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NOBLE METAL CATALYSTS
- Von Technik Redaktion
- Veröffentlicht 08/17/2009
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- Nicht beurteilt
Die Erfindung betrifft Katalysatorsysteme, bestehend aus geträgerten oder nicht-geträgerten Übergangsmetall-Katalysatoren, deren Oberfläche mit definierten Mengen an organischen Modifikatoren belegt sind, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung.
Heterogene Katalysatoren finden aufgrund ihrer einfachen Rezyklierbarkeit und ihrer Einsatzmöglichkeit in kontinuierlichen Prozessen eine breite Anwendung in der Erzeugung von Basis-Chemikalien, chemischen Zwischenprodukten, feinchemischen und pharmazeutischen Produkten. Feinchemische und pharmazeutische katalytische Prozesse weisen eine hohe Substratspezifität auf, das heisst, es müssen bestimmte funktionelle Gruppen in multifunktionellen organischen Substraten umgewandelt werden. Dabei führen die bekannten heterogenen Katalysatoren gegenüber homogenen Katalysatoren meist zu einer geringeren Selektivität der katalytischen Reaktion.
Es ist bekannt, die Selektivität gegenüber bestimmten funktionellen Gruppen eines organischen Ausgangsmoleküls zu verbessern, indem man heterogene Katalysatoren mit kleinen Mengen an organischen oder anorganischen Verbindungen modifiziert. Diese Modifizierung heterogener Katalysatoren eröffnet die Möglichkeit, die Anwendungsbreite eines kommerziellen Feststoffkatalysators zu erweitern, weil die chemische Struktur und die Menge des Modifikators den Erfordernissen einer bestimmten chemischen Reaktion gezielt angepasst werden kann.
Die Verbindungen, die zur Modifizierung der Katalysatoroberfläche verwendet werden, werden in der Fachliteratur mit unterschiedlichen Begriffen, wie zum Beispiel Modifikator, Promoter, Additiv, Regulator, selektives Katalysatorgift oder Co-Katalysator bezeichnet.
Im Folgenden wird der Begriff "Modifikator" verwandt, wobei dieser Begriff durchaus synonym mit den anderen Bezeichnungen zu verstehen ist.
Die Modifikatoren haben die Eigenschaft, dass sie Adsorptionswechselwirkungen mit der Katalysatoroberfläche eingehen und auf diese Weise erwünschte Änderungen der Aktivität und Selektivität der Katalysatoren
a) durch die Veränderung der Anzahl der aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche (partielle Vergiftung aktiver Zentren).
b) durch die Veränderung der elektronischen Eigenschaften der aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche oder
c) durch die Einführung von organo-katalytischen Funktionalitäten, dass heisst, die durch die Verwendung kleiner einfacher möglicherweise chiraler organischer Moleküle, die auch ohne Anwesenheit von Metallen vielfältige Reaktionen hochselektiv katalysieren können, induzieren (Fig. [image - see original document]).
Modifikatoren für heterogene Katalysatoren bestehen aus einer Struktureinheit, die die Haftung (Adsorption) des Modifikators an der Katalysatoroberfläche ermöglicht.
Darüber hinaus können die Modifikatoren für den Fall c) (vgl. Fig. ) Struktureinheiten mit organo-katalytischer Aktivität aufweisen. Dabei kann es sich z. B. um Aminosäure- oder Peptid-Strukturen oder Organo-Metallkomplex-Liganden handeln, die bereits ohne Anwesenheit eines weiteren Metalls chemische Umsetzungen hochselektiv katalysieren können<i>.
Die organo-katalytischen Funktionsgruppen können auch chirale Zentren aufweisen, so dass durch die Wechselwirkung zwischen Modifikator und Reaktionssubstrat eine chirale Induktion auf Seiten des Substrates erfolgen kann.
Zu den bekannten Beispielen einer Änderung der Anzahl beziehungsweise der Eigenschaften aktiver Zentren des Katalysators mit Modifikatoren (partiellen Vergiftung der aktiven Zentren) gehört die partielle Hydrierung von Alkinen zu Alkenen, bei der am häufigsten Quinolin aber auch Diamine als Modifikatoren verwendet werden. Dieses Katalysatorsystem findet in Form der sogenannten Lindlar-Katalysatoren Anwendung<ii>. Es wird angenommen, dass eine konkurrierende Adsorption des Substrates, des Produktes und des Modifikators.
Durch Zusatz stickstoffhaltiger Basen zu Pd/C-Katalysatoren kann die Hydrogenolyse von Benzylether in Gegenwart anderer reduzierbarer funktioneller Gruppen, wie Olefin-, Benzylester-, Nitro-Gruppen selektiv unterdrückt werden<iii>. Jedoch werden aromatische N-Cbz (benzyloxycarbonyl) und halo-aromatische Gruppen hydriert. In Abwesenheit der N-Basen erfolgt jeweils eine vollständige Hydrogenolyse<iv>.
Die Verwendung von Diphenylsulfid als Katalysatorgift führt zu einer weiteren Ausdehnung der Anwendungsbreite des Pd/C-Katalysators. So konnten mit einem derartig modifizierten Katalysatorsystem Olefin- und Acetylen-Gruppen bei gleichzeitiger Unterdrückung der Hydrogenolyse aromatischer Carbonyl- und Halogen-, Benzylester-, und N-Cbz-Gruppen<v> hydriert werden. Weitere untersuchte S-haltige Modifikatoren waren Thiophenol, Diphenylsulfon, Diphenylsulfoxid und Diphenyldisulfid.
Die genannten Beispiele für die Modifizierung heterogener Katalysatoren haben das Ziel, die Chemoselektivität durch eine partielle Vergiftung der Oberfläche zu beeinflussen. Die bekannte Modifizierung heterogener Katalysatoren mit organischen Molekülen ist präparativ einfach und kostengünstig. Insbesondere bei katalytischen Anwendungen, bei denen die Anzahl oder Eigenschaften der aktiven Zentren gemäss Fig. ) und b) durch Adsorption einfacher stickstoffhaltiger Basen und schwefelhaltiger Verbindungen beeinflusst werden, sind viele erfolgreiche Katalysatorsysteme bekannt.
Wenn die Zielsetzung der Katalysatormodifizierung allerdings darin besteht, Stereo-, Diastereo- und Enantio-Selektivitäten zu kontrollieren, dann reicht ein einfaches Molekül, das selektiv an der Katalysatoroberfläche adsorbiert nicht aus.
In diesem Fall benötigen die Modifikatormoleküle neben Gruppen, die die Adsorption an der Katalysatoroberfläche ermöglichen, zusätzliche Organo-katalytische Funktionalitäten, die gezielte Wechselwirkungen mit den funktionellen Gruppen des Reaktionssubstrats an der Oberfläche des Katalysators eingehen.
Bei stereo-, diastereo- und enantioselektiven Reaktionen, bei denen Katalysatoren mit organo-katalytischen Funktionalitäten gemäss Fig. ) erforderlich sind, ist die Zahl erfolgreicher Anwendungen für modifizierte Katalysatoren noch sehr eingeschränkt.
Die Bedeutung von Aminen für diese Art von Reaktionen wird anhand der Hydrierung von 1-Methylinden-2-Carbonsäure (1-MICA) in Gegenwart von Pd/Al2O3<vi> deutlich (Fig. ).
