Katalizatory palladowe stosowane w reakcjach syntezy na nośnikach stałych

Wstęp 2
Przykłady najczęściej stosowanych reakcji przy użyciu katalizatorów palladowych. 3
Reakcja Hecka 4
Reakcja Suzuki-Miyaura 4
Reakcja Sonogashiry 4
Reakcja Stille’a 5
Reakcja Kumada-/Tamao-/Corriu i Negishi 5
Reakcja aminacji (arylacji amin) 6
Katalizatory homogeniczne stosowane w reakcjach syntezy na nośnikach stałych. 6
Katalizatory heterogeniczne i heterogenizowane 8
Koloidy metali jako katalizatory 16
Wnioski 18
Literatura: 18





Wstęp

Pod pojęciem syntezy na nośniku stałym rozumiemy reakcję odbywającą się na granicy faz ciało stałe – ciecz. Często niezbędnym warunkiem zajścia reakcji jest obecność katalizatora. Systemy katalityczne można ogólnie podzielić na:
1. konwencjonalna kataliza homogeniczna
2. kataliza klasterami metali
3. kataliza klasterami na nośnikach
4. konwencjonalna kataliza heterogeniczna
Podczas gdy 1 i 4 stanowią dwie skrajne możliwości katalitycznej syntezy, to
w przypadku 2 i 3 mamy do czynienia z sytuacją pośrednią. W reakcjach syntezy organicznej szczególną rolę odgrywa pallad, który znalazł zastosowanie we wszystkich wyżej wymienionych typach reakcji katalitycznych.
Forma w jakiej występuje układ katalityczny ma szczególne znaczenie w efektywności przeprowadzanych reakcji [1]. Istnieją tutaj ogromne możliwości w wyborze komponentów
z jakich składa się system katalityczny, jak na przykład kataliza przy pomocy koloidalnych roztworów nanocząstek metali, układów naniesionych na nośnik itp. Możliwa jest także sytuacja, gdy substrat został naniesiony na nośnik stały, zaś katalizator znajduje się
w roztworze [1].


Przykłady najczęściej stosowanych reakcji przy użyciu katalizatorów palladowych.

Najważniejszymi reakcjami w syntezie organicznej są reakcje tworzenia nowych wiązań C-C [2]. Spośród wielu metali przejściowych, od wielu lat szczególna uwaga poświęcona jest związkom palladu ze względu na ich ogromne zastosowanie w syntezie organicznej, zarówno na skalę laboratoryjną jak i przemysłową. Obecnie ponad 90 reakcji organicznych katalizowanych jest przez związki palladu, jednakże nie wszystkie znalazły zastosowanie w przemyśle. Do najważniejszych zaliczyć można reakcje halogenków arylowych prowadzące do powstania kwasów karboksylowych, estrów, amidów, związków bifenylowych, nowych olefin, itd.

Rys 1. Przykłady reakcji krzyżowego sprzęgania (cross-coupling reactions) katalizowanych przez pallad i jego związki [3].

Reakcja Hecka

Dotychczas powstało wiele publikacji poświęconych katalizatorom palladowym stosowanych w reakcjach Hecka, prowadzących do powstania olefin zawierających w swojej budowie grupę fenylową. Najczęściej używanymi katalizatorami są kompleksy palladu
z ligandami fosfinowymi lub karbenowymi [4]. Jednakże jako katalizator z powodzeniem stosować można nanocząstki Pd(0) wielkości 2–6 nm w mieszaninie benzotiazolu z TBAA (octan tetrabutyloamonu) lub TBAB (bromek tetrabutyloamonu) – zaletą takiego układu jest wysoka stereospecyficzność reakcji [3].

Rys 2. Ogólny schemat reakcji Hecka
Reakcja Suzuki-Miyaura

Sprzęganie halogenków arylowych i winylowych z arylowymi lub winylowymi związkami boru, reakcja Suzuki-Miyaura, prowadzi do powstania niesymetrycznych związków biarylowych, co jest szczególnie ważne przy syntezie wielu leków, czy produktów naturalnych [3].

