CC BY
35
УДК 542.8:544.14
Исследование факторов, влияющих на региоселективность реакции карбонилирования стирола в присутствии комплексов палладия (II)
Лев Тимофеевич Кондратьев, д.х.н., проф. каф. естественных дисциплин, e-mail: 35184@rambler.ru
Николай Васильевич Звягинцев, аспирант, e-mail: n.zvyagintcev@gmail.com ФГОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрена реакция карбонилирования стирола в присутствии комплексов палладия (II), которая является основой промышленного способа получения гидратроповой кислоты, используемой в производстве нестероидных жаропонижающих препаратов группы ибупрофена; показано, что на региоселективность указанной реакции влияет несколько факторов, в том числе структура каталитического палладиевого комплекса, образующегося в результате протекания реакции.
The authors examine the reaction of styrene carbonylation in the presence of palladium (II), used for the industrial production of the hydratropic acid, which is a component of the nonsteroidal antipyretic drugs in the ibuprofen group. The study shows that several factors influence the regioselectivity of the reaction, including the structure of the catalytic palladium complex formed as a result of the reaction.
Ключевые слова: карбонилирование стирола, гидридные .--комплексы палладия, метод B3LYP.
Keywords: carbonylation of styrene, hydride --complexes of palladium, B3LYP method.
Исследование реакции карбонилирования стирола, общая схема которой представлена на рис. 1, представляет значительный интерес ввиду практической значимости продуктов реакции. Одним из продуктов данной реакции является гидратроповая кислота (1), которая используется в фармацевтической промышленности для получения жаропонижающих препаратов. Кроме гидратроповой кислоты в результате реакции образуется также гидрокоричная кислота (2), что снижает практический выход целевого продукта.
В качестве катализатора данной реакции используются комплексы палладия, которые позволяют осуществлять синтез в наиболее мягких условиях, притом с наибольшим выходом гидратроповой кислоты. Реакция катализируется комплексами палладия РёХ2Ь2 (X - хлорид-анион или бромид-анион; а Ь - некоторый органический лиганд). Чаще всего в качестве органического лиганда применяют трифенилфосфин Р(С6Н5)3, в дальнейшем обозначаемый как РРИ3. В реакционной
системе трифенилфосфин необходим как стабилизатор, препятствующий выпадению металлического палладия. В [1] приведены данные об использовании комплексов палладия с 1,2-дифенилфо-сфиноэтаном и 1,4-дифенилфосфинобутаном (указанные комплексы являются бидентантными), а также показано, что активность катализаторов с бидентантными катализаторами намного меньше, чем катализаторов с РРИ3, что объясняется стери-ческими факторами. Кроме того, для протекания реакции необходимо присутствие кислотного промотора (например, соляной кислоты).
Как показано в [1], значительное влияние на реакцию карбонилирования стирола оказывает среда, в которой данная реакция проводится. Так, большинство исследователей применяют различные полярные растворители (вода, одноатомные спирты). Однако в [2] появились данные о проведении реакции карбонилирования стирола комплексами палладия, растворенными в ионной жидкости (ИЖ), при этом субстрат и продукты реакции находятся в другой, неполярной фазе, а
Рис. 1. Реакция карбонилирования стирола
Исследование факторов, влияющих на региоселективность реакции карбонилирования стирола.
Рис. 2. Схема гидридного механизма гидрирования стирола в присутствии комплексов палладия (II): X - галоид (хлор или бром); Ь - РРЪ3 или СО
также применяются тетрабутиламмонийхлорид (TBAC) и тетрабутиламмонийбромид (TBAB). Поскольку обе жидкие фазы легко разделяются, при применении указанных ИЖ можно решить проблему повторного использования катализатора. Кроме того, в случае использования ИЖ в качестве среды удается избежать образования металлического палладия вплоть до высоких концентраций кислотного промотора.
