A GAMMA-VALEROLAKTON, ÉS ELŐÁLLÍTÁSA A LEVULINSAV KATALITIKUS TRANSZFER HIDROGÉNEZÉSÉVEL
Fábos Viktória
Témavezető: Prof. Horváth István Tamás egyetemi tanár
Kémia Doktori Iskola vezető: Prof. Inzelt György
SZINTETIKUS KÉMIA, ANYAGTUDOMÁNY, BIOMOLEKULÁRIS KÉMIA PROGRAM Programvezető: Prof. Perczel András
ELTE-TTK Budapest 2009
Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék......................................................................................................................... 1 Köszönetnyilvánítás ................................................................................................................... 2 1. Bevezetés................................................................................................................................ 3 1. 1. Zöld kémia...................................................................................................................... 4 1. 2. Fenntartható kémia ......................................................................................................... 6 2. Szénhidrátok, mint megújuló vegyipari nyersanyag-források ............................................... 8 2. 1. Szénhidrátok kémiai átalakítása ................................................................................... 13 2. 2. A szénhidrátok átalakításával nyert bio-oxigenátok peroxidképzése........................... 16 2. 3. A levulinsav katalitikus hidrogénezése gamma-valerolaktonná .................................. 18 3. Transzfer hidrogénezés ........................................................................................................ 21 3. 1. Ketonok katalitikus (aszimmetrikus) transzfer hidrogénezése..................................... 22 3. 2. A Shvo-katalizátor........................................................................................................ 34 3. 3. Célkitűzések ................................................................................................................. 38 4. Gamma-valerolakton, mint fenntartható folyadék ............................................................... 39 4. 1. A gamma-valerolakton gőznyomása ............................................................................ 40 4. 2. A gamma-valerolakton peroxidképzésre való hajlamának vizsgálata ......................... 42 4. 3. A gamma-valerolakton hidrolízise ............................................................................... 45 4. 4. A gamma-valerolakton alkalmazása gyújtófolyadékként ............................................ 47 5. A levulinsav katalitikus transzfer hidrogénezése gamma−valerolaktonná .......................... 51 5. 1. A katalizátor (prekurzor) NMR spektroszkópiás vizsgálata ........................................ 62 5. 2. A feltételezett katalitikus ciklusban szereplő ruténium-formiát komplex.................... 69 5. 3. A levulinsav gamma-valerolaktonná történő átalakulásának vizsgálata..................... 72 5. 4. Alternatív prekurzorok alkalmazása............................................................................. 78 6. Kísérleti rész......................................................................................................................... 80 Összefoglalás............................................................................................................................ 86 Abstract .................................................................................................................................... 87 Függelék ................................................................................................................................... 88 Irodalomjegyzék....................................................................................................................... 89
1
Köszönetnyilvánítás Szeretném kifejezni hálás köszönetemet témavezetőmnek, Prof. Horváth István Tamásnak, akinek szakmai, anyagi és emberi támogatása elengedhetetlen volt ahhoz, hogy doktori munkámat elvégezhessem. Köszönettel tartozom azért is, hogy doktori éveim alatt volt lehetőségem külföldi kutatásba bekapcsolódni. Köszönet illeti Orha Lászlót, Farkas Norbertet, Koczó Gabriellát és mindenkori csoporttársaimat a szakmai és baráti támogatásért. Köszönöm Mika László Tamásnak a nagynyomású rendszerek, reaktorok felépítését, és használatukban nyújtott segítségét. Külön köszönet illeti Mehdi Hasant, aki kitalálta a levulinsav transzfer hidrogénezésének lehetőségét, és akinek szakmai és baráti támogatása jelentősen hozzájárult fejlődésemhez. Köszönettel tartozom dr. Bodor Andreának és dr. Csámpai Antalnak az NMR spektrumok kiértékelésében nyújtott segítségükért, Kaposy Nándornak és Fodor Dánielnek a kísérletekben nyújtott segítségükért, és Boda Lászlónak a γ-valerolakton üzemanyag-adalék tulajdonságainak vizsgálatáért. Szeretném megköszönni dr. Kotschy András csoportjának, dr. Rábai Józsefnek és dr. Jalsovszky Istvánnak, valamint Dobó Attilának és Durkó Gábornak a sok kölcsönzött vegyszert és NMR-időt. Köszönöm dr. Torkos Kornélnak, hogy lehetővé tette GC- és GCMS készülékeik használatát, továbbá dr. Eke Zsuzsannának, Tölgyesi Lászlónak és Szekeres Zoltánnak az analitikai mérésekben való segítségükért. Hálás vagyok Fazekas Mihálynak,
aki
szakmai
hozzáértésével
megjavította
a
megjavíthatatlannak
tűnő
alkatrészeket, készülékeket. Hálával tartozom dr. Nagy Miklósnak, akinél szakdolgozatom megírhattam. Köszönettel tartozom barátaimnak, a sok együtt töltött időért és támogatásért. Végül, de nem utolsó sorban hálával tartozom Szüleimnek és Testvéreimnek a sok türelemért és támogatásért.
2
1. Bevezetés Noha nem lehet előre megjósolni, hogy mikor éli fel az emberiség Földünk teljes kőolaj- és földgáztartalékait, a fosszilis anyagok folyamatosan változó gazdasági/politikai hatások által megnövekedett ára arra ösztönzi a vegyipart, hogy új, lehetőleg a környezetre és egészségre nem ártalmas, megújuló nyersanyag-forrásokat találjon a kémiai alapanyagok gyártásához. Ilyen megújuló nyersanyag-források lehetnek a szénhidrátok, amelyek a Földön legnagyobb mennyiségben előforduló szén-dioxidból és vízből napenergia segítségével újraképződő szerves vegyületek. A vegyipar egyik fontos célja, hogy találjon olyan szénhidrátokból előállítható, könnyen kezelhető fenntartható anyago(ka)t, mely(ek) átveheti(k) a fosszilis anyagok szerepét a jövőben. A megnövekedett igények kielégítése mellett a környezet megóvásának, valamint az emberi lét fenntarthatóságának célját csak a zöld kéma irányelveinek figyelembevételével érhetjük el. Doktori értekezésem első részében a zöld kémia és a fenntartható vegyipar fontosságára hívom fel a figyelmet, majd a szénhidrátok különböző, ipari szempontból fontos vegyületekké történő átalakítását mutatom be röviden. Mivel úgy gondoljuk, hogy a levulinsav hidrogénezésével nyerhető gamma-valerolakton fontos alapanyaga lehet a jövő vegyiparának, előbb a szénhidrátok átalakításával nyerhető levulinsav hidrogéngáz segítségével történő átalakítását emelem ki, majd irodalmi áttekintést adok egy zöldkémiai szempontból is előnyösebb hidrogénezési eljárásról: a transzfer hidrogénezésről. Mivel a kísérleti részben ismertetett transzfer hidrogénezési eljárás során a Shvo-féle katalizátort alkalmaztuk, egy külön alfejezetben rövid áttekintést nyújtok annak irodalmi hátteréről. Saját munkám ismertetése két részből áll: az első felében a gammavalerolakton eddig ismeretlen fizikai- és kémiai tulajdonságait mutatom be, kitérve gyújtófolyadékként való alkalmazására, melyből nemrégiben szabadalmunk született, második felében pedig a levulinsav katalitikus transzfer hidrogénezésével történő előállítására kidolgozott eljárást fejtem ki – beleértve a katalizátor jellemzését és vizsgálatát infravörös- és NMR-spektroszkópiás módszerekkel – mely eljárás szintén szabadalmi oltalom alatt áll. A dolgozatot az eredményeim összefoglalásával fejezem be.
3
1. 1. Zöld kémia Földünk népességének növekedésével és életszínvonalának javulásával arányosan egyre több nyersanyagra és energiára van szükségünk, melynek következtében jelentősen megnőtt a vegyipar termelése is. Az ipari termelés fokozása és az új anyagok előállítása iránt megnövekedett igény azonban súlyos környezeti károsodásokat okozhat világszerte. Számos ország kormánya már a hetvenes években felismerte e folyamat káros hatásait, és új környezetvédelmi törvényeket vezetett be.1 Sajnos ezen szabályozások nem mindig hozták meg a kívánt eredményt. A nyolcvanas évek végére tehát nyilvánvalóvá vált, hogy új, hatékonyabb stratégiára van szükség. A környezeti szennyezők forrásának csökkentésére fektetve a hangsúlyt, a kilencvenes években mind több törvényt fogadtak el, melyek elsősorban a szennyező anyagok keletkezésének megelőzésére irányultak. A környezeti problémák eredetét ugyanis nem elég megérteni és utólag kezelni, hanem törekedni kell olyan új vegyipari technológiák kifejlesztésére, melyek nem lesznek az egészségre és környezetre káros hatással. Bár az átlag ember tisztában van a vegyipar jelentőségével, sokuk negatívan értékelte a kémiát az ezredfordulón,2 a kémikusok és vegyészmérnökök társadalmi elismerése erőteljesen csökkent az elmúlt évtizedekben. Hiába a nagyszámú kémiai felfedezés, az ezekből származó új technológiák és termékek sikeres bevezetése, a környezetre és egészségre káros hatású termékek és vegyipari balesetek csak a kémia árnyoldalaira hívták fel a figyelmet. A modern környezetvédelmi mozgalom a DDT nevű klórozott rovarirtószer káros ökológiai hatásait bemutató "Csendes tavasz" című könyv megjelenésével indult el.3 A terhes nők által szedett thalidomid hatóanyagú gyógyszer nem várt mellékhatása, melynek következtében 1961-ben közel tízezer kisbaba jött világra fejlődési rendellenességgel, szintén kulcsszerepet játszott abban, hogy az emberek félnek a kémiától. A hűtőszekrényekben alkalmazott kéndioxid és ammónia helyettesítésére bevezetett freonok ózonbontó hatása nem volt előre megjósolható, mint ahogy a benzinadalékként használt tetraetilólom gyermekek szellemi képességét csökkentő hatása sem. A különböző vegyipari balesetek is negatívan hatottak a kémia megítélésére. Az olajtankerek balesetei, az 1984-es Bhopal városában történt robbanás, melynek következtében 3500-an meghaltak, és 150 ezren megbetegedtek, mind hozzájárult ahhoz, hogy az emberek bizalmatlanokká váljanak a vegyészekkel, a vegyiparral és a mesterségesen előállított vegyi anyagokkal szemben, hogy szinte társadalmi méretű kemofóbia alakuljon ki. A kémia és a vegyipar megítélésének javításához ezért törekednünk kell olyan vegyipari folyamatok és termékek kifejlesztésére, ahol nem utólag korrigáljuk a
4
problémákat, hanem már az alapötlet megszületésekor figyelembe vesszük a jövőbeni hatásokat mind az egészségre, mind a környezetre. Ennek eléréséhez azonban jelentős szemléletváltásra van szükség mind a kutatásban, mind a gyakorlati megvalósításban. A veszélyes anyagokkal való munkából adódó baleseteket egyféleképpen lehet elkerülni: a veszélyes anyagok helyett veszélytelen anyagokat kell alkalmazni. A zöld kémiának az elmúlt években világszerte tapasztalható rohamos terjedése annak a felismerésnek köszönhető, mely szerint a környezetbarát és egészségre ártalmatlan termékek és technológiák hosszútávon a leggazdaságosabbak. A zöld kémia alapjait Anastas és Warner 12 pontban foglalták össze a "Green Chemistry: Theory and Practise" című könyvükben.4 1. Jobb megelőzni a hulladék keletkezését, mint keletkezése után kezelni. 2. Szintézisek tervezésénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális felhasználására (minél nagyobb atomhatékonyság). 3. Lehetőség szerint már a szintézisek tervezésénél olyan reakciókat célszerű választani, melyekben az alkalmazott és a keletkező anyagok nem mérgező hatásúak és a természetes környezetre nem ártalmasak. 4. Kémiai termékek tervezésénél törekedni kell arra, hogy a termékekkel szembeni elvárások teljesítése mellett mérgező hatásuk minél kisebb mértékű legyen. 5. Segédanyagok (oldószerek, elválasztást elősegítő reagensek, stb.) használatát minimalizálni kell, s amennyiben szükséges, ezek „zöldek” legyenek. 6. Az energiafelhasználás csökkentésére kell törekedni (szobahőmérséklet és atmoszférikus nyomás) 7. Megújuló nyersanyagokból válasszunk vegyipari alapanyagokat. 8. A felesleges származékképzést kerülni kell. 9. Reagensek helyett szelektív katalizátorok alkalmazását kell előtérbe helyezni. 10. A kémiai termékeket úgy kell megtervezni, hogy használatuk végeztével ne maradjanak a környezetben és bomlásuk környezetre ártalmatlan termékek képződéséhez vezessen. 11. Új és érzékeny analitikai módszereket kell használni a vegyipari folyamatok in situ ellenőrzésére, hogy a veszélyes anyagok keletkezését idejében észleljük. 12. A vegyipari folyamatokban olyan anyagokat kell használni, amelyek csökkentik a vegyipari balesetek (kémiai anyagok kibocsátása, robbanás, tűz) valószínűségét.
5
A zöld kémia tehát olyan kémiai termékek és eljárások tervezését foglalja magában, melyek eredményeként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok előállítása és felhasználása.5 Bár a zöld kémia 12 alapelve közül számos triviálisnak tűnhet, a 12 alapelv együttes alkalmazása egy adott technológiában komoly kihívások elé állítja a vegyészeket, vegyészmérnököket. Az elmúlt évtizedben évről évre mind több publikáció és könyv jelenik meg, melyek már figyelembe veszik a zöld kémia 12 alapelvét. Az első, csak zöld kémiával foglalkozó folyóirat 1999-től Green Chemistry címmel az Angol Kémiai Egyesület (Royal Society of Chemistry) gondozásában jelenik meg. 1. 2. Fenntartható kémia Ahhoz, hogy a civilizáció folyamatos fejlődése mellett az emberek egyéni és kollektív tevékenysége folytatható legyen a jövőben legalább azonos, de ha lehet jobb életkörülmények között,6 szükség van olyan ipari eljárásokra, melyek biztosítják az emberiség megnövekedett igényeit. Fontos azonban, hogy mindezt úgy tegyék, hogy közben nem károsítják környezetünket, nem merítik ki Földünk tartalékait. Igyekeznünk kell tehát olyan sebességgel felhasználni a nyersanyagokat, hogy azok mennyisége ne csökkenjen egy elfogadhatatlanul alacsony szint alá, valamint törekednünk kell arra, hogy a felhasználás után keletkezett hulladékok környezetbe való jutása ne legyen gyorsabb a környezet feldolgozási képességénél. Ma a vegyiparban alkalmazott szerves alapanyagok több mint 95%-ának nyersanyaga a kőolaj. A növekvő energiafelhasználás miatt hatalmas mennyiségű kőolajat, földgázt és kőszént égetünk el erőművekben, ugyanakkor a belső égésű motorok számának rohamos növekedése is egyre több olajat fogyaszt. Mivel ezen folyamatok a rendelkezésre álló fosszilis nyersanyagok elfogyásához vezetnek,7 a fenntartható civilizáció egyik legfontosabb kihívása a kimerülőben lévő szén-alapú energia és nyersanyagok kiváltása. Míg megújuló energiaforrásként elsősorban a nap-, a víz-, a szél- illetve a geotermikus energia jöhet számításba, megújuló, biomasszából előállítható alapanyagként olyan anyagokat kell találnunk, melyek felhasználhatók mind energia, mind pedig szén alapú termékek előállítására. A széndioxid szerves molekulákká történő hatékony átalakítása ma még nem megoldott, így a fotoszintézis során keletkező szénhidrátok, zsírsavak, aminossavak és terpének jöhetnek számításba megújuló nyersanyagforrásként. Fontos azonban megjegyezni, hogy míg a fosszilis nyersanyagok háromdimenziósak, vagyis a lelőhely mélységében is 6
kiterjednek, így kis helyen nagy mennyiség koncentrálódhat belőlük, az ültetvények csak két dimenzióban terjeszkednek. Vagyis azonos mennyiségű alapanyag előállítása sokkal nagyobb területet igényel. Másik nagy hátránya a növényi eredetű nyersanyagoknak, hogy időszakos jellegűek, csak az év egy bizonyos részében állnak rendelkezésre. Az ipari termelés és a szükségletek jelentkezése viszont időben folyamatos, az alapanyag-ellátást nem lehet évszaktól és időjárástól függővé tenni. További problémát okoz, hogy a növényi eredetű nyersanyagok jelentős része az élelmiszeripar nyersanyaga is, ezért nagyon fontos, hogy a megújuló alapanyagok energia- és szén-tartalmú anyagok termelésére való felhasználása ne legyen versenyben az élelmiszer alapanyagok termelésével.8 Találnunk kell tehát olyan megújuló forrásból előállítható folyadékokat, melyek fizikai- és kémiai tulajdonságai alkalmassá teszik a fosszilis anyagok kiváltására. Ilyen folyadék lehet a metanol, az etanol, vagy a "biodízel", melyeket növények átalakításával nyerhetünk. Bár a biomassza alapú etanol gyártása az elmúlt években óriási népszerűségre tett szert, gondot jelent, hogy előállítása az élelmiszeripari szempontból is fontos szacharózra épül. A bioetanol ugyan környezetbarát üzemanyagnak számít, hiszen az elégetésekor keletkező széndioxid mennyisége azonos az alapanyagul szolgáló növény által a légkörből kivont és megkötött széndioxid mennyiséggel, azonban előállítása meglehetősen energiaigényes, mely energiát ma még a fosszilis nyersanyagokból biztosítjuk. Másik nagy problémája fizikai-kémiai tulajdonságaiban rejlik. Alacsony forrás- és lobbanáspontja veszélyessé teheti nagy méretekben történő alkalmazását. A metanol, melyet biomasszából CO és H2-en keresztül lehet előállítani, hasonló tulajdonságai és mérgező hatása miatt nem töltheti be ezt a szerepet. Egy megújuló forrásokból származó vegyipari alapanyagnak tehát sokféle tulajdonsággal kell rendelkeznie ahhoz, hogy fenntartható anyagként átvegye a kimerülőben lévő fosszilis nyersanyagok szerepét a jövőben. Ahhoz, hogy tárolása valamint szállítása nagy mennyiségben is olcsó és biztonságos legyen a Föld bármely részén, széles hőmérséklettartományban folyadék halmazállapotúnak kell lennie, tehát alacsony olvadásponttal, magas forrás- és lobbanásponttal kell rendelkeznie. Fontos, hogy alacsony gőznyomása révén ne legyen illékony, viszont legyen illata, hogy szivárgása könnyen észlelhető legyen. Levegő és víz jelenlétében lévő kémiai stabilitásának lehetővé kell tennie biztonságos szállíthatóságát, ugyanakkor rendelkeznie kell némi reaktivitással, hogy továbbalakíthatósága egyéb vegyipari alapanyagokká gazdaságos legyen. További szempont, hogy vízzel való korlátlan elegyedése révén környezetben való lebomlása megvalósulhasson, valamint, hogy az egészségre és környezetre ne legyen káros.
7
2. Szénhidrátok, mint megújuló vegyipari nyersanyag-források Bár a természet közel 170 milliárd tonna biomasszát termel évente, aminek körülbelül 75%-a szénhidrát, ennek csupán 3-4%-át hasznosítja az emberiség.9 A természetben megtalálható szénhidrátok közül a leggyakoribb alapvegyületek a hat szénatomszámú hexózok, főként a glükóz, valamint az öt szénatomszámú pentózok, elsősorban a xilóz. Ezen molekulák leginkább polimerek formájában fordulnak elő a természetben, mint például a cellulóz, a keményítő, vagy a hemicellulóz. A megújuló alapanyag-források hatékony és gazdaságos átalakítására mind több erőfeszítés történik, ugyanis biomasszából számos iparilag fontos vegyületet lehet előállítani. A biomassza átalakítása alapvetően kétféle módon történhet: fermentációs vagy kémiai úton. A fermentációs eljárások során enzimeket vagy mikroorganizmusokat használnak katalizátorként. A biokatalizátorok használatának számos előnye van: a reakciók általában vízben játszódnak le, tehát nem kell szerves oldószert alkalmazni, nem igényelnek erélyes reakciókörülményeket, általában szobahőmérsékleten, atmoszférikus nyomáson működnek, és a szelektivitásuk is kiváló. Hátrányt jelent azonban nagyfokú érzékenységük a reakció körülményeire. Mivel a legtöbbször híg, vizes oldatban kell dolgozni velük, a reakció lassú lehet, valamint az amúgy is drága enzim visszanyerése, illetve a termék kinyerése gyakran magas költségekkel járhat. A legnagyobb felhasználási körrel rendelkező monoszacharid a glükóz, melyet elsősorban keményítőből (kukorica, burgonya, rizs) állítanak elő enzimatikus vagy savas hidrolízissel, de cellulózból, szacharózból vagy laktózból is kinyerhető. Évente közel 5 millió tonna glükózt állítanak elő.10 Fermentációjával további értékes komponensek nyerhetők, mint például tejsav, borostyánkősav, glutaminsav, itakonsav (2. 1. ábra).
8
O OH HO borostyánkõsav
O
OH OH
HO
OH
CH2OH O
O 3-hidroxi-propánsav
O OH
tejsav
OH OH OH D-glükóz
O
O
O
HO OH O
HO
CH2
OH NH2
itakonsav
glutaminsav
2. 1. ábra. A glükóz fermentációs átalakítása során nyerhető fontosabb termékek
A tejsavat és származékait az élelmiszer-, a gyógyszer-, a kozmetika és a vegyipar is széles körben alkalmazza. Bár a tejsav enzim-katalizált, illetve kémiai úton történő előállítása maltózból, szacharózból és laktózból is megvalósítható,11 az iparban elsősorban a glükóz fermentációjával állítják elő.9 Ezen eljárás nem túl gazdaságos, ugyanis a fermentáció során keletkező tejsav egy bizonyos idő után gátolja a reakció további lejátszódását. A folyamat során ezért kálcium-hidroxidot adnak az elegyhez, melynek hatására a tejsav kálcium-laktát formájában kicsapódik. A kálcium-laktátból kénsavval nyerik vissza a tejsavat, melyet a továbbiakban tisztítani kell. A költségek mintegy felét az elválasztási és tisztítási eljárás teszi ki. Ráadásul környezeti szempontból sem mondható barátságosnak, hiszen nem csak nagy mennyiségű kénsav használatát igényli, de a tejsavval közel azonos mennyiségű kálciumszulfát is keletkezik melléktermékként. Ennek ellenére évente közel 350 ezer tonna tejsavat állítanak elő.12 Ennek oka, hogy felhasználása sokrétű. Hidrogénezésével propilénglikol,13,14,15 dehidratációjával akrilsav,16,17,18,19 észterezésével különböző laktátok állíthatók elő belőle, amelyek polimerizációjával poli-laktátok keletkeznek (2. 2. ábra).20,21,22 A poli-laktátok manapság egyre inkább a figyelem középpontjába kerülnek, ugyanis mind nagyobb az igény a biodegradábilis polimerekre.23,24
9
OH 1,2-propándiol H
O acetaldehid
OH
OH OR
OH
O laktátok
OH
O tejsav O akrilsav
O OH O piroszõlõsav
2. 2. ábra. A tejsav néhány iparilag fontos átalakítása
A borostyánkősav és származékai szintén fontos alapanyagai lehetnek a vegyiparnak. Bár a borostyánkősav fermentációs módon történő előállítására van példa az irodalomban,25,26 ez az eljárás ma még nem gazdaságos, ezért az iparban kőolaj alapon előállított butánból szintetizálják maleinsav-anhidriden keresztül.27
O
N NH3, RNH2
R 2-pirrolidonok
O OH
HO
H2
2H2 O
O
OH
HO
-H2O O
O borostyánkõsav
γ-butirolakton
tetrahidrofurán
1,4-butándiol
O ROH O
O
O
RO
borostyánkõsav anhidrid
2. 3. ábra. A borostyánkősav néhány lehetséges átalakítása
10
OR O szukcinát észterek
A borostyánkősav hidrogénezésével γ-butirolaktont, 1,4-pentándiolt illetve tetrahidrofuránt kaphatunk,28 melyek fontos alapanyagai a vegyiparnak (2. 3. ábra).29 Az 1,4-butándiol iránt mind nagyobb az érdeklődés, ugyanis kiindulási anyaga poliéterek, poliuretánok, és poliészterek előállításának. A borostyánkősav alkoholokkal történő savkatalizált reakciója során szukcinát-észterek keletkeznek, melyeket oldószerként, és egyéb intermedierekként alkalmaznak az iparban. Az észteresítéshez elsősorban kénsavat, sósavat, vagy p-toluolszulfonsavat használnak, melyek alkalmazása környezeti problémákat vet fel. A glutaminsav egy nem esszenciális aminosav, melyet legfőképp a glükóz, a fruktóz vagy a szacharóz baktérium jelenlétében történő fermentációjával állítanak elő. Észtereit elsősorban az élelmiszeripar használja ízfokozóként, polimerjeit pedig a gyógyszer-, a kozmetika-, és a műanyagipar is széles körben alkalmazza.9 A szacharóz, vagy másnéven étkezési cukor a legfontosabb nem redukáló diszacharid, melyet cukorrépából és cukornádból állítanak elő. Legnagyobb része az élelmiszeriparban kerül felhasználásra, hidrolízisével glükóz és fruktóz keletkezik. A szacharóz hidrolíziséhez leggyakrabban enzimeket alkalmaznak katalizátorként, melyek hátránya a kicsiny hőstabilitás. További problémát okoz, hogy sok hulladék keletkezik, illetve, hogy a termék elválasztása és az enzim visszanyerése nehézkes. Észterei és éterei a molekulán belüli lipofil (alkil) és hidrofil (cukor) résznek köszönhetően érdekes tulajdonságokkal rendelkeznek, ezért főként nemionos felületaktív anyagként alkalmazzák őket az élelmiszer-, a gyógyszer-, a kozmetika-, valamint a műanyagiparban. Fontos tulajdonságuk, hogy nem toxikusak és biológiai úton lebonthatók. Az éterek, ellentétben az észterekkel, lúgos közegben is kémiailag stabilak, melynek következtében még szélesebb körben használhatók.9 A szacharóz egyik legfontosabb izomerje az izomaltulóz, amit a szacharóz enzimatikus átalakításával lehet nyerni. Ennek során a glükóz és a fruktóz között lévő 1,2-glikozidos kötés átrendeződik 1,6-glikozidos kötéssé. Az izomaltulózt elsőként 1952-ben azonosították,30 az első szabadalom 1959-ben jelent meg.31 Az izomaltulóz intermedierje az izomaltnak (E953), amely cukorhelyettesítőként használatos az élelmiszeriparban. Legnagyobb előnye, hogy fele annyi kalória van benne, mint a szacharózban, nem károsítja a fogakat, és kevéssé van hatással a vércukorszintre, mert bár teljes mértékben, de lassabban emésztődik és szívódik fel, mint a szacharóz. Manapság egyre inkább növekszik az érdeklődés a biomassza nem szénhidrátból álló részének hasznosítása iránt is. A növényi olajok és állati zsírok kémiailag nem különböznek jelentősen a kőolaj egyes frakcióitól, hiszen hosszú paraffin vagy olefin lánc található bennük, így nem meglepő, hogy az elmúlt pár évben erőteljes kutatás indult azok üzemanyaggá 11
történő alakítására. A biodízel előállítása a legjelentősebb, de számos más gyógyszeripari, kozmetikai terméket illetve polimert is készítenek belőlük.9 A trigliceridek parciális hidrolízise mono- vagy diglicerideket és zsírsavat eredményez, azok további hidrolízise során zsírsav és glicerin keletkezik (2. 4. ábra). A folyamat tiszta vízben és alacsony hőmérsékleten meglehetősen lassú, de katalizátor – sósav, kénsav illetve nátrium-hidroxid – alkalmazásával gyorsítható. O
O R
O
R
+ H2 O
O
O
R
O
O
R
R
O
OH
R +
O
O
R O
+
OH
R
O
OH
O
O
O
O
R O
OH +
OH
+ H2 O
O
O R
+
OH
R
O
OH
OH
O
OH
R
OH
O
R
O
O
OH
OH
OH
R
+
O
O
R
O
O
+
O
OH
O
O
R OH
+ H2 O R
OH
OH
+
OH
O
R O
2. 4. ábra. Növényi olajok hidrolízise
Nátrium-hidroxid használatával a zsírsavak nátrium-sói (szappanok) keletkeznek, melyek a könnyebb elválasztás szempontjából előnyösek. Magasabb hőmérsékleten és nyomáson az olajok vízben való oldhatósága nő, ezért nincs szükség katalizátor alkalmazására, a hidrolízis gyorsan végbemegy. Míg a zsírsavak rövid szénláncú alkohollal (metanol, etanol) történő átészterezése során kapjuk a biodízelt, a melléktermékként keletkező glicerin átalakításával is számos értékes anyagot nyerhetünk.9 OH
R
R
OCH3
+ CH3OH
+
O
O
2. 5. ábra. A biodízel előállítása
12
H2O
2. 1. Szénhidrátok kémiai átalakítása A pentózok illetve hexózok savas hidrolízise során három vegyipari szempontból fontos anyag keletkezik: a pentózokból 2-furfural, a hexózokból pedig 5-(hidroximetil)-2furfural (HMF) illetve levulinsav (2. 1. 1. ábra). + Pentózok H , - H2O (xilóz) OHC
O 2-furfural
szacharóz, keményítõ, cellulóz, hemicellulóz
Biomassza
O H+, - H2O
Hexózok (glükóz, fruktóz, mannóz)
H+ , H2 O
OHC
O
OH
CH2OH O
5-hidroximetil-2-furfural
levulinsav
2. 1. 1. ábra. A szénhidrátok átalakítása iparilag fontos alapanyagokká
A 2-furfural az egyetlen nagy mennyiségben előállított telítetlen szerves anyag, melyet szénhidrátok átalakításával nyernek. Évente közel 300 ezer tonnát állítanak elő belőle,32 elsősorban
a
pentóz-polimerekben
gazdag
mezőgazdasági
nyersanyagokból
illetve
hulladékokból (hemicellulóz) nyert xilóz savas közegben történő hidrolízisével. A reakciót 200-250°C-on, sav, elsősorban kénsav jelenlétében végzik. Ezen körülmények között azonban nem túl jó, csupán 70%-os hozam érhető el, ugyanis a feltételezett mechanizmus tartalmaz egy irreverzibilis konjugációs lépést, melynek hatására éndiol intermedierek keletkeznek.33 A furfural számos iparilag fontos vegyület kiindulási anyaga.9 Míg oxidációja furfuralkarbonsavat eredményez, reduktív aminálása során furfuril-amin keletkezik, melyet növényvédőszerek, gyógyszerek előállítására használ az ipar. Hidrogénezésével, a reakció körülményeitől függően, furfuril-alkohol, abból pedig tetrahidro-furfuril-alkohol, vagy 2metilfurán
illetve
2-metil-tetrahidrofurán
keletkezik.
