CC BY
30
Библиографический список
1. Черняк А.С., Аренс В.Ж. Внедрение химии и микробиологии в технологию горного дела: состояние и перспективы // Вестник ИрГТУ. 2006. № 3 (27). С. 17-23.
2. Саламатов В.И., Пунишко О.А., Саламатов О.В. Расчет незамкнутых схем противотока с законченным циклом промывки в сгустителях с использованием оборотной воды в
К-ом промывателе // Вестник ИрГТУ. 2003. № 2 (27). С. 60-63.
3. Авдохин В.М. Основы обогащения полезных ископаемых. М.: Изд-во МГГУ, 2006. Т.1. 416 с.
4. Скобеев Н.К. Вопросы производства глинозема. М.: Гос-гортехиздат, 1963. 237 с.
УДК 546.97:541.49:542.941.7
АСИММЕТРИЧЕСКОЕ ГИДРИРОВАНИЕ а-АЦЕТАМИДОКОРИЧНОЙ КИСЛОТЫ И ЕЕ ЭФИРА НА НАНОЧАСТИЦАХ ПАЛЛАДИЯ С ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ
© В.О. Страхов1, Е.М. Тулохонов2, С.Ч. Ванзаракшаева3, П.С. Эндерс4, С.С. Колесников5, Л.О. Ниндакова6
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Показано, что каталитическая система Pd(AcAc)2 - mod - H2, где mod - ^^)-цинхонидин, Cin и его протежированные производные Cin*HCl и Cin*2HCl, проявляет каталитическую активность в асимметрическом гидрировании а-ацетамидокоричной кислоты (ААКК) и ее метилового эфира при комнатной температуре и давлении Н 2 5 атм. В присутствии протонированных форм цинхонидина как модификатора каталитической системы Pd(AcAc)2 -mod - H2 наблюдалась реакция этерификации либо ААКК, либо N-ацетилфенилаланина (АФА) в зависимости от исходной концентрации субстрата. Избыток R(-) - энантиомера N-ацетилфенилаланина достигает 85% на системе Pd(Acac)2 - mod - H2 при отношении (-)-Cin/Pd=1,5, тогда как протонированные формы хинного алкалоида в качестве модификаторов каталитической системы показывают меньшую эффективность в отношении хиральной индукции. С применением РФА и ПЭМ ВР установлено формирование наночастиц палладия со средними размерами 6,0 ± 0,9 нм и 4,3 ± 1 нм соответственно, для систем Pd(Aœc)2 - (-)-Cin - H2 и Pd(Acac)2 - (-)-Cin *HCl - H2.
Ключевые слова: наночастицы палладия; цинхонидин; гидрирование; ацетофенон.
ASYMMETRIC HYDROGENATION OF a-ACETAMIDOCINNAMIC ACID AND ITS ESTER ON PALLADIUM NANOPARTICLES WITH OPTICALLY ACTIVE MODIFIERS
V.O. Strakhov, E.M. Tulokhonov, S.Ch. Vanzarakshaeva, P.S. Enders, S.S. Kolesnikov, L.O. Nindakova
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The catalytic system Pd(Acac)2 - mod - H2, where mod is (8S,9R)-cinchonidine, Cin and its protonated derivatives Cin* HCl and Cin*2HCl is shown to be catalytically active in asymmetric hydrogénation of а-acetamidocinnamic acid (AACA) and its methyl ester at the room temperature and pressure of H2 5 atm. In the presence of protonated forms of cinchoni-dine as a modifier of the catalytic system Pd(Acac)2 - mod - H2 the esterification reaction of either AACA or N-acetylphenylalanine (APA) is observed depending on the initial substrate concentration. Enantiomeric excess of R(-)-N-acetylphenylalanine reaches 85% in the system Pd(Acac)2 - mod - H2 at the ratio of (-)-Cin/Pd=1.5, whereas the protonated forms of cinchona alkaloids as catalytic system modifiers show a lower efficiency in chiral induction. The formation of palladium nanoparticles with the average sizes of 6.0 ± 0.9 nm and 4.3 ± 1 nm, respectively, has been ident i-fied for the systems Pd(Aœc)2 - (-)-Cin - H2 and Pd(AcAc)2 - (-)-Cin*HCl - H2 using X-ray phase analysis and high resolution transmission electron microscopy.
Keywords: palladium nanoparticles; cinchonidine; hydrogénation; acetophenone.
