DE102007007227A1

DE102007007227A1 - Edelmetall-Katalysatoren

Info

Publication number: DE102007007227A1
Application number: DE102007007227A
Authority: DE
Inventors: Dorit Dr. Wolf; Thomas Dr. Riermeier; Karlheinz Prof. Drauz; Christoph Weber
Original assignee: Evonik Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-10-09
Also published as: JP2010517766A; CN101306384A; US20100105945A1; WO2008098830A1; EP2125211A1

Abstract

Katalysatorsysteme bestehen aus geträgerten oder nicht-geträgerten Übergangs-Metallkatalysatoren, die auf der Oberfläche Modifikatoren aufweisen. Die Modifikatoren weisen schwefelhaltige Funktionalitäten (G<SUB>0</SUB>) auf. Weiterhin können die Modifikatoren einen Spacer (Sp) sowie eine $I1 oder Lewis-basische Funktionalität (G<SUB>1</SUB>) aufweisen. Die Katalysatorsysteme können zur Hydrierung, reduktiven Alkylierung sowie reduktiven Aminierung eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Katalysatorsysteme, bestehend aus geträgerten oder nicht-geträgerten Übergangsmetall-Katalysatoren, deren Oberfläche mit definierten Mengen an organischen Modifikatoren belegt sind, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung.
Heterogene Katalysatoren finden aufgrund ihrer einfachen Rezyklierbarkeit und ihrer Einsatzmöglichkeit in kontinuierlichen Prozessen eine breite Anwendung in der Erzeugung von Basis-Chemikalien, chemischen Zwischenprodukten, feinchemischen und pharmazeutischen Produkten. Feinchemische und pharmazeutische katalytische Prozesse weisen eine hohe Substratspezifität auf, das heißt, es müssen bestimmte funktionelle Gruppen in multifunktionellen organischen Substraten umgewandelt werden. Dabei führen die bekannten heterogenen Katalysatoren gegenüber homogenen Katalysatoren meist zu einer geringeren Selektivität der katalytischen Reaktion.
Es ist bekannt, die Selektivität gegenüber bestimmten funktionellen Gruppen eines organischen Ausgangsmoleküls zu verbessern, indem man heterogene Katalysatoren mit kleinen Mengen an organischen oder anorganischen Verbindungen modifiziert. Diese Modifizierung heterogener Katalysatoren eröffnet die Möglichkeit, die Anwendungsbreite eines kommerziellen Feststoffkatalysators zu erweitern, weil die chemische Struktur und die Menge des Modifikators den Erfordernissen einer bestimmten chemischen Reaktion gezielt angepasst werden kann.
Die Verbindungen, die zur Modifizierung der Katalysatoroberfläche verwendet werden, werden in der Fachliteratur mit unterschiedlichen Begriffen, wie zum Beispiel Modifikator, Promoter, Additiv, Regulator, selektives Katalysatorgift oder Co-Katalysator bezeichnet.
Im Folgenden wird der Begriff „Modifikator" verwandt, wobei dieser Begriff durchaus synonym mit den anderen Bezeichnungen zu verstehen ist.
Die Modifikatoren haben die Eigenschaft, daß sie Adsorptionswechselwirkungen mit der Katalysatoroberfläche eingehen und auf diese Weise erwünschte Änderungen der Aktivität und Selektivität der Katalysatoren

a) durch die Veränderung der Anzahl der aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche (partielle Vergiftung aktiver Zentren).
b) durch die Veränderung der elektronischen Eigenschaften der aktiven Zentren der Katalysatoroberfläche oder
c) durch die Einführung von organo-katalytischen Funktionalitäten, daß heißt, die durch die Verwendung kleiner einfacher möglicherweise chiraler organischer Moleküle, die auch ohne Anwesenheit von Metallen vielfältige Reaktionen hochselektiv katalysieren können,

1

Modifikatoren für heterogene Katalysatoren bestehen aus einer Struktureinheit, die die Haftung (Adsorption) des Modifikators an der Katalysatoroberfläche ermöglicht.
Darüber hinaus können die Modifikatoren für den Fall c) (vgl. 1c) Struktureinheiten mit organo-katalytischer Aktivität aufweisen. Dabei kann es sich z. B. um Aminosäure- oder Peptid-Strukturen oder Organo-Metallkomplex-Liganden handeln, die bereits ohne Anwesenheit eines weiteren Metalls chemische Umsetzungen hochselektiv katalysieren könnenⁱ.