Die Syn-Addition von zwei auf der Pd-Oberfläche adsorbierten Wasserstoffatomen ergibt vorwiegend das cis-Produkt.
Bei Zusatz von Modifikatoren (Cinchonidin und Quinuclidin) wird das trans/cis-Verhältnis mehr als verdoppelt. Der Einfluss der tertiären Amin-Modifikatoren wird durch die Säure-Base-Wechselwirkungen zwischen 1-MICA und dem Modifikator, der die Adsorption und Hydrierung von 1-MICA in 'upside down' Position unterstützt, erklärt.
Bei enantioselektiven katalytischen Reaktionen können Edelmetallträgerkatalysatoren im Zusammenspiel mit chiralen Modifikatoren chirale Informationen direkt an bestimmte Substratgruppen übertragen.
Mit der Kombination Pt/Al2O3/Cinchona-Alkaloid können [alpha]-Ketocarbonsäureester mit Enantioselektivitäten von 85-98% hydriert werden<vii> (Fig. ).
Die stereoselektive Hydrierung von [beta]-Ketocarbonsäureestern<viii> führt mit Raney-Nickel als Katalysator und Weinsäure als chiralem Modifikator sowie NaBr als Promotor zu Stereoselektivitäten bei den Hydroxyestern von ca. 80-98%. Weitere geeignete Substrate sind andere [beta]-funktionalisierte Ketone und sterisch anspruchsvolle Methylketone<ix>.
Die Kombination von Palladium mit unsubstituierten Cinchona-Alkaloiden oder einigen Vinca-Alkaloiden ergibt enantioselektive Katalysatoren für [alpha],[beta]-ungesättigte Carbonsäuren (ee bis 74%) und Hydroxymethylpyrone (ee bis 94%)<x>.
Über einige andere Pd-Trägerkatalysatoren mit chiralen Modifikatoren (z. B. Aminoalkohole, Aminosäuren) wurde berichtet, aber die erreichten Enantioselektivitäten betrugen nur ca. 20-25%.
Insgesamt fällt auf, dass sich die erfolgreichen Anwendungen im Bereich stereo-, diastereo- und enantioselektiver Reaktionen auf leicht aktivierbare Substrate, die unter milden Reaktionsbedingungen (geringer H2-Druck im Falle von Hydrierungen, geringe Temperatur) beschränken.
Eine Ursache dafür liegt vermutlich in der begrenzten Inertheit beziehungsweise im unerwünschten Abbau des chiralen Modifikators während der katalytischen Reaktion.
So ist bekannt, Cinchona-Modifikatoren, die bei der enantioselektiven Hydrierung in Verbindung mit Pt-Katalysatoren eingesetzt werden, durch die Wechselwirkung zwischen ihrem aromatischen Ringsystem und der Katalysatoroberfläche adsorbieren. Diese aromatische Gruppe wird allerdings während der Reaktion hydriert. Dies führt zur Ablösung des Modifikators von dem Katalysator und damit zum Rückgang oder vollständigen Verlust der Selektivität.
Darüber hinaus haben Adsorptionsgruppen, die labilere Adsorptionswechselwirkungen eingehen, den Nachteil, dass die Adsorption dieser Moleküle spezifische Metalloberflächen beziehungsweise Adsorptionsplätze voraussetzen. Damit ist die Anwendbarkeit entsprechender Modifikatoren an besondere Metallpartikelstrukturen, Trägermaterialien und an eng spezifizierte Herstellungsmethoden der heterogenen Katalysatoren gebunden.
Funktionierende enantio-selektiv wirkende Pt-Cinchona-Alkaloid-Systeme basieren zum Beispiel auf Al2O3 als Trägermaterial. Aktivkohle-geträgerte Katalysatoren zeigen dagegen nur geringe Selektivitäten.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Entwicklung von Katalysatorsystemen mit robusten organischen Modifikatoren, die sowohl organo-katalytische Funktionalitäten als auch Adsorptions-Gruppen aufweisen, die eine starke unspezifische Adsorption auf der Katalysatoroberfläche ermöglichen. Diese erfindungsgemässen Katalysatorsysteme können reaktionsträge Substrate unter schärferen Reaktionsbedingungen (erhöhte Temperatur, erhöhter Druck) aktivieren und chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektiv umsetzen.
Gegenstand der Erfindung sind Katalysatorsysteme, bestehend aus geträgerten oder nicht geträgerten Übergangsmetall-Katalysatoren, deren Oberfläche mit definierten Mengen von organischen Modifikatoren belegt sind, welche gekennzeichnet dadurch sind, dass der Modifikator eine schwefelhaltige Funktionalität (G0) aufweist.
Obwohl entsprechend des Standes der Technik schwefelhaltige Moleküle vorwiegend für die Vergiftung von Katalysatoren bekannt sind, wurde überraschenderweise bei den erfindungsgemässen Katalysatoren, die mit schwefelhaltigen Verbindungen behandelt werden, gefunden, dass sowohl eine Aktivitäts- als auch eine Selektivitätszunahme im Vergleich zu unmodifizierten Katalysatoren eintreten kann.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann aus einem Vollkatalysator oder einem geträgerten Katalysator und einem organischen Modifikator bestehen und dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator als schwefelhaltige Funktionalität (G0) Thiol-, (Poly-)Sulfan-, Thiophen- oder Thiopyran-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator mindestens eine weitere funktionelle Gruppe (G1) mit Bronsted-basischen, Bronsted-sauren, Lewis-basischen oder Lewis-sauren Eigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator zwischen der schwefelhaltigen Funktionalität (G0) und der Bronsted-basischen, Bronsted-sauren oder Lewis-basischen Funktionalität (G1) einen Spacer (Sp) aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Vollkatalysator oder der geträgerte Katalysator ein oder mehrere katalytisch aktive Komponenten enthält, wobei diese Komponenten Verbindungen der Elemente der I., II., VII. und VIII. Nebengruppe des Periodensystems, bevorzugt Verbindungen der Elemente Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Ir, Au, Ag, Ni, Co, Cu und Fe, sein können.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator während oder unmittelbar im Anschluss an die Herstellung des Metallbeziehungsweise geträgerten Metallkatalysators auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird und als derartiges Katalysatorsystem in die katalytische Prozessstufe eingeführt wird.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator unmittelbar vor der Einbringung in die katalytische Prozessstufe auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator und der heterogene Katalysator in die katalytische Prozessstufe eingebracht werden, und der Modifikator in situ auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator als schwefelhaltige Funktionalität (G0) Alkylthiol- oder Alkylsulfan- oder Alkyldisulfan- oder Alkyltrisulfan- oder Alkylpolysulfan-Gruppen oder Arylthiol- oder Arylsulfan- oder Aryldisulfan- oder Aryltrisulfan- oder Arylpolysulfan-Gruppen oder Alkyl-Aryl-thiol- oder Alkyl-Aryl-sulfan- oder Alkyl-Aryl-disulfan- oder Alkyl-Alkyl-trisulfan- oder Alkyl-Aryl-polysulfan-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator bevorzugt als schwefelhaltige Funktionalität (G0) Phenylthiol- oder Phenylsulfan-Gruppen oder Benzylthiol- oder Benzylsulfan-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Massenverhältnis Modifikator:Katalysator im Bereich zwischen 10000:1 und 1:10000 liegen kann und bevorzugt zwischen 10:1 und 1:1000
liegt.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator als funktionelle Gruppe (G1) eine oder mehrere Gruppen aus der Gruppe
Amino- und/oder
Carbonsäure- und/oder
Carbonsäureester- und/oder
Carbonsäureamid- und/oder
Aminocarbonsäure- und/oder
Aminocarbonsäureester- und/oder
Aminocarbonsäureamid- und/oder
Hydroxycarbonsäure- und/oder
Hydroxycarbonsäureester- und/oder
Hydroxycarbonsäureamid- und/oder
Aminoalkohol- und/oder
Diol- und/oder
Harnstoff- und/oder
Thioharnstoff-
aufweist.
