En grön syntes av α,β-omättade karbonylföreningar från glyceraldehydacetonid
ARTIGO
En grön syntes av α,β-omättade karbonylföreningar från glyceraldehydacetonid
Cláudia O. VelosoI, *; Cristiane A. HenriquesI; Ayres G. DiasI; Evanoel C. de LimaII; Bianca M. SouzaI; José Luiz F. MonteiroIII
IInstituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rua São Francisco Xavier, 524, 20559-900 Rio de Janeiro – RJ, Brasil
IINúcleo de Pesquisas de Produtos Naturais, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 21941-590 Rio de Janeiro – RJ, Brasil
IIINúcleo de Catálise, Universidade Federal do Rio de Janeiro, CP 68502, 21941-972 Rio de Janeiro – RJ, Brasil
ABSTRACT
Det katalytiska beteendet hos Cs-utbytta och Cs-impregnerade zeoliter (X och Y) undersöktes med hjälp av Knoevenagelkondensationen mellan glyceraldehydacetonid och etylacetoacetat för att framställa motsvarande α,β-omättade karbonylförening som är en viktig mellanprodukt för finkemikalier. Inverkan av reaktionstemperatur, typ av zeolit och platsernas basicitet på provernas katalytiska beteende utvärderades. Alla zeoliter var aktiva för den studerade reaktionen. Bildandet av den huvudsakliga kondensationsprodukten gynnades vid lägre reaktionstemperaturer. Produkter av ytterligare kondensationer observerades också, särskilt för prover som endast torkades före det katalytiska testet.
Nyckelord: Knoevenagelkondensation; glyceraldehydacetonid; basiska zeoliter.
INLEDNING
Den senaste tidens oro för miljön får den kemiska industrin att utveckla miljövänliga produkter och processer som är baserade på principerna för så kallad grön kemi eller hållbar kemi.1,2 Fasta katalysatorer används för att ersätta flytande homogena katalysatorer, så att mindre förorenande och mer selektiva kemiska processer kan utvecklas. Användningen av heterogena katalysatorer minskar korrosionsrisken och mängden giftigt avfall och gör det möjligt att enkelt separera, återvinna och återanvända katalysatorn.
Enantiopure acceptorer som framställts av D-(+)-mannitol är bland de populäraste acceptorerna för studier av konjugatadditioner och total enantioselektiv syntes.3,4 2,3-O-Isopropilydeneglyceraldehyd eller glyceraldehydacetonid är en chironförening som lätt erhålls i sin R-form från D-(+)-mannitol. Denna aldehyd är en förening som används i stor utsträckning på grund av att dess enantiomerer är tillgängliga från naturresurser och dess mångsidighet relaterad till närvaron av karbonylgruppen och den skyddade diolgruppen.5-7 α,β-omättade karbonylföreningar som erhålls från glyceraldeydacetonid är utmärkta Michael-acceptorer och en av de mest använda chironerna i metodologiska studier och enantiomersyntes.8 Nyligen har etyl (S)-(+)-3-(2,2-dimetyl-1,3-dioxolan-4-yl)-trans-2-propenoat, en viktig byggsten som erhålls från glyceraldehydacetonid, blivit kommersiellt tillgänglig, 5 g/US$ 236,50.9 Vanligtvis erhålls α,β-omättade karbonylföreningar från glyceraldeydacetonid genom Wittig-reaktionen som har flera nackdelar, t.ex. ett stort antal steg och produktion av trifenylfosfin som biprodukt10 .
