Biológiailag aktív vegyületek királis építőelemeinek szintézise enantioszelektív hidrogénezéssel folyamatos átáramlásos mikrofluidikai csatornareaktorban Synthesis of biologically active chiral compounds by enantioselective hydrogenation in a microfluid-based high throughput continuous flow reactor Nánási Balázs a, Madarász József a, Balogh Szabolcs a, Farkas Gergely a, Ürge László b, Darvas Ferenc b, Bakos József a a Pannon Egyetem, Mérnöki Kar, Szerves Kémia Intézeti Tanszék 8200, Veszprém, Egyetem utca 10. b ThalesNano Nanotechnológiai Zrt. 1031, Budapest, Záhony utca 7., Graphisoft Park Summary Highly active immobilized hydrogenation catalytic systems were developed and used in H-Cube hydrogenation reactor. "In situ" produced [Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2 ]BF 4 complex was immobilized on Al 2 O 3 and Al 2 O 3 -TUD-1 by means of PTA. The optimum reaction conditions were determined and studied at different temperature, pressure and flow rate values. Furthermore, the effect of the substrate concentration, the stability of the complex and the effect of the solvent at different temperatures were investigated. A continuous flow reaction system using a stationary phase catalyst for the asymmetric hydrogenation of α-acetamido-acrylic acid methyl ester was developed and run continuously for 12 h with 100% conversion and 96-97% enantioselectivity. Bevezetés A molekuláris kiralitás pontos szabályozása egyre fontosabb szerepet játszik a kémiában, az élő- és anyagtudományban. Az aszimmetrikus katalízis az optikailag tiszta enantiomerek előállításának leghatékonyabb módszere [1]. Az akirális fémkomplex kis mennyisége optikailag aktív vegyülettel módosítva királis információt hordoz, és visz át a katalitikus folyamatban keletkező termék nagy mennyiségére. A gyakorlat számára ideális katalizátorra a nagy aktivitás, szelektivitás, stabilitás, könnyen elérhető ligandum és enzimszerű sztereoszelektivitás jellemző [2-4]. Horner [5] és Knowles [6] korai felismerése elvezetett az enzimatikus rendszereket megközelítő hatékonyságú hidrogénező katalizátorok kifejlesztéséhez. Az aszimmetrikus hidrogénezés területén a kétfogú kelátképző ligandumok katalitikus alkalmazása mellett újra fontos szerephez jutottak az egyfogú ligandumokkal képzett katalizátorrendszerek [7,8]. A kétfogú ligandumok rendkívül jó szelektivitása a képződött kelátkomplex nagy konformációs merevségének köszönhető, amely azonban növelhető oly módon is, ha két nagy sztérikus igényű egyfogú ligandum koordinálódik, korlátozva ezzel egymás mozgási szabadságát. Ezen felismerés alapján magyarázhatók a de Vries és Feringa által elsőként alkalmazott foszforamidit típusú (S)-MonoPhos (1. ábra) ligandummal elért rendkívül jó eredmények. 1. ábra. Az (S)-MonoPhos ligandum Az ipari méretű gyártási technológiákkal kapcsolatban felmerülő legalapvetőbb igény a termék egyszerű elválaszthatósága, valamint a katalizátor újrahasznosítása. A homogénkatalitikus rendszerekkel szemben, a katalizátorok immobilizálásával kielégíthetők ezek az igények. Ionos átmenetifém-komplexek immobilizálására dolgoztak ki eljárást Augustine és munkatársai [9]. A módszer szerint a komplexet egy kapcsolóegységen keresztül rögzítik a szervetlen hordozó felületén. Szervetlen hordozóként Al 2 O 3 -ot, kapcsoló komponensként pedig heteropolisavat alkalmaztak, melyet hidrogénhíd kötés rögzít a szilárd hordozó felületén. A kapcsolókomponens erős sav lévén könnyen deprotonálódik, majd az így kialakult anion és a komplex kation közötti elektrosztatikus kölcsönhatás rögzíti a komplexet (2. ábra). A hordozó fajlagos felülete mintegy 150 m 2 /g.
