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Dokumentenidentifikation DE102004033601A1 16.02.2006
Titel Verfahren zur Durchführung Metall-katalysierter Reaktionen, insbesondere Palladium-katalysierter Reaktionen
Anmelder Friedrich-Schiller-Universität Jena, 07743 Jena, DE
Erfinder Nüchter, Matthias, Dr.rer.nat., 04317 Leipzig, DE;
Ondruschka, Bernd, Prof. Dr.rer.nat., 04109 Leipzig, DE
DE-Anmeldedatum 08.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004033601
Offenlegungstag 16.02.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.02.2006
IPC-Hauptklasse C07B 37/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse C07B 35/02(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      C07B 31/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Aufgabe war es, eine vergleichsweise aufwandgeringe, umweltschonende und nachhaltige Vereinfachung Metall-katalysierter Reaktionen zu erreichen, bei welchen der Katalysator möglichst universell, einschließlich in großtechnischen Verfahren, einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß werden die Edukte in einer Flüssigphasen-Reaktion mit einem auf einem porösen Glaskörper fixierten Metallkatalysator, beispielsweise einem Palladiumkatalysator, umgesetzt. Der Katalysator wird dabei als Metall oder als das Metall leicht freisetzende Verbindung auf den porösen Glaskörper aufgebracht. Die Reaktion wird in Wasser oder in einem Gemisch aus Wasser und einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel oder in Wasser in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators durchgeführt.
Die Erfindung findet beispielsweise Anwendung für C-C-Bindungsknüpfungen und Hydrierreaktionen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung Metall-katalysierter, insbesondere Palladium-katalysierter Reaktionen, wie beispielsweise C-C-Bindungsknüpfungen und Hydrierreaktionen.

Metall-katalysierte Reaktionen sind in der organischen Chemie weit verbreitet und stellen ein modernes Forschungsgebiet dar. Dabei kommen eine ganze Anzahl von Metallen sowohl in elementarer Form als auch in unterschiedlichen Oxidations- und Komplexierungsstufen u. a. für Oxidationen, Hydrierungen und unterschiedliche Substitutionsreaktionen zum Einsatz (z. B. J. Tsuji: "Palladium Reagents and Catalysts", Wiley, Chichester, 1995; R. F. Heck: "Palladium Reagents in Organic Synthesis", Academic Press LTD, London 1985).

In den letzten Jahren wurden vor allem auf dem Gebiet der Palladium-katalysierten C-C-Bindungsknüpfung bedeutende Fortschritte erzielt. Eine große Anzahl von Einzelpublikationen sowie eine Reihe von Übersichtsartikeln und Büchern dokumentieren die Fortschritte auf diesem Gebiet ebenso wie die Namensreaktionen nach Heck, Sonogashira, Stille oder Suzuki (z. B.: A. Suzuki, N. Miyaura, Chem. Rev. 1995, 95, 2457; I. P. Beletskaya, A. V. Cheprakov, Chem. Rev. 2000, 100, 3009).

Reaktionen dieses Typs sollten bei technischer Durchführbarkeit große Bedeutung bei der Herstellung von Feinchemikalien, Pharmazeutika u. ä. Produkten erlangen.