Med tanke på den stora användbarheten av dessa α,β-omättade karbonylföreningar, det avsevärt höga värdet av dessa föreningar och det låg miljövänliga tillvägagångssättet vid användning av Wittigreaktionen är studiet av nya vägar för att framställa dem mycket relevant inom området för produktion av organiska intermediärer. Aldolkondensationen av glyceraldehydacetonid med aceton undersöktes i vätskefas över basiska fasta katalysatorer11 , en Mg/Al-blandad oxid och en X-zeolit som bytts ut och impregnerats med cesium. Båda heterogena katalysatorer var aktiva för produktion av den α,β-omättade karbonylföreningen som härrör från glyceraldehydacetonid och aceton. Sidoreaktioner förekom dock också. En annan alternativ väg för att syntetisera α,β-omättade karbonylföreningar är Knoevenagelkondensationen mellan glyceraldeydacetonid och aktiva metylenföreningar som t.ex. etylacetoacetat (figur 1). Knoevenagelreaktionen är en nukleofil addition av en aktiv metylenförening till en karbonylgrupp följt av dehydrering i närvaro av en homogen eller heterogen basisk katalysator12-15. Denna metodik används särskilt för kedjeförlängning av aromatiska aldehyder och används i stor utsträckning för bildning av kol-kol-bindningar i organisk syntes med många tillämpningar inom finkemikalier och beredning av bioaktiva föreningar.16,17 Veloso et al.18 har studerat Knoevenagelkondensationen av glyceraldehydacetonid och etylacetoacetat över Mg,Al-blandade oxider med olika molförhållande mellan Al/(Al+Mg). Alla katalysatorer uppvisade god omvandling av glyceraldehydacetonid och var 100 % selektiva för kondensationsprodukten.
Basiska zeoliter har visat sig vara intressanta katalysatorer i flera processer på grund av de viktiga zeolitegenskaperna, t.ex. hög specifik yta och ett stort utbud av syra-basegenskaper. Olika metoder används för att skräddarsy zeolitens basiska egenskaper. Genom att minska det molära förhållandet mellan kiseldioxid och aluminiumoxid (SAR), byta ut kompensationskatjonerna mot mindre elektronegativa katjoner och impregnering av basiska föreningar i zeolitramen kan man öka zeolitens basiska egenskaper. Cesiumutbytta X-zeoliter som impregnerats med basiska cesiumföreningar har framgångsrikt använts som basiska katalysatorer i flera reaktioner19-21 , inklusive syntesen av organiska intermediärer22,23 .
I detta arbete studerades Knoevenagelkondensationsreaktionen mellan glyceraldeydacetonid och etylacetoacetat över cesiumutbyttade och cesiumimpregnerade zeoliter (X och Y) i syfte att utvärdera hur reaktionstemperaturen, typen av zeolit och den termiska behandling som används före reaktionen påverkar den katalytiska prestandan hos de framställda zeoliterna.
EXPERIMENTAL
Reagens
(R)-Glyceraldehydacetonid framställdes enligt Mann et al.24 Etylacetoacetat, etylmalonat, etylcyanoacetat och alla reagens som användes vid framställningen av katalysatorerna var av teknisk kvalitet.
Katalysatorberedning
De utgångsmaterial som användes i detta arbete var zeoliterna X (SAR = 2,3) och Y (SAR = 4,5) i natriumform. Zeoliten X tillhandahölls av IPT (Institute for Technological Research, São Paulo, Brasilien), medan zeoliten Y syntetiserades enligt Silva.25 Dessa zeoliter byttes ut två gånger med en CsCl-lösning vid 80 °C i 1 timme, med ett molförhållande mellan cesium i lösningen och de totala katjonerna i zeoliten som var lika med 0,76 och 0,39 för zeoliterna X och Y, respektive, i varje steg. Efter varje jonbytessteg filtrerades katalysatorn, tvättades med varmt vatten och torkades vid 120 °C. För impregnering med cesiumarter suspenderades de utbytta zeoliterna i en 2 mol L-1 cesiumacetatlösning (1 g zeolit/30 mL lösning) och rördes sedan om i 5 timmar vid rumstemperatur. Efter impregneringen filtrerades suspensionen utan någon tvättprocess och torkades vid 100 °C. Dessa prover benämndes CsX/CsAcO och CsY/CsAcO.
För att bryta ned den impregnerade cesiumacetatetaten brändes proverna med en hastighet av 5 °C min-1 under ett torrt luftflöde, varvid temperaturen hölls vid 250 °C i 30 minuter och vid 400 eller 500 °C för X- respektive Y-zeoliterna under 5 timmar. Proverna brändes vid olika temperaturer på grund av stabiliteten hos moderzeoliterna. Proverna identifierades som CsX/CS och CsY/CS.
