(NO 3 ) 3.H 2 O, La(NO 3 ) 2.6H 2 O, TiCl 4, ZnCl 2, ZrCl 4 ) történő impregnálásával készítettem (lásd 4.1. fejezet). A vizsgált fémek effektív ionsugarait a 2. táblázatban tüntettem fel. 2. táblázat A vizsgált fémek effektív ionsugarai 46 Fém Co 2+ In 3+ La 3+ Ti 4+ Zn 2+ Zr 4+ Ionsugár (pm) ,2 60, A könnyebb áttekinthetőség érdekében az eredményeket katalizátorokra lebontva tárgyalom A Co 2+ /4A katalizátor vizsgálata A Co 2+ /4A katalizátor morfológiájának pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) történő vizsgálata alapján azt találtuk, hogy a szemcseméret-eloszlás közel homogén, 4 6 μm közötti átlagos szemcsemérettel. Ezt a 15. ábra szemlélteti, melyen a katalizátorról szoros nagyítás mellett készült kép látható. Jól kivehető a hordozóra jellemző kubooktaéderes 23

24 szerkezet. Vizsgáltuk a kobalt felületi eloszlását is energiadiszperzív röntgenspektroszkópia (EDS) segítségével, mely alapján a fém a hordozó felületén egyenletesen oszlik el. SEM EDS 15. ábra A katalizátor SEM képe 1500x nagyítás mellett és a katalizátor elemanalízise (EDS) EDS mérés alapján a felületi kobalttartalom 9,21 m/m %. Összehasonlítva ezt az értéket az ICP-OES méréssel meghatározott kobalttartalommal (4,98 m/m %) azt mondhatjuk, hogy a kobalt elsősorban a hordozó felületén helyezkedik el. Az ICP-OES eredmény jól illeszkedik az elméleti értékhez, amely 5,56 m/m %. A nitrogénadszorpciós (BET) mérések a hordozó felületének jelentős mértékű csökkenését igazolták, a 4Å molekulaszita fajlagos felülete 800-ról 270 m 2 /g-ra csökkent. Meghatároztuk továbbá a katalizátor vizes szuszpenziójának ph értékét, amely 9,24- nek adódott az alap hordozó 10,42-es értékéhez képest. A ph meghatározását az Kísérleti részben leírt módszerrel végeztük Az In 3+ /4A katalizátor vizsgálata Az In 3+ /4A katalizátor szemcseméret-eloszlása SEM vizsgálata alapján szintén közel homogén, az átlagos szemcseméret 7 8 μm (16. ábra). 24

25 16. ábra A In 3+ /4A katalizátor SEM képe 1000x nagyítás mellett 1500-szoros nagyítás mellett vizsgáltuk az indium felületi eloszlását EDS segítségével, mely alapján a fém a hordozó felületén egyenletesen oszlik el (17. ábra). SEM EDS 17. ábra A katalizátor SEM képe 1500x nagyítás mellett és a katalizátor elemanalízise (EDS) Az EDS mérés alapján a felületi indiumtartalom 3,86 m/m %. A katalizátor atomabszorpciós spektroszkópiával (AAS) meghatározottal fémtartalma 10,2 m/m %, amely jól illeszkedik az elméleti 10,29 m/m %-os értékhez. A nitrogénadszorpciós (BET) mérés alapján a hordozó felülete ebben az esetben is jelentős csökkenést mutat, a fajlagos felülete 30 m 2 /g. A felületi és a tömbfázisban mért indiumtartalom közötti jelentős eltérés, valamint a fajlagos felület jelentős csökkenése arra enged következtetni, hogy ebben az esetben az indium elsősorban nem a hordozó felületén helyezkedik el. A katalizátor vizes szuszpenziójának ph értéke 8,46. 25

26 A La 3+ /4A katalizátor vizsgálata A La 3+ /4A katalizátor morfológiájának SEM vizsgálata is homogén szemcseeloszlást mutatott, a szemcsék többsége ebben az esetben is 7 8 μm között van. Ezt a 18. ábra szemlélteti 5000-szeres nagyítás mellett, melyen szintén jól kivehető a hordozóra jellemző jellegzetes szerkezet. 18. ábra A La 3+ /4A katalizátor SEM képe 5000x nagyítás mellett 5000-szeres nagyítás mellett vizsgáltuk a lantán felületi eloszlását EDS segítségével, mely alapján a fém a hordozó felületén egyenletesen oszlik el (19. ábra) Si-K Counts Al-K Au-M La-M La-M Au-M Au-M La-L La-L La-L Au-L Au-L Au-L Au-L Au-L kev SEM EDS 19. ábra A katalizátor SEM képe és a lantán felületi eloszlása 5000x nagyítás mellett és a katalizátor elemanalízise (EDS) 26

27 Az EDS mérés alapján a felületi lantántartalom 3,65 m/m %. Az ICP-OES méréssel meghatározottal fémtartalom pedig 3,88 m/m %, az elméleti érték 12,19 m/m %. Az adatokból arra lehet következtetni, hogy a lantán elsősorban a katalizátorszemcsék felületén kötődött meg, de feltehetően nagyobb térkitöltése miatt a kötődés sokkal gyengébb, mint a vizsgált többi fém esetén. Ez a lantán ionsugarával magyarázható, amely 103,2 pm. A nitrogénadszorpciós (BET) mérések ebben az esetben is a hordozó felületének jelentős mértékű csökkenését igazolták, a katalizátor fajlagos felülete 35 m 2 /g. A katalizátor vizes szuszpenziójának ph értéke 8,40, tehát a bázikus tartományba esik A Ti 4+ /4A katalizátor vizsgálata A Ti 4+ /4A katalizátor morfológiájának SEM vizsgálata szintén a szemcseméret közel homogén eloszlását mutatta, e katalizátor esetében a szemcsék többsége a 7 8 μm közötti mérettartományba esik. A szemcsék képe a 20. ábrán látható, amely 2000-szeres nagyítás mellett készült. Itt is jól kivehető a hordozóra jellemző kubooktaéderes szerkezet. 20. ábra A Ti 4+ /4A katalizátor SEM képe 2000x nagyítás mellett 1000-szeres nagyítás mellett vizsgáltuk a titán felületi eloszlását EDS segítségével, mely alapján a fém a hordozó felületén egyenletesen oszlik el (21. ábra). 27