magyarázatot ad a nyomás csökkenése mellett bekövetkező optikai tisztaság növekedésre is. 2. ábra. Heterogenizált katalizátor Később Sheldon és munkatársai olyan háromdimenziós, mezopórusos szerkezetű hordozó előállítását dolgozták ki, melynek fajlagos felülete akár több mint 300 m 2 /g is lehet [11]. Munkánk során Augustine rendszerű (Al 2O 3 ), illetve mezopórusos (Al 2 O 3 -TUD-1) hordozón immobilizált MonoPhos ligandummal módosított ródiumtartalmú katalizátorrendszereket vizsgáltunk. Az aszimmetrikus hidrogénezés mechanizmusa A Halpern által javasolt mechanizmus [12] szerint (3. ábra) a katalitikus ciklus első lépésében a diolefin (általában COD vagy NBD) hidrogéneződik, majd kialakul az oldószer-komplex. A prokirális, kétfogú ligandumként viselkedő szubsztrátum kétféle koordinációja révén diasztereomer szubsztrátumkomplexek képződnek, melyek egyensúlyban vannak egymással. A diasztereomerek egyensúlyi koncentrációját termodinamikai tényezők határozzák meg. A ciklus következő lépése a hidrogén oxidatív addíciója, mely a dihidrido ródium-komplexek kialakulását eredményezi. A kisebb koncentrációban jelenlévő diasztereomer szubsztrátum komplex nagyságrendekkel gyorsabban reagál a hidrogénnel, mint a nagyobb koncentrációjú diasztereomer. A termék kiralitását eszerint tehát nem a szubsztrátum egyik oldalának kedvezőbb koordinációja, hanem a kisebb koncentrációjú diasztereomer nagyobb reakciókészsége határozza meg. A hidrogén inzercióját követő reduktív elimináció eredményezi a megfelelő konfigurációjú terméket és az oldószer-komplexet. A vázolt mechanizmust Halpern kinetikai mérésekkel és spektroszkópiai szerkezetazonosító kísérletekkel támasztotta alá. A katalitikus ciklus sebességmeghatározó lépése szobahőmérsékleten a hidrogén oxidatív addíciója, alacsonyabb hőmérsékleten (- 40 C) pedig a reduktív elimináció. A mechanizmus 3. ábra. Az enantioszelektív hidrogénezés mechanizmusa Az H-Cube mikrofluidikai reaktor A zöld kémiának az elmúlt tíz évben világszerte tapasztalható rohamos terjedése annak a felismerésnek köszönhető, mely szerint az egészségre ártalmatlan termékek előállítása és környezetbarát technológiák alkalmazása hosszútávon a leggazdaságosabb. Anastas és Warner a zöld kémia alapelveit 12 pontban foglalták össze [13]. Az FDA döntése értelmében 2000-től csak az optikailag tiszta hatóanyagokat tartalmazó gyógyszerek hozhatók forgalomba. Ennek hatására egyre nagyobb az igény nagy hatékonyságú, gyors szintézisekre. A ThalesNano Nanotechnológiai ZRt. H-Cube mikrofluidikai reaktora [14, 15] (4. ábra) a zöld kémiai alapelvek több pontját is kielégíti. Az H- Cube a világ első nagynyomású, folyamatos üzemmódú mikrofluidikai hidrogénező készüléke, kapszulába zárt nanostruktúrált heterogén katalizátorokkal (CatCart ) működik és heterogénkatalitikus rendszerek gyors, hatékony vizsgálatát teszi lehetővé. Szemben az eddig elterjedt nagyméretű készülékekkel, amelyek működtetéséhez külön robbanásbiztos helyiségre volt szükség, a cipősdoboz nagyságú H-Cube a szokásos kémiai laboratóriumok fülkéjében is használható. Az H- Cube készülékkel a reakcióidő jelentősen csökken, sőt eddig megvalósíthatatlannak hitt kémiai átalakítások is kivitelezhetők a segítségével.
