Палладиевый катализ в органическом синтезе. Синтез алкенилпроизводного антрахинона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Башкирский государственный университет»

Стерлитамакский филиал

Естественнонаучный факультет

Кафедра химии и химической технологии

Курсовая работа

Палладиевый катализ в органическом синтезе. Синтез алкенилпроизводного антрахинона

Выполнил студент

2 курса группы ZSХТ-22 заочного отделения

Короткова К.А.

Заведующий кафедрой

химии и химической технологии

д.т.н. Абдрашитов Я.М.

Научный руководитель:

к.х.н., доцент Колчина Г.Ю.

Стерлитамак 2020

Содержание

Введение

Глава 1. Общая характеристика палладиевого катализатора в органическом синтезе

1.1 История применения палладиевого катализа

1.2 Последние достижения в палладиевом катализе, перспективы коммерческого использования

1.3 Синтез и изучение свойств производных антрахинона с ненасыщенными заместителями

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Методика приготовления нанесенных палладиевых катализаторов

2.2 Схема синтеза Антрахинона

Заключение

Список использованных источников

Введение

Актуальность работы. Палладий часто применяется как катализатор. В присутствии палладия начинаются и идут при низких температурах многие практически важные реакции. Процессы гидрирования многих органических продуктов палладий ускоряет даже лучше, чем такой испытанный катализатор, как никель. Элемент № 46 применяют в производстве ацетилена, многих фармацевтических препаратов и других продуктов органического синтеза. В аппаратах химической промышленности палладий применяют обычно в виде «черни» (в тонкодисперсном состоянии палладий, как и все платиновые металлы, приобретает черный цвет) или в виде окисла PdO (в аппаратах гидрирования). Катализатор с палладиевой чернью готовят так: пористый материал (древесный уголь, пемзу, мел) пропитывают щелочным раствором хлористого палладия. Затем при нагревании в токе водорода хлорид восстанавливается до металла, и чистый палладий оседает на носителе в виде тонкодисперсной черни. Антрахинон является одним из важнейших классов органических соединений, нашедших применение в практической деятельности человека с давних времен. В наибольшей степени производные антрахинона используются как красители, а с развитием новых отраслей науки и техники они нашли применение в цветной фотографии и электрофотографии, лазерной технике, жидкокристаллических и фотохромных материалах.

Цель работы. Изучить палладиевый катализ в органическом синтезе и алкенилпроизводного антрахинона.

Задачи работы.

- проведение литературного обзора по теме;

- изучение палладиевого катализа в органическом синтезе;

- изучение алкенилпроизводный антрахинон.

Структура работы.

Курсовая работа изложена на 18 страницах, состоит из введения, 2-х глав, заключения, списка использованных источников, включающих в себя источники.

Объект исследования. Объектом исследования является палладиевый катализ и алкенилпроизводный антрахинон.

Предмет исследования. Методы получения палладиевых катализаторов и алкенпроизводного антрахинона.

Глава 1. Общая характеристика палладиевого катализатора в органическом синтезе

палладиевый катализатор органический синтез

Основная черта палладиевого катализа, которая поставила этот метод на почётное место в органическом синтезе, это способность проводить реакции по «сшивке» углеродных атомов с высочайшей избирательностью и в довольно мягких условиях. Это чрезвычайно важно для многостадийного синтеза (такого как синтез дискодермолида), который практически невозможен в случае большого количества побочных продуктов. Химизм палладиевого катализа основан на том, что два атома углерода располагаются по соседству с одним и тем же атомом палладия и, «активировавшись», соединяются именно друг с другом, а не с какими-то другими атомами. Палладий при этой реакции, как и положено катализатору, не расходуется.

1.1 История применения палладиевого катализа

Ричард Хек, работавший в американской химической фирме в штате Делавэр, начал работы по палладиевому катализу в 1960-х, когда по миру прошла информация, что немецкий химический концерн Wacker Chemie AG начал использовать палладий для промышленного получения ацетальдегида из этилена. В 1968 году Хек опубликовал ряд работ, в одной из которых он рассказывал про присоединение к ароматическому кольцу молекулы этилена при участии палладиевого катализатора с получением стирола исходного сырья для распространённого пластика полистирола. Позже усовершенствованная реакция получила название реакции Хека; в наше время это один из основных способов образования одинарных связей между атомами углерода. Синтез стирола предоставлен на рисунке 1:

Рис. 1. Синтез стирола

Ричард Хек с применением палладиевого катализа разработал способ присоединения короткого олефина (этилена) к ароматическому кольцу. Когда два атома углерода «встречаются» около поверхности атома палладия, они уже готовы прореагировать друг с другом, а не с произвольными атомами! Продуктом этой реакции является стирол, сырьё для получения пластика полистирола.