Die organo-katalytischen Funktionsgruppen können auch chirale Zentren aufweisen, so daß durch die Wechselwirkung zwischen Modifikator und Reaktionssubstrat eine chirale Induktion auf Seiten des Substrates erfolgen kann.
Zu den bekannten Beispielen einer Änderung der Anzahl beziehungsweise der Eigenschaften aktiver Zentren des Katalysators mit Modifikatoren (partiellen Vergiftung der aktiven Zentren) gehört die partielle Hydrierung von Alkinen zu Alkenen, bei der am häufigsten Quinolin aber auch Diamine als Modifikatoren verwendet werden. Dieses Katalysatorsystem findet in Form der sogenannten Lindlar-Katalysatoren Anwendungⁱⁱ. Es wird angenommen, daß eine konkurrierende Adsorption des Substrates, des Produktes und des Modifikators.
Durch Zusatz stickstoffhaltiger Basen zu Pd/C-Katalysatoren kann die Hydrogenolyse von Benzylether in Gegenwart anderer reduzierbarer funktioneller Gruppen, wie Olefin-, Benzylester-, Nitro-Gruppen selektiv unterdrückt werdenⁱⁱⁱ. Jedoch werden aromatische N-Cbz (benzyloxycarbonyl) und halo-aromatische Gruppen hydriert. In Abwesenheit der N-Basen erfolgt jeweils eine vollständige Hydrogenolyse^iv.
Die Verwendung von Diphenylsulfid als Katalysatorgift führt zu einer weiteren Ausdehnung der Anwendungsbreite des Pd/C-Katalysators. So konnten mit einem derartig modifizierten Katalysatorsystem Olefin- und Acetylen-Gruppen bei gleichzeitiger Unterdrückung der Hydrogenolyse aromatischer Carbonyl- und Halogen-, Benzylester-, und N-Cbz-Gruppen^v hydriert werden. Weitere untersuchte S-haltige Modifikatoren waren Thiophenol, Diphenylsulfon, Diphenylsulfoxid und Diphenyldisulfid.
Die genannten Beispiele für die Modifizierung heterogener Katalysatoren haben das Ziel, die Chemoselektivität durch eine partielle Vergiftung der Oberfläche zu beeinflussen. Die bekannte Modifizierung heterogener Katalysatoren mit organischen Molekülen ist präparativ einfach und kostengünstig. Insbesondere bei katalytischen Anwendungen, bei denen die Anzahl oder Eigenschaften der aktiven Zentren gemäß 1a) und b) durch Adsorption einfacher stickstoffhaltiger Basen und schwefelhaltiger Verbindungen beeinflusst werden, sind viele erfolgreiche Katalysatorsysteme bekannt.
Wenn die Zielsetzung der Katalysatormodifizierung allerdings darin besteht, Stereo-, Diastereo- und Enantio-Selektivitäten zu kontrollieren, dann reicht ein einfaches Molekül, das selektiv an der Katalysatoroberfläche adsorbiert nicht aus.
In diesem Fall benötigen die Modifikatormoleküle neben Gruppen, die die Adsorption an der Katalysatoroberfläche ermöglichen, zusätzliche Organo-katalytische Funktionalitäten, die gezielte Wechselwirkungen mit den funktionellen Gruppen des Reaktionssubstrats an der Oberfläche des Katalysators eingehen.
Bei stereo-, diastereo- und enantioselektiven Reaktionen, bei denen Katalysatoren mit organo-katalytischen Funktionalitäten gemäß 1c) erforderlich sind, ist die Zahl erfolgreicher Anwendungen für modifizierte Katalysatoren noch sehr eingeschränkt.
Die Bedeutung von Aminen für diese Art von Reaktionen wird anhand der Hydrierung von 1-Methylinden-2-Carbonsäure (1-MICA) in Gegenwart von Pd/Al₂O₃ ^vi deutlich (2).
Die Syn-Addition von zwei auf der Pd-Oberfläche adsorbierten Wasserstoffatomen ergibt vorwiegend das cis-Produkt.
Bei Zusatz von Modifikatoren (Cinchonidin und Quinuclidin) wird das trans/cis-Verhältnis mehr als verdoppelt. Der Einfluß der tertiären Amin-Modifikatoren wird durch die Säure-Base-Wechselwirkungen zwischen 1-MICA und dem Modifikator, der die Adsorption und Hydrierung von 1-MICA in 'upside down' Position unterstützt, erklärt.
