CC BY
4639.Ляхов Н.З., Болдырев В.В. Изв. СО АН СССР, 198J,t. 5, № 12,с. 3—8.
40. Механохимический синтез в неорганической химии. Сб. научн. тр. Под ред. Е.Г. Аввакумова. Новосибирск: Наука, 1991, 2J5C.
41. Широкое Ю.Г., Ильин А.П. Изв. СО АН СССР, 198J,№ 6, с. 34—38.
42. Бутягин П.Ю. Успехи химии, 1984,т. 5J,№ 2,с. 1769—1780.
43.
с. 18J5—1856.
44. Буянов P.A., Молчанов В.В. Хим. пром., 1996,№ 3,с. 151—158.
45.
Иваново, 2005, J50c.
46. —17.
47.
и химическая технология, 2001,№ 4,с. 56—59.
48.
торов. Новосибирск, 198J,c. 18J—185.
49. Васильева H.A., Широков Ю.Г. Там же, 198J,c. 74—75.
50.Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д. Физико-химические основы получения и применение ферритов. М: Металлургия, 1979, 462;.
51.
гия, 1968, 184с.
52.
Л.: Химия, 198J, 256с.
53. Косова Н.В. и др. Неорган, мат., 1998,т. J4,№ 4,с. 478—484.
54.
55.
56.
—1423.
57.
58. Павлюхин Ю.Т. и др. Изв. СО АН СССР, 1970, т. 9, № 4, с. 14—20.
59. Исупова Л.А. и др. Кинетика и катализ, 2000, т. 41, № 2, с. >15—320.
60. Исупова Л.А. и др. Там же, 2004,т. 45,№ 3,с. 47^480.
61. Остроушко A.A., Шуберт Э. Ж. прикл. химии, 2000,т. 73, № 8, с.' 1J11—1320. '
62. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978, J60;.
63.
64. Продан Е.А. Неорганическая топохимия. Минск: Наука и техника, 1986, 269с.
65.
с. 48J—486.
66.
приготовления катализаторов. Омск, 2004,с. 95.
67. Ильин A.A., Смирнов H.H., Ильин А.П. Энергосберегающие технологии экологически безопасных производств. Иваново, 2004,с. 70.
68.
№ 1,с. 100—106.
69.
—47.
70. Патент РФ № 2254922, 2005.
71. Ильин А.П., Прокофьев В.Ю. Катализ в промышленности, 2002, № 6, с. 45—51.
72. Ильин А.П., Широкое Ю.Г. Вопросы кинетики и катализа. Иваново, ИХТИ, 198J,c. 51—55.
73. Круглицкий H.H. Основы физико-химической механики. Киев: Высшая школа, 1975,ч. 1, 360с.
74. Ильин А.П. Прокофьев В.Ю. Физико-химическая механика в формовании катализаторов. Иваново, ИГХТУ, 2004, Jl6c.
75. Авт. свид. СССР № 12J552J, 1986.
УДК 541.128:547(233.1/2 + 551.2)
Гидрогенизационное аминирование — универсальная «зеленая»
технология получения аминов
М. В. Клюев
МИХАИЛ ВАСИЛЬЕВИЧ КЛЮЕВ — доктор химических наук, профессор, член-корреспондент РИА, декан -
рой органической и биологической химии Область научных интересов: каталитический органический синтез, металлокомплексные катализаторы, физическая органическая химия
153025 Иваново, ул. Ермака, 39, ИвГУ, тел. (4932)370157, E-mail klyuev@ivanovo.ac.ru
Амины относятся к важнейшему классу азотсодержащих органических соединений. Область применения их весьма обширна и не нуждается в обсуждении.
Соответственно исключительному разнообразию строения аминов существует множество методов их получения и лишь некоторые из них могут считаться универсальными методами синтеза аминов. Одним из таких методов является каталитическое гидрогенизационное аминирование альдегидов и кетонов аммиаком или аминами и потенциальными источниками последних (нитро-, нитрозо-, азо-, азокси-, гидразо-соединения, нитрилы, гидроксиламины и другие в присутствии водорода и катализаторов гидрируются до соответствующих первичных аминов). Отсутствие вредных побочных продуктов позволяет уверенно
отнести гидрогенизационное аминирование к процессам «зеленой» химии.
В настоящем обзоре представлены работы автора и сотрудников кафедры органической и биологической химии Ивановского государственного университета по поиску эффективных металлокомплексных катализаторов процесса гидрогенизационного аминирования.
Гомогенные металлокомплексные катализаторы
В живой природе путем гидрогенизационного ам№ нирования кетокислоты в присутствии ферментов превращаются в аминокислоты [1,2]. Попытки моделирования природных каталитических систем для гидрогенизационного аминирования оказались неудачными — изученные в качестве катализаторов комплексы пере-
ходных металлов в условиях реакции показывают низкую стабильность. И это вполне объяснимо.
Процесс аминирования заключается в конденсации карбонильного соединения с аммиаком или аминами с последующим восстановлением образовавшейся >С=1Ч-связи молекулярным водородом на катализаторе гидр»-рования:
= O + NH2R''
-h2o
R
:=n— R''
+ h2
"CH—NHR''
R'
Я, Я', Я'' = Н, алкил, циклоалкил, арил, остаток гетеро-цикла.
