Homogén katalitikus reakciók jellegzetes lépései és mechanizmusai. Példák ipari homogén katalitikus eljárásokra
A katalízis lényege, hogy a katalizátor kölcsönhatásba lép az egyik vagy mindkét reakciópartnerrel és megváltoztatja azok reaktivitását (aktiválás). Fontos lehet, hogy térben megfelelően orientálja a reaktánsokat egymáshoz. A reakció lejátszódása után a változatlan katalizátor és a termék különválnak, a katalizátor egy új katalitikus ciklusban vesz részt. A katalitikus ciklus: Olyan körfolyamat, mely számos elemi lépésen keresztül vezet a kiindulási anyag (szubsztrátum) termékké alakulásához és a katalitikusan aktív részecskeféleség újólagos kialakulásához. Katalitikusan aktív részecskeféleség: Az a részecske, amely a szubsztrátummal reagál, s amely a katalitikus ciklus záró lépésében ismét kialakul. Nem szükségszerűen azonos azzal az anyagféleséggel, melyet a reakcióelegybe adagolunk (bemérünk). Így pl. az un. Wilkinson-féle komplex összetétele [RhCl(PPh3)3] (PPh3 = trifenilfoszfin), alkének hidrogénezésében azonban a [RhCl(PPh3)2] a katalitikusan aktív részecske. Azt az anyagféleséget, melyből a katalitikusan aktív részecske kialakul, a katalizátor prekurzorának nevezik.
A ligandumok egy részének azon elektronpályái, melyek a fémion pályáival átfedésbe kerülhetnek mind betöltöttek ezért csak σ–kötések jönnek létre (H2O, NH3). Más esetekben a ligandumokon van olyan üres d-pálya, melyre a fémion felől viszontkoordináció történhet. Az ilyen kötéseknek σ- és π-komponense egyaránt van. Az ilyen kötésviszonyok különösen fontosak akkor, ha a fémion oxidációs állapota a katalitikus ciklus során változik (oxidatív addíció – reduktív elimináció) mert ezáltal a ligandumok stabilizálni képesek a fémion elektronban szegényebb és dúsabb állapotát egyaránt. Ebbe a csoportba tartoznak az olefinek, a szén-monoxid, és a különféle PR3 foszfin ligandumok. Egyes esetekben (pl. molekuláris hidrogént tartalmazó komplexek) a kötés kialakulását túlnyomó részben a viszontkoordináció teszi lehetővé.
A 18 elektron szabály Legstabilisabbak azok a fémkomplexek, melyek külsõ orbitáljain 18 elektron van. Fémion orbitálok: s, px, py, pz + d pályák = 9 pálya A ligandumok besorolása a kötéshez adott elektronok száma szerint (Schwartz, Labinger): Halogenid Alkill
R:
2 elektron 2 "
Hidrid
H:
2
"
R3P: :CO CH CH2 CH2
2 2
" "
4
"
6
"
Foszfán Karbonil Allil
X:
Cp Benzol
-
6
"
Számos kivétel van, olyan stabilis komplexek, melyben az elektronok száma 18-nál kisebb: IrICl(CO)(PPh3)2
16 elektron
(Vaska-féle komplex)
RhICl(PPh3)3
16 elektron
(Wilkinson-féle komplex)
[CoII(CN)5]3-
17 elektron (!)
A koordinációs szféra változása a katalízis során, a 16/18 elektron szabály Cr(CO)6 18 e
-CO lassú
Cr(CO)5
PPh3
16 e
Cr(CO)4(PPh3)
Cr(CO)5(PPh3) 18 e
PPh3
16 e
Cr(CO)4(PPh3)2 18 e
a./ PPh3 nem gyorsítja a reakciót b./ UV besugárzással a reakció gyorsítható
-CO
A katalitikus ciklus lépései során a fémion oxidációs száma 16 és 18 között váltakozik. A példaként bemutatott reakció első lépése egy CO ligandum eltávozása, amit uv-besugárzás elősegít. Minthogy ez a teljes folyamat sebességmeghatározó lépése, a PPh3 koncentráció növelése nem növeli a bruttó reakció sebességét.