Die Reaktionsgemische sind in den meisten der beschriebenen Experimente sehr komplex zusammengesetzt. Neben dem Ausgangsstoffen (z. B. Arylhalogenid) und einer, je nach Reaktionstyp verschiedenen, den Substituenten liefernden Verbindung (z. B. Olefine, Acetylene, Boronsäuren, Siloxanderivate) sind eine Reihe weiterer Verbindungen erforderlich, um die für die C-C-Bindungsknüpfung geeigneten Reaktionsbedingungen einzustellen. In der Regel wird neben einem Lösungsmittel (oft genutzt: DMF) eine Base (z. B. Triethylamin, Natriumcarbonat), die Metallverbindung (z. B. Palladiumacetat) und ein zusätzlicher Komplexbildner (z. B. Triphenylphosphin) eingesetzt. Die daraus resultierenden Reaktionsgemische werden in den meisten Fällen durch Verdünnen mit Wasser und anschließende Extraktion mit einem nicht oder schwer mit Wasser mischbaren Lösungsmittel (MTBE, Methylenchlorid) aufgearbeitet und danach aus der organischen Phase auf bekannte Weise isoliert. Der aus unterschiedlichen Substanzen zusammengesetzte Rest des Reaktionsgemisches lässt sich nur schwer aufarbeiten und wird verworfen. Dabei gehen vergleichsweise wertvolle Inhaltsstoffe (Liganden, Palladium) verloren, was in vielen Fällen eine technische Nutzung dieser Reaktionen bisher stark einschränkt. Gleichzeitig fällt ein komplex zusammengesetzter Abfall an, der zu bedeutenden Entsorgungsproblemen führt.

In zahlreichen Untersuchungen wird nun eine Vereinfachung dieser Reaktionsführung angestrebt, was einen breiteren technischen Einsatz dieser Reaktionen ermöglichen sollte. Während in der Mehrzahl aller Arbeiten in homogener Phase gearbeitet wurde, sind auch einige Arbeiten bekannt, bei denen zum einen ein Substrat an einer Festphase fixiert wird oder zum anderen der Katalysator als hochdispers verteilte metallische Suspension in der Flüssigphase vorliegt bzw. der Katalysator auf einem festen Träger fixiert wird. Dabei sind die oft beschriebenen Liganden zur Komplexierung des Metalls nicht oder nur eingeschränkt erforderlich.

Das Recycling des eigentlichen Katalysators gelingt jedoch nur durch eine Fixierung des Metalls auf einem festen Träger, wodurch offensichtlich aus der homogen-katalysierten eine heterogen-katalysierte Reaktion wird.

Zur Fixierung des Metallkatalysators werden sowohl anorganische Träger als auch organische Polymere eingesetzt. Dabei wurden sowohl heterogen katalysierte Flüssigphasenreaktionen als auch so genannte „dry reactions" beschrieben (D. Villemin, F. Caillot, Tetrahedron Lett. 2001, 42, 639; T. Bada, Catal. Surv. Jpn. 2000, 4, 17).

In der Literatur werden als Katalysatorträger bzw. Katalysatoren für heterogen katalysierte C-C-Bindungsknüpfungen beispielsweise Siliziumdioxid, unterschiedliche modifizierte Alumosilicate, Palladium-dotierte Perowskite und Palladium auf Aktivkohle, aber auch Polystyrole und Polymethacrylate eingesetzt (beispielsweise C. P. Mehnert, D. W. Weaver, J. Y. Ying: J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 12289; K. Köhler, R. G. Heidenreich, J. G. E. Krauter, J. Pietsch: Chem. Eur. J. 2002, 8, 622). Über Versuche zur Wiederverwendbarkeit des Katalysators wird bisher nicht berichtet.

Bei Durchführung der "dry reactions" wird das gesamte Reaktionsgemisch auf einem anorganischen Träger aufgetragen und ohne Lösungsmittel (trocken) durch geeigneten Energieeintrag (z. B. durch Mikrowellen oder durch mechanische Energie) zur Reaktion gebracht. Dabei kann der anorganische Träger auch die erforderliche Basenfunktion übernehmen.

Bei einer Reihe von Palladium-katalysierten Reaktionen kann in der Durchführung der Reaktion das organische Lösungsmittel ganz oder teilweise durch Wasser ersetzt werden, was zu einer weiteren Vereinfachung des Systems und zu einer nachhaltigeren Gestaltung der Reaktion führen kann (J. P. Genet, M. Savignac, J. Organometal. Chem. 1999, 576, 305).

Mit der Einführung von Wasser als Lösungsmittel wird die Reaktionsführung zwar vereinfacht und nachhaltiger gestaltet, das Problem der Rückführung der eingesetzten Chemikalien bleibt jedoch weiter ungelöst. Dabei wird aber nur selten eine Maßstabsvergrößerung angestrebt. Alle bisher bekannten Palladium-katalysierten C-C-Knüpfungen wurden in Batchversuchen durchgeführt.