1Страхов Василий Олегович, аспирант, тел.: 89648115295, e-mail: v.strakhov@mail.ru
Strakhov Vasilii, Postgraduate, tel.: 89648115295, e-mail: v.strakhov@mail.ru
2Тулохонов Евгений Михайлович, студент, тел.: 89834417444, e-mail: evgentulokhonov@gmail.com
Tulokhonov Evgenii, Student, tel.: 89834417444, e-mail: evgentulokhonov@gmail.com
3Ванзаракшаева Сарюна Чингизовна, студентка, тел.: 89834625741, e-mail: svanzarakshaeva@yandex.ru
Vanzarakshaeva Sariuna, Student, tel.: 89834625741 , e-mail: svanzarakshaeva@yandex.ru
4Эндерс Павел Сергеевич, студент, тел.: 89248274770, e-mail: enders-pavel@ya.ru
Enders Pavel, Student, tel.: 89248274770, e-mail: enders-pavel@ya.ru
5Колесников Сергей Сергеевич, ведущий инженер Физико-технического института, тел.: 89501265890, e-mail: kss11_74@mail.ru
Kolesnikov Sergei, Leading engineer of Physico-Technical Institute, tel.: 89501265890, e-mail: kss11_74@mail.ru
6Ниндакова Лидия Очировна, доктор химических наук, профессор кафедры квантовой физики и нанотехнологий,
тел.: (3952) 405691, e-mail: nindakova@istu.edu
Nindakova Lidiya, Doctor of Chemistry, Professor of the Department quantum physics and the Nanotechnology Department of INRTU, tel.: (3952) 405691, e-mail: nindakova@istu.edu
Введение
Получение биологически активных соединений в энантиомерно чистой форме является актуальной задачей из-за их высокой востребованности в фармакологии. Поэтому широкое распространение нашли исследования по разработке методов получения соединений, которые могут представлять собой лекарственные препараты или служить в качестве синтонов для их создания. Один из наиболее распространенных способов получения оптически активных аминокислот и их эфиров - энантиоселективное гидрирование соответствующих ненасыщенных прохиральных соединений, дегидроаминокислот и их эфиров. В промышленности благодаря высокой частоте оборотов катализаторов и высокой энантиоселективности реакций, несмотря на трудности в отделении растворенного металла от продуктов реакции, все чаще используются гомогенные комплексы переходных металлов с хи-ральными фосфор- и азотсодержащими лигандами [1-3]. Но, поскольку гетерогенные катализаторы проще отделить от продуктов реакции для повторного использования, они обладают большим потенциалом для промышленного использования при условии, что при этом достигаются высокие энантиомерные выходы продуктов [4-5]. Зачастую в качестве катализаторов гидрирования используют металлические наноча-стицы, модифицированные хиральными агентами. В частности, активно изучаются системы на основе металлов платиновой группы.
Гетерогенное каталитическое энантиоселективное гидрирование алифатических ненасыщенных кислот долгое время было малоэффективным. Так, наноча-стицы Pt, Pd, Ru и Rh, внесенные в сополимер р-циклодекстрина и эпихлоргидрина, дают в такой реакции избыток энантиомера (и.э.) не более 10% [6]. Применение аминокислот в качестве модификаторов для катализируемой палладием реакции гидрирования итаконовой кислоты и ее метилового эфира также не имело успеха [7]. Один из заметных результатов был достигнут в 1996 г. с 1%-ым Pd/SiO2 катализатором, модифицированным ^^)-(-)-цинхонидином, на котором получено 27% и.э. в превращении 2-метил-2-пентеновой кислоты в ^)-2-метилпентановую кислоту [8].
Изучение катализаторов на основе палладия в гидрировании прохиральных дегидрокислот распространено из-за его более низкой цены в сравнении с другими благородными металлами (Rh, Pt). Так, группой Szollôsi и др. [9] при изучении энантиоселективно-го гидрирования а,р-ненасыщенных карбоновых кислот на Pd/Al2O3 катализаторе, модифицированном ^^)-(-)-цинхонидином, установлено, что значения и.э. возрастают с увеличением длины алифатической цепочки в молекуле субстрата. Максимальная оптическая чистота продукта не превышала 57%. Не очень высокий и.э. в продуктах реакции гидрирования подтверждается и другими источниками, в частности, Bartok и др. [10] получили 36% и.э. при гидрировании а-ацетамидокоричной кислоты над модифицированным (8S,9R) -цинхонидином Pd/TiO2 и и.э. 58 и 60% в
продуктах гидрирования а-ацетамидоакриловой кислоты над Pd/Al2O3, модифицированным (88^)-(-)-цинхонидином и ^,9Б)-цинхонином соответственно.
