Zelená syntéza α,β-nenasycených karbonylových sloučenin z glyceraldehydacetonidu
ARTIGO
Zelená syntéza α,β-nenasycených karbonylových sloučenin z glyceraldehydacetonidu
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
Katalytické chování zeolitů s výměnou Cs a impregnovaných Cs (X a Y) bylo studováno pomocí Knoevenagelovy kondenzace mezi glyceraldehydacetonidem a ethylacetátem za účelem získání odpovídající α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny, která je důležitým meziproduktem pro jemné chemikálie. Byl hodnocen vliv reakční teploty, typu zeolitu a bazicity míst na katalytické chování vzorků. Všechny zeolity byly pro studovanou reakci aktivní. Tvorba hlavního kondenzačního produktu byla zvýhodněna při nižších reakčních teplotách. Knoevenagelova kondenzace; glyceraldehydacetonid; bazické zeolity.
ÚVOD
Současné obavy o životní prostředí vedou chemický průmysl k vývoji ekologicky šetrných produktů a procesů, které jsou založeny na principech tzv. zelené chemie nebo udržitelné chemie.1,2 Pevné katalyzátory se používají k nahrazení kapalných homogenních katalyzátorů, aby bylo možné vyvinout méně znečišťující a selektivnější chemické procesy. Použití heterogenních katalyzátorů snižuje riziko koroze a množství toxických odpadů a umožňuje snadnou separaci, obnovu a opětovné použití katalyzátoru.
Enantiočisté akceptory připravené z D-(+)-manitolu patří mezi nejoblíbenější akceptory pro studie konjugovaných adicí a totální enantioselektivní syntézu.3,4 2,3-O-Isopropyldeneglyceraldehyd nebo glyceraldehydacetonid je chironová sloučenina, která se snadno získává ve své R formě z D-(+)-mannitolu. Tento aldehyd je sloučeninou hojně využívanou díky dostupnosti jeho enantiomerů z přírodních zdrojů a jeho univerzálnosti související s přítomností karbonylové skupiny a chráněné diolové skupiny5-7. α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny získané z glyceraldehydacetonidu jsou vynikajícími Michaelovými akceptory a patří mezi nejpoužívanější chirony v metodických studiích a enantiomerní syntéze8. V poslední době je komerčně dostupný ethyl(S)-(+)-3-(2,2-dimethyl-1,3-dioxolan-4-yl)-trans-2-propenoát, důležitý stavební prvek získaný z glyceraldehydacetonidu, 5 g/US$ 236,50.9 Obvykle se α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny získané z glyceraldehydacetonidu získávají Wittigovou reakcí, která představuje několik nevýhod, jako je velký počet kroků a vznik trifenylfosfinu jako vedlejšího produktu10.
Vzhledem k velké použitelnosti těchto α,β-nenasycených karbonylových sloučenin, značně vysoké hodnotě těchto sloučenin a nízké ekologičnosti při použití Wittigovy reakce je studium nových cest k jejich výrobě velmi důležité v oblasti výroby organických meziproduktů. Aldolová kondenzace glyceraldehydacetonidu s acetonem byla studována v kapalné fázi na základních pevných katalyzátorech11 , směsném oxidu Mg,Al a zeolitu X vyměněném a impregnovaném cesiem. Oba heterogenní katalyzátory byly aktivní při výrobě α,β-nenasycené karbonylové sloučeniny odvozené z glyceraldehydacetonidu a acetonu. Docházelo však i k vedlejším reakcím. Další alternativní cestou k syntéze α,β-nenasycených karbonylových sloučenin je Knoevenagelova kondenzace mezi glyceraldehydacetonidem a aktivními methylenovými sloučeninami, jako je ethylacetát (obr. 1). Knoevenagelova reakce je nukleofilní adice aktivní methylenové sloučeniny na karbonylovou skupinu s následnou dehydratací v přítomnosti homogenního nebo heterogenního bazického katalyzátoru12-15 . Tato metodika se používá zejména pro prodlužování řetězců aromatických aldehydů a je široce využívána pro tvorbu vazeb uhlík-uhlík v organické syntéze s četnými aplikacemi v přípravě jemných chemikálií a bioaktivních sloučenin16,17. Veloso a spol.18 studovali Knoevenagelovu kondenzaci glyceraldehydacetonidu a ethylacetoacetátu nad směsnými oxidy Mg,Al s různým molárním poměrem Al/(Al+Mg). Všechny katalyzátory vykazovaly dobrou konverzi glyceraldehydacetátu a byly 100% selektivní k produktu kondenzace.