Rys 3. Ogólny schemat reakcji Suzuki-Miyaura [5]

Reakcja Sonogashiry

Aryloalkiny odgrywają istotną rolę w syntezie zarówno związków biologicznie czynnych jak i w produkcji nowych materiałów. Reakcja Sonogashiry pomiędzy terminalnymi alkinami a halogenkami arylowymi jest prostą i użyteczna metodą ich otrzymywania [3]. W reakcjach tych nie tylko używa się samego katalizatora palladowego, lecz także do mieszaniny reakcyjnej dodaje się często CuJ jako ko-katalizatora, który regeneruje zużyty w cyklu reakcyjnym katalizator.


Rys 4. Ogólny schemat reakcji Sonogashiry [7].

Reakcja Stille’a

Zasadniczą wadą tej reakcji jest użycie wysoce toksycznych arylo-
i winyloorganicznych związków cyny. Pomimo to znalazła szerokie zastosowanie ze względu na wysoką selektywność reakcji [3].

Rys 5. Schemat przedstawiający reakcję Stille’a [7].

Reakcja Kumada-/Tamao-/Corriu i Negishi

Związki palladu podobnie jak niklu, katalizują reakcję arylowych związków Grignarda z halogenkami i eterami arylowymi – jest to jedna z wcześniejszych metod otrzymywania niesymetrycznych związków biarylowych [3]. Reakcję tą po raz pierwszy przeprowadzili Kumada i Corriu w 1972 roku, stosując katalizator niklowy. W 1975 roku Murahashi przeprowadził tą reakcję, stosując tym razem katalizator palladowy. Jedyną wadą związków magnezoorganicznych jest ich polarny charakter, co wyklucza użycie wielu potencjalnych reagentów. Zastosowanie związków cynkoorganicznych (reakcja Negishi) pozwala ominąć ten problem. W przeciwieństwie do reakcji Kumada-/Tamao-/Corriu, możliwe jest użycie związków zawierających grupy funkcyjne takie jak aldehydowa, amidowa, cyjanowa, czy nitrowa.
W reakcjach katalizowanych przez związki palladu osiągana jest wysoka wydajność przy użyciu dowolnego halogenku arylowego.


Rys 6. Schemat przedstawiający reakcję halogenków arylowych z arylowymi związkami Grignarda przy użyciu katalizatorów palladowych. Analogicznie przebiega reakcja Negishi [7].

Reakcja aminacji (arylacji amin)

Reakcja katalityczna halogenków arylowych z drugorzędowymi aminami przy użyciu katalizatorów palladowych została odkryta w 1995 roku przez Buchwalda i Hartwiga [3].
Reakcja ta ma szczególne znaczenie w przemyśle farmaceutycznym, rolnictwie oraz produkcji nowych materiałów. Podobnie jak w reakcji Hecka najczęściej stosowanymi katalizatorami są fosfinowe i karbenowe kompleksy palladu [6], [7].

Rys 7. Ogólny schemat reakcji aminacji halogenków arylowych.



Katalizatory homogeniczne stosowane w reakcjach syntezy na nośnikach stałych.

Reakcje, w których substrat związany jest do nośnika stałego często używane
w syntezie organicznej i chemii kombinatorycznej [1]. Jako przykład może posłużyć reakcja Hecka między halogenkami arylowymi naniesionymi na stały nośnik, a związkami zawierającymi w swojej budowie wiązanie podwójne lub odwrotnie na nośnik naniesione są alkeny i reagują z rozpuszczonymi w roztworze halogenkami arylowymi.

Rys 8. Homogeniczny katalizator palladowy w reakcji Hecka, w której halogenek arylowy naniesiony jest na nośnik stały.