A
furfuril-alkoholnak
számos
alkalmazása ismert. Fontos intermedierje illatanyagoknak, kiindulási anyaga a tetrahidrofurfuril-alkohol előállításának, használják gyanták gyártásához, valamint a C-vitamin és a lizin előállításában is. A 2-furfural formaldehiddel történő reakciója során 5-hidroximetil-2furfural keletkezik (2. 1. 2. ábra).
13
H3C
HOH2C
O
O
tetrahidrofurfuril-alkohol
2-metil-furán
HOH2C
O furfuril-alkohol
HOH2C
O
CHO
CH2NH2
O
5-(hidroximetil)-2-furfural
furfuril-amin
OHC
O 2-furfural
COOH
O
O
furán
furán-2-karbonsav
R-(OC)-HC=HC
O
furilidén-ketonok
2. 1. 2. ábra. A 2-furfural átalakításának néhány lehetősége
A HMF előállítását ma főként 2-furfuralból valósítják meg, ugyanis cukrokból való szintézise nem gazdaságos. A hidrolízishez erős savra van szükség, és szerves oldószerek alkalmazására, valamint a folyamat semlegesítési és elválasztási lépéseket is igényel.34 A reakció során keletkező egyéb dehidratációs termékek35 - levulinsav, és különböző polimer melléktermékek (ún. huminok) - miatt a hozam viszonylag alacsony. Az elmúlt években jó néhány publikáció jelent meg az 5-(hidroximetil)-2-furfural származékaival kapcsolatban, ugyanis számos műanyagipari szempontból fontos vegyület nyerhető belőle.36 Oxidációjával a körülményektől függően 2,5-furándialdehid vagy 2,5furán-dikarbonsav állítható elő, előbbi Schiff-bázisok előállításának kiindulási anyaga, utóbbi pedig helyettesítheti a tereftálsavat, az izoftálsavat illetve az adipinsavat poliamidok, poliészterek és poliuretánok gyártásában.37,38 A HMF redukciójával 2,5-bisz(hidroximetil)furán keletkezik, melyből poliuretán hab nyerhető,39 tovább hidrogénezéséből pedig 2,5bisz(hidroximetil)-tetrahidrofurán képződik, mely poliészterek előállítására alkalmas. A poliamidok
gyártásában
használatos
hexametilén-diamin
bisz(aminometil)-furán használható (2. 1. 3. ábra).
14
helyettesítésére
a
2,5-
H3C
O
CH3
2,5-dimetil-furán
HOH2C
O
CH2OH
OHC
2,5-bisz(hidroximetil)-furán
O
CHO
2,5-furándialdehid
OHC
O
CH2OH
5-(hidroximetil)-2-furfural
H2NH2C HOH2C
O
CH2OH
O
CH2NH2
2,5-bisz(aminometil)-furán
2,5-bisz(hidroximetil)-tetrahidrofurán
HOOC
O
COOH
2,5-furándikarbonsav
2. 1. 3. ábra. A HMF néhány lehetséges átalakítása
A
levulinsavat
az
iparban
mezőgazdasági
hulladékból
illetve
cellulózból,
hemicellulózból állítják elő. Mivel az 5-(hidroximetil)-2-furfural savas hidrolízise során a levulinsav és a hangyasav mellett polimerek is keletkeznek, a levulinsav hozama általában igen alacsony. A módszer már az 1940-es évek eleje óta ismert,40 azóta nem sokat változott. A nyersanyagot először erős sav (HCl, H2SO4) jelenlétében hidrolízálják 100°C-on, ekkor hexózok elegye keletkezik, majd további híg sósavas kezelésnek alávetve 200°C-on továbbalakítják levulinsavvá. A költségek csökkentése, valamint a hozam növelése érdekében mind nagyobb erőfeszítések történnek a levulinsav gazdaságos és hatékony előállítására vonatkozóan. Jelentősebb eredmények a cellulóztartalmú kiindulási anyagként alkalmazott fahulladékok feldolgozását célozva,41 illetve a papírhulladék felhasználására vonatkozóan születtek,42 mely során akár 60%-os hozamot is el tudtak érni. A levulinsavat és származékait széles körben alkalmazzák: észtereit ételízesítőként, oldószerként, lágyítóként, vagy akár oktán-, cetánszám növelésére üzemanyag-adalékként. Míg kálcium sója intravénás Ca-injekció,43 a nátrium-levulinát környezetbarát fagyásállóként használatos.44 Az 5-amino-levulinsav széles körben jelen van a bioszférában, és fontos szerepet játszik az elő szervezetben is jelenlévő B12-vitamin és klorofill előállításában. A levulinsav fenolokkal történő reakciója során a biszfenol-A-hoz hasonló szerkezetű, 4,4bisz(4'-hidroxifenil)-pentánsav típusú vegyületek keletkeznek,45,46 melyek fontos szerephez 15
juthatnak polikarbonátok előállításában. A levulinsav hidrogénezésével gamma-valerolaktont lehet előállítani, melynek további redukciójával 1,4-pentániol illetve 2-metil-tetrahidrofurán keletkezik (2. 1. 4. ábra).
OH CH3
O
O
OH
2-metil-tetrahidrofurán
1,4-pentándiol
O
CH3
angelika-lakton
O OH
HO
O O
borostyánkõsav
O
O γ-valerolakton
O
OH O
O H2N
CH3
OH
levulinsav
OH O HO
5-amino-levulinsav
O
OH
4,4-bisz(4'-hidroxifenil)-pentánsav
OR
O
O
N
CH3
R
levulinsav észterek
N-alkil/aril-5-metil-2-pirrolidon
2. 1. 4. ábra. A levulinsav néhány lehetséges átalakításai
2. 2. A szénhidrátok átalakításával nyert bio-oxigenátok peroxidképzése A biomassza szén-tartalmú vegyületekké történő átalakítása gyorsan fejlődő ága a fenntartható kémiának.9 Míg a szénhidrátok monomerjei, oligomerjei és polimerjei kulcs komponensei a biomasszának,47 a változatos átalakítások során mind kevesebb és kevesebb oxigénatomot tartalmazó vegyületek, bio-oxigenátok megjelenésével kell számolnunk.48 Horváth és Mehdi49 megmutatta, hogy a szénhidrátok hidrogénezéssel kombinált dehidratációja során különböző oxigén-tartalmú vegyületek, levulinsav, gamma-valerolakton, 2-metil-tetrahidrofurán állíthatók elő, melyek további hidrogénezésével akár alkánokig is eljuthatunk (2. 2. 1. ábra). Az átalakítások során keletkező különböző alkoholok, éterek, aldehidek, karbonátok és savak fizikai- és kémiai tulajdonságai azonban nagyban különböznek a szénhidrátokétól. Ahogy ezen új illetve régi molekulák mindennapos használata terjed, biztonságos használatukról sem szabad megfeledkeznünk. 16
H2 O
Nem ehetõ szénhidrát Természet
HOCH2
CO2 + H2O
O
Felhasználók
CHO
H2 O HCOOH
O OH
Szerves termékek
O
CO2 H2 H2 O
Ipar
Alkánok
H2
O
H2 O
OH O
O
H2
OH
H2 O
2. 2. 1. ábra. A szénhidrátokból előállítható alapanyagok és azok felhasználása
A szerves anyagok levegőn történő oxidációja peroxiddá az egyik legveszélyesebb átalakulás a kémiában, mely nemcsak előállításukkor, hanem tárolásuk, szállításuk illetve használatuk során is balesetet okozhat.50,51,52 A peroxidosodás azonban nem csak biztonsági szempontból fontos, ugyanis különböző mellékreakciók okozója is lehet, melyek során szennyezők képződhetnek. A szerves peroxidok a hidrogénperoxid olyan származékai, melyekben az egyik vagy akár mindkét hidrogénatom helyén szerves molekularész található. A viszonylag gyenge (-O-O-) kötés spontán vagy katalitikus bomlása robbanásokhoz vezethet, ezért szem előtt kell tartanunk, hogy a szerves peroxidok nagyon érzékenyek ütésre, hőre, súrlódásra, szikrára és ultraibolya fényre. Bár a legtöbb vegyész tisztában van a peroxidok veszélyességével, csak kevesük ismeri a lehetséges peroxidok szerkezetét. Az oxigén molekula C,H-illetve C,C-kötéseibe való beépülése nagyban függ a C,H- illetve C,Ckötések hosszától, illetve kémiai környezetétől. Például egy olyan izopropil csoport melynek CH részletéhez oxigénatom kapcsolódik, nagyon könnyen peroxidosodhat. Ezért is olyan veszélyes a diizopropil éter, amely ha huzamosabb ideig levegőn áll, robbanékony peroxidokat képez. Ez a peroxidosodás – köszönhetően a másodrendű szén atomnak – sokkal könnyebben megy végbe, mint például a dietil-éter esetében. A szerves peroxidokat veszélyességük, illetve peroxidképzésre való hajlamuk alapján három csoportba szokták sorolni.51 A legveszélyesebb, vagyis a legkönnyebben peroxidosodó anyagok közé tartozik például a diizopropil-éter, a tetrafluór-etilén vagy a divinil-acetilén, melyek koncentrálás nélkül is könnyen robbanhatnak (2. 2. 1. táblázat. A). Ezeket használat 17
előtt mindig tesztelni kell peroxidtartalmukra nézve, és kicsomagolásuk után számított 3 hónapon belül meg kell őket semmisíteni. A legtöbb oldószer azonban csak koncentráltan veszélyes, ezek a második csoportba tartoznak (B). Ilyen például a dietil éter, a furán, vagy a tetrahidrofurán. Ezen csoport tagjait 12 hónap után kell megsemmisíteni, vagy vizsgálni peroxidszámukat használat előtt. A harmadik csoportba az auto-polimerizációra hajlamos vinilacetát, vinilpiridin illetve sztirol tartozik (C). Ezek, ha stabilizátort tartalmaznak, a második csoporthoz hasonlóan kezelendők, ha pedig stabilizátort nem tartalmaznak, 24 órán belül meg kell semmisíteni őket.53,54
A
B
C
Diizopropil-éter Divinil-acetilén Vinilidén-klorid Butadién Kloroprén Tetrafluór-etilén
Acetaldehid Benzilalkohol 2-butanol Metil-izobutil keton Klórfluóretilén Izopropilbenzol Ciklohexén Dekahidronaftalin Diacetilén Diciklopentadién Dietiléter Furán Tetrahidrofurán
Klóroprén Vinil-acetát Sztirol Vinil-piridin Vinil-klorid Akrilsav
2. 2. 1. táblázat. Az vegyületek csoportosítása veszélyességi fokuk szerint
Ezért tehát nekünk vegyészeknek, vegyészmérnököknek mindig szem előtt kell tartanunk, hogy ha különböző oxigenátokkal dolgozunk, amint lehet ellenőrizzük az adott anyag peroxidosodását. Fontos továbbá, hogy szintézisük során is analizáljuk a termékeket, hogy az esetleges mellékreakciók ne okozzanak nem várt, de komoly kockázatot a felhasználóknak. 2. 3. A levulinsav katalitikus hidrogénezése gamma-valerolaktonná A gamma-valerolakton (GVL) szerkezetét elsőként Messerschmidt55 és Wolff56 írta le 1881-ben. Míg előbbi az allil-ecetsav hidrogén-bromid oldattal történő reakciójával állította elő, utóbbi a levulinsavat nátrium-amalgám hozzáadásával redukálta γ-hidroxi-valeriánsavvá, melyből egy molekula víz kilépésével keletkezik a γ-valerolakton. Nátrium-amalgám helyett
18
etil-alkoholban oldott nátrium is használható.57,58 A gamma-valerolakton ily módon történő előállítása azonban nagyon időigényes, veszélyes és drága. Sabatier és Mailhe59 használt elsőként hidrogén gázt a levulinsav redukciójára nikkel katalizátort alkalmazva 250°C-on (2. 3. 1. ábra). Később Schutte és Sah60 platina-oxidot használva végezte a levulinsav hidrogén gázzal történő átalakítását szobahőmérsékleten, 2-3 atm hidrogén nyomás alatt. O
O H2 OH
+
OH
katalizátor
CO2
(1)
OH
O levulinsav
4-hidroxi-valeriánsav
O
(2)
+ H2O
OH O γ-valerolakton
OH
O
2. 3. 1. ábra. A levulinsav katalitikus hidrogénezése
Ennek során megfigyelték, hogy az oldószer jelentősen befolyásolja a reakció sebességét. A legjobb (87%-os) termelést dietil-éterben tudták elérni, az etanol valamint az ecetsav, mint oldószer nem bizonyultak jónak. Később Allen és munkatársai61 lúgos vizes közegben, Raney-nikkel katalizátor jelenlétében hidrogénezte a levulinsavat. 75°C-on, 170 atm hidrogén nyomás alatt 84%-os hozamot értek el. A viszonylag alacsony konverzió annak következménye, hogy a legtöbb esetben a gamma-valerolakton túlhidrogénezéséből származó 1,4-pentándiol,
valamint
annak
dehidratációjával
keletkező
2-metil-tetrahidrofurán
62,63
melléktermékek képződésével is számolni kell (2. 3. 2. ábra). O
OH OH
H2
OH
O Levulinsav
O
-H2O
O
O γ-valerolakton
4-hidroxi-valeriánsav
H2
O
-H2O
OH OH
2-metil-tetrahidrofurán
1,4-pentándiol
2. 3. 2. ábra. A gamma-valerolakton további hidrogénezésével nyert termékek
19
Christian és munkatársai64 Raney-nikkelt alkalmazva 94%-os hozammal végezték a levulinsav átalakítását gamma-valerolaktonná, míg réz-kromit katalizátor jelenlétében a melléktermékek keletkezése jelentősen csökkentette a kitermelést. Néhány rénium alapú katalizátort is sikeresen alkalmaztak a gamma-valerolakton levulinsavból történő előállítására. Míg rénium-heptoxid jelenlétében 71%-os hozammal szintetizálták,65 rénium(IV)-oxid hidrát alkalmazásával 200 atm hidrogén nyomás alatt, 150°C-on 100%-os GVL hozamot sikerült elérni.66 A leggyakrabban használt katalizátorok azonban Ru-alapúak, akár heterogén,67 akár homogén68,69,70 katalitikus hidrogénezésről van szó. A legtöbb vizes közegben történő homogén katalitikus hidrogénezéshez foszfor tartalmú ligandumot alkalmaznak. Hátrányuk, hogy drágák, nehézkes az előállításuk és a kezelésük, ugyanis levegőre érzékenyek. A biomassza átalakításával nyert levulinsav katalitikus hidrogénezésére vonatkozóan mind több publikáció jelenik meg a irodalomban, mely palládium, iridium, platina, ródium, rénium és ruténium alapú katalizátorokkal, valamint azok különböző szilárd hordozókkal, aluminával vagy szilikáttal kombinált használatával valósítja meg a hidrogénezést.71 A legtöbb esetben azonban a reakció szelektivitása nem kielégítő. Nemrégiben szuperkritikus szén-dioxidban is sikerrel hajtottak végre ezen katalizátorokkal hidrogénezést, és bár a szelektivitás a legtöbb esetben közel 100%-os volt, a konverziók sokszor igen alacsonynak adódtak.72 A legjobb eredményeket Ru/Al2O3 katalizátor jelenlétében, 150-200°C közötti hőmérsékleten sikerült elérniük, 250 atm hidrogén nyomást alkalmazva, 98%-os konverzióval állítottak elő GVL-t (2. 3. 3. ábra). O 1. Ru/Al2O3, sc-CO2, 105 atm, 150°C OH
2. H2, 250 atm, 2h
O
O
O
2. 3. 3. ábra. A levulinsav hidrogénezése szuperkritikus széndioxidban
Egy későbbi publikációban73 szilikára felvitt ruténium katalizátor jelenlétében ennél alacsonyabb nyomáson, 100 atm hidrogéngáz nyomást alkalmazva 99%-nál nagyobb hozammal is sikerült a levulinsav gamma-valerolaktonná történő átalakítását megvalósítani szuperkritikus szén-dioxidban. Egy mostanában megjelent közleményben74 Pd/C heterogén katalizátor alkalmazásával állítanak elő gamma-valerolaktont, 130°C-on, 12 atm hidrogén nyomást alkalmazva. 160 perc alatt 92%-os konverziót is elértek, miközben a reakció 99%-os szelektivitással adta a GVL-t.
20
A gamma-valerolakton enantioszelektív előállítására is van példa az irodalomban. Ferapontov és munkatársai75 a levulinsav és észtereinek enantioszelektív hidrogénezését hajtották végre különböző RuII-BINAP-HCl katalitikus rendszerekkel. A reakciót 60°C-on, 60 atm hidrogén nyomás alatt végezték, oldószerként etanolt használtak. A γ-valerolakton mellett minden esetben megjelentek a γ-hidroxi-észterek is termékként (2. 3. 4. ábra). O
O H2
R O O R = H, Et, iPr, tBu
R
katalizátor
*
O
+ *
OH Ru(COD)(MA)2 - BINAP - HCl [RuCl2(C6H6)]2 - BINAP - HCl [RuCl2(COD)]n - BINAP - HCl [RuCl(p-MeC6H4iPr)(BINAP)]Cl - HCl
O
O
2. 3. 4. ábra. A gamma-valerolakton enantioszelektív előállítása levulinsav-észterekből
A molekuláris hidrogénnel való redukció hátránya, hogy legtöbbször viszonylag erőteljes reakció-körülményeket igényel, vagyis viszonylag nagy H2 nyomás alatt és magas hőmérsékleten kell dolgozni. Ma a hidrogént főként szénhidrogénekből állítják elő, azonban e források kimerülése a hidrogén árának jelentős emelkedését vonja maga után, ezért fontos, hogy a hidrogén előállítására új, olcsó és energiakímélő eljárásokat dolgozzunk ki, illetve a hidrogén helyett más, lehetőleg megújuló redukálószereket, hidrogén átadására képes reagenseket találjunk. 3. Transzfer hidrogénezés A transzfer hidrogénezés jelentősége és előnye abban áll, hogy a gáz halmazállapotú hidrogén helyett más hidrogéndonor molekulák szolgálnak hidrogénforrásként. A transzfer hidrogénezés tehát olyan eljárás, amelyben hidrogénezést végzünk nem gáz állapotú hidrogén segítségével. Ezzel kiküszöbölhetjük az erélyes reakciókörülmények alkalmazását, valamint a hidrogén gázzal való munkából adódó veszélyeket is. A transzfer hidrogénezés általános reakcióegyenlete az 3. 1. ábrán látható, ahol S a szubsztrátot, a DH2 pedig valamely hidrogéndonor molekulát jelöli. S + DH2
katalizátor
SH2 + D
3. 1. ábra. A transzfer hidrogénezés általános egyenlete
21
A leggyakrabban egy- vagy kétértékű alkoholokat, hangyasavat, nátrium-formiátot, valamint ciklikus étereket, aminokat, aldehideket illetve vizet használnak hidrogénforrásként.76 A transzfer hidrogénezés előnye, hogy a hidrogénforrás a legtöbb esetben olcsóbb, az átalakítás zöldebb, vagyis nem igényel erélyes reakciókörülményeket, magas hőmérsékletet és nincs szükség költséges, nagy nyomást bíró berendezésekre. Mivel a hidrogéndonor molekula általában jobban oldódik a reakcióelegyben, a reakciók általában gyorsabbak.76 Az egyik leggyakrabban alkalmazott hidrogén-forrás a 2-propanol. Bár ruténium alapú katalizátorokkal kielégítő eredmények érhetők el (reaktivitás és szelektivitás szempontjából), a 2-propanol – aceton átalakulás reverzibilitásából következően limitált a konverzió.77 Az egyensúly termék képzésének irányába való eltolása nagy alkoholfelesleg alkalmazásával valósítható meg – így a hidrogéndonor a reakció oldószereként is szolgálhat – vagy a melléktermékként keletkező aceton folyamatos eltávolításával (desztilláció). Ha 2-propanolt alkalmaznak hidrogéndonorként, gyakran bázist kell alkalmazni a katalizátor aktiválásához, erre a célra elsősorban nátrium- vagy kálium-karbonátokat, -hidroxidokat, illetve -alkoxidokat használnak.78 A másik leggyakrabban alkalmazott hidrogéndonor a hangyasav, valamint nátrium- illetve ammónium-sója. A hangyasav előnye, hogy – a reakciókörülmények között történő – irreverzibilis átalakulásából következően nem kell egyensúlyi reakcióval számolnunk, ezáltal teljes hozam is elérhető. Másik nagy előnye, hogy olcsó, valamint biomasszából előállítható, tehát megújuló. A hangyasavat gyakran trietil-aminnal alkotott azeotróp elegyként alkalmazzák hidrogénforrásként. A transzfer hidrogénezést leggyakrabban valamilyen királis vegyületen végzik, így megfelelő katalizátort alkalmazva enantioszelektíven hajtható végre a redukció. Bár a ruténium alapú katalizátorok a legelterjedtebbek, az alkalmazható fémek széles spektrumon változhatnak. 3. 1. Ketonok katalitikus (aszimmetrikus) transzfer hidrogénezése Az aldehidek illetve ketonok alkoholokká történő hidrogén transzfer átalakítása fontos reakció a szerves kémiában. 1925-ben Verley79 és Meerwein80 egymástól függetlenül állapították meg, hogy az aldehidek aluminium-etoxid jelenlétében a megfelelő alkoholokká redukálhatók etanol segítségével. A következő évben Ponndorf81 kiterjesztette ezt ketonok redukciójára is könnyebben oxidálható szekunder alkohollal, és annak alumínium-oxidjának használatával, alumínium-izopropoxiddal. A ketonok alkohollal történő redukcióját, felfedezőiről elnevezve, Meerwein-Ponndorf-Verley-féle (MPV) redukciónak hívjuk. Az 22
átalakítás használhatóságát, sokoldalúságát illetve szelektivitását más redukálható csoportok, mint például C=C, nitro-csoportok, észterek jelenlétében is, a később megjelent irodalmak is alátámasztják.82 Oppenauer83 telítetlen szteroid alkoholokat oxidált ketonná benzolban, fölös acetont használva alumínium-terc-butoxid katalizátor jelenlétében. A fordított reakciót, vagyis amikor alkoholokat oxidálunk ketonná, Oppenauer-oxidációnak nevezzük, mely szintén hasznos átalakítás a kémiában.84,85 O + R1
H
OH
H
O
OH
R2
O
Al(OiPr)3
+
O +
R1
R2
R1
OH
H
Al(OiPr)3
+ R1
R2
H
OH
R2
3. 1. 1. ábra. A MPV-féle redukció (fent) és az Oppenauer-féle oxidáció (lent)
Az első aszimmetrikus* verzióját a Meervein-Pondorf-Verley féle keton redukciónak Doering és Young86 publikálta, akik egy akirális katalizátor jelenlétében királis hidrogéndonorral redukáltak ketonokat. Bár az enantioszelektivitás nem volt meggyőző, ezen eredmények azt sugallták, hogy a hidrogén transzfer egy hattagú gyűrűs átmeneti állapoton keresztül zajlik (3. 1. 2. ábra). O
OH
OH Al(OR)3
+ R
R'
R 5.9 - 21.8 % ee
R= (CH2)3CH(CH3)2, o-C6H11 R'= C2H5, CH(CH3)2
Intermedier Al
O C H3 C
Al O C
H R
O
O
C R'
CH3
H3 C
C H
R
R'
CH3
3. 1. 2. ábra. Az első aszimmetrikus transzfer hidrogénezés ketonok MPV-redukciójára
*
A prokirális szénatomot tartalmazó vegyületek királis katalizátor jelenlétében történő
transzfer hidrogénezése asszimmetrikus transzfer hidrogénezés néven ismert.