Základní zeolity se staly zajímavými katalyzátory v několika procesech díky důležitým vlastnostem zeolitů, jako je vysoký specifický povrch a velký rozsah acidobazických vlastností. K přizpůsobení bazicity zeolitů se používají různé metody. Snížení molárního poměru oxidu křemičitého a hlinitého (SAR), výměna kompenzačních kationtů za méně elektronegativní a impregnace bazických sloučenin na zeolitový rámec mohou zvýšit bazicitu zeolitu. Cesiem vyměněné zeolity X impregnované cesiovými bazickými sloučeninami byly úspěšně použity jako bazické katalyzátory v několika reakcích19-21 včetně syntézy organických meziproduktů22,23.
V této práci byla studována Knoevenagelova kondenzační reakce mezi glyceraldehydacetonidem a ethylacetátem na cesiem vyměněných a cesiem impregnovaných zeolitech (X a Y) s cílem vyhodnotit vliv reakční teploty, typu zeolitu a tepelné úpravy použité před reakcí na katalytický výkon připravených zeolitů.
EXPERIMENTÁLNÍ
Reagencie
(R)-Glyceraldehydacetonid byl připraven podle Manna a spol.24 Etylacetát, ethylmalonát, ethylkyanoacetát a všechna činidla použitá při přípravě katalyzátorů byla technické kvality.
Příprava katalyzátorů
Výchozími materiály použitými v této práci byly zeolity X (SAR = 2,3) a Y (SAR = 4,5) v sodné formě. Zeolit X dodal IPT (Institute for Technological Research, São Paulo, Brazílie), zatímco zeolit Y byl syntetizován podle Silvy.25 Tyto zeolity byly dvakrát vyměněny s roztokem CsCl při 80 °C po dobu 1 h, přičemž molární poměr cesia v roztoku k celkovému množství kationtů v zeolitu se rovnal 0,76 a 0,39 pro zeolity X a Y v každém kroku. Po každém kroku iontové výměny byl katalyzátor přefiltrován, promyt horkou vodou a vysušen při 120 °C. Pro impregnaci cesiem byly vyměněné zeolity suspendovány v roztoku octanu cesného o koncentraci 2 mol l-1 (1 g zeolitu/30 ml roztoku) a poté míchány po dobu 5 h při pokojové teplotě. Po impregnaci byla suspenze bez promývání přefiltrována a vysušena při 100 °C. Tyto vzorky byly pojmenovány jako CsX/CsAcO a CsY/CsAcO.
Pro rozklad impregnovaného acetátu cesného byly vzorky kalcinovány rychlostí 5 °C min-1 za proudění suchého vzduchu, přičemž teplota byla udržována při 250 °C po dobu 30 min a při 400, resp. 500 °C pro zeolity X a Y po dobu 5 h. Vzorky byly kalcinovány za různých teplot z důvodu stability mateřských zeolitů. Vzorky byly identifikovány jako CsX/CS a CsY/CS.
Catalyst characterization
Chemické složení vzorků bylo stanoveno atomovou absorpční spektrometrií pomocí spektrometru Perkin-Elmer AAS 1100B. Množství impregnovaných cesiem bylo vyhodnoceno termogravimetrickou a termodiferenciální analýzou (TGA/DTA) provedenou na přístroji Rigaku Thermobalance TAS 100 při průtoku vzduchu 10 °C min-1 do 700 °C. Krystalický rámec vzorků zeolitů byl kontrolován pomocí infračervené spektroskopie. Spektra byla zaznamenána na infračerveném spektrofotometru s Fourierovou transformací Perkin Elmer 2000 s rozlišením 4 cm-1. Destičky byly připraveny z 300 mg KBr a 1 mg zeolitu. Texturní vlastnosti, jako je specifický povrch (BET), mikroporézní objem (t-plot) a mezoporézní objem (BJH), byly stanoveny pomocí adsorpce-desorpce N2 při -196 °C v přístroji Micromeritics ASAP 2020.