В [3] рассмотрено два варианта механизма карбонилирования олефинов (в том числе стирола). Первый вариант механизма реакции предполагает образование карбонильных палладиевых комплексов с последующим внедрением двойной связи олефина по связи Pd-CO. Второй вариант предполагает образование гидридных яжомплек-сов палладия, дальнейшие превращения которых в значительной степени определяют конечный выход продуктов реакции [4]. Существенная зависимость активности катализатора от кислотности среды [5, 6] свидетельствует в пользу гидридного механизма реакции. Влияние давления на региосе-лективность реакции указывает на то, что каталитически активными являются гидридные я-комп-лексы палладия со стиролом, также лигандиро-ванные молекулой CO и галогенид-анионом. Ре-гиоселективность всей реакции определяется на стадии миграционного внедрения стирола по связи Pd-H в я-комплексе с образованием разветвленного и линейного алкильных палладиевых комплексов (образование комплексов A1 и А2 из P на рис. 2). На этом рисунке представлен механизм реакции карбонилирования стирола комплексами Pd(II) в среде ИЖ, предложенный в [1].
Ввиду того, что региоселективность реакции карбонилирования стирола определяется на стадии миграционного внедрения стирола по связи Pd-H, авторами было проведено моделирование данной стадии реакции квантово-химическими методами. Расчеты проводились методом B3LYB с использованием комбинированного набора базис-
ных функций LANL2TZ+flZV+6 - 31Gdp, в котором для атома палладия применялся базисный набор LANL2TZ ECP (с псевдопотенциалом), для атомов галоидов - набор DZV, для остальных атомов - набор 6-31G(d, p). Все расчеты в данной работе выполнены с использованием программы PC GAMESS 7.0.1 / Firefly [7, 8]. Исследование геометрического строения всех рассмотренных комплексов проведено с полной оптимизацией геометрических параметров, для всех структур рассчитаны матрицы Гесса.
В ходе моделирования было установлено, что в результате превращений гидридного я-комплекса палладия P (лигандированного молекулой CO и галоидом X), возникают промежуточные комплексы а1 и а2 (рис. 3). Исследование поверхности потенциальной энергии реакции образования комплексов a1 и a2 показало, что их образование из комплекса P осуществляется после образования переходных состояний t1 и t2 соответственно. В результате дальнейшего присоединения молекулы CO к комплексам a1 и a2 образуются алкильные палладиевые комплексы A1 и А2 (см. рис. 2) в соответствии со схемой механизма реакции. На рис. 3 представлено геометрическое строение комплекса P и найденных авторами промежуточных комплексов, образующихся на стадии миграционного внедрения стирола по связи Pd-H.
Как показано на рис. 3, в гидридном я-комп-лексе P металлоорганическая группа координирована винильной группой молекулы стирола. Подобные системы хорошо стабилизированы, так как при образовании я-связи возникает эффект «обратного донирования»: ^-орбиталь металла перекрывается со связывающей ж-молекулярной орбиталью (со смещением электронной плотности на металл), а другая ^-орбиталь металла - с разрыхляющей ж-орбиталью молекулы лиганда, в результате чего часть электронной плотности перемещается на молекулярные орбитали лиганда. Как показано в [6], активация подобных комплексов про-
Рис. 3. Геометрическое строение комплексов P, t\, t2, üi и a2 (X = Cl, Br)
текает через смещение атома металла от центра двойной связи (щ2 - координация) к ее концу (щ -координация).
Для исследования влияния галогенид-анио-нов на региоселективность авторами были рассчитаны энтальпии активации ДН^, энтропии активации ДБ^ и энергии Гиббса активации ДО^. Результаты расчетов при температуре 298,15 и 383,15 К (в нормальных условиях и при оптимальной для проведения реакции температуре) представлены в табл. 1, где расчеты проводились с использованием метода LANL2TZ+TZV+6-31Дdp. Энтальпия и энергия Гиббса активации указана в кДж / моль, энтропия активации указана в Дж / (моль-К).
Таблица 1. Энтальпии активации ДН^, энтропии активации ДБ^ и энергии Гиббса активации ДО^ на стадии миграционного внедрения стирола по связи Pd-H
ламмонийхлорид (TBAC) и тетрабутиламмонийб-ромид (TBAB).