23
A probléma ezen klasszikus transzfer hidrogénezési reakciókkal az, hogy az alkalmazott alumínium-alkoxidot általában sztöchiometrikus arányban kell a reakcióelegyhez adni, vagyis ipari alkalmazása nem terjedhetett el. Az aldehidek illetve ketonok redukciójára ezért új katalizátorok felderítésére volt szükség. Számos közlemény jelent meg a MPV-átalakulás fejlesztéséről, melyek mind az oxidálószer mind a katalizátor változtatásával próbáltak jobb eredményeket elérni.87,88 A leggyakrabban alkalmazott katalizátorok kálium-,89 nátrium-,90 cirkónium-alkoxidok,91 alumina,92 és néhány átmenetifém komplex.93 Míg az első átmenetifém katalizált transzfer hidrogénezési eljárást Hensberg publikálta az 1960-as években,94,95 melyben egy iridium-hidrid-DMSO komplexet alkalmazott, az első gyakorlati szempontból is hasznos ruténium-alapú katalizátorral végzett transzfer hidrogénezési reakciót Sasson és Blum tette közzé,96,97 akik α-β-telítetlen ketonokat redukáltak alkohol segítségével RuCl2(PPh3)3 komplex segítségével. Ezt a katalizátort később széles körben használták ketonok transzfer redukciójára. A probléma azonban ezekkel a ruténium-katalizált transzfer hidrogénezésekkel az, hogy általában magas hőmérsékletet igényeltek, és még a reakció sebessége is viszonylag kicsi. Később Bäckwall és munkatársai98,99 megállapították, hogy ha kis mennyiségű bázist adnak a rendszerhez jelentősen megnő a reakció sebessége. Míg nátrium-hidroxid jelenlétében 1 óra alatt 89%-os konverziót értek el (3. 1. 3. ábra), bázis nélkül 6 óra múlva is kevesebb, mint 1% termék keletkezett. O
OH 0.1 mol% RuCl2(PPh3)3 2.4 mol% NaOH
OH + H3 C
CH3
O +
82°C, 2-propanol, 1 h
H 3C
CH3
89%
3. 1. 3. ábra. Ciklohexanon redukálása 2-propanollal bázis jelenlétében RuCl2(PPh3)3 katalizátorral
A bázis alkalmazásának kedvező hatását a reakciósebességre Ir- és Rh-katalizátorok jelenlétében is tapasztalták.100,101 1976-ban Ohkubo102 és Sinou103 olyan aszimmetrikus transzfer hidrogénezési eljárást fejlesztett ki, amelyben a [RuCl2(PPh3)3] komplexet királis monofoszfin ligandummal kombinálta. Bár azóta számos királis katalitikus rendszert publikáltak az átmenetifém katalizált aszimmetrikus transzfer hidrogénezésre – például Pfaltz iridium,104 Genet ruténium,105 Lemaire ródium,106 Evans pedig szamárium rendszerre107 – az áttörést Noyori és Ikariya munkássága jelentette 1995-ben, akik olyan RuII komplexeket alkalmaztak királis monotozilált 1,2-diamin vagy amino-alkohol ligandumok jelenlétében, melyek nagy enantioszelektivitással végezték a ketonok redukcióját.108,109,110,111,112,113
24
Hidrogén-donorként 2-propanol illetve hangyasav trietilaminnal alkotott azeotróp elegyét használták. O
OH
R2 R1
RuII-komplex, ligandum (CH3)2CHOH / HCOOH-Et3N
*
R2
R1
Katalizátor
Ts N
H
Ru Cl
N
N
Cl
H N
Ru P Ph2 Cl
H H
P Ph2
3. 1. 4. ábra. Példa a Noyori és Ikariya által alkalmazott katalizátorra acetofenon redukciójára
Ezen eredmények ösztönzőleg hatottak a vegyészekre, hogy intenzív erőfeszítéseket tegyenek új fém-ligandum bifunkciós katalizátor-rendszerek kifejlesztésére, melyek alkalmazhatók ketonok redukciójára. Míg fémként elsősorban a ruténium, a ródium, és az irídium terjedt el, az alkalmazott ligandumok széles spektrumon változhatnak, amelyekben nitrogén, oxigén, foszfor és kén lehet a donoratom. A ligandumokat csoportosítva megkülönböztetünk kétfogú- (diaminok,114 amino alkoholok115,116,117,118), háromfogú-, illetve négyfogú ligandumokat (3. 1. 5. ábra).110 Kétfogú
NHTs
H2N
NHTs
R1
NH2 HO
HO
NHCH2Ph
Háromfogú O
NH
R2
Négyfogú
Ph N OH
NH H N N
N O
NH
HN
PPh2
Ph2P
Ph
3. 1. 5. ábra. Néhány példa a transzfer hidrogénezéshez alkalmazható ligandumokra
25
119,120
Ezen belül lehet anionos és semleges a ligandum, attól függően, hogy tartalmaz-e protonált donor centrumot. Ezen tulajdonság alapvetően meghatározza a transzfer hidrogénezés mechanizmusát is. Általában igaz az, hogy ruténium esetében, a királis 1,2-amino alkoholok katalitikus aktivitása 2-propanolban a legnagyobb, míg a hangyasav inhibiálja őket, mivel a hidroxi-csoport deprotonálódása teljesen el van nyomva. Ezzel ellentétben a monotoziláltdiamin ligandumok katalitikusan aktívak hangyasav-trietilamin azeotróp elegyben is.78 Fontos megjegyezni, hogy maga a katalizátor szerkezete csak ritkán határozható meg, ugyanis a legtöbb esetben in situ keletkezik bázis promoter jelenlétében a fém-komplexből és a ligandumból. Amikor a katalizátor, illetve prekurzora izolálható, akkor nincs szükség bázisra a katalizátor aktiválásához. Ilyen például a [RuH2(PPh3)4],121,122 a [RuH(η6arén)(PP)],123 [RuH(MeCONH)(PCy3)2(CO)(iPrOH)],124 a [K][RuH3(CO)(Cy2P(CH2)4PCy2)].KBHsBu3,125 a [RuH(amino-amido)(η6-arén)],126 a [RuH(H2)(P(CH2CH2PPh2)3)][BPh4],127 és a Shvokatalizátor prekurzor (3. 1. 6. ábra).128 Rn
H H Ph3P Ph3P
Cy3P
H Ru
HN
PPh3 PPh3
Me
CO
Rn
Ru PCy3 HOiPr
Ru
H
C
Ts
N
Ru
N
H
Ph
H
O
P P
H Ph
Cy2 CO P H Ru H PCy2 H
Ph
BPh4
K P P Ph2
PPh2 H Ru H H PPh2
Ph Ph OC
Ph
O H O
Ru
Ph Ph H
CO
Ph Ru CO
Ph CO
3. 1. 6. ábra. Néhány példa a szerkezetileg meghatározott katalizátorokra
Egyre elterjedtebben alkalmaznak szerkezetileg kötött, ún. tethered ruténium,129,130 illetve ródium131,132 katalizátorokat, melyben a monotozilált diamin kovalensen kapcsolódik a η6arénhoz. Ezzel egyrészt stabilizálják a katalizátort, másrészt az enantioszelektivitását is kontrollálhatóbbá teszik.
26
Rh Ru Cl
N
N
SO2
Cl
N Ts
N
Ph
H
Ru
Ph
H
H Ph
Cl
Ts N
N H
Ph
3. 1. 7. ábra. Néhány példa a szerkezetileg kötött, ún. tethered katalizátorokra
A közelmúltban Grützmacher és munkatársai133 olyan RhI amido komplexet állítottak elő, amely alkalmas nemcsak ketonok, de C=C kettőskötések transzfer hidrogénezésére is. Az acetofenon redukciójára rendkívül hatékony ez a katalizátor, a reakció már 40°C-on is végbemegy, miközben hidrogén-donorként az olcsó etanolt alkalmazzák (3. 1. 8. ábra).
N
O
OH
Rh PPh3
etanol, 40°C
3. 1. 8. Az acetofenon redukciója a Grützmacher által alkalmazott katalizátorral
A hatékonyabb katalizátor keresésével párhuzamosan olyan törekvések is elterjedtek, melyek igyekeznek minél zöldebb katalizátorokat alkalmazni a ketonok transzfer hidrogénezésére. A vas olcsóbb, nagyobb mennyiségben előfordul, és környezetbarátabb fém, mint az általánosan alkalmazott ruténium, ródium illetve irídium. 1972-ben Noyori és munkatársai publikálták, hogy a Fe(CO)5 képes szelektíven hidrogénezni a C=C kettőskötést α,β-telítetlen ketonokban illetve aldehidekben.134 Később Markó és munkatársai135 is aktívnak találták a vas-karbonilt iminek hidrogénezésében. Bár egy későbbi munkában Vancheesan és munkatársai136 megmutatták, hogy a Fe3(CO)12 és származékai ketonok transzfer hidrogénezésére is használhatók 2-propanol vagy 1-feniletanol hidrogéndonorok jelenlétében, jelentős előrelépés csak az elmúlt pár évben történt. Beller és munkatársai vasterpiridin-foszfin137 illetve vas-porfirin138 rendszerek jelenlétében mind aromás, mind alifás ketonok transzfer hidrogénezését elvégezték. 2-propanolt alkalmazva hidrogéndonorként
27
kiváló hozamokat értek el (3. 1. 9. ábra). Ezekben a katalitikus rendszerekben fém prekurzorként Fe3(CO)12-t és a FeCl2-t alkalmaztak bázis jelenlétében. O
OH Fe3(CO)12, porfirin, K-t-OBu 2-propanol, 100°C, 7 h Cl 99%
NH
N Cl
Cl HN
N
Cl
3. 1. 9. ábra. Példa a vas-porfirin rendszerek alkalmazására aromás ketonok redukciójában
Casey és munkatársai139 publikáltak először olyan bifunkciós vas-komplexet, mely mind hidrogénezésre mind transzfer hidrogénezésre alkalmas. Kísérleteik során magas szelektivitást értek el mind a karbonil (3. 1. 10. ábra), mind az imin csoportokra nézve. Ez a katalizátor tulajdonképpen a Shvo ruténium katalizátorának128 analógiája, mely tartalmaz egy savas hidroxi-hidrogént és egy hidridet. TMS O O OC
H
TMS
Fe
OH
H
OC
2-propanol, 75°C, 16 h
87%
3. 1. 10. Az acetofenon redukciója a Casey-féle vas-alapú katalizátorral
Zöld kémiai szempontból fontos a transzfer hidrogénezéshez használt oldószer is. Ketonok vizes közegben történő transzfer hidrogénezésére számos példa található az irodalomban. A vizes közegben történő transzfer hidrogénezés előnye, hogy biztonságosabb,
28
olcsóbb, valamint általában kevesebb szennyező anyag keletkezésével jár. Hidrogéndonorként elsősorban hangyasavat illetve formiátokat alkalmaznak. Az első vizes közegben lejátszódó transzfer hidrogénezési eljárások főként a szerves-vizes kétfázisú rendszerek alkalmazásának lehetőségére irányultak. A vízoldható katalizátorok tervezésére fektetve a hangsúlyt, elsősorban a már széles körben alkalmazott katalizátorokat próbálták vízoldhatóvá tenni.140,141 Ehhez elsősorban szubsztituált trifenil-foszfin ligandumokat alkalmaztak, melyek hátránya, hogy levegőn általában nem stabilak. A [RhCl(PPh3)3] komplexet, illetve a trifenilfoszfin vízoldható csoportokkal szubsztituált származékait vizes nátrium-formiát oldatban alkalmazták ketonok hidrogén transzfer redukciójában.76 A reakcióhoz fázistranszfer katalizátorra is szükség volt és nagy PPh3 feleslegre, hogy a ródium inaktív fémmé történő redukcióját megakadályozzák (3. 1. 11. ábra). 142 O
OH [RhCl(PPh3)3] + 10 PPh3
Ph
R
90°C, Ar, o-xilán / HCOONa (aq) Aliquat 336
Ph
R 33-83%
R = CH3, C2H5, C3H7, Ph 3. 1. 11. ábra. Példa a vizes közegben lejátszódó transzfer hidrogénezésre
A vízoldható [IrCp*(H2O)3]2+ komplex szintén aktív katalizátora aldehidek és ketonok vizes formiátokkal történő transzfer hidrogénezésének,143 azonban a reakció lejátszódása jelentősen függ a pH-tól. A legoptimálisabb pH-nak a 3,2 érték adódott, míg 5-ös pH felett egyáltalán nem tapasztaltak reakciót. Ennek az lehet az oka, hogy magasabb pH-n a katalitikusan inaktív [(IrCp*)2(μ-OH)3]+ hidroxid-hidas trimer keletkezik.76 Ketonok transzfer hidrogénezésére 2propanol
is
alkalmazható.
A
királis
N-(p-tolilszulfonil)-diaminok
például
kiváló
enantioszelektivitást mutattak prokirális ketonok redukciójára.144,145 Xiao és munkatársai146 2004-ben közzétett eredményei azt mutatták, hogy a Noyori-Ikariya féle ruténium-katalizátor vizes közegben is aktív ketonok transzfer hidrogénezésére. Sőt, a reakciót gyorsabbnak találták mint szerves oldószerben végrehajtva, valamint jobb enantioszelektivitást értek el. Az acetofenon redukciója 95%-os enantiomer felesleggel, 40°Con 1 óra alatt végbement. Később azt is felfedezték, hogy ha a [RuCl2(p-cimén)]2, [Cp*RhCl2]2 vagy [Cp*IrCl2]2 komplexeket különböző – a szerves oldószerekben is alkalmazott – ligandumokkal kombinálják, akkor mindenféle módosítás nélkül aktív katalizátort kapnak, mely vizes közegben is kiválóan alkalmazható ketonok redukciójára. Manapság mind több vizes közegben történő katalitikus transzfer hidrogénezésre jelenik meg
29
példa az irodalomban,147,148,149 de egyre elterjedtebb az ionos folyadékok oldószerként való alkalmazása is. Az első ionos folyadékban végrehajtott transzfer hidrogénezési reakciót Andersen és munkatársai150 publikálták. Az acetofenon hidrogénezését Rh2(OAc)4 katalizátor jelenlétében (1S, 2R)-cisz-aminoindanol illetve (-)-DIOP ligandum alkalmazásával végezték kvaterner foszfónium-tozilát sókban. Hidrogéndonorként 2-propanolt alkalmazva akár 92%os enantiomer felesleget is el tudtak érni. Mivel az alkalmazott ionos folyadékok mindegyike szobahőmérsékleten szilárd halmazállapotú volt, a termékeket dekantálással választották el. Később Dyson és Geldbach151 a Noyori-féle ruténium-katalizátort módosította úgy, hogy – a hozzákapcsolt töltéssel rendelkező imidazólium résznek köszönhetően – az ionos folyadékban immobilizálhatóvá
váljon.
Az
acetofenon
transzfer
hidrogénezéséhez
1-butil-2,3-
dimetilimidazólium hexafluorofoszfátot alkalmaztak oldószerként, egyrészt mert ez az ionos folyadék a katalizátor aktiválásához szükséges bázis jelenlétében stabil, másrészt mert külön fázist alkot a hidrogén-donorként alkalmazott 2-propanollal. 35°C-on 2-propanol/KOH alkalmazásával 80-95%-os hozamokat is elértek. Me
Me
BF4
Me
Me
N N Cl
Ru Cl
N
+
N Ru
Cl
NH2 Ph
HO
BF4
N
N
H
+
Ts Ph
H Ph
Ph
3. 1. 12. ábra. Példa az ionos folyadékokban alkalmazható katalizátorokra
Bár Ohta és munkatársai152 szintén imidazólium résszel módosított Noyori-féle katalizátort alkalmaztak 1-butil-2-metilimidazólium hexafluorofoszfát ionos folyadékban HCOOH/Et3N azeotrópot alkalmazva hidrogénforrásként, a Noyori-féle katalizátort módosítás nélkül is sikeresen alkalmazták.153,154 Egy, az idén megjelent közleményben [RuCl2(p-cimén)]2 katalizátorral hajtottak végre redukciót bázisos ionos folyadékban.155 Kevés olyan katalizátor létezik, amely nemcsak transzfer hidrogénezésre, hanem hidrogéngázzal történő hidrogénezésre egyaránt alkalmazható. Általános tapasztalat, hogy ami jó hidrogénezésre, az nem jó transzfer hidrogénezésre, és ez fordítva is igaz. Ennek oka valószínűleg a fém centrum elektromos tulajdonságaiban rejlik,156 de meg kell jegyezni, hogy a hidrid képződés alapvetően más a hidrogéngázzal történő hidrogénezési eljárásban, mint például a 2-propanollal történő transzfer hidrogénezés során.157 Az viszont majdnem mindig igaz, hogy a hidrogénezés jobban megy, mint a transzfer hidrogénezés. Az 1990-es években 30
sokféle hidrogénezéshez használt katalizátort próbáltak ki transzfer hidrogénezésre, azonban ebből csak néhány bizonyult használhatónak (aktivitás és enantioszelektivitás szempontjából). Egy korai példa, a Noyori és munkatársai által használt RuII-BINAP komplex (3. 1. 13. ábra), melyet eredetileg α,β-telítetlen karbonsavak hidrogénezésére alkalmaztak.158 Brown és munkatársai kimutatták,159 hogy ugyanaz a katalizátor az α,β-telítetlen karbonsavak transzfer hidrogénezésére is alkalmazható. Hidrogén-donorként HCOOH/Et3N azeotrópot használtak, azonban nem értek el túl jó enantioszelektivitást. Később Saburi és munkatársai160 is vizsgálták ugyanezen reakciót, de hidrogéndonorként egyszerű alkoholokat - etanolt vagy 2propanolt - használtak. O PPh2
O
Ru PPh2
O
O
3. 1. 13. ábra. A Noyori-féle Ru-BINAP univerzális katalizátor
Van néhány akirális katalizátor is amely alkalmas mind hidrogénezésre, mind transzfer hidrogénezésre, ilyen például a Shvo-katalizátor.128 A transzfer hidrogénezés mechanizmusára vonatkozóan számos kutatást végeztek. Kiderült, hogy a donor molekuláról történő hidrogén transzfer kétféle módon mehet végbe: a fém által kiváltott szimultán transzfer folyamat (direkt H-transzfer mechanizmus), illetve többlépéses fém-hidrid kialakulásával járó hidrogén transzferrel (hidrid utas mechanizmus). A direkt H-transzfer mechanizmusban a katalízis során kialakul egy olyan intermedier, amelyben mind a donor, mind pedig az akceptor molekula kötődik a fémhez, így térben közel kerülnek egymáshoz (3. 1. 14. ábra). A fémen való kötődés során a szubsztrát a hidrid nukleofil támadása folytán aktiválódik. A fém biztosítja a reaktánsok megfelelő elhelyezkedését ahhoz, hogy a hidrid hidrogén áthelyeződése megvalósulhasson. Ez a mechanizmus hasonló a MPV redukcióra javasolt mechanizmushoz, és bár főként a nem átmeneti fémek csoportjára tipikus, nem csak azokra korlátozódik.
31
Ln M
MLn
O
MLn O
O
O
O
O
+ R
R'
+ C
R
H
C
R
H
H
R'
R'
3. 1. 14. ábra. A direkt H-transzfer mechanizmus
A hidrid utas mechanizmus magában foglal egy olyan intermediert, melyben a fém a donor molekulával kölcsönhatásba lépve kialakít egy diszkrét fém-hidridet, melyet aztán a hidrid áthelyeződése követ a szubsztrátra. Tehát a donor és az akceptor külön lépnek kölcsönhatásba a fémmel a reakció különböző szakaszában. Az átmenetifém katalízis elsősorban ily módon megy végbe. Attól függően, hogy milyen ligandum koordinálódik a fémhez, mono- illetve dihidrid fém-komplexek keletkezhetnek. A szubsztrát kötődhet közvetlenül a fémhez, vagyis a fém koordinációs szféráján belül kerül (inner sphere mechanism), vagy csak a funkciós csoportoknak köszönhető hidrogén-kötések és dipól kölcsönhatások révén áll kapcsolatban a fémmel (outer sphere mechanism) (3. 1. 15. ábra).78
[RuCl2(η6-arén)]2
R1
XH
R2
NHR
Rn
Cl bázis H
Ru
RuCl2(PPh3)3
X
NR
R1 R2
Rn
Ru
bázis szek.-alkohol
OH
R'
RuH2(PPh3)3
H R
X
RN
R1 R R2
(Ph3P)3(H)Ru
O R'
Rn
H
Ru
O
Ru(PPh3)3
X
NR
R1
H
R'
R
R2
külsõ koordinációs szféra
belsõ koordinációs szféra
3. 1. 15. A hidrid utas mechanizmus két fajtája
32
A katalitikus transzfer hidrogénezést egyre gyakrabban alkalmazzák az iparban, köszönhetően ezen reakciók szelektivitásának, hatékonyságának, egyszerűségének és gazdaságosságának. A legfőbb elvárások a szelektivitás, a reakció sebességének növelésére és a katalizátor újrahasznosítására irányulnak. Fontos továbbá a minél tisztább termék kinyerése, az eljárás olcsóbbá tétele, valamint a hulladék mennyiségének csökkentése. Az iparban legszélesebb körben alkalmazott prekatalizátorok a
3. 1. 16. ábrán látható Noyori-féle
RuCl(Tsdpen)(p-cimén) illetve Cp*MCl-(Tsdpen). Ts Rn
R
R
X
N M
Ru N
N
Cl
Cl
R
R H
H
H
X = szulfonált N, O
H
M = Rh, Ir
3. 1. 16. Az iparban leggyakrabban alkalmazott katalizátorok
Az ipari méretekben megvalósított transzfer hidrogénezésre példa az Okano és munkatársai161,162 által kifejlesztett (S)-1-(3-trifluormetil-fenil)-etanol előállítás, mely a mezőgazdaságban használatos herbicid (S)-MA20565 készítésének intermedierje (3. 1. 17. ábra). A 2-propanol – aceton átalakulás reverzibilitásából adódó gondot úgy küszöbölik ki, hogy az acetont folyamatosan desztillálják le a reakcióelegyről. O
OH
F 3C
F3C Ru(Tsdpen)(p-cimén) 2-propanol / HCOOH/Et3N OCH3
91% ee
H3CHN O
N O F3C
(S)-MA20565
3. 1. 17. ábra. Példa egy ipari méretekben alkalmazott transzfer hidrogénezési eljárásra
33
Példaként említhető még a NPIL Pharma által kifejlesztett eljárás (3. 1. 18. ábra), melynek során többszáz kilogrammos tömegekben állítanak elő királis szekunder aminokat.163 A módszert kiterjesztették más primer, szekunder és tercier aminra is.164,165 O
OH
OMs
királis katalizátor 2-propanol / HCOOH/Et3N
R
MsCl Bázis R
R
NR'R'' NHR'R'' R
90-99% ee
3. 1. 18. ábra. NPIL Pharma által kifejlesztett eljárás királis aminok előállítására
3. 2. A Shvo-katalizátor A Shvo-katalizátor prekurzor128,166 (3. 2. 1. ábra) egy hidrid-híddal összekötött szimmetrikus ruténium-komplex {[2,3,4,5-Ph4(η5-C4CO)]2H} Ru2(CO)4 (μ-H), melyet eredetileg aldehidek, ketonok, alkének és alkinek hidrogénezésére,167 valamint vízgáz típusú reakciókban ketonok, aldehidek168 és nitroaromás komponensek redukciójára alkalmaztak.169 A Shvo-katalizátor víz jelenlétében katalitikusan aktívnak mutatkozott alifás aminok transzalkilezési reakcióiban,170 valamint hangyasav promoter alkalmazásával alifás és aromás aldehidek diszproporciós reakcióiban, az úgynevezett Tishchenko típusú átalakulásban is.171 Shvo-katalizátor prekurzor: R
R' R' OC
Ru
R
R
O H O R
Shvo-katalizátor:
R H
CO
CO
R
R'
R' Ru
OH
R'
R' OC
CO
(1)
Ru CO (2)
H
R = Ph p-ClPh R' = Ph p-MeOPh p-MePh p-FPh p-ClPh
3. 2. 1. ábra. A Shvo-katalizátor prekurzor és aktív formája
Shvo és munkatársai kutatásaik során megmutatták, hogy a {[2,3,4,5-Ph4(η5-C4CO)]2H} Ru2(CO)4 (μ-H) diruténium-komplex (1), és különböző fenil-szubsztituált származékai
34
hidrogén illetve hangyasav jelenlétében alkalmasak alifás-, ciklikus- illetve aromás ketonok és aldehidek redukciójára, melynek során alkohol keletkezik.172 Míg ketonok hidrogénezésére jó szelektivitással végezték a redukciót, aldehidek esetében aldol kondenzációs termékeket is kaptak. Kísérleteikből egyértelműen látszik, hogy a hangyasav feleslege gyorsítja ugyan a reakciót, ezzel együtt azonban a formiát észterek képződését is elősegíti. Ennek kiküszöbölésére nátrium-formiátot és kis mennyiségű vizet adtak a reakcióelegyhez. Abban az esetben, amikor az észter képzése volt a cél, 4-5-szörös hangyasav felesleget alkalmaztak. Telítetlen aldehidek és ketonok redukciója során megfigyelték, hogy ha nem konjugált kettőskötéseket tartalmazó vegyületet redukálnak, akkor a hidrogénezés szelektív a karbonilcsoportra, vagyis alkoholok képződnek, míg konjugált kettőskötéseket tartalmazó molekulák esetében inkább a kettőskötés redukálódik.172 Kutatásaik során azt is tapasztalták, hogy ha a reakciót oldószerben hajtják végre, annak hatása van a reakció sebességére. A ciklohexanon redukciója során például megállapították, hogy a koordináló oldószerek lassítják a reakciót, ugyanis kompetíció alakul ki az oldószer és a szubsztrát között (3. 2. 1. táblázat). oldószer
toluol
THF
1,4-dioxán
szulfolán
acetonitril
kkezdeti .100 mmol/min
12,1
4,0
4,3
3,6
1,2
3. 2. 1. táblázat. A ciklohexanon hangyasavval történő redukciója a Shvo-katalizátor jelenlétében, különböző oldószerekben; [ciklohexanon] = [HCOOH] = 4.0 mol/dm3, [katalizátor] = 10-3 mol/dm3, T=65°C
A különböző fenil-szubsztituált katalizátorokkal végzett kísérletek során az is kiderült, hogy a fenil-csoporton lévő elektronküldő csoport gyorsítja a reakciót.172 A redukció mechanizmusát is vizsgálták, melynek során megállapították, hogy a reakcióban résztvevő aktív intermedier (2) a diruténium-komplexből (1) képződik és tartalmaz egy aránylag savas hidroxil-csoportot a ciklopentadienil gyűrűn, valamint egy a ruténiumhoz közvetlenül kapcsolódó hidridet. A Shvo által ajánlott katalitikus ciklus (3. 2. 2. ábra) a diruténium-komplex (1) termikus disszociációjával indul, melynek hatására kialakul a hidrogénezésre alkalmas katalitikusan aktív (2), valamint egy koordinatíve telítetlen (A) komplex. Shvo és munkatársai feltételezték, hogy ezen katalitikusan aktív komplexhez (2) regioszelektíven koordinálódik a keton, majd a redukció megtörténte után, az alkohol kilépésével előáll a koordinatíve telítetlen komplex (A). A hangyasav a katalizátor regenerálásában játszik kulcsszerepet úgy, hogy egy molekula hangyasav koordinálódik a telítetlen komplexhez (oxidatív addició), kialakítva a hidroxiciklopentadienil-ruténium-formiátot (5), majd egy molekula széndioxid szabadul fel az aktív intermedier kialakulása során (béta-elimináció).
35
Ph
OH
CO2
R2C=O Ph
Ph Ru
Ph
H
OC
CO
(2) Ph
Ph
OH
O H Ph
Ph
Ph
Ph Ph OC
Ru
O
O
Ph
Ph
(5)
H
Ph OC
Ph H
Ru CO
R
Ru CO
CO R2CHOH Ph
O
OC
O H
Ph Ph
O
Ru
Ph
CO O
R
Ph
(1)
Ph
C
OC CO H
Ph
Ph
Ph
O
Ru Ph
O
CO
Ph
Ph
H O
Ru
Ph
H
OC
CO
(A)
HCOOH
3. 2. 2. ábra. A Shvo által ajánlott katalitikus ciklus ketonok transzfer hidrogénezésére
A keton regiospecifikus koordinációját a katalizátor aktív formájához, DCOOH-val végzett kísérletekkel igazolták. Vizsgálataik egyértelműen alátámasztották feltevésüket, ugyanis a ciklohexanon deuterált hangyasavval történő redukciója során a hangyasav savas protonja szelektíven a karbonil oxigénen, míg formil-deutériumja a karbonil szénen jelent meg (3. 2. 3. ábra).172 O
D +
OH +
DCOOH
CO2
3. 2. 3. ábra. A hangyasav deutériumjának regiospecifikus kötődése a ciklohexanonhoz
Bár Shvoéknak nem sikerült kimutatniuk a katalitikus ciklusban szereplő formiát-komplexet (5), később Casey és munkatársai173 NMR-spektroszkópiás vizsgálatokkal bizonyították létezését, igaz csak alacsony (-20°C) hőmérsékleten. Érdekes módon azonban nem az általánosan alkalmazott Shvo-prekurzorral (1), hanem annak egy kevésbé stabil változatával (6) végezték a kísérletet, mely bár könnyedén átalakul a diruténium prekurzorba (1) etanol, vagy hidrogén hatására is,170 a (1) prekurzorból nem állítható elő.