Bei enantioselektiven katalytischen Reaktionen können Edelmetallträgerkatalysatoren im Zusammenspiel mit chiralen Modifikatoren chirale Informationen direkt an bestimmte Substratgruppen übertragen.
Mit der Kombination Pt/Al₂O₃/Cinchona-Alkaloid können α-Ketocarbonsäureester mit Enantioselektivitäten von 85–98% hydriert werden^vii (3).
Die stereoselektive Hydrierung von β-Ketocarbonsäureestern^viii führt mit Raney-Nickel als Katalysator und Weinsäure als chiralem Modifikator sowie NaBr als Promotor zu Stereoselektivitäten bei den Hydroxyestern von ca. 80–98%. Weitere geeignete Substrate sind andere β-funktionalisierte Ketone und sterisch anspruchsvolle Methylketone^ix.
Die Kombination von Palladium mit unsubstituierten Cinchona-Alkaloiden oder einigen Vinca-Alkaloiden ergibt enantioselektive Katalysatoren für α,β-ungesättigte Carbonsäuren (ee bis 74%) und Hydroxymethylpyrone (ee bis 94%)^x.
Über einige andere Pd-Trägerkatalysatoren mit chiralen Modifikatoren (z. B. Aminoalkohole, Aminosäuren) wurde berichtet, aber die erreichten Enantioselektivitäten betrugen nur ca. 20–25%.
Insgesamt fällt auf, daß sich die erfolgreichen Anwendungen im Bereich stereo-, diastereo- und enantioselektiver Reaktionen auf leicht aktivierbare Substrate, die unter milden Reaktionsbedingungen (geringer H₂-Druck im Falle von Hydrierungen, geringe Temperatur) beschränken.
Eine Ursache dafür liegt vermutlich in der begrenzten Inertheit beziehungsweise im unerwünschten Abbau des chiralen Modifikators während der katalytischen Reaktion.
So ist bekannt, Cinchona-Modifikatoren, die bei der enantioselektiven Hydrierung in Verbindung mit Pt-Katalysatoren eingesetzt werden, durch die Wechselwirkung zwischen ihrem aromatischen Ringsystem und der Katalysatoroberfläche adsorbieren. Diese aromatische Gruppe wird allerdings während der Reaktion hydriert. Dies führt zur Ablösung des Modifikators von dem Katalysator und damit zum Rückgang oder vollständigen Verlust der Selektivität.
Darüber hinaus haben Adsorptionsgruppen, die labilere Adsorptionswechselwirkungen eingehen, den Nachteil, daß die Adsorption dieser Moleküle spezifische Metalloberflächen beziehungsweise Adsorptionsplätze voraussetzen. Damit ist die Anwendbarkeit entsprechender Modifikatoren an besondere Metallpartikelstrukturen, Trägermaterialien und an eng spezifizierte Herstellungsmethoden der heterogenen Katalysatoren gebunden.
Funktionierende enantio-selektiv wirkende Pt-Cinchona-Alkaloid-Systeme basieren zum Beispiel auf Al₂O₃ als Trägermaterial. Aktivkohle-geträgerte Katalysatoren zeigen dagegen nur geringe Selektivitäten.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Entwicklung von Katalysatorsystemen mit robusten organischen Modifikatoren, die sowohl organo-katalytische Funktionalitäten als auch Adsorptions-Gruppen aufweisen, die eine starke unspezifische Adsorption auf der Katalysatoroberfläche ermöglichen. Diese erfindungsgemäßen Katalysatorsysteme können reaktionsträge Substrate unter schärferen Reaktionsbedingungen (erhöhte Temperatur, erhöhter Druck) aktivieren und chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektiv umsetzen.
Gegenstand der Erfindung sind Katalysatorsysteme, bestehend aus geträgerten oder nicht geträgerten Übergangsmetall-Katalysatoren, deren Oberfläche mit definierten Mengen von organischen Modifikatoren belegt sind, welche gekennzeichnet dadurch sind, daß der Modifikator eine schwefelhaltige Funktionalität (G₀) aufweist.