В такой системе комплексы переходных металлов превращаются в аммиачные или аминные комплексы, которые легко разрушаются водородом до свободного металла В то же время витамин В12 и его простейшая модель — диаквакобалоксим(П) благодаря хелатному строению координационного центра в условиях гидрогенизационного аминирования не разрушаются и в их присутствии образуются комплексы, содержащие продукты аминирования в качестве аксиальных лигандов [3, 4].
Известно, что в реакциях гидрирования комплексы родия более активны, чем соответствующие кобальтовые аналоги [5, 6]. Можно было полагать, что эта зако-
номерность будет справедлива и для процесса гидрогенизационного аминирования.
В табл. 1 приведены результаты изучения гидрогенизационного аминирования некоторых кетонов аммиаком в присутствии комплексов родия. Даже при повышенном давлении неактивным оказался комплекс родия с индгь годисульфокислотой (табл. 1, поз. 1, 2), тогда как все остальные изученные системы в мягких условиях дают первичные и вторичные амины (табл. 1, поз. 3—7). Следует, однако, отметить, что за исключением комплексов родия с дибензил- и диметилглиоксимами все остальные
комплексы в процессе гидрогенизационного аминирова-
-
тилглиоксимато)аквародий(Ш) (поз. 7) оказался первым металлокомплексным катализатором гидрогенизационного аминирования карбонильных соединений в мягких условиях (45 °С, 1 атм Н2) [7—10].
Эффективная энергия активации процесса аминирова-
—
55 °С составляет 53 ± 5 кДж/моль. Скорость и селективность реакции можно увеличить введением в реакцио»-ную систему уксусной кислоты (табл. 1, поз. 8). Как показал эксперимент, в этих условиях катализатор стабильно работает не менее 18 часов без осаждения свободного металла. Для сравнения: родиевая чернь имеет гораздо более низкую активность (табл. 1, поз. 9).
Гидрогенизационное аминирование альдегидов нит-росоединениями представляет собой сочетание реакций
R
R
R
Таблица 1
Результаты гидрогенизационного аминирования кетонов аммиаком в присутствии комплексов родия
Для сравнения приведены данные для реакции в присутствии ЯЬ-черни в качестве катализатора. Обозначения: ББО и БМО — соответственно дибензил- и диметилглиоксимат, Ру — пиридин
Л» Комплекс Температура Время Состав катализата, % Селек-
реакции, °С реакции, ч карбонильное первичный вторичный соединение амин амин кетимин спирт тивность, %
1 Rh-индигодисульфокис-лотаа) 50 6 98 — — — 2 —
2 Rh-индигодисульфокис-лота 50 10 100 — — — — —
3 Rh-флуоресцеин 20 9 10 36 47 3 4 40
4 RhPy3Cl3 73 6 76 20 — — 4 83
5 H[Rh(DBG)2Cl2] 45 2 4 46 47 — 3 48
6 Rh-фенилантраниловая кислота 0) 45 1,5 36 16 42 6 Следы 25
7 H[Rh(DMG)2H2O]B) 45 1 17 29 49 5 — 35
8 H[Rh(DMG)2H2O]B)r) 45 1 18 70 12 — — 85
9 Rh-чернь ^ 45 3,5 16 46 34 — 4 55
Кетоны: в опытах 1 — 3, 5—9 циклогексанон, 0,4 моль/л; в опыте 4 метилэтилкетон, 0,4 моль/л.
Условия проведения реакции: мольное соотношение кетон : NH3 в опытах 1, 2, 9 1:3, в опыте 3 1:1,5, в опытах 4—8 1:2,5; концентрация комплекса Ю-2 моль/л; 1 атм Н2, концентрация NaBH4 (источник Н2) 3'10-2 моль/л; растворитель (10 мл) — метанол (в опыте 4 диметилформамид).
а) 8,4 атм Н2; 0) концентрация комплекса 2-10-3 моль/л; в) генерируется in situ восстановлением H[Rh(DMG)2Cl2]; г) в реакционную систему вводилась СН3СООН, 0,3 моль/л; ^ получена восстановлением метанольного раствора RhCl3 борогидридом натрия
Таблица 2
Результаты гидрогенизационного аминирования альдегидов нитробензолом и продуктами его восстановления в присутствии комплексов платиновых металлов с оксихинонами.
