HORDOZÓS KATALIZÁTOROK VIZSGÁLATA SZERVES KÉMIAI REAKCIÓKBAN

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDMÁYI EGYETEM VEGYÉSZMÉRÖKI ÉS BIMÉRÖKI KAR HRDZÓS KATALIZÁTRK VIZSGÁLATA SZERVES KÉMIAI REAKCIÓKBA Ph.D. értekezés Készítette Témavezető Kiss Árpád Dr. Hell Zoltán egyetemi docens S Z E R V E S KÉMIA É S TEC H L Ó G I A TAS Z É K 2012

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. 1/97

3 TARTALMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS 4 2. IRDALMI ÖSSZEFGLALÓ Hordozós katalizátorok Molekulasziták A molekulasziták típusai Zeolitok A 4 Å molekulaszita Hidrotalcitok A hidrotalcitok felépítése A hidrotalcitok előállítása A hidrotalcitok kezelése A hidrotalcitok felhasználása A magnézium-lantán vegyesoxid ELMÉLETI RÉSZ A Kumada-kapcsolás Bevezetés Szilárd hordozós fémkatalizátor kifejlesztése a Kumada-kapcsoláshoz A reakciókörülmények optimálása A katalizátor visszaforgathatósága Az A 3 (alkin-aldehid-amin) kapcsolás Bevezetés A katalizátor kiválasztása az A 3 -reakcióhoz A reakciókörülmények optimálása A katalizátor visszaforgathatósága Aldoximok katalitikus dehidratálása nitrilekké Bevezetés A katalizátor kiválasztása az aldoxim-nitril átalakításhoz A reakciókörülmények optimálása A katalizátor visszaforgathatósága Mechanizmusvizsgálat Hot filtration (forró szűrés) teszt itrilek katalitikus hidratálása amidokká Bevezetés Katalizátor kiválasztása a nitril-amid átalakításhoz A reakciókörülmények optimálása 57 2/97

4 A katalizátor visszaforgathatósága A katalizátorok vizsgálata A i 2+ -MgLa katalizátor vizsgálata A Cu 2+ -4A katalizátor vizsgálata KÍSÉRLETI RÉSZ A katalizátorok előállítása A katalizátorok általános előállítása i 2+ -MgLa Cu 2+ -4A A Kumada-kapcsolás Az A 3 -kapcsolás Aldoximok katalitikus dehidratálása nitrilekké itrilek katalitikus hidratálása amidokká TÉZISPTK IRDALMJEGYZÉK 89 3/97

5 1. BEVEZETÉS apjaink szerves kémiai kutatásainak egyik fő iránya olyan új katalizátorok, illetve reagensek keresése, melyek aktívabbak, szelektívebbek, esetenként újra felhasználhatóak, egyszerűbben kezelhetők és kevésbé terhelik a környezetet, mint egyes hagyományos katalizátorok. Figyelembe véve, hogy a szerves kémiai reakciók nagy része - egyes statisztikai adatok szerint kb. 80%-a - igényel katalizátort, a katalízis kutatása egyre nagyobb jelentőségre tesz szert. Az elmúlt évtizedekben számos heterogén katalizátort fejlesztettek ki, melyek olcsók, nem mérgezőek, nem korrozívak, alkalmazásuk magas aktivitást és szelektivitást biztosít enyhe reakciókörülmények között. Sok esetben egyszerűen a szintetikus, vagy természetes ásványok savas, illetve bázikus tulajdonságát használják ki, ugyanakkor a modern szintetikus módszerek térnyerésével a különböző hordozós katalizátorok jelentősége is folyamatosan nő. A hordozós heterogén katalizátorok számos előnnyel rendelkeznek, a finomkémiai ipar szakaszos technológiáiban a reakció végén gyorsan kiszűrhetőek a reakcióelegyből, ami egyszerűsíti a technológiát, csökkenti a műveleti időt és a reakcióelegy feldolgozásához szükséges energiát. A kiszűrt katalizátorok gyakran újra felhasználhatóak, illetve könnyen regenerálhatóak. Szerkezetük miatt a reakciók esetenként figyelemreméltó regio-, illetve sztereoszelektivitással játszódnak le jelenlétükben. Mindezen előnyök számos fontos szerves kémiai reakciót nemcsak környezetkímélőbbé, hanem gazdaságosabbá is tehetnek. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Szerves Kémia és Technológia Tanszékén több éve foglalkozunk szilárd savas és bázisos katalizátorok mellett hordozós fémkatalizátorokkal, szerves kémiai reakciókban történő alkalmazhatóságuk vizsgálatával, illetve katalitikus módszerek fejlesztésével is. Munkánk során olyan reakciókat vizsgálunk, melyek leginkább a finomkémiai-, illetve a gyógyszeripar számára lehetnek érdekesek. Korábban a kutatócsoport eljárásokat dolgozott ki több szén-szén kapcsolási reakció, például a Suzuki-, Heck-, illetve Sonogashira-reakció megvalósítására 1-3. Doktori munkám során e kutatások folytatásaként hagyományosan homogén katalitikus szerves kémiai reakciók heterogén hordozós katalizátorral történő megvalósításával foglalkoztam. Célom egyszerűen, gyorsan és költséghatékonyan előállítható katalizátorok alkalmazásával olyan módszerek kifejlesztése volt, amelyek az ipar számára is használhatóak lehetnek és környezetvédelmi szempontból is megállják a helyüket. A vizsgált reakciókat is ennek megfelelően, az ipari alkalmazhatóság szempontjából választottuk ki. Dolgozatom elején az irodalmi összefoglaló részben az általam használt hordozókkal foglalkozom. Az ezt követő elméleti részben a vizsgált reakciótípusok előzményeit, majd saját munkámat ismertetem. Munkám során négy reakcióval, a Kumada-kapcsolással, az ún. A 3 - reakcióval, aldoximok nitrilekké történő dehidratálásával, illetve nitrilek amidokká történő átalakításával foglalkoztam. Az elméleti rész végén a legjobbnak talált két katalizátort részletesen jellemzem. 4/97

6 2. IRDALMI ÖSSZEFGLALÓ 2.1. Hordozós katalizátorok A hordozós katalizátorokban a hordozó az aktív komponens - gyakran a katalizátorfém - váz-, illetve kötőanyagaként funkcionál. A hordozó aktivitása egy adott reakcióban általában kicsi, sőt, akár inaktív is lehet, mennyisége viszont az aktív komponensénél lényegesen nagyobb. Régebben a hordozót kizárólag azért alkalmazták, hogy az aktív komponenssel takarékoskodjanak. A hordozónak ugyanakkor jelentős hatatása lehet az aktivitásra, a szelektivitásra, az élettartamra, a regenerálhatóságra és a méregérzékenységre, növeli az aktív komponens felületét, stabilizálja annak nagy diszperzitását és promotorként is viselkedhet 4. A hordozóként alkalmazott anyagok választéka rendkívül széles, néhány természetes és mesterséges hordozót az 1. táblázatban foglaltam össze. 1. táblázat éhány természetes, illetve mesterséges hordozó Természetes hordozók Mesterséges hordozók kovaföld (diatomaföldek) Si, Al, Mg, Ti, egyéb oxidok Al, Mg hidroszilikátok (agyagásványok) grafit, egyéb szintetikus szenek, szén nanocsövek egyéb szilikát ásványok (horzsakő) szintetikus zeolitok bauxit BaS 4 természetes zeolitok fémek, ötvözetek aktív szenek (csont-, vérszén) polimerek A hordozós katalizátorokat általában két lépésben állítják elő. 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 specieszt a felülethez 5. Az irodalmi összefoglaló további részében az általam vizsgált katalizátorhordozók előzményeivel, általános tulajdonságaival, szerkezetével, előállításával, illetve felhasználásával foglalkozom. Munkám során hordozóként hidrotalcitokat (HT), magnézium-lantán vegyesoxidot (MgLa) és 4Å molekulaszitát (MS-4A, 4A) alkalmaztam. A hidrotalcitokat és a MgLa-t a tanszéki kutatócsoport korábban is vizsgálta 1-3,6, míg az MS-4A egy külső kutatási munka keretében került a látószögünkbe. 5/97

7 2.2. Molekulasziták A molekulasziták típusai Különféle molekulaszitákat (molecular sieve, Molekularsieb) régóta használnak a vegyiparban, leginkább gázok, oldószerek, illetve általában folyékony reagensek szárítására. Bizonyos molekulasziták képesek akár 22 m/m % vizet is felvenni. Ma is erre a célra gyártják a legtöbb molekulaszitát. Legegyszerűbben adszorber oszlopba töltve használható fel. Az oszlop az áttörést követően könnyen regenerálható hevítés, forró levegő, nitrogén, vagy nyomásingadoztatás segítségével. Manapság egyre gyakrabban használnak olyan oszlopokat, amelyekbe különböző tulajdonságú adszorbenseket rétegeznek, így az oszlop különböző anyagok megkötésére is alkalmas. Ezeknek a technológiáknak is fontos elemei a molekulasziták. Az 1. ábrán látható adszorber egy modern cseppfolyós-gáz tisztító berendezés része, amely kétfajta molekulaszitából és egy alumínium-oxid típusú adszorbensből áll ábra Cseppfolyós-gáz tisztító adszober A molekulaszita elnevezés valójában nem egy jól definiált fogalom. Tágabb értelemben több, egymástól lényegesen eltérő tulajdonságú anyag is besorolható ebbe a csoportba, mint például: kristályos zeolitok, mikropórusos csontszén, egyéb aktív szenek, oxidok, porózus üvegek, szilikagél, agyagásványok, egyéb aluminoszilikát ásványok 8. Ezek egymástól igen különböző anyagok, közös tulajdonságuk viszont a pórusszerkezet. A pórusszerkezetre jellemző pórusméret-eloszlást az A zeolit esetén a 2. ábra mutatja összehasonlítva egy tipikus szilikagél és egy aktív szén pórusméret-eloszlásával. Az ábra azt illusztrálja, hogy a zeolitokban az összes pórus mérete egy szűk tartományban van, bár a valóságban az eloszlás némileg kiszélesedik a zeolit egykristály pórusméret-eloszlásához képest. 6/97

8 2. ábra Adszorbensek pórusméret-eloszlása logaritmikus skálán Szűkebb értelemben a pórusos szerkezettel rendelkező zeolitokat és aluminoszilikátokat nevezzük molekulaszitáknak. Munkám során csak ilyen típusú anyagokat használtam, így a továbbiakban csak ezekkel az anyagokkal foglalkozom részletesebben. A molekulasziták pórusmérete és pórusszerkezete nagyon fontos tulajdonság. Meghatározza, hogy mekkora méretű anyagok férnek be a pórusokba (3. ábra). A gáz- és kisebb folyadékmolekulák mérete éppen a zeolitok üregeinek mérettartományába esik. Erre a tulajdonságra utal a molekulaszita elnevezés is, mivel képesek kis méretű anyagokat kiszűrni az elegyből. A zeolit típusú molekulaszitáknál ez lehetőséget ad a csoportosításra 9,10 : 3. ábra Zeolit molekulasziták pórusméretei (az A és X a térszerkezet típusát jelöli) MS-3A (K-zeolit-A, névleges pórusátmérő: 3 Å): H 3, H 2 megkötése, szárítás; MS-4A (a-zeolit-a, névleges pórusátmérő: 3,9 Å): H 2, C 2, S 2, H 2 S, C 2 H 4, C 2 H 6, C 3 H 6, EtH megkötése (propánnál nagyobb szénhidrogéneket nem köt meg); MS-5A (Ca-zeolit-A, névleges pórusátmérő: 4,3 Å): adszorbeál normál szénhidrogéneket butánig, alkoholokat butanolig, merkaptánokat tiobutanolig, de nem adszorbeál C 4 -nél nagyobb elágazó és gyűrűs vegyületeket; 7/97

9 MS-10X (Ca-zeolit-X, névleges pórusátmérő: 7,8 Å): adszorbeál elágazó szénhidrogéneket és aromásokat is; MS-13X (a-zeolit-x, névleges pórusátmérő: 8 Å): adszorbeál di-n-butilamint, de tri-nbutilamint nem (HMPA szárítás). Ebből következik, hogy molekulaszitákkal adszorpcióképességüknél fogva különböző elválasztási műveleteket is végrehajthatunk. A víz mellett egyéb kismolekulás anyagok, például H 3, C 2, S 2, H 2 S stb. eltávolítására is alkalmasak lehetnek. Érdekesebb azonban, amikor szénhidrogén elegyeket választanak szét molekulaszita segítségével. Bizonyos sziták csak a lineáris szénhidrogéneket adszorbeálják, az elágazókat vagy aromásokat nem. Használhatjuk továbbá p- xilol elválasztására a többi xilol izomertől, illetve a Selectoforming benzinreformáló eljárásban is 11,12. A különböző zeolitok névleges pórusátmérőjét, a molekulaszűrő tulajdonságukat a vázban levő kationok is jelentősen befolyásolják, mivel a meglévő üregeket különböző mértékben árnyékolják le. Ezt a hatást jól szemlélteti például az MS-3A, MS-4A és az MS-5A közötti különbség, mivel ezek az anyagok ugyannak az A típusú zeolitnak a K, a, illetve Ca formái Zeolitok Előzmények Év Esemény Az első zeolitot, a sztilbitet egy vulkáni eredetű kőzetben a svéd Axel Fredrik Crønstedt fedezte fel egy lappföldi rézbányában 13. Az új ásvány gyors hevítés 1756 hatására az adszorbeált víztartalmát eleresztette és felhabosodott, így zeolitnak ( forró kő ) nevezte el, mely kifejezés a görög eredetű zeo (forrni) és lithos (kő) szavakból ered Eichhorn különböző zeolitok ioncserélő tulajdonságát vizsgálta Claire Deville elsőként állított elő mesterséges zeolitot hidrotermális úton Friedel a zeolitok szerkezetét és adszorbeáló képességét vizsgálta 16. Weigel és Steinhoff felfedezték a zeolitok molekulaszita hatását 17. Kabazit kristályokat vizsgálva a víz, metanol, etanol és hangyasav gyors adszorbcióját 1925 tapasztalták, ugyanakkor a zeolit nem volt képes adszorbeálni például acetont, étert vagy benzolt Leonard röntgendiffrakcióval vizsgálta a zeolitok szerkezetét Taylor és Pauling először határozták meg zeolitok szerkezetét 19. McBain bevezette a molekulaszita fogalmát 20. A molekulasziták olyan anyagok, 1932 melyek molekuláris léptékben szitaként működnek Milton és Breck felfedezték az A, X, és Y típusú zeolitokat 8. A Union Carbide 8/97

10 1954 Linde Divíziója megvalósítja az első ipari méretű zeolit szintézist (zeolit A, gázszárításra) Breck és Reed megfejtették a zeolit A szerkezetét A Union Carbide n/izo-paraffinok elválasztását és izomerizálását fejlesztette ki zeolit segítségével (ISSIV eljárás) A Mobil il X típusú zeolitot használt a katalitikus krakkolásban A Mobil il kifejlesztette a ZSM-5 típusú zeolitot A Henkel először használ A típusú zeolitot mosószerekben 23. A zeolitok felépítése 8,12 A zeolitok különleges tulajdonságaikat szerkezetüknek köszönhetik. A zeolitok vázát Si 4 - Al 4 tetraéderek alkotják, melyeket közös oxigénatom köt össze. Általános képletük a következő: M x/n [(Al 2 ) x * (Si 2 ) y ] * w H 2 M egy n vegyértékű kation w a vízmolekulák száma x+y a Si 4 - Al 4 tetraéderek száma az elemi cellában y/x a Si/Al arány, mely a zeolit típusától függ (általában 1-5) A zeolitvázban típustól függően 3-8 Å méretű csatornák és üregek helyezkednek el. Itt fogalnak helyet az egy-, vagy kétértékű alkálifém és alkáliföldfém ionok, amelyek a Si 4+ -ionokat helyettesítő Al 3+ -ionok pozitív töltéshiányát kompenzálják. Emellett a vázban változó mennyiségű víz is jelen van. Ennek egy része a kompenzáló ionokhoz koordinálódik, a nagyobb része viszont szabadon van jelen a rácsban. Hevítés hatására reverzibilisen kiűzhető a pórusokból, a rács felbomlása nélkül. A víz legnagyobb része 100 és 200 ºC között távolítható el, míg a teljes vízmentesítéshez körülbelül ºC-ra van szükség 12. A zeolitok szerkezetének alapelemei az Al 4 és Si 4 tetraéderek, ezek építik fel a másodlagos építőegységeket, így köbös, hexaéderes, illetve oktaéderes rácsok jöhetnek létre. A kristályok végső szerkezete a másodlagos építőelemek különböző módon történő összekapcsolódásával alakul ki, így a variációk száma végtelen 8. Dolgozatom célja és terjedelme a különböző zeolitstruktúrák részletes tárgyalását nem teszi lehetővé. A 3. ábrán egy tipikus A és X zeolit szerkezetét szemléltettem. Az általam is használt A típusú zeolit építőegységei az ún. α és β kalitka, melyek a legalapvetőbb másodlagos építőegységek közé tartoznak. Az α kalitka (szuperkalitka) geometriailag egy csonka kuboktaéder, míg a β-kalitka (szodalit kalitka) csonka oktaéder (4. ábra). Mind a 3., mind pedig a 4. ábra ábrázolásmódjában a félszabályos testek csúcsain az Al és a Si atomok találhatóak, míg az atomok az éleken foglalnak helyet (az egyszerűsített ábrázolásban ezeket nem tüntetik fel). 9/97

