University of Groningen Manganese complexes as catalysts in epoxidation reactions la Crois, Rene IMPRTAT TE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2000 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): la Crois, R. (2000). Manganese complexes as catalysts in epoxidation reactions: A ligand approach Groningen: s.n. Copyright ther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 04-11-2017
SAMEVATTIG Mangaancomplexen als Katalysator in Epoxidatiereacties Een ligand benadering Algemene achtergrond Geneesmiddelen, landbouwchemicaliën en voedseladditieven zijn enkele voorbeelden van organisch-chemische verbindingen die van groot belang zijn voor het wel en wee van de mens en die grotendeels ook gemaakt worden door de mens. Veel van deze verbindingen zijn chiraal, d.w.z. dat ze voorkomen in twee vormen die niet identiek zijn, maar elkaars spiegelbeeld zijn. Een voorbeeld van chiraliteit of spiegelbeeldsymmetrie is een paar handen. De linkerhand is het spiegelbeeld van de rechterhand maar ze zijn niet identiek. Fysiek is de linkerhand hetzelfde als de rechterhand. et verschil tussen de twee handen komt het duidelijkst naar voren bij een interactie met een ander chiraal voorwerp. Zo voelt het bijvoorbeeld verkeerd als je met de rechterhand iemands linkerhand schudt of wanneer je met rechts probeert te knippen met een schaar voor linkshandigen. etzelfde fenomeen zien we terug bij moleculen. Twee spiegelbeelden van een chiraal molecuul hebben dezelfde fysische eigenschappen en het verschil komt tot uiting in de interactie met andere chirale moleculen. Soms is het van groot belang dat voor toepassing van de verbindingen slechts één van de spiegelbeelden gebruikt wordt. Een bekend voorbeeld hiervan is softenon waarvan het verkeerde enantiomeer (spiegelbeeld) een zeer schadelijke bijwerking blijkt te veroorzaken. De ontwikkeling van nieuwe methoden om slechts één spiegelbeeldvorm te synthetiseren is dan ook van groot belang voor bijvoorbeeld het ontwikkelen van nieuwe geneesmiddelen. et onderzoek beschreven in dit proefschrift richt zich op nieuwe routes naar epoxiden. Epoxiden zijn verbindingen die op veel verschillende manieren gemaakt kunnen worden en als verbinding zelf interessant zijn maar ook gebruikt kunnen worden in de bereiding van een grote diversiteit aan andere organisch-chemische verbindingen. Daarnaast kunnen epoxiden ook chiraal zijn. Figuur 1 De twee enantiomeren (spiegelbeelden) van styreen epoxide 137
Samenvatting De meest gebruikte methode om epoxiden te maken is door oxidatie van een alkeen. Voor deze omzetting is een scala aan oxidanten beschikbaar. De meeste hiervan hebben het nadeel dat naast het gewenste epoxide ook bijproducten ontstaan die afkomstig zijn van de oxidant. Verder is het erg moeilijk om via deze reacties één enantiomeer zuiver in handen te krijgen. oxidant + bijproducten alkeen epoxide Schema 1 Conventionele epoxidatie Een oplossing voor deze problemen is om de reactie uit te voeren in een katalytisch proces waarbij waterstofperoxide gebruikt wordt als oxidant. Waterstofperoxide geeft slechts water als bijproduct en waterstofperoxide reageert in de meeste gevallen niet met alkenen. m toch de omzetting te bewerkstelligen is een katalysator nodig. Een katalysator is een soort bemiddelaar die, in dit geval, de oxidatie van het alkeen door waterstofperoxide, toch doet verlopen. De katalysator kan de reactie meerdere malen bewerkstelligen en er is dus maar weinig katalysator nodig om de reactie volledig te laten verlopen. waterstofperoxide water katalysator alkeen epoxide Schema 2 Katalytische epoxidatie met waterstofperoxide Een ander voordeel van een katalytisch systeem is dat chirale epoxiden kunnen worden gemaakt die verrijkt zijn in één enantiomeer. Door gebruik te maken van een chirale enantiomeerzuivere katalysator kunnen in principe chirale epoxiden worden gemaakt in enantiomeerzuivere vorm. Doel en aanpak van het onderzoek et doel van het verrichte onderzoek was het ontwerp en de synthese van nieuwe homogene katalysatoren die het mogelijk maken om selectief ongefunctionaliseerde alkenen om te zetten in de overeenkomstige chirale epoxiden in enantiomeerzuivere vorm. De als katalysator geteste verbindingen werden gesynthetiseerd door complexatie van een ligand met een mangaanzout. In eerste instantie is onderzoek verricht naar actieve complexen die de 138