Обозначения: ХАК — хлораниловая кислота; Л7С — ализариновый красный С
Л» Комплекс, Температура Время Растворитель Состав катализата, % Активность
моль/л реакции, °С реакции, нитробен- анилин азометин М-алкил- -
мин зол анилин тора,
мольН 2 г - атМ • ч
1 1гХЛК, 5- 10-4 50 150 - 2 9 8 81 7
2 ЖХЛК, 5- 10-4 50 60 То же 6 9 1 84 110
3 рахЛк, 5- 10-4 50 60 —«— 0 0 2 98 180
4 Р^С)!, 7,75- 10-6 35 25 Вода 0 3 6 91 2588
5 Р^С^, 4- 10-6 21 150 - 0 4 15 81 2340
6 ЩЛ7С)2, 4,3- 10-6 21 180 То же 92 8 0 0 168
7 ра(Л7С)2, 4- 10-6 21 150 —«— 0 7 20 73 1824
8 ра(Л7С)2, 1,09- 10-5 21 40 —«— 0 0 2 98 1050
9 ра(Л7С)2, 8- 10-4 35 15 Этанол 0 0 2 98 1952
10 ра(Л7С)2, 8- 10-4 35 15 То же 0 1 2 97 1883
11 ра^С^, 8- 10-4 35 15 —«— 0 0 2 98 1781
12 ра^С^, 8- 10-4 35 15 —«— 0 0 2 98 1825
13 ра^С^, 8- 10-4 35 20 Вода 0 0 1 99 1951
14 р^С^, 8- 10-4 45 25 То же 0 0 2 98 1940
15 р^С^, 8- 10-4 10 120 —«— 0 1 3 96 917
16 р^С^, 8- 10-4 50 90 —«— 0 2 1 97 1707
17 р^С^, 8- 10-4 70 120 ДМФА 0 1 4 95 1035
18 р^С^, 8- 10-4 40 20 Этанол 0 0 1 99 1915
19 р^С^, 8- 10-4 35 15 То же 0 0 1 99 1923
— 2-
Условия реакции: 1 атм Н2; 10 мл растворителя; 0,1 моль/л аминирующего агента; 0,3 моль/л альдегида. Аминирующий агент:
—
гидрирования нитрогруппы, конденсации полученного амина с альдегидом и гидрирования образующегося
основания Шиффа. Известно, что восстановление нит---
-
—
двухэлектронного переноса В связи с этим наиболее эффективными катализаторами гидрогенизационного
аминирования альдегидов нитросоединениями оказа-
-
-
торые позволяют перейти от двухэлектронного восстановителя, каким является активированный переходным
-
восстановителю, получаемому при взаимодействии -
получивший название метода каталитических цепей, успешно развивался в работах М.Л. Хидекеля с сотр.
В частности, высокоэффективными катализаторами гидрогенизационного аминирования альдегидов ароматическими нитросоединениями оказались комплексы
—
галогенаниловыми кислотами, ализарином и его производными (табл. 2) [11—15].
Наибольшей активностью обладает комплекс плат» ны с ализарином красным С. Его активность не изменяется при проведении реакции в воде и в этаноле. Эффективная энергия активации для температурной области 22—70 °С составляет 10 ± 1 кДж/моль.
В качестве аминирующих агентов могут использоваться продукты восстановления нитробензола При
-
М-алкиланилины также получаются с высоким выходом (табл. 2, поз. 10—13, 15—19). К концу реакции ком-
2
рушаются до свободного металла В случае катализато-
ров И1(АгС)2 и Р1(АгС)2 осаждения металла не зафиксировано. Комплексы с неблагородными металлами, например с никелем, сами не катализируют гидрогенизационное аминирование, но являются сокатализаторами этого процесса [16]. В присутствии гетерогенного или металлопо-лимерного катализатора гидрирования и комплекса никеля
с ализарином скорость гидрогенизационого аминирования почти в три раза выше, чем без сокатализатора
Метачлокомплексные катализаторы на носителях
Недостатком гомогенных металлокомплексных катализаторов является то, что их трудно отделить от
Таблица 3
Результаты гидрогенизационного аминирования карбонильных соединений в присутствии гетерогенизированных металлокомплексных катализаторов
Л® Карбонильное соединение, моль/л
Катализатор, моль/л
Темпера- Время
тура реак-
реакции, ции, °С мин
Состав катализата, %
карбо- первич- азоме- вторич- третич-нильное ный тин ный ный соедине- амин амин амин
ние
Активность катализатора, мольН2 г - атМ • ч
1 Циклогекса-нон, 0,2
2 Бутаналь, 0,3
Н[ЩБМ0)2Н20]/С, 8,7- 10-3
Ра(Л7С)2/Л1203 0,3- 10-3
3 Бутаналь, 0,3 Р1(Л7С)2/Л1203 0,3- 10-3
рахлк/л12о3
1,5- 10-3 РЮ,, 1- 10-2
2-Метилпро-паналь, 0,3 2- -паналь, 0,3 2- -паналь, 0,3 2- -паналь, 0,3
Р1/С 1,3- 10-
Р1ХЛКС 1,3- 10-3
45 40 40 50 50 50 50
220 40 90 40 120 70 60
13 0 0 0 0 0 0
54 2 3 0 2 2 0
36 87 87 92 94 96 92
0 10 6 0 0 0 0
7,6 1674 1620 1000 600 519 1523
6
7
Условия реакции: 1 атм Н2; растворитель, 10 мл: в опыте 1 метанол, в остальных — этанол; аминирующий агент: в опыте 1 аммиак, 0,5 моль/л, в остальных — нитробензол, 0,1 моль/л.