Bevorzugte Modifikatoren mit schwefelhaltiger Funktionalität (G0) gemäss Erfindung können organische Moleküle sein, die Thiol-, (Poly-)Sulfan-, Thiophen- oder Thiopyran-Gruppen enthalten und darüber hinaus noch mindestens eine weitere funktionelle Gruppe (G1) mit Bronsted-basischen, Bronsted-sauren oder Lewis-basischen Eigenschaften, wie z B. Amino-, Aminosäure-, Hydroxycarbonsäure-, Aminoalkohol-, Diol-, Biphenol-, Harnstoff- oder Thioharnstoff-Gruppen aufweisen.
Die Modifikatoren der erfindungsgemässen Katalysatoren können einen Spacer (Sp) aufweisen, der sich zwischen Funktionalität G0 und G1 befindet. Der Spacer kann beispielsweise die in der Tabelle 1 aufgeführten Strukturen aufweisen.
Beispiele solcher Modifikatoren sind in Fig. und Tabelle 1 zusammengefasst.
Der Modifikator kann weiterhin eine multifuktionelle Gruppe (G1) mit 2 oder mehreren Bronstedsäure-, Bronstedbase, Lewissäure- oder Lewisbase-Gruppen aufweisen. Tabelle 1Beispiele für die funktionellen Gruppen Sp, G0 und G1 der erfindungsgemässen Modifikatoren
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Die S-haltigen Funktionalitäten G0 der in Fig. dokumentierten Modifikatoren des erfindungsgemässen Katalysatorsystems können der starken Adsorption des Modifikators an der Metalloberfläche, die auch bei erhöhter Reaktionstemperatur und hohen Konzentrationen reaktiver Substrate erhalten bleibt, dienen.
Die Modifikatoren der erfindungsgemässen Katalysatoren können mindestens ein Chiralitätszentrum aufweisen.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Katalysatorsystem Reaktionen der folgenden Reaktionsklassen katalysieren kann:
chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektive Hydrierungen von Substraten, die
eine oder mehrere Carbonyl-Gruppen und/oder
eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen und/oder
eine oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Gruppen und/oder
eine oder mehrere Nitrogruppen und/oder
eine oder mehrere Nitril-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Imin-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Hydroxylamin-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Alkin-Gruppen enthalten,
die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Alkylierung von primären oder sekundären Aminen
oder
die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Aminierung von Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniumsalzen oder Aminen.
Der Temperaturbereich der katalytischen Anwendung der erfindungsgemässen Katalysatoren kann von -70 bis 220 deg. C, vorzugsweise -10 bis 200 deg. C und insbesondere 20 bis 140 deg. C sein.
Der Druckbereich (H2-Partialdruck) der katalytischen Anwendung der erfindungsgemässen Katalysatoren kann 0,1 bis 300 bar, bevorzugt 0,5 bis 100 bar betragen.
Das Massenverhältnis Katalysator:Modifikator des erfindungsgemässen Katalysators kann zwischen 1:1 und 10.000:1, bevorzugt zwischen 10:1 und 1.000:1 liegen.
Mit den variierenden Funktionalitäten Z1 und Z2 der Gruppe G1 (siehe Tabelle 1 und Fig. ) können die Chemo-, Stereo-, Diastereo- und/oder Enantio-Selektivität des katalytischen Reaktionsverlaufs unterschiedlicher Reaktions- beziehungsweise Substratklassen gesteuert werden.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann zur Katalyse der folgenden Reaktionsklassen verwendet werden:
chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektive Hydrierungen von Substraten, die mindestens eine oder mehrere funktionelle Gruppen aus der Gruppe
eine oder mehrere Carbonyl-Gruppen
eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen
eine oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Gruppen
eine oder mehrere Nitrogruppen
eine oder mehrere Nitril-Gruppen
eine oder mehrere Imin-Gruppen
eine oder mehrere Hydroxylamin-Gruppen
eine oder mehrere Alkin-Gruppen aufweisen.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann weiterhin für die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Alkylierung von primären oder sekundären Aminen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann weiterhin für die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Aminierung von Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniumsalzen oder Aminen eingesetzt werden.
Die aktiven Metallkomponenten des erfindungsgemässen Katalysatorsystems können aus einer oder mehreren Edelmetallen, wie Pd, Pt, Ag, Au, Rh, Ru, Ir und/oder weitere Übergangsmetalle, wie Ni, Cu, Co, Mo bestehen.
Die Katalysatoren können weitere Elemente, wie zu Beispiel Alkali- und Erdalkalimetalle, Elemente der 3. 4. und 5. Hauptgruppe und/oder Elemente der 1. bis 8. Nebengruppe aufweisen.
Die Metallkomponenten der Katalysatoren können auf Trägern aufgebracht sein, wobei als Träger Aktivkohlen, Russ sowie oxidische Materialien, wie Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, Alumosilikate, MgO, CaO, SrO, BaO, beziehungsweise Mischoxide aus den genannten Oxiden verwendet werden können.
Die erfindungsgemässen neuartigen robusten organischen Modifikatoren erlauben eine wirksame Modifizierung von unterschiedlichen Metall-Träger-Katalysatoren und sind nicht mehr auf eng spezifizierte Träger- und Metallpartikeleigenschaften begrenzt.
Die resultierenden erfindungsgemässen Katalysatorsysteme eröffnen den Zugang zu einer Vielzahl chemo-, stereo-, diastereo- und enantio-selektiver chemischer Umsetzungen.
Beispiele
Die Beispiele konzentrieren sich auf die Anwendung erfindungsgemässer modifizierter Katalysatoren in Reaktionen, bei denen für die Substrataktivierung erhöhte Reaktionstemperaturen und Wasserstoffpartialdrücke erforderlich sind und für die die erfindungsgemässen Katalysatorsysteme einen deutlichen Fortschritt im Vergleich zum Stand der Technik aufweisen.
Beispiel 1
Heterogen-katalysierte enantio-selektive reduktive Aminierung in Gegenwart von Pt-Katalysatoren, die mit Aminosäure-Sulfan/-Thiol-Derivaten modifiziert wurden
Es wurde eine Bibliothek von 36 Modifikatoren erzeugt. Diese Bibliothek basiert auf den in Fig. gezeigten [alpha]-Aminosäure-Grundstruktur. Es wurden die Substituenten G0, G1 beziehungsweise innerhalb der Gruppe G1 die Funktionalitäten Z1 und Z2 (vergleiche auch Tabelle 1) gemäss Fig. systematisch variiert. SP ist gleich CH2-Gruppe.