11 4. ábra A zeolit A szerkezete A zeolitok tulajdonságai különböző módszerekkel módosíthatóak. A négy legfontosabb módosítási lehetőség a következő: Ioncsere 8 : a zeolitvázban helyet foglaló kationok meglehetősen szabadon mozoghatnak, így könnyen eltávolíthatóak, illetve más ionra cserélhetőek. Ez a kationcserélő tulajdonság számos helyen kihasználható, mint például a detergensekben vízlágyítóként alkalmazott zeolitok esetén, illetve különböző katalizátorok készítésénél. A zeolitok ioncserélő kapacitása alapvetően a váz alumíniumtartalmától függ, mivel a vázban levő kationok az Al 3+ ionok okozta pozitív töltéshiányt kompenzálják. Az ioncsere a zeolit üregeiben, csatornáiban könnyen megvalósulhat, mivel a kationok és a vízmolekulák is beférnek a zeolit szerkezetébe. Természetesen a különböző zeolitok mind az ioncserélő kapacitásban, mind pedig a szelektivitásban különbözőek lehetnek. Ily módon számos kation vihető be a rácsba, például: H 4+, a +, K +, Mg 2+, Sr 2+, Ba 2+, Co 2+, i 2+, Cu 2+, Ag +. Kationmentesítés 8 : az ioncsere egy speciális formája, amennyiben a zeolitok kationjait hidrogénionokra cseréljük, a zeolit ásványi savként (Brønsted-sav) viselkedik. Hevítésre ezek a Brønsted-savas helyek vizet vesztenek, ezáltal hiányosan koordinált, elektronpár megkötésére kész alumíniumionok maradnak vissza, melyek ezt követően már Lewis-savként viselkednek. A vegyiparban számos területen használnak katalizátorként ilyen típusú savasított zeolitokat. A zeolitok kationjainak - elsősorban az alkáli kationoknak - hidrogénionra történő cseréje legegyszerűbben ammóniumionokra történő cserével, majd az ammónia termikus eltávolításával valósítható meg. Ultrastabilizálás 24 : az ultrastabilizálás során hidrotermális kezeléssel (vízgőzzel történő magas hőmérsékletű kezelés, gőzöléses dezaluminálás) megváltoztatjuk a zeolit szerkezetét. A zeolitrács hőstabilitását alapvetően a Si/Al arány határozza meg, amennyiben ez az érték 1 körüli, a rács már 300 ºC környékén összeomlik, 3-5-nél ugyanakkor a hőstabilitás jelentős mértékben 10/97

12 javul. Az ultrastabilizálás során az elemi cellában levő alumínium mennyiségét csökkentjük, a Si/Al arányt növeljük. Az így módosított zeolitok akár 1000 ºC felett is stabilak maradhatnak. Y típusú zeolit gőzölésével állítják elő az ún. USY (ultrastabil Y) típusú krakkoló katalizátorokat is. Savas kezelés 24 : a kezelés hatására az alumíniumtartalom csökken, így a hőállóság és az adszorpcióképesség is jelentős mértékben javul. Az ultrastabilizálást és a savas kezelést gyakran kombinálva is alkalmazzák A 4 Å molekulaszita Az elmúlt évtizedekben a heterogén katalízis területén óriási fejlődés következett be, a különböző molekulasziták, zeolitok száma óriási és a rendkívül gyors fejlődés a mai napig jellemző. Ennek ellenére az egyik legolcsóbban és legnagyobb volumenben gyártott zeolit a mai napig is az A típusú zeolit, azon belül is a nátrium forma (MS-4A, a-zeolit-a). Az 1954 óta nagyiparilag előállított szintetikus zeolitot először gáz és folyadékszárításra használták, és mivel képes a keménységet okozó Ca 2+ ionokat a + ionokra cserélni, detergensekben is felhasználták. Az elmúlt években ugyan az A típusú zeolitok mellett egyéb típusok, például a zeolit P és a zeolit X is megjelentek a piacon, az A típusú zeolit ma is tipikus összetevője a mosóporoknak. A világon 1993-ban éves szinten mintegy 1,2 millió tonnát állítottak elő belőle 25, azóta a termelés nagyjából stagnál. A preparatív kémikusok gyakran használják a laboratóriumban, mivel nagyon jó vízmegkötő és a vízen kívül csak néhány kismolekulás anyagot képes adszorbeálni, így a feldolgozásnál nem kell attól félni, hogy valamelyik termék a molekulaszitán marad. Ezen kívül olcsó, könnyen hozzáférhető anyag, és nem ártalmas sem az egészségre, sem a környezetre, gyakorlatilag minden vegyipari üzemben előfordul, beszerzése egyszerű. A tanszéki kutatócsoportban célul tűztük ki az MS-4A katalizátorként, vagy katalizátorhordozóként való alkalmazhatóságának vizsgálatát. Az MS-4A szerkezetét a 3. és a 4. ábrán szemléltettem. Fajlagos felülete ~800 m 2 /g. Vizes szuszpenziójának ph-ja 10,5-11,0 (50 g/l), tehát meglehetősen erős bázisnak tekinthető 26. Ez bázikus tulajdonsága nagy jelentőséggel bír a katalizátorként, illetve katalizátorhordozóként történő alkalmazás szempontjából. Az MS-4A előállítása 8,12,25 Az MS-4A (a-zeolit-a) kémiai összetétele a következő: a 12 [(Al 2 ) 12 * (Si 2 ) 12 ] * 27 H 2 Jól definiált kristályos aluminoszilikát ásvány, amelyben a Si/Al arány 1:1. Morfológiáját tekintve általában 2-8 µm közötti zeolitszemcsékből áll. Alapvetően két módszerrel állíthatjuk elő: alumíniumszilikát hidrogélből történő hidrotermális kristályosításával, vagy kalcinált kaolinból történő kristályosítással. Gyakorlati jelentősége leginkább az első eljárásnak van. A zeolitszintézisekben a szilícium és alumíniumforráson (a 2 Si 3, Si 2, Si(Me) 4, Si(Et) 4, 11/97

13 aal 2, Al 2 3, Al(H) 3, Al( 3 ) 3 ) kívül mindig használnak valamilyen szervetlen kationt, általában alkáli, vagy ammóniumionokat, melyek 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 hidrogél eljárásban alapanyagként vízüveget (nátrium-szilikátot) és nátrium-aluminátot használnak fel. Ezek az alapanyagok alapvetően kősóból (a ah-hoz), homokból és bauxitból származnak, így gyakran előfordul, hogy a zeolitszintézissel alumíniumipari üzemek foglalkoznak. 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, majd a terméket szűrik, szárítják. Az eljárás folyamatábráját az 5. ábrán szemléltetem. 5. ábra A hidrogél eljárás egyszerűsített sémája 2. Kalcinált kaolinból (agyagásványokból) kiinduló eljárás 8 : Gyakran használnak agyagásványokat zeolitszintézisek kiindulási anyagaként. A leggyakrabban kaolin típusú ásványokból indulnak ki. Az alapanyagot először C-on kalcinálják, az így keletkező kalcinált kaolint (Al 2 Si 2 7 ) nátrium-hidroxiddal reagáltatva kapják a kristályosítás előtti gélt. A folyamat ezt követően lényegében megegyezik a hidrogél eljárással. Amennyiben X, illetve Y típusú zeolitokat szeretnének előállítani magasabb Si/Al aránnyal, a kiindulási kaolin alumíniumtartalmát savval kimossák, vagy a kaolinon felül Si 2 -ot is adnak a reakcióelegyhez. 12/97

14 Az MS-4A kémiai alkalmazásai Az MS-4A-t gyakran használják különböző vízkilépéssel járó reakciókban a víz megkötésére, különösen azokban az esetekben, amikor a keletkező víz a reakció körülményei között károsíthatja valamelyik reaktánst, terméket, vagy ha más, erélyesebb vízmegkötőszer hasonló okokból nem használható Gyakran előfordul, hogy molekulaszita hozzáadásával egy kémiai reakcióban a termelés jelentős mértékben növelhető. A termelésnövelő hatás sokszor nem a vízmegkötő képességnek, hanem az MS-4A bázikus karakterének köszönhető. Az MS-4A additív jelentős mértékben növeli a termelést például aldol típusú reakciókban 30, Michael-reakcióban 31, illetve az aza-morita Baylis Hillman reakcióban 32. kachi és munkatársai α-metilsztirolok én-reakciójához egy BF 3 + MS-4A katalizátorkombinációt használtak (6. ábra) 33. R1 R2 BF R1 3.Et 2 + (HCH)n MS-4A R2 6. ábra α-metilsztirolok én-reakciója H Eredetileg különböző Lewis-, illetve Brønsted-sav típusú katalizátorokat alkalmaztak ebben a reakcióban, melyek közepes termeléseket adtak. Az erős savak komplexet képeznek a formaldehiddel és ez a komplex képes reagálni az α-metilsztirollal. A BF 3 + MS-4A kombináció adta a legjobb termelést a kipróbált katalizátorok közül. A szerzők vizsgálták a molekulaszita szerepét a reakcióban (7. ábra). Megállapították, hogy a molekulaszita valószínűleg azért jó katalizátorkomponens, mert magas a bázikus helyeinek a száma, és így stabilizálni tudja a BF 3 komplexet. MS (szilárd bázis) H + BF 3 - H Ar 7. ábra Az MS-4A szerepe az én-reakcióban Ar Li és munkatársai kálium-hidroxiddal történő kezeléssel lényegében a molekulaszita kálium formáját állították elő. Az így kapott erősen bázikus katalizátorral jó eredményeket értek el dimetil-karbonát propilénoxidból és szén-dioxidból történő előállításában 34. A molekulaszita lényegesen jobbnak bizonyult, mint a hasonlóan módosított Hβ- és X-zeolitok. 13/97

15 Az MS-4A-t gyakran használják hordozóként is, bár ezen téren lényegesen ritkábban, mint az egyéb zeolitokat (Y, X, ZSM-5 zeolitok, stb.). Ez talán annak tudható be, hogy a magas alumíniumtartalmú A típusú zeolit hőstabilitása rosszabb, így magas hőmérsékletű reakciókban (pl. krakkolás és egyéb olajipari technológiák) nem alkalmazható. Wellenbüscher és munkatársai A zeolit-hordozós ruténiumkatalizátort használtak az ammóniaszintézisben. A katalizátort Ru(H 3 ) 6 Cl 3 prekurzor segítségével vitték fel a hordozóra. Aktiválás után - ellentétben az Y zeolit-hordozós Ru katalizátorral - egy rendkívül stabil katalizátorhoz jutottak. A katalizátor enyhe oxigénmérgezést is képes tolerálni 35. no és munkatársai C oxidációjában alkalmaztak rézzel módosított A zeolit katalizátorokat. Az egyik réztartalmú katalizátort (Cu-A) a zeolitszintézis során a gélhez hozzáadott rézsó segítségével készítették, míg a másikat a kész zeolit rézzel történő ioncseréjével. Ezen kívül vizsgáltak még a rézzel módosított Si 2 -ot is. A rézzel együtt szintetizált zeolitkatalizátor mutatta a legjobb aktivitást a reakcióban 36. A C oxidációját A típusú zeolit-hordozós platinakatalizátorral is megvalósították, az eljárás különlegessége, hogy hidrogén jelenlétében szelektíven lehet a C-t C 2 -dá oxidálni 37. A katalizátor rendkívül stabilnak bizonyult. A molekulaszita-hordozós i-cu katalizátor kiváló aktivitást mutatott p-nitro-fenol hidrazinhidráttal történő redukciójában is /97

16 2.3. Hidrotalcitok Az anionos agyagásványokat a legismertebb képviselőjük, a hidrotalcit után gyakran hidrotalcit-szerű anyagoknak, sokszor egyszerűen csak hidrotalcitoknak (HT), illetve réteges kettős hidroxidoknak is nevezik. A hidrotalcit ásványt 1842-ben Svédországban fedezték fel. Kémiailag a magnézium és alumínium hidroxikarbonátjának tekinthető 39. Ilyen típusú anyagokat először az 1940-es években Feitknecht állított elő szintetikusan 40, aki réteges kettős hidroxidnak (layered double hydroxide, LDH) nevezte őket, mivel olyan szerkezetet feltételezett, ahol az egyik kation hidroxidrétege beékelődik a másik kation hidroxidrétegébe 6. Ezt később Allmann 41 és Taylor 42 cáfolták meg. Röntgendiffrakció segítségével meghatározták, hogy mindegyik kation egy rétegben helyezkedik el, az anionok, valamint a vízmolekulák a rétegek között találhatóak. A kettős hidroxid elnevezés ennek ellenére megmaradt a köztudatban. Miyata 1971-ben elsőként írta le HT-típusú vegyületek katalitikus tulajdonságait 43. A hidrotalcitok kutatása azóta is törtetlen, számos felhasználási területük ismert A hidrotalcitok felépítése A hidrotalcitok szerkezete pozitív síkokból áll, melyeket két- és háromértékű hidroxilezett fémkationok alkotnak. A rétegek brucit szerkezetűek (Mg(H) 2 ): a kétértékű kationt 6 hidroxidion veszi körül oktaéderes rácscellát képezve (8. ábra). 8. ábra A brucit szerkezete 6 A hidrotalcitoknál a kétértékű kationokat részben háromértékű kationok helyettesítik (9. ábra). A háromértékű ionok a rétegnek pozitív töltést biztosítanak. A rétegeket ún. interlamelláris terek választják el, ahol kompenzáló anionok és vízmolekulák helyezkednek el 44. Az oktaéderek egy végtelen síkba kapcsolódnak. A síkokat hidrogénhidak tartják össze. 15/97

17 9. ábra A hidrotalcit szerkezete 6 A hidrotalcitok általános képlete: [M(II) (1-x) M(III) x (H) 2 ] x+ (A n- x/n ). mh 2 ahol: M(II): kétértékű kation, pl. Mg 2+, Cu 2+, i 2+, Co 2+, Mn 2+, Zn 2+, Fe 2+, M(III): háromértékű kation, pl. Al 3+, Fe 3+, Cr 3+, Ga 3+, Mn 3+, i 3+, A: kompenzáló anion, pl. szervetlen anionok, heteropolisavak, szerves savak maradékai, x: 0,2-0,33. Hidrotalciotkat nem csupán két-, illetve háromértékű kationok, hanem egy- és háromértékű, illetve két- és négyértékű kationok kombinálásával is készíthetünk. A kationok méretei csak viszonylag szűk tartományban lehetnek (0,50-0,74 Å) és nem térhetnek el nagy mértékben a Mg 2+ méretétől (ionsugár: 0,65 Å). A kompenzáló anionok minőségére vonatkozóan nincs megkötés, kicserélhetőek például halogenid, oxo-, polioxo-, komplex-, és szerves anionokra egyaránt. A kompenzáló anionok száma, mérete, orientációja határozza meg az interlamelláris tér vastagságát. Az x általában elfogadott értéke 0,2-0,33 között van. A hidroxidok, vagy tiszta fémkarbonátok esetén az x értéke e határokon kívülre is eshet. Az x>0,33 értéknél a hidrotalcit esetében a szomszédos Al 3+ ionok Al(H) 3 fázist hoznak létre. Ha x értéke kicsi, nagy sűrűségű oktaéderes magnézium-zónák keletkeznek, melyek a Mg(H) 2 gócképződési centrumai lehetnek 6,45. A hidrotalcitokban levő víz mennyisége termogravimetriás (TG) mérésekkel határozható meg. A legmagasabb víztartalom az interlamelláris térben levő helyek számából számolható ki, ha levonjuk belőlük az anionok által elfoglalt helyek számát. Miyata az alábbi képletet adta meg 46 : m=1 -x/n ahol: : az anionok által elfoglalt kötőhelyek száma n: az anion töltése x=m(iii)/(m(iii)+m(ii)) m=1-3x/2 (karbonátok esetén) 16/97

18 Az x értékének növekedése m értékének csökkenést vonja maga után. Fontos megjegyezni, hogy az [M(II) (1-x) M(III) x (H) 2 ] x+ (A x/n n- ). m H 2 képlet csak formális, mivel ezek a vegyületek alapvetően nem sztöchiometrikusak A hidrotalcitok előállítása Háromféle módszer ismert a hidrotalcitok előállítására 6 : 1. Só-bázis módszer (más néven együttlecsapásos módszer), melynek előnye, hogy a hidrotalcit összetétele tetszőlegesen változtatható. A kettő-, illetve háromértékű kationok hidroxidjainak lecsapása egyszerre megy végbe. A módszer egyik legfontosabb paramétere a folyamat ph-ja. A módszernek két változata ismert. A csapadékképzést kivitelezhetjük változó, illetve állandó ph-n egyaránt. A legelterjedtebb módszer az állandó ph-n történő együttlecsapás. Ebben az esetben a két fém valamilyen sójának oldatát együtt adagolják egy adott ph-jú oldatba. Azért, hogy az együttlecsapás megtörténjen, a folyamat során a rendszernek végig túltelítettnek kell maradnia. Ezért megfelelően magas ph értéket kell beállítanunk. Fontos azonban arra is ügyelnünk, hogy egy adott ph felett a kétértékű fém hidroxidja (pl.: Mg(H) 2 ), alacsony ph-n viszont a háromértékű fém hidroxidja (pl. Al(H) 3 ) válhat ki a rendszerből Só-oxid módszer, amelyet 1977-ben Boehm fejlesztett ki a hidrotalcitszerű Zn-Cr-Cl szerkezet létrehozására 48. A folyamat alapja, hogy Zn vizes szuszpenzióját CrCl 3 vizes oldatával reagáltatták szobahőmérsékleten. 3. Szol-gél módszer, melyet Lopez fejlesztett ki olyan hidrotalcitok készítésére, melyekben a Mg:Al arány 2 és 3 között van 49. Kevés sósavat tartalmazó etanolban Mg(Et) 2 -ot oldott fel 80 ºC-on. A vízmentes Al(Bu) 3 -ot tartalmazó második etanolos oldatot az elsővel elegyítette, miközben a ph-t vizes ammóniaoldat segítségével tartotta állandó értéken A hidrotalcitok kezelése Hidrotermikus kezelés A magnézium-alumínium hidrotalcitok hidrotermikus kezelését sokan vizsgálták. Reichle megállapította, hogy a folyamat két lépésben megy végbe: 200 ºC alatt a szerkezet megtartása mellett az interlamelláris térben található víz egy részét elveszíti (a röntgendiffraktogram még azonos a kiindulási hidrotalcitéval) 50. Ebben az esetben a vízvesztés még reverzibilis. 200 C fölött a karbonátokból származó szén-dioxid és a hidroxidokból származó víz távozása is megkezdődik ºC között a szerkezet fokozatosan összeomlik, 450 ºC-ig a szén-dioxid és hidroxidionok nagy része távozik. A tömegvesztéseket a 10. ábra szemlélteti. 17/97