Таблица 4
Результаты гидрогенизационного аминирования альдегидов нитробензолом и продуктами его восстановления в присутствии гетерогенизированных комплексов металлов группы платины с ализарином и ализариновым красным С
Обозначения: ЛБЮ2 — аминированный силикагель; АН-1 — политриметилолмеламин
№ Катализатор, Амини- Альдегид Раствори- Темпе- Время Состав катализата, % Активность
содержание комплекса руюшии агент тель ратура реак- реакции, мин анилин азоме-тин М-алкил-анилин катализатора, мольН2
на носителе, %(маее.) ции, °С г - атМ • ч
1 Р^уЛЬОз, 9,36 Нитробензол 2- - пропаналь Метанол 42 120 1 1 98 1154
2 Ра(Л7)2/ЛБЮ2, 7,54 Азобензол Анилин Пропаналь 2- 55 60 0 1 99 1340
3 ЩЛ7)3/АН-1, 0,82 Этаналь Вода 15 150 2 1 97 1097
4 Р^СуЛ^Оз, 5,4 Нитробензол Бутаналь Этанол 10 120 1 5 94 1348
5 Р^СуЛБЮг, 8,79 Азокси-бензол 2- - пропаналь То же 40 30 0 1 99 1705
6 Р^УАН-! 1,13 Нитробензол То же Вода 30 30 0 2 98 1832
7 Ра(Л7)2/АН-1, 0,78 То же Октаналь Этанол 40 60 0 1 99 1946
8*) Ю1(АгС)3/Л8Ю2, 12,66 —«— Бутаналь ДМФА 55 5 4 86 1289
2— * В составе катализатора содержится 5% нитробензола
продуктов реакции. Поэтому в конце 70-х—начале 80-х годов прошлого века интенсивно изучались каталитические системы на основе комплексов переходных металлов, закрепленных на неорганических и органических
—
локомплекса позволяет, сохраняя его высокую активность и селективность, улучшить стабильность и легко выделять катализатор из реакционной смеси.
Как видно из табл. 3 и 4, гетерогенизация описанных выше комплексов на неорганических носителях (активированный уголь, оксид алюминия, аминированный силикагель), а также на политриметилолмеламине позволяет проводить гидрогенизационное аминирование весьма эффективно. Катализаторы сохраняют высокую активность и селективность. Время работы катализатора измеряется месяцами. Важно, что структура комплекса при этом не разрушается. Так, по сравнению с традиционным катализатором Р1/С, активность которого сопоставима с РЮ2, катализатор Р1ХАК/С при одинаковом содержании металла в три раза активнее (табл. 3, ср. поз. 5, 6 и 7).
Следует отметить, что такие катализаторы могут работать в разных растворителях (вода, спирты, ДМФА), что позволяет варьировать технологические режимы их использования. В целом активность закрепленных комплексов металлов группы платины с сжси-хинонами в зависимости от температуры, растворителя,
природы аминирующего агента и альдегида изменяется
—
1946 мольН2/(г-атМ- ч).
Металлополгшерные катализаторы
Идея закрепления металлокомплексов на полимерах в свою очередь навела исследователей на мысль использовать функциональные группы макромолекул в качестве лигандов, т.е. формировать активные металлоцентры непосредственно в полимерной матрице. Оказалось, что
такие катализаторы имеют ряд особенностей (они подробно описаны в монографии [21]). Не разбирая строение активных центров металлополимеров, остановимся на их каталитических свойствах в рассматриваемом процессе.
Высокую активность в гидрогенизационном аминиро-вании алифатических альдегидов нитробензолом или продуктами его восстановления проявляют комплексы палла
—
мягких условиях с почти количественным выходом.
Анализ реакционных смесей показал [24], что
К-алкиланилины во всех случаях получаются через про-
лина и соответствующего азометина Стадии гидрирования нитробензола, конденсации альдегида с анилином и гидрирования азометина протекают одновреме»-но, но с различными скоростями.
Комплексы на основе палладия и катионитов оказались нестабильными в реакциях гидрогенизационного аминирования. Так, скорость реакции резко снижается
при повторном использовании комплексов палладия с -смыванием металла с полимерной матрицы или образованием неактивных кристаллитов Рс1(0). Напротив, комплексы палладия с анионитами оказались довольно стабильными [23,24]. Установлено [23, 27], что каталитическая активность и селективность таких металлополимеров зависит от природы обмениваемого иона в ио-ните (табл. 5). По нашему мнению, это свидетельствует о том, что обмениваемые ионы анионитов участвуют в каталитическом акте, влияя на процесс восстановления Рё(11) в Рс1(0). При этом, однако, не следует исключать возможности изменения емкости анионитов в завис»
мости от природы обмениваемого иона [28]. -
тронной спектроскопии) установлено, что палладий в
восстановленных образцах металлополимеров находит—
Таблица 5
Характеристики реакции гидроаминирования 2-метилпропаналя нитробензолом, катализируемой АВ-17-8-Ра (образцы 1, 2) и АН-1-Ра (образцы 3—9)
Л» Обмениваемый Акгивноеть Время Константа скоро- Энергия Основной продукт,
ион катализатора, моль/(мольРс1#ч) реакции, мин сти реакции л/(мольРс1,с) активации ^эф, кДж/моль выход, %
1 С1- 48 60 — — К-Изобутиланилин, 7
2 ОН- 720 100 — — То же, 90
3 С1- 1020 50 70 ± 7 31 ± 9 —"—, 92
4 СН3СОО- 750 75 34 ± 4 22 ± 1 —"—, 97
5 БО42- 552 90 36 ± 4 71 ± 4 —"—, 97
6 Р2О74- 1788 40 110 ± 9 38 ± 2 К-Изобутилиденфениламин, 44
7 ОН- 1884 70 182 ± 16 22 ± 3 К-Изобутиланилин, 80
8 ЫО3- 324 130 41 ± 4 60 ± 4 То же, 98
9 СШ- 0 150 — — Нитробензол, 100
Условия реакции: 0,3 моль/л 2-метилпропаналя, 0,1 моль/л нитробензола, 0,2 г катализатора, содержащего 1%(масс.) Рс1; 10 мл этанола 50 °С; 1 атм. Н2,. Доверительный интервал определения активности ±5%.