36
R R'
O
R' Ru OC OC
R Ru
R
R
CO CO
H2 R'
O (6)
R
R'
R
R' OC
R H
Ru CO
Ru
OH R
R'
+
R'
CO
R'
R
R
O H O
R' OC
R' CO
(1)
Ru CO
H
(2)
3. 2. 4. ábra. A Shvo-katalizátor prekurzor egy másik fajtája és annak reakciója hidrogénnel
A reakció pontos mechanizmusa még ma is vitatott, de elsősorban Casey és munkatársainak174 a tolil-szubsztituált analóggal (3. 2. 1. ábra. R'=p-MePh) végzett kimerítő mechanizmus vizsgálata alapján felállított feltevése tűnik a legelfogadottabbnak (3. 2. 5. ábra). Eszerint a redukció úgy megy végbe hogy egyidejű hidrogén transzfer történik a ruténiumon lévő hidrid, valamint a Cp-gyűrűn lévő savas OH ligandumról (concerted hydrogen transfer), mialatt a keton illetve aldehid a fém koordinációs szféráján kívül helyezkedik el. Ezt a mechanizmust támasztja alá többek között a deutérium okozta izotóp effektus észlelése mind a Ru-D, mind a Cp-O-D vizsgálata során.174 A későbbiekben mások által tapasztalt eredmények, számítások is a Casey által feltételezett mechanizmus helyességét erősítették meg.175,176
Ph
Ph O
H
O
O
H
Ph Ph
Ph
Ru OC
H C
H R
CO
+
C
O
Ph Ph
R
Ru
Ph
R
OC
CO
R
(2)
(A)
(2)
PPh3
Ph
O
H
Ph
Ph Ph OC
Ru
Ph
Ph
O
O
Ph H
CO
Ph Ru CO
Ph CO
(1)
Ph Ph Ru
Ph OC
PPh3 CO
(7)
3. 2. 5. ábra. A Casey által javasolt mechanizmus ketonok redukciójára
Casey és munkatársai174 a koordinatíve telítetlen monoruténium-komplex (A) létezésének bizonyítására vonatkozóan is számos kísérletet végeztek úgy, hogy például trifenil-foszfin (3. 2. 5. ábra) vagy trifluorecetsav hozzáadásával csapdázták. Ugyanezt tapasztalták később
37
magas hőmérsékleten toluolban végzett kísérleteik során is, ekkor ugyanis a (2) komplex hidrogént eliminál, és a telítetlen komplex (A) trifenil-foszfinnal szubsztituált származéka (7) keletkezik.177 Számos kinetikai vizsgálatot is elvégeztek, melyek jó egyezésben voltak a számításokkal.178 A Shvo-katalizátort sikeresen alkalmazták alkinek redukciójára is,179 melynek mechanizmusa ma még nem teljesen felderített. Az egyik legnagyobb különbség például az, hogy míg ketonok és aldehidek hidrogénezése hangyasavval is végbemegy, alkinek redukcióját csak H2 gázzal lehet megoldani. Nemrégiben 1,3-cikloalkándionok mikrohullámú technikával történő hidrogénezését is megvalósították a Shvo-katalizátor jelenlétében.180 3. 3. Célkitűzések Eddigi kutatásaink azt sugallják, hogy kedvező fizikai és kémiai tulajdonságai miatt a gamma-valerolakton meghatározó szerepet kaphat a fenntartható vegyiparban,181 hiszen felhasználható mind energia, mind pedig szén alapú termékek előállítására, szénhidrátokból előállítható, könnyen és biztonságosan tárolható és szállítható, mivel alacsony fagyásponttal, magas forrás- és lobbanásponttal rendelkezik. Illata kellemes, de nem erőteljes, levegőn stabil, vízzel való korlátlan elegyedése pedig jelentősen elősegíti a környezetben való lebomlását. Egy fenntartható folyadéknak azonban, nemcsak fizikai-kémia tulajdonságainak kell alkalmasnak lennie megújuló energia- és nyersanyagforrásként való felhasználáshoz, hanem biomasszából történő előállításának is könnyen megvalósíthatónak, szelektívnek és gazdaságosnak
kell
lennie.
A
szénhidrátok
dehidratálással
kombinált
katalitikus
hidrogénezése különböző oxigén tartalmú intermedierek és akár alkánok képződését is eredményezhetik, melyek fontos alapanyagai a vegyiparnak. Kutatócsoportunk sikeresen alakította át a szacharózt levulinsavvá valamint gamma-valerolaktonná különböző katalizátorok jelenlétében.199 Mivel a hangyasav a szacharóz dehidratálásával keletkező levulinsav társterméke, lehetőség nyílik arra, hogy a levulinsavat a vele egy reakcióban keletkező hangyasavval hidrogénezzük. Kutatásaim során igyekeztem a gamma-valerolakton néhány, eddig nem ismert, de fontos fizikai-, kémiai tulajdonságát vizsgálni, mely bizonyítja fenntartható folyadékként, benzinadalékként vagy akár gyújtófolyadékként való alkalmazhatóságát, valamint megpróbáltam a szénhidrátból
keletkező
levulinsavat
–
a
megújuló
hangyasavat
alkalmazva
hidrogéndonorként – transzfer hidrogénezés útján gamma-valerolaktonná alakítani.
38
4. Gamma-valerolakton, mint fenntartható folyadék A fenntartható vegyipar megvalósításának egyik kulcs lépése egy olyan alapanyag globális alkalmazása, mely átveheti a kimerülőben lévő fosszilis nyersanyagok szerepét a jövőben. A különböző lehetséges folyadékok közül (metanol, etanol, MTBE, 2-Me-THF) a gamma-valerolakton
fizikai
és
kémiai
tulajdonságai
talán
a
legmegfelelőbbek
a
fenntarthatóság különböző szempontjait figyelembe véve (4. 1. táblázat).199
Moláris tömeg (g/mol) C (w%) H (w%) O (w%) Forráspont (oC) Olvadáspont (oC) 3 Sűrűség (g/cm ) Lobbanáspont (oC) LD50, orális-patkány (mg/kg) LD50, belélegzés-patkány (ppm)
Metanol
Etanol
MTBE
2-Me-THF
GVL
32,04 37,5 12,6 49,9 65 -98 0,7910 11 5628
46,07 52,2 13,1 34,7 78 -114 0,8 17 7060
88,15 66,1 13,7 18,2 55 -109 0,74 -33 4800
86,13 69,7 11,6 18,7 78 -136 0,86 -11 N/A
100,12 60 8 32 207-208 -31 1,05 96 8800
64000/4h
20000
23576
6000
N/A
4. 1. táblázat. Néhány oxigenát fizikai-kémiai tulajdonságának összehasonlítása a gamma-valerolaktonnal
Az élelmiszer-adalékként is alkalmazott gamma-valerolakton egyike lehet a legfontosabb alapanyagoknak, hiszen felhasználható mind energia, mind pedig szén alapú termékek előállítására, szénhidrátokból előállítható, vagyis megújuló, könnyen és biztonságosan tárolható és szállítható, mivel alacsony fagyásponttal, magas forrás- és lobbanásponttal rendelkezik. Illata kellemes, de nem erőteljes, levegőn stabil, vízzel való korlátlan elegyedése pedig jelentősen elősegíti a környezetben való lebomlását. Mivel kutatócsoportunk a gammavalerolakton vizes oldatból való elválasztásával kapcsolatban kimutatta, hogy nem képez azeotróp elegyet vízzel, a vízmentes GVL előállítása valószínűleg kevesebb energiát igényelhet mint például a vízmentes bioetanolé.199 Noha a gamma-valerolakton felhasználási területe még nem felderített, a MOL Rt. TKD DS Technológia- és Projektfejlesztés Analitika által laboratóriumi motorokban végzett kísérletei azt mutatták, hogy a 95-ös oktánszámú motorbenzin és γ-valerolakton 9:1 arányú elegyének tulajdonságai összemérhetők a 95-ös oktánszámú motorbenzin és bioetanol azonos
39
arányú elegyének tulajdonságaival. Ez azt jelenti, hogy a gamma-valerolakton alkalmas lehet üzemanyag-adalékként való felhasználásra is.199
MSZ EN 228 termékszabvány
AN-95 benzin
Sűrűség (15oC, kg/m3)
720–775
733,5
737,8
765,8
Oxidációs stabilitás (perc)
min. 360
OK
OK
OK
Peroxid-szám (mg/kg)
1,75
1,40
1,72
Gőznyomás (DVPE) (kPa)
45–60 (nyár) 60–90 (tél)
54,6
65,1
56,6
63,0
71,0
62,2
Gőznyomás (ASVP) (kpa) o
90 v/v% AN-95 90 v/v% AN-95 + + 10 v/v% EtOH 10 v/v% GVL
Elpárologtatott mennyiség 70 C-ig (v/v%)
20–48 (nyár) 22–50 (tél)
27,2
47,9
24,1
Elpárologtatott mennyiség 100oC-ig (v/v%)
46–71
52,3
57,3
46,2
Elpárologtatott mennyiség 150oC-ig (v/v%)
min. 75
90,0
90,7
80,0
Végforráspont (oC max.)
210
181,9
181,6
202,2
Desztillációs maradék (v/v%)
max. 2
1,0
1,0
0,9
Fuvatás utáni gyantatartalom (mg/100ml)
1,9
1,6
1,9
Tényleges gyantatartalom heptános mosás után (mg/100 ml)
max. 5
0,5
0,8
0,8
Korrózió rézlemezen
1. osztály
1A
1A
1A
Motor oktánszám
min. 85
88,8
89,3
89,2
Kísérleti oktánszám
min. 95
97,2
97,4
97,3
4. 2. táblázat. Az etanol és a GVL üzemanyag-adalékként való összahasonlítása
4. 1. A gamma-valerolakton gőznyomása Egy fenntartható folyadék fontos tulajdonsága, hogy nem illékony, vagyis gőznyomása alacsony. Mivel az irodalomban nem találtunk adatot a gamma-valerolakton gőznyomására vonatkozóan, egy saválló Hasteloy-C Parr reaktor segítségével megmértük. Ehhez bemértünk 4-5 mL GVL-t a reaktorba, majd lezártuk és csatlakoztattuk egy Rosemount® Hasteloy-HC-276 digitális gőznyomásmérőhöz. Jeges-vízes fürdőbe helyeztük, és vákuummal leszívattuk. Miután meggyőződtünk a rendszer tökéletes zárásáról, olajfürdőbe helyeztük, és különböző hőmérsékleteken leolvastuk a gőznyomásértékeket. Egy-egy
40
hőmérsékleten addig vártunk, míg a nyomásérték 5-8 percen keresztül változatlan maradt. A mért adatok a 4. 1. 1. ábrán láthatók. 4
T / °C
p / kPa
20 25 30 36 41 45 50 55 60 65 70 75 80
0,61 0,65 0,72 0,89 1,03 1,20 1,43 1,69 1,94 2,27 2,67 3,12 3,50
3.5
Gőznyomás (kPa)
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0 20
30
40
50
60
70
80
Hőmérséklet (°C)
4. 1. 1. ábra. A gamma-valerolakoton gőznyomása különböző hőmérsékleteken
A gőznyomás adatokat összehasonlítottuk más, az irodalomban talált és mások által vizsgált oxigenátok gőznyomásértékeivel (4. 1. 2. ábra). Ennek eredményeként elmondható, hogy a GVL tenziója jóval alacsonyabb az iparban gyakran alkalmazott oldószerek és az üzemanyagként vagy üzemanyag-adalékként alkalmazott metil-terc-butil-éter (MTBE) vagy az egyre inkább a figyelem középpontjába kerülő etanol és etil-terc-butil-éter gőznyomásánál (ETBE). 160
MTBE Metanol ETBE
140
Etanol GVL
Gőznyomás (kPa)
120
100
80
60
40
20
0 25
35
45
55
65
75
Hőmérséklet (°C)
4. 1. 2. ábra. A GVL gőznyomásának függése az időtől összehasonlítva az irodalomban ismert MTBE182, metanol183, ETBE182 és etanol183 gőznyomásértékeivel
41
Míg a legtöbb oxigenát gőznyomása 60°C-on közelít vagy jóval meg is haladja a 50 kPa értéket, a GVL gőznyomása ezen a hőmérsékleten csupán 2 kPa. Fontos megjegyezni, hogy a gőznyomásmérő helyes működésének ellenőrzésére, jól ismert tenziójú folyadék (metanol) gőznyomását is megmértük és összevetettük az irodalmi értékekkel. Az eredmények három párhuzamos mérés átlagából adódtak. 4. 2. A gamma-valerolakton peroxidképzésre való hajlamának vizsgálata Az irodalmi részben már volt szó a peroxidképzésre való hajlam vizsgálatának fontosságáról. Ahhoz, hogy egy fenntartható folyadék biztonságosan alkalmazható legyen fontos megvizsgálni, hogy levegő alatt nem bomlik-e el, illetve képez olyan anyagokat, melyek veszélyessé tehetik nagy méretekben történő felhasználását. A gamma-valerolakton üzemanyag-adalékként való alkalmazhatóságának első vizsgálatakor – a 95-ös oktánszámú motorbenzinhez 3, 6 és 9 v/v% GVL-t keverve – azt tapasztaltuk, hogy a benzin peroxidszáma jelentősen növekszik a hozzáadott gamma-valerolakton mennyiségének növelésével (4. 2. 1. táblázat).184
Peroxidszám (mg/kg)
AN-95
AN-95
AN-95
AN-95
benzin
+ 3% GVL
+ 6% GVL
+ 9% GVL
< 0.15
3.7
8.5
11.1
4. 2. 1. táblázat. A benzin peroxidszámának változása a hozzáadott GVL mennyiségétől függően
Ez arra utalhat, hogy vagy a GVL peroxidosodik, vagy olyan anyagokat hoz magával, melyek hajlamosak a peroxidképzésre. Mivel nem találtunk irodalmat arra vonatkozóan, hogy a GVL vagy más hasonló észter hajlamos-e spontán peroxidképzésre, és csupán egyetlen publikáció jelent meg a levulinsav hidrogén-peroxiddal történő átalakításáról γ-hidroperoxo-γvalerolaktonná,185 először megvizsgáltuk a kereskedelemben kapható 98%-os tisztaságú gamma-valerolaktont. Meglepetésünkre a GVL peroxidszáma 400 ppm-nek adódott, ami jelentősen nagyobb a még stabilizátor alkalmazása nélkül biztonságosnak tekinthető 80 ppmes határértéknél. Mivel a gamma-valerolaktont a levulinsav heterogén katalitikus hidrogénezésével állítják elő, melynek során 1,4-pentándiol illetve 2-metil-tetrahidrofurán is keletkezhet melléktermékként, felmerült, hogy a GVL-ről mért magas peroxidtartalom a könnyen peroxidálható 2-MeTHF jelenlétének következménye. A 2-metil-tetrahidrofuránt mind üzemanyagként,186,187 mind oldószerként széles körben alkalmazzák, és peroxidosodásra 42
való hajlama a vizsgálatainkkal egyidőben vált ismertté.48 Annak eldöntésére tehát, hogy a magas peroxidtartalom a GVL peroxidosodásának következménye, vagy a GVL előállítása során
keletkező
melléktermékektől
származik,
készítettünk
peroxidmentes
gamma-
valerolaktont. A peroxidmentesítést vasII-szulfát oldat segítségével végeztük, majd tisztítás után néhány hétig állni hagytuk, miközben bizonyos időközönként mintát vettünk, és vizsgáltuk a peroxidtartalmat. Megjegyzendő, hogy a peroxidszámot eredetileg üzemanyagok jellemzésére vezették be, ugyanis néhány nem várt baleset következett be, de növényi olajok és zsírok leírására is alkalmazzák. Mérését főként jodometriás titrálással végzik,188 így a peroxidszám megadja a mintában lévő anyagoknak azon mennyiségét milliekvivalens aktív oxigén/kg egységben kifejezve, amely a leírt körülmények között oxidálja a kálium-jodidot. A fentiekben leírt módon kezelt GVL ugyanezen módszerrel történő vizsgálata során, egy hónap szobahőmérsékleten, zárt edényben történő tárolása folyamán peroxidosképződést nem tapasztaltunk.184 Idő / h
Peroxidszám / ppm
0 41 163 330 378 476 546 (23 nap) 0 74 118 220 288 (12 nap) 0 48 146 313 476 674 (28 nap) 0 27 193 338 (14 nap) 0 48 117 183 663 (27 nap)
nem mérhető 4 11 12 160 376 nem mérhető 46 111 430 716 nem mérhető 180 422 856 1493 1583 nem mérhető 1 8 9 nem mérhető 3 4 6 9
Anyag
THF
2-Me-THF
2,5-dimetilfurán
Furán
MTBE
4. 2. 2. táblázat. Néhány oxigenát peroxidszámának időbeni változása
43
A GVL mellett számos más oxigén-tartalmú vegyület peroxidosodását is vizsgáltuk, mint például a tetrahidrofuránét (THF), a 2-metil-tetrahidrofuránét (2-Me-THF), a furánét, a 2,5dimetilfuránét, a metil-terc-butil-éterét (MTBE) és etil-terc-butil-éterét (ETBE). Ezek alapján megállapítható, hogy a THF, a 2-Me-THF valamint a 2,5-dimetilfurán használatát nagyban veszélyezteti a gyors (pár napos) peroxidképződés (4. 2. 2. táblázat). Fontos kiemelni, hogy a MTBE peroxidosodása 1 hónapos állás után is kis mértékű, nem véletlen, hogy üzemanyagként és oktánszámnövelő üzemanyag-adalékként, valamint oldószerként is ma már egyre nagyobb mennyiségben alkalmazzák egyéb éterek helyett. Mivel a méréssorozatot négyszeri alkalommal megismételtük – ellenőrizve a módszer reprodukálhatóságát – a különböző eredmények láttán rájöttünk, hogy a peroxidképződést nagyban befolyásolja az, hogy hogyan tároljuk a mintákat. Például a THF és a 2,5dimetilfurán peroxidosodására szobahőmérsékleten, lezárt üvegben, világos (fülkevilágítás) és sötét környezetben más-más eredményeket kaptunk (4. 2. 3. táblázat). Tapasztalataink azt mutatták, hogy ezen anyagok fény jelenlétében nagyobb mértékben peroxidosodnak.
Anyag
Tetrahidrofurán (THF)
2,5-Dimetilfurán
Idő / h 0 41 163 330 378 476 546 (23 nap) 0 48 146 313 476 674 (28 nap)
Peroxidszám / ppm sötétben nem mérhető 4 11 12 160 376 nem mérhető 180 422 856 1493 1583
világosban nem mérhető 172 886 1636 2022 nem mérhető 292 536 1021 1747 1990
4. 2. 3. táblázat. A THF és a 2,5-dimetilfurán peroxidszámának változása az időben sötétben és világosban
Megjegyzendő, hogy a hőmérséklet emelése, a levegőn való állás valamint a keverés48 nagymértékben befolyásolhatja a peroxidképződés sebességét. Kísérleteinket keverés nélkül, zárt edényben végeztük, egyrészt mert ezen anyagok elég illékonyak, másrészt mert tárolásuk során a legtöbb esetben nem keverednek. Oldószerként, főként levegő alatt történő reakció vizsgálatakor azonban számolnunk kell a peroxidképződés veszélyének növekedésével.
44
4. 3. A gamma-valerolakton hidrolízise A
gamma-valerolakton
megújuló
energia-
és
nyersanyagforrásként
való
használhatóságának eldöntésekor figyelembe kell venni vizes közegben történő spontán átalakulásának lehetőségét is (4. 3. 1. ábra). A laktongyűrű felnyílása ugyanis 4-hidroxivaleriánsavat eredményez, mely karbonsav lévén korróziós problémákat okozhat fém eszközökben történő tárolás és szállítás közben . O CH3
+ H2 O O
O
OH
- H2O
OH 4-hidroxi-valeriánsav
γ-valerolakton
4. 3. 1. ábra. A gamma-valerolakton hidrolízise
Megjegyzendő, hogy az irodalomban elsősorban a β- és γ-butirolakton savas, lúgos illetve semleges közegben történő hidrolízisének részletes leírása lelhető fel.189,190,191 1938-ban Olson és Miller190 írta le elsőként az optikailag aktív β-butirolakton (BBL) hidrolízisének mechanizmusát. Eszerint a BBL hidrolízise nagyban függ az oldat pH-jától, ugyanis a lakton gyűrűje máshol hasad fel semleges, savas vagy lúgos környezetben. Később Olson és Hyde191 megismételte a kísérleteket 18O-izotóppal jelzett víz jelenlétében, melynek során az előbbivel megegyező eredményeket kaptak (4. 3. 2. ábra). 18
O H218O O O
HO
H218O +
H / OH
OH
O
OH
-
H18O
4. 3. 2. ábra. A β-butirolakton hidrolízise
Bár a gamma-valerolakton hidrolízisének mechanizmusát nem vizsgáltuk, a GVL vizes közegben történő spontán átalakulásának eldöntésére 18O-izotóppal (97 atom%) jelzett vízzel végeztünk kísérleteket különböző hőmérsékleteken. Ehhez bemértünk 260 μL gammavalerolaktont és 25 μL H218O-t egy mintatartó edénybe, majd erőteljes összerázás után mintát vettünk
belőle.
GC-MS
vizsgálataink
egyértelműen
mutatták,
hogy
a
GVL
szobahőmérsékleten, semleges vizes közegben még három hónap alatt sem nyílik fel, három
45
napig 60°C-os olajfürdőben kevertetve pedig szintén nem tapasztaltunk változást, ugyanis az MS spektrumok nem mutattak 102-es tömegszámú csúcsot. 100000
56
90000
80000
70000
85
41 60000
43
50000
40000
30000
20000
100
10000
0 35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
4. 3. 3. ábra. MS-spektrum a reakcióelegyről, ahol n (GVL) / n(H218O) = 1:1; t = 3 hónap, T = RT
Vizsgáltuk azt is, hogy savas illetve lúgos közegben, a β-butirolaktonhoz hasonlóan, megtörténik-e a karbonsavat eredményező gyűrűfelnyílás, vagyis az előző kísérletekhez hasonlóan bemértük 260 μL GVL-t és 25 μL H218O-t, majd kis mennyiségű savat (HCl) illetve lúgot (NaOH) adtunk hozzá. 17500
56 15000
41 12500
43 85
10000
7500
87
58 5000
2500
100 102 0 35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
4. 3. 4. ábra. MS-spektrum a reakcióelegyről, ahol n(GVL) / n(H218O) = 1:1 + HCl (vap), t=30min, T=RT
46
Ezen kísérletek során a 18O- beépülését a GC-MS vizsgálatok egyértelműen alátámasztották. A γ-valerolakton hidrolízise során kialakuló 4-hidroxi-valeriánsav kialakulását nem jelzett vízben, savas illetve lúgos közegben NMR-rel is megvizsgáltuk. Mind nátrium-hidroxid, mind sósav hatására tapasztaltuk a 4-hidroxi-valeriánsav megjelenését (4. 3. 5. ábra), melynek
20.350
22.156
29.205
29.430
30.594
33.291
67.364
2
3 5
80.360
178.704
182.498
szerkezetét később COSY és HMBC mérésekkel igazoltuk.
1
4
O
O
32
4
5
O 5
3
4
2 1
1
OH
OH
32
4
1
150
ppm
4. 3. 5. ábra.
13
100
1
50
C{1H}-NMR spektrum a γ-valerolakton sósavval beállított, pH=4 vizes oldatáról
Bizonyítottuk, hogy a GVL gyűrűje savanyú illetve lúgos közegben nyílik fel csupán, így nem merülhet fel a tiszta vagy vizes gamma-valerolakton hosszabb idejű tárolása és szállítása során bekövetkező karbonsavvá történő átalakulása, és annak korrozív hatása. 4. 4. A gamma-valerolakton alkalmazása gyújtófolyadékként A gyújtófolyadékokat különböző anyagok égésének beindítására használják. Mivel a gyújtófolyadékok általában alacsony hőmérsékleten égnek, sok szén-monoxid szabadulhat fel belőlük, amely mérgezéshez is vezethet, alacsony lobbanáspontjuk miatt pedig veszélyes a tárolásuk,
szállításuk
és
használatuk.
A
hétköznapi
életben
nagy
mennyiségű
gyújtófolyadékkal találkozhatunk: elsősorban grillsütésnél, lámpák, mécsesek égetéséhez használjuk, de láthatunk – főként nyári éjszakákon a belváros forgalmas utcáin sétálva –
47
zsonglőröket is, amint tűzet fújva lengetik a lángoló labdákat. Az iparban is nagymennyiségű gyújtófolyadék, elsősorban benzin kerül felhasználásra, főként hulladékok égetésénél. Leggyakrabban
petróleum-alapú
gyújtófolyadékok használatosak, azonban az
irodalomban mind több példa jelenik meg az alkalmazható folyadékok tekintetében, melyek igyekeznek azt minél inkább környezetbaráttá, kevésbé veszélyessé tenni, olyan alapanyagokból készíteni, melyek tisztán égnek, és égésük során nem eredményeznek sok illékony szerves komponenst (Volatile Organic Compound, VOC) szennyezve ezzel környezetünket, valamint egészségünket.192,193 A petróleum-alapú gyújtófolyadékok egyik legnagyobb problémája alacsony lobbanáspontjuk, a láng hirtelen belobbanása, valamint aromás szénhidrogén tartalmuk, amely közül számos nagyon káros lehet az egészségre. Gondoljunk csak a szájjal lángot fúvó zsonglőrre, aki nap, mint nap szájába vesz egy aromás szénhidrogéneket tartalmazó szerves folyadékot, mekkora egészségkárosodás érheti egyetlen rossz mozdulat által elszenvedett nyelés következtében. Egy gyújtófolyadék kiválasztásánál fontos szempont továbbá, hogy kellemes illata legyen, vagy egyáltalán ne legyen szaga. A petróleum alapú gyújtófolyadékok kiváltására található néhány szabadalom az irodalomban. Ezek általában különböző terpéneket, rövid szénláncú (C1-C3) alkoholokat, detergenseket, különböző felületaktív anyagokat, sűrítő adalékokat, valamint vizet tartalmaznak.192 Az alkotók aránya széles spektrumon változhat. A leggyakrabban használt terpén a limonén, valamint más citrusfélék, melyek nagy mennyiségben tartalmaznak limonént. A limonén egy alacsony lobbanáspontú (50°C), tehát könnyen lángra lobbanó, egészségre és a környezetre nagymértékben káros, szobahőmérsékleten színtelen, narancsillatú folyadék. Egy másik szabadalom telített zsírsavésztereket, metil-laurátot (C12) és metil-sztearátot (C18), valamint etil-alkoholt tartalmazó gyújtófolyadékok elterjedését szorgalmazza.193 A metil-laurát mennyisége 40-70%, a metil-sztearáté 10-30%, az etilalkoholé pedig 5-25% között változik. Állításuk szerint ezek olcsóbbak, kevésbé veszélyesek, nem büdösek, az egészségre és a környezetre kevésbé ártalmasak, valamint tisztábban égnek, mint a petróleum alapú gyújtófolyadékok. Manapság egyre nagyobb népszerűségnek örvend a grillezés. Ezzel együtt azonban a gyújtófolyadékok által okozott balesetek száma is növekszik. A hétköznapi életben használt grillgyújtó folyadékkal a parázskészítés felgyorsítható ugyan, de az az általános nézet van terjedőben, miszerint a gyújtófolyadék egy olyan kémiai anyag, amely veszélyes, környezetszennyező, káros az egészségre és még az ételek ízét is elrontja. A szén-monoxid mérgezés veszélye mellett a begyújtáskor hirtelen, nagy csóvával felcsapó láng égési sérüléseket okozhat. Egy ideális gyújtófolyadék fizikai és kémiai tulajdonságai közül 48
különösen fontos a felhasználó számára a kellemes illat, a folyadék töltését elősegítő sűrűség és viszkozitás, a tűz gyors de hirtelen, lobbanásmentes beindítása, a tűz füst- és szagmentes, folyamatos, és nem csekély légmozgás jelenlétében is egyenletes fenntartása. További fontos szempontok a minél alacsonyabb toxicitás és környezetre gyakorolt negatív hatás. A gyújtófolyadék termelésének, tárolásának, szállításának és használatának szabályozását, illetve ellenőrzését és kimutatását jelentősen megkönnyítheti, ha egy vagy két jól definiált anyagból készül. A gamma-valerolakton gyújtófolyadékként való sikeres használatát a Biolen Kft. (8200 Veszprém, Erdész u.12.) által forgalmazott, a kereskedelemben "Faszén brikett" néven kapható faszén meggyújtásával, valamint egy kanócos világító lámpás működtetésével igazoltuk.194 Előbbi kísérleteink során nemcsak gamma-valerolaktont, hanem különböző összetételű GVL – etanol elegyeket is kipróbáltunk, vizsgálva ezzel a gamma-valerolakton adalékként való alkalmazhatóságát. Kísérleteinkben 1 mL gamma-valerolaktont egy körülbelül 3-4 g-os faszéndarabra fecskendeztünk, majd égő gyufával közelítettünk. A gyufalánggal kb. 5-10 másodperc alatt lehetett a faszenet meggyújtani, és körülbelül 5 perc után a láng kialudt, a faszén pedig izzott tovább.