A ligandumok jellemzése
Tolman-féle paraméterek PR1R2R3 elektronikus (
sztérikus (kúpszög;
Ni(CO)4 + L
Ni(CO)3L
nCO(A1) = 2056,1 +
i;
i=1-3 (cm-1)
/deg ) R2
Ri t
Bu i Pr Bu Et Me Ph OMe CF3 PH3 o-tolil F
-1
cm 0 1,0 1,4 1,8 2,6 4,3 7,7 19,6 8,3
18,2
/deg 182 160 132 118 145 107 87 194 104
Proton bázicitás [Ni(PR3)4] komplexek disszociációja
R3
R1 P
2,28 Å M
Tolman javaslatára a tercier foszfán ligandumokat egy elektronikus és egy sztérikus paraméterrel jellemezzük. A két paraméter együttesen jelzi a fémkomplexek várható stabilitását. Az elektronikus paraméter korrelál a ligandumok proton bázicitásával, a sztérikus paraméter pedig az [Ni(PR3)4] komplexek disszociációs hajlamával. Bár a paraméterek szigorúan csak egyetlen ligandumtipusnak (a foszfánoknak) egyetlen geometriájú (síknégyzetes) komplexképzésében értelmezhetők, más esetekben is hasznosnak bizonyultak a komplexképződés ill. komplex stabilitás értelmezésére
Tercier foszfán ligandumok Tolman-féle sztérikus paraméterei (kúpszögei).
X
X P
X
θ
2.28 Å
M H
H
H
P
CH 3
H3C P
OCH 3
H 3 CO
CH 3
OCH 3
P
Pd
Pd
Pd
87º
118º
107º
Et
Et
Et
P
OEt
EtO P
Pd
Pd
132º
109º
Oi-Pr
i-PrO P
Oi-Pr
t-Bu
t-Bu
OEt
P
t-Bu
Pd 118º
OC 6 H 4 Cl
ClC 6 H 4 O P
OC 6 H 4 Cl
Oo-Tol
o-TolO P
Pd
Pd
Pd
130º
132º
141º
Oo-Tol
Dihidrogén-komplexek Felfedezés: G. Kubas, 1984
M = Cr0, Mo0, W0, all d6
[M(CO)3(cikloheptatrién)]
PR3 = PiPr3, PCy3
PR3/H2 [M(CO)3(PR3)2] + H2
[M(
2
-H2)(CO)3(PR3)2]
P CO OC
W
H
H M H
OC
P
H
A molekuláris hidrogén komplexei (dihidrogén-komplexek) stabilitása javarészt a viszontkoordinációnak köszönhető, amit elősegít, ha a fémionhoz nagy bázicitású ligandumok (triizopropilfoszfán, triciklohexilfoszfán) koordinálódnak. Szokás ezeket a komplexeket nemklasszikus hidrideknek is nevezni, utalva arra, hogy az un. klasszikus hidridekben M-H kötések vannak. A két típust 1H NMR sajátságaik alapján lehet megkülönböztetni.
A klasszikus hidrido-komplexek rendszerint a H2 oxidatív addíciójával képződnek. A dihidrogén-komplexek fontos szerepet játszanak a reakciómechanizmusokban olyankor, amikor a fémion oxidációs állapotának megváltozása, azaz az oxidatív addíció – reduktív elimináció nem lehetséges (pl. Ru(II)/Ru(IV), Ni(II)/Ni(IV) vizes oldatokban, stb.). Ilyenkor a [M-(H2)] protondisszociációja vezet a katalízisben szerepet játszó hidrido-komplex kialakulásához: [M-(H2)] = [M-H]- + H+.
A homogén katalízis elemi lépései Oxidatív addíció:
Reduktív elimináció: [RhIIICl(H)(H)(PPh3)3)] = [RhICl(PPh3)3] + H2
Az oxidatív addíció és a reduktív elimináció a komplexkatalizált folyamatok gyakori lépései. Ezek során a katalizátor központi fémionjának oxidációs száma +2 ill. -2 egységgel változik.
A homogén katalízis elemi lépései disszociatív
- Szabad koordinációs hely kialakítása
asszociatív
- Beékelõdés és ligandum-vándorlás +
Me
Me
P
P
Pt P*
Pt C
P*
C
O
Me
O
+ C=O
P Pt P*
S
- -elimináció L -L
M
H
H M
CH2
CH2 - CH2 CH2
+
A szubsztrátum koordinálódása megváltoztatja annak elektroneloszlását: a fémion irányába történő elektronátadás révén a szubsztrátum egyes atomjai parciális pozitív töltésre tesznek szert. Ez elősegíti a nukleofil támadással végbemenő reakciókat.