Wprawdzie najczęściej stosowanymi katalizatorami palladowymi w tej jest Pd(OAc)2 lub Pd2(dba)3, Ph3P lub (o-Tol)3P, jednakże z powodzeniem używać można inne katalizatory palladowe. Znanych jest wiele katalizatorów palladowych [2],[4], a w szczególności zawierających w swojej budowie fragment fosfinowy.


Rys 9. Przykłady kompleksów palladowych zawierających w swojej budowie ligandy fosfinowe.

Alternatywą dla tych katalizatorów są karbenowe kompleksy palladu. Nie zawierają one fosforu, co jest zgodne z zaleceniami „Zielonej Chemii”, zaś wykazują takie same,
a w niektórych reakcjach nawet lepsze, właściwości katalityczne.

Rys 10. Wybrane przykłady kompleksów palladu z N,N’-heterocyklicznymi karbenami [2],[4].

Najważniejszą zaletą stosowania katalizatorów homogenicznych w reakcjach syntezy na nośnikach stałych jest wysoka selektywność i aktywność katalizatora. Rozwój chemii koordynacyjnej, a w szczególności chemii metaloorganicznej, umożliwił pełną charakterystykę katalizatorów kompleksowych oraz badanie mechanizmów reakcji katalitycznych.

Jednakże największą niedogodnością w przypadku katalizy homogenicznej jest oddzielenie katalizatora od powstałego produktu. Problem ten nie dotyczy sytuacji, gdy substrat, a następnie produkt reakcji jest przyłączony do nośnika. Wówczas łatwe jest oddzielenie katalizatora od powstałego produktu.



Katalizatory heterogeniczne i heterogenizowane

Katalizatory heterogenizowane stanowią pośrednią formę pomiędzy klasycznymi katalizatorami homogenicznymi, a katalizatorami hetrogenicznymi. Połączenie centrum aktywnego jakim jest metal przejściowy z nośnikiem stałym (najczęściej silikażelem lub polimerem) odbywa poprzez co najmniej jedno wiązanie. Kompleksy polimer-metal powstają najczęściej w wyniku reakcji pomiędzy polimerem posiadającym grupy funkcyjne zdolne do koordynacji, a metalem (lub jego jonem) [11].


Rys 11. Przykładowy schemat przedstawiający powstawanie katalizatora heterogenizowanego.

Poniżej znajdują się typowe grupy funkcyjne występujące w polimerach, które mogą koordynować do metalu tworząc związek kompleksowy połączony z polimerem.




Często stosowaną techniką otrzymywania katalizatorów heterogenizowanych jest polimeryzacja kompleksu, jak przedstawia to poniższy rysunek.


Rys 12. Schemat polimeryzacji kompleksu w wyniku czego otrzymuje się katalizator heterogenizowany.

Kompleksy polimer-metal są często rozpuszczalne w wodzie lub rozpuszczalniku organicznym. Najważniejszą zaletą katalizatorów homogenicznych oraz homogenizowanych jest łatwe oddzielenie powstałych produktów od katalizatora. Ponadto katalizatory heterogenizowane (podobnie zresztą jak katalizatory homogeniczne) posiadają przeważnie jeden typ centrów aktywnych, co powoduje wysoka aktywność przypadającą na atom metalu oraz często wysoką selektywność reakcji. Wadą takiego układu jest większa podatność na zatrucie oraz wymywanie katalizatora z nośnika. Dlatego przy projektowaniu nowych katalizatorów heterogenicznych niezwykle ważnym aspektem jest silne związanie centrum aktywnego z nośnikiem.

Rys 13. Nanoszenie katalizatora karbenowego na nośnik [8], [9].

Najlepsze efekty w reakcji Hecka osiągnięto gdy nośnikiem tym jest
(4-bromometylo)fenoksymetylopolistyren. NHC silnie wiąże się do centrum metalicznego, powodując efekt trans – wydłużenie wiązań Pd-X i tym samym zwiększenie reaktywności kompleksu. Prekursorem katalizatora jest tutaj octan palladu, ,którego reakcja z halogenkiem imidazolowym prowadzi do powstania palladowego kompleksu karbenowego. Octan służy do oderwania atomu wodoru od atomu węgla pierścienia imidazolowego.

