DE102007041965A1

DE102007041965A1 - Immobilisierte Rhodium(III)-Katalysatoren für asymmetrische Hydrierreaktionen

Info

Publication number: DE102007041965A1
Application number: DE200710041965
Authority: DE
Inventors: Jonas Dipl.-Ing. Dimroth; Uwe Dr. Schedler
Original assignee: POLYAN GES ZUR HERSTELLUNG VON; Polyan Gesellschaft Zur Herstellung Von Polymeren fur Spezielle Anwendungen und Analytik Mbh
Current assignee: POLYAN GES ZUR HERSTELLUNG VON; Polyan Gesellschaft Zur Herstellung Von Polymeren fur Spezielle Anwendungen und Analytik Mbh
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft immobilisierte Rhodium(III)-Katalysatoren für asymmetrische Hydrierreaktionen.

Description

Die Erfindung betrifft immobilisierte Rhodium(III)-Katalysatoren für asymmetrische Hydrierreaktionen, Katalysator-Vorstufen sowie durch Anbindung an einen Träger immobilisierte Katalysator-Vorstufen.
Technologischer Hintergrund und Stand der Technik
Der zunehmende Bedarf an reinen enantiomeren oder diastereomeren Verbindungen in der Pharmaka- sowie der Agrochemikalien- und Duftstoffherstellung bei gleichzeitig steigenden Energie- und Rohstoffkosten hat die Suche nach unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten verbesserten Möglichkeiten zur Herstellung von chiralen Grundbausteinen intensiviert. In den vergangenen Jahrzehnten konnten beachtliche Erfolge bei der Entwicklung von (homogenen) Katalysatoren erzielt werden, die Synthesen von chiralen Verbindungen mit hoher Reinheit ermöglichen. Katalytische Ansätze für die Gewinnung reiner Enantiomere haben anderen Verfahren gegenüber den Vorteil, dass der entscheidende Schritt der chiralen Induktion von einer substöchiometrischen Menge einer chiralen Substanz – dem Katalysator – bewerkstelligt werden kann. Anders ausgedrückt: Es ist möglich mit einer kleinen Menge des chiralen Informationsträgers ein Vielfaches an Edukt in gewünschtes Produkt umzuwandeln, oft nahezu ohne Anfall von Nebenprodukten.
Nach erfolgter Reaktion muss der Katalysator vom Reaktionsprodukt getrennt werden und kann gegebenenfalls wieder verwendet werden. Der kommerzielle Einsatz von Katalysatoren lässt sich dabei wesentlich vereinfachen, wenn der Katalysator auf einem Träger immobilisiert vorliegt. Dies kann beispielsweise durch kovalente Anbindung an den Träger geschehen. Die Heterogenisierung eines Katalysators erleichtert demnach seine Rückgewinnung aus dem Herstellungsprozess. Dadurch lassen sich Produktverunreinigungen vermeiden, und der Katalysator kann erneut zur Herstellung verwendet werden.
Bei der praktischen Umsetzung dieses Konzepts bedarf es jedoch eines auf das einzelne katalytische System abgestimmten Vorgehens, d. h. es müssen geeignete Anbindungspunkte am Katalysator identifiziert werden, geeignete Träger und gegebenenfalls Kupplungsreagenzien gefunden werden und ein Herstellungsweg für den immobilisierten Katalysator entwickelt werden. All diese Maßnahmen dürfen die katalytische Aktivität des Katalysatorsystems nicht nennenswert beeinflussen. Die Entwicklung eines immobilisierten Katalysatorsystems ist demnach keine Routineangelegenheit, sondern stellt eine besondere Herausforderung dar.
Im Fokus der vorliegenden Erfindung steht ein enantioselektiver Hydrierungskatalysator auf Basis eines Rhodium(III)-Metallkomplexes, der an einen festen Träger gebunden werden soll. Insbesondere durch die katalytische Transferhydrierung kann auf den prozesstechnisch aufwendigen Einsatz von elementarem Wasserstoff verzichtet werden. Stattdessen werden dem Reaktionssystem Verbindungen zugesetzt, deren Eigenschaft als Wasserstoffdonoren einen Transfer des Wasserstoffs zur Zielsubstanz erlaubt.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Zugang zu einem auf einen Träger immobilisierten Rhodium(III)-Katalysator für asymmetrische Hydrierreaktionen zu schaffen. Die erfindungsgemäßen Katalysatoren leiten sich dabei von an sich bekannten Rhodium(III)-Katalysatoren für asymmetrische Hydrier- beziehungsweise Transferhydrierreaktionen ab und sollen noch eine zumindest vergleichbare katalytische Aktivität besitzen.
Erfindungsgemäße Lösung
Ein erster Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Liganden nach einer der Formeln (1)–(4):
wobei Ar für Phenyl oder Tetramethylpentadienyl steht;
R1 ausgewählt ist aus der Gruppe