Навеянная промышленностью, эта реакция сама сейчас широко используется в химическом производстве, например, противовоспалительного лекарства напроксена или препарата против астмы монтелукаста.

Реакции с использованием палладиевого катализа уже позволили осуществить сложнейшие органические синтезы, реконструировав различные природные вещества. Однако палладиевый катализатор используют не только для синтеза, но и для модификации природных молекул. В качестве примера можно привести ванкомицин антибиотик, впервые выделенный в 1950 году из образца почвы джунглей Борнео. В наши дни он используется для борьбы с микроорганизмами, выработавшими резистентность к «обычным» антибиотикам (таким как пенициллин), метициллин-устойчивым золотистым стафилококком (MRSA) и энтерококками. Учёные с помощью палладиевого катализа стараются создать производные этого антибиотика, чтобы победить резистентность и дать человечеству надёжный инструмент для борьбы с инфекциями в больницах и в полевых условиях.

Напоследок стоит отметить, что область применения палладиевого катализатора не ограничивается синтезом токсинов и антибиотиков -- например, в современных тонких дисплеях на органических светодиодах (OLED) синие элементы работают на основе вещества, полученного именно с помощью палладиевого катализа [1].

Чтобы создать эти сложные химические вещества, химики должны уметь соединять атомы углерода вместе. Однако углерод стабилен, и атомы углерода не легко реагируют друг с другом. Поэтому первые методы, используемые химиками для связывания атомов углерода, основывались на различных методах повышения реакционной способности углерода. Такие методы работали при создании простых молекул, но при синтезе более сложных молекул химики обнаружили в своих пробирках слишком много нежелательных побочных продуктов.

Поперечное сочетание, катализируемое палладием, решило эту проблему и предоставило химикам более точный и эффективный инструмент для работы. В реакции Хека, Негиши и и Сузуки атомы углерода встречаются на атоме палладия, после чего их близость друг к другу запускает химическую реакцию.

Поперечное сочетание, катализируемое палладием, используется в исследованиях по всему миру, а также в коммерческом производстве, например, фармацевтических препаратов и молекул, используемых в электронной промышленности [2].

1.2 Последние достижения в палладиевом катализе, перспективы коммерческого использования

По данным исследований Bayer AG около 75% фармацевтических препаратов содержат в своей структуре бензольное или гетероароматическое кольцо. Среди многих способов функционализации ароматических соединений, процессы кросс-сочетания и реакции Хека, Соногаширы, аминирования БухвальдаХартвига представляются наиболее удобными. Высокая активность и продуктивность палладиевых катализаторов позволили использовать их в производстве медицинских препаратов, пестицидов и других востребованных веществ. Фармацевтические препараты Naproxen, Terbinafin, Ibuprofen и фунгициды Prosulfuron в настоящее время получают в необходимых количествах (для фунгицидов и пестицидов в масштабе до 1т) с участием палладиевых катализаторов реакций образования связей углерод-углерод схема 16 приведена ниже.

Достижения в создании новых лигандов позволяют значительно увеличить производительность катализаторов. Реакции Хека и Сузуки с арилбромидами в присутствии комплекса показывают феноменальное значение TON (число оборотов катализатора) до 1000000. Комплекс получают из доступных реагентов: ацетата палладия и три(о-толил) фосфина.

Для проведения реакций с более доступными, но менее реакционноспособными арилхлоридами синтезирован ряд пространственно-затрудненных донорных фосфинов. Ди(1-аламантил)-n-бутилфосфин cataCXium, в отличие от большинства фосфинов, стабилен на воздухе и получен с хорошим выходом. Фосфин (А) в комбинации с ацетатом палладия обеспечивает ТОN до 60000 в реакции Сузуки с арилхлоридами [139]. Это один из лучших результатов в настоящее время. Он также эффективен в реакциях аминирования и б-арилирования кетонов [12].

1.3 Синтез и изучение свойств производных антрахинона с ненасыщенными заместителями

Производные антрахинона, содержащие ненасыщенные углеводородные заместители, могут быть трансформированы в целый ряд соединений, представляющих интерес как потенциально обладающие фармакологической активностью (аннелированные с ядром антрахинона карбо- и гетеро-циклы, поликарбонильные соединения и пр.). Однако, известные методы синтеза производных антрахинона с углеродсодержащими заместителями достаточно сложны и многостадийны.