19 Mg 6 Al 2 (H) 16 (C 3 2- )*4H 2-4H C Mg 6 Al 2 (H) 16 (C 3 2- ) >200 C -C 2-7H 2 Mg 6 Al 2 8 (H - ) ábra Tömegveszteségek a HT termikus kezelése során ºC-ig a bomlás reverzibilis, azaz a vegyesoxid rehidrálásával a kiindulási HT szerkezetet kapjuk vissza. 900 ºC-on irreverzibilisen Mg és MgAl 2 4 keletkezik. A termikus kezelés során fémoxidok keveréke, Mg-Al vegyesoxid keletkezik. A szén-dioxid elvesztése ún. kráterizációt hoz létre, amely jelentősen megnöveli a fajlagos felületet, ennek ellenére a részecskék morfológiája, alakja nem változik. A szén-dioxid a kristály felületén képződött pórusokon keresztül távozik, az interlamelláris erők miatt a rétegek összeomlása nem történik meg. A pórustérfogat kétszeresére nő (0,60 1,05 cm 3 /g). A kráterizáció során jelentős mennyiségű, a Å mérettartományban levő mezopórus keletkezik. A hőkezelt hidrotalcitok rehidrálása A hidrotalcitokat gyakran intelligens anyagoknak is nevezik. A 450 ºC-on történő kalcinálás során kapott vegyesoxid rendelkezik az ún. memóriaeffektus -sal, mely a kezdeti szerkezet visszaalakulását teszi lehetővé. A rehidrálás történhet gázfázisban vízgőzzel telített nitrogénáram segítségével, vagy folyadékfázisban közvetlenül víz hozzáadásával 6,51. A folyamat során a képletnek megfelelő részlegesen cserélt vegyületet kapjuk: ahol: 0,20<x<0,33 [Mg 1-x Al x (H) 2 ] x+ [(H) x (H 2 ) n ] x- A rehidrálás során a Lewis centrumok (a váz oxigénjei) Brønsted centrumokká (hidroxidionokká) alakulnak. A katalitikus tulajdonságok alapján elfogadott, hogy a rehidrált hidrotalcit pk b -értéke 11,4 és 12 között van A hidrotalcitok felhasználása A szerkezetükben lévő jelentős mennyiségű (2-5 mmol/g) könnyen cserélhető anion, a viszonylag nagy fajlagos felület ( m 2 /g) és a bázikus tulajdonság miatt a hidrotalcitokat számos helyen alkalmazhatjuk 53. Leggyakrabban poli-vinil-klorid (PVC) stabilizátoraként, valamint ioncserélőként alkalmazzák speciális szennyvíztisztító technológiákban. Gyakran használják a gyógyászatban savkötőként (antacidként), mivel a gyomor savtartalmát hatékonyan tudja csökkenteni a sósav közömbösítésével. Dreyer és Marwiski kimutatták, hogy a hidrotalcitok hatékonyak a 18/97

20 gyomorfekély kezelésben és savtermelés fokozó hatást alig tudtak kimutatni 54. Vizsgálták a hidrotalcitok gyógyszerhordozóként történő alkalmazhatóságát is. Gyakran használnak különböző hidrotalcitokat katalizátorként is. Bázikus tulajdonságuk révén a hidtotalcitokat gyakran használják báziskatalizált reakciók megvalósítására. Ilyen reakciók például a szén-dioxid epoxidokra történő addíciója 55, aceton önkondenzációja 56, a Michael-reakció 57, vagy az Henry-reakció 58. A hidrotralcitokat hordozóként is használják különböző fémkatalizált reakciókban. Uemura és társai hidrotalcit hordozós palládium(ii)-katalizátort fejlesztettek ki alkoholok levegővel történő oxidációjára 59. A megfelelő aldehideket és ketonokat szelektíven kapták a reakcióban. Ónnal módosított hidrotalcit kiváló katalizátornak bizonyult ketonok Bayer-Villiger oxidációjában hidrogén-peroxid oxidálószert használva 60. A katalizátoron levő ón aktiválja a karbonilcsoportot, amit a peroxid nukleofil támadása követ. Palládium és réz hidrotalcit hordozón aktív és szelektív katalizátornak bizonyult a Sonogashira-reakcióban 61. A réz jelenléte növelte a katalitikus aktivitást, bár a réz nélküli palládiumkatalizátor sem volt teljesen inaktív. Wang és munkatársai hidrotalcit hordozós aranykatalizátor segítségével benzilalkohol oxidálószer nélküli dehidrogénezését valósították meg 62. Számos hordozót kipróbáltak a reakcióban, a legjobb eredményt a hidrotalcit adta. A hordozó felületén levő arany nanorészecskék méretét csökkentve a katalizátor TF értéke is növekedett. 19/97

21 2.4. A magnézium-lantán vegyesoxid A Szerves Kémia és Technológia Tanszék kutatócsoportja éveken át dolgozott együtt a Lyoni Institut de Recherches sur la Catalyse kutatócsoportjával különböző katalizátorok kutatásában, fejlesztésében. A különböző bázikus katalizátorok kutatása során, a hidrotalcitok vizsgálatakor a francia partner számos fémet próbált ki a magnézium mellett azért, hogy a magnézium-oxid felületét megnöveljék. E munka eredményeként találták meg a magnézium-lantán vegyesoxidot (MgLa), melynek előállítása során a legnagyobb probléma az, hogy a magnéziumnál nagyobb három vegyértékű lantániont be lehet-e építeni a Mg(H) 2 brucitszerkezetébe annak lerombolása nélkül. A Mg 2+ effektív ionátmérője 0,72 Å, míg a La 3+ ioné 1,032 Å. A MgLa-t együttlecsapásos módszerrel előállították elő és a terméket különböző analitikai módszerekkel vizsgálták 63. A röntgen pordiffraktogram azt az eredményt adta, hogy a nem kalcinált MgLa három fázisból épül fel, amely hidratált lantán-karbonátot, valamint magnézium- és lantán-hidroxidot tartalmaz (11. ábra). A hidrotalcittal ellentétben az így kapott anyag nem brucit szerkezetű, valószínűleg a lantán-oxid egyszerűen lerakódik a magnézium-oxidra ábra A nem kalcinált MgLa röntgen-pordiffraktogramja A MgLa adszorpciós mikrokalorimetriás mérés alapján erősebb bázis a hidrotalcitnál (12. ábra). A kalcinált MgLa kb. 15 µmol/g C 2 -t képes adszorbeálni >140 kj/mol entalpiával. Auroux és Gervasini 65 szerint a Mg adszorpciójának a kezdeti entalpiaértéke 110 kj/mol, míg a 20/97

22 lantán-oxiddé 140 kj/mol, 13 m 2 /g fajlagos felület mellett. A MgLa a La 2 3 magas bázicitásával rendelkezik, de lényegesen nagyobb fajlagos felülettel (37,6 m 2 /g) ábra Különböző bázikus katalizátorok bázicitásának összehasonlítása adszorpciós mikrokalorimetriával 67 A kalcinált, illetve rehidrált hidrotalcittal összehasonlítva a hidrotalcit széndioxid-adszorbeáló képessége kb. 0,25 mmol/g, állandó adszorpciós hővel (100 kj/mol), ezért MgLa erősebb bázisnak tekinthető, de kevesebb bázikus hellyel rendelkezik. Az anyag kiváló bázikus katalizátornak bizonyult például a Michael-addícióban 67, illetve a Wadsworth-Emmons reakcióban 64. A tanszéki kutatócsoport korábban sikerrel alkalmazta hordozóként heterogén palládiumkatalizátor készítésére a MgLa-t 1-3,6. Ugyanezzel a palládiumkatalizátorral megvalósítottak transzfer hidrogénezési reakciókat is ionos folyadékban /97

23 3. ELMÉLETI RÉSZ 3.1. A Kumada-kapcsolás Bevezetés Az elmúlt évtizedekben nagy jelentőségre tettek szert a különböző keresztkapcsolási reakciók, melyekkel közvetlenül szén-szén kötést lehet kialakítani. Ma már ipari méretben is gyakran alkalmazzák ezeket a módszereket kiváló termelésük és szelektivitásuk miatt. A magnéziumorganikus vegyületek karbonilvegyületekkel történő reakciójával Barbier 69 foglalkozott először és Grignard 70 fejlesztette tovább egy rendkívül fontos szintetikus módszerré, melyet ma már ipari méretben is gyakran alkalmaznak ben a Kumada-Tamao csoport publikálta először a Grignard reagensek kapcsolását homogén, nikkelkomplex katalizálta reakcióban 71. Ezután indult el a kapcsolási reakciók terén az az óriási fejlődés, amely a mai napig is tart (pl. egishi-kapcsolás: , Stille-kapcsolás: , Suzuki-kapcsolás: ). Mivel Kharasch ben már használt fémsókat Grignard-vegyületek kapcsolására - jóval megelőzve ezzel Kumadát - néha szokták a Kumada-kapcsolást Kharasch-reakció, illetve Kharasch-Kumadareakció néven is említeni. Sőt ismert még a Kumada-Corriu 76, illetve Kumada-Tamao-Corriu 77,78 változat is. A nevek sokszínűsége miatt a továbbiakban egyszerűen csak a legelterjedtebb Kumada elnevezést használom. Érdemes azonban tanulmányozni Kharasch 75 munkáját is. Vízmentes fémsók hatását vizsgálta Grignard-reagensek és szerves halogenidek reakciójában. A reakcióra egy érdekes gyökös mechanizmust javasolt (13. ábra), amelyben a fémsó egy redox-reakciót katalizál. Legjobb katalizátornak a kobalt-kloridot találta, de a nikkel-klorid és a vas(iii)-klorid is mutatott aktivitást. Munkám során nikkel-klorid katalizátorral reprodukáltam Kharasch kísérletét, és azt tapasztaltam, hogy valóban nagy mennyiségben keletkeztek nagymolekulás melléktermékek a reakcióban. Így a közvetlenül fémsó-katalizált reakcióban valóban elképzelhető a Kharasch-féle gyökös mechanizmus. Célszerű ezért a Kharasch-típusú reakciót különválasztani a Kumada-kapcsolástól. 1. Kiss, Á; Hell, Z.; Bálint, M.: ickel/magnesium-lanthanum mixed oxide catalyst in the Kumada-coupling rg. Biomol. Chem. 2010, 8, /97

24 MgBr + CoCl 2 CoCl + MgBrCl 2 CoCl + 2 CoCl CoCl + Br CoBrCl Egyéb polimerek 13. ábra CoCl 2 katalizált gyökös kapcsolás Kharasch szerint A Kumada által leírt mechanizmus 71 (14. ábra) a fentivel ellentétben a többi kapcsolási reakcióhoz hasonlóan a katalizátorként alkalmazott fém beékelődését feltételezi. A fém oxidatív addíciójával indul a körfolyamat, az addukt reagál a fémorganikus vegyülettel (ebben az esetben egy Grignard-reagenssel). A reduktív elimináció közben képződik a keresztkapcsolt termék, és regenerálódik a katalizátor. R-R' reduktív elimináció il 2 R'X oxidatív addíció L L i R' R R' L i L X transz/cisz izomerizáció R' L i L R MgX 2 RMgX transzmetallálás 14. ábra A Kumada-reakció mechanizmusa A reakcióban leggyakrabban i katalizátort alkalmaznak, bár szerves jodidok esetén kiválóan alkalmazható a Pd 79, és bizonyos esetekben Fe-komplexek is 80 (15. ábra). Az elmúlt években a vaskatalízis óriási mértékben fejlődött, számos új módszert írtak le /97

25 15. ábra Vas(III)-acetilacetonát A reakció alapvetően homogén katalitikus, ligandumként (L) általában kétfogú i 2+ foszfinkomplexeket alkalmaznak (dppe, dppp, és még számos egyéb foszfinligandum 71, 16. ábra). A foszfinkomplexek egyik előnye, hogy megfelelő királis katalizátor (pl. a dppf származék BPPFA 82, DIP 82, tert-leuphos 83 ) segítségével a reakció sztereoszelektíven is megvalósítható. P P P P dppe dppp H Me Me 2 Fe PPh 3 P P H P PPh 3 BPPFA (-) - DIP (R)-t-Leuphos 16. ábra Akirális és királis foszfin ligandok A foszfinokon kívül gyakran alkalmaznak különböző acetilacetonátokat (Kumada-Corriu kapcsolás) 84 és az angol nyelvű irodalomban pincer komplexként emlegetett vegyületeket 85 is. A reakcióelegyhez adott butadién is ligandumként viselkedhet /97

26 A irodalomban leírtak különböző szilárd hordozós katalizátorokat is: Lipshutz és társai aktív szén (DARC) hordozós i katalizátort fejlesztettek ki 87. A heterogén katalizátor mellett meglehetősen sok (20%) trifenil-foszfint is használtak a reakcióban. Ekvimoláris mennyiségű vízmentes LiBr jelenlétében viszont aril-kloridokkal is jól ment a reakció. Styring és munkatársai egy nikkel-komplexet vittek fel Merrifield gyantára, és ezt használták fel katalizátorként a Kumada-kapcsolásban 77 (17. ábra). A módszerrel az a probléma, hogy a jó termeléshez nagy, legalább háromszoros mennyiségű kiindulási Grignard-reagenst kell alkalmazni. i 17. ábra Merrifield gyantához kötött nikkel komplex Richardson nikkel-acetilacetonát komplexet reagáltatott polimerhez kötött etiléndiaminnal, illetve módosított mezopórusos szílicium-dioxiddal 88. A tanszéki kutatócsoport által az elmúlt években kifejlesztett magnézium-lantán vegyesoxid hordozós palládiumkatalizátor kiválónak bizonyult a Suzuki-, Heck-, illetve a Sonogashirareakciókban 1-3. E munka folytatásaként vizsgáltam heterogén katalizátorok alkalmazhatóságát a Kumada-kapcsolásban. Kipróbáltam különböző fémeket, illetve hordozókat az általunk választott modellreakcióban Szilárd hordozós fémkatalizátor kifejlesztése a Kumada-kapcsoláshoz Grignard-reagensek kapcsolása halogenidekkel bizonyos esetekben katalizátor nélkül is végbemegy nukleofil szubsztitúciós mechanizmussal 89. Ahhoz azonban, hogy megfelelő termelést tudjunk elérni, olyan aktivált halogenidekre van szükségünk, mint az allil-bromid, vagy a benzilbromid. Alkil-halogeniddel már meglehetősen rosszul megy a reakció, és a reaktivitás jelentősen csökken a vinil-, illetve az aril-halogenidek irányába. Ezeknek a dezaktivált halogenideknek a kapcsolására jó módszer Kumada eljárása. Ezért munkám során aril-magnézium-halogenidek (1) és aril-halogenidek (2) kapcsolását vizsgáltam. Egyszerűen elemezhető modellreakcióként a fenilmagnézium-bromid (1a) brómbenzollal (2a) való reakcióját választottam (18. ábra). 25/97

27 MgBr + Br katalizátor reflux, dietiléter 1a 2a 3a 18. ábra Munkám első részeként különböző fémsókkal impregnált katalizátorokat állítottam elő. Az irodalomban leírt reakciókban leggyakrabban használt három fémen (i, Pd, Fe) kívül kipróbáltam más átmeneti fémet is, főleg olyanokat, amelyeket Kharasch is vizsgált munkája során. Hordozóként a kutatócsoportban korábban használt, kereskedelmi forgalomban is kapható magnézium-alumínium 2:1 hidrotalcitot (HT 2:1), a magnézium-alumínium 3:1 hidrotalcitot (HT 3:1), a magnézium-lantán 3:1 vegyesoxidot (MgLa), illetve a 4 Å-os molekulaszitát (MS-4A, 4A) használtam (2. táblázat). 2. táblázat A fém kiválasztása a Sor Katalizátor b Termelés(%) c i 2+ -MgLa 86 d 3 i 2+ -HT 2: i 2+ -4A 66 5 Co 2+ -HT 2: Pd 2+ -MgLa 30 7 Pd 0 -MgLa e 26 8 Cu 2+ -MgLa 30 9 Cu 2+ -HT 2: Cu 0 -HT 2:1 e Fe 3+ -HT 2:1 <5 f 12 Fe 3+ -HT 3:1 <5 f 13 Fe 3+ -4A <5 f a10 mmol fenil-magnézium-bromid (1a), 10 mmol brómbenzol (2a), 0,2 g katalizátor, 10 ml dietil-éter, 35 C, 6 h. baz összes katalizátor a megfelelő fémsóval történő impregnálással készült, lásd 4.1. fejezet. cizolált termelés, a termék tisztaságát GC-MS segítségével ellenőriztem. ddietil-éter helyett tetrahidrofuránt (THF) használva a termelés nem változik. ehidrazinos redukcióval készül a megfelelő oxidált állapotú katalizátorból, lásd 4.1. fejezet. ffőtermék: 15% 1,1-difenil-etanol (4, 19. ábra). A táblázatból látható, hogy a legjobb eredmény valóban a nikkellel érhető el, de a hordozónak is meglehetősen nagy jelentősége van. A i 2+ -MgLa-t használva 86 %-os termelés érhető el (2. táblázat, 2. sor), míg a HT 2:1-el csupán 72 % (2. táblázat, 3. sor). A nikkelen kívül még a kobalt jöhet szóba, mint katalizátor, közel 50%-os termeléssel (2. táblázat, 5. sor). Érdekes módon 26/97

28 palládiumot használva alig kaptam jobb eredményt (2. táblázat, 6-7. sorok), mint a kontrollreakcióban, ahol egyáltalán nem használtam katalizátort (2. táblázat, 1. sor). Hasonlóan a rézkatalizátorok sem mutattak aktivitást (2. táblázat, sorok), pedig rezet is alkalmaztak hasonló reakcióban 90. Vaskatalizátort használva viszont csupán egy érdekes mellékterméket, az 1,1-difenil-etanolt (4) kaptam kis mennyiségben (2. táblázat, sorok; 19. ábra), ami valószínűleg az oldószerként használt dietil-éterből keletkezhetett gyökös mellékreakcióban. H ábra 1,1-difenil-etanol A legjobb fém kiválasztása után a hordozót is optimáltam (3. táblázat). 3. táblázat A hordozó optimálása a Sor Katalizátor b Termelés(%) c vízmentes icl 2 d 3 i 2+ -MgLa 86 4 i 2+ -HT 2: i 2+ -HT 2:1 (kalcinált) 26 6 i 2+ -4A 66 7 i 2+ -Mg 67 8 i 2+ -La MgLa 18 a10 mmol fenil-magnézium-bromid (1a), 10 mmol brómbenzol (2a), 0,2 g katalizátor, 10 ml dietil-éter, 35 C, 6 h. baz összes katalizátor a megfelelő hordozó icl 2-dal történő impregnálásával készült, lásd 4.1. fejezet. cizolált termelés, a termék tisztaságát GC-MS segítségével ellenőriztem. d4 % fém (Kharasch módszere). 67 Második kontrollreakcióként a vízmentes icl 2 -t is kipróbáltam (3. táblázat, 2. sor). Kharasch közleményének megfelelően tömegre 72%-ot kaptam. A termék kromatográfiás elemzése alapján viszont, a szennyezőket is figyelembe véve a termelés körülbelül 67%. Ezzel a módszerrel gyakorlatilag ugyanazt az eredményt lehet elérni, mint a többi hordozóra felvitt nikkelkatalizátor segítségével (3. táblázat, 6-8. sorok). Az impregnálás után kalcinált i 2+ -HT 2:1 aktivitása 27/97