Obwohl entsprechend des Standes der Technik schwefelhaltige Moleküle vorwiegend für die Vergiftung von Katalysatoren bekannt sind, wurde überraschenderweise bei den erfindungsgemäßen Katalysatoren, die mit schwefelhaltigen Verbindungen behandelt werden, gefunden, daß sowohl eine Aktivitäts- als auch eine Selektivitätszunahme im Vergleich zu unmodifizierten Katalysatoren eintreten kann.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann aus einem Vollkatalysator oder einem geträgerten Katalysator und einem organischen Modifikator bestehen und dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator als schwefelhaltige Funktionalität (G₀) Thiol-, (Poly-)Sulfan-, Thiophen- oder Thiopyran-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator mindestens eine weitere funktionelle Gruppe (G₁) mit Brønsted-basischen, Brønsted-sauren, Lewis-basischen oder Lewis-sauren Eigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator zwischen der schwefelhaltigen Funktionalität (G₀) und der Brønsted-basischen, Brønsted-sauren oder Lewis-basischen Funktionalität (G₁) einen Spacer (Sp) aufweist.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Vollkatalysator oder der geträgerte Katalysator ein oder mehrere katalytisch aktive Komponenten enthält, wobei diese Komponenten Verbindungen der Elemente der I., II., VII. und VIII. Nebengruppe des Periodensystems, bevorzugt Verbindungen der Elemente Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Ir, Au, Ag, Ni, Co, Cu und Fe, sein können.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator während oder unmittelbar im Anschluss an die Herstellung des Metallbeziehungsweise geträgerten Metallkatalysators auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird und als derartiges Katalysatorsystem in die katalytische Prozessstufe eingeführt wird.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator unmittelbar vor der Einbringung in die katalytische Prozessstufe auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator und der heterogene Katalysator in die katalytische Prozeßstufe eingebracht werden, und der Modifikator in situ auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert wird.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator als schwefelhaltige Funktionalität (G₀) Alkylthiol- oder Alkylsulfan- oder Alkyldisulfan- oder Alkyltrisulfan- oder Alkylpolysulfan-Gruppen oder Arylthiol- oder Arylsulfan- oder Aryldisulfan- oder Aryltrisulfan- oder Arylpolysulfan-Gruppen oder Alkyl-Aryl-thiol- oder Alkyl-Aryl-sulfan- oder Alkyl-Aryl-disulfan- oder Alkyl-Alkyl-trisulfan- oder Alkyl-Aryl-polysulfan-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator bevorzugt als schwefelhaltige Funktionalität (G₀) Phenylthiol- oder Phenylsulfan-Gruppen oder Benzylthiol- oder Benzylsulfan-Gruppen aufweist.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß das Massenverhältnis Modifikator:Katalysator im Bereich zwischen 10000:1 und 1:10000 liegen kann und bevorzugt zwischen 10:1 und 1:1000 liegt.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß der Modifikator als funktionelle Gruppe (G₁) eine oder mehrere Gruppen aus der Gruppe
Amino- und/oder
Carbonsäure- und/oder
Carbonsäureester- und/oder
Carbonsäureamid- und/oder
Aminocarbonsäure- und/oder
Aminocarbonsäureester- und/oder
Aminocarbonsäureamid- und/oder
Hydroxycarbonsäure- und/oder
Hydroxycarbonsäureester- und/oder
Hydroxycarbonsäureamid- und/oder
Aminoalkohol- und/oder
Diol- und/oder
Harnstoff- und/oder
Thioharnstoff-
aufweist.
Bevorzugte Modifikatoren mit schwefelhaltiger Funktionalität (G₀) gemäß Erfindung können organische Moleküle sein, die Thiol-, (Poly-)Sulfan-, Thiophen- oder Thiopyran-Gruppen enthalten und darüber hinaus noch mindestens eine weitere funktionelle Gruppe (G₁) mit Brønsted-basischen, Brønsted-sauren oder Lewis-basischen Eigenschaften, wie z B. Amino-, Aminosäure-, Hydroxycarbonsäure-, Aminoalkohol-, Diol-, Biphenol-, Harnstoff- oder Thioharnstoff-Gruppen aufweisen.
Die Modifikatoren der erfindungsgemäßen Katalysatoren können einen Spacer (Sp) aufweisen, der sich zwischen Funktionalität G₀ und G₁ befindet. Der Spacer kann beispielsweise die in der Tabelle 1 aufgeführten Strukturen aufweisen.
Beispiele solcher Modifikatoren sind in 4 und Tabelle 1 zusammengefasst.