Весьма удобным синтетическим методом введения углеродного заместителя в ароматическое ядро является реакция арилирования непредельных соединений арендиазониевыми солями (реакция Меервейна). В результате указанного взаимодействия элиминируется азот диазогруппы, а водород при sр²-атоме углерода замешается на арильную группу (арилирование), либо к кратной связи присоединяются арильная группа и атом хлора (анионарилирование). В ряду антрахинона указанная реакция изучена мало. Исследовано взаимодействие гидросульфатов, тетрафторборатов и тетрахлоркупратов антрахинонилдиазония с непредельными соединениями, содержащими как активированную (акриламил, метилметакрилат, метилакрилат), так и неактивированную кратную связь (стирол, фенилацетилен) [3].

Установлено, что образование продуктов арилирования, либо анионарилирования возможно не только при использовании активированных непредельных соединений, но и для фенилацетилена, и обычно сопровождается замещением диазотруппы антрахинонилдиазония на водород, гидроксигруппу и, в случае тетрахлоркупратов, на галотен.

Реакция Меервейна является удобным способам получении арил-1,4-бензохинонов. При этом исследователи используют либо традиционный катализ солями меди (I), либо добавляют небольшие количества гидрохинона, который так же может катализировать данную реакцию. При взаимодействии тетрафторбората 1-антрахинонилдиззония с 1,4-бензохиноном в присутствии соли меди (I) удалось получить 1-антрахинонил-1,4-бензохинон с выходом 20% схема 1 представлена ниже.

Противоион диазосоли и положение диазогруппы в антрахиноновом ядре может оказывать влияние на её устойчивость и реакционную способность, поэтому в реакцию с бензохиноном были введены гидросульфаты 1- и 2- антрахинонилдиазония (III, IV), которые были получены с хорошими выходами из 1- и 2- аминодитрахинонов.

При взаимодействии бензохинона с солью (III) в уксусной кислоте в присутствии хлорида меди (I) образуется продукт (II) с выходом около 35%. Вели в качестве катализатора данной реакции применять сульфат железа (II), то происходит значительное осмоление смеси продуктов, в которой хроматографически наблюдается образование соединения (I). Использование в данной реакции гидрохинона приводит к образованию трудноразделимой смеси продуктов. Реакция с использованием соли (IV) протекает с образованием в качестве основного продукта 2-гидроксиантрахинона.

Бензохиноны с электронодонорными заместителями легко вступают в реакции арилирования солями фенилдиазония, присутствие электроноак-цепторных групп приводит к реакции без выделения азота и образованию продукта сочетания. Взаимодействие тетрафторбората 1-антрахинонилдиззония с 1,4-бензохиноном в присутствии соли меди (I) предоставлена на схеме 1:

Схема 1

В реакцию с бензохиноном были введены гидросульфаты 1- и 2- антрахинонилдиазония, данная реакция приведена на схеме 2:

Схема 2

Производные 9,10-антрахинона являются одними из важнейших классов органических соединений, нашедших применение в практической деятельности человека с давних времен. В наибольшей степени производные антрахинона используются как красители, а с развитием новых отраслей науки и техники они нашли применение в цветной фотографии и электрофотографии, лазерной технике, жидкокристаллических и фотохромных материалах. В ряду антрахинона обнаружены и биологически активные соединения. Достаточно большое число соединений антрахинонового ряда содержится в растениях, животных, а также микроорганизмах, среди них природные антибиотики антрациклины и кидамицины. В связи с этим все более возрастает интерес к производным антрахинона как соединениям, перспективным для многопланового использования, что является стимулом для исследований по разработке методов синтеза замещенных антрахинонов.

К настоящему моменту накоплен большой экспериментальный материал по методам синтеза и изучению реакционной способности различных производных антрахинона [5]. Однако некоторые классы производных антрахинона остаются малоизученными, к ним следует отнести азосоединения и триазены на основе 9,10-антрахинона [4].

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Методика приготовления нанесенных палладиевых катализаторов