Katalysatorkarakterisering
Provernas kemiska sammansättning bestämdes med atomabsorptionsspektrometri med hjälp av en Perkin-Elmer AAS 1100B-spektrometer. Mängden cesiumimpregnerade arter utvärderades genom termogravimetriska och termodifferentiella analyser (TGA/DTA) som utfördes i en Rigaku Thermobalance TAS 100 under luftflöde vid 10 °C min-1 upp till 700 °C. Zeolitprovernas kristallina struktur kontrollerades med hjälp av infraröd spektroskopi. Spektren registrerades i en Perkin Elmer 2000 Fourier Transform Infrared Spectrophotometer med en upplösning på 4 cm-1. Våfflorna framställdes med hjälp av 300 mg KBr och 1 mg zeolit. Texturella egenskaper såsom specifik yta (BET), mikroporös volym (t-plot) och mesoporös volym (BJH) bestämdes genom adsorption och desorption av N2 vid -196 °C i en Micromeritics ASAP 2020.
Reaktionsförfarande
Kondensationsreaktionen mellan glyceraldeydacetonid och aktiva metylenföreningar såsom etylacetoacetat, etylmalonat och etylcyanoacetat utfördes i vätskefas utan lösningsmedel i en batchreaktor av glas som omrördes magnetiskt och värmdes upp av ett termostatiskt bad. Reaktionssystemet hölls under kväveatmosfär vid atmosfäriskt tryck. Omedelbart före körningarna kalcinerades proverna CsX/CsAcO och CsY/CsAcO ex-situ med en hastighet av 5 °C min-1 under ett torrt luftflöde, varvid temperaturen hölls på 250 °C i 30 minuter och på 400 och 500 °C för X- respektive Y-zeoliterna under 5 timmar, medan proverna CsX/CS och CsY/CS, som brändes under beredningssteget, torkades vid en hastighet av 5 °C min-1 under ett torrt kväveflöde, med en temperatur på 120 och 250 °C under 30 minuter och 400 och 500 °C för X- och Y-zeoliterna under 2 timmar. Efter den termiska behandlingen överfördes katalysatorn snabbt till reaktorn som innehåller blandningen av glyceraldeydacetonid och aktiva metylenföreningar. De experimentella förhållanden som användes var följande: reaktionstemperatur = 30, 50 och 70 °C; reaktionstid = 4 h; molförhållande aktiva metylenföreningar/glyceraldehydacetonid = 5; 5 viktprocent katalysator (hänvisat till den totala mängden reaktanter).
Reaktionsprodukterna analyserades genom gaskromatografi med hjälp av en Chrompack 9000-kromatograf med en kapillarkolonn av CP-Sil 5CB med en längd på 50 m och en flamjoniseringsdetektor. Identifieringen av produktfördelningen kontrollerades med hjälp av en Hewllet Packard GC-HP 6890 gaskromatograf kopplad till en Hewllet Packard HP 5973 massedetektor.
RESULTAT OCH DISKUSSION
Katalysatorernas fysikalisk-kemiska egenskaper
Tabell 1 visar den kemiska sammansättningen av zeolitproverna. Utbytesnivån för cesium var cirka 50 % av de ursprungliga natriumkatjonerna för både X- och Y-zeoliterna. Mängden impregnerade cesiumatomer per enhetscell var likartad för båda proverna, 29 och 24 cesiumatomer/enhetscell, beräknat från TGA-resultaten.
De viktigaste texturella egenskaperna hos zeolitproverna presenteras i tabell 2. Värdena för den mikroporösa volymen hos moderzeoliterna stämmer överens med de värden som finns i litteraturen, vilket visar att de är väl syntetiserade mikroporösa material. Närvaron av cesiumkatjoner och det höga innehållet av impregnerade cesiumarter påverkar provernas texturella egenskaper. Minskningen av både den mikroporösa volymen och den specifika ytan beror på en betydande porblockering orsakad av de utbytta cesiumkatjonerna och de impregnerade cesiumarterna. Dessa resultat visar att texturegenskaperna hos de ursprungliga zeoliterna ändrades av preparationsmetoderna. Det är dock viktigt att notera att det låga värdet på den mikroporösa volymen inte är relaterat till förlust av kristallinitet.