-acetamido- hidrogénezési A heterogenizált katalizátorokat α akrilsav-metil-észter aszimmetrikus reakciójában vizsgáltuk (5. ábra). A kísérleteink során alkalmazott rendszerek az Al 2 O 3 /PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2 ] illetve az Al 2 O 3 -TUD-1/PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2 ] voltak. Mindkét rendszer esetében foszforvolfrámsav kapcsolókomponenst (PTA) alkalmaztunk, míg a katalizátor-komplex a [Rh(COD)((S)- MonoPhos) 2 ] + volt. 5. ábra α-acetamido-akrilsav-metil-észter hidrogénezése Kísérleteink során különböző paraméterek hatását vizsgáltuk a reakció aktivitására és szelektivitására, melyek a nyomás, a hőmérséklet, a térfogatáram, a szubsztrátum koncentrációja és az oldószer-hatás voltak. 4. ábra. Az H-Cube Az H-Cube képes széles spektrumon hidrogénezni: szobahőmérséklettől 100 o C-ig változtatható a hőmérséklet, a nyomás az atmoszférikustól 100 bar-ig szabályozható. Alapfunkcióban a reagens (a szubsztrátum oldata) folyamatos áramlását a CatCart -on keresztül HPLC pumpa biztosítja. A reakcióhoz szükséges nagy tisztaságú hidrogént a készülék állítja elő az elektrolizáló cellában, desztillált vízből. A keletkezett hidrogént membrán szeparációval választja el az oxigéntől. A készülék a hidrogéngázt a keverőben adagolja a reakcióelegyhez. A buborékszámláló érzékeli a gáz és a reagens arányát, majd az elegyet az előmelegítő a kívánt hőmérsékletre állítja be, ezt követően a reakcióelegy belép a CatCart -ba. A CatCart előre betöltött és heterogenizált katalizátort tartalmaz, ez a reaktor. A reakcióelegy a CatCart -ból kilépve áthalad a nyomásérzékelőn és a nyomásszabályozón, majd kilép a készülékből. A legtöbb reakcióban könnyen eltávolítható oldószert alkalmazunk. Eredmények és értékelésük A nyomás hatása 1. diagram A nyomás hatása; Reakciókörülmények: Katalizátor: Al 2 O 3 /PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2 ], a szubsztrátum koncentrációja: 0,05 M, oldószer: EtOAc, térfogatáram: 0,1 ml/perc, hőmérséklet: 20 C, nyomásesés a CatCart oszlopon 3 bar. A termék optikai hozamát és konverzióját GC analízissel határoztuk meg. A nyomást 1 barról 30 barra növelve az optikai hozam csökkent, de a változás mértéke kicsi. Az átalakítási frekvencia 14,0 h -1 -ről 17,0 h -1 -ra nőtt, mindez összhangban van a várható eredménnyel, hiszen a hidrogén nyomását növelve nő a hidrogén oxidatív addíciójának sebessége (1. diagram). A CatCart oszlopon 3 bar a nyomásesés, vagyis ha 10 bar a beállított nyomás, akkor az oszlop belépő oldalán 13 bar a hidrogén nyomása, míg a kilépő oldalon a kívánt 10 bar. A koncentráció hatása
A szubsztrátum koncentráció növelésének hatására a szelektivitás kis mértékben, míg a konverzió nagy mértékben csökkent. A konverzió csökkenése összhangban van a várható eredménnyel. A jelenség magyarázata az, hogy a CatCart -ban a S/Rh arány 0,47, ami rendkívül alacsony érték. Kis térfogatáram (0,1 ml/perc) alkalmazásakor a leghosszabb, körülbelül 134 másodperc a tartózkodási idő a CatCart oszlopon, míg 0,4 ml/perc térfogatáram mellett mindez jelentősen csökken, mintegy 34 másodperc. A kis reakcióidő mellett nem elhanyagolható a komponenstranszporthoz szükséges idő sem. A térfogatáramnövelés hatására az átalakítási frekvencia 17,1 h -1 -ről 31,2 h -1 -re nőtt. Az optikai hozam 97,8%-ről 95,8%- re csökkent (3. diagram). 