Рё(П) и Рё(1). Склонность анноннтов к координационному связыванию уменьшается в ряду СП > 8042- > N0^ [29]. В этой же последовательности уменьшается активность металлополимера на основе анионита АН-1. По степени влияния на активность палладийсодер-
жащих анионитов в гидрогенизационном аминировании
-
ты > кетоны > алифатические углеводороды > ароматические углеводороды.
В ряде случаев наряду с вторичными аминами образуются третичные, причем, изменяя размер частиц катализатора, удается направлять реакцию исключительно в сторону получения вторичного амина (табл. 6). Так, при уменьшении среднего диаметра частиц с 0,5 до 0,15 мм
селективность аминирования увеличивается от 28 до -
дия в анионите оказывает решающее влияние на величину константы скорости образования аминов, исключая образование третичного амина—^^дибуттанилина
Таблица б
Выход продуктов гидроаминирования бутаналя анилином в зависимости от размера частиц катализатора АВ-17-8-Ри
Средний Выход, %
диаметр N-б^иланилин ^^дибутиланилин частиц, мм
0,5 25 65
0,2—0,25 44 12
0,15—0,2 61 20
0,12—0,15 56 0
0,1—0,075 52 0
< 0,075 53 0
Условия реакции: 1 атм Н2, 10 мл этанола, 0,1 г АВ-17-8-Pd, содержащего 1%(масс.) металла, анилина 0,1 моль/л, бутаналя 0,3 моль/л, 45 °С, время реакции 150 мин
Скорость гидрирования и гидроаминирования существенно зависит от природы обмениваемого иона и природы полимерной матрицы, причем основной вклад, скорее всего, вносит гибкость участков макромолекул, на которых
-
-разную длину (а следовательно, и гибкость) аминных функциональных групп, что ярко проявляется в изменении скорости как гидрирования, так и аминирования (табл. 7) [30].
Гидрогенизационное аминирование фурфурола
Особый интерес вызывает гидрогенизационное ам№ нирование фурфурола циклогексиламином и анилина ми, приводящее к получению биологически активных
веществ широкого спектра действия — ^тетрагид-
--
циклогексиламину. Нами проведено всестороннее изучение этих реакций.
В качестве катализаторов использовали классиче-—
Рс1/С и палладийсодержащие промышленные аниониты АВ-17-8-Р^ и АН-1-Р4 которые проявляют большую селективность в реакциях тонкого органического синтеза по сравнению с Рс1/С. Выбор данных анионитов обусловлен еще и тем, что их макромолекулы (а значит, и закрепленные на них активные металлоцентры) имеют
-1 —
мин представляет собой весьма жесткую полимерную матрицу, по свойствам приближающуюся к твердому телу, практически не набухает в органических раство--17-8 —
лированный сополимер стирола и дивинилбензола со средней степенью сшивания, ограниченно набухает в большинстве растворителей.
Предварительные исследования показали, что в выбранных условиях (1 атм Н2, 20—60 °С, растворители — алифатические спирты, ароматические и алифатические углеводороды) реакция гидрогенизационного аминирования фурфурола ароматическими аминами и циклогексиламином протекает в кинетической области и имеет
первый порядок по водороду и катализатору и нулевой —
энергия активации в зависимости от природы субстратов и катализатора составляет от 7 до 80 кДж/моль. Полу-
8.
Процесс гидрогенизационного аминирования фурфурола ароматическими аминами и циклогексиламином представляет собой последовательность ряда реакции, в том числе и побочных (см. схему на с. 100).
Сначала образуется азометин (реакция 1). Время достижения равновесия этой реакции достаточно вел№
ко. Например, при взаимодействии фурфурола с -
состояние устанавливается в течение 6 ч, при этом равновесная концентрация образующегося азометина составляет 48%.
Таблица 7
Константы скорости гидрирования и гидрогенизационного аминирования в присутствии палладий содержащих анионитов с аминными функциональными группами
Катализатор Функциональная группа ± 8%, л/(моль Pd- с)
гидрирование нитробензола гидроаминирование 2-метилпропаналя анилином
AH-221-Pd —CH—NH—CH2—NH2 0,8 0,5
AH-511-Pd —CH2—(NH—CH2—CH2)2—NH2 13,6 7,5
AH-541-Pd —CH2—(NH—CH2—CH2)B—NH2 33,9 20,4
Таблица 8
Характеристики реакции гидрогеиизациониого аминирования фурфурола аминами на палладиевых катализаторах.
Эффективная константа скорости реакции (¿эф), выход К-тетрагидрофурфуриламина (О), эффективная энергия активации (£Эф)
Амин
Pd/C
AH-1-Pd
АВ-17-8^
моль с, % , кДж моль Ъф -104, моль с, % , кДж моль ЪФ -104, моль с, % , кДж моль
л • с • кг кат. л • с • кг кат. л • с • кг кат.