28 SEM EDS 21. ábra A katalizátor SEM képe és a titán felületi eloszlása 1000x nagyítás mellett és a katalizátor elemanalízise (EDS) Az EDS mérés alapján a felületi titántartalom 13,67 m/m %. Összehasonlítva ezt az értéket az ICP-OES méréssel meghatározottal (3,99 m/m %) azt mondhatjuk, hogy a titán kizárólag a hordozó felületén helyezkedik el. Az ICP-OES méréssel meghatározott fémtartalom jó egyezést mutat az elméleti 4,57 m/m %-os értékkel. A nitrogénadszorpciós (BET) mérések a hordozó felületének jelentős csökkenését mutatták, a 4Å molekulaszita fajlagos felülete 122 m 2 /g értékre csökkent. A molekulaszita teljes pórustérfogata 0,3-ról 0,201 cm 3 /g értékre csökkent, a mikropórus-térfogat 0,038 cm 3 /gnak adódott. A katalizátor vizes szuszpenziójának ph értéke ebben az esetben is a bázikus tartományba esik, értéke 7, A Zn 2+ /4A katalizátor vizsgálata A Zn 2+ /4A katalizátor szemcseméret-eloszlása SEM vizsgálata alapján homogén, az átlagos szemcseméret 6 7 μm. A 22. ábrán a katalizátorszemcsék láthatók 2000-szeres nagyítás mellett, újfent jól kivehető a hordozóra jellemző szerkezet. 28

29 22. ábra A Zn 2+ /4A katalizátor SEM képe 2000x nagyítás mellett 4000-szeres nagyítás mellett vizsgáltuk a cink felületi eloszlását EDS segítségével, mely alapján a fém a hordozó felületén egyenletesen oszlik el (23. ábra). Az EDS mérés alapján a felületi cinktartalom 38,89 m/m %. Az ICP-OES méréssel meghatározottal fémtartalom pedig 5,98 m/m %, elméleti értéke 6,14 m/m %. A cink tehát ez esetben is gyakorlatilag kizárólag a hordozó felületén helyezkedik el Al-K Si-K Zn-K Counts Zn-LAu-M Zn-L Au-L Au-M Au-M Au-L Zn-K kev SEM EDS 23. ábra A katalizátor SEM képe és a cink felületi eloszlása 4000x nagyítás mellett és a katalizátor elemanalízise (EDS) A nitrogénadszorpciós (BET) mérések ebben az esetben is a hordozó felületének jelentős mértékű csökkenését igazolták, a katalizátor fajlagos felülete 332 m 2 /g. A 29

30 molekulaszita teljes pórustérfogata 0,3-ról 0,266 cm 3 /g értékre csökkent, a mikropórustérfogat 0,126 cm 3 /g-nak adódott. A katalizátor vizes szuszpenziójának ph értéke 9,71, tehát ez is a bázikus tartományba esik A Zr 4+ /4A katalizátor vizsgálata A Zr 4+ /4A katalizátor SEM vizsgálata alapján látható, hogy ebben az esetben nem beszélhetünk homogén szemcseeloszlásról, a felvételen agglomerátumokat láthatunk (24. ábra). Ezen agglomerátumok keletkezésének lehetséges oka az előállítása során képződő cirkónium-oxid-hidroxid, amely összetapaszthatja a szemcséket, ez pedig aktivitáscsökkenést eredményezhet. A katalizátor vizes szuszpenziójának ph értéke 7,92. Mivel azt a katalizátort nem tudtuk hatékonyan alkalmazni egyik általunk vizsgált reakcióban sem, így részletesebb analitikájával nem foglalkoztunk. 24. ábra A Zr 4+ /4A katalizátor SEM képe 1000x nagyítás mellett 30