2. diagram A koncentráció hatása; Reakciókörülmények: Katalizátor: Al 2 O 3 /PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2 ] hőmérséklet: 20 C, oldószer: EtOAc, térfogatáram: 0,1 ml/perc, hidrogén nyomás: 1 bar. A szubsztrátum koncentrációjának kismértékű növelésével egyre jobban terheljük a katalizátorrendszert, az átalakítási frekvencia a S/Rh arány 9,5-ös értékénél éri el a maximumot. A szubsztrátum koncentráció további növelésével csökken az átalakítási frekvencia. Az Al2O 3 /PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2 ] katalizátor-rendszer átalakítási frekvenciája 21,8 h -1 - ről 489,4 h -1 -re nőtt. A szubsztrátum koncentrációja az oldhatósági korlát miatt nem növelhető tovább. Az enantioszelektivitás alig változott, 96,9%-ról 92,9%-re, valószínűleg a nagy aktivitás miatt (2. diagram). Feltételezhető, hogy a nagy feleslegben jelenlévő szubsztrátum esetén az egyensúly könnyebben tolódik el a szubsztrátum-komplex irányába, gyorsítva ezáltal a hidrogénezési reakció sebességét. A térfogatáram hatása 3. diagram A térfogatáram hatása; Reakciókörülmények: Katalizátor: Al 2 O 3 /PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2 ], a szubsztrátum koncentrációja: 0,05 M, oldószer: EtOAc, hőmérséklet: 20 C, hidrogén nyomás: 1 bar. A térfogatáram hatásának vizsgálata során inert körülmények között gyűjtöttük a reakcióelegyet (~25mL). ICP-AES segítségével meghatároztuk a leoldódott foszfor és ródium mennyiségét. A katalizátoron rögzített ródiumnak csak 0,3%-a oldódott le. Jogosnak tűnhet tehát a kérdés, vajon a leoldódott komplex homogén katalizátorként viselkedik? Ennek vizsgálatához az összegyűjtött mintát 10 bar hidrogénnyomáson 2 órán keresztül kevertettük autoklávban. A reakcióelegy összetételét gázkromatográfiás elemzéssel határoztuk meg. Az elegy összetétele nem változott meg, tehát nem játszódik le homogén-katalitikus hidrogénezés az H- Cube reaktorban, a katalitikusan aktív rendszert kizárólag az immobilizált komplex alkotja. Az oldószer hatása Az Al 2 O 3 /PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2 ] katalizátor aktivitásának és szelektivitásának oldószer-függését vizsgáltuk különböző hőmérsékleteken.
A nagyfelületű mezopórusos Al 2 O 3 -TUD-1 hordozót nem felületaktív teraetilén-glikol felhasználásával nyertük. Az H-Cube folyamatos üzemmódban, 12 órán át 96% feletti enantioszelektivitással és 100%-os konverzióval szolgáltatta az N-acetil-alanint (2. táblázat, 6-7. diagram). 4. diagram Az oldószer hatása az átalakítási frekvenciára 5. diagram Az oldószer hatása az enantioszelektivitásra A legjobb optikai hozamot és aktivitást az etilacetát alkalmazásával tapasztaltuk, ezt követi az etanol, majd a metanol (4. és 5. diagram). Megállapítható tehát, hogy katalizátorrendszerünk protikus oldószerekben nem használható. Etilacetátos közegben az enantioszelektivitás 96,3% és 93,6% között változik, míg az átalakítási frekvencia 50-60 C-on nagy mértékben csökkent 17,6 h -1 -ról 6,3 h -1 -ra, feltételezhetően a katalizátor-komplex leoldódása és bomlása miatt. 2. táblázat α-acetamido-akrilsav-metil-észter aszimmetrikus hidrogénezése Al 2 O 3 -TUD-1 hordozón rögzített katalizátorral Al2O 3-TUD-1/PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2] t Enantioszel. Konv. Átal. Frek. [perc] [%] [%] [h -1 ] Átal. Szám. 0 97,2 (R) 100 141,3 130 40 97,1 (R) 100 141,3 224 160 97,0 (R) 100 141,3 506 280 96,9 (R) 100 141,3 789 340 97,2 (R) 100 141,3 930 520 96,6 (R) 100 141,3 1354 580 96,9 (R) 100 141,3 1495 640 97,1 (R) 100 141,3 1637 700 96,3 (R) 100 141,3 1778 820 89,5 (R) 91,3 129,0 2036 880 91,5 (R) 88,1 124,4 2160 940 91,4 (R) 74,1 104,7 2265 1000 91,4 (R) 74,9 105,8 2371 1060 91,6 (R) 63,3 89,4 2460 Reakciókörülmények: a szubsztrátum koncentrációja: 0,2 M, hőmérséklet: RT, oldószer: EtOAc, térfogatáram: 0,1 ml/perc, hidrogén nyomás: 1 bar. A katalizátor hordozók összehasonlítása A kereskedelemben beszerezhető, viszonylag kis felületű Al 2 O 3 hordozón körülbelül 10 órán át megközelítőleg kvantitatív átalakulással, 95-97%- os enantioszelektivitást értünk el. (1. táblázat) 1. táblázat α-acetamido-akrilsav-metil-észter aszimmetrikus hidrogénezése Al 2O 3 hordozón rögzített katalizátorral Al2O 3/PTA/[Rh(COD)((S)-MonoPhos) 2] t Enantioszel. Konv. Átal. Frek. [perc] [%] [%] [h -1 ] Átal. Szám 0 94,9 (R) 86,3 14,7 11 60 96,0 (R) 91,5 15,6 22 120 96,3 (R) 90,2 15,3 34 180 96,1 (R) 85,3 14,5 45 240 96,3 (R) 85,2 14,5 56 360 97,1 (R) 82,7 14,1 66 510 95,0 (R) 74,4 12,7 76 1260 10,6 (R) 9,9 1,7 77 Reakciókörülmények: a szubsztrátum koncentrációja: 0,05 M, hőmérséklet: RT, oldószer: EtOAc, térfogatáram: 0,1 ml/perc, hidrogén nyomás: 1 bar. 6. diagram. A hordozó hatása az enantioszelektivitásra 7. diagram A hordozó hatása az átalakítási frekvenciára
Összefoglalás Bizonyítottuk, hogy az H-Cube mikroreaktorral rövid idő alatt, kis mennyiségű szubsztrátum és oldószer felhasználásával optimalizálható a reakció. Megmutattuk, hogy a módszer a biológiailag aktív építőelemek hidrogénezéssel történő előállításának hatékony eszköze. A gömblombikok laboratóriumból történő eltűnésének időpontját ugyan pontosan még nem tudjuk megbecsülni, az azonban bizonyos, hogy a folyamatos üzemű mikroreaktorok térnyerése a laboratóriumi munkában töretlen. Köszönetnyilvánítás [11]Simons, C., Hanefeld, U., Arends, I. W. C. E., Maschmeyer, T., Sheldon, R. A., J. Catal. 2006, 239, 212-219. [12]Chan, A. S. C., Pluth, J. J., Halpern, J. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 5952. [13]Anastas, P. T., Warner, J. C., Green Chemistry: Theory and Pactice, Oxford University Press, Oxford 1998. [14]Jones, R., Gödörházy, L., Szalay, D., Ürge, L., Darvas, F., QSAR & Combinatorial Science 2005, 4, 722. [15]Kovács, I., Jones, R. V., Niesz, K., Csajági, Cs., Borcsek, B., Darvas, F., Ürge, L., Journal of the Association for Laboratory Automation 2007, 12, 284. A szerzők köszönik a Jedlik Ányos programnak a kutatás pénzügyi támogatását (NKFP 07 A2 FLOWREAC). Köszönetet mondunk Édes Béla és Dr. Fekete Miklósné vegyésztechnikusoknak a laboratóriumi kísérleti munkákban nyújtott önzetlen segítségükért. Irodalom [1]Noyori, R., Asymmetric Catalysis in Organic Synthesis, Wiley, New York 1994. [2]Ojima, I., Catalytic Asymmetric Synthesis, Eds., VCH, New York 1999. [3]Comprehensive Asymmetric Catalysis, Jacobsen, E. N., Pfaltz, A., Yamamoto, H., Eds., Springer, Berlin 1999. [4]Brunner, H., Zettlmeier, W. Handbook of Enantioselective Catalysis, Eds., VCH, New York 1993. [5]Horner, L., Büthe, H., Siegel, H., Angew. Chem. 1968, 80, 1034. [6]Knowles, W. S., Sabacky, M. J. J., Chem. Soc. Chem. Commun. 1968, 1445. [7]Claver, C., Fernandez, E., Gillon, A., Heslop, K., Hyett, D. J., Martorell, A., Orpen, A. G., Pringle, P. G., Chem. Commun. 2000, 961. [8]van den Berg, M.; Minnaard, A. J., Schudde, E. P., van Esch, J., de Vries, A. H. M., de Vries, J. G., Feringa, B. L., J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 11539-11540. [9]Augustine, R., Tanielyan, S., Anderson, S., Yang, H., Chem. Commun. 1999, 1257-1258. [10]Simons, C., Hanefeld, U., Arends, I. W. C. E., Sheldon, R. A., Maschmeyer, T., Chem. Eur. J. 2004, 10, 5829-5835.