(i) C₁-C₁₅-Alkyl, C₂-C₁₅-Alkenyl oder C₆-C₂₄-Arenyl, jeweils mit einer terminalen, funktionellen Gruppe;
(ii) -(OC₂H₄)_n-Y mit n = 1–20 und Y einer terminalen, funktionellen Gruppe;
(iii) nur für Formel (1): eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus der Gruppe COOH, COOR³, CHO, OH, NH₂, NHR³ und Halogen, wobei R³ ein C₁-C₁₀-Alklyrest ist; und

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Vorzugsweise ist die funktionelle Gruppe ausgewählt aus der Gruppe COOH, COOR³ mit R³ einem C₁-C₁₀-Alklyrest, CHO, OH, NH₂, NHR³ mit R³ einem C₁-C₁₀-Alklyrest, Epoxy, Halogen, Alkenyl, Alkinyl, Acryl, Methacryl und siliziumorganische Funktionalitäten (zum Beispiel ein Halogensilan). Insbesondere steht die funktionelle Gruppe für COOH oder NH₂.
Die Liganden sind ein bedeutendes Zwischenprodukt der Synthese des gewünschten immobilisierten Rhodium(III)-Katalysators. Ausgehend von diesen Liganden kann die weitere Synthese in zwei unterschiedlichen Varianten fortgeführt werden.
Nach einer bevorzugten ersten Variante wird zunächst der zuvor beschriebene Ligand mit einer Rhodium-Verbindung unter Entstehung eines Rhodium(III)-Komplexes zu einem Präkatalysator umgesetzt. Der so erhaltene Präkatalysator ist ebenfalls ein bedeutendes Zwischenprodukt der Synthese des gewünschten immobilisierten Rhodium(III)-Katalysators. Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt daher in der Bereitstellung eines solchen Präkatalysators.
Anschließend wird der immobilisierte Rhodium(III)-Katalysator durch kovalente Anbindung der funktionellen Gruppe des zuvor beschriebenen Präkatalysators an eine Oberfläche eines Trägers erhalten. Mit anderen Worten, der Präkatalysator wird an den Träger gebunden und damit immobilisiert. Die Anbindung erfolgt über die funktionelle Gruppe am Rest R1, derart, dass in einer chemischen Reaktion mit einer geeigneten Funktionalität auf der Oberfläche des Trägers eine kovalente Bindung erstellt wird. Gegebenenfalls ist eine solche Funktionalität auf der Oberfläche des Trägers vorab zu erzeugen, wobei auf bekannte Verfahren zur Oberflächenmodifikation zurückgegriffen werden kann. Geeignete Funktionalitäten umfassen beispielsweise OH- und NH₂-Gruppen. Je nach Natur der Kupplungsreaktion können weitere Kupplungsreagenzien zum Einsatz kommen. Der Fachmann wird sich ausgehend von der Beschaffenheit des gewünschten Trägers und der im Präkatalysator bereitgestellten funktionellen Gruppe an bekannten Kupplungssystemen orientieren und eine entsprechende Reaktionsführung routinemäßig umsetzen können.
Vorzugsweise besteht der Träger oder die Oberfläche des Trägers aus einem oder mehreren Materialen ausgewählt aus der Gruppe