31 3.2. A katalizátorok alkalmazása szerves kémiai reakciókban Alkoholok tetrahidropiranil-csoporttal történő védése [D1] Bevezetés A tetrahidropiranil-csoporttal történő védés széles körben, általánosan alkalmazott módszer hidroxivegyületek védésére. Az általános reakcióegyenletet a 25. ábra szemlélteti. 25. ábra Alkoholok védése tetrahidropiranil-csoporttal A szakirodalom klasszikusan savkatalizáltként írja le ezt a reakciót. 47 Számos katalizátorral írták le a reakciót, használtak például kereskedelmi forgalomban kapható ásványi és szerves savakat, így tömény sósavat, 48 p-toluolszulfonsavat, 49 valamint Lewissavakat (pl. bór-trifluorid-éterát, 50 vagy cirkónium-tetraklorid 51 ). Ezen katalizátorok többsége veszélyes, és káros a környezetre, emellett egy homogén katalizátor elválasztása a reakcióelegytől időigényes, és nagyobb mennyiségű kezelendő szennyvizet eredményez. A probléma megoldására számos heterogén katalitikus eljárást is kifejlesztettek. Leírták hordozós Lewis-savak (pl. szilikagél-hordozós tallium-pentaklorid 52 ), savas ioncserélő gyanták, 53 heteropolisavak, 54 zeolitok, 55,56 és agyagásványok 57 alkalmazását. Azokban az esetekben, amikor a védendő vegyület savra érzékeny csoportot, vagy csoportokat tartalmaz, ez a módszer csak korlátozottan alkalmazható. Csupán néhány olyan példával találkozhatunk az irodalomban, amelyek semleges, vagy báziskatalizált módszerről számolnak be. A leggyakrabban alkalmazott homogén katalizátor a piridínium-ptoluolszulfonát 58. Néhány más katalizátort is leírtak, ilyen a CaCl 2, 59 vagy a semleges N,N - dibróm-n,n -1,2-etándiil-bisz(benzolszulfonamid) 60. Egy savmentes, organokatalitikus eljárás N,N -bisz(3,5-bisz(trifluorometil)-fenil)tiokarbamidot alkalmaz önállóan, vagy polisztirol hordozóhoz kötve. 61 Egy bázikus ioncserélő gyanta, az Amberlite IRA 400 jodid alkalmazását szintén leírták alkoholok és fenolok védésére. 62 [D1] Magyar, Á.; Nagy, B.; Hell, Z.: Tetrahydropyranylation of alcohols in the presence of a slightly basic, heterogeneous titanium catalyst. Catal. Lett. 2015, 145,

32 Ezek a módszerek több hátrányos tulajdonsággal rendelkeznek. A homogén katalizátorok elválasztása a reakcióelegytől sokszor rendkívül nehézkes, a leírt katalizátorok nem hozzáférhetőek kereskedelmi forgalomban 60-62, előállításuk hosszadalmas folyamatban történik, melyek során ártalmas és veszélyes reagenseket és oldószereket alkalmaznak, mint például elemi brómot és CCl 4 -ot 60. Így egy egyszerű, könnyen előállítható heterogén katalizátorral végrehajtott eljárás szintetikus jelentősége vitathatatlan. A tanszéki kutatócsoport az elmúlt években több reakcióban is sikeresen alkalmazott 4Å molekulaszita-hordozós fémkatalizátorokat. E munka folytatásaként vizsgáltam heterogén katalizátorok alkalmazhatóságát alkoholok tetrahidropiranil-csoporttal történő védésében. Különböző fémekkel módosított 4A-hordozós katalizátorokat próbáltam ki az általunk választott modellreakcióban A megfelelő katalizátor kiválasztása Modellreakcióként a 3-metil-2-butén-1-ol (1a) és 3,4-dihidro-2H-pirán (DHP, 2) reakcióját választottam. A kiválasztott katalizátorok mindegyike enyhén bázikus karakterű, vizes szuszpenziójuk ph értékét a 3. táblázat mutatja. A modellreakcióban kapott eredményeket pedig a 4. táblázatban foglaltam össze. 3. táblázat A katalizátorok ph értékei Sor Katalizátor ph 1 4A 10,42 2 Zr 4+ /4A 7,92 3 Ti 4+ /4A 7,35 4 In 3+ /4A 8,46 A 4. táblázatból látható, hogy maga az alap 4A hordozó nem bizonyult hatékonynak. A legjobb eredményt a Ti 4+ /4A katalizátorral sikerült elérni forró diklórmetán (DKM) oldószerben. A kívánt terméket 94%-os izolált termeléssel sikerült előállítani (4. táblázat, 2. sor). A cirkóniumkatalizátor kisebb aktivitást mutatott (4. táblázat, 4. sor), míg az indiumkatalizátor gyakorlatilag hatástalannak bizonyult (4. táblázat, 5. sor). Az eredmények alapján arra következtethetünk, hogy amennyiben a tömbfázis bázicitása növekszik, a termelés csökken. 32

33 4. táblázat 3-Metil-2-butén-1-ol (1a) és DHP (2) reakciója a Hőmérséklet Reakcióidő Termelés Sor Katalizátor Oldószer ( C) (óra) (%) b 1 4A DKM Ti 4+ /4A DKM Ti 4+ /4A toluol Zr 4+ /4A DKM In 3+ /4A DKM a 5 mmol 3-metil-2-butén-1-ol (1a), 5,5 mmol DHP (2), 0,5 g katalizátor, 5 ml oldószer. b Izolált termelés Alkoholok és fenolok védése DHP-vel A kidolgozott reakciókörülmények alkalmazásával különböző alkoholokat reagáltattam DHP-vel. Az eredményeket a 5., 6. és 7. táblázatban tüntettem fel. Primer alkoholokkal általánosságban jó-kiváló izolált termeléseket értem el, kivételt az allilalkohol (1c) jelentett (5. táblázat, 3. sor), mely esetében az alacsony termelésre magyarázatul szolgálhat a termék viszonylag nagy illékonysága. Hosszú szénláncú alifás alkoholok jó termeléssel szolgáltatták a kívánt termékeket (5. táblázat, 4-6. sor). A benzilalkohol (1g, 5. táblázat, 7. sor) és a 2-nitrobenzil-alkohol (1h, 5. táblázat, 8. sor) esetében elért termelési értékek különbözősége magyarázható az o-helyzetben található nagy térkitöltésű csoport sztérikus hatásával, vagy az alkoholos OH hidrogénje és a nitrocsoport oxigénatomja között létrejövő intramolekuláris hidrogénhíddal, amely csökkenti a hidroxi funkció reaktivitását. Aralkil-alkoholok szintén jó termeléssel szolgáltatták a kívánt terméket (1i-k, 5. táblázat, sor). 33