Широко известны работы Baiker и др. [11-13], в которых в качестве металлических нанесенных катализаторов гидрирования ряда a.ß-ненасыщенных кислот применяли модифицированные (8Б^)-(-)-цинхонидином Pd и Pt. И.э. в значительной степени зависел от давления водорода, полярности растворителя и количества катализатора, к тому же большой вклад вносила реакция изомеризации, приводящая к понижению и.э. продукта [11-13].
Работы по асимметрическому гидрированию де-гидрокислот молекулярным водородом на наночасти-цах, диспергированных в растворителе, встречаются крайне редко [14], несмотря на то, что в таких системах можно наблюдать эффекты влияния природы модификаторов на каталитическую эффективность систем в отсутствие влияния носителя.
Целью данной работы было изучение реакции каталитического гидрирования а-ацетамидокоричной кислоты (а-ААКК) и ее метилового эфира (МЭ а-ААКК) на системе Pd(Acаc)2 - mod - H2, где mod - (8S,9R)-цинхонидин, 1 и его протонированные производные.
Экспериментальная часть
Реактивы и растворители
Растворители и исходные реагенты, применявшиеся в данном исследовании, очищали по известным методикам [15].
^^)-(-)-цинхонидин {^)-(-)-хинолин-4-ил-[(^^^^)-5-винил-азабицикло [2.2.2]окт-2-ил]-метанол} (1) (Merk) перекристаллизован из метанола.
^^)-цинхонидин* хНС1 (0<х<1), 2. К раствору ^^)-(-)-цинхонидина (2,16 г; 7,32 ммоль) в 50 мл этанола при перемешивании в течение 15 мин добавили 60 мл 10%-го раствора соляной кислоты. Образовавшуюся суспензию перемешивали в течение 1 часа, экстрагировали 3 раза серным эфиром, сушили экстракт над Na2SO4 и выпаривали его досуха на роторном испарителе. Получен белый порошок, Тпл=207,5-213,2оС, №=-105 (С 0,25, МеОН), [а]р=-117 (С 0,051, Н2О).
Соединения ^^)-цинхонидин*НС1 (3) и (8S,9R)-цинхонидин*2НС1 (4) были получены по методике [16] из соединения 1.
Приборы для определения характеристик катализатора
Рентгенофазовый анализ (РФА) твердых осадков выполняли на дифрактометре Shimadzu XRD 7000, при комнатной Т в диапазоне углов 3 - 80°, значения шаг сканирования 0,05о, рентгеновская трубка с Cu анодом Ка (2=0,15418 нм), фокусировка по Бреггу-Брентано с монохроматором на дифрагированном пучке. Идентификацию фаз проводили с помощью программы Match! 1.1. и международной базы данных PDF-2.
Проникающая электронная микроскопия высокого разрешения (ПЭМ ВР). Изображения получены на приборе FEI Tecnai G2 с ускоряющим напряжением
200 кВ, оснащенным энергодисперсионным детектором (EDAX) для выполнения элементного анализа. Анализ периодической структуры и фильтрация изображений выполнены с использованием метода Фурье (FFT и IFFT). Межатомные расстояния определяли с помощью программы Digital Micrographs 2.30.
Каплю раствора катализатора (CPd=10 ммоль/л), сформированного in situ, наносили на опорную сеточку, покрытую углеродной пленкой, и высушивали в атмосфере аргона. Условия съемки исключали плавление и разложение исследуемых образцов под действием электронного пучка.
Методика проведения эксперимента
Гидрирование проводили в 100 мл автоклаве GlasUster cyclone 075 фирмы BUCHI при температуре 25оС. бис-ацетилацетонат палладия (0,0152-0,0304 г, 0,05-0,1 ммоль) растворяли в смеси 3 мл толуола с 4 мл метилового спирта, после чего в потоке молекулярного водорода вносили 0,0294-0,0441 г (0,075-0,15 ммоль) модификатора в 5 мл метанола и перемешивали при давлении в 5 - 9 бар Н2. После потемнения раствора соли палладия (~30 мин) вносили раствор а-ацетамидокоричной кислоты 0,205-1 г (1-4,8 ммоль) в 8 мл метилового спирта, включали перемешивание и отбирали пробы каждые полчаса/час. Анализ проб проводили на хроматомасс-спектрометре Shimadzu GCMS-QP2010 Plus в режиме электронного удара при 70 эВ с последующим сканированием в диапазоне m/z от 40 до 350; капиллярная колонка Equity 5 (30 м*0,25 мм, 95% диметилполисилоксана, 5% дифенилполиси-
локсана, газ-носитель - гелий).