För båda typerna av zeoliter verifierades upprätthållandet av deras strukturer genom att kontrollera de infraröda banden som är relaterade till vibrationerna i det kristallina ramverket i zeoliten i området 1300-300 cm-1. Röntgenanalys användes inte för att utvärdera kristalliniteten hos de Cs-innehållande zeoliterna, eftersom dessa material alltid uppvisar en minskning av intensiteten hos diffraktionstopparna jämfört med Na-innehållande prover. Denna minskning beror på den distorsion av kristallgitteret som orsakas av införandet av den stora cesiumkatjonen i zeolitgitteret.26-28 Figur 2 visar de infraröda spektren för NaX-zeoliten och dess cesiumutbytta (CsX) och dess cesiumimpregnerade (CsX/CS) former; inga signifikanta förändringar observerades i intervallet 1300-450 cm-1, vilket tyder på att jonbytessteget och impregneringen av cesiumarter inte påverkade kristalliniteten. Liknande resultat observerades för CsY- och CsY/CS-zeoliter.
Katalytiska resultat
Kneevenagelkondensationen mellan glyceraldehydacetonid och etylacetoacetat utfördes över de framställda katalysatorerna. Figur 3 visar de reaktionsprodukter som erhållits under de undersökta experimentella förhållandena. Dessa produkter identifierades med hjälp av deras retentionstid i gaskromatografi och deras masspektrum.
De identifierade reaktionsvägarna var följande: Knoevenagelkondensation mellan glyceraldehydacetonid och etylacetoacetat vilket resulterar i produkt (1); aldolkondensation mellan produkt (1) och aceton, där det sistnämnda produceras genom hydrolys och dekarboxylering av etylacetoacetat, vilket bildar produkt (2).
Resultaten för konvertering av glyceraldehydacetonid och selektivitet till produkterna (1) och (2) ges i tabellerna 3 och 4. Alla testade prover var aktiva för Knoevenagelkondensationen. Produktselektiviteten beror på zeolittypen och på zeolitens termiska behandling före det katalytiska testet.
En jämförelse av det katalytiska beteendet hos proverna CsX/CS och CsY/CS vid 70 °C visar att de båda katalysatorerna uppvisar en likartad omvandling av glyceraldeydacetonid (tabell 3). Selektiviteten för produkterna (1) och (2) är dock mycket olika. Under de undersökta experimentella förhållandena gynnades bildningen av produkt (2) över CsX/CS zeolit.
Det första steget i aldolkondensationen av produkt (1) och aceton för att bilda produkt (2) är abstraktionen av en α-proton från aceton på en basisk plats. Den bildade karbanjonen angriper karbonylgruppen i produkt (1) och bildar produkt (2) efter dehydrering. Abstraktionen av en α-proton från aceton och angreppet på produkt (1) karbonylgrupp är steg som kräver basiska platser som är starkare än de som krävs för samma steg i bildandet av produkt (1), abstraktionen av en metylenproton från etylacetoacetat och angreppet av karbanjonen på karbonylgruppen i glyceraldeydacetonid. Man kan därför anta att den höga selektivitet för produkt (2) som CsX/CS-zeoliten uppvisar vid 70 °C är förknippad med närvaron av basiska platser som är starkare än de som finns i CsY/CS.