34 5. táblázat Primer alkoholok reakciója DHP-vel a Sor Alkohol Termelés (%) b Sor Alkohol Termelés (%) b 1 1a g b h c 26 (81 c ) 9 1i d j e k f 84 a 5 mmol alkohol (1), 5,5 mmol DHP (2), 0,5 g katalizátor, 5 ml DKM, reflux, 7 óra. b Izolált termelés. c Konverzió az 1 H-NMR spektrum alapján. A mentol (1l), mint szekunder alkohol közepes termeléssel szolgáltatta a kívánt terméket (6. táblázat, 1. sor). Kielégítő eredményeket sikerült elérni tercier alkoholok esetében (6. táblázat, 2. és 3. sor). Ezekben az esetekben is a sztérikus hatások lehetnek meghatározóak, mivel az alkoholok dehidratációja, amely általánosan tapasztalható mellékreakció tercier alkoholok savkatalizált reakcióiban, nem volt megfigyelhető. A tercbutoxi-tetrahidro-(2h)-pirán (3m, 6. táblázat, 2. sor) esetében kapott alacsonyabb termelési érték ugyancsak magyarázható a vegyület nagymértékű illékonyságával. A meparfinol (1n, 6. táblázat, 3. sor) reakcióját megvizsgáltam a klasszikus p- toluolszulfonsav katalizátor alkalmazásával is. A reakcióelegy a katalizátor hozzáadását követően azonnal megsötétedett, termékek komplex elegye keletkezett, és a reakcióelegy 1 H- NMR vizsgálata alapján a konverzió nem haladta meg az 50%-ot. A Ti 4+ /4A katalizátor alkalmazásával a reakció ugyan nem volt teljes, azonban csak egy, a várt termék keletkezett, míg a p-toluolszulfonsavas reakció esetében a vékonyrétegkromatográfia több termék keletkezését mutatta. A kétféle katalizátorral kapott eredmény közötti eltérés azzal 34

35 magyarázható, hogy a titán a bázikus hordozó felületén helyezkedik el savas centrumokat képezve, melyek elősegíthetik a reakció lejátszódását. Azáltal viszont, hogy maga a tömbfázis bázikus karakterű, elkerülhetővé válnak a kedvezőtlen, savkatalizált mellékreakciók. 6. táblázat Szekunder- és tercier alkoholok reakciója DHP-vel a Sor Alkohol Termelés (%) b 1 2 1l 1m 50 (60 c ) 50 (90 c ) 3 1n a 5 mmol alkohol (1), 5,5 mmol DHP (2), 0,5 g katalizátor, 5 ml DKM, reflux, 7 óra. b Izolált termelés. c Konverzió az 1 H-NMR spektrum alapján. d Konverzió a termék GC-MS vizsgálata alapján. Szubsztituált fenolok gyengébb reaktivitást mutattak még a reakcióidő növelését (7 óra 14 óra) követően is (7. táblázat). 7. táblázat Fenolok reakciója DHP-vel a 70 d Sor Alkohol Termelés (%) b 1 1o p a 5 mmol alkohol (1), 5,5 mmol DHP (2), 0,5 g katalizátor, 5 ml DKM, reflux, 14 óra. b Konverzió az 1 H-NMR spektrum alapján. 35

36 Termelés (%) Miután sok katalizátor nemcsak a védőcsoport felvitelére, hanem eltávolítására is alkalmas, megvizsgáltam, hogy a Ti 4+ /4A használható-e a védőcsoport eltávolítására is. A 3g vegyületet metanolban forraltam a katalizátor jelenlétében, de reakciót még több órás forralást követően sem tapasztaltam. A katalizátor visszaforgathatóságát benzil-alkohol (1g) és DHP (2) reakciójában vizsgáltam. A reakció lejátszódását követően a szilárd anyagot kiszűrtem és diklórmetánnal mostam, majd a kiszűrt szilárd anyagot diklórmetánban egy órán keresztül forraltam, szűrtem, ezt követően 150 C-on egy órán át hevítettem. Az első, második, és harmadik visszaforgatást követően a következő termelési értékeket kaptam: 98, 96 és 92% (26. ábra). Nem tapasztaltam jelentős különbséget a frissen készített (3,99 m/m %) és az egyszer használt katalizátor (3,85 m/m %) titántartalmában Ciklus 26. ábra A katalizátor visszafogathatóságának vizsgálata Forró szűrés (hot filtration) teszt Heterogén katalizátor alkalmazásakor gyakran felmerül a kérdés, hogy a reakció a szilárd felületen játszódik le, vagy a fém beoldódik, és mint homogén katalizátor fejti ki hatását. A forró szűrés teszt ad választ e kérdésre. A reakciót megszakítják, a szilárd anyagot kiszűrik, majd a szűrletet tovább reagáltatják. Amennyiben a fém beoldódott, a konverziónak a szűrést követően is szükségszerűen növekednie kell. A forró szűrés teszt elvégzése szükséges annak érdekében, hogy kizárjuk annak lehetőségét, hogy a beoldódott fém újból kiváljon a hordozó felületén, mialatt a reakcióelegy visszahűl szobahőmérsékletűre ( bumeránghatás ). Utóbbi esetben az utólagos fémtartalom-mérés nem tudná igazolni a fém reakció közbeni esetleges beoldódást. 36