29 drasztikusan csökken a reakcióban (3. táblázat, 5. sor). Legjobbnak továbbra is a MgLa vegyesoxid bizonyult, ezért megvizsgáltam külön a magnézium-oxid, illetve a lantán-oxid hordozót is, de ezekkel sem sikerült a vegyesoxid aktivitását elérnem (3. táblázat, 7-8. sorok). A nikkel nélküli MgLa hordozó nem aktív katalizátor, gyakorlatilag ugyanazt az eredményt adta, mint a kontrollreakció (3. táblázat, 9. sor). Az eredmények alapján a további kísérletekben a i 2+ -MgLa katalizátort használtam. A katalizátorok előállítása a kísérleti részben, a i 2+ -MgLa jellemzése a 3.5. fejezetben található A reakciókörülmények optimálása A legjobb katalizátor kiválasztása után a reakciókörülmények változtatásával optimáltam a kapcsolási módszert. A fémmennyiség csökkentése A nikkel és más fémek komoly környezeti veszélyt jelentenek, nem beszélve a termék fémszennyezéséről, amely nagy probléma lehet például a gyógyszeriparban, ahol rendkívül szigorú szabályok írják elő a termékben visszamaradó fémmennyiség határértékét. Ezért megpróbáltam a lehetőségek szerint csökkenteni a katalizátor fémtartalmát (4. táblázat). Ebben az esetben is a korábban vizsgált modellreakcióban teszteltem a katalizátorokat. A táblázatban látható alacsonyabb konverzióértékeknél a termék mellett minden esetben a reagálatlan kiindulási anyagok voltak jelen. 4. táblázat A fémmennyiség csökkentése a Sor Katalizátor b a katalizátoron Fémkoncentráció (mmol/g) Katalizátor mennyiség (g) Fém- mennyiség (mol %) Konverzió c 1 i 2+ -MgLa 0,8 0,2 1, i 2+ -MgLa/2 0,4 0,2 0, i 2+ -MgLa/10 0,08 0,2 0,16 88 d 4 i 2+ -MgLa/10 0,08 0,1 0,08 42 d 5 i 2+ -MgLa/20 0,04 0,2 0, i 2+ -MgLa/50 0,016 0,2 0, i 2+ -MgLa/50 0,016 0,4 0, a10 mmol fenil-magnézium-bromid (1a), 10 mmol brómbenzol (2a), 0,2 g katalizátor, 10 ml dietil-éter, 35 C, 6 h. baz összes katalizátor a megfelelő mennyiségű MgLa hordozó icl 2-dal történő impregnálásával készült, lásd 4.1. fejezet. cgc-ms alapján. d12 h reakcióidő után sem változott. (%) Az irodalomban leírt 0,3 71 és 3 85 % közötti nikkelmennyiséget a brómbenzol (2a) és a fenilmagnézium-bromid (1a) reakciójában sikerült levinni 0,16 %-ra (4. táblázat, 3. sor), amely jelentős 28/97

30 lépés, főleg ha figyelembe vesszük, hogy a hordozós szilárd katalizátor a reakció végén kiszűrhető az elegyből. A termék fémtartalmát röntgen-fluoreszcencia spektroszkópia segítségével vizsgáltuk. A nikkel nem volt kimutatható a termékben. 0,16 mol % nikkel alatt elérjük a platót, ami azt jelenti, hogy csökkentve a katalizátor és/vagy a nikkel mennyiségét, a konverzió is csökken. A reakcióidő optimálása A brómbenzol (2a) és a fenil-magnézium-bromid (1a) reakciójából meghatározott időközönként mintát véve megállapítható, hogy a reakcióban a i 2+ -MgLa katalizátor jelenlétében az előkísérletekben alkalmazott 6 óra helyett már 3 óra után elérhető a bifenil (3a) maximális konverziója (10 mmol fenil-magnézium-bromid (1a), 10 mmol brómbenzol (2a), 0,2 g i 2+ -MgLa katalizátor, 10 ml dietil-éter, 35 C; 20. ábra). Reakcióidő optimálás Konverzió (%) Reakcióidő (h) 20. ábra A reakcióidő optimálása A halogén minőségének hatása A kapcsoló halogenid (2) minősége nagymértékben befolyásolja a reaktivitást. A különböző halogénbenzolok (2) és a fenil-magnézium-halogenidek (1) reakcióját vizsgáltam i 2+ -MgLa jelenlétében (5. táblázat). MgX + Y i 2+ -MgLa dietiléter, reflux ábra 29/97

31 5. táblázat A halogén minőségének a hatása a Sor X Y Konverzió (%) b 1 Br (1a) Cl (2b) 50 (51) c 2 Br (1a) Br (2a) 86 3 Br (1a) I (2c) 99 4 I (1b) I (2c) 94 a10 mmol fenil-magnézium-halogenid, 10 mmol halogénbenzol, 0,2 g i 2+ - MgLa katalizátor, 10 ml dietil-éter, 35 C, 3 h. bgc-ms alapján. c18 h reakcióidő után. A táblázatból látható, hogy a halogenidek általános reaktivitásának megfelelően a klór, bróm, jód irányban nő a konverzió. Fenil-magnézium-bromid (1a) és jódbenzol (2c) reakciójában gyakorlatilag kvantitatívan megy a reakció. A brómbenzol (2a) is jó eredményt adott, míg a klórbenzol (2b) reaktivitása közepes és a reakcióidőt megnövelve sem javul a konverzió. A keresztkapcsolás vizsgálata A homokapcsolás és a reakciókörülmények optimálása után megvizsgáltam a Grignardvegyületek és aril-halogenidek (2) keresztkapcsolását is (22. ábra). R 1 Br Mg dietiléter, reflux i 2+ -MgLa MgBr R dietiléter, reflux R 1 1 R 2 Br 5 R ábra A modellreakcióként választott fenil-magnézium-bromid (1a) és 4-bróm-toluol (2d) reakciójában a keresztkapcsolt 4-metil-bifenilt (3b) 61%-os izolált termeléssel kaptam. A várt termék mellett mind a bifenil (3a), mind pedig a p,p'-bitolil (3c) jelentős mennyiségben volt jelen a nyerstermékben. Ismeretes, hogy még a kereskedelmi forgalomban kapható Grignard-oldatok is tartalmaznak néhány százalék homokapcsolt terméket, amely a Grignard-reakció beindulásakor gyökös reakcióban keletkezik, esetünkben ezzel magyarázható a bifenil keletkezése. Az ennek megfelelő mennyiségű magnézium reagál el, amennyiben a reagenseket ekvivalens mennyiségben mérjük össze. A kapcsolókomponens (2) hozzáadása után a magnézium ezzel reagálva is képez Grignard-reagenst, amely a másik mellékterméket - ebben az esetben a p,p'-bitolilt (3c) - eredményezi, körülbelül 4-6% mennyiségben. Célszerűnek találtam megvizsgálni a bemérési mólarányokat. Amikor az (5a) aril-bromid : magnézium arányt 1,3 : 1,15 -re változtattam, a p,p'- bitolil (3c) melléktermék egyáltalán nem keletkezett, és 86%-os izolált termeléssel kaptam a kívánt keresztkapcsolt terméket (4-metil-bifenil, 3b). 30/97

32 Ezzel a módosított módszerrel számos származékot állítottam elő, az eredményeket a 6. táblázatban foglaltam össze. 6. táblázat A keresztkapcsolás eredményei a 3 R 1 R 2 Termelés (%) b b H p-me 86 d H o-me 73 e H m-me 81 f H p-me 83 g H o-cf 3 23 h H m-cf 3 78 i H p-cf 3 84 j p-me o-cf 3 25 k p-me m-cf 3 69 l p-me p-cf 3 29 m p-me p-me 55 m p-me p-me 11 a13 mmol R 1-aril-bromid (5), 11,5 mmol magnézium, 10 mmol R 2-aril-bromid (2), 0,2 g i 2+ - MgLa katalizátor, 10 ml dietil-éter, 35 C, 3 h. bizolált termelés, a termék tisztaságát GC-MS segítségével ellenőriztem. A nyerstermék kb. 15 % R 1-R 1 mellékterméket tartalmazott. Jól látható, hogy fenil-magnézium-bromid (1a) esetén a kapcsolás mindig jó eredményt adott (6. táblázat, 3b,d-i), kivéve az o-trifluorometil-brómbenzolt (6. táblázat, 3g), amely mindegyik reakcióban gyenge termelést adott. Amennyiben a Grignard-reagenst p-bróm-toluolból (5b) készítettem (6. táblázat, 3j-l), gyengébb eredményeket értem el, mint a szubsztituálatlan brómbenzol (5a) esetén. A p-bróm-anizolból (5c) készített Grignard-reagens még ennél is rosszabb termelést adott (6. táblázat, 3m), viszont kapcsolókomponensként (2e) használva elfogadható termeléssel keletkezett a kívánt bifenilszármazék (6. táblázat, 3m). Ennek oka az lehet, hogy a p-bróm-anizol (5c) esetén a Grignard-reakció nem volt teljes, feltehetően a metoxicsoport komplexáló hatása miatt. Összességében a kísérleti eredmények alapján elmondható, hogy ha keresztkapcsolt terméket akarunk előállítani, érdemes meggondolni, hogy melyik aril-halogenidből készítjük el az (1) Grignard-reagenst és melyiket használjuk inkább kapcsolókomponensként (2) A katalizátor visszaforgathatósága A heterogén katalizátorok előnyei közé tartozik, hogy általában könnyen visszaforgathatók, gyakran akár regenerálás nélkül is. Vizsgáltam a i 2+ -MgLa katalizátor visszaforgathatóságát fenil-magnézium-bromid (1a) és 4-brómtoluol (2d) reakciójában. A első reakcióban 86% volt a termelés. A reakció végén toluol hozzáadásával a katalizátor könnyen kiszűrhető. A 31/97

33 szükségszerűen keletkező MgBr 2 mellékterméknek kb. 15%-a a katalizátorral együtt kiszűrődik, a többi oldatban marad magnézium-bromid-éterát komplex formájában. A kiszűrt katalizátort e ballasztanyaggal együtt szárítottam, majd újra felhasználtam. A második körben 70%-os termeléssel kaptam a terméket. Amennyiben a kiszűrt katalizátorról vízzel lemostam a sót, a termelés 58%-ra esett vissza. Összefoglalásként elmondható, hogy a Kumada-Corriu kapcsolásban a vizsgált fémeket tartalmazó katalizátorok közül a i 2+ -MgLa bizonyult a legjobbnak. A katalizátor kiválóan alkalmazható szén-szén kötés kialakítására Grignard-vegyületekből és aril-halogenidekből (2) kiindulva. A szükséges fémmennyiséget a lehetőségek szerint csökkentettem, így 0,16% nikkel is elegendőnek bizonyult a jó konverzió eléréséhez. A különböző halogénbenzolok (2) reaktivitása a várakozásoknak megfelelő volt. A homogén katalizátorokkal ellentétben sem a fém, sem pedig ligandum nem szennyezi a terméket. A katalizátor visszaforgatható, bár aktivitása jelentős mértékben csökken. 32/97

34 3.2. Az A 3 (alkin-aldehid-amin) kapcsolás Bevezetés A közelmúltban a palládium- és egyéb nemesfém-katalizált keresztkapcsolási reakciók mellett számos más fémkatalizált módszer is előtérbe került. Ezek a módszerek a laboratóriumi vegyészek mellett az ipar számára is egyre inkább felértékelődnek. A propargilaminok nagyon fontos szintonok különböző szerves vegyületek, különösképpen a nitrogénheterociklusok előállításában, illetve számos képviselőjük biológiailag aktív vegyület, gyógyszerként van forgalomban 91. Vannak köztük muszkarinos acetilkolin receptor agonisták, illetve antagonisták (például az oxotremorin és az oxybutynin, 23. ábra) 92, illetve MA-B inhibítorok 93 is. H xotremorin xybutynin 23. ábra A muszkarinos acetilkolin receptor agonista oxotremorin és antagonista oxybutynin A propargilaminokat általában propargil-halogenidek, -foszfátok, vagy triflátok aminálásaval állítják elő 94. Egy másik lehetséges út a lítium-acetilidek, vagy Grignardvegyületek iminekkel és származékaikkal történő reakciója 95,96, bár ezek a módszerek mindig ekvimoláris mennyiségű fémorganikus reagenst és speciális reakciókörülményeket igényelnek. Szükséges továbbá különböző védőcsoportok felvitele az érzékeny funkciós csoportokra, például az aldehidekre. A szerves kémiai szintézisekben az egyik legnagyobb kihívást a komplex molekulák hatékony előállítása jelenti könnyen hozzáférhető alapanyagokból. Különösen érdekesek azon reakciók, amelyekben különböző molekulákat kapcsolnak össze egyetlen lépésben. Az elmúlt évtizedben divatossá váltak az ún. többkomponensű reakciók (multicomponent reaction, MCR) 97, amelyek egyik új képviselője az A 3 -reakció. Ebben terminális acetilénekből (A), aldehidekből (A) és szekunder aminokból (A) kiindulva propargilaminokat állíthatunk elő (A 3 -kapcsolás 98, esetenként acetilén-mannich reakció 99 ). A módszerrel először maga Mannich foglalkozott 100, a réz hozzáadását katalizátorként elsőként Marszak írta le 1951-be 101. Az ezt követő 50 évben a módszerrel csupán szabadalmakban találkozhattunk 102, az érdeklődés középpontjába igazán csak az elmúlt években került. 2. Fodor, A.; Kiss, Á.; Debreczeni,.; Hell, Z.; Gresits, I.: A simple method for the preparation of propargylamines using molecular sieve modified with copper(ii) rg. Biomol. Chem. 2010, 8, /97

35 Azóta számos új katalizátor és módszer látott napvilágot, amelyek különböző átmeneti fémeket alkalmaznak a terminális acetilén C-H kötésének aktiválására, például vasat 103, kobaltot 104, nikkelt 105, rezet 106, cinket 107, ruténiumot 108, ezüstöt 109, indiumot 110, irídiumot 111, vagy aranyat 112. A leírt eljárások általában homogén katalitikus reakciók voltak. A reakció mechanizmusát tekintve meglehetősen egyszerű, az amin először az aldehiddel reagál, majd az így képződött köztitermék reagál a fém által aktivált acetilénnel. A 24. ábrán a reakció általános egyenlete látható. R H + R' + H H R'' R''' katalizátor R R'' R' R''' 24. ábra A homogén katalízis több problémát is felvet. A katalizátor sokszor drága nemesfém, nem forgatható vissza, elválasztása a reakcióelegytől is nehézkes, így legtöbbször megjelenik a termékben szennyezőként. Ezért különböző módszereket dolgoztak ki a reakció heterogén katalitikus megvalósítására. éhány érdekes heterogén katalizátor az A 3 -reakcióhoz: Réz-acetilid és bizmut-oxid magnézium-szilikát, illetve szilíciumdioxid hordozón 102 (a katalizátorok elkészítése meglehetősen bonyolult), Réz(II)-hidroxiapatit 113, Ezüst-volframfoszforsav (AgTPA) 114, Szilikagél hordozóra felvitt CuCl 115, Cu(I) USY-zeolit 116, Si 2 hordozóra felvitt (-heterociklusos karbén)-cu(i) katalizátor 117 (25. ábra), 25. ábra Si 2 hordozóra felvitt (-heterociklusos karbén)-cu(i) katalizátor és Y zeolit hordozóra felvitt nikkel(ii) 105. Ezeknek a módszereknek a legnagyobb hátránya a katalizátor magas ára 114,117, a bonyolult előállítás 102,114,115,117, illetve a réz(i) vegyületek érzékenysége 115,116, /97

36 A tanszéki kutatócsoportban célul tűztük ki egy olcsó és egyszerűen alkalmazható módszer kifejlesztését az A 3 -reakcióhoz A katalizátor kiválasztása az A 3 -reakcióhoz Katalizátorként elsőként a leggyakrabban használt rezet vizsgáltam, munkámat az optimális hordozó kiválasztásával kezdtem. A következő hordozókat vizsgáltam: 4 Å molekulaszita (4A), magnézium-alumínium 2:1 hidrotalcit (HT 2:1), illetve magnézium-lantán 3:1 vegyesoxid (MgLa). A hordozókat réz-kloriddal impregnáltam ioncserélt vízben 12 órán keresztül. Tesztreakcióként a fenilacetilén (6a), paraformaldehid (7a), és morfolin (8a) reakcióját választottam (26. ábra). A katalizátorok fémtartalma 0,85 mmol/g (Cu 2+ -4A), 0,67 mmol/g (Cu 2+ -HT 2:1) és 0,77 mmol/g (Cu 2+ -MgLa) volt. A reakciókat szobahőmérsékleten, oldószer nélkül végeztem. Az eredményeket a 7. táblázatban foglaltam össze. + CH 2 + H + 6a 7a 8a 9a 26. ábra H 10a 7. táblázat Katalizátor kiválasztása az A 3 -kapcsoláshoz a Sor Katalizátor b Reakcióidő (h) Termelés c (%) (11) d 2 Cu 2+ -4A Cu 2+ -4A Cu 2+ -4A e Cu 2+ -4A/5 f Cu 2+ -HT 2: (26) d 7 Cu 2+ -MgLa (42) d a6 mmol fenilacetilén (6a), 5 mmol paraformaldehid (7a), 5 mmol morfolin (8a), 0,5 g katalizátor, oldószer nélkül, szobahőmérséklet, 24 h. baz összes katalizátor a megfelelő hordozó CuCl 2-dal történő impregnálásával készült, lásd 4.1. fejezet. c Izolált termelés, a termék tisztaságát GC-MS segítségével ellenőriztem. dzárójelben a hidroximetil-morfolin intermedier (10a) mennyisége található. ea reakciót 0,2 g katalizátorral végeztem. fa Cu 2+ -4A/5 katalizátor a CuCl 2 mennyiségének ötödére csökkentésével készült, lásd 4.1. fejezet. A 7. táblázatban látható eredmények alapján egyértelműen a rézzel módosított 4Å molekulaszita a leghatékonyabb katalizátor a reakcióban (7. táblázat, 2-5. sorok). A Cu 2+ -MgLa és a Cu 2+ -HT 2:1 esetében a termelés rossz volt, mindössze a reakció intermedierjét, a 35/97