Mangaancomplexen als Katalysator in Epoxidatiereacties epoxidatie van alkenen bewerkstelligen met waterstofperoxide als oxidant. Vervolgens werden chirale liganden ontworpen en getest in enantioselectieve epoxidaties van ongefunctionaliseerde alkenen. oofdstuk 1 Introductie In dit hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van oxidaties van alkenen. aast de conventionele oxidaties zijn in de laatste decennia een aantal zeer effectieve katalytische systemen ontwikkeld die in schone processen en met hoge opbrengst de gewenste producten geven. In katalytische epoxidatiereacties wordt o.a. gebruik gemaakt van waterstofperoxide als oxidant, maar de meest bruikbare katalysatoren kunnen niet eenvoudig worden gemodificeerd om ook enantioselectief epoxidaties te bewerkstelligen. oofdstuk 2 Ligandsynthese In dit hoofdstuk is de bereiding van de verbindingen die gebruikt kunnen worden als ligand beschreven. Een nieuwe klasse van liganden die pyridine en fenol groepen bevatten is ontwikkeld (figuur 2). Verder wordt een nieuwe route beschreven die het mogelijk maakt om variaties van al bekende liganden te realiseren. 3 C 1 2 3 3 C C 3 Figuur 2 4 Enkele gesynthetiseerde liganden 5 139
Samenvatting oofdstuk 3 Synthese en Karakterisatie van ieuwe Mangaancomplexen In dit hoofdstuk is de bereiding en karakterisatie van de mangaancomplexen beschreven. De meeste complexen zijn gemaakt door het ligand te laten reageren met mangaanacetaat of mangaanperchloraat. Met één ligand (2 in figuur 2) bleek het mogelijk drie verschillende complexen te synthetiseren: een trinucleair mangaan(ii) complex, een dinucleair mangaan(ii) complex en een dinucleair mangaan(iii) complex. In alle drie de gevallen (figuur 3) complexeert het ligand op een verschillende manier. De fenolgroep van het ligand kan een bruggende functie hebben naar twee mangaanionen maar kan ook slechts aan één mangaanion gebonden zijn. Figuur 3 Mn Mn 2+ Mn Mn Mn 2+ Mn Mn Schematische weergave van enkele gesynthetiseerde complexen gebaseerd op ligand 2 ( is phenol zuurstof van het ligand) 1+ oofdstuk 4 Epoxidatie met In Situ Bereide op Mangaan Gebaseerde omogene Katalysatoren De meeste van de complexen beschreven in hoofdstuk 3 bleken niet actief te zijn als katalysator in de epoxidatiereacties (schema 2) met waterstofperoxide als oxidant. Wanneer de complexen in situ, vlak voor de epoxidatiereactie, werden gesynthetiseerd werden wel goede epoxidatiekatalysatoren verkregen. Gebruikmakend van ligand 2 werden opbrengsten tot 80% gehaald in de epoxidatiereactie van styreen met waterstofperoxide als oxidant. ok andere alkenen werden met goede opbrengsten geëpoxideerd. In de meeste gevallen was slechts 1% katalysator nodig om volledige omzetting van het alkeen te bewerkstelligen. et gedeelte van de producten dat na de reactie niet als epoxide geïsoleerd kan worden bestaat voor het grootste gedeelte uit het overeenkomstige diol dat zeer waarschijnlijk wordt gevormd door hydrolyse van het epoxide. oofdstuk 5 Enantioselectieve Epoxidatie Gebaseerd op de resultaten beschreven in hoofdstuk 4 is gepoogd een enantioselectieve versie te ontwikkelen van dit katalytische systeem. Van het meest veelzijdige en effectieve ligand tot dusver gevonden (ligand 2, figuur 2), werd een 140
Mangaancomplexen als Katalysator in Epoxidatiereacties enantiomeer zuiver chiraal analoog gemaakt (ligand 6, figuur 4). De katalysator, die in situ bereid werd gebruikmakend van dit ligand, vertoont aanzienlijk hogere activiteit dan de achirale katalysator. In 10 minuten werd styreen volledig omgezet en het epoxide werd in 78% opbrengst verkregen. De enantioselectiviteit die bereikt werd was slechts 9%. Door de epoxidatiereactie bij 0 o C uit te voeren werd de enantioselectiviteit verbeterd tot 12 % en een opbrengst van 80% werd gehaald. * * * 6 7 8 Figuur 4 Enkele chirale liganden Verschillende pogingen zijn gedaan om de enantioselectiviteit te verhogen door het ligand te modificeren (liganden 7 en 8). In de meeste gevallen resulteerde dit in een veel lagere activiteit van de katalysator. Veelbelovend is het ligand, waarvan de architectuur veranderd is door een fenol groep met een pyridine groep van plaats te verwisselen (ligand 7). Met het in situ gemaakte mangaancomplex op basis van dit ligand werden enantioselectiviteiten tot 19% gehaald. Dit complex doet in activiteit weinig onder voor de katalysatoren op basis van ligand 2 beschreven in hoofdstuk 4. oofdstuk 6 Pentadentaat Stikstof Donoratoom Liganden en hun IJzer- en Mangaancomplexen In dit hoofdstuk worden de mangaan- en ijzercomplexen van niet fenolbevattende liganden beschreven. De ijzer- en mangaancomplexen van een nieuw ligand (ligand 4, figuur 2) werden gekarakteriseerd en de reactiviteit in oxidatiereacties werden bestudeerd. et mangaancomplex is niet actief als katalysator, maar het ijzercomplex laat interessante activiteit zien. et ijzercomplex vormt na reactie met waterstofperoxide een reactief intermediair dat gekarakteriseerd kon worden als een ijzer(iii)hydroperoxide. et ijzercomplex bleek in staat te zijn om verschillende katalytische oxidaties uit te voeren met waterstofperoxide als oxidant. 141