37 Elvégeztem a forró szűrés tesztet benzil-alkohol (1g) és DHP (2) reakciójában. Három óra reakcióidőt követően a katalizátort kiszűrtem, és a reakciót folytattam. Mintát vettem a reakcióelegyből a szűrést követően, és a reakcióidő végeztével is, és a mintákat 1 H-NMR vizsgálatnak vetettem alá. Az eredmények azt mutatták, hogy a reakció megállt a katalizátor kiszűrését követően, ez alapján esetünkben valódi heterogén katalitikus folyamatról beszélhetünk. Ezt a nyerstermék XRF vizsgálata is alátámasztja, a termékben nem volt kimutatható mennyiségű titán. Összefoglalásként elmondható, hogy a 4Å molekulaszita-hordozós titánkatalizátor hatékonynak bizonyult alkoholok tetrahidropiranil-csoporttal történő védésében. A katalizátor enyhén bázikus karakterű, ilyenre csak igen kevés példa található az irodalomban. A katalizátor egyszerűen elkészíthető és többször jó eredménnyel újrafelhasználható egy rövid diklórmetánban történő forralást követően. 37

38 ,3-Dihidrokinazolin-4(1H)-onok előállítása [D2] Bevezetés A 2,3-dihidrokinazolin-4(1H)-onok a heterociklusok egy igen fontos csoportját képezik, melyek számos jelentős farmakológiai és biológiai tulajdonsággal rendelkeznek, mint gyulladásgátló és fájdalomcsillapító, rákellenes, antibakteriális, és diuretikus hatás Ráadásul e vegyületek tovább oxidálhatóak a megfelelő kinazolin-4(3h)-on analogonjukká, amelyek szintén biológiailag fontos heterociklusok és megtalálhatóak néhány természetes anyagban. 68 Fontosságuk következtében számos stratégiát dolgoztak ki a 2,3- dihidrokinazolinonok előállítására. Egy lehetséges út aromás, alifás és heteroaromás aldehidek kondenzációja antranilamiddal p-toluolszulfonsav katalizátor jelenlétében. 69,70 A szintézist ugyancsak megvalósították o-nitrobenzamid vagy o-azidobenzamid reduktív ciklizációjával. 71,72 További módszereket is leírtak, mint a 2-tioxo-4(3H)-kinazolinonok deszulfurálása 73, izatoésav-anhidrid reakciója Schiff-bázisokkal 74, antranilamid benzillel történő kondenzációja 70, és egy kétlépéses eljárást, amely izatoésav-anhidridből és aminokból indul ki, melyet ketonokkal történő gyűrűzárás követ 75. Egy ezeknél vonzóbb és atomhatékonyság szempontjából kedvezőbb stratégia 2,3-dihidrokinazolinonok előállítására izatoésav-anhidrid, aminok, és aldehidek egyedényes, háromkomponensű reakciója. A többkomponensű reakciók (multicomponent reactions, MCR) számos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek a klasszikus reakcióstratégiákkal szemben, például alacsonyabb költség, rövidebb reakcióidő, és kevesebb melléktermék. Ráadásul ezek a reakciók kevésbé terhelik a környezetet. Az első MCR módszert Salehi és Dabiri írta le 2005-ben 2,3-dihidrokinazolin- 4(1H)-onok előállítására izatoésav-anhidridből, aldehidekből, és aminokból kiindulva. 76,77 Az utóbbi időben számos homogén katalitikus eljárást dolgoztak ki, használtak például stroncium-kloridot, 78 Zn(PFO) 2 -t, 79 Ga(OTf) 3 -ot, 80 molekuláris jódot, 81 rézbenzolszulfonátot, 82 alumínium-metánszulfonátot 83. Közölték ionos folyadékok alkalmazását 84-86, valamint szilárd savak használatát is, például kationcserélő gyanta, 87 szulfatált keményítő, 88 szilikakénsav, 89 szilikagélhez kötött S-szulfonsav, 90 PTSA-formaldehid kopolimer, 91 β-ciklodextrin-so 3 H, 92 mágneses Fe 3 O 4 nanorészecskék, 93,94 Al/Al 2 O 3 nanorészecskék, 95 CuO nanorészecskék ultrahang besugárzás mellett, 96 nano indium-oxid, 97 montmorillonit K-10, 98 Amberlyst-15 mikrohullámú sugárzással támogatva 99. Ezen eljárások [D2] Magyar, Á.; Hell, Z.: One-pot three-component synthesis of 2,3-dihydroquinazolin-4(1H)-ones in the presence of a molecular sieve supported lanthanum catalyst. Catal. Lett. 2016, 146(6),