Ein weiterer Reaktionstyp, bei dem Metall-Katalysatoren auf unterschiedlichen Trägern häufig genutzt werden, sind Hydrierreaktionen. Dieser Reaktionstyp hat neben dem Einsatz im Labor vor allem großtechnische Bedeutung. In der Technik werden in erster Linie Gasphasenhydrierungen durchgeführt. Flüssigphasenhydrierungen haben aber auch in der Pharma-, in der Kosmetik- und in der Lebensmittelbranche große Bedeutung, z. B. Speiseölhydrierung, (Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 4th ed. John Wiley & Sons New York 1998, Vol 5, 383; Vol. 13, 848; Vol. 19, 369). Interessant sind hier vor allem Selektivkatalysatoren, welche in multifunktionellen Molekülen jeweils nur eine Funktion bei Erhalt der anderen funktionellen Gruppen hydrieren. Dabei sind oft spezielle Reaktionsbedingungen erforderlich, welche je nach Anwendungsreaktionen besondere Anforderungen an den Katalysator stellen und dadurch den möglichen Einsatz eines Katalysators einschränken. Damit können insbesondere für Hydrierungen die Katalysatoren nicht multivalent für eine Vielzahl katalytischer Verfahrensreaktionen zur Anwendung kommen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine vergleichsweise aufwandgeringe, umweltschonende und nachhaltige Vereinfachung Metall-katalysierter Reaktionen zu erreichen, bei welchen der Katalysator möglichst universell, einschließlich für großtechnische Verfahren, einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß werden die Edukte in einer Flüssigphasen-Reaktion in Gegenwart eines auf einem porösen Glaskörper (z. B. TRISOPOR® der Fa. VitraBio GmbH Steinach), fixierten Metallkatalysators, beispielsweise einem Palladiumkatalysator, umgesetzt. Der Katalysator wird dabei als Metall oder als das Metall leicht freisetzende Verbindung auf den porösen Glaskörper aufgebracht. Die Präparation des Katalysators ist als sehr einfach und effektiv zu charakterisieren.

Die Flüssigphasen-Reaktion wird je nach Reaktionstyp in einem Lösungsmittel, wie Wasser oder ein an sich bekanntes organisches Lösungsmittel, oder in einem Gemisch aus Wasser und einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel oder in Wasser in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators durchgeführt. Durch die ausschließliche oder teilweise Nutzung von Wasser als Lösungsmittel wird ein Beitrag zur Nachhaltigkeit geleistet. Der Katalysator ist im Gegensatz zu den bemannten Verfahren der homogenen Katalyse problemlos in an sich bekannter Weise abtrennbar.

Überraschend hat sich in der vorgeschlagenen katalysierten Flüssigphasen-Reaktion mit dem auf dem porösen Glaskörper fixierten Metallkatalysator eine sehr aufwandgeringe, nachhaltige und effiziente Eduktumsetzung gezeigt. Sehr vorteilhaft ist, dass der Metallkatalysator entweder durch Filtration aus Gemischen einer diskontinuierlichen Reaktionsführung abgetrennt oder durch Einbau von Katalysatorkörpern im Reaktor (Rohrreaktoren) einer kontinuierlichen Reaktion zugänglich gemacht werden kann.