Postup reakce
Kondenzační reakce glyceraldehydacetonidu a aktivních methylenových sloučenin, jako je ethylacetát, ethylmalonát, ethylkyanoacetát, probíhala v kapalné fázi bez rozpouštědla ve skleněném vsádkovém reaktoru magneticky míchaném a zahřívaném termostatickou lázní. Reakční systém byl udržován v dusíkové atmosféře při atmosférickém tlaku. Bezprostředně před průběhem byly vzorky CsX/CsAcO a CsY/CsAcO kalcinovány ex-situ rychlostí 5 °C min-1 za proudění suchého vzduchu, přičemž teplota byla udržována při 250 °C po dobu 30 min a při 400 °C pro zeolity X a 500 °C pro zeolity Y po dobu 5 h, zatímco vzorky CsX/CS a CsY/CS, které byly kalcinovány během přípravného kroku, byly pouze vysušeny při rychlosti 5 °C min-1 pod proudem suchého dusíku, přičemž teplota byla udržována při 120 a 250 °C po dobu 30 min a při 400 a 500 °C pro zeolity X a Y po dobu 2 h. Po tepelném zpracování byl katalyzátor rychle přenesen do reaktoru obsahujícího směs glyceraldehydacetonidu a aktivních methylenových sloučenin. Byly použity tyto experimentální podmínky: reakční teplota = 30, 50 a 70 °C; reakční doba = 4 h; molární poměr aktivní methylenové sloučeniny/glyceraldehydacetonid = 5; 5 % hmot. katalyzátoru (vztaženo na celkové množství reaktantů).
Reakční produkty byly analyzovány plynovou chromatografií pomocí chromatografu Chrompack 9000 s 50 m kapilární kolonou CP-Sil 5CB a plamenovým ionizačním detektorem. Identifikace distribuce produktů byla kontrolována pomocí plynového chromatografu Hewllet Packard GC-HP 6890 spojeného s hmotnostním detektorem Hewllet Packard HP 5973.
VÝSLEDKY A DISKUSE
Fyzikálně-chemické vlastnosti katalyzátorů
Tabulka 1 uvádí chemické složení vzorků zeolitů. Výměnná úroveň pro cesium byla u zeolitů X i Y přibližně 50 % původních sodných kationtů. Množství impregnovaných atomů cesia na jednotkovou buňku bylo u obou vzorků podobné, 29 a 24 atomů cesia / jednotkovou buňku, jak bylo vypočítáno z výsledků TGA.
Hlavní texturní vlastnosti vzorků zeolitů jsou uvedeny v tabulce 2. Hodnoty mikroporézního objemu mateřských zeolitů jsou ve shodě s hodnotami uvedenými v literatuře, což ukazuje, že se jedná o dobře syntetizované mikroporézní materiály. Přítomnost cesiových kationtů a vysoký obsah impregnovaných cesiových druhů ovlivňují texturní charakteristiky vzorků. Snížení mikroporézního objemu i specifického povrchu je způsobeno výrazným blokováním pórů způsobeným vyměněnými kationty cesia a impregnovanými druhy cesia. Tyto výsledky ukazují, že texturní vlastnosti výchozích zeolitů byly modifikovány metodami přípravy. Je však důležité poznamenat, že nízká hodnota mikroporézního objemu nesouvisí se ztrátou krystalinity.
U obou typů zeolitů bylo zachování jejich struktury ověřeno kontrolou infračervených pásů souvisejících s vibracemi krystalického rámce zeolitu v oblasti 1300-300 cm-1 . Rentgenová analýza nebyla použita k hodnocení krystalinity zeolitů obsahujících Cs, protože tyto materiály vykazují vždy pokles intenzity difrakčních píků ve srovnání se vzorky obsahujícími Na. Tento pokles je způsoben narušením krystalové mřížky způsobeným zavedením velkého cesiového kationtu do mřížky zeolitu.26-28 Na obr. 2 jsou znázorněna infračervená spektra zeolitu NaX a jeho cesiem vyměněné (CsX) a cesiem impregnované (CsX/CS) formy; v rozsahu 1300-450 cm-1 nebyly pozorovány žádné významné změny, což naznačuje, že iontový výměnný krok a impregnace cesiových druhů neměly vliv na krystalinitu. Podobné výsledky byly pozorovány pro zeolity CsY a CsY/CS.