39 közül néhánynak vannak bizonyos korlátai, így erélyes reakciókörülmények, drága vagy nagymennyiségű katalizátor, hosszú reakcióidő, magas reakcióhőmérséklet, körülményes feldolgozási eljárás, és alacsony termelések. Az irodalomban leírt katalizátorok többnyire savas karakterűek, amely problémát jelenthet savra érzékeny vegyületek esetében. Ezek alapján, figyelembe véve jelentős biológiai és farmakológiai potenciáljukat, fontos lehet új eljárások kidolgozása 2,3-dihidrokinazolin-4(1H)-onok előállítására A gyűrűzárási reakció vizsgálata Vizsgáltam a lantánnal módosított 4A katalizátor alkalmazhatóságát izatoésavanhidrid (4), aldehidek (5) és ammónium-acetát többkomponensű reakciójában 2,3- dihidrokinazolin-4(1h)-onok (6) előállítására. Az irodalomban találunk néhány példát savas karakterű lantán-vegyületek katalizátorként történő alkalmazására ebben a gyűrűzárási reakcióban, például lantán-triflát, 80 lantán-benzolszulfonát, 82 lantán-metánszulfonát 83. Az oldószer hatását izatoésav-anhidrid (4), 4-klórbenzaldehid (5a), és ammóniumacetát reakciójában vizsgáltam. A komponenseket 1:1:1,2 mol arányban reagáltattam 0,2 g La 3+ /4A katalizátor jelenlétében, a különböző oldószerekből 3 ml-t alkalmazva. Az eredményeket az 8. táblázatban foglaltam össze. 8. táblázat Izatoésav-anhidrid (4), 4-klórbenzaldehid (5a) és ammónium-acetát reakciója különböző oldószerekben a Sor Oldószer Termelés (6a) (%) b 1 etanol 60 2 etanol (10 ml) 40 3 xilol 54 4 toluol 64 5 acetonitril 68 (84) c a 2 mmol izatoésav-anhidrid (4), 2 mmol aldehid (5), 2,4 mmol ammónium-acetát, 0,2 g katalizátor, 3 ml oldószer, refluxhőmérséklet, 14 óra. b Izolált termelés. c 24 órás reakcióidő. A reakciót acetonitrilben végezve értem el a legjobb termelési értéket (8. táblázat, 5. sor). Etanolban a termék gyengén oldódik, és a katalizátor felületére kiválva csökkenthette 39

40 annak aktivitását. Megpróbálkoztam az etanol mennyiségének a növelésével, ám ebben az esetben a 6a mennyisége jelentősen csökkent, és egy új termék keletkezett. A reakcióelegy GC-MS analízise alapján a keletkezett termék 4-klórbenzaldehid-dietilacetál volt. A reakciót toluolban és xilolban végezve gyengébb termelési értékeket értem el. A megfelelő kinazolin- 4(3H)-on-származékot egyetlen esetben sem lehetett kimutatni a reakcióelegyből. Ezek alapján a további reakciókat acetonitrilben végeztem 24 órás reakcióidő mellett. A különböző aldehidekkel kapott eredményeket a 9. táblázatban foglaltam össze. 9. táblázat Izatoésav-anhidrid (4), különböző aldehidek (5), és ammónium-acetát reakciója a Sor R Termék Termelés (%) b Sor R Termék Termelés (%) b 1 4-Cl 6a F 6f 86 2 H 6b Br 6g Cl 6c Br 6h MeO NO 2 6i 60 6d 5 4-MeO NO 2 6j 90 6e 40

41 9. táblázat folytatása Sor R Termék Termelés (%) b Sor R Termék Termelés (%) b NO 2 6k OH 6m 45 c 12 4-NMe 2 6l 47, 80 c a 2 mmol izatoésav-anhidrid (4), 2 mmol aldehid (5), 2,4 mmol ammónium-acetát, 0,2 g katalizátor, 3 ml acetonitril, reflux hőmérséklet, 24 óra. b Izolált termelés. c Etanolban. A reakciók általában kiváló-jó izolált termeléssel szolgáltatták a kívánt termékeket. A 2-nitro- (5i) és 4-nitrobenzaldehid (5k) esetében kapott alacsonyabb termelési értékre magyarázatul szolgálhat a termékek rossz oldhatósága, a feldolgozási eljárás során a katalizátor felületén nagyobb mennyiségű leoldhatatlan anyag maradt (9. táblázat 9. és 11. sor). Az acetonitril nem bizonyult megfelelő oldószernek a p-(n,n -dimetilamino)benzaldehid (5l) esetében, magasabb termelést értem el etanolban (9. táblázat, 12. sor). A szalicilaldehid (5m) etanolban végzett reakciója esetén kapott alacsonyabb termelés lehetséges magyarázata az aldehid oxigénatomja és a hidroxilcsoport hidrogénje között kialakuló kötés (9. táblázat, 13. sor). Bár ezt a reakciót általában savkatalizáltként tárgyalja a szakirodalom, esetünkben enyhén bázikus karakterű heterogén katalizátorral értünk el jó eredményeket. Az ok hasonló lehet, mint az alkoholok tetrahidropiranil-csoporttal történő védésénél. Az EDS mérés alapján a lantán a hordozó felületén helyezkedik el, potenciálisan savas centrumokat képezve, melyek segíthetik a reakció lejátszódását. Mindemellett a bázikus tömbfázis segíthet a kedvezőtlen, savkatalizált mellékreakciók, valamint a savra érzékeny vegyületek és funkciós csoportok esetlegesen fellépő bomlásának elkerülésében. A heterogén és homogén katalízisre a szakirodalomban található reakciómechanizmusok alapján feltételezhetően esetünkben első lépésként a kation (itt a La 3+ ) aktiválja az izatoésav-anhidridet (4). Ezt követi az ammónium-acetát vagy a megfelelő amin (7) nukleofil támadása a karbonilcsoporton. Szén-dioxid kilépését követően a 2-41

42 aminobenzamid reagál az aktivált aldehiddel (A), így kialakul a B intermedier, melynek intramolekuláris ciklizációja eredményezi a C intermediert, utolsó lépésként pedig 1,5- protontranszfer szolgáltatja a kívánt terméket (6) (27. ábra). A 2-aminobenzamid köztitermék kimutatható volt a reakcióelegy GC-MS spektrumából. 27. ábra A ciklizáció feltételezett mechanizmusa Megvizsgáltam a reakciót benzaldehid helyett benzaldehid-dimetilacetállal (8). A kívánt 6b termék keletkezett kiváló termeléssel (85%, 28. ábra). Amennyiben ammóniumacetát helyett benzil-amint (7a) alkalmaztam, a diszubsztituált származék (9) szintén kiváló termeléssel (90%) képződött. 28. ábra Benzaldehid-dimetilacetál reakciója Elvégeztem a reakciót aldehidek helyett ketonokkal is, az eredményeket a 10. táblázatban foglaltam össze. 42