Die Vertreter der Substanzbibliothek gemäss Fig. [image - see original document] wurden für die Modifizierung verschiedener Pt-Katalysatoren eingesetzt. Diese Katalysatoren enthielten jeweils 5 Ma-% Pt auf einem Al2O3-Träger (entspricht Catasium F214 in Tabelle 1a und b) bzw. 3 Ma-% Pt auf einem Aktivkohle-Träger (entspricht F1082QHA/W3% in Tabelle 1a und b). Die modifizierten Pt-Katalysatoren wurden in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt.
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Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H2-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50 deg. C bis 80 deg. C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Die Katalysatoren wurden in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Danach wurde 1 ml der Lösung des Modifikators im Lösungsmittel zugegeben und 30 min bei Raumtemperatur gerührt. Im Anschluss wurde 1 ml der Substratlösung und 1 ml der Lösung des Ammoniumsalzes hinzugegeben. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschliessend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Zu Reaktionsbeginn betrug das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton:NH4OH = 1:3. Das Mol-Verhältnis Substrat zu Modifikator wurde im Bereich von 1:1 bis 10000:1 variiert. Tabelle 2a) und b) enthält Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte für ausgewählte Experimente dieser Variationen. Es zeigt sich, dass insbesondere mit den erfindungsgemässen Katalysator-/Modifikator-Systemen Nr. 8, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 29, 30, 32, 35, 36 (Tabelle 2a, b) Enantio-Selektivitäten erzielt werden, die sowohl über den ee-Werten eines schwefelfreien Modifikator-Analogons (N-Acetylphenylalanin), als auch über den ee-Werten, die ohne Einsatz eines Modifikators erhalten werden, liegen.
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Beispiel 2
Der Vertreter Nr. 8 der Substanzbibliothek gemäss Fig. [image - see original document] wurde für die Modifizierung eines Pt-Katalysators (5 ma-% Pt geträgert auf Al2O3) eingesetzt. Der Katalysator wurde erzeugt indem 3 g Aluminiumoxid bei Raumtemperatur in 40 ml 2,5%iger Natriumcarbonatlösung (Na2CO3) 15 min lang mit einem Magnetrührer bei 50 deg. C suspendiert wurden. 400 mg Hexachloroplatinsäure-Hexahydrat (H2PtCl6 6H2O, entsprechend 150 mg Pt). gelöst in 30 ml Wasser, wurden innerhalb von ca. 30 min zur Trägersuspension getropft.
Nach beendeter Zugabe wurde nochmals 15 min gerührt und anschliessend der pH-Wert auf 10,5 eingestellt. Die Reduktion erfolgte durch Zugabe von 0,3 g Natriumborhydrid (NaBH4) in 30 ml Wasser bei 50 deg. C. Nach Einsatz der Reduktion (zu erkennen durch eine sofortige Schwarzfärbung des Katalysators) wurde nochmals etwa 45 min gerührt, bevor der Katalysator mit einer Fritte abgetrennt, mit Wasser gewaschen und über Nacht bei ca. 70 deg. C im Trockenschrank getrocknet wurde.
Unmittelbar im Anschluss an die Herstellung wurde der Katalysator in 40 ml einer Methanol-Lösung die 0,4 mmol/l des Modifikators Nr. 8 (vgl. Fig. [image - see original document]) enthielt, suspendiert. Im Anschluss wurde der Feststoff wieder abfiltriert, wahlweise mit Wasser gewaschen und im Vakuumschrank bei Raumtemperatur getrocknet.
Der modifizierte Pt-Katalysatore wurde in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt.
Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H2-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50 deg. C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Der Katalysatore wurde in 4 ml des Lösungsmittels suspendiert. Im Anschluss wurde 1 ml der Substratlösung und 1 ml der Lösung des Ammoniumsalzes hinzugegeben. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschliessend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Zu Reaktionsbeginn betrug das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton: NH4OH = 1:3.
Tabelle 3 zeigt Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte, die signifkant über den Werten des unmodifizierten Katalysators liegen (vgl. Beispiel 1, Tabelle 2b).
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Beispiel 3
Der Vertreter Nr. 8 der Substanzbibliothek gemäss Fig. [image - see original document] wurde für die Modifizierung eines Pt-Katalysators (3 ma-% Pt geträgert auf Aktivkohle, bezeichnet als F1082QHA/W3%) verwendet.
Der Pt-Katalysator wurde in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt und dabei mit N-Ac-S-Benzyl-L-Cystein in situ modifiziert.
Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H2-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50 deg. C bis 80 deg. C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Der Katalysatore wurde in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschliessend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Danach wurden 3 ml einer Methanol-Lösung, die den Modifikator, NH4OH und das Substrat enthielt, unter Reaktionsbedingungen und Rühren zur Katalysatorsuspension zugegeben. Das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton:NH4OH = 1:3 betrug. Das Molverhältnis Substrat: Modifikators im Reaktor betrug 1:11.
Tabelle 4 zeigt Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte, die signifkant über den Werten des unmodifizierten Katalysators liegen (vgl. Beispiel 1, Tabelle 2b).
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Beispiel 4
Heterogen-katalysierte enantio-selektive Hydrierungen von [alpha]-Keto-Carbonsäure-Derivaten
Für die enantio-selektive Hydrierung von Ethylpyruvat wurde ein Pt/Al2O3-Katalysator (5 ma-% Pt) mit folgenden Verbindungen modifiziert:
N-Acetylphenylalanin
N-Ac-S-Phenyl-L-Cystein
Die Katalysatoren wurden in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Danach wurde 1 ml der Lösung des Modifikators im Lösungsmittel zugegeben und 30 min bei Raumtemperatur gerührt. Die chemische Umsetzung erfolgte bei 50 deg. C und einem H2-Partialdruck von 5 bar in Essigsäure als Lösungsmittel. Ein Reaktionsansatz enthielt jeweils 10 mg des trockenen Katalysators und 6 ml Reaktionslösung mit einer Substratkonzentration von 750 mmol/l und einer Modifikatorkonzentration von 0,2 mmol/l.
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Die Ausbeuten und ee-Werte sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5Ergebnisse der Umsetzung von Ethylpyruvate (40 deg. C, 5 bar, Substratkonzentration 750 mmol/l; Modifikatorkonzentration 0,2 mmol/l).
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Das erfindungsgemässe Katalysator-/Modifikator-System zeigt im Vergleich zum modifikatorfreien System und zum System mit dem schwefelfreien Modifikator bei der gewählten Reaktionsbedingung die höchste Enantiomeren-Anreicherung.
List, B. Tetrahedron Lett. 2002, 58, 5573
ii H. Lindlar, Helv. Chim. Acta 35 (1952) 446 .
vi a) T. M. Tri, P. Gallezot, B. Imelik, Stud. Surf. Sci. Catal. 11 (1982) 141 .
b) C. H. Bartholomew, P. K. Agrawal, J. R. Katzer, Adv. Catal. 31 (1982) 135 .
vii Sajiki, H.; Hirota, K. Tetrahedron 1998, 54, 13981 .
viii H. Sajiki et al., Organic Letters, Published on Web 06/28/2006
xiv K. Borszeky, T. Mallat, A. Baiker, Tetrahedron: Asym 10 (24), 1999, pp. 4781-4789
xviii H.-U. Blaser, B. Pugin, M. Studer in "Chiral Catalyst Immobilization and Recycling", D. E. De Vos, I. F. J. Vankelecom, P. A. Jacobs (Eds.), Wiley-VCH, Weinheim, 2000, S. 1 .
xxxix A. Tai, T. Sugimura, in "Chiral Catalyst Immobilization and Recycling", D. E. De Vos, I. F. J. Vankelecom, P. A. Jacobs (Eds.), Wiley-VCH, Weinheim, 2000, S. 173 .
xl T. Osawa, T. Harada, A. Tai, Catal. Today 37 (1997) 465 .
xli H.-U. Blaser, A. Indolese, A. Schnyder, H. Steiner, M. Studer, J. Mol. Catal. A: Chem. 173 (2001) 3 .