När det gäller den termiska behandlingen av katalysatorn, när nedbrytning av impregnerad cesiumacetat gjordes omedelbart före reaktionen (proverna CsX/CsAcO och CsY/CsAcO) observerades en ökning av omvandlingen av glyceraldehydacetonid jämfört med CsY/CsAcO-provet och aldolkondenseringen av produkt (1) och aceton gynnades. Därför observerades endast produkt (2) som reaktionsprodukt. De resultat som erhållits för CsX/CsAcO-provet visar att ingen signifikant förändring inträffade vid omvandlingen av glyceraldehydacetonid och att selektiviteten för produkt (2) ökade. Kondensationsreaktionen mellan produkt (1) och aceton gynnades alltså jämfört med proverna där de impregnerade cesiumarterna hade sönderdelats omedelbart före det katalytiska testet och inte exponerats för omgivande luft. Dessa resultat tyder på att exponering av proverna för omgivande luft efter nedbrytning av cesiumacetat (proverna CsX/CS och CsY/CS) ger upphov till platser med olika grundläggande egenskaper. Den höga selektiviteten för produkt (2) skulle kunna tyda på förekomsten av starkare basiska platser på CsX/CsAcO och CsY/CsAcO (kalcinerade strax före det katalytiska testet) än de som finns på proverna CsX/CS och CsY/CS (torkade före det katalytiska testet).
För att bättre förstå det katalytiska beteendet hos proverna CsY/CS och CsY/CsAcO användes olika aktiva metylenföreningar som reaktanter. Etylmalonat (pKa = 13,3), etylacetoacetat (pKa = 10,7) och etylcyanoacetat (pKa < 9) är aktiva metylenföreningar med olika pKa-värden. I detta arbete kommer en skala för den basiska katalysatorns basiska styrka för de katalytiska platserna att upprättas i enlighet med den katalytiska prestandan hos en basisk katalysator när dessa aktiva metylenföreningar används. De basiska platser som krävs för att främja aktiveringen av etylcyanoacetat, etylacetoacetat och etylmalonat kommer att klassificeras som svaga, intermediära respektive starka. Knoevenagelkondensationen av de aktiva metylenföreningarna med glyceraldeydacetonid användes för att mäta styrkefördelningen av de studerade Y-zeoliternas basiska platser. Dessa resultat visas i figur 4. De högre glyceraldehydacetonidkonverteringarna som erhålls med CsY/CsAcO-provet tyder på att detta prov har en något större mängd basiska platser, de flesta av de basiska platserna i båda proven är svaga med en betydande mängd intermediära basiska platser och en liten mängd starka basiska platser. De liknande profiler som observerats för båda proverna förklarar inte tydligt den stora mängden produkt (2) som erhålls över CsY/CsAcO-provet.
Inflytandet av reaktionstemperaturen och reaktionstiden på omvandlingen av glyceraldehydacetonid och selektiviteten till produkterna (1) och (2) utvärderades med hjälp av prov CsY/CS. Dessa resultat visas i tabell 4. Som förväntat ökade omvandlingen av glyceraldeydacetonid när reaktionstemperaturen ökade. Vid temperaturer under 70 °C erhölls endast produkt (1).
De resultat som visas i detta arbete är relaterade till katalysatorernas kemoselektivitet. Bibehållandet av glyceraldehydacetonids kiralitet är dock mycket viktigt för syntesen av farmaceutiska intermediärer. Reaktionstemperaturen spelar en viktig roll för kiraliteten. Lägre reaktionstemperaturer förhindrar förlusten av reagensets kiralitet men minskar också omvandlingen av reagenset. I detta sammanhang utvärderades det katalytiska beteendet hos CsY/CS-provet vid 30 °C efter 48 timmars reaktionstid. Detta resultat visas också i tabell 4. Ökningen av reaktionstiden leder till en ökad omvandling av glyceraldehydacetonid utan någon förändring av selektiviteten hos produkt (1). Även om omvandlingseffekten inte kunde försummas tyder dessa resultat på att reaktionstemperaturen spelar en viktig roll för bildandet av produkt (2) genom aldolkondensationen av produkt (1) och aceton.
KONKLUSIONER
De Cs-utbytta och Cs-impregnerade zeoliterna (X och Y) var aktiva för Knoevenagelkondensationen mellan glyceraldeydacetonid och etylacetoacetat. Under de reaktionsförhållanden som användes för båda katalysatorerna observerades andra reaktioner, t.ex. aldolkondensation mellan produkt (1), framställd genom Knoevenagelkondensationen mellan glyceraldehydacetonid och etylacetoacetat, och aceton, som erhålls genom hydrolys och dekarboxylering av etylacetoacetat. Vid 70 °C var zeoliternas aktivitet likartad, men selektiviteten för produkterna påverkades av reaktionstemperaturen, zeolittypen (X eller Y) och platsernas basicitet, som i sin tur påverkades av den termiska behandling som användes före det katalytiska testet. För CsY/CS-provet gynnade sänkningen av reaktionstemperaturen och ökningen av reaktionstiden den selektiva bildningen av produkt (1).