43 10. táblázat Izatoésav-anhidrid (4), ammónium-acetát, illetve benzil-amin (7a) és különböző ketonok (10) reakciója a Sor R 1 R 2 R 3 Reakcióidő (óra) Termék Termelés (%) 1 - b CH 3 C 2 H a ~50 c 2 C 6 H 5 CH 2 CH 3 C 2 H b 15 d 3 - b CH 3 C 6 H c 33 c 57 c a 2 mmol izatoésav-anhidrid (4), 2 mmol keton (5), ammónium-acetát (2,4 mmol), vagy benzil-amin (7a, 2 mmol), 0,2 g katalizátor, 3 ml acetonitril, reflux hőmérséklet. b Ammónium-acetát. c Konverzió az 1 H-NMR spektrum alapján. d A termék GC MS analízise alapján. A reakció egyik esetben sem volt teljes. Etil-metil-keton esetén (10. táblázat, 1. sor) az NMR spektrum alapján a reakcióidőtől függetlenül a termelés 50% körül alakult. A reakciót etil-metil-keton felesleggel végezve a kívánt termék mennyisége csökkent, feltételezhetően aldol-típusú mellékreakciók fellépése következtében. Ammónium-acetát helyett benzil-amint alkalmazva csak alacsony termeléssel kaptam a megfelelő terméket (11b, 10. táblázat, 2. sor). Az acetofenon csak gyenge termeléssel szolgáltatta a kívánt terméket még 48 órás reakcióidőt követően is (10. táblázat, 3. sor). 43

44 A katalizátor visszaforgathatóságát izatoésav-anhidrid (4), benzaldehid (5b), és ammónium-acetát reakciójában vizsgáltam. A reakció lejátszódását követően a szilárd anyagot kiszűrtem, és forró acetonnal mostam, ezt követően pedig körülbelül 150 C-on hevítettem egy órán keresztül. A termelés az első és második körben 85%, illetve 76% volt. A nyersterméket XRF vizsgálatnak vetettük alá annak érdekében, hogy meghatározzuk, hogy a fémnek a hordozóról történő leoldódása vezetett-e az alacsonyabb termelési értékhez. A vizsgálat azonban nem mutatott ki lantánt a nyerstermékben. A használt katalizátort megvizsgáltuk pásztázó elektronmikroszkóp és EDS segítségével is, hogy feltérképezzük a katalizátor aktivitáscsökkenésének hátterét. A SEM és EDS felvételek magas széntartalmú, téglalap alakú kristályok jelenlétét (29. ábra) mutatták a katalizátor felületén, ennek alapján a termeléscsökkenés hátterében a termékek rossz oldhatósága állhatott. A frissen készült és az egyszer használt katalizátorok EDS eredményei nem mutattak eltérést fémtartalom tekintetében, így új eljárást alkalmaztam a visszaforgatási folyamatban. A használt katalizátort acetonban forraltam öt órán keresztül, kiszűrtem, majd körülbelül 150 C-on hevítettem egy órán keresztül. Az egyszer használt katalizátor lantántartalma ICP-OES alapján 3,79 m/m % volt. Az így kezelt katalizátor alkalmazhatóságát vizsgáltam a modellreakcióban, a termelési értékekben nem tapasztaltam szignifikáns csökkenést (30. ábra). 29. ábra A használt katalizátor SEM felvétele 44

45 Termelés (%) Ciklus 30. ábra A katalizátor visszaforgathatóságának vizsgálata Összefoglalásként elmondható, hogy a 4Å molekulaszita-hordozós lantánkatalizátor hatékonyan alkalmazható 2,3-dihidrokinazolin-4(1H)-onok egyedényes, háromkomponensű előállítására enyhén bázikus körülmények között, melyre nem található más irodalmi példa. A katalizátor egyszerűen előállítható és acetonos forralást követően jó eredménnyel újrafelhasználható. 45