Fontos kiemelni, hogy a gamma-
valerolaktont nyílt gyufalánggal nehéz meggyújtani, nem elég a lángot a folyadék felszíne fölött található gamma-valerolakton gőzökbe helyezni, hanem közvetlenül a folyadék felületéhez kell érinteni, emiatt a gyújtófolyadék hirtelen belobbanása teljes mértékben kiküszöböltnek tekinthető. Mivel az égő gyufa a faszén felületére felvitt gamma-valerolakton folyadékfilmet még pár milliméter távolságból sem gyújtotta be, érdemesnek tűnt egy olyan másik alacsony gőznyomású komponens kis mennyiségével keverni, mely a gammavalerolakton
érintkezésmentes
begyújtását
felgyorsítja.
Erre
az
etanol
tűnt
a
legalkalmasabbnak, amit széles körben alkalmaznak gyújtófolyadékok adalékaként. Az etanol önmagában nagyon jól ég, gyorsan begyullad, azonban hirtelen nagy lánggal lobban be, amely balesetveszélyessé teheti. Ennek elkerülésére elsősorban olyan arányoknál vizsgáltuk a gamma-valerolakton – bioetanol elegyeket, ahol a GVL van feleslegben, vagyis annak kedvező hatása érvényesül. A gamma-valerolakton a vizsgált térfogatarányokban (1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 80% és 90%) egyfázisú elegyet alkotva keveredik etanollal, tehát etanol tartalmú gyújtófolyadékokban adalékként alkalmazható. Etilalkohol és gamma-valerolakton 90-10% és 80-20%-os keverék vizsgálata során mind a kiöntött folyadék, mind a faszén begyulladása azonnali, nem volt szükség a gyufa folyadékba való érintésére, a láng közelítése elegendő volt a begyújtáshoz. Az elegy gyulladási hajlamát (hirtelen felcsapó, magas láng) az aránynak megfelelően az etil-alkohol tulajdonságai határozzák meg. Minél több alkohol van 49
az elegyben, annál inkább hirtelen kialakuló magas lángcsóva képződésével kell számolnunk, amely veszélyessé teszi ezen gyújtófolyadékot (4. 4. 1. ábra). A gamma-valerolakton és az etil-alkohol 90-10% és 80-20%-os keverék vizsgálata során, tehát amikor a gammavalerolakton van túlsúlyban, már megmutatkoznak annak kedvező tulajdonságai.
4. 4. 1. ábra. Az etanol : GVL = 9 : 1 (balra), illetve az etanol : GVL = 1 : 9 arányú elegyének égése (jobbra)
Az elegy a láng közelítése esetén nem, csak a közvetlen érintkezés pillanatában gyullad be, belobbanás nem tapasztalható, így nem kell tartanunk a begyújtás okozta égési sérülésektől. A kisebb, kékes láng mérsékelten, egyenletesen és füstmentesen ég. A gyújtófolyadékok további felhasználására egyre divatosabb manapság a különböző gyertyák, fáklyák, lámpák, hangulatkeltők alkalmazása. A lámpákhoz régen főleg petróleumot használtak. A petróleum azonban nagyon kellemetlen szagot áraszt, alacsony lobbanáspontja, valamint egészség- és környezetkárosító hatása miatt szállítása is veszélyesebb. A gammavalerolakton lámpások gyújtófolyadékaként való felhasználása nagyon előnyös, mert magas oxigén-tartalmának köszönhetően füst és korom képzése nélkül ég, ellentétben a szénhidrogén tartalmú gyújtófolyadékokkal, melyek tökéletlen égésük folytán erősen kormoznak. A 4. 4. 2. ábrán látható lámpásba töltöttünk körülbelül 15-20 mL gamma-valerolaktont. A kanóc behelyezése után pár percet várva – míg felszívta a folyadékot – meggyújtottuk. A láng egyenletesen, nem kormozó lánggal ég, nem „ugrál”, az illata pedig kellemes, de egyáltalán nem erőteljes. Természetesen további adalékokkal színessé, illatossá tehető, amely még dekoratívabbá teheti, így használható illatosítóként de akár szúnyogok, legyek, darazsak és különféle rovarok riasztására is.
50
4. 4. 2. ábra. Gamma-valerolakton töltetű lámpás
5. A levulinsav katalitikus transzfer hidrogénezése gamma−valerolaktonná A szénhidrátból előállítható levulinsav (LA) gamma-valerolaktonná történő reduktív átalakítása jól ismert, jó hozammal végbemenő, az iparban nagy méretekben is megvalósított reakció. Míg a redukciós lépéshez hidrogéngáz alkalmazása jól ismert, a levulinsav katalitikus körülmények között történő transzfer hidrogénezésére nincs példa az irodalomban. Megjegyzendő, hogy egyetlen esetben találtunk olyan példát,195,196 ahol a levulinsav transzfer hidrogénezés útján gamma-valerolaktonná alakul, a cél ebben az esetben azonban alkoholok (például cikohexanol) oxidációja ketonná. Az egyensúlyi reakció eltolásához, a nagy acetonfelesleg elkerülése végett, adalékanyagként adnak levulinsavat a reakcióelegyhez, hogy az alkoholból származó hidrogéneket megkösse, a gamma-valerolakton társtermékként jelenik meg a reakció végén. Egy idén megjelent publikáció197 a levulinsav olyan hangyasavval történő hidrogénezéséről számol be, melyben bár nem alkalmaznak hidrogéngázt, mégis – állításuk szerint – nem transzfer hidrogénezés útján alakul ki a GVL. A hangyasav gyakran alkalmazott hidrogéndonor molekula transzfer hidrogénezési eljárásokban, és mivel a hat szénatomot tartalmazó szénhidrátok dehidratálásakor keletkező levulinsav társterméke, transzfer-hidrogénezéssel lehetőség nyílik arra, hogy a C6szénhidrátból származó levulinsavat a vele egy reakcióban képződő hangyasavval hidrogénezzük. Az általunk vizsgált transzfer-hidrogénezés során a levulinsav és a hangyasav katalitikus reakciójában 4-hidroxi-valeriánsav és széndioxid keletkezik (5. 1. ábra. (1)), melyet a 4-hidroxi-valeriánsav vízvesztéssel járó gyűrűzáródása követ. Ez utóbbi folyamat nagyon gyors, a végtermék gamma-valerolakton (5. 1. ábra. (2)).
51
CH3
CH2
C
CH2
COOH CH2
+
HCOOH
katalizátor
CH
CH3
C
CH2
C
COOH CH2
+
CH3
katalizátor
HCOOH
CH
O
+ CO2 + H2O
O
O
O
CH3
CH2
CH2
COOH CH2
+ CO2
(1)
OH
CH3
CH2
CH
CH2
COOH
CH2 + H2O
CH2
CH
CH3
C O
OH
(2)
O
5. 1. ábra. A levulinsav átalakulása hangyasavval katalizátor jelenlétében
Ezen hidrogénezési reakció szelektivitása azért is nagyon fontos, mert a termék gammavalerolakton hidrogénezése 1,4-pentándiol képződéséhez vezethet, amelynek vízvesztéssel járó gyűrűzáródásában képződő 2-metil-tetrahidrofuránból (5. 2. ábra. (2). reakció) aránylag gyorsan keletkezhetnek peroxidok. Ha a peroxid szint 80 ppm fölé emelkedik, akkor az anyag veszélyesnek tekinthető. Ezért igyekeztünk minél hatékonyabb és szelektívebb katalizátort találni, mellyel a levulinsav teljes mennyisége gamma-valerolaktonná alakítható. CH2 CH3
CH2
CH
+ H2 (vagy DH2)
C
CH3
CH
O
O CH3
katalizátor
CH2
CH
CH2
CH2
CH2 OH
(vagy + D)
(1)
OH
CH2
CH2
CH2 OH CH3
OH
CH2
CH
+ H 2O
CH2
(2)
O
5. 2. ábra. A γ-valerolakton átalakulása DH2 hidrogéndonorral 2-metil-tetrahidrofuránná
A levulinsav transzfer hidrogénezésére előszőr a Watanabe és munkatársai198 által alkalmazott vízoldható ruténium-katalizátort próbáltuk ki (5. 3. ábra). +
2+ CH3 H3C H3C
H3C
CH3
CH3 H3C
CH3 Ru N
OH2
+ HCOO-
70°C pH=4.0
N
H3C
H3C
CH3 CH3
Ru N
H
+ CO2 + H2O N
5. 3. ábra. A Watanabe által alkalmazott katalizátor
A [(η6-C6Me6)Ru{η2-(2,2'-bipiridinil)}(H2O)2+][SO42-] katalizátor-prekurzor jelenlétében ugyan sikerült homogén transzfer hidrogénezéssel a levulinsavat γ-valerolaktonná 52
alakítanunk, de a hozam csupán 50%-os volt, miközben a gamma-valerolakton tovább hidrogénezéséből származó 1,4-pentándiol és 2-metil-tetrahidrofurán is megjelentek melléktermékként (5. 4. ábra.).199 O
HCOONa Ru-kat., H2O OH
+
pH=4, 70°C, 18h
O
O
OH
O
+ O
OH
25%
1%
25%
5. 4. ábra. A levulinsav átalakítása nátrium-formiáttal a Watanabe-féle katalizátor jelenlétében
A kísérletet úgy végeztük, hogy 35 mL vízben feloldottunk 0,012 mmol [(η6-C6Me6)Ru{η2(2,2'-bipiridinil)}(H2O)][SO42-] katalizátor-prekurzort, majd 3,05 mmol levulinsavat és 112,5 mmol nátrium-formiátot adtunk az oldathoz. A pH-t salétromsavval 4,0-re állítottuk, majd N2 alatt 18 órán át 70°C-on melegítettük. A reakcióidő letelte után, GC-MS vizsgálatot végeztünk, mely alapján 25% γ-valerolakton, 25% 1,4-pentándiol, valamint 1% 2-metiltetrahidrofurán keletkezett. A reakció körülményeinek változtatásával (hőmérséklet emelése, nagyobb nátrium-formiát felesleg) sem tudtunk magasabb hozamot elérni, ezért úgy döntöttünk, hogy más katalizátort próbálunk ki. A Shvo,128 majd később Casey174 által publikált eredmények meglehetősen bíztatónak tűntek karbonil csoportot tartalmazó vegyületek (transzfer) hidrogénezésére, ezért megpróbálkoztunk az általuk alkalmazott katalizátorral. Első tapasztalataink azt mutatták, hogy a Shvo-katalizátor jelenlétében melléktermék képződése nélkül, közel 100%-os konverzióval lehet a levulinsavat γvalerolaktonná alakítani.200 A Shvo-féle diruténium-komplex (1) hő és hidrogéndonor hatására történő átalakulása során keletkezik a hidrogénezéshez szükséges aktív monoruténium-hidrid katalizátor (2) (5. 5. ábra). Az egyszerűség kedvéért előbbit prekurzornak, utóbbit aktív katalizátornak hívom a továbbiakban. R
R
R' R' OC
Ru
R
R
O H O R H
CO
R' Ru CO
+ DH2
min. 80°C
2
R
R' R' OC
R' CO
OH
(1)
+ D
Ru CO (2)
H
5. 5. ábra. A Shvo-féle prekurzor átalakulása az aktív katalizátorba
Míg az aktív katalizátor csak oldatban, H2 gáz alatt stabil,174 a prekurzor levegőn nem bomlik, ezért a legegyszerűbbnek az tűnt, hogy a reakcióhoz a prekurzort mérjük be, melyből a 53
hangyasav hatására a reakció során folyamatosan alakul ki a katalizátor aktív formája. Ezáltal kiküszöbölhető az inert körülmények között történő munka, és nem kell oldószert sem használnunk. Mivel a Shvo által publikált eredmények azt mutatták, hogy a legkedvezőbb azon katalizátor prekurzor alkalmazása, amelyben a ciklopentadienil gyűrűn lévő négy fenilcsoport közül kettő metoxi (vagyis elektronküldő) csoporttal van szubsztituálva,172 vizsgálataink során elsősorban ezen prekurzort alkalmaztuk (5. 6. ábra). Ph
MeOPh MeOPh OC
Ph
O H O
Ru
Ph Ph H
CO (1a)
PhOMe Ru
PhOMe
CO
CO
5. 6. ábra. Az általunk használt prekurzor
Kísérleteinkben a prekurzort, a hidrogén-donort valamint a levulinsavat egyszerűen bemértük egy lombikba, majd a kívánt hőmérsékletre melegítettük. A reakciót legtöbb esetben 100°Con végeztük, hidrogéndonorként hangyasavat használtunk (5. 7. ábra). A reakció során, főként az első egy-két órában, erős gázfejlődést tapasztaltunk, mely a reakció előrehaladtával gyengült, 4 óra után pedig már alig volt látható. Az elegy színe a kiindulási narancssárgából a reakció alatt halvány citromsárgává vált, a reakció végeztével pedig, miután levegőn állt néhány órát, barnás-narancs színű oldatot kaptunk. A reakció lejátszódását NMRspektroszkópiásan vizsgáltuk. Ph MeOPh Ru
Ph Ph H Ru
MeOPh OC CO
O
(1a) OH
+ HCOOH
Ph
O HO
PhOMe PhOMe CO CO
100°C, 8h
O
O
O
+ CO2 + H2O
~100%
5. 7. ábra. A levulinsav átalakítása gamma-valerolaktonná a Shvo-féle prekurzor jelenlétében
54
a
c
b
e
OH
d e
b
28.379
O
29.753
38.369
165.765
178.242
212.076
HCOOH
d
O
a c
4
1
4
1
3
21.155
29.382
2
29.985
3
77.947
162.730
178.255
start
2 5
O
O
HCOOH
5h, 100°C 200
150
100
50
0
ppm
5. 8. ábra. 13C{1H}-NMR spektrum egy kiindulási és reakció utáni reakcióelegyről, ahol n(LA) : n(HCOOH) : n (1a) = 1 : 1,7 : 1/2400; T = 100°C, t = 8h
A reakció végeztével a reakcióelegyről felvett 1H-, illetve
13
C{1H}-NMR spektrumok (5. 8.
ábra) nem mutattak melléktermék képződést, egyetlen termékként a γ-valerolakton jelent meg. Megjegyzendő, hogy a reakció közben is vettünk mintát NMR-méréshez, azonban ezekben a levulinsavon, a hangyasavon és γ-valerolaktonon kívül nem láttunk egyéb vegyületre utaló csúcsot, a keletkező szén-dioxid a mintavétel során távozott az elegyből. Mivel az NMR nem túl érzékeny módszer kis mennyiségben jelenlévő melléktermékek kimutatására, a reakcióelegyről GC illetve GC-MS felvételeket is készítettünk, azonban ezen mérések során sem tapasztaltunk melléktermék képződést. A levulinsav gázkromatográfiás készüléken való kimutathatósági határának ellenőrzése végett, vizsgálva, hogy mennyi LA marad a reakció lejátszódása után, különböző 1-100 ppm töménységű levulinsav oldatokat készítettünk (oldószerként diklórmetánt alkalmaztunk), majd gázkromatográfiásan vizsgáltuk. A mérési eredmények alapján elmondható, hogy 1 ppm levulinsav még jól észlelhető és integrálható jelet ad a gázkromatogramon. Mivel a reakcióelegyből kivett mintát a legtöbb esetben 1000-szeresére hígítva mértük, ez azt jelenti, hogy 0,1%-nyi levulinsavat még észlelünk GC-vel, ennél kisebb mennyiséget azonban nem tudtunk reprodukálhatóan kimutatni. Fontos megjegyezni, hogy végeztünk kísérletet arra vonatkozóan is, hogy mi történik ha a γ-valerolaktont ugyanezen prekurzor hozzáadásával tovább melegítjük. 20 órán át tartó 100°C-os olajfürdőben történő kevertetés során sem tapasztaltunk változást, vagyis
55
megállapítható, hogy a GVL nem hidrogénezhető tovább 1,4-pentándiollá ugyanezen körülmények között (5. 9. ábra). prekurzor OH
+ HCOOH O
O
OH
100°C, 20h
5. 9. ábra. A gamma-valerolakton átalakítása 1,4-pentándiollá
Egyik legnagyobb előnye tehát a Shvo-katalizátor jelenlétében végzett átalakításnak, hogy a reakció nagyon szelektív, vagyis nem jelenik meg a γ-valerolakton túlhidrogénezéséből származó 1,4-pentándiol valamint 2-metil-tetrahidrofurán, a hozam a legtöbb esetben közel 100%-nak adódott, egyetlen melléktermék a víz, ami frakcionált desztillációval könnyedén eltávolítható, hiszen nem képez azeotrópot a gamma-valerolaktonnal.181 Másik előny, hogy Shvo-val ellentétben, és ezzel jelentősen egyszerűsítve az eljárást, az általunk alkalmazott körülmények között a levulinsav transzfer hidrogénezése során nem alkalmaztunk nátriumformiátot és vizet, amelyeket Shvo és munkatársai a formiát észterek képződésének megakadályozására adtak a reakcióelegyhez.172 Ez a levulinsav esetében nem szükséges, ugyanis a közbenső termékként keletkező 4-hidroxi-valeriánsav vízvesztéssel együttjáró gyűrűzáródása jóval gyorsabb folyamat, mint formiát észterének képződése (5. 1. ábra. (2)). Mivel a reakció során számolnunk kell a prekurzor – katalizátor hangyasav hatására történő átalakulásával, melynek során szén-dioxid keletkezik (5. 10. ábra), az egyensúly termékképződés irányába való eltolását a CO2 gáz elvezetésével érhetjük el. CO2
HCOOH Ph
MeOPh MeOPh OC
Ru
Ph Ph H
CO
Ph
Ph
O H O
CO
Ph
MeOPh
PhOMe Ru
OH
MeOPh OC
PhOMe CO
H2O
Ru CO
H
O
(1a)
(2a)
OH
O
O
O
5. 10. ábra. A prekurzor – katalizátor átalakulása hangyasav hatására
A széndioxid retardáló hatásának vizsgálatához az átalakítást elvégeztük teljesen zárt, illetve nyitott edényben is. A zárt körülményeket egy 25 mL Hasteloy-C Parr reaktorban valósítottuk meg, míg nyitott edényként egy 5 mL-es lombikot alkalmaztunk, amelyet szeptummal zártunk úgy, hogy a keletkező gázok eltávozását egy a szeptumba szúrt kapilláris segítségével biztosítottuk. Erre azért volt szükség, mert a hangyasav forráspontja 100,8°C, vagyis ha nagy 56
felületen nyitott a reakcióedény, akkor több hangyasav veszteséggel kell számolnunk. Visszafolyós hűtő használata a hangyasav nagy felületi feszültsége miatt nem alkalmazható, mert a hideg üvegről nem csepeg vissza, hanem apróbb cseppek formájában fenntapad a hűtő falán. Míg a levulinsav: hangyasav: prekurzor = 1: 2 : 1/2400 aránynál nyitott edényben 100°C-on, 12 óra alatt teljesen végbement a reakció, a zárt reaktorban csupán 52%-os hozamot értünk el (GC-alapján). Ebből egyértelműen látható, hogy az átalakítást a széndioxid eltávolítása mellett érdemes végrehajtani. Kísérleteinket tehát a továbbiakban úgy végeztük, hogy egy 5 mL-es lombikba bemértünk 2-3 g levulinsavat valamint a levulinsavhoz képest legalább 1,5-szeres mennyiségű hangyasavat, szeptummal lezártuk, majd 100°C-os olajfürdőbe helyeztük. Fél óra elteltével, mikor a hangyasav – levulinsav elegy már felvette az olajfürdő hőmérsékletét, a szilárd prekurzort hozzáadtuk, és a szeptumot egy kapillárissal átszúrtuk. A reakcióelegyből óránként 10 μL mintát vettünk, ezt ezerszeresére hígítottuk diklórmetánnal egy 10 mL-es mérőlombikban, majd gázkromatográfiásan vizsgáltuk. A mennyiségi meghatározáshoz előzetesen kalibráló sorozatot készítettünk. A katalizátor, illetve a hangyasav mennyiségének változtatása mellett óránként mintát véve vizsgáltuk a reakció lejátszódását. A kapott eredmények az 5. 1. táblázatban láthatók. n(HCOOH) / n(LA)
n(LA) / n(prekurzor)
GVL hozam (%)
0
400
-
1,5
0
-
1,0
1200
94,3
1,5
1200
99,9
1,5
2400
99,9
1,5
3600
88,1
2,0
1200
99,9
2,0
2400
99,9
2,0
3600
94,9
2,5
1200
99,9
2,5
2400
97,2
2,5
3600
80,8
3,0
2400
96,3
5. 1. táblázat. A GVL hozama különböző katalizátor és hangyasav arányok mellett, ahol 25.84 mmol levulinsavat mértünk be, T = 100°C, t = 8h
57
Fontos megjegyezni, hogy a reakció nem megy akár a hangyasavat, akár a katalizátort hagyjuk ki a rendszerből. Az átalakulás 60°C-on nem következett be, mivel a prekurzor aktív katalizátorrá történő átalakulásához legalább 80°C-ra van szükség, 80°C-tól a hőmérséklet emelésével a reakció gyorsult. A legtöbb kísérletet 100°C-on végeztük, mivel a hangyasav ennél magasabb hőmérsékleten kiforr a reakcióedényből. Kísérleteink során azt tapasztaltuk, hogy a hangyasav egy ekvivalens mennyisége nem elegendő a reakció teljes végbemeneteléhez azonban nagy fölöslege (például ötszörös mennyisége) csökkenti a reakciósebességet, valószínűleg mert jelentősen hígítja a reakcióelegyet. A legideálisabb a 1,5 – 3 ekvivalens HCOOH tartomány, ekkor ugyanis nem tapasztaltunk jelentősebb változást a reakciósebességben. Érdekes megfigyelés, hogy míg a LA : prekurzor = 2400 : 1 aránynál a háromszoros hangyasav mennyiség nem volt erőteljes befolyással a reakció sebességére, ugyanezen mennyiség LA : prekurzor = 3600 : 1 arány esetében csökkentette azt (5. 11. ábra). 100
2
3 80
100
2 1.5 3
80
Hozam / %
Hozam / %
1.5 60
40
20
60
40
20
0
0
0
100
200
300
400
500
Idõ / perc
0
100
200
300
400
500
Idõ / perc
5. 11. ábra. A GC erdmények alapján számolt GVL hozamok az idő függvényében 2400 (balra) és 3600 (jobbra) LA/prekurzor aránynál három különböző (1,5; 2; 3 ekv.) hangyasav mennyiségnél
A levulinsav 2-propanollal, illetve nátrium-formiáttal történő transzfer hidrogénezését szintén elvégeztük. Megállapítottuk, hogy ezen hidrogénforrásokkal is lejátszódik a reakció, és míg a 2-propanol esetében – a HCOOH-hoz képest – közel azonos reakcióidőket tapasztaltunk, miközben melléktermékként aceton keletkezett, nátrium-formiát használatakor jelentős reakciósebesség csökkenést észleltünk (5. 2. táblázat). Ennek oka feltehetően az, hogy nátrium-formiát alkalmazásához annak oldására vízre is szükség van, ami jelentősen hígítja a reakcióelegyet.
58
n(H-donor) / n(LA)
n(LA) / (prekurzor)
GVL hozam (%)
2-propanol
1,5
400
99,9
Nátrium-formiát
1,5
400
40,3
5. 2. táblázat. A LA transzfer hidrogénezése 2-propanol illetve Na-formiát hidrogéndonorral, n(LA) = 25,8 mmol, T = 100°C, t = 10h
Fontos megjegyezni, hogy végeztünk reakciót hidrogén gáz alatt is, illetve olyan esetben, amikor mind a hidrogén donor molekula (hangyasav), mind a hidrogén gáz jelen volt. Ezen kísérleteket egy 25 mL-es Hasteloy-C Parr reaktorban hajtottuk végre, melyet a levulinsav és hangyasav bemérése után, 5 bar hidrogén nyomás alá helyeztük. 1 órán át tartó 100°C-on való melegítés után a reaktort kivettük az olajfürdőből, hagytuk lehűlni szobahőmérsékletűre, majd kinyitottuk, mintát készítettünk és gázkromatográfiásan vizsgáltuk. Abban az esetben, amikor csak hidrogén gázt alkalmaztunk, a reakció nagyon lassúnak bizonyult, 1 óra alatt a levulinsav csupán 5%-a alakult át gamma-valerolaktonná. Olyan esetben, amikor mind a hidrogén donor molekula (hangyasav), mind a hidrogéngáz jelen volt, a reakció gyorsabban játszódott le, mint akkor, amikor csak a hangyasav szolgált hidrogénforrásként (5. 3. táblázat). Ez valószínűleg azt jelenti, hogy a hidrogén gáz segít a katalizátort életben tartani. p (H2) / bar n(HCOOH) / n(LA) n(LA) / n(prekurzor) GVL hozam (%) 5
0
1200
4,9
-
2,0
1200
58,2
5
2,0
1200
71,8
5. 3. táblázat. A levulinsav hidrogénezése más hidrogéndonor jelenlétében n(LA) = 43,06, T = 100°C, t = 1h
Mivel az aktív katalizátor nem stabil, levegőn lassan visszaalakul a prekurzorrá, lehetőség nyílik a reakció utáni visszanyerésére és újrahasznosítására. A prekurzor visszanyerhetőségének vizsgálatára bemértünk 5 g (43 mmol) levulinsavat, 3 g (64,5 mmol) hangyasavat, valamint 21 mg (0,018 mmol) prekurzort egy 25 mL Hasteloy-C Parr reaktorba úgy, hogy nem zártuk teljesen, és 100°C-on 8 órán át melegítettük. A levulinsav ezidő alatt kvantitatíve
gamma-valerolaktonná
alakult
(GC-alapján).
A
reakcióelegyet
ezután
diklórmetánnal teljes mennyiségében átmostuk egy lombikba, az oldószert csökkentett nyomás alatt eltávolítottuk, a maradék elegyet nagyvákuumban desztilláltuk. A kapott desztillátumot NMR-rel vizsgáltuk, amely a gamma-valerolaktonon kívül vizet és
59
hangyasavat mutatott. A bemért mennyiségek ismeretében, teljes konverziót feltételezve kiszámítottuk a keletkező folyadék halmazállapotú anyagok mennyiségét, melyből kivonva a kísérletileg nyert elegy tömegét desztilláció után, 0,174 g eltérést tapasztaltunk (5. 4. táblázat). A hiányzó mennyiség lehet a hangyasav illetve víz 100°C-on történő elpárolgásának következménye – mivel a keletkező CO2 eltávozásához szükséges kis résen nyitott reakcióedényt alkalmaztunk – vagy a hangyasav bomlásának, illetve a prekurzor felületére tapadt GVL nyomok következménye. Bemért LA
Bemért HCOOH
Várt GVL
Várt H2O
Maradék HCOOH
5,002 g
2,970 g
4,313 g
0,775 g
0,988 g
(43,08 mmol)
(64,56 mmol)
(43,08 mmol)
(43,08 mmol)
(21,48 mmol)
Összesen:
6,077 g
Kapott mennyiség:
5,903 g
Különbség:
0,1737 g
5. 4. táblázat. A prekurzor visszanyerése a reakció után
A desztilláció után a lombikban visszamaradt prekurzort vízzel mostuk, szűrtük, majd szárítás után tömegét megmértük. A kiinduláskor bemért 21 mg prekurzorból a reakció után 19 mg-ot
1 0 .0 ppm
- 5 .0
- 1 0 .0
- 1 5 .0
- 1 0 .0
- 1 5 .0
GVL
- 5 .0
5. 12. ábra. A bemért- és a visszanyert prekurzor 1H-NMR spektrumának öszehasonlítása
60
- 2 0 .0 -18.535
3.608
0.00000 0 .0
-18.465
-0.000000
3.681
6.524
6.559
5 .0
0 .0
6.453
6.487
6.817
6.852
6.934
6.961
7.019
7.046
5 .0
7.187
1 0 .0 ppm
6.888
6.922
7.005
7.032
7.089
7.117
7.260
nyertünk vissza.