37 hidroximetil-morfolint (10a) sikerült kinyerni az elegyből közepes, illetve gyenge termeléssel (7. táblázat, 6-7. sorok). Amennyiben még molekulaszitát sem használunk, a reakció egyáltalán nem megy végbe, csupán a hidroximetil-morfolin (10a) keletkezik gyenge termeléssel (7. táblázat, 1. sor). Ezt követően a reakció katalizálására alkalmas egyéb fémeket is teszteltem a kiválasztott hordozón a modellreakcióban, 24 órás reakcióidővel (8. táblázat). A fémek többségét leírták katalizátorként ebben a reakcióban (Ag + 109, i , Co , Fe ). 8. táblázat A megfelelő fém kiválasztása az A 3 -kapcsoláshoz a Sor Katalizátor b Konverzió c,d 1-0 (11) 2 Cu 2+ -4A 92 3 Fe 3+ -4A 72 (23) 4 Pd 2+ -4A 58 (28) 5 Co 2+ -4A 40 (18) 6 Mn 2+ -4A 32 (32) 7 MS-4A 29 (27) 8 i 2+ -4A 27 (17) 9 Cr 3+ -4A 21 (20) 10 Ag + -4A 14 (19) a6 mmol fenilacetilén (6a), 5 mmol paraformaldehid (7a), 5 mmol morfolin (8a), 0,5 g katalizátor, oldószer nélkül, szobahőmérséklet, 24 h. baz összes katalizátor az MS-4A fémsóval történő impregnálásával készült, lásd 4.1. fejezet. ckonverzió GC-MS alapján. dzárójelben a hidroximetil-morfolin intermedier (10a) mennyisége található. A legjobb eredményt ebben az esetben is a Cu 2+ -4A segítségével sikerült elérnem (8. táblázat, 2. sor), bár a Fe 3+ -4A katalizátor (8. táblázat, 3. sor) is jó termelést adott. A Pd 2+ -4A és a Co 2+ -4A segítségével közepes termelést kaptam (8. táblázat, 4-5. sorok). Jól látható, hogy a jó vízmegkötő képességű MS-4A jelenlétében is megy a reakció, bár a termelés elég gyengének mondható (8. táblázat, 7. sor). A i 2+ -4A, a Cr 3+ -4A és az Ag + -4A még a tiszta hordozónál is rosszabb eredményt adott (8. táblázat, sorok), ami annak tudható be, hogy a hordozó felületén levő kisméretű nátriumionokat nagyobb méretű fémionokra cserélve a pórusméret és ezáltal a vízmegkötő képesség is csökken. A táblázat eredményei alapján a Fe 3+ -4A és a Cu 2+ -4A katalizátorok használatával sikerült elfogadható eredményt elérnem, további kísérleteimben a legjobbnak bizonyult Cu 2+ -4A katalizátort használtam. Bár a réz lényegesen mérgezőbb a vasnál, a két fém között tapasztalható aktivitáskülönbség elég jelentős. Amennyiben a réz toxicitása kizáró tényező lenne, például gyógyszeripari technológiákban, természetesen a vas is jó alternatíva lehet. 36/97

38 A katalizátorok előállítása a kísérleti részben, a Cu 2+ -4A jellemzése a 3.5. fejezetben található A reakciókörülmények optimálása A 7. táblázat alapján az optimális reakcióidő is meghatározható, hiszen a Cu 2+ -4A katalizátorral 14 óra alatt csupán 56%-os, míg 24 óra alatt 92%-os termelést érhetünk el, így a továbbiakban a reakciót 24 óráig végeztük. Az 9. táblázatban Cu 2+ -4A katalizátorral megvalósított kapcsolások eredményeit foglaltam össze. Minden esetben 5 mmol szekunder amint (8), 5 mmol aldehidet (7) reagáltattam 6 mmol acetilénnel (6) 0,5 g Cu 2+ -4A katalizátor jelenlétében, 24 órán keresztül (27. ábra). A körülmények módosításával próbáltam optimálni a reakciót különböző acetilének (6), aldehidek (7), illetve aminok (8) esetén. R'' R'' Cu R''' 2+ -4A R H + R' + H R H R''' R' ábra 9. táblázat A 3 -kapcsolás Cu 2+ -4A jelenlétében a 9 Alkin Aldehid Amin Termelés b b CH2 H 96 c CH2 H 93 a CH2 H 92 d CH2 H 76 e CH2 H 72 f CH2 H 70 H g CH h CH2 H 1 c,d 37/97

39 9. táblázat Folytatás i CH2 H 2 7 d j H 98 k CH2 H 2 d (27) e l CH2 H 4 d m CH2 H - f n CH2 H - f o H CH2 H -(94 g ) p CH H 99 g q CH H 1 e,h r CH H 3 e,h s Cl CH H 10 e,h a6 mmol acetilén (6), 5 mmol aldehid (7), 5 mmol amin (8), 0,5 g Cu 2+ -4A katalizátor, oldószer nélkül, szobahőmérséklet, 24 h. bizolált termelés, a termék tisztaságát GC-MS és 1 H MR segítségével ellenőriztem. c60 C-on. dkonverzió GC-MS alapján. e2 ml acetonitrilben, 82 C. fa 3 -kapcsolás helyett az amin (8) az acetilén (6c) C C kötésére addícionált (lásd szöveg). g2 ml toluolban, 110 C. hkonverzió 1 H MR alapján. Általánosan elmondható, hogy a fenilacetilén (6a), formaldehid (7a) és szekunder aminok (8a-f) 24 óra alatt, szobahőmérsékleten, oldószer nélkül, Cu 2+ -4A katalizátor jelenlétében kiváló termeléssel adták a várt kapcsolt termékeket (9a-f). A primer n-butilamin (8g) lényegesen rosszabb termelést adott (9. táblázat, 9g). Aromás aminok (8h-i) nem adták a várt terméket (9. táblázat, 9h-i). Difenil-amin (8h) esetén a reakciót az 54 C-os olvadáspont miatt 60 C-on végeztük. Az anilin (8i) reakciójában a főtermék az -metilén-anilin (11) volt, 38/97

40 amely az -hidroximetil-anilinból (10b) keletkezik vízvesztéssel (28. ábra). Butiraldehid (7b) esetén a terméket kvantitatív termeléssel kaptuk meg (9. táblázat, 9j). Az alifás 1-heptin (6b) nem reagált oldószermentes körülmények között szobahőmérsékleten, valószínűleg a reakcióelegy magas viszkozitása miatt (9. táblázat, 9k-l), oldószerként acetonitrilt alkalmazva 117 ugyanakkor a megfelelő propargilamint közepes termeléssel kaptuk (9. táblázat, 9k). Az acetilénkarbonsav-metilészter (6c) hevesen reagált mind morfolinnal (8a), mind pedig dibutilaminnal (8b). Az 1 H MR (jelek 4,70 és 7,35 ppm-nél) és az MS spektrumok igazolták a termékként kapott metil-(e)-3-(4-morfolinil)-prop-2-enoát (12) és a metil-(e)-3- (,-dibutilamino)-prop-2-enoát (13) szerkezetét. Tehát a kívánt propargilamin helyett az amin (8) az acetilén (6) C C kötésére addícionált polimerszerű melléktermékek keletkezése mellett (28. ábra) ábra Ez a fajta addíció ismert az irodalomban 118, minden esetben az E addukt keletkezik katalizátor nélkül is. Alacsonyabb hőmérsékleten a polimerszerű melléktermékek keletkezését háttérbe lehet szorítani. A meparfinol (3-metilpent-1-in-3-ol) (6d) nem adta a kívánt terméket szobahőmérsékleten, viszont toluolban reflux hőmérsékleten a kívánt kapcsolt terméket kiváló termeléssel sikerült kinyerni (9. táblázat, 9o). A transz-fahéjaldehid (7c) ugyanilyen körülmények között kvantitatív termeléssel adta a megfelelő propargilamin-származékot (9. táblázat, 9p). Az aromás aldehidek reaktivitása Az aromás aldehidek, például a veratrumaldehid (7d), a 3,4,5-trimetoxibenzaldehid (7e), vagy a p-klórbenzadehid (7f) acetonitrilben, szobahőmérsékleten nem adták a megfelelő propargilaminokat, vagy csak nagyon gyenge termeléssel. A kiindulási aldehidek minden esetben visszanyerhetőek voltak a reakcióelegyből (9. táblázat, 9q-s). Ezt követően a reakciókörülmények változtatásával megpróbáltam optimális módszert kifejleszteni az aromás aldehidekből kiinduló A 3 -kapcsolásra (29. ábra; 10. táblázat). Modellreakcióként a p- klórbenzaldehid (7f), fenilacetilén (6a) és morfolin (8a) reakcióját választottam. 39/97

41 + Cl + H H Cu 2+ -4A 6a 7f 8a 29. ábra 10. táblázat A reakciókörülmények hatása a p-klórbenzaldehid (7f) reakciójára a Sor ldószer Hőmérséklet ( C) Mólarány b Konverzió c,d (%) 1 acetonitril 25 1,2 : 1 10 c 2 acetonitril 60 1,2 : 1 60 c,d 3 acetonitril 80 1,2 : 1 78 c,d 4 toluol 110 1,2 : 1 89 d 5 toluol 110 1,5 : 1 96 d amegfelelő mennyiségű fenilacetilén (6a), 5 mmol p-klórbenzaldehid (7f), 5 mmol morfolin (8a), 0,5 g Cu 2+ -4A katalizátor, 2 ml oldószer, 15 h. bfenilacetilén - aldehid mólarány. c 1 H MR alapján. dgc-ms alapján. 9s Cl Acetonitrilben 60 C-on 60%-os, 80 C-on 78%-os termeléssel keletkezett a várt propargilamin-származék (10. táblázat, 2-3. sorok; 9s), viszont a hőmérséklet emelésével a melléktermékként keletkező fenilacetilén dimer (1,3-difenil-but-1,3-diin; 14; 30. ábra) mennyisége is jelentősen megnövekedett. A 14 dimer Glaser típusú önkapcsolási reakcióban keletkezik ábra Az acetonitrilt toluolra cserélve 110 C-on a termelés 89%-ra nőtt, emellett a propargilamin (9s) / Glaser-dimer (14) arány is jelentősen javult (10. táblázat, 4. sor). A Glaser típusú mellékreakció jelentős mértékben fogyasztja a fenilacetilént (6a), így a reakcióelegyben reagálatlan aldehid (7f) marad vissza. Ezért a fenilacetilén (6a) feleslegét 20 mol%-ról 50 mol%-ra növeltem (10. táblázat, 5. sor), így a reakció közel kvantitatívan lejátszódott. Ezzel a legjobb módszerrel az A 3 -kapcsolást több aromás aldehiddel (7f-l) is kipróbáltam (31. ábra), az eredményeket a 11. táblázatban foglaltam össze. 40/97

42 1,5 mol + + H R H Cu 2+ -4A toluol, 110 C R 6a 7f-l 8a 9s-y 31. ábra 11. táblázat Aromás aldehidek (7f-l) A 3 -kapcsolása fenilacetilénnel és morfolinnal a 9 Aldehid Termelés b (%) t 2 CH 99 s Cl CH 96 u CH 90 v CH 89 w CH 70 x CH 70 y CH 54 H a7,5 mmol fenilacetilén (6a), 5 mmol aromás aldehid (7f-l), 5 mmol morfolin (8a), 0,5 g Cu 2+ -4A katalizátor, 2 ml toluol, 110 C, 15 h. bizolált termelések, a termék tisztaságát GC-MS és 1 H MR segítségével ellenőriztem. A 11. táblázatból látható, hogy az aromás aldehidekre optimált módszerrel jó termeléseket lehet elérni különböző szubsztituensek esetén (9s-y) is. Ketonok reaktivitása Bár az A 3 -kapcsolást ezidáig mindössze aldehidekkel (7) írták le, érdekesnek tűnt megvizsgálni különböző ketonok (15) (például aceton, 15a; acetofenon, 15b) reaktivitását is. Ebben az esetben az A 3 -típusú reakció helyett a fenilacetilén (6a) Glaser-típusú önkapcsolása ment végbe, termékként kizárólag az 1,3-difenil-but-1,3-diint (14) kaptam, azt viszont aceton (15a) esetén jó termeléssel (32. ábra; 12. táblázat). 41/97

43 R + + R H 6a 15 8a ábra 12. táblázat Az A 3 -kapcsolás vizsgálata ketonokkal Cu 2+ -4A katalizátor jelenlétében a Sor Keton Termelés (%) b a6 mmol fenilacetilén (6a), 5 mmol morfolin (8a), 0,5 g Cu 2+ -4A katalizátor, 2 ml aceton, szobahőmérséklet, 24 h. b1,3-difenil-but-1,3-diin (14), izolált termelés. Az aceton és az acetofenon közötti különbséget a termelésben esetleg az okozhatja, hogy a keton komplexet képezhet a jelen levő rézionokkal, és az acetofenon esetén az aromás gyűrű sztérikus hatása miatt a komplexben a réz kevésbé hozzáférhető, így a hatását kevésbé tudja kifejteni. Glaser eredetileg ammónium-kloridot és Cu(I)-sókat használt katalizátorként levegő jelenlétében 119. Amennyiben fenilacetilént (6a) reagáltatunk ammónium-klorid, aceton (15a) és Cu 2+ -4A jelenlétében, az 1,3-difenil-but-1,3-diin (14) termelése 34%-ra csökkent. Ezt követően vizsgáltam egy Glaser típusú keresztkapcsolás lehetőségét is. Fenilacetilént (6a) és merparfinolt (6d) reagáltattam aceton (15a), morfolin (8a) és Cu 2+ -4A jelenlétében. Szobahőmérsékleten, 24 órás kevertetés után a reakcióelegyet GC-MS segítségével vizsgáltam. Az eredmények azt mutatták, hogy a fenilacetilén (6a) lényegesen reaktívabb a meparfinolnál (6d), mivel a fenilacetilén dimerje (14) volt döntő többségben az elegyben és a meparfinol dimer (17) mennyisége elhanyagolhatóan kevés volt (33. ábra, a képletek melletti számok a vegyületek egymáshoz viszonyított mennyiségét jelölik). Ez összhangban van az A 3 -kapcsolás vizsgálata során tapasztaltakkal, ahol a meparfinolból (6d) csak erélyesebb körülmények közt keletkezett a várt termék (9. táblázat, 9o). 14 2,16 + H aceton morfolin Cu 2+ -4A 16 H 1 6a 6d H H 0,1 33. ábra 17 42/97

44 A katalizátor visszaforgathatósága Az átmentifém-katalizált reakciók egyik nagy hátránya, hogy a fém gyakran szennyezi a terméket, és eltávolítása meglehetősen bonyolult. A réz gyakran képez komplexet különböző aminokkal, tehát ilyen hosszú reakcióidő alatt elképzelhető a fém beoldódása a folyadékfázisba. A reakció nyerstermékét röntgen-fluoreszcencia spektroszkópia (XRF) segítségével vizsgáltuk, ami azt mutatta, hogy a legtöbb esetben a termék fémtartalma kisebb volt 1 ppm-nél. Ez kifejezetten jó eredménynek számít ezen a területen. Ez azt is jelenti, hogy a katalizátor felületén marad elegendő réz ahhoz, hogy az újból felhasználható legyen és éppen ez az újrafelhasználhatóság a heterogén katalízis legnagyobb előnye. A katalizátor könnyen visszaforgatható volt a reakcióban különösebb tisztítás, vagy aktiválás nélkül is. A már használt katalizátort kiszűrtem a reakcióelegyből, metil-terc-butiléterrel mostam, és az újrafelhasználás előtt egy órát kemencében 100 C-on szárítottam. Fenilacetilén (6a), paraformaldehid (7a) és morfolin (8a) reakciójában ugyanaz a katalizátor 92, 89, illetve 81%-os termelést adott az első, második, illetve harmadik ciklusban (34. ábra) Termelés (%) ábra A katalizátor visszaforgathatóságának vizsgálata Összefoglalásként elmondható, hogy az általam vizsgált, réz(ii)-vel módosított hordozók közül a 4Å molekulaszita (Cu 2+ -4A) bizonyult a legjobbnak az A 3 -kapcsolásban. Más fémeket is vizsgálva MS-4A hordozón azt tapasztaltam, hogy a Fe(III) is jelentős aktivitást mutat. A Cu 2+ -4A katalizátor segítségével alkinek (6), alifás aldehidek (7a-b) és szekunder aminok (8a-f) esetén szobahőmérsékleten, oldószermentes körülmények között kiváló termeléssel kaptam a megfelelő propargilaminokat (9a-f,j). Aromás aldehidek (7f-l) esetén oldószerként toluol oldószer és reflux hőmérséklet volt szükséges a jó termelésekhez. A katalizátor újrafelhasználható különösebb kezelés nélkül. 43/97