Приготовление нанесенных палладиевых катализаторов проводится восстановлением K₂PdCl₄ гидразингидратом при комнатной температуре при постоянном перемешивании при 600 об./мин. по следующей методике: к раствору соли палладия добавляют носитель, тщательно перемешивают в течение 1 часа, затем вводят восстановитель, в течение 5-10 мин происходит полное восстановление соли до металлического палладия. После этого перемешивают еще в течение часа для равномерного распределения частиц палладия на поверхности носителя. Полученные катализаторы отфильтровывают, промывают на фильтре водой, ацетоном, продувают аргоном, сушат под вакуумом. Катализаторы исследуют методами рентгенофазового анализа (РФА) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) [7]. Каталитические исследования проводятся в статической системе при постоянном давлении: катализатор и другие реагенты помещают в термостатируемый стеклянный реактор с магнитной мешалкой, реактор герметично соединяют с термостатируемой бюреткой при атмосферном давлении. За ходом реакции следят по изменению объема водорода V(H₂) в измерительной системе через определенные промежутки времени ф. Прекращение поглощения водорода свидетельствует об окончании реакции. Все исследования проводятся в одинаковых условиях: температура реакции 60єС, давление атмосферное, растворитель - этанол, навеска катализатора 200 мг, количество нитробензола 0,3 мл (~3,3 ммоль).

Для исследования влияния природы носителя на каталитические свойства палладия в качестве носителя можно использовать оксид кремния и оксиды металлов (кальция, магния, алюминия, цинка, циркония) с различной удельной поверхностью. Кинетические кривые зависимости объема поглощенного молекулярного водорода (VH₂) от времени реакции (ф) гидрирования нитробензола для палладиевых катализаторов, нанесенных оксиды алюминия, цинка и циркония. Для сравнения приведена зависимость объема поглощенного водорода от времени реакции для палладиевой черни в качестве катализатора. Во всех случаях объем поглощенного водорода практически одинаковый (270-280 мл ~ 10 ммоль), зависящий от точности взятия аликвоты нитробензола, и соответствует реакции обмена на схеме 3:

Схема 3

C₆H₅NO₂ 3H₂C₆H₅NH₂ 2H₂O

Что свидетельствует о селективности реакции. Кинетические кривые для систем Pd/MgO, Pd/CaO, and Pd/SiO₂ не приводятся, так как они располагаются между кривыми 2 (Pd/ZnO) и 3 (Pd/ZrO₂), или практически с ними совпадают. Для палладиевой черни (образец 4) объем водорода приведен в перерасчете на количество палладия, соответствующее содержанию палладия в 200 мг 4%-ных катализаторов (т.е. на 8 мг Pd), чтобы сопоставить скорости при одинаковых количествах активного компонента - палладия. Очевидно, что все нанесенные катализаторы оказались более активными, чем палладиевая чернь, что согласуется с результатами работ других авторов [6,8,9]. Кинетические кривые гидрирования нитробензола на палладиевых катализаторах, нанесенных на различные матрицы: (1) Al₂O₃; (2) ZnO; (3) ZrO₂; (4) без носителя (палладиевая чернь), показаны на рисунке 2.1 [10]:

Рис. 2. кинетические кривые гидрирования нитробензола на палладиевых катализаторах, нанесенных на различные матрицы: (1) Al₂O₃; (2) ZnO; (3) ZrO₂; (4) без носителя (палладиевая чернь)

Кроме того изменение каталитической активности не коррелирует с изменением удельной поверхности. Можно предположить, что для наночастиц палладия и субстрата (нитробензола) могут оказаться недоступными поры носителя, на которых может адсорбироваться азот. Следовательно, зависимость скорости реакции от матрицы слабо выражена.

Также было исследовано влияние процентного содержания палладия (0,05-4%) на каталитическую активность нанесенных палладиевых катализаторов [10].

2.2 Схема синтеза Антрахинона

Приготовление раствора хромового ангидрида. Растертый в ступке хромовый ангидрид взвешивают и растворяют в 10 мл ледяной уксусной кислоты. Затем добавляют небольшое количество воды до полного растворения ангидрида и переносят раствор в капельную воронку.

Окисление антрацена в антрахинона. Плоскодонные колбу на 200 мл через насадку соединяют с обратным холодильником и капельной воронкой. В колбу загружают смесь антрацена с 20 мл уксусной кислоты и нагревают ее до кипения. Далее из капельной воронки небольшими порциями в течение 20 мин добавляют приготовленный раствор хромового ангидрида.

Выделение продукта. Смесь нагревают еще 20 мин, а затем осторожно ее выливают в коническую колбу с 50 мл холодной воды. Антрахинон образует осадок, который отфильтровывают на воронке Бюхнера с помощью вакуумного фильтрования.

Характеристика конечного продукта. Антрахинон - светло-желтые ромбические кристаллы. Растворяется в нитробензол, анилине и горячем толуоле; малорастворимых в спирте; в H₂SO₄ конц. растворяется с образованием желтой окраски, Т_пл = 286°С, Т_кип = 379°С, d420 = 1,348.

Токсичность. Вызывает экзему и бронхиальную астму. ПДКр.з. = 5 мг/м³, ЛД₅₀ = 3500 мг/кг.