- 2 0 .0
Az eredeti és a visszanyert prekurzor 1H-NMR spektumát összehasonlítva, nem tapasztaltunk változást, azonban a GVL kis mennyiségét észleltük a visszanyert prekurzor 1H-NMR spektrumában (5. 12. ábra). A levulinsav katalitikus transzfer hidrogénezésének kinetikaját is megpróbáltuk felderíteni. A reakciót a levulinsav : hangysav : prekurzor = 1 : 2 : 1/1200 arányánál vizsgáltuk, úgy, hogy az előmelegített levulinsav – hangyasav elegyhez a mérés indításakor hozzáadtuk a prekurzort. A reakciók gázkromatográfiával való követése során azonban feltűnt, hogy a koncentrációkat ábrázolva az eltelt idő függvényében, van egy úgynevezett indukciós szakasz ( 5. 13. ábra). Ez nem meglepő, ha belegondolunk abba, hogy a prekurzort mérjük be induláskor, vagyis előbb abból ki kell alakulnia az aktív katalizátornak (5. 5. ábra), amihez némi időre van szükség. 5
M (LA) / mg*mL
-1
4
3
2
1
0 0
50
100
150
200
Idõ / perc
5. 13. ábra. A levulinsav koncentrációja az idő függvényében
Azt is megfigyeltük, hogy a bemért prekurzor eleinte nem oldódik fel, hiába adjuk a 100°C-ra előmelegített levulinsav – hangyasav elegyhez. Egy-másfél órára volt szükség ahhoz, hogy teljesen homogén oldatot kapjunk. Ez annak köszönhető, hogy a prekurzor még 100°C-on sem oldódik jól levulinsavban. Megjegyzendő, hogy a prekurzor γ-valerolaktonban, valamint hangyasavban való oldhatósága lényegesen jobb, mint levulinsavban, melegítés hatására néhány perc alatt teljes mértékben feloldódik. Tehát amikor a prekurzort a levulinsav – hangyasav elegyhez adtuk, 1-2 órával később kaptunk csak homogén oldatot, amikor a γvalerolakton menniysége már elegendő volt ahhoz, hogy oldja. Megvizsgálva, hogy ez milyen hatással a van a reakció sebességére azt tapasztaltuk, hogy ha a transzfer hidrogénezést úgy hajtjuk végre, hogy a katalizátort előbb a hangyasavban oldjuk, majd ehhez adjuk az előmelegített levulinsavat, akkor a reakció gyorsabb lesz (5. 14. ábra). A homogén kinetikai
61
vizsgálatok biztosítása végett tehát, kísérleteinket a továbbiakban úgy végeztük, hogy egy 5 mL-es lombikba bemértünk néhány mg katalizátort, a később hozzáadott levulinsavhoz képest kétszeres feleslegű hangyasavat, és 100°C-on fél órán át kevertettük, miközben a lombikot kapillárissal átszúrt szeptummal zártuk. Ezzel párhuzamosan egy külön reakcióedényben 2-3 g levulinsavat szintén az olajfürdőbe helyeztünk. A reakció akkor indult, amikor a levulinsavat átfecsekendeztük a hangyasavoldatba (mennyiségét visszaméréssel ellenőriztük).
100
heterogén homogén
Hozam / %
80
60
40
20
0 0
50
100
150
200
250
300
Idõ / perc
5. 14. ábra. A GC alapján meghatározott GVL hozamok értéke az idő függvényében
A reakcióelegyből az első 100 percben 5 percenként, a következő 120 percben 10 percenként, majd fél illetve egy óra elteltével 10 μL mintát vettünk, majd azonnal szobahőmérsékletű diklórmetánnal 10 mL-re higítottuk – ezzel befagyasztva a reakciót – és gázkromatográfiásan vizsgáltuk. A reakció rendűségére egész számtól eltérő érték adódott, amely összetett mechanizmusra utal, ennek felderítése azonban további vizsgálatokat igényel. 5. 1. A katalizátor (prekurzor) NMR spektroszkópiás vizsgálata Bár a Shvo-féle diruténium-komplexet (prekurzor), illetve a katalizátor különböző formáit, továbbá azok átalakulását részletesen vizsgálták korábban,174 Casey és munkatársai elsősorban az aktív katalizátorral dolgoztak úgy, hogy azt előbb THF-d8-ban előállították a prekurzorból hidrogénnel, majd a továbbiakban az így nyert katalizátor-oldatot használták fel kísérleteikhez. Mivel az általunk vizsgált reakcióban a prekurzort mértük be, majd hangyasavval transzfer hidrogéneztünk – további oldószer hozzáadása nélkül – figyelmünk a prekurzor hangyasavval történő reakciójára összpontosult, érintve a hidrogén gázzal történő reakciót is. A reakcióinkhoz használt prekurzor 1H-NMR spektruma az 5. 1. 1. ábrán látható.
62
-17.597
3.118
6.480 6.449
7.089
7.257 7.217 7.184
7.646
9.309
c Ph d
c Ph
b O H O c Ph Ph H Ru Ru a
d e MeOPh MeOPh d e OC
CO
CO
e d PhOMe CO
PhOMe e d
e c c
e
a
b
1 0.0
5.0
0.0
-5.0
-1 0.0
-15 .0
pp m
5. 1. 1. ábra. Az általunk alkalmazott prekurzor 1H-NMR spektruma (C6D6)
Az aktív katalizátor kialakulásához valamilyen hidrogéndonor molekulára, valamint legalább 80°C-ra van szükség (5. fejezet 5. 5. ábra). Ez az átalakulás hidrogén gáz alatt egyensúlyi folyamat. A szakirodalom szerint a kialakult egyensúlyt az oldószer jelentősen befolyásolja,172 a prekurzor teljes aktív katalizátorrá történő átalakítása például csak tetrahidrofuránban
végezhető
el.
Míg
THF-d8-ban
10-szeres
hangyasav
felesleg
alkalmazásával 80°C-on, 1 atm H2 nyomáson 1 óra alatt teljes a diruténium-prekurzor átalakulása az aktív katalizátorrá, benzolban 72 óra után is csak 75:25 arányban alakul át.174 A prekurzor hangyasav illetve H2 gáz hatására történő átalakítását, vagyis az aktív katalizátor előállítását, deuterált diklórmetánban végeztük. Először 50 mg prekurzort 1,7 mL CD2Cl2-ben oldottunk, bemértük egy nagynyomású NMR-csőbe, és 15 mg hangyasav hozzáadása után lezárva, 30 percre 100°C-os olajfürdőbe helyeztük. A reakcióelegyet NMR spektroszkópiásan vizsgáltuk. Az elegy 1H-NMR spektrumában a pozitív tartományban a prekurzorra jellemző csúcsokat észleltük, jelentős különbséget a hidridek kémiai eltolódásában tapasztaltunk. Míg a prekurzorban Ru-H-Ru hídas hidrid, a katalizátorban egy ruténiumhoz kapcsolódó hidrid található. A két hidrid kémiai eltolódásában jelentős eltérés van, így a két jel hozzárendelése egyszerű. Amíg a prekurzor hidas hidridje -17,6 ppm-nél jelentkezik (5. 1. 1. ábra), addig az aktív katalizátor hidridje -9,8 ppm kémiai eltolódással
63
jelenik meg az oldat 1H-NMR spektrumában (5. 1. 2. ábra). A monoruténium-katalizátor -9,8 ppm-nél jelentkező hidridjének megjelenése mellett azonban 4,46 ppm-nél hidrogén gáz keletkezését is tapasztaltuk. Ph
O Ph
MeOPh MeOPh OC
H2
H
Ru CO
H
-9,80 ppm 1 0 .0
5 .0
0 .0
-5 .0
-1 0 .0
-1 5 .0
-2 0 .0
ppm
CO2 HCOOH
200 ppm
150
100
50
0
5. 1. 3. ábra. 1H- és 13C{1H}-NMR spektrum a prekurzorhoz hozzáadott hangyasav hatására bekövetkező változásról (CD2Cl2)
Megvizsgálva az elegy 13C{1H}-NMR spektrumát, 125,2 ppm-nél egy új csúcs megjelenését észleltük, amely a széndioxidra jellemző kémiai eltolódás. Ezen eredmények arra utalnak, hogy a hangyasav egy része a prekurzor hatására széndioxidra és hidrogénre bomlott (5. 1. 3. ábra). Bár a mérés után a nagynyomású NMR-csövet kinyitva, és újra 1H- és 13C{1H}-NMR felvételeket készítve a reakcióelegyről, a spekrumokban észlelt jelek eltűntek – amely bizonyítja a gáz halmazállapotot – annak bizonyítására, hogy ezen csúcsok valóban a hidrogén, illetve a széndioxid jelei, további kísérleteket végeztünk.
64
Ph
MeOPh MeOPh OC
Ru
Ph Ph H
CO
Ph
Ph
O H O
PhOMe Ru CO
+ HCOOH
100°C
2
OH Ph
MeOPh MeOPh OC
PhOMe CO
(1a)
Ru CO
+ CO2
H
(2a)
H2
5. 1. 3. ábra. A hangyasav átalakulása a prekurzor jelenlétében
Ehhez egy nagynyomású NMR-csőben az előbbivel azonos mennyiségű, (50 mg) prekurzort 1,7 mL CD2Cl2-ban oldottunk, majd a nagynyomású NMR-csövet 20 bar hidrogén-, és 20 bar széndioxid gázzal megnyomtuk, és 100°C-on fél órát melegítettük. A reakcióelegy 1H-NMR és
13
C{1H}-NMR spektrumában az előbbi kísérletben tapasztalt két új csúcsot láttuk, 1H-
NMR-ben 4,51 ppm-nél a hidrogén,
13
C{1H}-NMR-ben pedig 125,2 ppm-nél a széndioxid
jelét (5. 1. 4. ábra). 20 bar H2 és 20 bar CO2 alatt
CO2
H2
hangyasav jelenlétében
H2
CO2
HCOOH 5.0
0.0
-5.0
-10.0
-15.0
200
-20.0
150
100
50
0
ppm
ppm
5. 1. 4. ábra. A prekurzorról felvett 1H- és 13C{1H}-NMR-spektrumok hangyasav jelenlétében (fent) illetve 2020 bar H2 és CO2 nyomás alatt (fent) fél órán át történő 100°C való melegítés után (CD2Cl2)
Vizsgáltuk továbbá, hogy a hangyasav bomlása reverzibilis-e, vagyis a katalizátor képes-e hidrogén és széndioxid gázból hangyasavat képezni. Ezért a fenti kísérletben használt, hidrogénnel és széndioxiddal megnyomott nagynyomású NMR csövet további 100°C-on való melegítésnek vetettük alá. Mivel 2 órán át tartó forralás után sem tapasztaltunk változást, az olajfürdő hőmérsékletét 150°C-ra emeltük, és további két órán át melegítettük. Az NMRspektroszkópiás vizsgálatok ekkor sem mutattak változást, a hangyasav csúcsának megjelenését nem tapasztaltuk. A prekurzor hangyasav hatására bekövetkező változása az 5. 1. 5. ábrán látható. 65
CO2 + H2
HCOOH Ph
MeOPh MeOPh OC
Ru
Ph Ph H
CO
Ph
Ph
O H O
CO
Ph
MeOPh
PhOMe Ru
OH
MeOPh OC
PhOMe CO HCOOH
Ru CO
H
CO2 + H2
(1a)
(2a)
5. 1. 5. ábra. A hangyasav és a katalizátor átalakulása
Fontos megjegyezni, hogy abban az esetben, amikor a fenti kísérleteket deuterált kloroformban hajtottuk végre, a reakcióelegy
1
H-NMR spektrumának elemzése során
felfigyeltünk arra, hogy a 100°C-on történő melegítés során, mind a prekurzor, mind a katalizátor hidridje eltűnik, míg a pozitív tartományban lévő csúcsaik ugyanott jelentkeztek, mint kiinduláskor (5. 1. 6. ábra).
ppm
10.0
5.0
0.0
-5.0
-10.0
Ph
-15.0
-20.0
-15.0
-20.0
OH
CDHCl2 Ph
MeOPh
CDCl3
ppm
10.0
MeOPh OC
5.0
0.0
-5.0
-10.0
Ru CO
Cl
5. 1. 6. ábra. A 1H-NMR spektrum a CDCl3 hatására bekövetkező változásról
A később talált szakirodalmak201 is bizonyítják, hogy ennek oka az oldószerben lévő klór beépülése a katalizátorba. Mível kísérleteinket elsősorban oldószer nélkül végeztük, arra is kíváncsiak voltunk, hogy oldószer nélkül is tapasztalható-e a hidrogén illetve széndioxid gáz keletkezése. Ehhez egy nagynyomású NMR-csőbe bemértünk 50 mg katalizátort, és oldószerként 1,9 mL hangyasavat adtunk hozzá. 100°C-on fél órán át melegítettük, majd NMR spektroszkópiásan vizsgáltuk.
66
Fontos megjegyezni, hogy a katalizátor prekurzor a hangyasavban szobahőmérsékleten nem oldódott fel teljesen, azonban melegítés hatására gyorsan homogén oldatot kaptunk, miközben erőteljes gázfejlődést tapasztaltunk. A kiindulási narancssárga oldat piros színűvé változott. A 1
H- és
13
C{1H}-NMR spektroszkópiai vizsgálatok egyértelműen bizonyították, hogy a
hangyasav oldószer jelenléte nélkül is széndioxidra és hidrogénre bomlik (5. 1. 7. ábra). Ez az eredmény ellentmond az irodalomban találtakkal, ugyanis Shvo és munkatársai172 a prekurzor és hangyasav reakcióját egy nyomásmérővel ellátott reaktorban vizsgálták 100°C-
4.171
8.645
11.167
on, melynek során nem tapasztaltak nyomás változást.
1 0 .0
H2
5 .0
125.464
167.019
ppm
CO2
150
100
ppm
5. 1. 7. ábra. 1H- és 13C{1H}-NMR spektrum a hangyasav prekurzor hatására 100°C-on bekövetkező bomlásáról
Mivel a hangyasavat nagy feleslegben alkalmaztuk, a katalizátor jeleit nem észleltük NMR spektroszkópiai módszerrel, holott (elsősorban a kinetikai vizsgálatokhoz) szerettük volna tudni, hogy a prekurzor és a katalizátor milyen arányban van jelen, amikor a levulinsavat hozzáadjuk, ezzel elindítva a reakciót. Ennek felderítésére in situ infravörös spektroszkópiát alkalmaztunk. Ehhez bemértünk 51 mg (0,042 mmol) prekurzort egy háromnyakú lombikba, majd hozzáadva 1,8 mL (40 mmol) hangyasavat, az edény egyik nyakába az infra készülék próbafejét helyeztük, másik nyakát szeptummal zártuk, harmadik nyakára pedig paraffinolajos buborékoltatóval ellátott gázkivezetőt szereltünk. A mérés indításakor 100°C-os olajfürdőbe helyeztük. Az oldat infravörös spektruma 1 óra 100°C-on való melegítés során sem mutatott változást a kiindulási állapothoz képest, a prekurzor 2027, 1996, 1964 és 1956 cm-1-es 67
karboniljaira jellemző csúcsai nem változtak (5. 1. 8. ábra). Ez azt jelenti, hogy a hangyasavban vagy nem alakul ki az aktív katalizátor, illetve ha kialakul, akkor olyan gyorsan alakul vissza a prekurzorrá, hogy a koncentrációja alacsonyabb az infravörös spektroszkópiai módszer kimutatási határánál. 2027 1996
1964 1956
5. 1. 8. ábra. In situ IR spektrum: HCOOH-ban oldott prekurzor 1 óra 100°C-on való melegítés során
A reakcióelegyhez ezután 0,5 mL levulinsavat adtunk, melynek hatására szintén nem észleltük az aktív katalizátorra jellemző karbonil rezgések megjelenését, ugyanakkor a gamma-valerolaktont jellemző csúcsok megjelentek. Azért, hogy a prekurzor – aktív katalizátor átalakulás megfigyelhető legyen, a kísérleteket megpróbáltuk oldószer jelenlétében is elvégezni. Ehhez egy 50 mL-es háromnyakú lombikba 25 mg prekurzort 0,9 mL tetrahidrofuránban oldottunk, az edényt a korábban leírt módon lezártuk, majd elindítottuk a mérést. 5 perc szobahőmérsékleten történő keverés után, a reakcióelegyet 100°C-os olajfürdőbe helyeztük. A melegítés hatására nem tapasztaltunk változást. Ezután 25 μL hangyasavat fecskendeztünk az oldathoz, és további 20 percen át 100°C-on tartottuk. Az in situ infravörös spektrumból jól látható (5. 1. 9. ábra), hogy a prekurzorhoz hozzáadott hangyasav hatására azonnal megjelenik az aktív katalizátort jellemző 1953 cm-1 és 2012 cm-1 csúcs, és 20 perc elteltével már csak kis mennyiségű prekurzor észlelhető. Megjegyzendő, hogy a prekurzor karbonil rezgései a THF-ben némileg eltolódva jelentkeznek a hangyasavhoz képest, azonban ez nem meglepő, hiszen az oldószer befolyással lehet a megjelenő csúcsok hullámszámaira.
68
Ph
MeOPh MeOPh OC
Ru
Ph Ph H
CO
Ph
Ph
O H O
CO
Ph
MeOPh
PhOMe Ru
OH
MeOPh OC
PhOMe CO
(1a)
Ru CO
H
(2a)
+ HCOOH 1973
2012
2002
1953
(1962)
2035
5. 1. 9. ábra. In situ IR spektrum: THF-ben oldott prekurzor 80°C-on, majd a HCOOH hozzáadásra bekövetkező változás
Az 5. 1. 9. ábra alapján az is megfigyelhető, hogy ha a prekurzort THF-ben oldjuk, akkor az 1973 cm-1 hullámszámú csúcs kiszélesedik, és bár nem hasad fel oly határozott mértékben, mint HCOOH esetében, a csúcson egy váll megjelenésése észlelhető. Ennek az lehet az oka, hogy a THF koordinálódik a prekurzorhoz, aminek hatására a molekula geometriája módosul. A prekurzor átalakulásának infravörös spektroszkópiás felderítésére további vizsgálatokat végzünk. 5. 2. A feltételezett katalitikus ciklusban szereplő ruténium-formiát komplex A Shvo által feltételezett katalitikus ciklusban (3. 2. fejezet 3. 2. 2. ábra) a reakció során kialakuló koordinatíve telítetlen monoruténium komplexhez (A) a hangyasav koordinál, és kialakít egy hidroxi-ciklopentadienil-dikarbonil-formiát komplexet (5).172 Noha Shvo nem tudta bizonyítani ezen komplex létezését, később Casey és munkatársai173 alacsony hőmérsékleten kimutatták, de ehhez kiindulási anyagként nem az (1) komplexet alkalmazták, hanem egy olyan ruténium-dimer komplexet, amelyben a hidrogén-hidak helyett O-Ru-C kötések vannak (3. 2. fejezet 3. 2. 4. ábra. (6)). Megjegyzendő, hogy Shvo eleinte ezt a
69
ruténium-komplexet hitte katalizátornak, illetve ezt alkalmazta a hidrogénezési reakciókhoz, később azonban rájött, hogy ez alkohol illetve hidrogén jelenlétében azonnal átalakul az ismert hidrogén-hidas prekurzorrá (1a), illeteve az aktív katalizátorrá (2a) (5. 2. 1. ábra). R MeOPh
O
MeOPh OC OC
R Ru
R
Ru
CO
H2D PhOMe
O (6a)
R
CO
R
R
MeOPh MeOPh OC
PhOMe
Ru
R H
CO
R
R
O H O
MeOPh PhOMe + Ru CO
PhOMe CO
(1a)
MeOPh OC
OH R Ru CO
H
(2a)
5. 2. 1. ábra. Az O-Ru-C hidas prekurzor és annak reakciója hidrogéndonorral
Mindkét prekurzor (1a) és (6a) hangyasavval történő reakcióját megvizsgáltuk. Ehhez mind a két komplexből 12-12 mg-ot bemértünk egy-egy 5 mm-es NMR-csőbe, majd inert körülmények között (argon atmoszféra) szeptummal zártuk. Hozzáadtunk 0,5-0,5 mL CD2Cl2t, majd miután -20°C-on felvettük a kiindulási NMR-spektrumokat, a csöveket -78°C-os aceton – szárazjég hűtőkeverékbe helyeztük, és 6-6 μL H13COOH-t adtunk hozzájuk. A reaktív (6a) prekurzort vizsgálva három különböző hőmérsékleten, a szakirodalomban található tolil-analóggal (3. fejezet 3. 2. 1. ábra. R' = p-MePh) végzett kísérletekből nyert eredményekkel
173
azonosakat kaptunk. Tehát a (6a) komplex esetében, a hangyasav
hozzáadása után -20°C-on felvett 1H-NMR-spektrumban – a hangyasav 8,38 ppm és 9,99 ppm-es jelei mellett – megjelent a monoruténium-formiátot (5a) jellemző 8,07 ppm kémiai eltolódású csúcs. A
13
C{1H}-NMR spektrumban szintén látható volt a formiát képződése -
20°C-on, ugyanis a hangyasav 166,9 ppm kémiai eltolódású jele mellett megjelent a formiát 171,5 ppm-es csúcsa (5. 2. 2. ábra). Az NMR hőmérsékletét ezután +1°C-ra emelve, újabb 1H- illetve 13C{1H}-NMR felvételeket készítettünk. Ekkor az általunk korábban alkalmazott prekurzor (1a) -18,80 ppm-nél jelentkező csúcsának, illetve az aktív katalizátor -9,91 ppm kémiai eltolódású jelének megjelenését tapasztaltuk, miközben a formiát csúcsa is látható maradt. Miután a mintát szobahőmérsékletűre hagytuk melegedni, a formiát komplex (5a) csúcsa eltűnt, miközben az (1a) prekurzor és az aktív katalizátor (2a) jelei megmaradtak, bár megjegyzendő, hogy az arányuk némileg változott, a prekurzor molekula intenzitása megnőtt, míg az aktív katalizátoré lecsökkent.
70
H13COOH
8,07 ppm
1 0 .0
p p m
9 .0
8 .0
7 .0
6 .0
13
5 .0
4 .0
3 .0
H COOH Ph
OH Ph
MeOPh MeOPh OC
O
Ru CO
O H
(5a)
190 p p m
171,5 ppm
180
170
160
150
5. 2. 2. ábra. 1H- és 13C{1H}-NMR-spektrumok a reakcióelegyről -20°C-on (CD2Cl2)
A mintáról szobahőmérsékleten felvett
13
C{1H}-NMR spektrumban megjelent továbbá egy
125,2 ppm kémiai eltolódású csúcs, amely a 13CO2 megjelenését jelzi. A hangyasav hatására bekövetkező reakciók összefoglalva az 5. 2. 3. ábrán láthatók. Ph MeOPh MeOPh
Ph
Ru
OC
Ph
OH
HCOOH
Ph
MeOPh PhOMe
O
OC
Ph
CO O CO Ph Ru
O
Ru
MeOPh OC
CO
PhOMe
O H
(5a)
(6a)
- CO2
Ph
MeOPh MeOPh OC
Ru
Ph Ph H
CO
Ph
Ph
O H O
PhOMe Ru CO
PhOMe CO
OH Ph
+ MeOPh MeOPh OC
Ru CO (2a)
(1a)
5. 2. 3. ábra. A hangyasav hatására bekövetkező változások
71
H
A levulinsav transzfer hidrogénezéséhez alkalmazott prekurzor (1a) esetében – megvizsgálva a fentebb leírt módon – nem tapasztaltunk változást sem -20, sem +1 és +20°Con, mindhárom hőmérsékleten a kiindulási prekurzor valamint a hangyasav csúcsait észleltük. 5. 3. A levulinsav gamma-valerolaktonná történő átalakulásának vizsgálata A szakirodalom szerint ketonok deuterált hangyasavval végzett hidrogénezése során a deutérium szelektíven a karbonil szénatomhoz köt, a hangyasav savas protonja pedig az oxigénatomhoz.172 Amennyiben a levulinsav hidrogénezése is ily módon megy végbe, akkor a folyamat az 5. 3. 1. ábrán látható módon írható fel. CH3
C
CH2
COOH CH2
CH3 +
DCOOH
O
CD
CH2
COOH CH2
+ CO2
OH
3 CH2 5 CH3
2 CH2
4 C D
1 C O
O
+ HOH
5. 3. 1. ábra. A deutérium regiospecifikus beépülése a levulinsavba
Annak bizonyítására, hogy a levulinsav katalitikus transzfer hidrogénezése az ismertetett mechanizmus szerint történik-e vagy sem, két párhuzamos kísérletet végeztünk hangyasav, illetve deuterált hangyasav jelenlétében. Ehhez egy kapillárissal ellátott szeptumos mintatartó edénybe bemértünk 1 g (8,62 mmol) levulinsavat és 0,68 g (14 mmol) HCOOH-t , illetve egy másik edénybe 1 g (8,62 mmol) levulinsavat és 0,68 g (14 mmol) DCOOH-t, majd mindkét edényt 100°C-os olajfürdőbe helyeztük. 1 óra elteltével mintát vettünk és NMR spektroszkópiásan vizsgáltuk. A kiindulási állapothoz képest nem tapasztaltunk változást, vagyis a hangyasav a levulinsavval nem lép reakcióba katalizátor nélkül. Ezt követően mindkét reakcióelegyhez 9-9 mg prekurzort adtunk, és újra a 100°C-os olajfürdőbe helyeztük. 1,5 óra után az oldat NMR spektroszkópiai vizsgálata azt mutatta, hogy a reakció beindult, a levulinsav egy része átalakult gamma-valerolaktonná. Ugyanakkor az átalakulás mértékét tekintve megfigyelhető, hogy a reakció sokkal lassabb DCOOH jelenlétében, mint HCOOHval (5. 3. 2. ábra).
A jelenséget a deutérium izotóp-effektussal magyarázhatjuk. A
reakcióelegyek további 12 órán át tartó melegítése során a levulinsav teljes mennyisége gamma-valerolaktonná alakult. 13C{1H}-NMR spektrumok felvételével a deutérium atom útja jól követhető. Az 5. 3. 1. ábra alapján a 4-es C atom 79,2 ppm-nél található jele DCOOH 72
jelenlétében több jelből álló jelcsoportként jelentkezik. Amennyiben a deutérium a 4-es C atomhoz épül be, a deutérium mentes kísérletben a CH csoporthoz tartozó jel szingulett, deutérium jelenlétében pedig a C-D egy-kötéses (1JCD) 20 Hz körüli csatolási állandóval
21.027
28.369
29.681
29.833
29.906
38.312
79.256
127.63
128.02
128.40
164.65
176.38
180.54
210.45
jellemzett 1:1:1 arányú triplett detektálható a spektrumban.
HCOOH GVL LA
DCOOH
200
150
100
50
79.00
78.50
78.00
77.588
77.958
78.336
ppm
77.50
77.00
ppm
5. 3. 2. ábra. 13C{1H}-NMR spektrumok, 62,5 MHz, C6D6 referencia, belső inzert csőben
Esetünkben a 250 MHz-es készüléken felvett spektrumban egy szingulett és tövében egy 23 Hz csatolási állandójú triplett (melynek egyik rezonancia jele a szingulettel fedésében található) jelenik meg (5. 3. 2. ábra).
73
A csatolás bizonyítására 500 MHz-es készüléken is felvettük a spektrumokat, ugyanis a csatolási állandó értéke térerő független, és nagyobb térerőn a kémiai eltolódások jobban elkülönülnek. Valóban, mind az inverse gated, mind a jmod típusú felvételek bizonyították az 1:1:1 triplett és a 1JCD = 23 Hz csatolási állandó jelenlétét, vagyis a deutériumnak a 4-es C atomhoz való kötődését. Mindezek tehát bizonyítják a deutériumnak a gamma-valerolaktonba történő beépülését. A DCOOH-t tartalmazó oldat esetében érdekes megfigyelés, hogy a 2-es és 3-as C atomok két – két jelet adnak. Az 5. 3. 3. ábra alapján az egyes C atomokhoz tartozó jelek aránya 1:1, egyik jel a csak H atomokat tartalmazó GVL molekulához, a másik jel pedig a 4-es C atomon deuterált molekulához rendelhető, ugyanis ez utóbbi esetében a deutérium jelenléte miatt a 2-es és 3-as C atomok környezete megváltozik, ezért kémiai eltolódásuk
21.000
21.129
29.456
29.817
29.959
77.588
77.958
78.336
értéke is különbözik a nem deuterált GVL jeleitől.
8,3 Hz 8,3 Hz 23 Hz
7 9 .0 0
7 8 .5 0
7 8 .0 0
7 7 .5 0
3 0 .0
7 7 .0 0
2 5 .0
2 0 .0
ppm
ppm
23 Hz
18 Hz
18 Hz 8 0 .0 0 ppm
7 9 .5 0
7 9 .0 0
7 8 .5 0
30.0
7 8 .0 0
25.0
ppm
5. 3. 3. ábra. 13C{1H}-NMR spektrumok, 62,5 MHz-en (fent) és 125 MHz-en (lent)
Következtetésképp, DCOOH alkalmazása során a reakcióelegy 50% – 50% arányban tartalmaz nem deuterált és deuterált GVL-t, ami nem támasztja alá azt a korábbi irodalmi megfigyelést, hogy a reakció során a formil-csoport deutériuma szelektíven a karbonil szénatomhoz köt, hangyasav savas protonja pedig az oxigénatomhoz. A végső reakcióegyenlet az 5. 3. 4. ábrán látható.