Der Modifikator kann weiterhin eine multifuktionelle Gruppe (G1) mit 2 oder mehreren Brønstedsäure-, Brønstedbase, Lewissäure- oder Lewisbase-Gruppen aufweisen. Tabelle 1 Beispiele für die funktionellen Gruppen Sp, G₀ und G₁ der erfindungsgemäßen Modifikatoren
Die S-haltigen Funktionalitäten G₀ der in 4 dokumentierten Modifikatoren des erfindungsgemäßen Katalysatorsystems können der starken Adsorption des Modifikators an der Metalloberfläche, die auch bei erhöhter Reaktionstemperatur und hohen Konzentrationen reaktiver Substrate erhalten bleibt, dienen.
Die Modifikatoren der erfindungsgemäßen Katalysatoren können mindestens ein Chiralitätszentrum aufweisen.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann dadurch gekennzeichnet sein, daß das Katalysatorsystem Reaktionen der folgenden Reaktionsklassen katalysieren kann:
chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektive Hydrierungen von Substraten, die
eine oder mehrere Carbonyl-Gruppen und/oder
eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen und/oder
eine oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Gruppen und/oder
eine oder mehrere Nitrogruppen und/oder
eine oder mehrere Nitril-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Imin-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Hydroxylamin-Gruppen und/oder
eine oder mehrere Alkin-Gruppen enthalten,
die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Alkylierung von primären oder sekundären Aminen
oder
die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Aminierung von Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniumsalzen oder Aminen.
Der Temperaturbereich der katalytischen Anwendung der erfindungsgemäßen Katalysatoren kann von –70 bis 220°C, vorzugsweise –10 bis 200°C und insbesondere 20 bis 140°C sein.
Der Druckbereich (H₂-Partialdruck) der katalytischen Anwendung der erfindungsgemäßen Katalysatoren kann 0,1 bis 300 bar, bevorzugt 0,5 bis 100 bar betragen.
Das Massenverhältnis Katalysator:Modifikator des erfindungsgemäßen Katalysators kann zwischen 1:1 und 10.000:1, bevorzugt zwischen 10:1 und 1.000:1 liegen.
Mit den variierenden Funktionalitäten Z₁ und Z₂ der Gruppe G₁ (siehe Tabelle 1 und 4) können die Chemo-, Stereo-, Diastereo- und/oder Enantio-Selektivität des katalytischen Reaktionsverlaufs unterschiedlicher Reaktions- beziehungsweise Substratklassen gesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann zur Katalyse der folgenden Reaktionsklassen verwendet werden:
chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantio-selektive Hydrierungen von Substraten, die mindestens eine oder mehrere funktionelle Gruppen aus der Gruppe
eine oder mehrere Carbonyl-Gruppen
eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen
eine oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Gruppen
eine oder mehrere Nitrogruppen
eine oder mehrere Nitril-Gruppen
eine oder mehrere Imin-Gruppen
eine oder mehrere Hydroxylamin-Gruppen
eine oder mehrere Alkin-Gruppen aufweisen.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann weiterhin für die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Alkylierung von primären oder sekundären Aminen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Katalysatorsystem kann weiterhin für die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Aminierung von Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniumsalzen oder Aminen eingesetzt werden.
Die aktiven Metallkomponenten des erfindungsgemäßen Katalysatorsystems können aus einer oder mehreren Edelmetallen, wie Pd, Pt, Ag, Au, Rh, Ru, Ir und/oder weitere Übergangsmetalle, wie Ni, Cu, Co, Mo bestehen.
Die Katalysatoren können weitere Elemente, wie zu Beispiel Alkali- und Erdalkalimetalle, Elemente der 3. 4. und 5. Hauptgruppe und/oder Elemente der 1. bis 8. Nebengruppe aufweisen.
Die Metallkomponenten der Katalysatoren können auf Trägern aufgebracht sein, wobei als Träger Aktivkohlen, Ruß sowie oxidische Materialien, wie Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, Alumosilikate, MgO, CaO, SrO, BaO, beziehungsweise Mischoxide aus den genannten Oxiden verwendet werden können.
Die erfindungsgemäßen neuartigen robusten organischen Modifikatoren erlauben eine wirksame Modifizierung von unterschiedlichen Metall-Träger-Katalysatoren und sind nicht mehr auf eng spezifizierte Träger- und Metallpartikeleigenschaften begrenzt.
Die resultierenden erfindungsgemäßen Katalysatorsysteme eröffnen den Zugang zu einer Vielzahl chemo-, stereo-, diastereo- und enantio-selektiver chemischer Umsetzungen.