Для отделения продукта от катализатора пропускали реакционную смесь через слой хроматографиче-ского оксида алюминия, добавляли в раствор продукта 0,5 г DOWEX 50Wx10, перемешивали в течение 30 мин, отделяли катионобменную смолу на фильтре Шотта и отгоняли растворитель при пониженном давлении (50°С/10 мм рт. ст.). Избыток энантиомера продуктов гидрирования - N-ацетил L-фенилаланина и метилового эфира N-ацетил L-фенилаланина определяли путем измерения удельного вращения раствора на поляриметре B+S ADP 410 (желтая линия натрия), используя поляриметрическую кювету длиной
0.5 дм.
Результаты и обсуждение
Гидрирование субстратов
Гидрирование N-ацетил-а-амидокоричной кислоты (а-ААКК) протекает на каталитической системе Pd(Acac)2 - mod - Н2, где mod - соединения 1, 2, 3 и 4, с образованием N-ацетил фенилаланина (АФА) и его метилового эфира (МЭ АФА).
Результаты экспериментов по гидрированию а-ААКК молекулярным водородом представлены в табл.
1. Процесс гидрирования а-ААКК на системе без модификатора Pd(Acac)2 - H2 (холостой опыт, табл. 1, строка 8) и на системе с модификатором (8S,9R)-(-)-цинхонидин, 1 протекает с образованием единственного продукта реакции N-ацетилфенилаланина (N-АФА).
O
O
Pd(Acac)2-mod-MeOH
H
O
OH(CH3) CH,
O
Таблица 1
Гидрирование a-ААКК на каталитической системе Pd(Acac)2 - mod - Н2 (CPd= 5 ммоль/л; Sub/Pd = 50;
№ п/п mod Индукционный период, ч И.э. R-(-), % Хим. выход, % TOF^, моль/г-ат Pd*ч W, ммоль/ л*ч
N-АФА МЭ N-АФА
1 1 Более 3,5 82,0 99 - 11,0 55
2 2 3,5 7 92 8 10,0 50
3а 2 2 9 92 - 8,1 41
4б 2 28 - 69 - - -
5в 2 22 28 54 46 5,4 27
6 3 23 23 85 15 1,4 7
7 4 2,5 10 79 21 0,2 1
8 - - 0 100 - 6,5 32
14 мл МеОН.
растворитель - смесь 4 мл толуола, 4 мл ТГФ и 12 мл МеОН; растворитель - смесь 6 мл толуола и
2
3
о
В присутствии модификаторов 2, 3 и 4 на изучаемых каталитических системах протекает гидрирование а-ААКК в Ы-ацетил-ФА с его последующей этерифика-цией в МЭ Ы-АФА, причем реакция этерификации начинается до того, как весь исходный субстрат превращается в Ы-АФА.
На рис. 1 представлена типичная кинетическая кривая изменения концентрации а-ААКК во времени в каталитическом гидрировании субстрата на системе Рс1(Асас)2 - 2 - Н2. Скорости, измеренные на участках активной работы катализатора, модифицированного соединениями 1 и 2, соизмеримы по величине (табл. 1, строки 1-3).
Можно заметить, что при уменьшении доли метилового спирта в растворителе индукционный период значительно увеличивается (табл. 1, строки 2, 4, 5). Каталитические системы Pd(Acac)2-3-МеОН и РС(Асас)2-4-МеОН показали меньшую в сравнении с системами Pd(Acac)2-1-МеОН и Pd(Acac)2-2-МеОН каталитическую активность в гидрировании а-ААКК, а избыток энантиомера составил 23 и 10%. Кроме того, в присутствии этих систем протекает реакция этерификации, причем более значительное количество МЭ Ы-ацетил-ФА образуется в присутствии дважды про-
тонированного модификатора 4. Таким образом, использование протонированных образцов модификаторов 2 и 3 приводит к увеличению выхода продукта этерификации АФА. Скорости реакции гидрирования в присутствии немодифицированного палладия выше, чем с модификаторами 3 и 4 (табл. 1, строки 6-8), но соизмеримы со скоростями процесса на системах Pd(Acac)2 - mod - Н2, где mod=1, 2 (табл. 1, строки 1-3, 5).
Поскольку МЭ N-АФА может образоваться как в результате этерификации N-АФА, так и при гидрировании МЭ а-ААКК, были предприняты дополнительные исследования для выявления соотношения скоростей гидрирования а-ААКК и ее метилового эфира на каталитической системе Pd(Acac)2 - 1 - Н2.