Alkén hidrogénezés a Wilkinson-féle katalizátorral Wilkinson & Osborn, Coffey, 1965
A Wilkinson-féle komplex az alkének hidrogénezésének kiváló katalizátora. A kevésbé szubsztituált kettős kötéseket gyorsabban hidrogénezi, mint a nagyobb mértékben szubsztituáltakat, így a terminális alkének gyorsabban reagálnak, mint az internálisak. A mechanizmus lépései: 1. A katalitikusan aktív részecske kialakulása PPh3 disszociációval (feleslegben adott PPh3 a reakciósebességet csökkenti) 2. A H2 oxidatív addíciója 3. A szubsztrátum (alkén) koordinálódása 4. Belső átrendeződés alkilkomplexszé 5. A termék (alkán) dekoordinálódása. Ezzel zárul a katalitikus ciklus.
A hidrogénezés olyan reakciómechanizmusát, melyben a H2 aktiválás megelőzi a szubsztrátum koordinálódását hidrides mechanizmusnak (hidrid útnak) nevezzük. Ellenkező esetben a reakció az un. telítetlen úton játszódik le.
A Wilkinson-féle katalizátorral végzett hidrogénezésekben számos olyan anyagfajtát is kimutattak, melyek rendszerint nem befolyásolják a reakció sebességét, de bizonyos körülmények (pl. nagy katalizátor koncentráció) esetén fontosakká válnak. H Ph3P
Rh
PPh3
Ph3P
C=C
Cl
PPh3
Cl
C=C
Rh
-PPh3 (k1)
PPh3
H2 (k2) Ph P 3
PPh3
-H2 (k-2)
H Rh PPh3
-PPh3 (k3)
PPh3 (k-1)
PPh3
PPh3 (k-3)
Rh
Cl
Rh
Ph3P
PPh3
Cl
Ph3P
PPh3
S
H2 (k4) Ph P 3
PPh3
-H2 (k-4)
Rh
Cl
H C=C (k7)
H Ph3P
C=C K5
PPh3
Cl
Ph3P
H Rh PPh3
Cl
(k-7)
H Rh PPh3
Cl S
(k6)
r.d.s
H2 C H Ph3P Ph3P
Rh
Cl Cl
PPh3 H Rh H PPh3
C H H Ph3P
C Rh
PPh3
Cl PPh3
H
C H
-PPh3 PPh3
Ph3P
C
C
Rh
H
PPh3
Cl S
A reakciósebességi egyenlet ciklohexén hidrogénezésre:
[Rh ] tot [PPh 3 ] [PPh 3 ] 1 = + + v k 6 K 5 k 6 [ciklohexén] K1k 4 [H 2 ]
Látens anyagfajták
Alkének katalitikus hidrogénezésének energiaprofilja (Morokuma, 1988) H PH3
PH3 Rh H
H3P
H
PH3 Rh H3P
H
H
Cl
Rh H3P
TS4
Cl
1
H H H3P
1+H2+C2H4
PH3
0
Rh Cl H
2
H H3P
Cl 10
PH3 Rh Cl TS1
3
H
PH3 Rh
Rh
H H3P
Cl
H3P
H
4
PH3
Cl
H H3P
H H H
H H3P
Cl H H
Cl H
PH3
Rh TS2
Rh
5
PH3
H3P
7
4
Rh
9
-58.1
-84.0
PH3 H3P
3 2
Cl
H
TS3
6
PH3
PH3 Rh
H H
Cl
H3P 8
PH3 Rh
H3P
Cl H
H3P
PH3 Rh Cl
Rh Cl H
5
TS4
-145.5
TS3
TS2 8 -187.3
9
1+C2H6
10
-187.7 -197.7
-183.5
6
H 7
TS1
A molekulaorbitál (MO) elmélet alapján számított energiák a katalitikus ciklus egyes lépéseire és az átmeneti állapotokra (TS). A végállapot energiája -183,5 kJ/mol a kiindulási állapothoz képest. (A gyakorlatban használt foszfán ligandumokat egyszerűsítés céljából PH3 ligandummal helyettesítették. Figyelemre méltó, hogy az elemi lépések száma igen nagy, szemben az egyszerűsített reakciómechanizmusokkal. 14
Kationos Rh(I)- és Ir(I)-komplexek szerepe a hidrogénezésben (Schrock, Osborne)
L L
+
Rh
H
H2
L
S Rh
S = aceton, EtOH, MeCN
H
S
+ H2COD v. H2NBD
L
= COD L = PR3, R2P
NBD PR2
[Ir(COD)(PR3)2]+ + H2
-80ºC/CD2Cl2
[IrH2(COD)(PR3)2]+
A dién ligandum (COD, NBD) meghidrogéneződik és eltávozik a koordinációs szférából. Helyére az oldószer molekulái (S) koordinálódnak. A katalitikus ciklusban ezeket könnyen helyettesíti a szubsztrátum és a hidrogén.