Beispiele
Die Beispiele konzentrieren sich auf die Anwendung erfindungsgemäßer modifizierter Katalysatoren in Reaktionen, bei denen für die Substrataktivierung erhöhte Reaktionstemperaturen und Wasserstoffpartialdrücke erforderlich sind und für die die erfindungsgemäßen Katalysatorsysteme einen deutlichen Fortschritt im Vergleich zum Stand der Technik aufweisen.
Beispiel 1
Heterogen-katalysierte enantio-selektive reduktive Aminierung in Gegenwart von Pt-Katalysatoren, die mit Aminosäure-Sulfan/-Thiol-Derivaten modifiziert wurden
Es wurde eine Bibliothek von 36 Modifikatoren erzeugt. Diese Bibliothek basiert auf den in 5a gezeigten α-Aminosäure-Grundstruktur. Es wurden die Substituenten G₀, G₁ beziehungsweise innerhalb der Gruppe G₁ die Funktionalitäten Z₁ und Z₂ (vergleiche auch Tabelle 1) gemäß 5b systematisch variiert. SP ist gleich CH₂-Gruppe.
Die Vertreter der Substanzbibliothek gemäß 5 wurden für die Modifizierung verschiedener Pt-Katalysatoren eingesetzt. Diese Katalysatoren enthielten jeweils 5 Ma-% Pt auf einem Al₂O₃-Träger (entspricht Catasium F214 in Tabelle 1a und b) bzw. 3 Ma-% Pt auf einem Aktivkohle-Träger (entspricht F1082QHA/W3% in Tabelle 1a und b). Die modifizierten Pt-Katalysatoren wurden in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt.
Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H₂-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50°C bis 80°C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Die Katalysatoren wurden in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Danach wurde 1 ml der Lösung des Modifikators im Lösungsmittel zugegeben und 30 min bei Raumtemperatur gerührt. Im Anschluss wurde 1 ml der Substratlösung und 1 ml der Lösung des Ammoniumsalzes hinzugegeben. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschließend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Zu Reaktionsbeginn betrug das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton:NH₄OH = 1:3. Das Mol-Verhältnis Substrat zu Modifikator wurde im Bereich von 1:1 bis 10000:1 variiert. Tabelle 2a) und b) enthält Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte für ausgewählte Experimente dieser Variationen. Es zeigt sich, dass insbesondere mit den erfindungsgemäßen Katalysator-/Modifikator-Systemen Nr. 8, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 29, 30, 32, 35, 36 (Tabelle 2a, b) Enantio-Selektivitäten erzielt werden, die sowohl über den ee-Werten eines schwefelfreien Modifikator-Analogons (N-Acetylphenylalanin), als auch über den ee-Werten, die ohne Einsatz eines Modifikators erhalten werden, liegen.
Beispiel 2
Der Vertreter Nr. 8 der Substanzbibliothek gemäß 5 wurde für die Modifizierung eines Pt-Katalysators (5 ma-% Pt geträgert auf Al₂O₃) eingesetzt. Der Katalysator wurde erzeugt indem 3 g Aluminiumoxid bei Raumtemperatur in 40 ml 2,5%iger Natriumcarbonatlösung (Na₂CO₃) 15 min lang mit einem Magnetrührer bei 50°C suspendiert wurden. 400 mg Hexachloroplatinsäure-Hexahydrat (H₂PtCl₆·6H₂O, entsprechend 150 mg Pt). gelöst in 30 ml Wasser, wurden innerhalb von ca. 30 min zur Trägersuspension getropft.
Nach beendeter Zugabe wurde nochmals 15 min gerührt und anschließend der pH-Wert auf 10,5 eingestellt. Die Reduktion erfolgte durch Zugabe von 0,3 g Natriumborhydrid (NaBH₄) in 30 ml Wasser bei 50°C. Nach Einsatz der Reduktion (zu erkennen durch eine sofortige Schwarzfärbung des Katalysators) wurde nochmals etwa 45 min gerührt, bevor der Katalysator mit einer Fritte abgetrennt, mit Wasser gewaschen und über Nacht bei ca. 70°C im Trockenschrank getrocknet wurde.
Unmittelbar im Anschluss an die Herstellung wurde der Katalysator in 40 ml einer Methanol-Lösung die 0,4 mmol/l des Modifikators Nr. 8 (vgl. 5) enthielt, suspendiert. Im Anschluß wurde der Feststoff wieder abfiltriert, wahlweise mit Wasser gewaschen und im Vakuumschrank bei Raumtemperatur getrocknet.
Der modifizierte Pt-Katalysatore wurde in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt.
Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H₂-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50°C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Der Katalysatore wurde in 4 ml des Lösungsmittels suspendiert. Im Anschluss wurde 1 ml der Substratlösung und 1 ml der Lösung des Ammoniumsalzes hinzugegeben. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschließend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Zu Reaktionsbeginn betrug das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton: NH₄OH = 1:3.
Tabelle 3 zeigt Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte, die signifkant über den Werten des unmodifizierten Katalysators liegen (vgl. Beispiel 1, Tabelle 2b).
Beispiel 3
Der Vertreter Nr. 8 der Substanzbibliothek gemäß 5 wurde für die Modifizierung eines Pt-Katalysators (3 ma-% Pt geträgert auf Aktivkohle, bezeichnet als F1082QHA/W3%) verwendet.
Der Pt-Katalysator wurde in der reduktiven Aminierung von Ethyl-Phenyl-Keton zum Propyl-Phenyl-Amin eingesetzt und dabei mit N-Ac-S-Benzyl-L-Cystein in situ modifiziert.
Die Reaktion wurde in einem Druckreaktor bei einem H₂-Partialdruck von 30 bar und einer Reaktionstemperatur von 50°C bis 80°C in Methanol als Lösungsmittel durchgeführt. Der Katalysatore wurde in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Der Reaktor wurde zunächst mit Stickstoff gespült und anschließend mit Wasserstoff bis zum vorgesehenen Reaktionsdruck beaufschlagt sowie die Reaktionstemperatur eingestellt. Danach wurden 3 ml einer Methanol-Lösung, die den Modifikator, NH₄OH und das Substrat enthielt, unter Reaktionsbedingungen und Rühren zur Katalysatorsuspension zugegeben. Das Mol-Verhältnis Ethyl-Phenyl-Keton:NH₄OH = 1:3 betrug. Das Molverhältnis Substrat: Modifikators im Reaktor betrug 1:11.
Tabelle 4 zeigt Ausbeuten an Propyl-Phenyl-Amin und ee-Werte, die signifkant über den Werten des unmodifizierten Katalysators liegen (vgl. Beispiel 1, Tabelle 2b).
Beispiel 4
Heterogen-katalysierte enantio-selektive Hydrierungen von α-Keto-Carbonsäure-Derivaten
Für die enantio-selektive Hydrierung von Ethylpyruvat wurde ein Pt/Al₂O₃-Katalysator (5 ma-% Pt) mit folgenden Verbindungen modifiziert:
N-Acetylphenylalanin
N-Ac-S-Phenyl-L-Cystein
Die Katalysatoren wurden in 3 ml des Lösungsmittels suspendiert. Danach wurde 1 ml der Lösung des Modifikators im Lösungsmittel zugegeben und 30 min bei Raumtemperatur gerührt. Die chemische Umsetzung erfolgte bei 50°C und einem H₂-Partialdruck von 5 bar in Essigsäure als Lösungsmittel. Ein Reaktionsansatz enthielt jeweils 10 mg des trockenen Katalysators und 6 ml Reaktionslösung mit einer Substratkonzentration von 750 mmol/l und einer Modifikatorkonzentration von 0,2 mmol/l.
Die Ausbeuten und ee-Werte sind in Tabelle 5 zusammengefaßt. Tabelle 5 Ergebnisse der Umsetzung von Ethylpyruvate (40°C, 5 bar, Substratkonzentration 750 mmol/l; Modifikatorkonzentration 0,2 mmol/l).
Das erfindungsgemäße Katalysator-/Modifikator-System zeigt im Vergleich zum modifikatorfreien System und zum System mit dem schwefelfreien Modifikator bei der gewählten Reaktionsbedingung die höchste Enantiomeren-Anreicherung.

List, B. Tetrahedron Lett. 2002, 58, 5573
ii H. Lindlar, Helv. Chim. Acta 35 (1952) 446.
vi a) T. M. Tri, P. Gallezot, B. Imelik, Stud. Surf. Sci. Catal. 11 (1982) 141.
b) C. H. Bartholomew, P. K. Agrawal, J. R. Katzer, Adv. Catal. 31 (1982) 135.
vii Sajiki, H.; Hirota, K. Tetrahedron 1998, 54, 13981.
viii H. Sajiki et al., Organic Letters, Published on Web 06/28/2006
xiv K. Borszeky, T. Mallat, A. Baiker, Tetrahedron: Asym 10 (24), 1999, pp. 4781–4789
xviii H.-U. Blaser, B. Pugin, M. Studer in "Chiral Catalyst Immobilization and Recycling", D. E. De Vos, I. F. J. Vankelecom, P. A. Jacobs (Eds.), Wiley-VCH, Weinheim, 2000, S. 1.
