Mizoroki-Heck cross-coupling - Palladium based catalysts and operation modes
Vučetić, Nemanja (2021-12-16)
Vučetić, Nemanja
Åbo Akademi University
16.12.2021
Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.
Publikationens permanenta adress är
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4121-5
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4121-5
Abstrakt
Dagens marknadstrender på finkemikaliesektorn samt behovet av snabb kommersialisering och billigare produktionsteknologier påskyndar omfattande forskning på detta område. Massproduktion av finkemikalier kräver att man förenklar produktionsprocesserna och övergår från traditionella satsvisa och halvkontinuerliga processer till kontinuerlig drift. Det är viktigt att bibehålla en hög produktrenhet, eftersom en stor del av de syntetiserade kemikalierna används i farmaceutisk industri. Inga föroreningar får förekomma i slutprodukterna, vilket innebär att produktionsprocesserna måste vara synnerligen effektiva och selektiva.
Tvärkopplingsreaktioner spelar en central roll i produktion av finkemikalier. Bland dem är den palladiumkatalyserade Mizoroki-Heckreaktionen en av de mest utnyttjade reaktionerna p.g.a. flexibiliteten i avseende på olika funktionella grupper. Den uppenbara nackdelen med Mizoroki-Heckreaktionen är ineffektiv omsättning av reaktanter, ostabil katalysator samt urlakning av metallen, vilka ofta blir flaskhalsar för hela processen. Detta forskningsarbete tar itu med dessa problem och frågeställningar via utveckling av tillräckligt aktiva och stabila katalysatorer för Mizoroki-Heckreaktionen i satsvisa och kontinuerliga reaktorer.
Olika amorfiska silikaburna joniska vätskekatalysatorer (SILCA) med dubbelskikt av joniska vätskor preparerades och jämfördes med andra katalysatorer, palladiumdeponerade och ympade mesoporösa silika- och metallorganiska ramverk (MOF). I detta arbete observerades den dynamiska naturen av metallen som katalyserar denna reaktion via en release-and-catch –mekanism. Detta krävde speciell uppmärksamhet vid både satsvist och kontinuerligt förfarande,men effekten var skadligare vid kontinuerlig drift. Hög katalysatoraktivitet och – stabilitet garanterar fullständig omsättning av reaktanten under en enda genomströmningscykel, vilket är kravet för implementering av kontinuerlig drift. För att nå detta mål undersöktes alla syntetiserade material först för Mizoroki-Heckreaktionen av metyl- eller butylakrylat med jodobensen i en satsreaktor som arbetade under optimerade betingelser. Vid optimering av reaktionsbetingelserna bekräftades att katalysatorerna var mest aktiva i polära aprotiska lösningsmedel och vid förhöjda reaktionstemperaturer. Användning av tertiära aminer som baser är det bästa alternativet och de borde användas i överskott för en brist på dem kan leda till snabb katalysatordeaktivering. Ett överskott av akrylat är också nödvändigt p.g.a. dess flyktighet.
Undersökning av potentiella katalysatorer som är lämpliga för reaktionen med metylakrylat visade att SILCA-katalysatorer som bestod av kovalent förankrade imidazoliumbromid ochpyridinkarboxylat balancerad med tetramethylguanidinium (TMG), visade en extremt hög aktivitet och stabilitet i fem-sex successiva cyklar. Existensen av N-heterocycliska karbener, kolmonoxid och kväverik tetrametylguanidin i det joniska vätskeskiktets struktur var viktigast för stabilisering av palladium. Aktiviteten av SILCA var en magnitud större jämfört med palladium som var deponerad på mesoporös silika ympad med melaminligander SBA-15/Pr-NH-CH2-melamin-Pd(0), aminofunktionaliserat metallorganiskt ramverk IRMOF-3 och magnetiserade MOF-katalysatorer Fe3O4-NH2@MIL-101-NH2-Pd(OAc)2 som undersöktes i satsreaktorn under optimerade betingelser. Hög katalytisk aktivitet som möjliggör god omsättning för en relativt kort uppehållstid är oerhört viktigt med tanke på tillämpning av detta koncept på kontinuerliga processer.
För att uppgradera de preparerade SILCA-katalysatorerna användes olika molekyler för ympning, d.v.s. karboxylsyror, baser, metaller för att modifiera SiO2-ytan och den katalytiska effekten av SILCA studerades för reaktionen med den mindre aktiva butylakrylatmolekylen. Inverkanav det joniska vätskeskiktets struktur på katalysatorns aktivitet och stabilitet observerades. Det joniska vätskeskiktets rigiditet konstaterades bero på imidzolringen, medan karboxylgruppen i skiktet koordinerade TMG-katjonerna som är de effektivaste för stabilisering av palladiumnanopartiklar. Finjustering av skiktets struktur gav en SILCA med propylimidazolium bromid-tetramethylguanidinium pentanoat modifierad med SiO2 och deponerad med PdCl2. Detta blev det optimala valet för användning av SILCA i den kontinuerliga flödesreaktorn.