74
CH3
C
CH2
CH2
COOH CH2
+
DCOOH
prekurzor 100°C, 12h
O
CH3
CH2
C
C O
H
CH2 O
+
CH3
CH2
C
C
O
O
D
~50%
+ CO2 + HOD D2O
~50%
5. 3. 4. ábra. A levulinsav reakciója DCOOH-val
Egy nemrégiben megjelent publikáció szerint azonban, az oldószer minőségétől, illetve a reakció körülményeitől függően a katalizátor hidroxidja és a ruténiumon lévő hidrid között cserefolyamat lehetséges.178 Vagyis az általunk tapasztalt eredmények nem zárják ki a hangyasav hidrogénjeinek regiospecifikus kötődését a levulinsavhoz, viszont alátámasztják azon feltételezést, hogy a katalizátor reakcióban résztvevő hidrogénjei cserélnek egymással, hiszen egyéb esetben a csak deuterált GVL-t kellett volna kapnunk. Felmerülhet az a kérdés, vajon a keletkező gamma-valerolakton és a DCOOH deutériumatomja között előfordulhat-e bármilyen cserefolyamat. Ennek bizonyítására két kísérletet végeztünk. Vizsgáltuk mi történik a gamma-valerolakton és a DCOOH között 100°C-on katalizátor jelenlétében, és hiányában. Egyik esetben sem volt tapasztalható a deutérium beépülése a gamma-valerolaktonba. A fentebb leírt reakciót elvégeztük DCOOD jelenlétében is, úgy hogy a levulinsav savas protonját előbb deutériumra cseréltük (LA-D). Ehhez egy kapillárissal ellátott szeptumos mintatartó edénybe bemértünk 1 g (8,62 mmol) LA-D-t és 0,68 g (14 mmol) DCOOD-t, szobahőmérsékleten mintát vettünk, és NMR spektroszkópiásan vizsgáltuk. A kiindulási állapothoz képest nem tapasztaltunk változást, vagyis a hangyasav a levulinsavval szobahőmérsékleten nem lép reakcióba. Ezután a reakcióelegyet 100°C-os olajfürdőbe helyeztük, és 1 óra elteltével mintát vettünk. Meglepetésünkre az elegy
13
C{1H}-NMR
spektroszkópiai vizsgálata azt mutatta, hogy a hangyasav savas deutériumja az 5. 3. 5. ábra alapján a levulinsav 5-ös és 2-es szénatomjához épül be, ugyanis az 5-ös szénatom 27,4 ppmnél, és a 2-es szénatom 36,0 ppm-nél található jele DCOOH jelenlétében több jelből álló jelcsoportként jelentkezett. CH3
C
CH2
COOD CH2
+
DCOOD
100°C,1h
CH3
O
C
CH2
5 DH2C
COOD CH2
+
O
3 1 4 CH2 2 COOD C C HD O
5. 3. 5. ábra. A deueterált levulinsav reakciója DCOOD-vel
Amennyiben a deutérium a 2-es és 5-ös C atomokhoz épül be, a deutérium mentes kísérletben ezen csoportokhoz tartozó jelek szingulettek, deutérium jelenlétében pedig a C-D egy-kötéses (1JCD) 20 Hz körüli csatolási állandóval jellemzett 1:1:1 arányú triplettek detektálhatók a 75
spektrumban. Esetünkben a 250 MHz-es készüléken felvett spektrumban mindkét C-atomhoz egy-egy szingulett és tövükben egy-egy 20 Hz csatolási állandójú triplett (melyek egyik
25.929 25.874
26.784
27.337 27.095
35.639 35.329
35.955
162.899
163.433
163.967
175.125
210.791
rezonancia jele a szingulettel fedésében találhatók) jelenik meg (5. 3. 6. ábra).
O OH O
DCOOD
ppm
200
150
100
20 Hz
50
20 Hz
35.0
30.0
ppm
5. 3. 6. ábra. 13C{1H}-NMR spektrumok, 62,5 MHz, D2O referencia, belső inzert csőben
Az 5. 3. 6. ábrán megfigyelhető, hogy a deutérium jelenléte miatt a 3-as C atom kémiai környezete is megváltozik, vagyis az ehhez tartozó jelek egyike a csak H atomokat tartalmazó LA-D molekulához, a másik jel pedig a 2-es és az 5-ös C atomon deuterált molekulához rendelhető. A csatolás bizonyítására, a fentiekhez hasonlóan, 500 MHz-es készüléken is felvettük a spektrumokat, és mind az inverse gated, mind a jmod típusú felvételek bizonyították az 1:1:1 triplett és a 1JCD = 20 Hz csatolási állandó jelenlétét, vagyis a deutériumnak a 2-es és 5-ös C atomhoz való kötődését. Noha a hangyasav és levulinsav
76
között lejátszódó cserefolyamatok miatt nehéz a továbbiakban eldönteni, hogy a katalizátor hatására bekövetkező reakció, melynek során GVL keletkezik milyen úton megy végbe, mégis további vizsgálatokat végeztünk. Ehhez a reakcióelegyhez 9 mg prekurzort adtunk, és újra a 100°C-os olajfürdőbe helyeztük. 1,5 óra után az oldat NMR spektroszkópiai vizsgálata azt mutatta, hogy a reakció beindult, a levulinsav egy része átalakult gamma-valerolaktonná.
ppm
78.50
78.00
150
ppm
31.00 ppm
79.00
30.50
30.00
77.50
29.00
20.801
21.109
21.382
21.466
21.512
29.528
29.646
29.742
29.835
77.00
100
29.50
30.198
30.340
77.892
77.948
78.259
78.318
78.637
78.696
175.808
175.946
176.973
179.332
A reakcióelegyről 6 óra után felvett 13C{1H}-NMR spektrum az 5. 3. 7. ábrán látható.
50
ppm
22.00
21.50
0
21.00
20.50
20.00
5. 3. 7. ábra. 13C{1H}-NMR spektrumok, 62,5 MHz, D2O referencia, belső inzert csőben
Ebből kiderül, hogy több féle GVL keletkezett, azonban ezek szerkezetének felderítésére további vizsgálatok szükségesek.
77
5. 4. Alternatív prekurzorok alkalmazása Annak vizsgálatára, hogy vajon a katalizátor illetve prekurzorának ciklopentadienil gyűrűjén lévő csoportok milyen befolyással vannak a reakció sebességére, előállítottunk másik két katalizátort (5. 4. 1. ábra). Ph
MeOPh MeOPh OC
Ph
O H O
Ru
Ph Ph H
CO
PhOMe Ru CO
PhOMe CO
(1a) Ph
Tol Tol OC
Ru
Ph Ph H
CO
Ph
Ph
O H O
Ph
Tol Ru CO
Ph OC
Tol CO
(1b)
Ph
O H O
Ru
Ph Ph H
Ph Ru
CO
CO
Ph CO
(1c)
5. 4. 1. ábra. Az általunk kipróbált prekurzorok
A levulinsav transzfer hidrogénezésére három párhuzamos mérést végeztünk. Bemértünk három 5 mL-es lombikba 2-2 g levulinsavat, majd mindegyikhez hozzáadtunk 1,58 g hangyasavat és 17 mg-ot a különböző prekurzorokból. A lombikokat kapillárissal átszúrt szeptummal zártuk, majd 100°C-os olajfürdőbe helyeztük. Óránként mintát vettünk mindhárom elegyből, hígítottuk és gáz-kromatográfiásan vizsgáltuk. A GC alapján számított GVL hozamok 1 óra 100°C-on történő melegítés után az 5. 4. 1. táblázatban láthatók. n(HCOOH) / n(LA)
prekurzor
GVL hozam (%)
1,5
(1a)
59,2
1,5
(1b)
56,6
1,5
(1c)
44,8
2
(1a)
61,5
2
(1b)
59,2
2
(1c)
48,1
2,5
(1a)
54,3
2,5
(1b)
52,3
2,5
(1c)
43,1
5. 4. 1. táblázat. A LA transzfer hidrogénezése különböző prekurzorok jelenlétében, a n(LA)/n(prekurzor) = 2400 aránynál, T = 100°C, t = 1h
78
A mérései eredményekből egyértelműen látszik, hogy a levulinsav transzfer hidrogénezésére az általunk korábban alkalmazott metoxi-csoporttal szubsztituált katalizátor a legjobb, noha a tolil-csoportot tartalmazó prekurzor használata hasonlóan kedvező (5. 4. 2. ábra). (1a)
100
(1b)
80
Hozam / %
(1c) 60
40
20
0 0
100
200
300
400
500
Idõ / perc
5. 4. 2. ábra. A GC-alapján számolt GVL hozamok az idő függvényében a 3 prekurzor jelenlétében, n(HCOOH) / n(LA) = 2, n(LA)/n(prekurzor) = 1200, T = 100°C
A fenil-csoporttal szubsztituált prekurzor jelenlétében történő reakció láthatóan lassabb. Ezen tapasztalat a fenil-csoporton lévő elektronküldő csoport hiányának következménye, ugyanis a ciklopentadienil hidroxid-csoportjának savasságát erősíti az elektronküldő csoport jelenléte, elősegítve ezzel az azon lévő hidrogén távozását.
79
6. Kísérleti rész A vegyszereket a Sigma-Aldrich Kft-től, az oldószereket a Reanal Finomvegyszergyár Zrt-től illetve a Molar Chemicals Kft-től vásároltuk. A nitrogén, argon és hidrogén gázpalackokat a Linde Gáz Magyarország Zrt-től rendeltük. A nyomás alá helyezett készülékeket mindig álló fülkében, plexi pajzs mögött helyeztük el. Az 1H-,
13
C- NMR, COSY és HMBC méréseket
Bruker Avance 250 MHz és 500 MHz készülékeken végeztük. Az in situ IR spektroszkópiai méréseket ReactIR 1000 spektrofotométerrel végeztük. Az oxigénre vagy vízre érzékeny anyagokkal inert atmoszféra alatt, Schlenk technika segítségével dolgoztunk. A gamma-valerolakton gőznyomásának mérése Egy mágneses keverőbabával ellátott 25 mL-es Hasteloy-C Parr reaktorba (6. 1. ábra) bemértünk 5 mL gamma-valerolaktont, majd lezártuk és csatlakoztattuk egy Rosemount® Hasteloy-HC-276 digitális gőznyomásmérőhöz. A reaktort ezután jeges-vizes fürdőbe helyeztük, vákuumszivattyúval többször leszívattuk, míg a nyomásérték már nem változott tovább. Kivéve a jeges vízből, hagytuk szobahőmérsékletre melegedni, majd miután többszöri leolvasás alkalmával sem változott tovább a nyomás, olajfürdőbe helyeztük, és folyamatos kevertetés mellett a kívánt hőmérsékletre melegítettük. Minden hőmérsékleten legalább 1 órát vártunk, míg a reaktor átvette az olajfürdő hőmérsékletét, és a leolvasott nyomásérték sem változott tovább.
6. 1. ábra. (a) 25 mL Hasteloy-C Parr reaktor
(b) olajfürdőbe helyeztük
80
A gamma-valerolakton peroxidmentesítése Bemértünk 500 mL GVL-t egy 1 L-es Erlenmeyer-lombikba, majd hozzáadtunk 45 g vasszulfátot 150 mL vízben oldva. Folyamatos kevertetés mellet fél órán át lezárva hagytuk. Fontos megjegyezni, hogy a GVL homogén vas-szulfát oldathoz való hozzáadásának következtében két fázis alakult ki, és szilárd vas-só csapódott ki, valamint, az oldat erősen megbarnult. A két fázist elválasztottuk, a vizes fázist háromszor 75 mL etil-acetáttal extraháltuk, majd a szerves fázissal egyesítettük, és vízmentes nátrium-szulfáton szárítottuk. Az oldószer eltávolítása után maradt halványsárga folyadékot nagyvákuumban desztilláltuk. A kapott átlátszó, színtelen folyadék peroxidszámát jodometriás titrálással ellenőriztük. Egyéb oxigenát peroxidmentesítése A stabilizátort tartalmazó tetrahidrofurán, 2-metil-tetrahidrofurán és furán esetében a tisztítást légköri nyomáson, N2-atmoszféra alatt történő desztillálással végeztük. A stabilizátort nem tartalmazó metil-terc-butil éter valamint 2,5-dimetilfurán peroxidmentesítéséhez 300 mL mintát 30 g 100 mL vízben oldott vas-szulfáttal kevertük, majd a kialakuló két fázist elválasztottuk. A szerves fázist vízmentes nátrium-szulfáttal szárítottuk, majd légköri nyomáson, N2-atmoszféra alatt desztilláltuk. A tisztított anyagok peroxidszámát jodometriás titrálással ellenőriztük. A peroxidszám mérése A jodometriás titráláshoz használt oldatok: a) Ecetsav-oldat: 996 mL jégecetet bemértünk egy 1,5 L-es Erlenmeyer-lombikba, majd óvatosan hozzáadtunk 4 mL tömény sósav-oldatot. b) 0.5 N nátrium-tioszulfát oldat: 100 mL 0,1 N Na2S2O3 oldatot 2000 mL-re higítottunk, faktorát K2Cr2O7-oldattal való titrálással határoztuk meg. c) keményítő-oldat: bemértünk 3 g vízoldható keményítőt egy főzőpohárba, 500 mL desztillált vizet adtunk hozzá, majd a keményítő teljes mennyiségének feloldódásáig (kb. 1 óra) 100°Cos olajfürdőbe helyeztük. Ezután 10 g kálium-hidroxidot adtunk hozzá, és 10 percen keresztül erőteljesen kevertettük. Szobahőmérsékleten hagytuk állni 2 órát, majd a pH-t 20%-os sósav segítségével (kb. 5 mL) 4-re állítottuk. A peroxidszám mérését úgy végeztük, hogy bemértünk 2 mL mintát egy 100 mL-es csiszolatos Erlenmeyer lombikba, hozzáadtunk 8 mL ecetsav-oldatot, és frissen készített 0,96 g kálium-jodid 1 mL vízben oldott oldatát. A lombikot lezártuk és 5 percen át hagytuk állni, miközben fél percenként erőteljesen összeráztuk. Ezután 40 mL desztillált vizet adtunk a 81
peroxidtartalomtól függően halvány sárga – sötét narancssárga oldathoz, és 0,005 normálos nátrium-tioszulfát oldattal titráltuk. Amikor az oldat sárga színe már csak enyhén látszott, 2 mL keményítő-oldatot adtunk hozzá, majd folytattuk a titrálást a keményítő hatására bekövetkezett kék szín eltűnéséig. Minden alkalommal vak mérést is végeztünk, vagyis olyan elegyeket is titráltunk, melyek nem tartalmazták a mérni kívánt mintát, csak a titráláshoz alkalmazott oldatokat. A peroxidszámot a következő képlet alapján számítottuk:
[( A − B )N ⋅ 1000 ⋅ 8] ,
Peroxidszám (mg/kg) =
m
ahol A = a mintához fogyott Na2S2O3 oldat mennyisége mL-ben megadva, B = a vak méréshez fogyott Na2S2O3 oldat mennyisége mL-ben megadva, N = a Na2S2O3 oldat normalitása, és m = a bemért minta mennyisége g-ban megadva. A gamma-valerolakton hidrolízisének vizsgálata semleges, savas és lúgos közegben
Bemértünk 50 μL H218O-t egy 4 mL-es mintatartó edénybe, majd hozzáadtunk 265 μL gamma-valerolaktont. Míg a lúgos közegben történő hidrolízis vizsgálatnál egyszerűen csak hozzáadtunk 10 mg NaOH-ot, a savas közeget nátrium-klorid és kénsav reakciójával előállított
hidrogén-klorid
reakcióelegybe
való
buborékoltatásával
biztosítottuk.
A
reakcióelegy tömegének növekedése alapján kb. 40-50 mg HCl-ot adtunk a vizes GVL-hez. Gyors összekeverés után a reakcióelegyből mintát készítettünk, és GC-MS készülékkel azonnal vizsgáltuk. 2,5-difenil-3,4-bis(4'-metoxifenil)ciklopentadienon előállítása:
Egy visszafolyós hűtővel ellátott 25 mL-es gömblombikba bemértünk 701 mg (2,59 mmol) dimetoxibenzilt, 545 mg (2,59 mmol) dibenzilketont, valamint 6 mL 95%-os etanolt. Az elegyet folyamatos kevertetés mellett olajfürdőn 80-85°C-ra melegítettük. A szilárd anyag teljes feloldódása után a hűtő tetején keresztül 0,5 mL 95%-os etanolban oldott 77 mg (1,37 mmol) KOH-ot csepegtettünk. Ennek hatására a kiinduláskor halványsárga színű oldat előbb halvány majd sötét barnává változott. A reakcióelegyet további 15 percen keresztül refluxoltattuk, majd a lombikot jeges vízbe helyeztük. A kivált 956 mg (83%) sötét barnásbordó terméket szűrtük, 95%-os etanollal mostuk, majd szárítottuk. 1H-NMR (250 MHz, CDCl3, δ/ppm): 7,16 (s, 5H); 6,78 (m, 2H); 6,63 (m, 2H); 3,70 (s, 3H).
13
C{H}-NMR (62,5
MHz, CDCl3, δ/ppm): 200,2; 159,7; 154,0; 131,1; 130,1; 128,0; 127,2; 125,2; 124,6; 113,4; 55,1.
82
2,5-difenil-3,4-bisz(4'-metil-fenil)ciklopentadienon előállítása:
Egy visszafolyós hűtővel ellátott 50 mL-es gömblombikba bemértünk 1,204 g (5,05 mmol) dimetilbenzilt, 1,063 g (5,05 mmol) dibenzilketont, valamint 10 mL 95%-os etanolt. Az elegyet folyamatos kevertetés mellett olajfürdőn 80-85°C-ra melegítettük. A szilárd anyag teljes feloldódása után a hűtő tetején keresztül 0,8 mL 95%-os etanolban oldott 0,152 g (2,71 mmol) KOH-ot csepegtettünk. Ennek hatására a kiinduláskor halványsárga színű oldat előbb halvány majd sötét barnává változott. A reakcióelegyet további 15 percen keresztül refluxoltattuk, majd a lombikot jeges vízbe helyeztük. A kivált 1,359 g (65%) sötét bordó terméket szűrtük, 95%-os etanollal mostuk, majd szárítottuk. 1H-NMR (250 MHz, CDCl3, δ/ppm): 7,15 (s, 5H); 6,90 (m, 2H); 6,72 (m, 2H); 2,24 (s, 3H).
13
C{H}-NMR (62,5 MHz,
CDCl3, δ/ppm): 200,4; 155,5; 138,4; 131,0; 130,1; 130,0; 129,4; 128,6; 127,9; 127,2; 125,0; 21,4. Triruténium-dodekakarbonil előállítása:
Egy 50 mL-es háromnyakú gömblombikban feloldottunk 300 mg (0,47 mmol) RuCl3.xH2O-t 19 mL 2-etoxietanolban. Az egyik nyakára visszafolyós hűtőt szereltünk, a másikra kapilláris végű gázbevezetőt, a harmadikat pedig üvegdugóval zártuk. A visszafolyós hűtő kivezetéséhez paraffinolajat tartalmazó buborékoltatót helyeztünk a CO gáz biztonságos elvezetéséhez.
Az
oldatot
folyamatos
kevertetés
mellett
előbb
N2
gázzal
való
átbuborékoltatással légmentesítettük, majd a reakció további részében folyamatosan CO gázt buborékoltattunk át rajta. Az olajfürdő hőmérsékletét 80°C-ra állítottuk, és az oldatot 45 percig kevertettük 2 buborék/perc CO áram mellett. Ennek hatására a kiinduláskor fekete színű odat lassan vérvörös színűvé változott. Ezután 30-45 percen át 135°C-on melegítettük a reakcióelegyet, míg tökéletesen tiszta aranysárga oldatot nem kaptunk. Ekkor a reakcióelegyet hagytuk lehűlni 75°C-ra, a CO sebességét 1 buborék/percre visszavettük, és az oldalsó száron át 182 mg (3,25 mmol) KOH-ot adtunk hozzá. Az oldat folyamatosan sötétedett, majd a teljes, 45 perces reakcióidő végére az oldat folyamatos halványulása mellett narancssárga kristályok váltak ki. Ekkor a reakcióelegyet hagytuk szobahőmérsékletre lehűlni, a kristályokat szűrtük, vízzel és 2-etoxietanollal mostuk, szárítottuk. A 160 mg (70%) Ru3(CO)12 termék narancssárga színű. IR (hexán): 2061 (s), 2031 (s), 2011 (m) cm-1.
83
{[2,5-Ph2-3,4-(p-MeOPh)2(η5-C4CO)]2H} Ru2(CO)4 (μ-H) előállítása (1a):
Visszafolyós hűtővel ellátott 100 mL-es gömblombikba bemértünk 400 mg (0,63 mmol) Ru3(CO)12-t, 834 mg (1,88 mmol) 2,5-difenil-3,4-bis(4-metoxifenil)ciklopentadienont, valamint 80 mL metanolt. Az oldatot 80°C-os olajfürdőben refluxoltattuk folyamatos kevertetés mellett 40 órán keresztül. A kivált 961 mg (85%) narancssárga színű terméket szűrtük, vízzel és metanollal mostuk, szárítottuk. 1H-NMR (250 MHz, C6D6, δ/ppm): 8,6 (széles jel, 1H); 7,61 (m, 8H); 7,24 ( d, 8H); 7,02 (m, 12H); 6,47 (d, 8H); 3,12 (s, 12H); 17,60 (s, 1H).
13
C{H}-NMR (62,5 MHz, C6D6, δ/ppm): 202,3; 159,5; 155,3; 133,9; 131,8;
128,4; 128,0; 127,4; 123,3; 113,6; 103,9; 88,5; 54,6. IR (CH2Cl2) : 2036; 2005; 1978. {[2,5-Ph2-3,4-Tol 2(η5-C4CO)]2H} Ru2(CO)4 (μ-H) előállítása (1b):
Visszafolyós hűtővel ellátott 250 mL-es gömblombikba bemértünk 400 mg (0,63 mmol) Ru3(CO)12-t, 774 mg (1,88 mmol) 2,5-difenil-3,4-ditolilciklopentadienont, valamint 80 mL metanolt. Az oldatot 80°C-os olajfürdőben refluxoltattuk folyamatos kevertetés mellett 40 órán keresztül. A kivált 942 mg (83%) narancssárga színű terméket szűrtük, vízzel és metanollal mostuk, szárítottuk. 1H-NMR (250 MHz, CDCl3, δ/ppm): 7,26 (s, 1H); 7,09 (m, 8H); 7,02 (d, 8H); 6,82 (m, 12H); 6,4 (d, 8H); 2,18 (s, 12H); -18,44 (s, 1H).
13
C{H}-NMR
(62,5 MHz, CDCl3, δ/ppm): 200,96; 154,14; 137,52; 131,86; 131,15; 130,45; 128,21; 127,63; 127,5; 126,6; 103,2; 87,8; 21,1. IR (CH2Cl2) : 2030; 2000; 1970. {[2,3,4,5-Ph4 (η5-C4CO)]2H} Ru2(CO)4 (μ-H) előállítása (1c):
Visszafolyós hűtővel ellátott 250 mL-es gömblombikba bemértünk 400 mg (0,63 mmol) Ru3(CO)12-t, 721 mg (1,88 mmol) 2,3,4,5-tetrafenilciklopentadienont, valamint 82 mL metanolt. Az oldatot 80°C-os olajfürdőben refluxoltattuk folyamatos kevertetés mellett 40 órán keresztül. A kivált 881 mg (86%) narancssárga színű terméket szűrtük, vízzel és metanollal mostuk, szárítottuk. 1H-NMR (250 MHz, CDCl3, δ/ppm): 7,26 (s, 1H); 7,11- 7,0 (m, 20H); -18,37 (s, 1H).
13
C{H}-NMR (62,5 MHz, CDCl3, δ/ppm): 200,8; 154,2; 132,0;
131,0; 130,5; 130,2; 127,8; 127,7; 127,5; 126,7; 103,4; 87,7. IR (CH2Cl2) : 2038; 2007; 1979; [2,5-Ph2-3,4-(p-MeOPh)2(η4-C4CO)Ru2(CO)2]2 előállítása (6a) előállítása:
Visszafolyós hűtővel ellátott 100 mL-es gömblombikba bemértünk 156 mg (0,24 mmol) Ru3(CO)12-t, 325 mg (0,74 mmol) 2,5-difenil-3,4-bisz(4-metoxifenil)ciklopentadienont, valamint 52 mL n-heptánt. Az oldatot 80°C-os olajfürdőben refluxoltattuk folyamatos
84
kevertetés mellett 48 órán keresztül. A kivált 403 mg (92%) narancssárga színű terméket szűrtük, n-heptánnal mostuk, szárítottuk. 1H-NMR (250 MHz, CDCl3 δ/ppm): 7,3 (m, 8H); 7,10 ( d, 8H); 7,04 (m, 12H); 6,93 (d, 8H); 3,62 (s, 12H). 13C{H}-NMR (62,5 MHz, CDCl3, δ/ppm): 199,8; 159,4; 158,6; 133,2; 132,7; 131,1; 130,6; 127,7; 121,7; 113,3; 97,8; 87,7; 55,2. IR (CH2Cl2) : 2018; 1968; 2036. A deuterált levulinsav előállítása (LA-D):
20,0054 g (172 mmol) levulinsavat bemértünk egy 250 mL-es lombikba, majd 20 mL desztilláltvízben oldott 6,545 g (164 mmol) nátrium-hidroxidot csepegtettünk hozzá. 1 órán át tartó szobahőmérsékleten történő kevertetés után, a vizet liofilizálással eltávolítottuk. A keletkező nátrium-levulinátot a fölöslegben alkalmazott levulinsav maradékának eltávolítása céljából, dietil-éterrel mostuk, szűrtük és vákuumban 4 órán át 50°C-on szárítottuk. Az ily módon előállított nátrium-levulinátból bemértünk 5 g-ot (36 mmol) egy 50 mL-es gömblombikba, majd 7 mL D2O-ban oldottuk. Az oldathoz ezután 1 mL D2SO4-et adtunk, majd 1 órán át kevertettük. Ezután a kialakuló két fázist elválasztottuk, majd CDCl3-mal extraháltuk. Az oldószer eltávolítását csökkentett nyomáson végeztük. 1H-NMR (250 MHz, aceton-d6, δ/ppm): 2,11 (s, 3H); 2,47 (t, 2H); 2,71 (t, 2H)
85
Összefoglalás
Az utóbbi években igen intenzíven tanulmányozott 5-hidroximetil-furfural, a belőle keletkező levulinsav, illetve gamma-valerolakton fontos alapanyagai lehetnek új vegyipari technológiák
alkalmazásának.
Az
5-hidroximetil-furfural
legáltalánosabb
előállítása
szénhidrátok illetve egyszerű cukrok kontrollált bomlásával valósítható meg savak jelenlétében, melynek további hidratációjával keletkezik a gyakorlati alkalmazhatóságok szempontjából sokoldalú levulinsav. A levulinsav hidrogénezésével gamma-valerolaktont nyerhetünk, mely kedvező fizikai- és kémiai tulajdonságai folytán fenntartható folyadékként kiválthatja a kimerülőben lévő fosszilis nyersanyagokat. Alacsony olvadás-, magas forrás- és lobbanáspontja, vízzel való korlátlan elegyedése, kellemes illata mellett a GVL tenziója jóval alacsonyabb az iparban gyakran alkalmazott oldószerek és oxigenátok gőznyomásánál. A gamma-valerolaktont biztonságosan lehet alkalmazni, mert nem hidrolízál semleges közegben, vagyis nem alakul ki belőle a korróziós problémákat okozó karbonsav, másrészt nem képez peroxidokat hosszú idejű tárolása folyamán. Kimutattuk, hogy mivel magas a lobbanáspontja
és
füstmentesen,
kormozás
nélkül
ég,
gyújtófolyadékként
vagy
gyújtófolyadék-adalékként kiválóan alkalmazható. Kísérleteink során, a szénhidrátok dehidratálásával előállított levulinsavat a vele egy reakcióban képződő hangyasavval sikerült hidrogénezni gamma-valerolaktonná, vagyis a megújuló levulinsavat a szintén megújuló hangyasavval redukáltuk. Az eljárás előnye, hogy nem szükséges semmilyen oldószer használata, vagyis egy egyszerű, három komponenst tartalmazó reakcióelegyben dolgozhatunk. Mivel a hangyasav átalakulása irreverzibilis ezen a hőmérsékleten, a reakció során a hidrogén-donor molekula nem alakul át olyan termékké, amelyet később el kell választani a terméktől, ugyanis a keletkező szén-dioxid eltávozik az oldatból. A reakció szelektivitása nagyon magas, csak a gamma-valerolakton képződését tudtuk
kimutatni.