Katalytické výsledky
Na připravených katalyzátorech byla provedena Knoevenagelova kondenzace mezi glyceraldehydacetonidem a ethylacetátem. Obrázek 3 ukazuje reakční produkty získané za studovaných experimentálních podmínek. Tyto produkty byly identifikovány pomocí jejich retenčního času v plynové chromatografii a jejich hmotnostních spekter.
Identifikované reakční cesty byly následující: Knoevenagelova kondenzace mezi glyceraldehydacetonidem a ethylacetátem za vzniku produktu (1); aldolová kondenzace mezi produktem (1) a acetonem, který vzniká hydrolýzou a dekarboxylací ethylacetátu za vzniku produktu (2).
Výsledky konverze glyceraldehydacetonidu a selektivity k produktům (1) a (2) jsou uvedeny v tabulkách 3 a 4. Všechny testované vzorky byly aktivní pro Knoevenagelovu kondenzaci. Selektivita produktů závisí na typu zeolitu a na tepelné úpravě zeolitu před katalytickým testem.
Srovnání katalytického chování vzorků CsX/CS a CsY/CS při 70 °C ukazuje, že oba katalyzátory vykazují podobnou konverzi glyceraldehydacetonidu (tab. 3). Selektivity k produktům (1) a (2) jsou však velmi rozdílné. Za studovaných experimentálních podmínek byla na zeolitu CsX/CS upřednostněna tvorba produktu (2).
Prvním krokem při aldolové kondenzaci produktu (1) a acetonu za vzniku produktu (2) je abstrakce α-protonu z acetonu na bazickém místě. Vzniklý karbanion napadá karbonylovou skupinu produktu (1) za vzniku produktu (2) po dehydrataci. Abstrakce α-protonu z acetonu a útok na karbonylovou skupinu produktu (1) jsou kroky, které vyžadují silnější bazická místa než ta, která jsou potřebná pro stejné kroky při tvorbě produktu (1), abstrakci methylenového protonu ethylacetátu a útoku karbanionu na karbonylovou skupinu glyceraldehydacetonidu. Lze tedy předpokládat, že vysoká selektivita k produktu (2), kterou vykazuje zeolit CsX/CS při 70 °C, souvisí s přítomností silnějších bazických míst než v CsY/CS.
Co se týče tepelného zpracování katalyzátoru, pokud byl rozklad impregnovaného acetátu cesného proveden bezprostředně před reakcí (vzorky CsX/CsAcO a CsY/CsAcO), bylo pozorováno zvýšení konverze glyceraldehydacetonidu oproti vzorku CsY/CsAcO a zvýhodnění aldolové kondenzace produktu (1) a acetonu. Jako reakční produkt byl tedy pozorován pouze produkt (2). Výsledky získané nad vzorkem CsX/CsAcO ukazují, že nedošlo k žádné významné změně na konverzi glyceraldehydacetonidu a že se zvýšila selektivita k produktu (2). Kondenzační reakce mezi produktem (1) a acetonem byla tedy zvýhodněna oproti vzorkům, ve kterých byly impregnované cesiové formy rozloženy bezprostředně před katalytickým testem a nebyly vystaveny okolnímu vzduchu. Tyto výsledky naznačují, že vystavení vzorků okolnímu vzduchu po rozkladu acetátu cesného (vzorky CsX/CS a CsY/CS) vytváří místa s odlišnými základními vlastnostmi. Vysoká selektivita k produktu (2) by mohla naznačovat přítomnost silnějších bazických míst na vzorcích CsX/CsAcO a CsY/CsAcO (kalcinovaných těsně před katalytickým testem) než na vzorcích CsX/CS a CsY/CS (vysušených před katalytickým testem).