45 3.3. Aldoximok katalitikus dehidratálása nitrilekké Bevezetés A karbonsavnitrilek fontos intermedierek a finomkémiai ipar számára. Számos módszer ismert az előállításukra, bár ezek a módszerek gyakran különböző veszélyes alapanyagokat, leggyakrabban cianidokat igényelnek. Ezen túlmenően a feldolgozás során nagy mennyiségű veszélyes hulladék is keletkezik, melynek ártalmatlanítása komoly problémát jelent. A megfelelő aldehidek előállítása lényegesen egyszerűbb, melyekből az aldoximok elkészítése könnyen megvalósítható. Az aldoximokból kiinduló nitrilszintézisek minden esetben hasznos módszerek lehetnek, különösképpen igaz ez az aromás nitrilek esetén. Az aldoxim-nitril átalakítást először Gabriel és Meyer írták le 1881-ben, reagensként forró ecetsavanhidridet alkalmaztak 120. Számos szerves és szervetlen reagens ismert ehhez a reakcióhoz, csupán néhányat sorolnék fel a jól ismert módszereken kívül 121, mint például: PPh 3 /CCl 122 4, PPh 3 /-klórszukcinimid 123, trifluormetánszulfonsav-anhidrid 124, trifluormetánszulfonsavanhidrid/et 3 125, trifluorecetsav-anhidrid/piridin 126, különböző szulfonil-kloridok 127, p- toluolszulfonsav 128, KC/fázistranszfer katalizátor 129, Me 3 /S 2 komplex 130, Se 131 2, P 2 I 4 /piridin 132, -trifluoroacetilimidazol 133, triklóracetil-klorid/et 3 134, ftálsav-anhidrid mikrohullámú körülmények között 135, különböző szervetlen anyagok, mint például szilárd metabórsav 136, TiCl 3 Tf 137, illetve vízmentes FeS A közelmúltban különböző fémkatalizált módszereket is publikáltak. Attanasi és társai rézacetátot használtak acetonitrilben, amely jó termeléssel adta a megfelelő nitrileket 139. Ezen kívül számos újabb átmenetifém-katalizált módszer látott napvilágot az alábbi katalizátorokkal: 140 [RuCl 2 (p-cimol)] 2 (35. ábra), (H)Re 141 3, PtCl 4 (EtC) 142 2, Ga(Tf) 143 3, Pd(Ac) 2 trifenilfoszfin jelenlétében 144, illetve ZnCl 2 és In( 3 ) Cl Ru Cl Cl Ru Cl 35. ábra A [RuCl 2 (p-cimol)] 2 komplex Ezeknek a homogén katalitikus módszereknek több hátránya is van. Például a fémsó és/vagy a foszfin ligand szennyezheti a terméket, ami bizonyos esetekben, mint például a gyógyszeriparban nem engedhető meg. Ezen kívül a nemesfémek magas ára is arra ösztönzi az ipari szakembereket, hogy új, egyszerű és olcsó katalizátorokat keressenek. 3. Kiss, Á.; Hell, Z.: A heterogeneous catalytic method for the conversion of aldoximes into nitriles using molecular sieve modified with copper(ii) Synth. Commun. 2012, közlésre elfogadva. 44/97

46 Az irodalomban mindössze egy példát találtam a reakció heterogén katalitikus megvalósításásra, Mizuno és társai W Sn vegyeshidroxid katalizátort fejlesztettek ki aldoximok dehidratálására 146. A katalizátort bonyolult előállítani és meglehetősen sok katalizátor alkalmazásával sem érték el a teljes konverziót. A közelmúltban a tanszéki kutatócsoportban vizsgálták az enyhén savas Ersorb 4 típusú zeolit jelenlétében aldoximok nitrilekké történő dehidratálását mikrohullámú besugárzás segítségével, a megfelelő terméket közepes termeléssel kapták, és a reakció jellemző mellékterméke, a savamid keletkezését nem sikerült kizárni 147. Célszerűnek találtuk az A 3 -reakcióban jó eredményeket adó MS-4A hordozós katalizátorokat az aldoxim-nitril átalakításban is megvizsgálni A katalizátor kiválasztása az aldoxim-nitril átalakításhoz Chang és társai 140 a [RuCl 2 (p-cimol)] 2 komplex mellett additívként 4 Å molekulaszitát is alkalmaztak az aldoximok (18) nitrilekké (19) történő dehidratálásában, kihasználva annak rendkívül jó vízmegkötő képességét. Így kézenfekvő volt elsőként a már korábban alkalmazott molekulaszita hordozós katalizátoraink tesztelése az általunk kiválasztott modellreakcióban. Modellreakcióként benzaldoxim (18a) benzonitrillé (19a) történő dehidratálását választottam forró acetonitrilben (36. ábra). Az eredményeket a 13. táblázatban foglaltam össze. H acetonitril 80 C C + H 2 18a 19a 20a 36. ábra 13. táblázat A katalizátor kiválasztása a Sor Katalizátor b Konverzió c (%) Benzonitril c (%) Benzamid c (%) 1 Cu 2+ -4A Pd 2+ -4A Pd 0-4A d MS-4A Ag + -4A Fe 3+ -4A Co 2+ -4A i 2+ -4A a1 mmol benzaldoxim (18a), 0,1 g katalizátor, 2 ml acetonitril, 82 C, 8 h. baz összes katalizátor az MS-4A fémsóval történő impregnálással készült, lásd 4.1. fejezet. cgc-ms alapján. da Pd 0-4A a Pd 2+ -4A katalizátorból készül hidrazinos redukcióval, lásd 4.1. fejezet. 45/97

47 A legjobb eredményeket a Cu 2+ és a Pd 2+ adták (13. táblázat, 1-2. sorok). A fém nélküli molekulaszita az Ag + ionokkal módosított molekulaszitához hasonlóan gyenge eredményt adott (13. táblázat, 4-5. sorok), míg a Fe 3+, Co 2+ és a i 2+ még a tiszta hordozónál is rosszabbak voltak (13. táblázat, 6-8. sorok). Ez az aktivitásromlás valószínűleg ebben a reakcióban is a pórusméret, és ezáltal a vízmegkötő képesség csökkenésével magyarázható. A Cu 2+ és a Pd 2+ esetén hasonlóan jó eredményeket kaptam, de a megismételt kísérletek alapján a Cu 2+ kicsivel jobb eredményt adott. Amennyiben a Pd 2+ -t redukáltuk Pd 0 -vá, a katalizátor aktivitása jelentősen csökkent. Ezt követően hordozóként kipróbáltam a kutatócsoportban korábban előállított rézzel módosított magnézium-lantán vegyesoxidot (Cu 2+ -MgLa) és a rézzel módosított magnéziumalumínium hidrotalcitot (Cu 2+ -HT 2:1) is, amelyek szintén jelentős aktivitást mutattak a modellreakcióban (98, illetve 96%). A Cu 2+ -4A katalizátorral ellentétben viszont azt tapasztaltam, hogy mindkét esetben a hordozón levő fém szinte teljes egészében beoldódott a reakcióelegybe, ami az alkalmazhatóság, illetve a visszaforgathatóság szempontjában rendkívül előnytelen lehet. Amennyiben a Cu 2+ -4A katalizátort 300, illetve 400 C-on kalcináltam, a katalizátorok gyakorlatilag elvesztették aktivitásukat, a konverzió alig volt jobb a fém nélküli molekulaszitával tapasztaltnál (20, illetve 18%). A 13. táblázat eredményei alapján a további kísérleteimhez az A 3 -reakcióban is használt Cu A katalizátort használtam. A réz ugyan lényegesen mérgezőbb a palládiumnál, de a nemesfémek magas ára az ipari alkalmazás szempontjából rendkívül előnytelen lehet. Amennyiben a réz toxicitása kizáró tényező lenne, például gyógyszeripari technológiákban, a palládium kiváló alternatíva lehet A reakciókörülmények optimálása A reakciókörülményeket a benzaldoxim (18a) - benzonitril (19a) modellreakcióban optimáltam (36. ábra; 14. táblázat). 14. táblázat Az optimális reakciókörülmények meghatározása a Sor Cu mennyiség b (mol%) Acetonitril (ml) Reakcióidő (h) Benzonitril c (%) Benzamid c 1 1, , , , , a5 mmol benzaldoxim (18a), megfelelő mennyiségű Cu 2+ -4A katalizátor (0,1 g, 2,5 g, 0,5 g), acetonitril, 82 C. bteljes rézmennyiség mol %-ban. cgc-ms alapján. (%) A táblázatból jól látható, hogy az oldószerként alkalmazott acetonitril mennyisége 46/97

48 meghatárózó szerepet játszik a benzamid (20a) melléktermék keletkezésében (14. táblázat, 1. és 3. sorok). A fém mennyiségének növelése jelentős mértékben csökkenti a reakcióidőt, 1,7 mol% réz esetén (14. táblázat, 3. sor) a reakcióidő lényegesen hosszabb volt, mint 42,5 mol% (14. táblázat, 4. sor) használata esetén. Az irodalomban leírt módszerek általában 10 mol% körüli fémmennyiséget használnak (Cu 139, vagy Pd 144 ). Mivel 8,5 mol% réz 8 óra reakcióidő alatt kiváló konverzióval játszódott le, a további kísérleteimben ezt a fémmennyiséget alkalmaztam. Ipari megvalósítás esetén környezetvédelmi megfontolásokból a reakcióidő változásának figyelembe vételével csökkenthető a bevitt réz mennyisége. A reakció lefutását gázkromatográfia segítségével követtem 8,5 mol%, illetve 42,5 mol% réz esetén. A konverzió - reakcióidő diagramot a 37. ábra mutatja. Konverzió (%) Reakcióidő (h) 42,5 % Cu 8,5 % Cu 37. ábra A konverzió időfüggése Az optimált reakciókörülményekkel (8,5 mol% Cu, 2 ml acetonitril / mmol aldoxim (18), 8 h reakcióidő) a 15. táblázatban szereplő nitrilszármazékokat (19) állítottam elő. A kiindulási aldoximokat (18) magam állítottam elő. A kapott termékek minden esetben a szin és anti izomerek keverékei voltak, a legtöbb esetben a szin izomer volt a főkomponens. A két izomer reaktivitásában nem tapasztaltam különbséget, a benzaldoxim (18a) (szin/anti arány: 95:5) és a butiraldoxim (18l) (szin/anti arány: 56:44) ugyanazt a termelést adta az optimált reakcókörülmények között (15. táblázat, 19a és 19l). A legtöbb aldoxim (18) kiváló termelést adott, bár néhány esetben az amid melléktermék (20) jelentős mennyiségben volt megtalálható a reakcióelegyben. A piridin-2-karbaldoxim (18i) esetében nem volt teljes a konverzió (15. táblázat, 19i), a termelés alacsony volt, meglehetősen sok amid melléktermék (20i) keletkezése mellett. 47/97

49 15. táblázat Aldoximok (18) Cu 2+ -4A katalizált dehidratálása a 19 Aldoxim Konverzió b (%) itril b,c (%) Amid b (%) a H b (91) 1 H c H (90) 4 d e (87) 4 H (88) 4 H f H (78) 14 g H F (82) 10 h i Cl (76) 17 H H j H H 15 d 6 0 k H (87) 4 l H a5 mmol szubsztituált aldoxim (18), 0,5 g Cu 2+ -4A katalizátor, 10 ml acetonitril, 82 C, 8 h. bgc-ms alapján. caz izolált termelések zárójelben, a termék tisztaságát GC-MS és 1 H MR segítségével ellenőriztem. d9 % Benzizoxazol (21) keletkezett. Szalicilonitril származékok szintézise A 2-hidroxi-benzaldoxim (szalicilaldoxim, 18j) reaktivitása nagyon gyengének bizonyult és a nitril (19j) mellett benzizoxazol (21) is kimutatható volt a reakcióelegyben (15. táblázat, 10. sor; 38. ábra). H H Cu 2+ -4A acetonitril C H + 18j 19j ábra 48/97

50 A benzizoxazol (21) keletkezése a szalicilaldoxim (18j) dehidratálása során ismert az irodalomban, láh és munkatársai Ga(Tf) 3 -katalizált reakcióban jó termeléssel kapták 143. A benzizoxazol (21) a megfelelő nirillé (19j) rendeződött át a szilikagélen történő oszlopkromatográfia közben. Közismert, hogy a szalicilaldoximban (18j) erős intramolekuláris hidrogénhíd van az oxim csoport nitrogénje és az orto helyzetű hidroxilcsoport között. Úgy gondoltuk, hogy az aldoxim nitrogénjét egy - a rendszerbe bevitt - másik nitrogénnel helyettesítve a hidrogénhíd megszüntethető. Elképzelésünket alátámasztotta, hogy a reakcióelegyhez trietilamint adva jelentős reaktivitásnövekedést tapasztaltam. Ezt követően más gyenge bázisokat is kipróbáltam (16. táblázat; 38. ábra), abban a reményben, hogy ezek is elősegítik a nitril képződését és a benzizoxazol mennyiségének csökkenését. 16. táblázat A szalicilonitril (19j) szintézisének optimálása a Sor Bázis Konverzió b (%) Szalicilo- nitril b (%) Szalicil- amid b (%) Benz- izoxazol b (%) Et 3, 16h a 2 C 3, 16h K 2 C 3, 12h, 18h K 2 C 3, 8h KHC 3, 8h K t Bu, 8h a5 mmol szalicilaldoxim, 5 mmol bázis, 0,5 g Cu 2+ -4A katalizátor, 10 ml acetonitril, 82 C. bgc-ms alapján. A 16. táblázatból jól látható, hogy a gyenge bázisok hozzáadásával a konverzió jelentősen növelhető. A K t Bu kivételével a konverzió minden esetben nőtt. A K t Bu esetén a szalicilaldoxim (18j) káliumsója kivált a reakcióelegyből, így a többszörösen heterogén rendszerben a reakció egyáltalán nem ment (16. táblázat, 7. sor). A KHC 3 és K 2 C 3 hozzáadása jelentősen javított a konverzión (16. táblázat, 4-6. sorok). átrium-karbonát segítségével a konverzió 100%-ra nőtt (16. táblázat, 3. sor), viszont a szalicilamid (20j) melléktermék mennyisége is jelentős volt. A legjobb eredményt az elsőként kipróbált trietil-amin (22) adta, 16 óra után teljes volt a reakció és a szalicilonitril (19j) mennyisége 93%-ra nőtt (16. táblázat, 2. sor). Ezzel a módosított módszerrel állítottam elő a 17. táblázatban szereplő származékokat. Ellenőrzésképpen 1 H-MR segítségével összehasonlítottam a tiszta szalicilaldehidet és a szalicilaldehid-trietilamin rendszert. Azt tapasztaltam, hogy a spektrumok között jelentős különbség van. Az -H jelek trietil-amin jelenlétében mintegy 4 ppm eltolódást mutattak (trietilamin nélkül: 7,7 ppm, trietil-amin jelenlétében: 11,5 ppm). A különböző szalicilaldoximok (18j,m-o) dehidratálása trietil-amin (22) jelenlétében kiváló termeléssel megvalósítható, sem a benzizoxazol (21), sem az amid (20j,m-o) nem keletkezett jelentős mennyiségben. 49/97

51 17. táblázat Különböző szalicilaldoximok (18j,m-o) Cu 2+ -4A - katalizált dehidratálása trietilamin (22) jelenlétében a 19 Szalicilaldoxim Konverzió b (%) itril b, c (%) Amid b (%) m H H H (98) 0 n Me H H (91) 1 o Br H H (90) 1 j H H (85) 7 a5 mmol szubsztituált szalicilaldoxim (18j,m-o), 5 mmol trietil-amin (22), 0,5 g Cu 2+ -4A katalizátor, 10 ml acetonitril, 82 C, 16 h. bgc-ms alapján. caz izolált termelések zárójelben, a termék tisztaságát GC-MS és 1 H MR segítségével ellenőriztem A katalizátor visszaforgathatósága A katalizátor könnyen kiszűrhető a reakcióelegyből, ami kifejezetten egyszerűvé teszi a visszaforgatást. A katalizátor újrahasználható különösebb tisztítás, vagy aktiválás nélkül, mindössze egy 1 órás 150 C-on történő szárítást igényel. A katalizátor visszaforgathatósága rendkívül jó a benzaldoxim (18a) benzonitrillé (19a) történő dehidratálásában, melyet az optimált reakciókörülmények között végeztem. A termelés 10 kör után sem csökkent jelentős mértékben (39. ábra). A használt katalizátor (Cu 2+ -4A-10x) fémtartalmát ICP-MS segítségével vizsgáltuk és azt tapasztaltuk, hogy a tizedik használat után a fémtartalom mindössze 10,85%-kal csökkent (5,09% helyett a Cu 2+ -4A-10x katalizátor 4,54% rezet tartalmazott). em ismert ilyen kiváló visszaforgathatóság az irodalomban, amely az ipari alkalmazhatóság, illetve környezetvédelmi szempontokból is rendkívül előnyös. Termelés (%) ábra A katalizátor visszaforgathatóságának vizsgálata 50/97

52 Mechanizmusvizsgálat Számos mechanizmusjavaslat létezik a fémkatalizált aldoxim (18) - nitril (19) átalakításra, az elmúlt években néhány kísérleti bizonyítékot is publikáltak ezen a területen 142,144,148,149. Ezek a javaslatok minden esetben egy vízátadást feltételeznek az aldoximról (18) az oldószerként használt acetonitril C kötésére, így a reakcióban ekvimoláris mennyiségben acetamid (20p) melléktermék keletkezik. Kukushkin és társai 142 egy ligand közvetített módszert írtak le aldoximok (18) nitrillé (19) történő dehidratálására transz-[ptcl 4 (EtC) 2 ] komplex (23) segítségével (40. ábra). A 24 intermedier szerkezetét egykristály-röntgendiffrakció segítségével meghatározták. A kulcslépés tulajdonképpen a Pt, az aldoxim (18) és a 23 platinakomplex nitril csoportjai közötti komplexképződés, éppen ezért a 23 platinakomplexet ekvimoláris mennyiségben kell a reakcióban alkalmazni. Et Cl Cl Pt Cl Cl R H Cl Cl H H Cl Cl H + 2 H H Et H Pt Pt + 2 R R H Cl Cl H Cl Cl H R C 40. ábra A transz-[ptcl 4 (EtC) 2 ] (23) katalizált reakció mechanizmusa Kim 144 több, egymástól különböző javaslatot is adott a palládium-katalizált reakcióra. Az első javaslatában a palládium beékelődését feltételezi az aldoxim (18) - kötésébe, amit a Pd és a víz eliminációja követ (41. ábra). H H Pd(Ac) 2 H H Pd C PPh 3 18a 19a 41. ábra A szerző által is valószínűbbnek vélt út viszont a palládium, az aldoxim (18) és az acetonitril nitrilcsoportjának a komplexképzése (42. ábra). A hidroxilcsoport és a hidrogénatom átrendeződése a nitril C kötésére szimultán módon történik. Ez a sejtése a Maffioli 150 által leírt PdCl 2 -katalizált amid-nitril, illetve nitril-amid átalakításon alapult. Később Kim leírta 151 ugyanezt a katalitikus rendszert nitrilek (19) amidokká (20) történő dehidratálására acetaldoxim (18p) segítségével, ahol indirekt módon bizonyította a mechanizmust. 51/97