Коллоидная система изучена в гидрировании двух образцов смеси а-ацетамидокоричной кислоты (а-ААКК) и ее метилового эфира (МЭ а-ААКК), различающихся, по данным 1Н ЯМР-спектроскопии, соотношением компонентов:
а-ААКК - 38,0%; МЭ а-ААКК - 62,0% (5); а-ААКК - 76,0%; МЭ а-ААКК - 24,0% (6).
Результаты экспериментов приведены в табл. 2.
Рис. 1. Кинетическая кривая гидрирования а-ААКК на системе Pd(Асас)2 - 2 - Н2 (Сpd=5 ммоль/л; ЗиЬ/Рв=50; растворитель - смесь толуол:метанол=3:17; рн2=5 бар; строка 3 в табл. 1
Таблица 2
Гидрирование смеси а-ААКК и МЭ а-ААКК на каталитической системе Pd(Acac)2 - 1 - Н2 (CPd=5 ммоль/л; _Sub/Pd=10; VPhPe=20 мл, растворитель - МеОН)_
№ опыта 1/Pd И.э. R-(-), % Хим. выход, % W, ммоль/л*ч Отн. скоростей превр. комп-в, Г/Э
1 0,5 8 100 Э* - 0,15 Г* - 0,26 1,7
2 0,5 11 98 - -
4 1 51 100 - -
5 1,5 67 100 Э - 1,3 Г - 2,9 2,2
6 2 82 100 - -
7 4 83 97 Э - 0,17 Г- 0,05 0,3
8** 1,5 85 93 Э - 1,4 Г - 2,4 1,7
Примечание. * Э - реакция этерификации; Г - реакция гидрирования; ** Cpd=1 ммоль/л.
Кинетическая кривая изменения концентраций компонентов смеси субстратов и продукта реакции во времени для образца 5 представлена на рис. 2. Гидрирование смеси а-ААКК и МЭ а-ААКК на изученных системах характеризуется меньшими величинами скоростей превращения, что указывает на прямую зависимость скорости реакции от концентрации субстрата, поскольку концентрация исходного субстрата в данном случае была меньше в 5 раз.
Концентрация кислоты уменьшается во времени (кривая 3), причем на кинетической кривой можно обнаружить два участка, различающихся скоростью убыли концентрации (участок 1 - 1,33 ммоль/л*ч; участок 2 - 3,25 ммоль/л*ч). Из графика следует, что на начальном участке кривой 3 в течение первых 3-х часов протекает этерификация кислоты метанолом. Первый участок кривой падения концентрации кислоты примерно совпадает во времени с увеличением концентрации МЭ а-ААКК (рис. 2, кривая 3), и измеренная скорость относится к реакции этерификации
исходной кислоты, а второй участок ассоциируется с суммарным процессом: появлением продукта МЭ Ы-ацетилфениаланина, а также с продолжающейся реакцией этерификации а-ААКК. Для второго образца субстрата, содержащего больше а-ААКК (а-ААКК - 76,0%; МЭ а-ААКК - 24,0%), кинетические кривые изменения концентраций гидрирования приведены на рис. 3. Можно заметить, что последовательность реакций гидрирования и этерификации остается такой же, как и в случае образца 5.
Характеристика катализатора. Сигмоидальный вид кинетических кривых, образование темно-коричневых растворов при взаимодействии раствора Рс1(Асас)2 с водородом свидетельствуют в пользу образования наночастиц палладия в каталитических системах [17, 18]. Для изучения растворов каталитических систем и образцов палладия, выделенных из каталитических систем, применены методы ПЭМ ВР, РФА.