Циклогексилам ин 2166 85 80 914 92 40 1750 99 67
Анилин 340 83 67 54 90 35 140 98 31
—, и-СН3- 500 85 38 64 93 7 93 100 32
-, Л!-СНз- 500 85 40 64 93 10 111 100 35
—, о-СН3- 300 78 35 52 85 21 80 97 27
—, - 2 5- 220 75 34 47 80 25 65 84 30
—, - - 77 36 41 67 34 27 77 35 39
—, - - 51 35 44 45 30 31 51 35 36
—, - - 30 12 47 40 29 27 48 33 37
—, - - 59 27 35 60 10 36 56 6 28
—, - - 45 24 30 50 8 31 45 8 26
—, - - 25 10 25 38 6 26 35 4 21
—, - - 1053 65 81 776 70 56 71 76 38
—, - - 430 50 47 311 60 41 43 63 31
—, - - 183 74 31 94 75 21 95 80 26
—, - 2 5- 24 70 20 35 71 12 33 78 24
Условия р е а к ц и и: ладия в катализаторе 1%
1 ммоль фурфурола, 1 ммоль амина, 10 мл этанола, 1 атм Н2, 200 мг катализатора (содержание пал-масс.), 45 °С, время реакции 1—10 ч
В присутствии катализатора выход азометина существенно выше, чем при конденсации альдегидов с ароматическими аминами без катализатора [31—35]. Роль катализатора в смещении равновесия в сторону образования азометина до конца не выяснена но установлено, что палладийсодержащие полимеры в этом отношении существенно превосходят РсУС. Действительно, в присутствии всех изученных катализаторов выход азомет» нов увеличивается, и существенно сокращается время достижения равновесия (рис. 1). По активности в этой стадии катализаторы располагаются в следующей последовательности: Рё/С > АВ-17-8-Рё > АН-1-Рс1. Такой ряд по-видимому, соответствует уменьшению кислотности катализаторов, так как известно, что конденсация альдегидов с аминами ускоряется кислотными катал» заторами [36].
Образовавшийся азометин гидрируется до 1Ч-тет-
рагидрофурфурилариламина через ряд промежуточных —
-1-17-8-
лению фуранового кольца предшествует почти количественное гидрирование азометиновой связи.
-1-
Рс1/С сопровождается нежелательными побочными ре-
акциями: гидрирование фурфурола до тетрагидрофур-фурилового спирта (реакция 3), алкилирование ароматического амина или циклогексиламина алифатичесюь ми спиртами (если они используются в качестве раство-
100
ч©
©v
я
>я о ас ас
§50
Я" и
0 2 4 6 8 10
Время реакции, ч
Рис. 1. Влияние катализатора на процесс образования
-
1 — без катализатора; 2 — АН-1-Р<1; 3 — АВ-17-8-Р<1;
4 — Рё/С. Условия реакции — см. табл. 8
R
NH2 +
+H2O
\f CHO
+H2, кат.
-H2O R
I \ +H2, кат.
-NHCH2—^ > -
RA^/ O'
Оч
+Н2, кат.
R-
O CHO
-NH2 + R'CH2OH
R
o' CH2OH +H2, кат.
R
R
-N=CH-ХЛ^/ "O'
X
+HX, + ((4)— NH.
N CH
O
(Q^n=CHJQ ^ ^NHCHJQ @~nhchJQ> +H2, -
NHCH2
O
N(CH2R')2
NH2 +
O' CH3
X
NH—CH=CH—CH=CH—CH—NH-
X
(1)
(2a)
(26)
(2b)
(3)
(4)
(5)
(6)
Схема гидрогенизационного аминирования фурфурола первичными ароматическими аминами
R = H; о-, м-, w-CH3; o-C2H5, o-, и-OH; w-COONa; w-COOC2H5; o-, м-, n-Cl;o-, м-, и-Br; R' = Alk; X = Cl, Br
рителей) (реакция 4), и, кроме того, на Рс1/С наблюдается частичный гидрогенолиз вторичного амина (реак-
-
всех трех катализаторах к перечисленным побочным реакциям добавляется дегалогенирование, причем бром отщепляется легче, чем хлор. Следствием этого процес-
3,
реакция 6), как известно протекающее под действием
--
--
фурилциклогексиламина существенно ниже, чем при использовании других аминирующих агентов. Как показали эксперименты, варьирование условий проведения реакции не приводит к устранению дегалогениро-вания в реакции на всех изученных катализаторах, а также гидрирования фурфурола до тетрагидрофурфур»--1-
метина на Рс1/С.
Для устранения алкилирования аминов алифатическими спиртами нормального строения (реакция 4) гид-рогенизационное аминирование фурфурола следует проводить в алифатических или ароматических углеводородах, однако при этом скорость процесса уменьшается в несколько раз. В целом же скорость аминирования снижается прямо пропорционально уменьшению диэлектрической проницаемости растворителя, а в ряду спиртов пропорционально увеличению их молекулярной массы. Таким образом, мы пришли к заключению, что наиболее селективным катализатором рассматр»-ваемой реакции является АВ-17-8-Р±
По стабильности катализаторы располагаются в следующий ряд: АВ-17-8-Рё > АН-1-Рс1 > Рё/С. Как пока-2,
рования наступает быстрое отравление катализатора Рс1/С [37], тогда как металлополимерные системы практически не теряют своей активности.