(i) organische Polymere, umfassend Polypropylene, Polyethylene, Polysulfone, Polyethersulfone, Polystyrole, Polyvinylchloride, Polyacrylnitrile, Zellulosen, Amylosen, Agarosen, Polyamide, Polyimide, Polytetrafluorethylene, Polyvinylidendifluoride, Polyester, Polacarbonate, Polyacrylate, Polyacrylamide, Polyacrylate, Polyvinylpyrrolidone, Polysiloxane, Polybutadiene, Polyisoprene, Polyoxazoline und Polyether; und
(ii) Glas, Silikat, Keramik oder Metall.

Besonders bevorzugt besteht der Träger aus Silikat, Polypropylen oder Polyethylen.
Polyacrylate, Polyacrylamide, Polyvinylpyrrolidone, Polysiloxane, Polybutadiene, Polyisoprene, Polyoxazoline und Polyether mit einem Molekulargewicht im Bereich von 1.000 bis 1.000.000, vorzugsweise 5.000 bis 300.000 g/mol können als makromolekulare lösliche Träger Einsatz finden.
Nach einer zweiten Variante wird zunächst der obig beschriebene Ligand durch kovalente Anbindung seiner funktionellen Gruppe an die Oberfläche des Trägers zu einem immobilisierten Liganden umgesetzt. Der Träger kann in gleicher Weise wie im Zuge der Beschreibung der ersten Variante dargelegt ausgeführt sein. Der so erhaltene immobilisierte Ligand ist ein weiteres bedeutsames Zwischenprodukt der Synthese des gewünschten immobilisierten Rhodium(III)-Katalysators. Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt daher in der Bereitstellung eines solchen immobilisierten Liganden.
Anschließend wird der immobilisierte Rhodium(III)-Katalysator für asymmetrische Hydrierreaktionen durch Umsetzung des zuvor genannten immobilisierten Liganden mit einer Rhodium-Verbindung unter Entstehung eines Rhodium(III)-Komplexes erhalten.
Der immobilisierte Rhodium(III)-Katalysator wird für asymmetrische Hydrierreaktionen verwendet. Hierunter fallen erfindungsgemäß insbesondere Transferhydrierungen prochiraler aromatischer Ketone, wobei insbesondere Ameisensäure oder Isopropanol als Wasserstoffdonor verwendet werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Herstellung eines Liganden
Dem Reaktionsschema 1 ist ein Syntheseweg hin zu einem Liganden der Formel 20 zu entnehmen.
Reaktionsschema 1
In einem ersten Teilschritt der Synthese wird das Zwischenprodukt 2-(2,3,4,5-Tetramethylcyclopentadienyl)-benzaldehyd 13 bereitgestellt. Ein zweiter Teilschritt der Synthese führt zu einem an der Carboxylgruppe geschützten Zwischenprodukt 18. Die beiden Zwischenprodukte 13 und 18 werden in einem dritten Teilschritt der Synthese gekuppelt (Verbindung 19). Schließlich wird die Carboxlgruppe entschützt und steht zur späteren Kupplung mit einem funktionellen Trägermaterial bereit (Ligand 20). Der Ligand 20 weist an den beiden C-Atomen der Diphenylethylendiamin-Teilstruktur jeweils R-Symmetrie auf. Die entsprechenden (S/S)-, (R/S)- oder (S/R)-Liganden sind in analoger Weise zugänglich.
Herstellung eines Präkatalysators
Ausgehend vom Liganden der Formel 20 wird der Präkatalysator der Formel 21 nach Reaktionsschema 2 synthetisiert.
Reaktionsschema 2
Herstellung eines immobilisierten Rhodium(III)-Katalysators
In Reaktionsschema 3 ist die Festphasenkupplung der Verbindung 21 an einen amino-funktionalisierten Polymerträger dargestellt.
Reaktionsschema 3