к
X <и X
к «
0 л
ES §
1 *
СР
н X <и
а х
о «
40
35
30
25
20
15
10
10
X, ч
Рис. 2. Кинетические кривые гидрирования а-ААКК (3), МЭ а-ААКК (1) и образования МЭ NАФА (2) (Сpd=5 ммоль/л; Sub/Pd=10; растворитель - метанол; pн2=5 бар; строка 5 в табл. 2)
«
К X <и X
X «
8 ^
о § §
СР
н X
а х
о «
20 18 16 14 12 10
0 Z*
10
X, ч
Рис. 3. Кинетические кривые изменения концентраций а-ААКК (2), МЭ а-ААКК (3) и МЭ N-АФА (1) (Сpd=1 ммоль/л; Sub/Pd=50; 1^=1,5; растворитель - метанол; Vраствора=20 мл; строка 8 в табл. 2)
5
0
8
6
4
2
0
2
4
6
8
Микрофотографии наночастиц Pd, образующихся в системе Pd(Acac)2 - п1 - ^ в метаноле (п=1, СРс1=10 ммоль/л), приведены на рис. 4, а и 4, б. На врезке слева (рис. 4, а) представлена дифракционная картина выделенной области (SAED) образца. Статистическое распределение примерно 100 частиц по размерам, полученное с микрофотографий ПЭМ ВР, представлено на рис. 4, в. Наблюдаются частицы со средним диаметром 6,0±0,9 нм, лежащие плотным слоем, при более высоком разрешении на атомном уровне проявляется их кристаллическая структура (рис. 5, б). По снимкам ПЭМ ВР были определены межплоскостные расстояния равные 2,247 А; 1,949 А; 1,381 А, которым, согласно базе PDF-2, соответствуют индексы
Миллера 111 (2,2458 А), 200 (1,94511 А) и 220 (1,37537 А) для палладия. Элементный анализ (EDAX) наночастиц палладия на аморфной пленке поливи-нилформальдегида (рис. 4, г) подтвердил присутствие в выбранной точке образца таких элементов, как углерод, палладий и медь (материал сетки).
Исследование образца, выделенного из каталитической системы в твердом виде методом РФА (рис. 4, д), показало, что наблюдаемые на спектрах РФА рефлексы принадлежат кубическому палладию (пространственная группа Fm3m) (PDF-2 № 00-046-1043) и соответствуют плоскостям 111 (26=40,15°), 200 (26=46,60°), 220 (26=68,15о), что согласуется с результатами, полученными из микроснимков ПЭМ.
30
tr
М 25
о и н о <и
к ч
& 10
3,9 4,7 5,4 6,2 7,0 7,7 Размер наночастиц, нм
5 nm
п 111
■J уд™ А220
б
в
г
д
Рис. 4. НЯ ТЕМ микрофотографии каталитической системы Рв(Дсас)2 - 1 - Н2 и спектр РФА образца, выделенного из нее: а - микрофотография в масштабе 20 нм, вставка - дифракционная картина (ЭДЕй) от наночастиц Рв; б - в масштабе 5 нм; в - гистограмма распределения наночастиц по размерам; г - элементный анализ (ЕйХ) наночастиц палладия; д - спектр РФА выделенного образца
На рис. 5 приведены микрофотографии и гистограмма распределения по размерам наночастиц Pd, образующихся в системе Pd(Acаc)2 - 2 - H2 в метаноле (CPd=10 ммоль/л). Индивидуальные частицы в скоплениях имеют средний размер 4,3±1 нм (рис. 5, а и 5, в) с толщиной межчастичных слоев около 1 нм, которые, возможно, содержат молекулы гидрохлорида ^^)-(-)-цинхонидина, обеспечивающего электростатическую стабилизацию наночастиц палладия. При более высоком разрешении на атомном уровне проявляется кристаллическая структура наночастиц палладия (рис. 5, б). Обнаружены межплоскостные расстояния в 2,24 А (плоскость 111 (2,2458 А), база PDF-2).
Обсуждение. Наряду с классическими методами этерификации кислот в присутствии оснований, кислот Бренстеда и Льюиса из научной литературы известны способы этерификации карбоновых кислот в присутствии хлоридов металлов: палладия (2+) [19], олова (2+) [20], индия (3+) [21].
Появление в изученных каталитических системах с протонированными производными (-)-цинхонидина продукта МЭ N-АФА, очевидно, объясняется тем, что реакция этерификации катализируется протонной кислотой (HCl). Это предположение подтверждается тем, что МЭ N-АФА присутствует в продуктах в значительном количестве лишь в системах, содержащих соединения 2, 3 и 4 (см. табл. 1, строки 5, 6, 7).
В то же время этерификацию исходной кислоты в образцах 5 и 6 при их гидрировании на каталитической системе Pd(Acac)2 - 1 - H2, нельзя объяснить кислотным катализом с участием HCl. Можно предположить, что в этом случае реализуется автокаталитическая реакция этерификации с участием а-ААКК как источника протона, или осуществляется катализ ионами Pd(2+). Таким образом, в системе Pd(Acac)2 - 1 - H2 (рис. 2) первоначально протекает частично этерификация кислоты в эфир, и только после этого начинается гидрирование непредельных субстратов с образованием продукта реакции, при этом на участке времени от 3 до 5 часов концентрация МЭ а-ААКК продолжает расти наряду с появлением продукта гидрирования - МЭ N-АФА. Скорость гидрирования МЭ а-ААКК была измерена на кривой зависимости концентрации конечного продукта МЭ N-ацетил-ФА от времени протекания реакции (рис. 2, кривая 2), ее величина с ростом мольного отношения 1/Pd (0,5:1,5:4) проходит через максимум (0,26<2,9>0,05 ммоль/л*ч, а наибольший и.э. R-H-энантиомера продукта достигается при отношениях 1/Pd 1,5 и 4. Можно отметить, что реакция эте-рификации начинает преобладать при отношении 1/Pd, когда реакция гидрирования на наночастицах палладия подавлена избытком модификатора на поверхности.