Wpływ efektu tran widoczny jest także w reaktywności poniższego kompleksu. Silne wiązanie chelatowe Pd-N jest krótkie, powoduje osłabienie wiązania monodentnych ligandów chlorkowych i tym samym wzrost reaktywności katalizatora.

Rys 14. Przykład katalizatora heterogenizowanego, gdzie wskutek chelatacji powstaje palladocykliczne centrum katalityczne [1].
Kompleks bipirydynowy palladu (II) zakotwiczony jest wewnątrz kanałów nośnika. Wielkość tych kanałów jest rzędu kilku nanometrów. Dzięki zastosowaniu tego katalizatora
w reakcjach bromków i jodków arylowych z styrenem i akrylanami alkolowymi osiągnięto wydajność 70 – 98% przy zastosowaniu temperatury 100 - 170º w czasie 16 – 96 godzin.


Stille, Hegeduz, wraz ze współpracownikami po raz pierwszy użyli osadzonego na nośniku bis(difenylofosfino)ferrocenu, do którego skoordynowany jest atom palladu[9]. Koordynacja następuje poprzez atomy fosforu grup difenylofosfinowych. Ponadto z atomem palladu łączą się dwa ligandy fenylofosfinowe. Atom palladu, podobnie jak dla Pd(PPh3)4 koordynuje 4 atomy fosforu tworząc tetraedr [10]. Jest to dość rzadko spotykana geometria kompleksów palladowych, które zazwyczaj tworzą strukturę kwadratu.


Rys 15. Przykład katalizatora palladowego utworzonego przez koordynację do bis(difenylofosfino)ferrocenu naniesionego na nośnik stały.

Katalizator ten znalazł zastosowanie do syntezy pierścieniowych keto-laktonów, gdzie jako substrat użyto związków cynoorganicznych.

Rys 16. Przykład reakcji katalizowanej przez wyżej opisany katalizator palladowo-żelazowy.

Użycie katalizatora heterogenizowanego zwiększyło selektywność i wydajność tej reakcji w porównaniu do katalizatorów homogenicznych.

Ciekawym przykładem katalizatora jest trifenylofosfinowy kompleks palladu osadzony na nośniku wykonanym z tlenku cyrkonu [1], co przedstawia poniższy rysunek.

Rys 17. Trifenylofosfinowy kompleks fosfonowy na nośniku ZrO6

Dzięki zastosowaniu tego katalizatora osiągnięto wysoką wydajność w reakcji akrylanu metylu z jodobenzenem.


Rys 18. Kolejny przykład reakcji Hecka katalizowanej przez kompleks palladu.
Istotna wadą powyższego katalizatora jest duża wrażliwość na tlen, dlatego konieczne jest w tym przypadku prowadzenie reakcji w atmosferze gazu obojętnego.


Jednym z najważniejszych procesów przemysłowych, prowadzonym na nośniku stałym jest proces Wackera [13]. Jest to reakcja utleniania etylenu do aldehydu octowego.
W przypadku zastosowania katalizatora Pd/V2O5 reakcja zachodzi na styku faz ciało stałe/gaz.

Największym problemem w tym przypadku jest stabilność katalizatora. Aktywność katalizatorów heterogenicznych jest z początku bardzo wysoka, jednakże z czasem następuje redukcja palladu. Problem ten rozwiązuje dodatek CuCl2, co powoduje zajście reakcji redoks (Pd(0) → Pd(2+)). Zatem CuCl2 jest zatem kokatalizatorem, który regeneruje katalizator palladowy.
Spośród zbadanych dotychczas katalizatorów heterogenicznych najlepszym okazał się układ Pd–V2O5, a także Pd–Ru–V2O5 oraz Pd–Ti–V2O5.



Rys 19. Mechanizm utleniania etylenu do aldehydu octowego.