0,04
и к Ь ч
^ 0,02
ч
о
■а
0 2 4 6 8 10
Циклы работы катализатора
Рис. 2. Изменение скорости реакции гидрогенизационного аминирования фурфурола и-толуидином в зависимости от срока работы катализаторов:
/ - Рс1/С; 2 - АВ-17-8-Рс1; 3 - АН-1-Рс1. Условия реакции — см. табл. 8
На скорость гидрирования азометинов существенное влияние оказывает природа и положение заместителя в ароматическом кольце аминирующего агента (рис. 3). С участием катализатора Рс1/С, а также АН-1-Рс! наблюдается линейная зависимость скорости реакции от класса ческой константы Гаммета причем чем больше величина этой константы, тем ниже скорость гидрирования. -
-
ствие, ослаблением координационной связи между активным центром катализатора и молекулой субстрата
-
Качественно другой эффект обнаружен в реакции с уча стием катализатора АВ-17-8-Р± в этом случае скорость аминирования снижается с увеличением абсолютной величины константы Гаммета. Аналогичную колоколо-
образную зависимость наблюдали ранее для реакции
-
ароматическими аминами и для гидрирования аромата
ческих нитросоединений на комплексе палладия с по-
также при изучении конденсации замещенных бензаль-дегидов с анилином [36].
Исследования строения палладийсодержащих анио-
нитов методами рентгеновской фотоэлектронной и -
тры на катализаторах АВ-17-8-Рё и АН-1-Рс! имеют разную природу. Возможно, именно поэтому наблюдается различие и во влиянии заместителей в ароматическом кольце на скорость гидрирования азометинов.
Изучение влияния температуры на гидрогенизаци-онное аминирование фурфурола показало, что при температуре ниже 20 °С скорость реакции становится слишком низкой, а при температуре выше 45 °С наблюдается отклонение от закона Аррениуса обусловленное
о
Рис. 3. Влияние заместителя в ароматическом кольце аминирующего агента на скорость гидрогенизационного аминирования фурфурола на катализаторах:
а — Рс1/С (1 — для м- и я-замещенных, 2 — для о-замещенных); о — АВ-17-8-Р(± Условия реакции — см. табл. 8. о — константа Гаммета
полимерной природой палладийсодержащих анионитов [21]. При повышении температуры от 20 до 45 °С скорость гидроаминирования увеличивается для всех трех изученных катализаторов (АВ-17-8-Рё, АН-1-Р4 Р^С). Как правило, для одного субстрата значения эффективной энергии активации снижаются в ряду катализаторов Рс1/С > AH-1-Pd > АВ-17-8-Рс1, что может быть следствием увеличения в этой последовательности подвижности металлоцентров катализаторов. Селективность ме-таллополимерных катализаторов с повышением температуры от 20 до 45 °С не изменяется, тогда как в случае
Рс1/С наблюдается снижение селективности аминирова -
продукта (реакция 5).
Гидрогенизационное аминирование фурфурола можно проводить с использованием нитросоединений
(табл. 9) [40]. В этом случае скорость реакции также
--17-8-
снижению эффективной энергии активации катализаторы располагаются в ряд Рё/С > АН-1^ > АВ-17-8^.
Таблица 9
Характеристики реакции гидрогеиизациоииого амииироваиия фурфурола нитроеоединениями
на палладиевых катализаторах
Обозначения — см. табл. 8
№ Нитроеоединение Pd/C AH-1-Pd AB-17-8-Pd
Еэф, G, % Еэф, G, % Еэф, G, %
моль кДж моль кДж моль кДж
л • с • кг кат. моль л • с • кг кат. моль л • с • кг кат. моль
1 Нитробензол 0,25 43 70 0,013 41 80 0,015 35 85
2 - 0,10 48 75 0,016 40 75 0,017 34 86
3 - 0,10 45 75 0,015 38 78 0,015 34 85
4 - 0,04 50 70 0,010 45 70 0,010 38 83
5 - 0,01 57 65 0,008 44 70 0,008 36 81
6 Этиловый эфир 0,03 44 60 0,012 43 72 0,013 37 84
и-нитробензойной
кислоты
2
1% масс.), 25—50 °С
Таким образом, гидроаминирование фурфурола ароматическими нитробензолами позволяет совмещать реакции гидрирования нитробензолов и гидроаминирования фурфурола без существенного снижения выхода целевого продукта и скорости реакции по сравнению с гид-роаминированием фурфурола ароматическими аминами. С учетом большей доступности ароматических нит-росоединений их использование в качестве аминирую-щих агентов представляется предпочтительным.
Гидрогенизационное аминирование фурфурола, а
также алифатических и гетероциклических альдегидов -
катализаторов показало [41], что вторичные амины получаются с выходом от 36 до 98% в зависимости от природы катализатора, альдегида и аминирующего агента. Особенно интересно использовать этот подход
для генерирования (восстановительным расщеплением -
единственным источником получения которых являют-
Использование несимметричных азосоединений приводит к накоплению смеси продуктов гидроамин»-рования, причем их соотношение приблизительно одинаково, в то время как симметричные азоксисоединения обеспечивают почти количественный выход целевого продукта. Данную особенность необходимо учитывать
при использовании реакции гидроаминирования альде--
го синтеза вторичных аминов.