В табл. 2 представлены данные по конверсии стирола, общему выходу кислот и количественному соотношению разветвленной (гидратроповой) и линейной (гидрокоричной) кислот в конечном продукте при использовании солей Pd(OAc)2 и Pd(PPh3)2 в среде ионных жидкостей [2]. В качестве кислотного промотора использовались п-толуолсульфокислота и соляная кислота (в табл. 2 эксперименты с HCl обозначены *). Условия проведения реакции: 4 ммоль стирола; 20 ммоль воды; 0,02 ммоль [Pd]; 0,8 ммоль ж-толуолсульфо-кислоты; 2 г ИЖ, 5 мл гептана.
Таблица 2. Экспериментальные данные по конверсии стирола, выходу кислот и соотношению гидрокоричной и гидратроповой кислот (р:л)
Катализатор ИЖ Конверсия, % Выход кислот, % Р:л
Pd(OAc)2 TBAB 97,1 87,2 0,8
Pd(OAc)2 TBAB * 93,5 83,0 1,0
Pd(OAc)2 TBAC 22,2 16,0 6,3
Pd(PPh3)2 TBAB 33,1 29,2 1,0
Pd(PPh3)2 TBAB * 76,1 69,2 1.4
Pd(PPh3)2 TBAC 100 89,5 7,2
Таким образом, расчеты показали, что тип галоида в катализаторе существенно сказывается на термодинамических параметрах стадии миграционного внедрения стирола по связи Р^Н. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что замена бромид-аниона на хлорид-анион в рассматриваемых комплексах приводит к увеличению разности энергии Гиббса активации G^ гидридного гс-комплекса Р при образовании комплексов а1 и а2, что способствует образованию гидратроповой кислоты, что подтверждается экспериментальными данными.
AH*, AS*, AG* Ü1 (Cl) Ü2 (Cl) üi (Br) a2 (Br)
AH*298,15 -7,628 -8,307 -7,068 -7,569
AS 298,15 -41,861 -41,377 -37,261 -37,531
AG*298,15 4,854 4,03 4,041 3,620
ДН*383,15 -8,784 -9,52 -8,26 -8,501
AS 383.15 -45,269 -44,954 -40,775 -40,238
AG*383,15 8,561 7,704 7,363 6,916
Как видно из данных, представленных в табл. 1, замена хлорид-аниона на бромид-анион существенно увеличивает энергии активации при превращении гидридного комплекса в алкильный комплекс. Также увеличивается разница между энергиями активации параллельных стадий образования разветвленного и линейного алкильных комплексов. Это подтверждается экспериментальными данными по выходу гидратроповой и гидрокоричной кислот в результате реакции карбонили-рования стирола в среде таких ИЖ, как тетрабути-
ЛИТЕРАТУРА
1. Lapidus, A., Eliseev, O., Bondarenko, T., Stepin, N. // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 2006.
2. Лапидус А. Л., Елисеев О. Л., Степин Н. Н. // Изв. Академии наук. Сер. Химия. 2004. № 11. С. 2458 - 2461.
3. Papadogianakis, G., Verspui, G., Maat, L., Sheldon, R. A., Catal. Lett., 1997, 47, 43.
4. del Rio, I., Ruiz, N., Claver, C., Inorg. Chem. Comm., 2000, 3, 166.
5. Balazs, A., Benedek, C., Toros, S., Mol, J., Catal. A.: Chemical, 2006, 244, 105.
6. Oi, S., Nomura, M., Aiko, T., Inoue, Y., Mol, J., Catal. A: Chem. 115 (1997) 289.
7. Granovsky, A. A., http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html (дата обращения 12.02.2010).
8. Schmidt, M. W., Baldridge, K. K., Boatz, J. A., Elbert, S. T., Gordon, M. S., Jensen, J. H., Koseki, S., Matsunaga, N., Nguyen, K. A., Su, S., Windus, T. L., Dupuis, M., Montgomery, J. A. // J.Comput.Chem. 14, 1347 - 1363 (1993).
Поступила 27.04.2010 г.