Pro lepší pochopení katalytického chování vzorků CsY/CS a CsY/CsAcO byly jako reaktanty použity různé aktivní methylenové sloučeniny. Aktivními methylenovými sloučeninami s různými hodnotami pKa jsou ethylmalonát (pKa = 13,3), ethylacetoacetát (pKa = 10,7) a ethylkyanoacetát (pKa < 9). V této práci bude podle katalytického výkonu základního katalyzátoru při použití těchto aktivních methylenových sloučenin stanovena stupnice základní síly katalytických míst. Základní místa potřebná k podpoře aktivace ethylkyanoacetátu, ethylacetoacetátu a ethylmalonátu budou klasifikována jako slabá, střední a silná. K měření rozložení síly základních míst studovaných zeolitů Y byla použita Knoevenagelova kondenzace aktivních methylenových sloučenin s glyceraldehydacetonidem. Tyto výsledky jsou uvedeny na obrázku 4. Vyšší konverze glyceraldehydacetonidu získané u vzorku CsY/CsAcO naznačují, že tento vzorek má mírně velké množství bazických míst, většina bazických míst obou vzorků je slabá se značným množstvím středních bazických míst a malým množstvím silných bazických míst. Podobné profily pozorované u obou vzorků nevysvětlují jednoznačně velké množství produktu (2) získané nad vzorkem CsY/CsAcO.
Vliv reakční teploty a času na konverzi glyceraldehydacetonidu a selektivitu k produktům (1) a (2) byl hodnocen pomocí vzorku CsY/CS. Tyto výsledky jsou uvedeny v tabulce 4. Podle očekávání se konverze glyceraldehydacetonidu zvyšovala se zvyšující se reakční teplotou. Při teplotách nižších než 70 °C byl získán pouze produkt (1).
Výsledky uvedené v této práci souvisejí s chemoselektivitou katalyzátorů. Zachování chirality glyceraldehydacetonidu je však velmi důležité pro syntézu farmaceutických meziproduktů. Reakční teplota hraje na chiralitu důležitou roli. Nižší reakční teploty brání ztrátě chirality činidla, ale také snižují konverzi činidel. V této souvislosti bylo hodnoceno katalytické chování vzorku CsY/CS při 30 °C po 48 h reakční doby. Tento výsledek je rovněž uveden v tabulce 4. Prodloužení reakční doby způsobuje zvýšení konverze glyceraldehydacetonidu beze změny selektivity produktu (1). Ačkoli vliv konverze nelze zanedbat, tyto výsledky naznačují důležitou roli reakční teploty na tvorbu produktu (2) prostřednictvím aldolové kondenzace produktu (1) a acetonu.
ZÁVĚRY
Zeolity s výměnou Cs a impregnované Cs (X a Y) byly aktivní pro Knoevenagelovu kondenzaci mezi glyceraldehydacetonidem a ethylacetátem. Za použitých reakčních podmínek byly u obou katalyzátorů pozorovány další reakce, jako je aldolová kondenzace mezi produktem (1), který vznikl Knoevenagelovou kondenzací mezi glyceraldehydacetonidem a ethylacetátem, a acetonem, získaným hydrolýzou a dekarboxylací ethylacetátu. Při 70 °C byly aktivity zeolitů podobné, ale selektivita k produktům byla ovlivněna reakční teplotou, typem zeolitu (X nebo Y) a bazicitou míst, která byla zase ovlivněna tepelnou úpravou použitou před katalytickým testem. U vzorku CsY/CS snižování reakční teploty a zvyšování reakční doby zvýhodňovalo selektivní tvorbu produktu (1).
PODĚKOVÁNÍ
C. A. Henriques by chtěl poděkovat UERJ (Programa Prociência).
1. Clark, J.; Green Chem. 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, přístup v říjnu 2009 a únoru 2011.
10. Trost, B.; Angew. Chem., Int. Ed. 1995, 34, 259.
11. Veloso, C.; Henriques, C.; Dias, A.; Monteiro, J. L.; Katalánština. Today 2005, 107-108, 294.
12. Corma, A.; Martin-Aranda, A.; Sanchez, F.; Stud. Surfování. Sci. Katalánština. 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. Komunita. 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. Surfování. 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.; magisterská práce, Federální univerzita Rio de Janeiro, Brazílie, 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.