ШшШ>'
20 nm
о «
н о
<D
О
35 30 25 20 15 10 5 0
Dl
Jl
1,92 2,72 3,52 4,32 5,12 5,92 6,72 Размер наночастиц, нм
Рис. 5. Микрофотографии ТЕМ образца, выделенного из каталитической системы: а - Рв(Асас)2 - 2 - Н2 в масштабе 20 нм, вставка - дифракционная картина (БАЕй) от наночастиц Рв; б - в масштабе 5 нм; в - гистограмма распределения частиц по размерам
б
а
в
Кинетические кривые гидрирования а-ААКК, характеризующиеся индукционными периодами различной продолжительности, темно-коричневые растворы, характерные для квази-гомогенных металлических систем, свидетельствующие о катализе реакции нано-частицами, подтверждаются снимками ПЭМ ВР. Средний размер частиц при переходе от системы Pd(Acac)2 - 1 - H2 к системе Pd(Acac)2 -2 - H2 уменьшается от 6,0 нм до 4,3 нм, при этом скорости реакции гидрирования W на этих системах соизмеримы по величине (табл. 1, строки 1-3).
Возможно, кислотные условия реакций влияют на оптические чистоты хиральных сложных эфиров аминокислот [22].
Выводы
Показано, что каталитическая система Pd(Acаc)2 - mod - H2, где mod - (8Б,9Р)-цинхонидин, 1 и его протонированные производные 2, 3 и 4, проявляет каталитическую активность в асимметрическом гидрировании а-ААКК и ее эфира.
Установлено, что при низких концентрациях исходного субстрата на системе Pd(Acаc)2 - 1 - H2 первоначально протекает реакция этерификации а-ААКК
с образованием МЭ а-ААКК, затем - реакция гидрирования эфира в МЭ N-АФА. При высоких концентрациях субстрата в отсутствие МЭ а-ААКК идет гидрирование а-ААКК в N-АФА на системах без оптически активного модификатора на системе Pd(Acаc)2 - H2 и на системе Pd(Acаc)2 - 1 - H2. Реакция этерификации N-АФА наблюдалась только в присутствии протонированных форм цинхонидина как модификатора каталитической системы Pd(Acаc)2 - mod - H2.
Установлено, что в системах Pd(Acаc)2 - 1 - H2 и Pd(Acаc)2 - 2 - H2 происходит формирование наночастиц палладия со средними размерами 6,0±0,9 нм и 4,3±1 нм соответственно, при этом скорости реакции гидрирования соизмеримы по величине.
Избыток энантиомера МЭ N-ацетилфенилаланина достигает 85% избытка R(-)- энантиомера на системе Pd(Acаc)2 - 1 - H2 при отношении 8Б^-(-)-цинхонидин^=1,5, тогда как протонирован-ные формы хинного алкалоида в качестве модификаторов каталитической системы Pd(Acаc)2 - mod - H2 показывают меньшую эффективность в отношении хиральной индукции.
Статья поступила 05.10.2015 г.
Библиографический список
1. Blaser H.U., Schmidt E. Asymetric catalysis on industrial scale: challenges, approaches and solutions. Weinheim. Wiley-VCH. 2004. 454 p.
2. Blaser H.U., Pugin B., Spindler F. Progress in enantioselec-tive catalysis assessed from an industrial point of view // J. Mol. Cat. A: Chem. 2005. Vol. 231. P. 1-20.
3. Tang W., Zhang X. New chiral phosphorus ligands for enanti-oselective hydrogenation // Chem. Rev. 2003. Vol. 103. P. 3029-3070.
4. Sustainable Industrial Chemistry / Cavani F. [and etc.] // Weinheim. Wiley-VCH. 2009. 621 p.
5. Barbaro P., Santo V.D., Liguori F. Emerging strategies in sustainable fine-chemical synthesis: asymmetric catalysis by metal nanoparticles // Dalton Trans. 2010. Vol. 39. P. 8391-8402.