(c)DE102007007227 (A1), 2008-10-09,WOLF DORIT; RIERMEIER THOMAS; DRAUZ KARLHEINZ; WEBER CHRISTOPH
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Heterogene Katalysatoren finden aufgrund ihrer einfachen Rezyklierbarkeit und ihrer Einsatzmöglichkeit in kontinuierlichen Prozessen eine breite Anwendung in der Erzeugung von Basis-Chemikalien, chemischen Zwischenprodukten, feinchemischen und pharmazeutischen Produkten. Feinchemische und pharmazeutische katalytische Prozesse weisen eine hohe Substratspezifität auf, das heisst, es müssen bestimmte funktionelle Gruppen in multifunktionellen organischen Substraten umgewandelt werden. Dabei führen die bekannten heterogenen Katalysatoren gegenüber homogenen Katalysatoren meist zu einer geringeren Selektivität der katalytischen Reaktion.
Es ist bekannt, die Selektivität gegenüber bestimmten funktionellen Gruppen eines organischen Ausgangsmoleküls zu verbessern, indem man heterogene Katalysatoren mit kleinen Mengen an organischen oder anorganischen Verbindungen modifiziert. Diese Modifizierung heterogener Katalysatoren eröffnet die Möglichkeit, die Anwendungsbreite eines kommerziellen Feststoffkatalysators zu erweitern, weil die chemische Struktur und die Menge des Modifikators den Erfordernissen einer bestimmten chemischen Reaktion gezielt angepasst werden kann.
Die Verbindungen, die zur Modifizierung der Katalysatoroberfläche verwendet werden, werden in der Fachliteratur mit unterschiedlichen Begriffen, wie zum Beispiel Modifikator, Promoter, Additiv, Regulator, selektives Katalysatorgift oder Co-Katalysator bezeichnet.
Im Folgenden wird der Begriff "Modifikator" verwandt, wobei dieser Begriff durchaus synonym mit den anderen Bezeichnungen zu verstehen ist.
Die Modifikatoren haben die Eigenschaft, dass sie Adsorptionswechselwirkungen mit der Katalysatoroberfläche eingehen und auf diese Weise erwünschte Änderungen der Aktivität und Selektivität der Katalysatoren
a) durch die Veränderung der Anzahl der aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche (partielle Vergiftung aktiver Zentren).
b) durch die Veränderung der elektronischen Eigenschaften der aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche oder
c) durch die Einführung von organo-katalytischen Funktionalitäten, dass heisst, die durch die Verwendung kleiner einfacher möglicherweise chiraler organischer Moleküle, die auch ohne Anwesenheit von Metallen vielfältige Reaktionen hochselektiv katalysieren können, induzieren (Fig. [image - see original document]).
Modifikatoren für heterogene Katalysatoren bestehen aus einer Struktureinheit, die die Haftung (Adsorption) des Modifikators an der Katalysatoroberfläche ermöglicht.
Darüber hinaus können die Modifikatoren für den Fall c) (vgl. Fig. ) Struktureinheiten mit organo-katalytischer Aktivität aufweisen. Dabei kann es sich z. B. um Aminosäure- oder Peptid-Strukturen oder Organo-Metallkomplex-Liganden handeln, die bereits ohne Anwesenheit eines weiteren Metalls chemische Umsetzungen hochselektiv katalysieren können<i>.
Die organo-katalytischen Funktionsgruppen können auch chirale Zentren aufweisen, so dass durch die Wechselwirkung zwischen Modifikator und Reaktionssubstrat eine chirale Induktion auf Seiten des Substrates erfolgen kann.
Zu den bekannten Beispielen einer Änderung der Anzahl beziehungsweise der Eigenschaften aktiver Zentren des Katalysators mit Modifikatoren (partiellen Vergiftung der aktiven Zentren) gehört die partielle Hydrierung von Alkinen zu Alkenen, bei der am häufigsten Quinolin aber auch Diamine als Modifikatoren verwendet werden. Dieses Katalysatorsystem findet in Form der sogenannten Lindlar-Katalysatoren Anwendung<ii>. Es wird angenommen, dass eine konkurrierende Adsorption des Substrates, des Produktes und des Modifikators.
Durch Zusatz stickstoffhaltiger Basen zu Pd/C-Katalysatoren kann die Hydrogenolyse von Benzylether in Gegenwart anderer reduzierbarer funktioneller Gruppen, wie Olefin-, Benzylester-, Nitro-Gruppen selektiv unterdrückt werden<iii>. Jedoch werden aromatische N-Cbz (benzyloxycarbonyl) und halo-aromatische Gruppen hydriert. In Abwesenheit der N-Basen erfolgt jeweils eine vollständige Hydrogenolyse<iv>.
Die Verwendung von Diphenylsulfid als Katalysatorgift führt zu einer weiteren Ausdehnung der Anwendungsbreite des Pd/C-Katalysators. So konnten mit einem derartig modifizierten Katalysatorsystem Olefin- und Acetylen-Gruppen bei gleichzeitiger Unterdrückung der Hydrogenolyse aromatischer Carbonyl- und Halogen-, Benzylester-, und N-Cbz-Gruppen<v> hydriert werden. Weitere untersuchte S-haltige Modifikatoren waren Thiophenol, Diphenylsulfon, Diphenylsulfoxid und Diphenyldisulfid.
Die genannten Beispiele für die Modifizierung heterogener Katalysatoren haben das Ziel, die Chemoselektivität durch eine partielle Vergiftung der Oberfläche zu beeinflussen. Die bekannte Modifizierung heterogener Katalysatoren mit organischen Molekülen ist präparativ einfach und kostengünstig. Insbesondere bei katalytischen Anwendungen, bei denen die Anzahl oder Eigenschaften der aktiven Zentren gemäss Fig. ) und b) durch Adsorption einfacher stickstoffhaltiger Basen und schwefelhaltiger Verbindungen beeinflusst werden, sind viele erfolgreiche Katalysatorsysteme bekannt.
Wenn die Zielsetzung der Katalysatormodifizierung allerdings darin besteht, Stereo-, Diastereo- und Enantio-Selektivitäten zu kontrollieren, dann reicht ein einfaches Molekül, das selektiv an der Katalysatoroberfläche adsorbiert nicht aus.
In diesem Fall benötigen die Modifikatormoleküle neben Gruppen, die die Adsorption an der Katalysatoroberfläche ermöglichen, zusätzliche Organo-katalytische Funktionalitäten, die gezielte Wechselwirkungen mit den funktionellen Gruppen des Reaktionssubstrats an der Oberfläche des Katalysators eingehen.
Bei stereo-, diastereo- und enantioselektiven Reaktionen, bei denen Katalysatoren mit organo-katalytischen Funktionalitäten gemäss Fig. ) erforderlich sind, ist die Zahl erfolgreicher Anwendungen für modifizierte Katalysatoren noch sehr eingeschränkt.