В целом же по активности в данной реакции катализаторы располагаются в ряд: АВ-17-8-Ра > Ра/С > АН-1-Рё, а по селективности АВ-17-8-Ра > АН-1-Ра > Ра/С. Однако необходимо учитывать, что на активность и селективность процесса влияют не только природа катализатора, но и природа реагирующих веществ и продуктов реакции.
Приведенные экспериментальные данные показывают, что гидрогенизационное аминирование карбонильных соединений является универсальной «зеленой» технологией получения аминов разнообразного строения [42—45]. Предложенные катализаторы превосходят
по стабильности и селективности, а в ряде случаев и по
—
активированном угле. Палладийсодержащие аниониты хорошо проявили себя в технологии получения таких лекарственных соединений, как анестезин [46,47], новокаин [48,49], дикаин [50], фенацетин [51], парацетамол и оксофенамид [52], а также в производстве витамина В6 [53, 54], где они используются в качестве катализаторов гидрирования, гидрогенизационного амини-рования, дегалогенирования, конденсации и гидрогенизационного ацилирования.
* * *
Работа выполнена в рамках программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ, проект РНП 2.2.1.1.7181.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1998, 479 с.
2. SundM., Dieter H., Koberstein R., Rasched J. J. Molec. Catal., 1977, v. 2,№ l,p. 1—6.
3. Schrauzer G.N., Windgassen R.J. Nature, 1967, v. 214, p. 492.
4. Yamaguchi T., NakayamaM., Tsumura T. Chem. Lett., 1972, № 12, p. 1231—1234.
5. . ., . . .
1969, №1, с. 141—142.
6.
№ 10, с. 2397—2398.
7.
№9, с. 2140—2142.
8. Клюев М.В., Рогачев Б. Г., Хидекель МЛ. Там же, 1978, № 12, с. 2620—2623.
9. Клюев М.В., Хидекель М.Л. Восстановительное аминирова-ние карбонильных соединений в присутствии комплексов кобальта и родия. Препринт. Черноголовка, ОИХФ АН СССР, 1979, 12 с.
10. Klyuev M.V., Khidekel ML. Trans. Metals Chem., 1980, v. 5, p. 134—139.
11. Клюев М.В.,Хидекель МЛ. Ж. орган. химии, 1981, т. 17, № 12, с. 2595—2598.
12. . . .
13. . . .
14.
15.
катализ, 1982, т. 23, № 1, с. 71—76.
16. 46.
17.
плексные катализаторы. М.: Химия, 1981, 160 с.
18.
—18.
19.
таллсодержащими полимерами. Деп. в ОНИИТЭИХИМ, Черкассы, 1987, № 198-хп-87.
20.
ление катализаторов. М.: Мир, 1989, 360 с.
21.
— 158 с.
22. Авт. свид. СССР, № 781200, 1985. Бюл. изобр., 1985, № 46.
23.
—755.
24. Клюев М.В. Ж. орган, химии, 1984, т. 20, № 9, с. 1908— 1912.
25.
1984, т. 1, с. 272—273.
26. —585.
27.
28.
—36.
29.
комплексных соединений. М.: АН СССР, 1959, 206 с.
30.
мии, 1990, т. 64, № 3, с. 809—811.
31.
Химия и хим. технол., 1994, т. 37, № 7—9, с. 55—58.
32. Абдуллаев М.Г., Насибулин A.A., Клюев М.В. Там же, 1994, т. 37, № 7—9, с. 58—62.
33.
1994, т. 34, №5, с. 413—420.
34. Клюев М.В., Абдуллаев М.Г., Насибулин A.A. Ж. орган, химии, 1995, т. 31, № 3, с. 416—418.
35. Воронин М.В., Насибулин A.A., Клюев М.В. Нефтехимия, 1997, т. 37, № 6, с. 516—522.
36.
1979, с. 105.
37. Белослюдова Т.М., Балянина М.В., Гунар В.Н. Хим.-фарм. ж., 1978, № 12, с. 109.
38.
№2, с. 408—412.
39. Клюев М.В., Карклинь Л.Н. Изв. вузов. Химия и хим. технол., 1983, т. 26, № 10, с. 1170—1174.
40.
—98.
41.
с. 71—73.
42. Патент РФ, № 2039599, 1995.
43.
-
44. Клюев М.В., Абдуллаев М.Г. Изв. вузов. Химия и хим. технол., 1999, т. 42, №5, с. 3—13.
45.
ском синтезе полифункциональных ароматических соеди-
—248.
46. Абдуллаев М.Г. Хим.-фарм. ж., 2001, т. 35, № 1, с. 42—45.
47.
2002, № 6, с. 57—60.
48. Абдуллаев М.Г. Хим.-фарм. ж. 2001, т. 35, № 10, с. 30—33.
49.
2003, № 1, с. 25—29.
50. Абдуллаев М.Г. Хим.-фарм. ж. 2002, т. 36, № 1, с. 28—30.
51. Абдуллаев М.Г. Там же, 2002, т. 36, № 6, с. 40—41.
52.
278 с.
53.
№ 15.
54.
№ 7, с. 1068—1070.