53 H H H H H Pd 2+ Pd 2+ 2 Pd 2+ + H H 18a 19a 19a 20p 42. ábra Chang és társai 148 amidokat (20) állítottak elő aldoximokból (18) kiindulva ródium komplex jelenlétében és azt tapasztalták, hogy katalitikus mennyiségben hozzáadott nitril (19) additív a termelést jelentős mértékben megnövelte. Ők is a ródium komplexképzését feltételezték, a palládium esetében Kim által leírt mechanizmushoz hasonló módon 144. Williams 145 a közelmúltban cink-kloridot és indium-nitrátot használt benzaldoxim (18a) acetonitrilben történő dehidratálására és acetamid (20p) mellékterméket talált a reakcióelegyben. Később egy másik módszert is leírt 149 icl 2 katalizátor jelenlétében, ahol a fentebb említett komplexképzéses mechanizmust feltételezte. Vizsgáltam a reakció mechanizmusát a rézkatalizált aldoxim - nitril átalakításban, mivel ezt korábban még nem vizsgálták. A nyerstermék GC-MS vizsgálata nagy mennyiségű acetamidot (20p) mutatott ki. Ez közvetve igazolja a réz esetén is a koncertikus mechanizmust, mely lényegét tekintve megegyezik a többi fém által katalizált reakcióval 142,144,148,151. A valószínűsíthető mechanizmust a 43. ábra szemlélteti. H 2 CH 3 20p Cu 2+ H 18a H H Cu 2+ H CH 3 18a H Cu 2+ H CH 3 19a H Cu 2+ H CH ábra A rézkatalizált reakció mechanizmusa 52/97

54 Különböző nitrileket használva oldószerként (például benzonitrilt, 19a; fenilacetonitrilt, 19q) a megfelelő amidok (20a,q) megtalálhatóak voltak a reakcióelegyben (44. ábra). Fenilacetonitril (19q) esetén a termék : amid arány 53 : 47 volt. H C H 2 + Cu 2+ -4A + oldószer 53% 47% 18a 19q 19a 20q 44. ábra Amennyiben az aldoximban (18) levő összes kémiailag kötött víz reagált volna az oldószerként alkalmazott fenilacetonitrillel (19q), a fenilacetamidnak (20q) ekvivalens mennyiségben kellett volna keletkeznie a reakcióelegyben. Ez azt jelentheti, hogy a víz egy részét a hordozóként alkalmazott MS-4A köthette meg. Ezt bizonyítandó megvizsgáltuk a fémmentes MS-4A aktivitását benzaldoxim (18a) acetonitrilben történő reakciójában. A termék benzonitril (19a) 17%-os termeléssel keletkezett, ami szintén az MS-4A aktív szerepét bizonyítja a reakcióban. A nitril típusú oldószer szerepét továbbá az is bizonyítja, hogy acetonitril helyett toluolt használva csupán 16%-os termelést kaptam (19a), 68% benzamid (20a) és 16% benzaldehid (7h) mellett. Kim 144 beékelődéses mechanizmusát cáfolja továbbá a Pd 2+ és Pd 0 közti reaktivitáskülönbség is. A palládium beékelődéséhez minden esetben zéróvalens palládiumra van szükség, viszont ez esetünkben lényegesen rosszabb eredményt adott, mint a Pd 2+ (13. táblázat, 2-3. sorok). Érdekes kérdés továbbá, hogy a reakció tényleg koncertikusan játszódik-e le, vagy csupán egy konszekutív reakcióról van szó, azaz a kiindulási aldoxim (18) először dehidratálódik, majd a felszabadult víz reagálva az acetonitrillel adhatja az acetamidot (20p). Ezért benzonitrilt (19a), acetonitrilt, vizet és katalizátort forraltam hosszú időn keresztül, de reakciót nem tapasztaltam, sem benzamid (20a), sem pedig acetamid (20p) nem volt kimutatható a reakcióelegyben. Ez adekvát módon bizonyítja, hogy a reakció nem mehet konszekutív módon Hot filtration (forró szűrés) teszt Az impregnált hordozós katalizátorok esetén gyakran felmerül a kérdés, hogy a reakció a szilárd anyag felületén megy végbe, vagy a fém beoldódik a reakcióelegybe és oldott állapotban fejti ki katalitikus hatását. A kérdés eldöntésére az ún. hot filtration test módszert alkalmaztuk. Benzaldoxim (18a) acetonitrilben történő dehidratálása során a Cu 2+ -4A katalizátort 4 óra után kiszűrtem a 80 C-os reakcióelegyből, a szűrletet röntgen-fluoreszcencia spektroszkópiával vizsgáltuk. A vizsgálat 0,2 ppm rezet mutatott ki a reakcióelegyben, amely az úgynevezett capture release (befogásos-elengedéses) mechanizmust bizonyítja. A konverzió 4 óra után 43% 53/97

55 volt. A szűrletet tovább reagáltattam a katalizátor nélkül és azt tapasztaltam, hogy a konverzió 8 óra után 98%-ra nőtt, ami szintén bizonyítja, hogy a réz legalábbis részben beoldódik a rendszerbe. Összefoglalásként elmondható, hogy aldoximok (18) nitrilekké (19) történő átalakítása Cu 2+ -4A katalizátor segítségével acetonitril oldószerben kiváló termeléssel megvalósítható. Számos fémet megvizsgálva arra a következtetésre jutottam, hogy a Pd 2+ -4A is jó aktivitást mutat a reakcióban. A reakció körülményeit, a fém és az oldószer mennyiségét optimáltam. Szalicilaldoxim-származékok (18j,m-o) esetén rossz termelést kaptam, trietil-amin (22) hozzáadásával ugyanakkor ebben az esetben is kiváló eredményt értem el. A katalizátor újrafelhasználhatósága rendkívül jónak bizonyult, aktivitása tízszeri használat után sem csökkent jelentősen. 54/97

56 3.4. itrilek katalitikus hidratálása amidokká 4, Bevezetés A nitrilek amidokká történő hidrolízise/hidratálása nagyon fontos reakció a szerves kémikusok számára, és ipari szempontból is nagy jelentőséggel bír. Legnagyobb volumenben az akrilamidot állítják elő ezzel a módszerrel 152a,b. Számos eljárás ismert erre az átalakításra, hagyományosan különböző savakat, bázisokat használnak katalizátorként 152a-b,153a-d, Legegyszerűbb a savak között a 96%-os H 2 S 4 154a-c, a bázisok között a KH 155a,b. Ezeken kívül említésre méltó például a polifoszforsav 156, a BF 3 /polifoszforsav kombináció 157 és az alumíniumoxidra felvitt trifluorecetsav 158 is. Ezeknek a módszereknek a hátránya az erősen korrozív reakciólelegy, és a semlegesítéshez szükséges lúg-, vagy savmennyiség. Az elmúlt évtizedekben átmenetifém-katalizált módszereket is kifejlesztettek nitrilek hidrolíziséhez, csupán néhány érdekesebb komplexet sorolnék fel: [Co(1,4,7,11- tetraazaciklododekán)(h 2 ) 2 ] a,b (45. ábra), a vízoldható molibdocén komplex (MeCp) 2 Mo(H) (H 2 ) + 160, RuH 2 (PPh 3 ) 4 161, az indenilruténium hidrid komplex (µ 5 -C 9 H 7 ) Ru(dppm)H 162, [hidrotrisz(pirazolil)borát]ru(pph 3 )(CH 3 C)H 163, [{Rh(Me) (cod)} 2 ]/PCy 3 164, [Rh(cod)Cl] 2 /TPPTS 165, PtH(PMe 2 H)(PMe 2 ) 2 H 166. Ezeken kívül katalitikus hatást fejthet ki például a Pd 167,150, illetve az Ir 168 is. H H H 2 Co (III) H H 2 H 45. ábra A [Co(1,4,7,11-tetraazaciklododekán)(H 2 ) 2 ] 3+ komplex Hordozós fémkatalizátorokat is leírtak, ilyen katalitikus rendszerek például 169 a Ru(H) x /Al 2 3 katalizátor, amely segítségével oldószerként és reagensként is vizet használva kiváló termeléseket lehet elérni. Komoly probléma viszont, hogy vízben 140 C-on kell dolgozni, ami nyomásálló berendezést igényel, a ruténiummal helyettesített hidroxiapatit [(RuCl) 2 Ca 8 (P 4 ) 6 (H) 2 ] 170 katalizátor, amely szintén alkalmas nitrilek hidrolízisére, bár az előző módszerhez hasonlóan a ruténium rendkívül magas ára erősen korlátozza e katalizátorok alkalmazhatóságát. 4. Kiss, Á.; Hell, Z.: A heterogeneous catalytic method for the conversion of nitriles to amides using molecular sieve modified with copper(ii) Tetrahedron Lett. 2011, 52, Kiss, Á.; Hell, Z.: Cu II -MS4Å for Hydration of itriles into Amides Synfacts 2012, 8(1), /97

57 Kim és társai a közelmúltban megvalósították aldoximok nitrilekké történő dehidratálását Pd(Ac) 2 és PPh 3 segítségével acetonitril oldószerben 144. A fejezetben részletesen tárgyalt koncertikus fém-katalizált mechanizmusból egyértelműen látható, hogy a reakció nem csupán aldoximok dehidratálására, hanem nitrilek aldoximok által történő hidratálására is használható (43, 44. ábrák). Kim, felhasználva ezt az invertált reakciót, acetaldoxim segítségével homogén palládiumkatalizált reakcióban kiváló termeléssel állított elő különböző amidokat 151. A korábban vizsgált aldoxim-nitril átalakítás tapasztalataiból kiindulva célul tűztük ki a reakció fordított megvalósítását, a reakciókörülmények módosításával a legjobb termelés elérését Katalizátor kiválasztása a nitril - amid átalakításhoz Az aldoxim - nitril átalakítás legjobb katalizátorát teszteltem a benzonitril (19a) és az acetaldoxim (18p) reakciójában. (46. ábra; 18. táblázat). A legjobb eredményt itt is a Cu 2+ -4A adta (18. táblázat, 1. sor), 4 óra reakcióidő után kvantitatívan kaptam a benzamidot (20a). Csökkentve a fémmennyiséget a konverzió jelentős mértékben csökkent (18. táblázat, 2. sor). A Pd 2+ -4A szintén nagyon jó eredményt adott (18. táblázat, 3. sor), míg a Pd 2+ -ból hidrazinos redukcióval előállított Pd 0 segítségével lényegesen alacsonyabb konverziót tudtam csak elérni (18. táblázat, 4. sor), hasonlóan az aldoxim - nitril átalakításban tapasztaltakkal. Az 18. táblázat eredményei alapján további munkámat ebben az esetben is a Cu 2+ -4A katalizátorral folytattam. C H 2 + H + Me C 19a 18p 20a 46. ábra 18. táblázat A katalizátor kiválasztása a Sor Katalizátor b Konverzió c (%) 1 Cu 2+ -4A Cu 2+ -4A/5 d 48 3 Pd 2+ -4A 98 4 Pd 0-4A e 34 a2 mmol benzonitril (19a), 6 mmol acetaldoxim (18p), 0,2 g katalizátor, 4 ml MeH, 65 C, 4 h. baz összes katalizátor az MS-4A fémsóval történő impregnálással készült, lásd 4.1. fejezet. ckonverzió GC-MS alapján. da Cu 2+ -4A/5 katalizátor a CuCl 2 mennyiségének ötödére csökkentésével készült, lásd 4.1. fejezet. ea Pd 2+ -4A katalizátorból készül hidrazinos redukcióval, lásd 4.1. fejezet. 56/97

58 A reakciókörülmények optimálása Az acetaldoxim (18p) mennyiségét növelve a konverzió folyamatosan nő, 2,5-ről 3 ekvivalensre növelve kvantitatívvá válik (19. táblázat; 47. ábra). A reakció melléktermékeként kapott acetonitril (46. ábra) konkurrál a kiindulási benzonitrillel (19a), ami a reakcióhoz szükséges acetaldoxim (18p) mennyiségét jelentős mértékben megnöveli. Az acetaldoxim (18p) feleslegéből acetamid (20p) keletkezik melléktermékként, de ez könnyen eltávolítható a nyerstermékből, mert vákuumban elpárolog, illetve szublimál a reakcióelegyből. 19. táblázat Az acetaldoxim (18p) feleslegének optimálása a Sor Acetaldoxim/benzonitril mólarány Konverzió b (%) , , a2 mmol benzonitril (19a), acetaldoxim (18p), 0,2 g Cu 2+ -4A katalizátor, 4 ml MeH, 65 C, 4 h. bgc-ms alapján. Acetaldoxim felesleg Konverzió (%) mol acetaldoxim / mol benzonitril 47. ábra Az acetaldoxim (18p) feleslegének optimálása Ezt követően vizsgáltam az oldószer és a hőmérséklet hatását (20. táblázat). A reakció nem igényel magas hőmérsékletet (20. táblázat, 1. sor), a dietil-éter forrpontján is kvantitatívan ment a reakció. A nitril típusú oldószerek, mint például az acetonitril nem megfelelőek a konkurens reakció miatt. A legjobb, kvantitatív termelést a dietil-éter, a metanol és az etanol adták. Biztonságtechnikai és gazdaságossági megfontolásokból a metanolt választottam a további kísérleteimhez. 57/97

59 20. táblázat Az oldószer hatásának vizsgálata a Sor ldószer Hőmérséklet ( C) Konverzió b (%) 1 Et MeH EtAc EtH toluol a2 mmol benzonitril (19a), 6 mmol acetaldoxim (18p), 0,2 g Cu 2+ -4A katalizátor, 4 ml oldószer, 4 h. bgc-ms alapján. Az optimált reakciókörülményekkel (Cu 2+ -4A, 8,5 % Cu, 2 ml metanol/mmol nitril (19), 4 h reakcióidő) számos amidot (20) állítottam elő (21. táblázat). Az aromás nitrilek (19a,r) általában jó termeléssel adták a megfelelő amidokat (21. táblázat, 20a,r), bár a 2-aminobenzonitril (19s) esetén az amid csupán 71%-os termeléssel keletkezett (21. táblázat, 20s). Emellett 25%-ban egy mellékterméket (25) kaptam, melynek mólcsúcsa 207 m/z volt. Hasonlóan viselkedett a 2-hidroxibenzonitril (19j) is (21. táblázat, 20j), ebben az esetben 23%-ban mutattam ki mellékteméket (26), melynek mólcsúcsa 223 m/z volt. Egyik esetben sem sikerült a melléktermékek pontos szerkezetét meghatározni, a vegyületek oszlopkromatográfiás tisztítása nem volt lehetséges. 21. táblázat itrilek (19) amidokká (20) történő hidratálása Cu 2+ -4A katalizátor segítségével a 20 itril Konverzió b (%) Amid b, c (%) a C (98) r C (98) Cl s C d (62) H 2 j C H e (50) q C (97) t Cl C (97) k C (96) u H 2 C f 58/97

60 21. táblázat Folytatás v C (94) w C (95) x Cl C 98 98(93) y z z h C C EtC C 97 97(95) C C [46] g [27] g a2 mmol nitril (19), 6 mmol acetaldoxim (18p), 0,2 g Cu 2+ -4A katalizátor, 4 ml MeH, 65 C, 4h. bgc-ms alapján. caz izolált termelések zárójelben, a termék tisztaságát GC-MS és 1 H MR segítségével ellenőriztem. da termék GC-MS alapján 25% nem azonosított mellékterméket (25) tartalmazott. ea termék GC-MS alapján 23% nem azonosított mellékterméket (26) tartalmazott. f80% 1-(3,4-dimetoxifenil)-propán-2-on-oxim (27, 48. ábra) keletkezett. gszögletes zárójelben a monoamid (20'z) mennyisége 1 H MR alapján. h2 mmol szubsztituált nitril (19), 12 mmol acetaldoxim (18p), 0,4 g Cu 2+ -4A katalizátor, 8 ml MeH, 4 h, 65 C. Az aralkil-nitrilek kiváló termelést adtak (21. táblázat, 20k,q,t). Az (S)-2-amino-3-(3,4- dimetoxifenil)-2-metilpropionitril (19u), az α-metil-dpa intermediere (21. táblázat, 7. sor) nem a várt terméket adta. A megfelelő amid (20u) helyett az 1-(3,4-dimetoxifenil)-propán-2-on-oxim (27) (3,4-dimetoxi-fenilaceton-oxim) keletkezett jó termeléssel és tisztasággal (48. ábra). Feltehetően 1-(3,4-dimetoxifenil)-propán-2-on (28) keletkezett a reakcióban, amely az acetaldoximmal (18p) történő reakcióban a megfelelő ketoximot (27) adta. H 2 C + H H 19u 18p ábra Alkil-nitrilek esetén hasonlóan jó eredményeket kaptam (21. táblázat, 20v-z). Fontos megjegyezni, hogy az etil-cianoacetát (19y) esetében az észterfunkció érintetlen maradt. Az ásványi savakkal és lúgokkal ellentétben ez a módszer számos esetben szelektíven képes a nitrileket (19) rendkívül enyhe körülmények közt is hidratálni. Az adipinsav-dinitril (19z) mono (20'z) - és diamid (20z) keverékét adta az optimált reakciókörülmények között. Az acetaldoxim (18p) és a katalizátor mennyiségének megkétszerezésével sem sikerült a diamidot (20z) tisztán előállítanom, valószínűleg azért, mert a termék rosszul oldódik a rendszerben és kicsapódik a katalizátor felületére (21. táblázat, 14. sor). 59/97