Die Bedeutung von Aminen für diese Art von Reaktionen wird anhand der Hydrierung von 1-Methylinden-2-Carbonsäure (1-MICA) in Gegenwart von Pd/Al2O3<vi> deutlich (Fig. ).
Die Syn-Addition von zwei auf der Pd-Oberfläche adsorbierten Wasserstoffatomen ergibt vorwiegend das cis-Produkt.
Bei Zusatz von Modifikatoren (Cinchonidin und Quinuclidin) wird das trans/cis-Verhältnis mehr als verdoppelt. Der Einfluss der tertiären Amin-Modifikatoren wird durch die Säure-Base-Wechselwirkungen zwischen 1-MICA und dem Modifikator, der die Adsorption und Hydrierung von 1-MICA in 'upside down' Position unterstützt, erklärt.
Bei enantioselektiven katalytischen Reaktionen können Edelmetallträgerkatalysatoren im Zusammenspiel mit chiralen Modifikatoren chirale Informationen direkt an bestimmte Substratgruppen übertragen.
Mit der Kombination Pt/Al2O3/Cinchona-Alkaloid können [alpha]-Ketocarbonsäureester mit Enantioselektivitäten von 85-98% hydriert werden<vii> (Fig. ).
Die stereoselektive Hydrierung von [beta]-Ketocarbonsäureestern<viii> führt mit Raney-Nickel als Katalysator und Weinsäure als chiralem Modifikator sowie NaBr als Promotor zu Stereoselektivitäten bei den Hydroxyestern von ca. 80-98%. Weitere geeignete Substrate sind andere [beta]-funktionalisierte Ketone und sterisch anspruchsvolle Methylketone<ix>.
Die Kombination von Palladium mit unsubstituierten Cinchona-Alkaloiden oder einigen Vinca-Alkaloiden ergibt enantioselektive Katalysatoren für [alpha],[beta]-ungesättigte Carbonsäuren (ee bis 74%) und Hydroxymethylpyrone (ee bis 94%)<x>.
Über einige andere Pd-Trägerkatalysatoren mit chiralen Modifikatoren (z. B. Aminoalkohole, Aminosäuren) wurde berichtet, aber die erreichten Enantioselektivitäten betrugen nur ca. 20-25%.
Insgesamt fällt auf, dass sich die erfolgreichen Anwendungen im Bereich stereo-, diastereo- und enantioselektiver Reaktionen auf leicht aktivierbare Substrate, die unter milden Reaktionsbedingungen (geringer H2-Druck im Falle von Hydrierungen, geringe Temperatur) beschränken.
Eine Ursache dafür liegt vermutlich in der begrenzten Inertheit beziehungsweise im unerwünschten Abbau des chiralen Modifikators während der katalytischen Reaktion.
So ist bekannt, Cinchona-Modifikatoren, die bei der enantioselektiven Hydrierung in Verbindung mit Pt-Katalysatoren eingesetzt werden, durch die Wechselwirkung zwischen ihrem aromatischen Ringsystem und der Katalysatoroberfläche adsorbieren. Diese aromatische Gruppe wird allerdings während der Reaktion hydriert. Dies führt zur Ablösung des Modifikators von dem Katalysator und damit zum Rückgang oder vollständigen Verlust der Selektivität.
Darüber hinaus haben Adsorptionsgruppen, die labilere Adsorptionswechselwirkungen eingehen, den Nachteil, dass die Adsorption dieser Moleküle spezifische Metalloberflächen beziehungsweise Adsorptionsplätze voraussetzen. Damit ist die Anwendbarkeit entsprechender Modifikatoren an besondere Metallpartikelstrukturen, Trägermaterialien und an eng spezifizierte Herstellungsmethoden der heterogenen Katalysatoren gebunden.
Funktionierende enantio-selektiv wirkende Pt-Cinchona-Alkaloid-Systeme basieren zum Beispiel auf Al2O3 als Trägermaterial. Aktivkohle-geträgerte Katalysatoren zeigen dagegen nur geringe Selektivitäten.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Entwicklung von Katalysatorsystemen mit robusten organischen Modifikatoren, die sowohl organo-katalytische Funktionalitäten als auch Adsorptions-Gruppen aufweisen, die eine starke unspezifische Adsorption auf der Katalysatoroberfläche ermöglichen. Diese erfindungsgemässen Katalysatorsysteme können reaktionsträge Substrate unter schärferen Reaktionsbedingungen (erhöhte Temperatur, erhöhter Druck) aktivieren und chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektiv umsetzen.
Gegenstand der Erfindung sind Katalysatorsysteme, bestehend aus geträgerten oder nicht geträgerten Übergangsmetall-Katalysatoren, deren Oberfläche mit definierten Mengen von organischen Modifikatoren belegt sind, welche gekennzeichnet dadurch sind, dass der Modifikator eine schwefelhaltige Funktionalität (G0) aufweist.
Obwohl entsprechend des Standes der Technik schwefelhaltige Moleküle vorwiegend für die Vergiftung von Katalysatoren bekannt sind, wurde überraschenderweise bei den erfindungsgemässen Katalysatoren, die mit schwefelhaltigen Verbindungen behandelt werden, gefunden, dass sowohl eine Aktivitäts- als auch eine Selektivitätszunahme im Vergleich zu unmodifizierten Katalysatoren eintreten kann.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann aus einem Vollkatalysator oder einem geträgerten Katalysator und einem organischen Modifikator bestehen und dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator als schwefelhaltige Funktionalität (G0) Thiol-, (Poly-)Sulfan-, Thiophen- oder Thiopyran-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator mindestens eine weitere funktionelle Gruppe (G1) mit Bronsted-basischen, Bronsted-sauren, Lewis-basischen oder Lewis-sauren Eigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator zwischen der schwefelhaltigen Funktionalität (G0) und der Bronsted-basischen, Bronsted-sauren oder Lewis-basischen Funktionalität (G1) einen Spacer (Sp) aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Vollkatalysator oder der geträgerte Katalysator ein oder mehrere katalytisch aktive Komponenten enthält, wobei diese Komponenten Verbindungen der Elemente der I., II., VII. und VIII. Nebengruppe des Periodensystems, bevorzugt Verbindungen der Elemente Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Ir, Au, Ag, Ni, Co, Cu und Fe, sein können.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator während oder unmittelbar im Anschluss an die Herstellung des Metallbeziehungsweise geträgerten Metallkatalysators auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird und als derartiges Katalysatorsystem in die katalytische Prozessstufe eingeführt wird.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator unmittelbar vor der Einbringung in die katalytische Prozessstufe auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator und der heterogene Katalysator in die katalytische Prozessstufe eingebracht werden, und der Modifikator in situ auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator als schwefelhaltige Funktionalität (G0) Alkylthiol- oder Alkylsulfan- oder Alkyldisulfan- oder Alkyltrisulfan- oder Alkylpolysulfan-Gruppen oder Arylthiol- oder Arylsulfan- oder Aryldisulfan- oder Aryltrisulfan- oder Arylpolysulfan-Gruppen oder Alkyl-Aryl-thiol- oder Alkyl-Aryl-sulfan- oder Alkyl-Aryl-disulfan- oder Alkyl-Alkyl-trisulfan- oder Alkyl-Aryl-polysulfan-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator bevorzugt als schwefelhaltige Funktionalität (G0) Phenylthiol- oder Phenylsulfan-Gruppen oder Benzylthiol- oder Benzylsulfan-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Massenverhältnis Modifikator:Katalysator im Bereich zwischen 10000:1 und 1:10000 liegen kann und bevorzugt zwischen 10:1 und 1:1000
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Modifikator als funktionelle Gruppe (G1) eine oder mehrere Gruppen aus der Gruppe
Amino- und/oder
Carbonsäure- und/oder
Carbonsäureester- und/oder
Carbonsäureamid- und/oder
Aminocarbonsäure- und/oder
Aminocarbonsäureester- und/oder
Aminocarbonsäureamid- und/oder
Hydroxycarbonsäure- und/oder
Hydroxycarbonsäureester- und/oder
Hydroxycarbonsäureamid- und/oder
Aminoalkohol- und/oder
Diol- und/oder
Harnstoff- und/oder
Thioharnstoff-
aufweist.