Små mängder av SILCA användes för enkla och långvariga processer i den kontinuerliga packad bäddreaktorn för butylakrylatens reaktion. I motsats till det som observerades för satsreaktorn, överskott av katalysatorn ledde inte till deaktivering orsakad av metallagglomerering. Urlakning av katalysatorn påvisades med hjälp av ultraviolettvisuellspektrometri och katalysatorns beteende kunde till en viss grad förklaras med en katalytisk cykel i det joniska vätskeskiktet. Förgiftning konstaterades vara den huvudsakliga orsaken till katalysatorns deaktivering och –urlakning som observerades i successiva tvättningssekvenser av katalysatorn. Det nya packad bädd reaktorkonceptet var konkurrenskraftigt och t.o.m. överlägset jämfört med existerande förfaranden. Teknologin har en reell potential för den utvecklade SILCA och för dess användning i kontinuerlig produktion av finkemikalier.
Tvärkopplingsreaktioner spelar en central roll i produktion av finkemikalier. Bland dem är den palladiumkatalyserade Mizoroki-Heckreaktionen en av de mest utnyttjade reaktionerna p.g.a. flexibiliteten i avseende på olika funktionella grupper. Den uppenbara nackdelen med Mizoroki-Heckreaktionen är ineffektiv omsättning av reaktanter, ostabil katalysator samt urlakning av metallen, vilka ofta blir flaskhalsar för hela processen. Detta forskningsarbete tar itu med dessa problem och frågeställningar via utveckling av tillräckligt aktiva och stabila katalysatorer för Mizoroki-Heckreaktionen i satsvisa och kontinuerliga reaktorer.
Olika amorfiska silikaburna joniska vätskekatalysatorer (SILCA) med dubbelskikt av joniska vätskor preparerades och jämfördes med andra katalysatorer, palladiumdeponerade och ympade mesoporösa silika- och metallorganiska ramverk (MOF). I detta arbete observerades den dynamiska naturen av metallen som katalyserar denna reaktion via en release-and-catch –mekanism. Detta krävde speciell uppmärksamhet vid både satsvist och kontinuerligt förfarande,men effekten var skadligare vid kontinuerlig drift. Hög katalysatoraktivitet och – stabilitet garanterar fullständig omsättning av reaktanten under en enda genomströmningscykel, vilket är kravet för implementering av kontinuerlig drift. För att nå detta mål undersöktes alla syntetiserade material först för Mizoroki-Heckreaktionen av metyl- eller butylakrylat med jodobensen i en satsreaktor som arbetade under optimerade betingelser. Vid optimering av reaktionsbetingelserna bekräftades att katalysatorerna var mest aktiva i polära aprotiska lösningsmedel och vid förhöjda reaktionstemperaturer. Användning av tertiära aminer som baser är det bästa alternativet och de borde användas i överskott för en brist på dem kan leda till snabb katalysatordeaktivering. Ett överskott av akrylat är också nödvändigt p.g.a. dess flyktighet.
Undersökning av potentiella katalysatorer som är lämpliga för reaktionen med metylakrylat visade att SILCA-katalysatorer som bestod av kovalent förankrade imidazoliumbromid ochpyridinkarboxylat balancerad med tetramethylguanidinium (TMG), visade en extremt hög aktivitet och stabilitet i fem-sex successiva cyklar. Existensen av N-heterocycliska karbener, kolmonoxid och kväverik tetrametylguanidin i det joniska vätskeskiktets struktur var viktigast för stabilisering av palladium. Aktiviteten av SILCA var en magnitud större jämfört med palladium som var deponerad på mesoporös silika ympad med melaminligander SBA-15/Pr-NH-CH2-melamin-Pd(0), aminofunktionaliserat metallorganiskt ramverk IRMOF-3 och magnetiserade MOF-katalysatorer Fe3O4-NH2@MIL-101-NH2-Pd(OAc)2 som undersöktes i satsreaktorn under optimerade betingelser. Hög katalytisk aktivitet som möjliggör god omsättning för en relativt kort uppehållstid är oerhört viktigt med tanke på tillämpning av detta koncept på kontinuerliga processer.
För att uppgradera de preparerade SILCA-katalysatorerna användes olika molekyler för ympning, d.v.s. karboxylsyror, baser, metaller för att modifiera SiO2-ytan och den katalytiska effekten av SILCA studerades för reaktionen med den mindre aktiva butylakrylatmolekylen. Inverkanav det joniska vätskeskiktets struktur på katalysatorns aktivitet och stabilitet observerades. Det joniska vätskeskiktets rigiditet konstaterades bero på imidzolringen, medan karboxylgruppen i skiktet koordinerade TMG-katjonerna som är de effektivaste för stabilisering av palladiumnanopartiklar. Finjustering av skiktets struktur gav en SILCA med propylimidazolium bromid-tetramethylguanidinium pentanoat modifierad med SiO2 och deponerad med PdCl2. Detta blev det optimala valet för användning av SILCA i den kontinuerliga flödesreaktorn.
Små mängder av SILCA användes för enkla och långvariga processer i den kontinuerliga packad bäddreaktorn för butylakrylatens reaktion. I motsats till det som observerades för satsreaktorn, överskott av katalysatorn ledde inte till deaktivering orsakad av metallagglomerering. Urlakning av katalysatorn påvisades med hjälp av ultraviolettvisuellspektrometri och katalysatorns beteende kunde till en viss grad förklaras med en katalytisk cykel i det joniska vätskeskiktet. Förgiftning konstaterades vara den huvudsakliga orsaken till katalysatorns deaktivering och –urlakning som observerades i successiva tvättningssekvenser av katalysatorn. Det nya packad bädd reaktorkonceptet var konkurrenskraftigt och t.o.m. överlägset jämfört med existerande förfaranden. Teknologin har en reell potential för den utvecklade SILCA och för dess användning i kontinuerlig produktion av finkemikalier.