61 A katalizátor visszaforgathatósága Korábbi munkáimhoz hasonlóan vizsgáltam a reakcióelegy, illetve a termék fémtartalmát. A röntgen-fluoreszcencia spektroszkópiás mérések azt mutatták, hogy az elegyben 1 ppm körül volt a réz, míg a termékben egyáltalán nem volt kimutatható. A katalizátor visszaforgathatóságát a benzonitril (19a) - benzamid (20a) modellreakcióban vizsgáltam, rendre 100, 96, illetve 95%-os termelést kaptam az első, második, illetve harmadik ciklusban (49. ábra) Termelés (%) ábra A katalizátor visszaforgathatóságának vizsgálata Összefoglalásként elmondható, hogy különböző nitrilek (19) amidokká (20) történő hidratálása Cu 2+ -4A katalizátor jelenlétében acetaldoxim (18p) reagens segítségével kiváló termeléssel megvalósítható. A reakció különféle oldószerekben, enyhe körülmények között is hasonlóan jó eredményt adott. A módszer további előnye, hogy hidrolízisre érzékeny funkciós csoportok (például észtercsoport) esetén is szelektíven kaptam a megfelelő amidokat. 60/97

62 3.5. A katalizátorok vizsgálata A i 2+ -MgLa katalizátor vizsgálata A MgLa hordozót és a i 2+ -MgLa katalizátort XRD, IR, XPS és SEM-EDS módszerekkel jellemeztük. A MgLa hordozót együttlecsapásos módszerrel készítettem, a i 2+ -MgLa katalizátort pedig a hordozó icl 2 oldattal történő impregnálásával (lásd 4.1. fejezet). A katalizátor összetétele ICP-MS alapján: 4,67 % i, 36,6 % La és 15,7 % Mg volt. A katalizátor nikkeltartalma 0,8 mmol i 2+ /g hordozó volt. Röntgendiffrakciós vizsgálatok A 50. ábrán a MgLa hordozó és a katalizátor röntgendiffraktogramja látható. 50. ábra A MgLa hordozó és a i 2+ -MgLa katalizátor röntgendiffraktogramja A két diffraktogram között jelentős különbség van. A nikkellel impregnált magnézium-lantán vegyesoxidot kalcinált MgLa-ból készítettem, a hidrotalcitokkal ellentétben nem rehidráltam külön, a rehidrálás a fémoldatban történt meg. Ez jól látszik a röntgendiffraktogramon is, a hordozó Mg és La 2 3 keverékének tekinthető némi La(H) 3 szennyezés mellett. A MgLa erősen higroszkópos, inert atmoszférában kell tárolni, így a La(H) 3 jelenléte semmiképp nem meglepő, mivel a diffraktogram nem friss hordozóról készült. A katalizátor diffraktogramja a csúcsok asszignálásával a 51. ábrán látható. A csúcsok azonosítása diffraktogramkönyvtár segítségével történt. 61/97

63 51. ábra A i 2+ -MgLa hordozó röntgendiffraktogramja a csúcsok megfeleltetésével A katalizátor gyakorlatilag lantán-hidroxid, lantán-karbonát és magnézium-hidroxid keverékének tekinthető. Ezek kristályszerkezetét a katalizátoron jelen levő nikkel nem befolyásolja. XPS vizsgálatok A MgLa hordozó és a i 2+ -MgLa katalizátor felületét röntgen-fotoelektron spekroszkópia segítségével vizsgáltuk. A hordozó és a katalizátor felületi elemanalízisét a 22. táblázat szemlélteti. 22. táblázat A MgLa és a i 2+ -MgLa felületi összetétele (mol%) Minta (mol%) C K La Mg i MgLa 41,1 2,4 1,5 15,8 0,0 39,2 i 2+ -MgLa 25,6 0,0 1,9 13,6 4,0 55,1 A MgLa hordozó felületén nagy mennyiségű szén található, valószínűleg azért, mert a kalcinált vegyesoxid könnyen képes például C 2 -t, illetve szerves gőzöket adszorbeálni. Ezen kívül megfigyelhető, hogy a katalizátor felületén kálium is található, ami az együttlecsapásos előállításnál használt K 2 C 3 -ból származhat (lásd 4.1. fejezet). Érdekes, hogy az egész minta elemanalízise nem mutatott ki mérhető káliumot, így ez valószínűleg csupán egy felületre tapadt vékony réteg lehet. A i 2+ -MgLa felületén a nikkel koncentrációja lényegesen magasabb (13,62 w/w %, szén nélkül), mint az ICP-MS vizsgálattal mért, a teljes mintát reprezentáló 4,67 w/w % 62/97

64 érték. A nikkel beépülésével egyidejűleg a magnézium mennyisége jelentősen csökkent. Ebből arra lehet következtetni, hogy a nikkel a felületen helyezkedik el és a magnéziumionok helyére lép be. A katalizátor felületén a lantán lényegesen kisebb koncentrációban van jelen, mint a tömbfázisban. Ez feltételezhetően azzal magyarázható, hogy a lantán-hidroxid oldhatósága sokkal kisebb, mint a magnézium-hidroxidé, ezért a vegyesoxid előállításakor a csapadék öregítése során a szemcsék belsejéből a magnézium-hidroxid kioldódhat, majd a felületre újra kicsapódhat. A katalizátor felületi összetételét tömegszázalékban a felületen jelen levő széntől eltekintve a 23. táblázat szemlélteti. 23. táblázat A MgLa és a i 2+ -MgLa felületi összetétele (w/w%) Minta (w/w%) K La Mg i MgLa 7,2 15,6 29,4 0,0 47,8 i 2+ -MgLa 0,0 15,2 19,4 13,6 51,8 A 52. ábrán a katalizátor XPS spektrumának egy részlete látható. A nikkel csúcsainak pozíciója (i 2p 1/2 és i 2p 3/2 ) és a jelalakok azt mutatják, hogy a nikkel oxidált állapotban található a katalizátor felületén, spektruma leginkább a i spektrumára hasonlít. A spektrumban a nikkel és a lantán jelei közel helyezkednek el. Így középen egy olyan csúcs-hármas látható, amelyből a jobb szélső és a középső csúcs egy része a La 3d 3/2 csúcsai, míg a középső csúcs másik fele és a tőle balra lévő csúcs a i 2p 3/2 csúcsai. 52. ábra A i 2+ -MgLa XPS spektrumának részlete IR vizsgálatok A hordozó, illetve a i 2+ -MgLa katalizátor FTIR felvételei a 53. ábrán láthatóak. A két spektrum között jelentős különbség látható, főleg a 3000 cm -1 feletti tartományban. A 3695 cm -1 - es éles jel a Mg(H) 2 H - vegyértékrezgéseként asszignálható 171, míg a 3610 cm -1 -es szintén éles 63/97

65 jel a La(H) 3 megfelelő H - vegyértékrezgése 172. Ez alátámasztja a MgLa hordozóban röntgendiffrakció segítségével kimutatott La(H) 3 szennyezést, mivel gyenge intenzitással ugyan, de a hordozó IR spektrumában is megfigyelhető ez a jel. A széles jel 3438 cm -1 -nél a katalizátor víztartalmának H rezgéseivel magyarázható 172. Az alsóbb tartományban a 457 cm -1 -es jel a Mg- vegyértékrezgés 171, míg a 641 cm -1 -es jel a La- vegyértékrezgés ábra A MgLa hordozó és a i 2+ -MgLa katalizátor FTIR spekruma Pásztázó elektronmikroszkópos viszgálat A MgLa hordozó és a i 2+ -MgLa katalizátor morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóp segítségével (SEM) vizsgálva azt találtuk, hogy a szemcseeloszlás mindkét esetben meglehetősen heterogén, a szemcsék nagy része kb. 5 és 50 µm között van. Ezt a katalizátor esetén 500-szoros nagyítás mellett az 54. ábra szemlélteti. 54. ábra A katalizátor SEM képe 500x nagyítás mellett 64/97

66 agyobb, 4000-szeres nagyítás mellett vizsgáltuk a nikkel felületi eloszlását energiadiszperzív röntgenspektrometria (EDS) segítségével. Az 55. ábrán látható részecske azt mutatta, hogy a fém egyenletesen borítja be a hordozó felületét. 55. ábra A katalizátor SEM képe 4000x nagyítás mellett (balra) és a nikkel felületi eloszlása (jobbra) A hordozó és a katalizátor kvantitatív elemanalízisét a 56. ábra mutatja. A nagyon alacsony klórtartalom azt mutatja, hogy az impregnálás során nem felületi adszorpció, hanem ioncsere történt. Valószínűleg a nikkelionok a hordozó magnéziumionjaival cserélnek (lásd XPS mérések). 56. ábra A hordozó és a katalizátor elemanalízise A Cu 2+ -4A katalizátor vizsgálata A Cu 2+ -4A katalizátort BET, XRD, IR, XPS és SEM módszerekkel jellemeztük. Rézzel módosított A-típusú zeolitot korábban Seff és munkatársai készítettek 174. Drasztikus körülmények között ioncserélték a zeolitot nyomás alatt, magas hőmérsékleten, meglehetősen tömény, ammóniás rézoldatban. Rézzel módosított A zeolitot no és munkatársai is készítettek C oxidációjához 34. Kétféle módosítást is végrehajtottak. Az első eljárás szerint már a zeolit hidrogélből történő szintézise során rézsót adtak a reakcióelegyhez, míg a második eljárásban Seffhez hasonlóan drasztikus ioncserét hajtottak végre. A katalizátorokat használat előtt minden esetben kalcinálták. 65/97

67 A fém bevitelének körülményei minden esetben jelentős hatással vannak a katalizátor fizikaikémiai tulajdonságaira, illetve katalizátorként alkalmazva annak aktivitására. Mi a rezet lényegesen enyhébb körülmények közt vittük fel a katalizátorra, és a kalcinálás bizonyos esetekben kifejezetten rontotta az aktivitást. A katalizátor pontos előállítása a kísérleti részben található. A Cu 2+ -4A katalizátor egy halványzöld színű por, fémtartalma ICP-MS alapján: 5,09 w/w % (0,85 mmol Cu 2+ /g hordozó). A katalizátort nem csupán a hordozóval, hanem az aldoxim - nitril átalakításban tízszer használt katalizátorral (Cu 2+ -4A-10x) is összehasonlítottam. itrogénadszorpciós vizsgálatok Elsőként nitrogénadszorpciós vizsgálatokat végeztünk. A Cu 2+ -4A katalizátor fajlagos felülete BET szerint 361 m 2 /g, amely lényegesen kevesebb az MS-4A hordozó felületénél (800 m 2 /g). A pórustérfogat 0,217 cm 3 /g, amely szintén kisebb a hordozó 0,3 cm 3 /g-os pórustérfogatánál. A mikropórusos térfogat 0,129 cm 3 /g-nak bizonyult. A nitrogén nem tud behatolni az MS-4A pórusaiba. A magas P/P 0 értékeknél tapasztalt hiszterézis (57. ábra) 25,46 nm átmérőjű pórusok jelenlétét mutatja (BJH módszerrel becsülve). 57. ábra A Cu 2+ -4A 2 adszorpciós - deszorpciós izotermái Bázikus helyek meghatározása A tiszta MS-4A egy erősen bázikus karakterű anyag. Korábbi vizsgálataim szerint, ha 1 g MS-4A-t 30 ml vízben kevertettem, a szuszpenzió ph-ja 10,85-ös értékre állt be. Vizsgáltuk a bázikus helyek változását a rézsóval való kezelés után. A bázikus helyek meghatározása C 2 adszorpció - deszorpciójával történt. 150 C-on történő deszorpció után az MS-4A és a Cu 2+ -4A 84 C-nál (0,123x10-3 mol C 2 /g), illetve 127 C-nál (0,596x10-3 mol C 2 /g) adtak egy-egy csúcsot. Ezek a meglehetősen alacsony deszorpciós hőmérsékletek gyenge bázikus helyeket mutatnak. A Cu 2+ erősségét nem növelte. ionok jelenléte a bázikus helyek számának növekedését okozta, de azok 66/97

68 Röntgendiffrakciós vizsgálatok Az MS-4A hordozót, a friss Cu 2+ -4A katalizátort és az aldoxim - nitril átalakításban tízszer használt katalizátort (Cu 2+ -4A-10x) röntgendiffrakcióval vizsgáltuk (58. ábra). Mindhárom röntgendiffraktogram összhangban van az irodalomban található zeolit A diffraktogramokkal 174. A zeolit szerkezete nem változik sem az impregnálás, sem pedig a reakció során. A réz nagy része feltehetően a zeolit felületén helyezkedik el, ezáltal jelentős mértékben nem módosítja annak kristályszerkezetét. 58. ábra Az MS-4A, a Cu 2+ -4A és a Cu 2+ -4A-10x röntgendiffraktogramja XPS vizsgálatok Miután a kristályszerkezetben nem tapasztaltunk változást, a katalizátor felületét röntgenfotoelektron spekroszkópia segítségével vizsgáltuk. A hordozó, a katalizátor és a tízszer használt katalizátor felületi elemanalízisét a 24. táblázat szemlélteti. 24. táblázat Az MS-4A, a Cu 2+ -4A és a Cu 2+ -4A-10x felületi összetétele (mol%) Minta (mol%) Al C Cu a Si MS-4A 7,1 9,7 0,0 4,9 60,3 17,9 Cu 2+ -4A 9,5 7,8 2,9 2,4 60,1 17,3 Cu 2+ -4A-10x 8,8 14,8 2,5 2,3 55,5 16,2 A Cu 2+ -4A felületén lényegesen magasabb a réz koncentrációja (9,48 w/w %, szén nélkül), mint a teljes mintát reprezentáló 5,09 w/w % érték, amelyet ICP-MS segítségével kaptunk. 67/97

69 Amiből arra következtethetünk, hogy a réz nagy része a hordozó felületén helyezkedik el. A réz mennyisége az aldoxim - nitril átalakításban használt katalizátor esetén csökkent, ami összhangban van a katalizátor visszaforgathatóságának vizsgálatakor kapott eredményekkel, lásd fejezet. A katalizátor felületi összetételét tömegszázalékban a felületen jelen levő széntől eltekintve a 25. táblázat szemlélteti. 25. táblázat Az MS-4A, a Cu 2+ -4A és a Cu 2+ -4A-10x felületi összetétele (w/w%) Minta (w/w%) Al Cu a Si MS-4A 10,8 0,0 6,4 54,5 28,4 Cu 2+ -4A 13,2 9,5 2,8 49,5 25,0 Cu 2+ -4A-10x 13,2 8,9 3,0 49,5 25,4 Mind a CuLVV Auger átmenet pozíciója (913,6 ev kinetikus energiánál), mind pedig a Cu 2p csúcs alakja (illetve szatellitjeinek az eloszlása 175 ) azt mutatja, hogy a réz oxidált állapotban található a katalizátor felületén (59. ábra). A Cu 2+ -4A-10x felületén lényegesen magasabb százalékban fordult elő szén, ennek egy része 288,7 ev-os kötési energiánál, amely egy C= csoportot tartalmazó vegyületből származhat 176. A rézzel módosított molekulaszita esetén a nátrium mennyisége jelentős mértékben csökken, amiből arra következtethetünk, hogy a réz ioncserével kerül a felületre. 68/97

70 59. ábra A Cu 2+ -4A és a Cu 2+ -4A-10x XPS spektrumának részlete (Cu 2p csúcsai és annak szatellitjei) Érdekes, hogy a tízszer használt minta esetén a részletes spektrumfelvétel alatt a minta folyamatosan változott. A mérés körülményei között (nagy vákuum, erős röntgensugárzás) a felületen levő réz oxidált állapotúból elemi állapotúvá alakult (60. ábra). Ilyen ún. sugárzási károsodást általában akkor szoktak megfigyelni, amikor különböző szerves anyagok vannak a felületen 175, amelyek képesek a felületi fémionokat redukálni. 60. ábra A Cu 2+ -4A-10x minta Cu2p csúcsai részletes spektrumfelvétel után IR vizsgálatok A hordozó, a Cu 2+ -4A katalizátor és a tízszer használt katalizátor (Cu 2+ -4A-10x) FTIR spektrumai jó egyezést mutatnak (61. ábra). A spektrumok összhangban vannak az irodalomból ismert A típusú zeolit spektrumokkal 177. Az 1600 cm 1 -nél jelentkező jelek az adszorbeált víznek 69/97

71 tulajdoníthatóak. A széles jelek a cm 1 -es tartományban általánosságban a felületi szilanolcsoportok -H vegyértékrezgéseiként asszignálhatóak. A Cu 2+ -4A-10x esetében egy új jelet észlelhetünk az cm 1 -es tartományban. Ez lehetőséget ad a felületen levő szennyező azonosítására. Azt találtuk, hogy az új jel a reakció melléktermékeként keletkező adszorbeált acetamid CH 3 szimmetrikus és aszimmetrikus deformációs rezgéseként, illetve a C- vegyértékrezgéseként asszignálható (rendre 1380 cm 1, 1440 cm 1, and 1407 cm 1 folyadékfázisban 178 ). Lehetőségként felmerült az oldószerként használt acetonitril is, amely hasonló jeleket ad ebben a tartományban, viszont esetünkben a C vegyértékrezgés nem észlelhető 2267 cm 1 -nél 179. Az IR spekrum jó egyezést mutat az XPS-ben tapasztalt karbonilcsoportot tartalmazó szerves vegyülettel. 61. ábra Az MS-4A, Cu 2+ -4A és a Cu 2+ -4A-10x FTIR spektruma Pásztázó elektronmikroszkópos viszgálat Az MS-4A hordozó, a Cu 2+ -4A katalizátor és a tízszer használt Cu 2+ -4A-10x morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóp segítségével (SEM) vizsgáltuk. A mikroszkópos képen köbös zeolitkristályokat láthatunk, a legtöbb szemcse a 2,5-5 µm-es tartományban található. A katalizátort 1000-szeres nagyítás mellett a 62. ábra szemlélteti. Az EDS nem mutatott heterogenitást a réz felületi eloszlásában, ez igaz a tízszer használt katalizátorra is. 70/97

72 62. ábra A katalizátor SEM képe 1000x nagyítás mellett A katalizátor a tízszeri használat után jelentősen aprózódott, a legtöbb szemcse a 0-2,5 µm-es tartományba került (63. ábra). 63. ábra A Cu 2+ -4A-10x SEM képe 1000x nagyítás mellett A 64. ábrán két jellegzetes katalizátorszemcse található 5000-szeres és szeres nagyítás mellett. 71/97

73 64. ábra A katalizátor SEM képe 5000x és 20000x nagyítás mellett 72/97