20ºC aceton
[IrH2(aceton)(PR3)2]+
A bemutatott kationos Rh(I)- és Ir(I)-komplexek –királis ligandumokkal- gyakran szerepelnek enantioszelektív hidrogénezések katalizátoraként. Jellegzetes különbség ugyanezen fémionok semleges komplexeihez (pl. [RhCl(PR3)3]) képest, hogy a hidrogénezés az un. telítetlen úton játszódik le, azaz a szubsztrátum koordinálódása megelőzi a H2 koordinálódását(oxidatív addícióját).
Aszimmetrikus hidrogénezés I.
Az olyan molekulákat, melynek reakciójával (pl. hidrogénezésével) királis termékekhez jutunk prokirálisnak nevezzük. Ilyenek a megfelelően szubsztituált alkének, iminek, aszimmetrikus ketonok, stb. A termék kiralitását az dönti el, hogy a szubsztrátum melyik oldalával (re vagy si) koordinálódik a királis katalizátor fémionjához és hogy milyen módon történik a hidrogén átadása a hidrido-alkén köztitermék átrendeződése során.
Aszimmetrikus hidrogénezés II. Az enantioszelektív homogén katalitikus hidrogénezés leggyakrabban vizsgált reakciója
A homogén katalitikus enantioszelektív hidrogénezések vizsgálatában leggyakrabban N-acetildehidroaminosavakat (α-acetamidofahéjsav, α-acetamidoakrilsav, ill. észtereik, stb.) használnak szubsztrátumként. Ennek oka, hogy a C=C kötés koordinációja mellett fontos szerepet játszik az enantioszelektivitás kialakulásában a N és az észter O koordinálódása is. A királis katalizátor által létrehozott királis indukció mértékét az enantiomer-felesleggel (enantiomer excess, ee) jellemezzük:
17
Figyelemre méltó az α-acetamidofahéjsav igen stabilis koordinálódása, amiben a –C=C- kötés mellett szerepet játszanak a molekulában lévő O és N donor atomok.
Halpern: Z-α- acetamido-fahéjsav-metilészter és [Rh(R,R-DIPAMP)]+
k
k1''
' 1
k ''-1
k '-1
I' ≈ 10, i.e K' ≈ 10K'' I''
'' ' Azonban: k 2 ≈ 600k 2
r =k' I' és r =k'' I'' R 2 S r S = S ≈ 60; ⇒ 100 S - R = 96% e.e. r R S + R R
k '2
k1' ' =K k '-1
k ''2
I K' = '' I K'' '
'' 1 '' -1
k =K '' k
Ez az az érdekes eset, amikor a kisebb stabilitású, tehát kisebb koncentrációban jelen lévő köztitermék reaktivitása nagyobb, mint stabilisabb párjáé. Természetesen nem minden reakció esetén ez a helyzet.
A homogén katalízis néhány ipari alkalmazása
L-Dopa szintézis (Monsanto)
Hatásos királis ligandumok
Az enantioszelektív homogén katalízis első ipari alkalmazása.
(R)-(-)-Metil-3-hidroxibutanoát szintézise A: 1/2 [RuCl2(benzol)]2
+
(R)-BINAP-Ru(II)
BINAP
B: O
OH
O
O
H2; (R)-BINAP- Ru(II) OCH3
OCH3
hozam: 92 -96 % e. e.: 97 -98 %
BINAP:
PPh2 PPh2
Noyori et al: Org. Synth., Vol. 71, p. 1 , Wiley, 1993
A Ru(II)-BINAP komplex ketonok enantioszelektív hidrogénezésének kiváló katalizátora.
A Naproxen egyike a fontos,2-arilpropionsav-tipusú gyulladásgátló szereknek.
S-Ibuprofen szintézise
O
HO
CO2H
CH3
CH3
Pd/C
CH2
-H2O
CO2H
H2
CH3 CO2H
H2
CH3 CO2H
Ibuprofen
S-Ibuprofen
(racém elegy)
96 % e.e.