6. Smith G.V., Cheng J., Song R. Enantioselective Hydrogenation of Prochiral C=C Bonds over Nobel Metal Catalysts Supported by p-Cyclodextrin Polymer // Catalysis of organical reactions. 1996. P. 479-484.
7. New asymmetric heterogeneous catalytic hydrogenation reactions / A. Tungler, T. Tarnai, T. Mathe, G. Vidra, J. Petro, R.A. Sheldon // Catalysis of organical reactions. 1995. P. 201-206.
8. Enantioselective hydrogenation catalysed by palladium / T.J. Hall, P. Johnston, W.A.H. Vermeer, S.R. Watson, P.B. Wells // Studies in surface science and catalysis. 1996. Vol. 101. P. 221-230.
9. Enantioselective hydrogenation of a,p-unsaturated carboxylic acids over cinchonidine-modified Pd catalysts: effect of substrate structure on the adsorption mode / G. Szollosi, S.I. Niwa, T.A. Hanaoka, F. Mizukami // J. Mol. Cat A. 2005. Vol. 230. P. 1-95.
10. Szollosi G., Szabo E., Bartok M. Enantioselective hydrogenation of N-acetyldehydroamino acids over supported palladium catalysts // Adv. Synth. Catal. 2007. Vol. 349. P. 405-410.
11. Borszeky K., Mallat T., Baiker A. Enantioselective hydrogenation of 2-methyl-2-pentenoic acid over cinchonidine-modified Pd/alumina // Catal. Lett. 1996. Vol. 41. P. 199-202.
12. Borszeky K., Mallat T., Baiker A. Enantioselective hydrogenation of a,p-unsaturated acid. Substrate-modifier interaction over cinchonidine modified Pd/AhO3 // Tetrahedron. 1997.
Vol. 8. P. 3745-3753.
13. Borszeky K., Mallat T., Baiker A. Palladium-catalysed enantioselective hydrogenation of alkenoic acids. Role of isomeriza-tion // Catal. Lett. 1999. Vol. 59. P. 95-97.
14. Synthesis, characterization and catalytic reactivity of ruthenium nanoparticles stabilized by chiral N-donor ligands / S. Jansat,
D. Picurelli, К. Pelzer, К. Philippot, М. Gómez, G. Muller, Р. Lecante, В. Chaudret // New J. Chem. 2006. V. 30. N. 1. P. 115-122.
15. Гордон А., Форд Р. Спутник химика / пер. с англ.
E.Л. Розенберга и С.И. Коппеля. М.: МИР, 1976. 541 с.
16. Ниндакова Л.О., Страхов В.О., Хаташкеев А.В. Оптически активные четвертичные аммонийные соли на 8S,9R-(-)-цинхонидина и 4S,5S-(+)-N4,N4,N5,N5,2,2-гексаметил-1,3-диоксолан-4,5-диметанамина (DIODMA) // Вестник ИрГТУ. 2013. № 11 (82). С 253-258.
17. Nanoscale colloidal metals and alloys stabilized by solvents and surfactants. Preparation and use as catalyst precursors / Н. Bonnemann, G. Braun, W. Brijoux, R. Brinkmann, T.A. Schulze, К. Seevogel, К. Siepen // J. Organomet. Chem. 1996. V. 520. N. 1-2. P. 143-162.
18. Is It Homogeneous or Heterogeneous Catalysis? Compelling Evidence for Both Types of Catalysts Derived from [Rh(^-C5Me5)Cl2]2 as a Function of Temperature and Hydrogen Pressure / С.М. Hagen, J.A. Widegren, Р.М. Maitlis, R.G. Finke // J. Am. Chem. Soc. 2005. V. 127. N. 12. P. 4423-4432.
19. Катализируемая PdCl2 этерификация карбоновых кислот и переэтерификация сложных эфиров / К.С. Свирский, Р.В. Кунакова, Р.А. Зайнуллин, В.А. Докичев // Башкирский химический журнал. 2010. Т. 17. №. 2. С. 162-164.
20. Catalytic activity of tin(II) chloride in esterification of carboxylic acids with alcohols / C. Cho, D. Kim, H. Choi, T. Kim, S. Shim // Bull. Korean Chem. Soc. 2002. V. 23. P. 539-540.
21. Mineno T., Kansuii H. High yielding methyl esterification catalyzed by indium (III) chloride // Chem. Pharm. Bull. 2006. V. 54. N. 6. P. 918-919.
22. Anand and Vimal. A mild and convenient procedure for the esterification of amino acids // Synth. Comm. 1998. V. 28. N. 11. P. 1963-1965.