xxxix A. Tai, T. Sugimura, in "Chiral Catalyst Immobilization and Recycling", D. E. De Vos, I. F. J. Vankelecom, P. A. Jacobs (Eds.), Wiley-VCH, Weinheim, 2000, S. 173.
xl T. Osawa, T. Harada, A. Tai, Catal. Today 37 (1997) 465.
xli H.-U. Blaser, A. Indolese, A. Schnyder, H. Steiner, M. Studer, J. Mol. Catal. A: Chem. 173 (2001) 3.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- B. Tetrahedron Lett. 2002, 58, 5573 [0081]
- H. Lindlar, Helv. Chim. Acta 35 (1952) 446 [0081]
- T. M. Tri, P. Gallezot, B. Imelik, Stud. Surf. Sci. Catal. 11 (1982) 141 [0081]
- C. H. Bartholomew, P. K. Agrawal, J. R. Katzer, Adv. Catal. 31 (1982) 135 [0081]
- Sajiki, H.; Hirota, K. Tetrahedron 1998, 54, 13981 [0081]
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- K. Borszeky, T. Mallat, A. Baiker, Tetrahedron: Asym 10 (24), 1999, pp. 4781–4789 [0081]
- H.-U. Blaser, B. Pugin, M. Studer in "Chiral Catalyst Immobilization and Recycling", D. E. De Vos, I. F. J. Vankelecom, P. A. Jacobs (Eds.), Wiley-VCH, Weinheim, 2000, S. 1 [0081]
- A. Tai, T. Sugimura, in "Chiral Catalyst Immobilization and Recycling", D. E. De Vos, I. F. J. Vankelecom, P. A. Jacobs (Eds.), Wiley-VCH, Weinheim, 2000, S. 173 [0081]
- T. Osawa, T. Harada, A. Tai, Catal. Today 37 (1997) 465 [0081]
- H.-U. Blaser, A. Indolese, A. Schnyder, H. Steiner, M. Studer, J. Mol. Catal. A: Chem. 173 (2001) 3 [0081]

Claims

Katalysatorsysteme, bestehend aus geträgerten oder nicht-geträgerten Übergangsmetall-Katalysatoren, deren Oberfläche mit definierten Mengen an organischen Modifikatoren belegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Modifikator eine schwefelhaltige Funktionalität (G₀) aufweist.
Katalysatorsysteme gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modifikator mindestens eine weitere funktionelle Gruppe (G₁) mit Brønsted-basischen, Brønsted-sauren, Lewis-basischen oder Lewis-sauren Eigenschaften aufweist.
Katalysatorsysteme gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modifikator zwischen der schwefelhaltigen Funktionalität (G₀) und der Brønsted-basischen, Brønsted-sauren, Lewis-basischen oder Lewis-sauren Funktionalität (G₁) einen Spacer (Sp) aufweist.
Katalysatorsysteme gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vollkatalysator oder der geträgerte Katalysator ein oder mehrere katalytisch aktive Komponenten enthält, wobei diese Komponenten Verbindungen der Elemente der I., II., VII. und VIII. Nebengruppe des Periodensystems sein können und bevorzugt Verbindungen der Elemente Pt, Pd, Rh, Ru, Re, Ir, Au, Ag, Ni, Co, Cu und Fe sein können.
Verwendung der Katalysatorsysteme gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 zur Katalyse der folgenden Reaktionsklassen: • chemo-, stereo-, diastereo- und/oder enantioselektive Hydrierung von Substraten, die mindestens eine oder mehrere funktionelle Gruppen auf der Gruppe • eine oder mehrere Carbonyl-Gruppen • eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen • eine oder mehrere aromatische und/oder heteroaromatische Gruppen • eine oder mehrere Nitrogruppen • eine oder mehrere Nitril-Gruppen • eine oder mehrere Imin-Gruppen • eine oder mehrere Hydroxylamin-Gruppen • eine oder mehrere Alkin-Gruppen aufweisen.
Verwendung der Katalysatorsysteme gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 für die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Alkylierung von primären oder sekundären Aminen.
Verwendung der Katalysatorsysteme gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 für die chemo-, stereo-, diastereo- oder enantio-selektive reduktive Aminierung von Aldehyden oder Ketonen mit Ammoniumsalzen oder Aminen.