W pierwszym etapie następuje koordynacja olefiny w miejsce grupy hydroksylowej. Tworzy się wówczas wiązanie p – olefinowe etylenu z palladem. Następnie następuje migracja grupy hydroksylowej do atomu węgla olefiny, przy czym rozrywa się wiązanie podwójne. Na tym etapie wiązanie Pd-C jest wiązaniem typu s, +I stopień utleniania palladu jest niekorzystny energetycznie, dlatego kolejnym etapem jest redukcyjna eliminacja, co prowadzi do powstania Pd(0) oraz o aldehydu octowego. Następnie Pd(0) utlenia się do Pd(II+), a V redukuje się z V(V+)do V(IV+), a pod wpływem tlenu V(IV+) jest reaktywowany do V(V+). CuCl2 przyspiesza zachodzące reakcje redoks.

Ciekawym przykładem są katalizy homogenicznej, gdzie po zakończeniu cyklu katalitycznego pallad ponownie zostaje przyłączony do nośnika [14]. W tym przypadku katalizator znajduje się na nośniku, a w trakcie reakcji przechodzi do roztworu. Stosowane
w tych reakcjach nośniki stałe przedstawia poniższy rysunek.



Rys 20. Struktury przykładowych nośników stałych.


Rys 21. Schemat przedstawiający mechanizm reakcji Hecka. Cykle katalityczne A i B zachodzą w fazie ciekłej, natomiast cykl C stanowi sytuację pośrednią – utworzony przejściowy kompleks palladu oddziałuje z grupą funkcyjną nośnika (linia przerywana).
Reakcję tą po raz pierwszy zaobserwował Reetz i Westermann w reakcji jodobenzenu zachodzącej pod wpływem nanoklasterów palladowych. W pierwszym etapie następuje dyfuzja halogenku arylowego z roztworu do rozpuszczalnika solwatującego nośnik.
W wyniku utleniającej addycji przejściowy kompleks Pd(II)Ar zostaje oderwany od nośnika. Może on pozostać w najbliższym otoczeniu nośnika (B), bądź oddysocjować w głąb roztworu (A). Możliwe jest także ponowna koordynacja do nośnika (C) i po zakończeniu cyklu katalitycznego powrót do stanu wyjściowego. Ze względu na zachodzenie procesu (A) następuje częściowe wymywanie katalizatora z nośnika, co jest istotnym problemem w tego typu katalizie.

Największą wydajność (>90%) osiągnięto stosując nośnik CF4, przy prowadzeniu reakcji w temperaturze 100–125 ˚C w czasie 1–3 godzin. Możliwe jest także stosowanie powyższego katalizatora w formie roztworu koloidalnego.



Koloidy metali jako katalizatory

Jakkolwiek koloidy metali znane są od ponad 100 lat, od niedawna zaczęto się nimi interesować jako katalizatorami [2], [15]. Koloidy metali posiadają unikalne właściwości fizyczne oraz wysoką aktywność katalityczną. Szczególne zastosowanie znalazły w reakcjach tworzenia nowych wiązań C–C. W zależności od warunków reakcji można na przykład
z halogenków arylowych wytwarzać kwasy karboksylowe, estry lub amidy. Możliwa jest także reakcja olefinacji halogenków arylowych, zwana także reakcją Hecka; reakcję Sonogashiry, gdzie produktem są alkiny zawierające grupę fenylową [12] oraz reakcja Suzuki prowadząca do powstania ugrupowań bifenylowych [17].

Koloidy metali stanowią element pośredni pomiędzy pojedynczymi atomami, a dość dużymi fragmentami [15]. Dzięki małym rozmiarom rzędu nanometrów, cząstki te posiadają dużą powierzchnię katalityczną. Poważnym problemem utrudniającym zajście reakcji katalitycznej jest tworzenie agregatów, np. tzw. czerni palladowej. Aby temu zapobiec, reakcje prowadzi się w środowisku soli tetraalkiloamoniowych lub cieczy jonowych, co stabilizuje nanocząstki koloidalne i zapobiega ich agregacji.