Использование. В производстве антрахиноновых красителей, антиоксидантов, ингибиторов полимеризации, в бумажной [11].

Заключение

Элемент № 46 применяют в производстве ацетилена, многих фармацевтических препаратов и других продуктов органического синтеза. В аппаратах химической промышленности палладий применяют обычно в виде «черни» (в тонкодисперсном состоянии палладий, как и все платиновые металлы, приобретает черный цвет) или в виде окисла PdO (в аппаратах гидрирования). Катализатор с палладиевой чернью готовят так: пористый материал (древесный уголь, пемзу, мел) пропитывают щелочным раствором хлористого палладия. Затем при нагревании в токе водорода хлорид восстанавливается до металла, и чистый палладий оседает на носителе в виде тонкодисперсной черни. Антрахинон является одним из важнейших классов органических соединений, нашедших применение в практической деятельности человека с давних времен. В наибольшей степени производные антрахинона используются как красители, а с развитием новых отраслей науки и техники они нашли применение в цветной фотографии и электрофотографии, лазерной технике, жидкокристаллических и фотохромных материалах.

Выполнен литературный обзор, в котором рассмотрен палладиевый катализ в органическом синтезе и синтез алкенпроизводного антрахинона. Показаны методики приготовления нанесенных палладиевых катализаторов и получение антрахинона из антрацена. Приведены области применения палладиевых катализаторов.

В основной части приведена история применения палладиевого катализа, перспективы коммерческого использования и синтез, и изучение производных антрахинона с ненасыщенными заместителями.

Список использованных источников

1. Палладиевая Нобелевская премия по химии (2010). Источник: https://biomolecula.ru/articles/palladievaia-nobelevskaia-premiia-po-khimii-2010 (дата обращения: 28.10.2020).

2. The Nobel Prize in Chemistry. Источник: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2010/press-release/ (дата обращения: 28.10.2020).

3. Денисов В.Я., Ткаченко Т.Б., Чуйкова Т.В., Королева Е.В. Синтез и изучение свойств производных антрахинона с ненасыщенными заместителями // Вестник КемГУ.2010. № 2. С. 121-123.

4. Булгакова Н.А. Синтез, структура и свойства некоторых производных 9,10-антрахинона: канд. хим. наук: 02.00.03: утв.11.11.02. Томск, 2002. 105с.

5. Горелик М.В. Химия антрахинонов и их производных. М.: Химия, 1983. 295 с.

6. Gelder E.A., Jackson S.D., Lok C.M. A Study of Nitrobenzene Hydrogenation Over Palladium/Carbon Catalysts // Catalysis Letters. - 2002.- P. 205-208.

7. Образцова И.И., Еременко Н.К., Велякина Ю.Н. Кинетика реакции гидрирования нитробензола на палладиевом катализаторе, нанесенном на наноалмаз. Кинетика и катализ. - Т. 49. - № 3, 2008.- С. 422-428.

8. Кущ С.Д., Куюнко Н.С., Тарасов Б.П. Наночастицы платины на фуллереновой черни, как эффективные катализаторы гидрирования. Журнал общей химии. - Т. 79. - Вып. 6, 2009.- С. 934-941.

9. Семиколенов В.А. Нанесенные металлические катализаторы в книге: Промышленный катализ в лекциях, под ред. А.С. Носкова. М.:Калвис, - Т. 2.- 2005.- С. 79-101.

10. Еременко Н.К., Образцова И.И., Сименюк Г.Ю., Еременко А.Н. Палладиевые катализаторы на оксидных матрицах для гидрирования нитробензола // Ползуновский вестник № 3. 2014. - С. 91-95.

11. Схема синтеза антрахинона. Источник: http://worldofscience.ru/himija/8990-skhema-sinteza-antrakhinona.html (дата обращения: 01.11.2020).

12. Афанасьев В.В., Беспалова Н.Б., Белецкая И.П. Перспективы использования палладии-катализируемых реакции в тонком органическом синтезе: создание связи углерод-углерод // Российский химический журнал. 2006. № 4. С. 81-93.

13. Органическая химия. Под ред. А.А. Петрова. Изд. 3-е, испр. и доп. Учебник для вузов. М.:, «Высш. Школа», 1973. - 566 с.

14. Травень В.Ф. Органическая химия: учебное пособие для вузов Т.1. М.: Бином. Лаборатория знаний», 2004. - 727 с.

15. Пустовалова Л.М. Органическая химия. М.: Издательство Феникс, 2003. -326 с.

Размещено на Allbest.ru