Bevorzugte Modifikatoren mit schwefelhaltiger Funktionalität (G0) gemäss Erfindung können organische Moleküle sein, die Thiol-, (Poly-)Sulfan-, Thiophen- oder Thiopyran-Gruppen enthalten und darüber hinaus noch mindestens eine weitere funktionelle Gruppe (G1) mit Bronsted-basischen, Bronsted-sauren oder Lewis-basischen Eigenschaften, wie z B. Amino-, Aminosäure-, Hydroxycarbonsäure-, Aminoalkohol-, Diol-, Biphenol-, Harnstoff- oder Thioharnstoff-Gruppen aufweisen.
Die Modifikatoren der erfindungsgemässen Katalysatoren können einen Spacer (Sp) aufweisen, der sich zwischen Funktionalität G0 und G1 befindet. Der Spacer kann beispielsweise die in der Tabelle 1 aufgeführten Strukturen aufweisen.
Beispiele solcher Modifikatoren sind in Fig. und Tabelle 1 zusammengefasst.
Der Modifikator kann weiterhin eine multifuktionelle Gruppe (G1) mit 2 oder mehreren Bronstedsäure-, Bronstedbase, Lewissäure- oder Lewisbase-Gruppen aufweisen. Tabelle 1Beispiele für die funktionellen Gruppen Sp, G0 und G1 der erfindungsgemässen Modifikatoren
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Die S-haltigen Funktionalitäten G0 der in Fig. dokumentierten Modifikatoren des erfindungsgemässen Katalysatorsystems können der starken Adsorption des Modifikators an der Metalloberfläche, die auch bei erhöhter Reaktionstemperatur und hohen Konzentrationen reaktiver Substrate erhalten bleibt, dienen.
Die Modifikatoren der erfindungsgemässen Katalysatoren können mindestens ein Chiralitätszentrum aufweisen.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Katalysatorsystem Reaktionen der folgenden Reaktionsklassen katalysieren kann:
chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektive Hydrierungen von Substraten, die
eine oder mehrere Carbonyl-Gruppen und/oder
eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen und/oder
eine oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Gruppen und/oder
eine oder mehrere Nitrogruppen und/oder
eine oder mehrere Nitril-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Imin-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Hydroxylamin-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Alkin-Gruppen enthalten,
die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Alkylierung von primären oder sekundären Aminen
oder
die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Aminierung von Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniumsalzen oder Aminen.
Der Temperaturbereich der katalytischen Anwendung der erfindungsgemässen Katalysatoren kann von -70 bis 220 deg. C, vorzugsweise -10 bis 200 deg. C und insbesondere 20 bis 140 deg. C sein.
Der Druckbereich (H2-Partialdruck) der katalytischen Anwendung der erfindungsgemässen Katalysatoren kann 0,1 bis 300 bar, bevorzugt 0,5 bis 100 bar betragen.
Das Massenverhältnis Katalysator:Modifikator des erfindungsgemässen Katalysators kann zwischen 1:1 und 10.000:1, bevorzugt zwischen 10:1 und 1.000:1 liegen.
Mit den variierenden Funktionalitäten Z1 und Z2 der Gruppe G1 (siehe Tabelle 1 und Fig. ) können die Chemo-, Stereo-, Diastereo- und/oder Enantio-Selektivität des katalytischen Reaktionsverlaufs unterschiedlicher Reaktions- beziehungsweise Substratklassen gesteuert werden.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann zur Katalyse der folgenden Reaktionsklassen verwendet werden:
chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektive Hydrierungen von Substraten, die mindestens eine oder mehrere funktionelle Gruppen aus der Gruppe
eine oder mehrere Carbonyl-Gruppen
eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen
eine oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Gruppen
eine oder mehrere Nitrogruppen
eine oder mehrere Nitril-Gruppen
eine oder mehrere Imin-Gruppen
eine oder mehrere Hydroxylamin-Gruppen
eine oder mehrere Alkin-Gruppen aufweisen.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann weiterhin für die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Alkylierung von primären oder sekundären Aminen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemässe Katalysatorsystem kann weiterhin für die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Aminierung von Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniumsalzen oder Aminen eingesetzt werden.
Die aktiven Metallkomponenten des erfindungsgemässen Katalysatorsystems können aus einer oder mehreren Edelmetallen, wie Pd, Pt, Ag, Au, Rh, Ru, Ir und/oder weitere Übergangsmetalle, wie Ni, Cu, Co, Mo bestehen.
Die Katalysatoren können weitere Elemente, wie zu Beispiel Alkali- und Erdalkalimetalle, Elemente der 3. 4. und 5. Hauptgruppe und/oder Elemente der 1. bis 8. Nebengruppe aufweisen.
Die Metallkomponenten der Katalysatoren können auf Trägern aufgebracht sein, wobei als Träger Aktivkohlen, Russ sowie oxidische Materialien, wie Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, Alumosilikate, MgO, CaO, SrO, BaO, beziehungsweise Mischoxide aus den genannten Oxiden verwendet werden können.
Die erfindungsgemässen neuartigen robusten organischen Modifikatoren erlauben eine wirksame Modifizierung von unterschiedlichen Metall-Träger-Katalysatoren und sind nicht mehr auf eng spezifizierte Träger- und Metallpartikeleigenschaften begrenzt.
Die resultierenden erfindungsgemässen Katalysatorsysteme eröffnen den Zugang zu einer Vielzahl chemo-, stereo-, diastereo- und enantio-selektiver chemischer Umsetzungen.
Beispiele
Die Beispiele konzentrieren sich auf die Anwendung erfindungsgemässer modifizierter Katalysatoren in Reaktionen, bei denen für die Substrataktivierung erhöhte Reaktionstemperaturen und Wasserstoffpartialdrücke erforderlich sind und für die die erfindungsgemässen Katalysatorsysteme einen deutlichen Fortschritt im Vergleich zum Stand der Technik aufweisen.
Beispiel 1
Heterogen-katalysierte enantio-selektive reduktive Aminierung in Gegenwart von Pt-Katalysatoren, die mit Aminosäure-Sulfan/-Thiol-Derivaten modifiziert wurden
Es wurde eine Bibliothek von 36 Modifikatoren erzeugt. Diese Bibliothek basiert auf den in Fig. gezeigten [alpha]-Aminosäure-Grundstruktur. Es wurden die Substituenten G0, G1 beziehungsweise innerhalb der Gruppe G1 die Funktionalitäten Z1 und Z2 (vergleiche auch Tabelle 1) gemäss Fig. systematisch variiert. SP ist gleich CH2-Gruppe.