Az Ibuprofen is fontos 2-arilpropionsav-tipusú gyulladásgátló szer. A reakciólépések ugyanazok, mint a Naproxén előállításánál.
Hidroformilezés (oxo-szintézis)
Oxo-szintézis: olefinekből szénmonoxiddal és hidrogénnel aldehidek, alkoholok, aminok, előállítása. Katalizátorok: - kobalt karbonil (150oC, 250 bar szintézisgáz); - Foszfánokkal módosított Co-katalizátor; - Vízoldható ródiumkomplex szulfonált trifenilfoszfán ligandummal : [Rh(OAc)3] + mtppts (100oC, 15 bar).
A homogén katalízisben (ezen belül a hidroformilezésben) gyakran alkalmazott foszfán- és foszfit-tipusú ligandumok
Hidroformilezés A hidroformilezés körülményei között sokféle reakció lejátszódhat. Vízben oldott [RhCl(mtppts)3] katalizátorral (mtppts = triszulfonált trifenilfoszfán) a C4 termékek aránya nagyobb, mint 99%, ezen belül a C4 aldehideké 99%, ezen belül a nbutanál arány nagyobb, mint 95%! A lehetséges reakciók nagy számát tekintve ez a homogén katalízis valóságos csodája!
Alkének hidroformilezésének egyszerűsített mechanizmusa (Heck és Breslow) A katalizátor prekurzorból ligandum (foszfán) disszociációval alakul ki a koordinatíven telítetlen, katalitikusan aktív részecske (I). Az alkén koordinálódása révén létrejön az alkén-komplex (II), ami belső átrendeződés (hidrid-vándorlás) útján alkil-komplexszé (III) alakul. Az így üresen maradó koordinációs helyre egy CO ligandum (reaktáns) lép be, majd (IV) alkil-vándorlás útján acilkomplexet (V) ad. Az acil-komplex és H2 reakciója egy dihidridoacilkomplexet (VI) eredményez, melyből reduktív eliminációval távozik a termék aldehid és visszakapjuk a katalitikusan aktív részecskét (I).
Etilén és propilén Ziegler-Natta féle polimerizációja. Katalizátor: TiCl4 és alumíniumalkil elegye (70oC, 5 bar).
Metanol karbonilezése ecetsavvá. Katalizátorok: [Rh(CO)2Cl]2 + CH3I, ill. a Cativa eljárásban analóg Ir komplex (175oC, 15 bar).
Nagy volumenű ipari eljárás az etilén oligomerizációja C6-C20 α-olefinekké (SHOP eljárás). Katalizátor: Ni-alkilfoszfán komplexek (80-130 oC,100 bar C2H4 nyomás).
Wacker-szintézis
Wacker szintézis: etilénből acetaldehid, katalizátor: PdCl2 + CuCl2 (110oC, 5 bar).
Aszimmetrikus mentol szintézis
Az eljárás kulcslépése a nerilamin enantioszelektív katalitikus izomerizálása a megfelelő enaminná.
Metolachlor előállítása enantioszelektív hidrogénezéssel (Novartis)
CH 3O
O
CH 3
N
CH3O CH 2
CH3
Cl
vagy
CH 3
H2 CH 3O CH 3
O
H N
CH 3
CH 2
CH 2
Cl
Cl
CH3
aktív enantiomerek
,
PR2 Fe
PR2
O
H N
CH3
Metolachlor
CH3
CH3
királis Ir komplex
CH 3
aR, 1,S
N
CH 3
CH3O CH 2
O
CH2
Cl
CH 3
, R = fenil, R = 3,5-xilil Ir komplex királis liganduma
aS, 1,S
A Metolachlor széles körben alkalmazott növényvédőszer.
Összefoglalás Ebben az összeállításban az átmenetifémek komplexeivel katalizált, szintetikus szempontból fontos reakciók mechanizmusát tárgyaltuk. A homogén katalízis más nagy területei (sav-bázis katalízis, enzimkatalízis) a tárgy más részeiben kerülnek ismertetésre. A legfontosabb tanulság az, hogy gazdaságos és környezetbarát katalitikus szintézisek tervezéséhez fel kell derítenünk a katalizált folyamat reakciómechanizmusát. Csakis ennek ismeretében válik lehetővé a ligandumok és katalizátor molekula racionális tervezése a megvalósítani kívánt reakcióhoz.