A
levulinsav
gamma-valerolaktonná
mechanizmusára vonatkozóan is végeztünk kísérleteket.
86
történő
átalakulásának
Abstract
The conversion of renewable raw materials to carbon-based chemicals is a key part of sustainable development. The selective conversion of non-edible carbohydrates gives equimolar amount of levulinic acid (LA) and formic acid, which is a particulary attractive approach for biomass conversion. We have proposed that gamma-valerolactone (GVL) exhibits the most important characteristics of an ideal sustainable liquid, which can be used for the production of both energy and carbon-based products. GVL is renewable, easy and safe to store and move globally in large quantities, because it has low melting, high boiling and flash points, a definitive but acceptable smell for easy recognition of leaks and spills, and is miscible with water, assisting biodegradation. We have established that its vapor pressure is remarkably low, even at higher temperature, and GVL does not form a measurable amount of peroxides under air in 3 months, making it a safe material for large scale use. We have also shown by using
18
O-labeled water that GVL does not hydrolyze to 4-hydroxyvaleric acid
under neutral conditions. Comparing with ethanol for use as fuel-additive showed that GVL has very similar properties. Because GVL does not form an azeotrope with water the production of water-free GVL demand less energy than that of absolute ethanol. While GVL can be produced by the hydrogenation of levulinic acid, alternatively formic acid can be a convenient source of hydrogen for catalytic transfer hydrogenation of LA to GVL, because it is formed along with LA by dehydration of carbohydrates. The Shvo-catalyst, {[2,3,4,5-Ph4(η5-C4CO)]2H} Ru2(CO)4 (μ-H), has been used for the reduction of aldehydes and ketones to alcohols using H2 or formic acid under moderate conditions. We have found that LA and a small excess of formic acid can be converted to GVL in the presence of the Shvo-catalyst. In contrast to the original procedure of Shvo using HCOONa and H2O to prevent the formation of formates, we could use neat formic acid because the initial product 4-hydroxyvaleric acid undergoes dehydrative ring closure faster than formate formation. The reactions were performed at 100°C in an open vessel with yields higher than 99%.
87
Függelék
A doktori dolgozat alapjait képező publikációk és szabadalmak: I. Horváth, I.T.; Mehdi, H.; Fábos, V.; Boda, L.; Mika, L. T.; Green Chemistry, 2008, 10, 238. II. Mehdi, H.; Fábos, V.; Tuba, R.; Bodor, A.; Mika, L. T.; Horváth, I. T.; Topics in Catalysis, 2008, 48, 49. III. Fábos, V.; Koczó, G.; Mehdi, H.; Boda, L.; Horváth, I. T., Energy & Environ. Sci., 2009, 2, 767. IV. Horváth, I. T.; Fábos, V.; Mika,L. T., HU 08 00292 (2008) V. Horváth, I. T.; Mehdi, H.; Fábos, V.; Kaposy, N., HU 08 00662 (2008)
88
Irodalomjegyzék 1
Anastas, P. T.; Kirchhoff, M. M., Chem. & Eng. News, 2000, 25.
2
Clark, J., Green Chemistry, 1999, 1, 1.
3
R. Carlson, Silent Spring, Houghton Mifflin Co., New York, 1962.
4
Anastas, P. T.; Warner, J. C., Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, Oxford, UK, 1998.
5
Barta, K.; Csékei, M.; Csihony, Sz.; Mehdi, H.; Horváth, I. T.; Pusztai Z.; Vlád G., Magyar Kémikusok Lapja, 2000, 55, 173.
6
Collins, T., Science, 2001, 291, 48.
7
Evans, J., Chem. in Britain, 1999, 38.
8
Horváth, I. T.; Anastas, P. T., Chem. Rev., 2007, 107, 2174.
9
Corma, A.; Iborra, S.; Velty, A., Chem. Rev., 2007, 107, 2411.
10
Lichtenthaler, F. W., Acc. Chem. Res., 2002, 35, 728.
11
Narayanan, N.; Roychoudhury, P. K.; Srivastava, A., Electronic J. Biotechnol., 2004, 7, 167.
12
Wasewar, K. L.; Yawalkar, A. A.; Moulijn, J. A.; Pangarkar, V. G., Ind. Eng, Chem. Res., 2004, 43, 5969.
13
Cortright, R. D.; Sanchez-Castillo, M.; Dumesic, J. A., Appl. Catal. B: Environmental, 2002, 39, 353.
14
Werpy, T. A.; Frye, J. G.; Zacher, A. H.; Miller, D. J., WO 0335582, 2002.
15
Zhang, Z.; Jackson, J. E.; Miller, D. J., Appl. Catal. A, 2001, 219, 89.
16
Holmen, R. E.; Township, W.B., County, R., US 2859240, 1958.
17
Sawicki, R.A., US 4729978, 1988.
18
Paparizos, C.; Dolhyj, S.; Shaw, W. G., US 4786756, 1988.
19
Shi, H.F.; Hu, Y.C.; Wang, Y.; Huang, H., Chinese Chem. Lett., 2007, 18, 476.
20
Lipinsky, E. S.; Sinclair, R. G., Chem. Eng. Prog. 1986, 82, 26.
21
Sanz, M. T.; Murga, R.; Beltran, S.; Cabezas, J. L.; Coca, J., Ind. Eng. Chem. Res., 2002, 41, 512.
22
Dassy, S.; Wiame, H.; Thyrion, F. C., J. Chem. Technol. Biotechnol., 1994, 59, 149.
23
Buchta, K., Biotechnology, 1983, 3, 409.
24
Datta, R.; Tsai, S. P.; Bonsignore, P.; Moon, S. H.; Frank, J. R., FEMS Microbiol. Rev. 1995, 16, 221.
89
25
Nghiem, N. P.; Davison, B. H.; Suttle, B. E.; Richardson, G. R., Appl. Biochem. Biotechnol., 1997, 63-5, 565.
26
Song, H.; Lee, S. Y., Enzyme and Microbial Technology, 2006, 39, 352.
27
Felthouse, T.; Burnett, J.; Mitchell, S.; Mummey, M., Maleic Anhidride, Maleic acid and Fumaric acid. In Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4th ed.; Kroschwitz, J.; Home-Grant, M.; Eds.; John Wiley and Sons: New York, 1997, 15, 893.
28
Fumagalli, C.; Succinic acid and succinic anhydride. In Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4th ed.; Kroschwitz, J.; Home-Grant, M.; Eds.; John Wiley and Sons: New York, 1997, 22, 1074.
29
Weissermel, K.; Arpe, H. J., Industrial Organic Chemistry, Wiley-VCH: Weinheim, 2003.
30
Stodola, F. H.; Koepsell, H. J.; Sharpe, E. S., J. Am. Chem. Soc., 1952, 74, 3202.
31
Weidenhagen, R.; Lorenu, S., DE 1049800, 1959.
32
Montane, D.; Salvado, J.; Torras, C.; Farriol, X., Biomass Bioenergy, 2002, 22, 295.
33
Antal, M. J.; Leesoboom, T.; Mok, W. S.; Richards, G. N., Carbohydr. Res., 1991, 217, 71.
34
Kuster, B. F. M., Starch-Starke, 1990, 42, 314.
35
Shaw, P. E.; Tatum, J. H.; Berry, R. E., Carbohydr. Res., 1967, 5, 266.
36
Lewkowski, J., ArkiVoc, 2001, 2, 17.
37
Gandini, A.; Belgacem, M. N., Prog. Polím. Sci., 1997, 22, 1203.
38
Moreau, C.; Belgacem, M. N.; Gandini, A., Top. Catal., 2004, 27, 11.
39
Pentz, W. J., GB 2131014, 1984.
40
Moyer, W. W., US 2270328, 1942
41
Fitzpatrick, S. W., WO 8910362, 1989.
42
Fitzpatrick, S. W., WO 9640609, 1996.
43
Leonard, R. H., Ind. Eng. Chem., 1956, 48, 1331.
44
Cha, J. Y.; Hanna, M. A., Ind. Crops. Prod., 2002, 16, 109.
45
Bader, A. A.; Kontowicz, A. B.; J. Am. Chem. Soc., 1954, 76, 4465.
46
Romeo, R. E. W.; Gardlund, Z. G., US 3567686, 1971.
47
Lichtenthaler, F. W., Carbohydrates as Organis Raw Materials, VCH, Weinheim, 1991.
48
Aycock, D. F., Org. Process Res. Dev., 2007, 11, 156.
49
Mehdi, H.; Tuba, R.; Mika, L. T.; Bodor, A.; Torkos, K.; Horváth, I. T., "Renewable Resources and Renewable Energy", szerk.: Graziani, M.; Fornasiero, P.; kiadó: Taylor & Francis, (2006), Boca Raton
90
(2007),
55-60. Publisher: CRC Press LLC, Editor(s): Graziani, M.; Fornasiero, P., Boca
Raton, Fla CODEN: 69JEGW 50
Clark, D. E.; Chem. Health Saf., 2001, 12.
51
Jackson, H. L.; McCormack, W. B.; Rondestvedt, C. S.; Smetz, K. C.; Viele, I. E., J. Chem. Educ., 1970, 47, A175.
52
Bailey, J.; Blair, D.; Boada-Clista, L.; Marsick, D.; Quigley, D.; Simmons, F.; Whyte, H., Chem. Health Saf., 2004, 11(5), 14.
53
Kelly, R. J., Chem. Health & Safety, 1996, 3, 28.
54
Recognition and Handling of Peroxidizable Compounds: Data Sheet 655; National Safety Council: Chicago. I1, 1976, 1982, and 1987.
55
Messerschmidt, A., Ann., 1881, 208, 96.
56
Wolff, C., Ann., 1881, 208, 104.
57
Losanitsch, M. S., Monatsh., 1914, 35, 301.
58
Schuette, H. A.; Sah, P. P. T., J. Am. Chem. Soc., 1926, 48, 3163.
59
Sabatier, ; Mailhe, , Ann. Chim. Phys., 1909, 16, 78.
60
Schutte, H. A.; Thomas, R. W., J.Am. Chem. Soc., 1930, 52, 3010.
61
Allen, B. B.; Wyatt, B. W.; Henze, H. R., J.Am. Chem. Soc., 1939, 61, 843.
62
Folkers, K., Atkins, H., J. Am. Chem. Soc., 1932, 54, 1145.
63
Elliott, D. C.; Frye, J. G., US 5883266, 1999
64
Christian, R. V., Jr.; Brown, H. D.; Hixon, R. M., J. Am. Chem. Soc. 1947, 69, 1961.
65
Broadbent, H. S.; Campbell, G. C.; Bartley, W. C.; Johnson, J. H., J. Am. Chem. Soc., 1959, 24, 1847.
66
Broadbent, H. S.; Selin, T. G., J. Am. Chem. Soc. 1963, 28, 2343.
67
Bullock, R. M.; Schlaf; M.; Hauptman, E. M., US 6462206, 2002.
68
Joó, F.; Tóth, Z.; Beck, M. T., Inorg. Chim. Acta, 1977, 25, L61.
69
Joó, F.; Somsak, L.; Beck, M. T., J. Mol. Catal., 1984, 24, 71.
70
Osakada, K.; Ikariya, T.; Yoshikawa, S., J. Organomet. Chem., 1982, 79.
71
Manzer, L. E., US 6617464, 2003.
72
Manzer, L. E.; Hutchenson, K. W., US 6946563, 2005.
73
Bourne, R. A.; Stevens, J. G.; Ke, J.; Poliakoff, M. Chem. Commun., 2007, 4632.
74
Yan, Z.; Lin, L.; Liu, S., Energy & Fuels, 2009, 23, 3853.
75
Starodubtseva, E. V.; Turova, O. V.; Vinogradov, M. G.; Gorshkova, L. S.; Ferapontov, V. A., Russ. Chem. Bull., 2005, 54, 2374.
91
76
Joó, F., Aqueus Organometallic Catalysis, Kluwer Academic Publishers, 2001, 102.
77
Ikariya, T.; Blacker, A., J. Acc. Chem. Res., 2007, 40, 1300.
78
Gladiali, S.; Alberico, E., Chem. Soc. Rev., 2006, 35, 226.
79
Verley, A., Bull. Soc. Chim. Fr., 1925, 37, 537.
80
Meerwein, H.; Schmid, R., Liebigs Ann. Chem., 1925, 444, 221.
81
Ponndorf, W., Angew. Chem., 1926, 39, 138.
82
Lund, H., Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1937, 70, 1520.
83
Oppenauer, R. V., Recl. Trav. Chim. Pays-Bas., 1937, 56, 137.
84
Djerassi, C., Org. React., 1951, 6, 207.
85
Cullis, C. F.; Fish, A., In The Chemistry of the Carbonyl Group; Patai, S., Ed.; Wiley: London, 1966; Vol. 1, Chapter 2.
86
Doering, W. E.; Young, R. W., J. Am. Chem. Soc., 1950, 72, 631.
87
Chuah, G. K.; Jaenicke, S.; Zhu, Y. Z.; Liu, S. H., Curr. Org. Chem., 2006, 10, 1639.
88
Namy, J. L.; Souppe, J.; Collin, J.; Kagan, H. B., J. Org. Chem., 1984, 49, 2045.
89
Woodward, R. B.; Wendler, W. L.; Brutschy, F. J., J. Am. Chem. Soc., 1945, 67, 1425.
90
Koenig,, J. J.; De Rostolan, J.; Bourbier, J. C.; Jarreau, J. X., Tetrahedron Lett., 1978, 2779.
91
Seebach, D.;Weidmann, B.; Widler, L., In Modern Synthetic Methods; Scheffold, R., Ed.; Bern: New York, 1983, Vol. 3, p 217.
92
Horner, L.; Kaps, U. B., Liebigs Ann. Chem., 1980, 192.
93
Vinzi, F.; Zassinovich, G.; Mestroni, G., J. Mol. Catal., 1983, 18, 359.
94
Henbest, H. B., Proc. Chem. Soc., 1964, 361.
95
Trocha, J.; Henbest, H. B., Chem. Commun., 1967, 545.
96
Sasson, Y.; Blum, J., Tetrahedron Lett., 1971, 2167.
97
Sasson, Y.; Blum, J., J. Org. Chem., 1975, 40, 1887.
98
Chowdhury, R. L.; Bäckwall, J. E., Chem. Commun., 1991, 1063.
99
Bäckwall, J. E., J. Organomet. Chem., 2002, 652, 105.
100
Gladiali, S.; Chelucci, G.; Chessa, G.; Delogu, G.; Soccolini, F., J. Organomet. Chem.,
1987, 327, C15. 101
Uson, R.; Oro, L. A.; Sariego, R.; Esteruelas, M. A., J. Organomet. Chem., 1981, 214,
399. 102
Descotes, G.; Sinou, D., Tetrahedron Lett., 1976, 17, 4083.
103
Ohkubo, K.; Hirata, K.; Yoshinaga, K.; Okada, M., Chem. Lett., 1976, 183.
92
104
Müller, D.; Umbricht, G.; Weber, B.; Pfaltz, A., Helv. Chim. Acta, 1991, 74, 232.
105
Genet, J. P.; Ratovelomananavidal, V.; Pinel, C., Synlett, 1993, 478.
106
Gamez, P.; Fache, F.; Lemaire, M., Tetrahedron: Asymmetry, 1995, 6, 705.
107
Evans, D. A.; Nelson, S. G.; Gagne, M. R.; Muci, A. R., J. Am. Chem. Soc., 1993, 115,
9800. 108
Hashiguchi, S.; Fujii, A.; Takehara, J.; Ikariya, T.; Noyori, R., J. Am. Chem. Soc., 1995,
117, 7562. 109
Takehara, J.; Hashiguchi, S.; Fujii, A.; Inoue, S.; Ikariya, T.; Noyori, R., J. Chem. Soc.,
Chem. Commun., 1996, 233. 110
Gao, J. X.; Ikariya, T.; Noyori, R., Organometallics, 1996, 15, 1087.
111
Fujii, A.; Hashiguchi, S.; Uematsu, N.; Ikariya, T.; Noyori, R., J. Am. Chem. Soc., 1996,
118, 2521. 112
Hashiguchi, S.; Fujii, A.; Haack, K. J.; Matsumura, K.; Ikariya, T.; Noyori, R., Angew.
Chem., Int. Ed. Engl., 1997, 36, 288. 113
Matsumura, K.; Hashiguchi, S.; Ikariya, T.; Noyori, R., J. Am. Chem. Soc., 1997, 119,
8738. 114
Püntener, K.; Schwink, L.; Knochel, P., Tetrahedron Lett., 1996, 37, 8165.
115
Petra, D. G. I.; Kamer, P. C. J.; van Leeuwen, P. W. N. M.; Goubitz, K.; van Loon, A.
M.; de Vries, J. G., Eur. J. Inorg. Chem., 1999, 2335. 116
Alonso, D. A.; Nordin, S. J. M.; Roth, P.; Tarnai, T.; Andersson, P. G.; Thommen, M.;
Pittelkow, U., J. Org. Chem., 2000, 65, 3116. 117
Everaere, K.; Mortreux, A.; Bulliard, M.; Brussee, J.; van der Gen, A.; Nowogrocki, G.;
Carpentier, J. F., Eur. J. Org. Chem, 2001, 275. 118
Palmer, M. J.; Kenny, J. A.; Walsgrove, T.; Kawamoto, A. M.; Wills, M., J. Chem. Soc.
Perkin Trans. 1., 2002, 416. 119
Jiang, Y. T.; Jian, Q. Z.; Zhang, X. M., J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 3817.
120
Brunner, H.; Henning, F.; Weber, M., Tetrahedron: Asymmetry, 2002, 13, 37.
121
Mizushima, E., Yamaguchi, M.;Yamagishi, T., Chem. Lett., 1997, 237.
122
Aranyos, A.; Csjernyik, G.; Szabó, K. J.; Bäckwall, J. E., Chem. Commun., 1999, 351.
123
Geldbach, T. J.; Pregosin, P. S., Helv. Chim. Acta, 2002, 85, 3937.
124
Yi, C. S.; He, Z.; Guzei, I. A., Organometallics, 2001, 20, 3641.
125
Drouin, S. D.; Amoroso, D.; Yap, G. P. A.; Fogg, D. E., Organometallics, 2002, 21,
1042.
93
126 127
Noyori, R.; Yamakawa, M.; Hashiguchi, S., J. Org. Chem., 2001, 66, 7931. Bianchini, C.; Farnetti, E.; Graziani, M.; Peruzzinin, M.; Polo, A., Organometallics,
1993, 12, 3753. 128
Shvo, Y.; Czarkie, D.; Rahamim, Y., J. Am. Chem. Soc., 1986, 108, 7400.
129
Hayes, A. M.; Morris, D. J.; Clarkson, G. J.; Wills, M.; J. Am. Chem. Soc., 2005, 127,
7318. 130
Cheung, F. K.; Hayes, A. M.; Hannedouche, J.; Yim, A. S. Y.; Wills, M., J. Org. Chem.,
2005, 70, 3188. 131
Matharu, D. S.; Morris, D. J.; Kawamoto, A. M.; Clarkson, G. J.; Wills, M., Org. Lett.,
2005, 7, 5489. 132
Matharu, D. S.; Morris, D. J.; Clarkson, G. J.; Wills, M., Chem. Commun., 2006, 3232.
133
Zweifel, T.; Naubron, J. V.; Buttner, T.; Ott, T.; Grützmacher, H., Angew. Chem., 2007,
120, 3289.; Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 3245. 134
Noyori, R.; Umeda, I.; Ishigami, T., J. Org. Chem., 1972, 37, 1542.
135
Radhi, M. A.; Marko, L., J. Organomet. Chem., 1984, 262, 359.
136
Jothimony, K.; Vancheesan, S.; Kuriacose, J. C., J. Mol. Catal., 1985, 32, 11.
137
Enthaler, S.; Hagemann, B.; Erre, G.; Junge, K.; Beller, M., Chem. Asian J., 2006, 1, 598.
138
Enthaler, S.; Erre, G.; Tse, M. K.; Junge, K.; Beller, M., Tetrahedron Lett., 2006, 47,
8095. 139
Casey, C. P.; Guan, H. R., J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 5816.
140
Bubert, C.; Blacker, S. M.; Brown, J.; Crosby, J.; Fitzjohn, S.; Muxworhty, J. P.; Thorpe,
T.; Williams, J. M. J., Tetrahedron Lett., 2001, 42, 4037. 141
Ma, Y. P.; Liu, H.; Chen, L.; Cui, X.; Zhu, J.; Dend, J. E., Org. Lett., 2003, 5, 2103.
142
Bar, R.; Sasson, Y.; Blum, J., J. Mol. Catal., 1984, 26, 327.
143
Ogo, S.; Makihara, N.; Watanabe, Y., Organometallics, 1999, 18, 5470.
144
Noyori, R.; Hashiguchi, S., Acc. Chem. Res., 1997, 30, 97.
145
Haack, K. J.; Hashiguchi, S.; Fujii; A.; Ikariya, T.; Noyori, R., Angew. Chem. Int. Ed.
Engl., 1997, 36, 285. 146
Wu, X. F.;Li, X. G.; Hems, W.; King, F.; Xiao, J. L., Org. Biomol. Chem., 2004, 2, 1818.
147
Arakawa, Y.; Haraguchi, N.; Itsuno, S., Tetrahedron Lett., 2006, 47, 3239.
148
Canivet, J.; Suss-Fink, G., Green Chem., 2007, 9, 391.
149
Xu, Z.; Mao, J. C.; Zhang, Y. W.; Guo, J.; Zhu, J. L., Catal. Commun., 2008, 9, 618.
150
Comyns, C.; Karodia, N.; Zeler, S.;Andersen, J.: Catal. Lett., 2000, 67, 113.
94
151
Geldbach, T.J.; Dyson, P.J., J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 8114.
152
Kawasaki, I.; Tsunoda, K.; Tsuji, T.; Yamaguchi, T.; Shibuta H.; Uchida, N.; Yamashita,
M.;Ohta, S., Chem. Commun., 2004, 2134. 153
Joeger, J-M.; Paris, J-M.; Vaultier, M., Arkivoc, 2006, 4, 152.
154
Toma, Š.; Huťka, M.; Monatsh. Chem., 2008, 139, 793.
155
Huťka, M.; Toma, Š., Monats. Chem., Monatsh. Chem., 2009 in press.
156
Ito, M.; Hirakawa, M.; Murata, K.; Ikariya, T., Organometallics, 2001, 20, 379.
157
Wang, C.; Wu, X.; Xiao, J., Chem. Asian J., 2008, 3, 1750.
158
Ohta, T.; Takaya, H.; Kitamura, M.; Nagai, K.; Noyori, R., J. Org. Chem., 1987, 52,
3174. 159
Brown, J. M.; Brunner, H.; Leitner, W.; Rose, M., Tetrahedron: Asymmetry, 1991, 2,
331. 160
Saburi, M.; Ohnuki, M.; Ogasawara, M.; Takahashi, T.; Uchida, Y., Tetrahedron Lett.,
1992, 33, 5783. 161
Tanaka, K.; Katsurada, M.; Ohno, F.; Shiga, Y.; Oda, M.; Miyagi, M.; Takehara, J.;
Okano, K., J. Org. Chem., 2000, 65, 432. 162
Miyagi, M.; Takehara, J.; Collet, S.; Okano, K., Org. Proc. Res. Dev., 2000, 4, 346.
163
Hodges, G. R.; Martin, J.; Hamil, N. A.; Houson, I. N., WO 067395A3, NPIL Pharma
(UK) Ltd, 2006. 164
Blacker, A. J.; Martin, J., WO 110976A3, NPIL Pharma (UK) Ltd, 2004.
165
Fieldhouse, R., WorldPatent WO 058804A1, NPIL Pharma (UK) Ltd, 2005.
166
Mays, J. M.; Morris, J. M; Raithby, R. P, Shvo, Y.; Czarkie, D., Organometallics, 1989,
8, 1162. 167
Blum, Y.; Czarkie, D.; Rahamim, Y.; Shvo, Y., Organometallics, 1985, 4, 1459.
168
Shvo, Y.; Czarkie, D. J. Organomet. Chem., 1986, 315, C25.
169
Shvo, Y.; Abed, M.; Blum, Y.; Laine, R. M., Isr. J. Chem., 1986, 27, 267.
170
Shvo, Y.; Czarkie, D., J. Organomet. Chem., 1989, 368, 357.
171
Menashe, N.; Shvo, Y., Organometallics, 1991, 10, 3885.
172
Menashe, N.; Salant, E.; Shvo, Y., J. of Organomet. Chem., 1996, 514, 97.
173
Casey, C. P.; Singer, S. W.; Powell, D. R., Can. J. Chem., 2001, 79, 1002.
174
Casey, C. P.; Singer, S. W.; Powell, D. R.; Hayashi, R. K.; Kavana, M., J. Am. Chem.
Soc., 2001, 123, 1090. 175
Johnson, J. B.; Bäckwall, J. E., J. Org. Chem., 2003, 68, 7681
95
176
Comas-Vives, A.; Ijaque, G.; Lledós, A., Organometallics, 2007, 26, 4135.
177
Casey, C. P.; Johnson, J. B.; Singer, S. W.; Cui, Q., J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 3100.
178
Casey, C. P.; Beetner, S. E.; Johnson, J. B., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 2285.
179
Shvo, Y.; Goldberge, I.; Czarkie, D.; Reshef, D.; Stein, Z., Organometallics 1997, 16,
133. 180
Leijondahl, K.; Fransson, A.-B. L.; Bäckwall, J.-E., J. Org. Chem., 2006, 71, 8622.
181
Horváth, I. T.; Mehdi, H.; Fábos, V.; Boda, L.; Mika, L. T., Green Chem., 2008, 10, 238.
182
Kriihenbiihl, M. K.; Gmehling, J., J. Chem. Eng. Data, 1994, 39, 759.
183
Nasirzadeh, K.; Zimin, D.; Neueder, R.; Kunz, W., J. Chem. Eng. Data, 2004, 49, 607.
184
Fábos, V.; Koczó, G.; Mehdi, H.; Boda, L.; Horváth, I. T., Energy & Environ. Sci., 2009,
2, 767. 185
Cubbon, R. C. P.; Hewlett, C., J. Chem. Soc. C, 1968, 2986.
186
Paul, S. F., US 5 697 987, 1996.
187
DOE, Alternative Fuel Transportation Program; P-series fuels (Proposed Rules), Fed.
Reg., 1998, 63, 40202. 188
ASTM_D_3703_99.
189
Johansson, H.; Sebelius, H., Ber., 1918, 51, 480.
190
Olson, A. R.; Miller, R. J., J. Am. Chem. Soc., 1938, 60, 2687.
191
Olson, A. R.; Hyde, J. L., J. Am. Chem. Soc., 1941, 63, 2459.
192
Stephanos, P. P., US 6,843,812 B2, 2005
193
Decker, D. M.; Hendrickson, C. M., US 0115145 A1, 2005
194
Horváth, I. T.; Fábos, V.; Mika, L. T., HU 08 00292 (2008)
195
Wise, J. Nicola; Williams, M. J. J., Tetrahedron Letters, 2007, 48, 3639.
196
Maytum, H. C.; Tavassoli, B.; Williams, M. J. J., Organic Letters, 2007, 9, 4387.
197
Deng, L.; Li, J.; Lai, D-M.; Fu, Y.; Guo, Q-X., Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 6529.
198
S. Ogo, T. Abura, Y. Watanabe, Organometallics, 2002, 21, 2964.
199
Mehdi, H.; Fábos, V.;Tuba, R.; Bodor, A.; Mika, L. T.; Horváth, I. T., Top.Catal., 2008,
48, 49. 200
Horváth, I. T.; Mehdi, H.; Fábos, V.; Kaposy, N., HU 08 00662 (2008)
201
Jung, H. M.; Choi, J. H.; Lee, S. O.; Kim, Y. H.; Park, J. H.; Park, J., Organometallics,
2002, 21, 5674.
96