ÅTERKÄNSNINGAR
C. A. Henriques vill tacka UERJ (Programa Prociência).
1. Clark, J.; Green Kem. 1999, 1, 1.
2. Anastas, P.; Warner, J.; Green Chemistry: Theory and Pratice, Oxford University Press: New York, 1998.
3. Pisaneschi, F.; Piacenti, M.; Cordero, F.; Brandi, A.; Tetrahedron: Asymmetry 2006, 17, 292.
4. Kagawa, N.; Ihara, M.; Toyota, M.; Org. Lett. 2006, 8, 875.
5. Jurczak, J.; Pikul, S.; Baeur, T.; Tetrahedron 1986, 42, 447.
6. Mulzer, J.; Altenbach, H.-J.; Braun, M.; Krohn, K.; Reissig, H.-U.; Organic Synthesis Highlights, VCH Ed.: New York, 1990.
7. Lima, E.; Synlett 2009, 11, 1861.
8. Domingos, J.; Lima, E.; Dias, A.; Costa, P.; Tetrahedron: Asymmetry 2004, 15, 2313.
9. http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search/ProductDetail/ALDRICH/346810, besökt i oktober 2009 och februari 2011.
10. Trost, B.; Angew. Chem., Int. Ed. 1995, 34, 259.
11. Veloso, C.; Henriques, C.; Dias, A.; Monteiro, J. L.; Katalysator. Today 2005, 107-108, 294.
12. Corma, A.; Martin-Aranda, A.; Sanchez, F.; Stud. Surf. Sci. Katalysator. 1991, 59, 503.
13. Zhang, X.; Lai, E.; Martin-Aranda, R.; Yeung, K.; Appl. Catal., A 2004, 261, 109.
14. Angelescu, E.; Pavel, O.; Birjega, R.; Zavoianu, R.; Costentin, G.; Che, M.; Appl. Catal., A 2006, 308, 13.
15. Gawande, M.; Jayaram, R.; Catal. Kommun. 2006, 7, 931.
16. Freeman, F.; Chem. Rev. 1980, 80, 329.
17. Tietze, L.; Chem. Rev. 1996, 96,115.
18. Veloso, C.; Pérez, C.; Souza, B.; Lima, E.; Dias, A.; Monteiro, J. L.; Henriques, C.; Microporous Mesoporous Mater. 2008, 107, 23.
19. Veloso, C.; Monteiro, J. L.; Souza-Aguiar, E.; Stud. Surf. Sci. Catal. 1994, 84c, 1913.
20. Shabatai, J.; Lazar, R.; Biron, E.; J. Mol. Catal. 1984, 27, 35.
21. Ballini, R.; Bigi, F.; Gogni, E.; Maggi, R.; Sartori, G.; J. Catal. 2000, 191, 348.
22. Ebitani, K.; Motokura, K.; Mori, K.; Mizugaki, T.; Kaneda, K.; J. Org. Org. Chem. Chem. 2006, 71, 5440.
23. Veloso, C.; Santos, E.; Pinto, A.; Monteiro, J. L.; Stud. Surf. Sci. Catal. 2001, 135, 237.
24. Mann, J.; Partlett, N.; Thomas, A.; J. Chem. Res. (S) 1987, 369.
25. Silva, D.; Master’s thesis, Federal University of Rio de Janeiro, Brasilien, 1993.
26. Kovacheva, P.; Arishtirova, K.; Davidova, N.; Appl. Catal., A 1999, 178, 111.
27. Hunger, M.; Schenk, U.; Weitkamp, J.; J. Mol. Catal. A: Chem. 1998, 134, 97.
28. Romero, M.; Ovejero, G.; Rodriguez, A.; Gomez, J.; Microporous Mesoporous Mater. 2005, 81, 313.