Częstą metodą otrzymywania koloidów palladowych jest redukcja soli palladowych w obecności czynnika stabilizującego, jakim jest np. polimer, co zapobiega powstawaniu czerni palladowej, dzięki istnieniu bariery sterycznej między nanocząsteczkami. Mamy tutaj do czynienia z naniesieniem palladu na polimer. Jednym z najczęściej używanych polimerów jest PVP (pilivinylopyrolidon).

Rys 22. Budowa PVP

Przy odpowiednim doborze warunków reakcji możliwe jest osiągnięcie wysokiej wydajności reakcji. Jako przykład posłużyć może reakcja metoksykarbonylacji jodobenzenu.


Rys 23. Reakcja metoksykarbonylacji jodobenzenu.

W przypadku zastosowania P{VP K-15 (M=10000 g/mol) oraz[Bu4N]Br optymalną temperatura jest 85 ˚C, osiągnięto wydajność 100%.

Rys 24. Koloid palladu na PVP [12]
Wnioski

Wybrane przykłady aktywności katalitycznej kompleksów palladu ilustrują ich szerokie zastosowanie w syntezie organicznej, w tym na nośniku stałym. Ma to ogromne znaczenie w syntezie wielu ważnych związków, jak leki, pestycydy, kosmetyki i produkty naturalne. Występuje tutaj szerokie spektrum możliwości układów katalitycznych, począwszy od typowych katalizatorów homogenicznych, poprzez katalizatory heterogeniczne
i heterogenizowane, a skończywszy na koloidach Pd(0).


Literatura:

[1] F. Alonso, I.P. Beletskaya, M Yus, Tetrahedron 61 (2005) 11771
[2] A.M. Trzeciak, J.J. Ziółkowski, Coordination Chemistry Reviews 249 (2005) 2308
[3] W.A. Herrmann, K. fele, D. Preysing, S.K. Schneider, Journal of Organometallic Chemistry 687 (2003), 229
[4] C.M. Crudden, D.P. Allen, Coordination Chemistry Reviews 248 (2004) 2247
[5] A.I. Moncada, M.A. Khan, L.M. Slaughter, Tetrahedron Letters 46 (2005) 1399
[6] J.C. Green, B.J. Herbert, R. Lonsdale, Journal of Organometallic Chemistry 690 (2005) 6054
[7] A.C. Hillier, G.A. Grasa, M.S. Viciu, H.M. Lee, C. Yang, S. P. Nolan, Journal of Organometallic Chemistry 653 (2002, 69
[8] W.A. Herrmann, Angew. Chem. Int. Ed. 41 (2002)1290
[9] B. Clapham, T.S.Reger, K.D.Janda, Tetrahedron 57 (2001, 4637
[10] V.G.Andrianov, I.S.Akhrem, N.M.Chistovalova, Yu.T.Struchkov, Zh.Strukt.Khim. (Russ.), (J.Struct.Chem.), 17 (1976) 135
[11] a) T. Kaliyappan, P. Kannan, Prog. Polym. Sci. 25 (2000) 343
b) N.E. Leadbeater, M. Marco, Chem. Rev. 102 (2002, 3217
[12] P. Li, L. Wang, H. Li, Tetrahedron 61 (2005) 8633
[13] C.R. Reilly, J.J. Lerou, Catalysis Today 41 (1998) 433
[14] A.M. Caporusso, P. Innocenti, L.A. Aronica, G. Vitulli, R. Gallina, A. Biffis, M. Zecca, B. Corain, Journal of Catalysis 234 (2005) 1
[15] A. Gniewek, J.J. Ziółkowski, A.M. Trzeciak, L. Kępiński, Journal Of Catalysis 239 (2006) 272
[16] C. Luo, Y. Zhang, Y. Wang, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 229 (2005) 7
[17] M.T. Reetz, R. Breinbauer, K. Wanniger, Tetrahedron Lett. 37 (1996) 4499