Die Vertreter der Substanzbibliothek gemäss Fig. [image - see original document] wurden für die Modifizierung verschiedener Pt-Katalysatoren eingesetzt. Diese Katalysatoren enthielten jeweils 5 Ma-% Pt auf einem Al2O3-Träger (entspricht Catasium F214 in Tabelle 1a und b) bzw. 3 Ma-% Pt auf einem Aktivkohle-Träger (entspricht F1082QHA/W3% in Tabelle 1a und b). Die modifizierten Pt-Katalysatoren wurden in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt.
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Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H2-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50 deg. C bis 80 deg. C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Die Katalysatoren wurden in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Danach wurde 1 ml der Lösung des Modifikators im Lösungsmittel zugegeben und 30 min bei Raumtemperatur gerührt. Im Anschluss wurde 1 ml der Substratlösung und 1 ml der Lösung des Ammoniumsalzes hinzugegeben. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschliessend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Zu Reaktionsbeginn betrug das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton:NH4OH = 1:3. Das Mol-Verhältnis Substrat zu Modifikator wurde im Bereich von 1:1 bis 10000:1 variiert. Tabelle 2a) und b) enthält Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte für ausgewählte Experimente dieser Variationen. Es zeigt sich, dass insbesondere mit den erfindungsgemässen Katalysator-/Modifikator-Systemen Nr. 8, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 29, 30, 32, 35, 36 (Tabelle 2a, b) Enantio-Selektivitäten erzielt werden, die sowohl über den ee-Werten eines schwefelfreien Modifikator-Analogons (N-Acetylphenylalanin), als auch über den ee-Werten, die ohne Einsatz eines Modifikators erhalten werden, liegen.
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Beispiel 2
Der Vertreter Nr. 8 der Substanzbibliothek gemäss Fig. [image - see original document] wurde für die Modifizierung eines Pt-Katalysators (5 ma-% Pt geträgert auf Al2O3) eingesetzt. Der Katalysator wurde erzeugt indem 3 g Aluminiumoxid bei Raumtemperatur in 40 ml 2,5%iger Natriumcarbonatlösung (Na2CO3) 15 min lang mit einem Magnetrührer bei 50 deg. C suspendiert wurden. 400 mg Hexachloroplatinsäure-Hexahydrat (H2PtCl6 6H2O, entsprechend 150 mg Pt). gelöst in 30 ml Wasser, wurden innerhalb von ca. 30 min zur Trägersuspension getropft.
Nach beendeter Zugabe wurde nochmals 15 min gerührt und anschliessend der pH-Wert auf 10,5 eingestellt. Die Reduktion erfolgte durch Zugabe von 0,3 g Natriumborhydrid (NaBH4) in 30 ml Wasser bei 50 deg. C. Nach Einsatz der Reduktion (zu erkennen durch eine sofortige Schwarzfärbung des Katalysators) wurde nochmals etwa 45 min gerührt, bevor der Katalysator mit einer Fritte abgetrennt, mit Wasser gewaschen und über Nacht bei ca. 70 deg. C im Trockenschrank getrocknet wurde.
Unmittelbar im Anschluss an die Herstellung wurde der Katalysator in 40 ml einer Methanol-Lösung die 0,4 mmol/l des Modifikators Nr. 8 (vgl. Fig. [image - see original document]) enthielt, suspendiert. Im Anschluss wurde der Feststoff wieder abfiltriert, wahlweise mit Wasser gewaschen und im Vakuumschrank bei Raumtemperatur getrocknet.
Der modifizierte Pt-Katalysatore wurde in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt.
Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H2-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50 deg. C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Der Katalysatore wurde in 4 ml des Lösungsmittels suspendiert. Im Anschluss wurde 1 ml der Substratlösung und 1 ml der Lösung des Ammoniumsalzes hinzugegeben. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschliessend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Zu Reaktionsbeginn betrug das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton: NH4OH = 1:3.
Tabelle 3 zeigt Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte, die signifkant über den Werten des unmodifizierten Katalysators liegen (vgl. Beispiel 1, Tabelle 2b).
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Beispiel 3
Der Vertreter Nr. 8 der Substanzbibliothek gemäss Fig. [image - see original document] wurde für die Modifizierung eines Pt-Katalysators (3 ma-% Pt geträgert auf Aktivkohle, bezeichnet als F1082QHA/W3%) verwendet.
Der Pt-Katalysator wurde in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt und dabei mit N-Ac-S-Benzyl-L-Cystein in situ modifiziert.
Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H2-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50 deg. C bis 80 deg. C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Der Katalysatore wurde in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschliessend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Danach wurden 3 ml einer Methanol-Lösung, die den Modifikator, NH4OH und das Substrat enthielt, unter Reaktionsbedingungen und Rühren zur Katalysatorsuspension zugegeben. Das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton:NH4OH = 1:3 betrug. Das Molverhältnis Substrat: Modifikators im Reaktor betrug 1:11.
Tabelle 4 zeigt Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte, die signifkant über den Werten des unmodifizierten Katalysators liegen (vgl. Beispiel 1, Tabelle 2b).
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Beispiel 4
Heterogen-katalysierte enantio-selektive Hydrierungen von [alpha]-Keto-Carbonsäure-Derivaten
Für die enantio-selektive Hydrierung von Ethylpyruvat wurde ein Pt/Al2O3-Katalysator (5 ma-% Pt) mit folgenden Verbindungen modifiziert:
N-Acetylphenylalanin
N-Ac-S-Phenyl-L-Cystein
Die Katalysatoren wurden in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Danach wurde 1 ml der Lösung des Modifikators im Lösungsmittel zugegeben und 30 min bei Raumtemperatur gerührt. Die chemische Umsetzung erfolgte bei 50 deg. C und einem H2-Partialdruck von 5 bar in Essigsäure als Lösungsmittel. Ein Reaktionsansatz enthielt jeweils 10 mg des trockenen Katalysators und 6 ml Reaktionslösung mit einer Substratkonzentration von 750 mmol/l und einer Modifikatorkonzentration von 0,2 mmol/l.
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Die Ausbeuten und ee-Werte sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5Ergebnisse der Umsetzung von Ethylpyruvate (40 deg. C, 5 bar, Substratkonzentration 750 mmol/l; Modifikatorkonzentration 0,2 mmol/l).
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Das erfindungsgemässe Katalysator-/Modifikator-System zeigt im Vergleich zum modifikatorfreien System und zum System mit dem schwefelfreien Modifikator bei der gewählten Reaktionsbedingung die höchste Enantiomeren-Anreicherung.
List, B. Tetrahedron Lett. 2002, 58, 5573
ii H. Lindlar, Helv. Chim. Acta 35 (1952) 446 .
vi a) T. M. Tri, P. Gallezot, B. Imelik, Stud. Surf. Sci. Catal. 11 (1982) 141 .
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xiv K. Borszeky, T. Mallat, A. Baiker, Tetrahedron: Asym 10 (24), 1999, pp. 4781-4789
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(c)DE102007007227 (A1), 2008-10-09,WOLF DORIT; RIERMEIER THOMAS; DRAUZ KARLHEINZ; WEBER CHRISTOPH
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