Damit wird eine vergleichsweise umweltschonende metallkatalysierte Reaktionsführung erreicht, da der Katalysator zurück gewonnen und erneut eingesetzt werden kann. Weiterhin sind keine zusätzlichen Liganden erforderlich, die Reaktionsführung wird stark vereinfacht und Aufarbeitungs- bzw. Entsorgungsprobleme entfallen. Da zumindest teilweise mit Wasser als Lösungsmittel gearbeitet wird, kann auch hier die Effektivität der Reaktionsführung verbessert werden.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Ausführunsgbeispiel 1: Herstellung des Katalysators

Zu einer Suspension von 10 g porösem Glas (1,25 – 2 mm) der Fa. VitraBio GmbH in 100 ml Methylenchlorid werden 220 mg Palladiumacetat gegeben und das Gemisch 10 min mittels eines Magnetrührers vermischt. Durch mehrfaches kurzes Anlegen eines leichten Vakuums bei Raumtemperatur wird die Luft aus den Poren des porösen Glases entfernt. Danach wird das Methylenchlorid im Vakuum abgezogen und der verbleibende leicht orange Rückstand für zwei Stunden bei 300 °C im Mikrowellenfeld behandelt. Der erhaltene Katalysator wird abgekühlt und ohne weitere Behandlung eingesetzt.

Die Belegung kann auch mit anderen Elementen (z. B. Nickel oder Platin) bzw. mit Mischungen aus verschiedenen Elementen (z. B. Nickel/Cobalt, Platin/Rhodium) vorgenommen werden. Dabei ist die Behandlungstemperatur im Mikrowellenfeld abhängig von der Stabilität der eingesetzten Metallverbindung.

Ausführunsgbeispiel 2: Suzuki-Reaktion von 4-Bromphenol mit Phenylboronsäure

Zu einem Gemisch von 2 mmol 4-Bromphenol und 2,05 mmol Phenylboronsäure gibt man 7,5 mmol Natriumcarbonat in 4 ml Wasser und 0,01 mmol des nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Palladium-Katalysators. Das Reaktionsgemisch wird in einem Glasdruckgefäß in einem Mikrowellenfeld innerhalb von 2 min mit 300 W Leistung auf 150 °C erwärmt und 10 min bei dieser Temperatur belassen. Nach dieser Zeit wird abgekühlt (10 min) sowie mit 4 ml Wasser und 5 ml Methyl-tert-butylether verdünnt. Die organische Phase wird abgetrennt und die wässrige Phase noch zweimal mit je 5 ml Methyl-tert-butylether extrahiert, mit wasserfreien Magnesiumsulfat getrocknet und im Vakuum bis zur Trockne eingeengt. Umsatz: > 95 %, Ausbeute: 91,8 % 4-Phenylphenol bez. auf 4-Bromphenol.

Zur Rückgewinnung des Palladiumkatalysators wird die wässrige Phase filtriert und der Filterrückstand mit ca. 25 ml Wasser und 25 ml Ethanol gewaschen. Nach Trocknen an Luft ist der Katalysator wieder einsatzbereit.

Ausführunsbeispiel 3: Wiederholter Einsatz des Katalysators in der Suzuki-Reaktion

Der nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellte Katalysator wird mehrfach nacheinander zur gleichen Umsetzung eingesetzt und, wie in Ausführungsbeispiel 2 beschrieben, aufgearbeitet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Ausbeuten und Umsätze der Suzuki-Reaktion von 4-Brom-phenol mit Phenylboronsäure