46 Polihidrokinolinok előállítása [D3] Bevezetés A polihidrokinolinok szintézise napjainkban nagy érdeklődésre tart számot jelentős farmakológiai és biológiai tulajdonságaik miatt. Ezek a heterociklusok a Ca 2+ -csatorna blokkolók jelentős osztályát alkotják és számos gyógyszer alapvázát képezik, melyeket a magas vérnyomás és a kardiovaszkuláris betegségek kezelésében alkalmaznak. 100 Számos más farmakológiai hatással is rendelkeznek, mint például antibakteriális, gombaellenes, anti- TBC, antimaláriás 101 és antitumor aktivitás 102,103. Ezek a tények egyértelműen tükrözik a polihidrokinolinok figyelemreméltó farmakológiai és gyógyszertudományi potenciálját, mint terápiás jelentőségű gyógyszerjelöltek és szerves kémiai szintézisek intermedierei. Az 1,4-dihidropiridin-származékok előállítását először Arthur Hantzsch írta le ben, aldehideket, acetecetésztert, és ammóniát reagáltatott ecetsavban, vagy alkoholokban forralva. 104 Ennek a klasszikus módszernek több kedvezőtlen tulajdonsága is van, így a magas hőmérséklet alkalmazása, a hosszú reakcióidő, az erélyes reakciókörülmények, és az alacsony hozamok. Számos kutatás folyik hatékonyabb módszerek kidolgozására ezen értékes heterociklusok előállítását illetően. Az utóbbi években számos módszert dolgoztak ki, és különböző katalizátorokat alkalmaztak, többek között leírták bizmut(iii)-bromid, 105 szilikagél-hordozós polifoszforsav, 106 nanocirkónium-hordozós kénsav, 107 boehmite szilikakénsav, 108 organokatalizátorok, 109,110 cérium-ammónium-nitrát, 111 La 2 O 3 /TFE, 112 TiO 2 nanorészecskék, 113 Co 3 O 4 -CNT nanokompozit, 114 Fe 3 O 4 nanorészecskék, 115,116 Ni(0) nanorészecskék, 117 hafnium(iv)-bisz(perfluorooktánszulfonil)imid komplex, 118 heteropolisav, 119 K10 montmorillonit, 120 és MCM alkalmazását. A polihidrokinolinok szintézisét megvalósították különböző ionos folyadékok, mint katalizátorok jelenlétében is. 122,123 Ugyancsak leírták előállításukat katalizátor alkalmazása nélkül is vízben forralva, azonban e módszer esetében hosszabb reakcióidőkre volt szükség. 124 Polihidrokinolinokat előállítottak mikrohullámú besugárzás alkalmazása mellett is. 125,126 Ezen módszerek többsége számos hátrányos tulajdonsággal rendelkezik, például alacsonyabb termelési értékek, toxikus szerves oldószerek, erélyes reakciókörülmények, hosszabb reakcióidők, és relatíve drága [D3] Magyar, Á.; Hell, Z.: Molecular sieve supported lanthanum catalyst for the efficient synthesis of polyhydroquinolines via Hantzsch synthesis. Period. Polytech. Chem. Eng. 2017, közlésre elfogadva. 46

47 reagensek alkalmazása. Így egy egyszerűbb, és hatékonyabb módszer kidolgozása polihidrokinolinok előállítására továbbra is hasznos lehet A nem-szimmetrikus Hantzsch-reakció vizsgálata Vizsgáltam különböző szubsztituált benzaldehidek (5), dimedon (12), acetecetészter (13), és ammónium-acetát nem-szimmetrikus Hantzsch-kondenzációját heterogén lantánkatalizátor jelenlétében, forró etanolban. A reakcióban a várt termékek (14) magas termeléssel keletkeztek (31. ábra). 31. ábra A Hantzsch-reakció sémája A dimedon (12) mennyiségének hatását a 4-klórbenzaldehid (5a) modellreakciójában vizsgáltam. Amennyiben feleslegben alkalmaztam a dimedont (1,5, illetve 2 ekvivalens), a termelési értékek romlottak, és a 14e termék is keletkezett 10% alatti mennyiségben (32. ábra). Így a további kísérletekben az aldehiddel (5) ekvimólos mennyiségben alkalmaztam a dimedont (12). 32. ábra Melléktermék dimedonfelesleg esetén A kedvezőnek talált kísérleti körülmények között kapott eredményeket a 11. táblázatban foglaltam össze. Számos szubsztituált benzaldehidet alkalmaztam sikerrel, a várt polihidrokinolin-származék minden esetben magas termeléssel keletkezett. A szubsztituálatlan benzaldehid és elektronszívó (pl. nitrocsoport, halogén), vagy elektronküldő csoportot (pl. alkoxicsoport) tartalmazó származékai egyaránt jó-kiváló termeléssel szolgáltatták a kívánt terméket, vagyis elektornikus hatás nem volt megfigyelhető. 47

48 11. táblázat Különböző aldehidek (5), dimedon (12), acetecetészter (13), és ammóniumacetát reakciója a Sor R Termék Termelés (%) b Sor R Termék Termelés (%) b 1 H NMe a 14g 2 3-Br MeO 92 14b 14h 3 4-Br MeO 87 14c 14i 4 2-Cl NO d 14j 5 4-Cl NO e 14k 6 2-F NO f a 1 mmol aldehid (5), 1 mmol dimedon (12), 1 mmol acetecetészter (13), 1,5 mmol ammónium-acetát, 0,1 g katalizátor, 3 ml etanol, reflux hőmérséklet, 4 óra. b Izolált termelés. 14l 48

49 A 14b vegyület esetében kapott alacsonyabb termelés hátterében oldhatósági problémák állhatnak. Nem tapasztaltam jelentős sztérikus hatást, az orto-, meta-, és paraszármazékok azonos nagyságrendbe tartozó eredményeket szolgáltattak (pl. 11. táblázat, sor). A 2-fluorofenilszármazék (14f) esetében jelentős eltérést találtam az általam mért olvadáspont, és az irodalomban található érték között. A vegyület 1 H- és 13 C-NMR spektrumai, valamint tömegspektruma azonban megfelelnek az irodalmi spektrumoknak, a DSC mérés pedig csak egyetlen éles olvadási csúcsot mutatott (33. ábra). Ezek alapján a várt vegyület keletkezett, és a kapott anyag nem tartalmazott szennyezést. 33. ábra A 14f vegyület DSC felvétele A reakcióelegyek feldolgozása egyszerű folyamat volt, a katalizátort kiszűrtem, etanollal mostam, majd a szűrletet bepároltam. A maradékot dietil-éterrel eldörzsöltem, a kivált szilárd anyagot kiszűrtem, és 1 H- és 13 C-NMR vizsgálatoknak vetettem alá. Melléktermék keletkezését nem tapasztaltam. Habár ezt a reakciót is általában savas karakterű katalizátorokkal írták le, ebben az esetben egy enyhén bázikus, heterogén katalizátorral értem el jó eredményeket. Ennek a valószínű oka megegyezik a fejezetben leírtakkal. 49