Ausführunsbeispie 14: Einsatz des Katalysators als Hydrierkatalysator

In einem geeigneten Gefäß wurden zu einer Lösung von 0,1 mol Benzylidenacetophenon in 150 ml Essigsäureethylester 2 g des nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Katalysators gegeben. Die Lösung wird inertisiert und an eine Hydrierapparatur angeschlossen. Unter Schütteln wurde solange hydriert bis die berechnete Menge Wasserstoff aufgenommen war. Danach wurde die Lösung vom Katalysator abfiltriert, der Katalysator mit wenig Essigsäureethylester gewaschen und die vereinigten Lösungsmittelphasen im Vakuum eingeengt. Der auskristallisierte Feststoff wurde aus Ethanol umkristallisiert. Der Umsatz war quantitativ bei einer Selektivität zu 1,3-Diphenyl-propanon-1 von 94 %.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Durchführung Metall-katalysierter Reaktionen, insbesondere Palladiumkatalysierter Reaktionen, wie beispielsweise C-C-Bindungsknüpfungen und Hydrierreaktionen, bei dem die Edukte mit einem auf einem Träger fixierten Metallkatalysator umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte zumindest in Gegenwart eines Lösungsmittels, beispielsweise Wasser, und ggf. von Zusätzen, wie weiteren Reaktanten, beispielsweise zur Einstellung des pH-Wertes, und/oder Aktivatoren, beispielsweise Komplexbildner und/oder Liganden zur Aktivierung des Metalls, an einem als Metall bzw. als eine leicht das Metall freisetzende Verbindung auf einem porösen Glasträger fixierten Katalysator zur Reaktion gebracht werden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die katalysierten Flüssigphasenreaktionen Palladium als Metallkatalysator auf dem porösen Glasträger fixiert wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die katalysierten Flüssigphasenreaktionen Metalle wie Nickel und Cobalt, Metalle der Platingruppe und/oder der 6. und 7. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente auf dem porösen Glasträger fixiert werden.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die katalysierten Flüssigphasenreaktionen ein einziges Metall auf dem porösen Glasträger fixiert wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die katalysierten Flüssigphasenreaktionen mehrere Metalle auf dem porösen Glasträger fixiert werden.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte lediglich in Wasser mit dem Metallkatalysator zur Reaktion gebracht werden.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte in Gegenwart eines Gemisches aus Wasser und aus zumindest einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel, wie niedere Alkohole oder Ketone, mit dem Metallkatalysator zur Reaktion gebracht werden.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte in Wasser und in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators mit dem Metallkatalysator zur Reaktion gebracht werden.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte ausschließlich in Gegenwart von Wasser als Lösungsmittel mit dem Katalysator zur Reaktion gebracht werden.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion in Wasser in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators erfolgt.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wasserunlöslichen Edukten zumindest ein Phasentransferkatalysator zugesetzt wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel bei der Reaktion ein organisches Lösungsmittel Verwendung findet.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel bei der Reaktion ein Gemisch aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel eingesetzt wird.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wasserunlöslichen Edukten zumindest ein Lösungsvermittler zugesetzt wird.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte, insbesondere bei Hydrierungsreaktionen, bei einer Temperatur ab Raumtemperatur bis ca. 300 °C mit dem Katalysator zur Reaktion gebracht werden.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte, insbesondere bei C-C-Bindungsknüpfungen, oberhalb der Raumtemperatur mit dem Katalysator zur Reaktion gebracht werden.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte, insbesondere bei C-C-Bindungsknüpfungen, substratabhängig im Bereich zwischen 80 °C und 160 °C mit dem Katalysator zur Reaktion gebracht werden.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte während der katalysierten Flüssigphasenreaktion zum Zweck eines Energieeintrags dem Einfluss eines Hochfrequenzfeldes ausgesetzt werden.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, beispielsweise bei Hydrierungsreaktionen, ein anderer Energieeintrag als durch ein Hochfrequenzfeld erfolgt.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukte, insbesondere bei Hydrierungsreaktionen, bei einem Druck ab Normaldruck bis ca. 100 bar mit dem Katalysator zur Reaktion gebracht werden.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkatalysator durch Imprägnieren mit der Lösung einer thermisch zersetzlichen Metallverbindung in einem geeigneten Lösungsmittel, durch Einengen im Vakuum sowie durch Thermolyse in Gegenwart einer Energiequelle, beispielsweise eines Hochfrequenzfeldes, auf dem Glasträger fixiert wird.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkatalysator nach der Reaktion mit den Edukten durch Filtration aus dem Reaktionsgemisch ausgeschieden wird.
  23. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkatalysator in einer kontinuierlichen Reaktionsführung durch in den Reaktor, insbesondere einem Rohrreaktor, eingebrachte Katalysatorkörper mit dem Reaktionsgemisch in Kontakt tritt.
  24. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Gegenwart des Katalysators bei Raumtemperatur selektiv C-C-Doppelbindungen hydriert werden, während andere funktionelle Gruppen, wie zum Beispiel Ketogruppen, unverändert bleiben.
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