Claims

Ligand nach einer der Formeln (1)–(4):
wobei Ar für Phenyl oder Tetramethylpentadienyl steht; R1 ausgewählt ist aus der Gruppe (i) C₁-C₁₅-Alkyl, C₂-C₁₅-Alkenyl oder C₆-C₂₄-Arenyl, jeweils mit einer terminalen, funktionellen Gruppe; (ii) -(OC₂H₄)_n-Y mit n = 1–20 und Y einer terminalen, funktionellen Gruppe; (iii) nur für Formel (1): eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus der Gruppe COOH, COOR³, CHO, OH, NH₂, NHR³ und Halogen, wobei R³ ein C₁-C₁₀-Alklyrest ist; und R2 ausgewählt ist aus einer Gruppe H, C₁-C₁₅-Alkyl, C₂-C₁₅-Alkenyl und C₆-C₂₄-Arenyl.
Ligand nach Anspruch 1, bei dem die funktionelle Gruppe ausgewählt ist aus der Gruppe COOH, COOR³ mit R³ einem C₁-C₁₀-Alklyrest, CHO, OH, NH₂, NHR³ mit R³ einem C₁-C₁₀-Alklyrest, Epoxy, Halogen, Alkenyl, Alkinyl, Acryl, Methacryl und siliziumorganische Funktionalitäten.
Ligand nach Anspruch 2, bei dem die funktionelle Gruppe COOH oder NH₂ ist.
Ligand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem R2 für Methyl steht.
Präkatalysator erhalten durch oder erhältlich durch Umsetzung eines Liganden nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Rhodium-Verbindung unter Entstehung eines Rhodium(III)-Komplexes.
Immobilisierter Rhodium(III)-Katalysator für asymmetrische Hydrierreaktionen, erhalten durch oder erhältlich durch kovalente Anbindung der funktionellen Gruppe eines Präkatalysators nach Anspruch 5 an eine Oberfläche eines Trägers.
Immobilisierter Rhodium(III)-Katalysator nach Anspruch 6, bei dem der Träger oder die Oberfläche des Trägers aus einem oder mehreren Materialen besteht, ausgewählt aus der Gruppe (I) organische Polymere, umfassend Polypropylene, Polyethylene, Polysulfone, Polyethersulfone, Polystyrole, Polyvinylchloride, Polyacrylnitrile, Zellulosen, Amylosen, Agarosen, Polyamide, Polyimide, Polytetrafluorethylene, Polyvinylidendifluoride, Polyester, Polacarbonate, Polyacrylate, Polyacrylamide, Polyacrylate, Polyvinylpyrrolidone, Polysiloxane, Polybutadiene, Polyisoprene, Polyoxazoline und Polyether; und (ii) Glas, Silikat, Keramik oder Metall.
Immobilisierter Rhodium(III)-Katalysator nach Anspruch 7, bei dem der Träger aus Silikat, Polypropylen oder Polyethylen besteht.
Immobilisierter Ligand erhalten durch oder erhältlich durch kovalente Anbindung der funktionellen Gruppe eines Liganden nach einem der Ansprüche 1 bis 4 an eine Oberfläche eines Trägers.
Immobilisierter Ligand nach Anspruch 9, bei dem der Träger oder die Oberfläche des Trägers aus einem oder mehreren Materialen besteht, ausgewählt aus der Gruppe (i) organische Polymere, umfassend Polypropylene, Polyethylene, Polysulfone, Polyethersulfone, Polystyrole, Polyvinylchloride, Polyacrylnitrile, Zellulosen, Amylosen, Agarosen, Polyamide, Polyimide, Polytetrafluorethylene, Polyvinylidendifluoride, Polyester, Polacarbonate, Polyacrylate, Polyacrylamide, Polyvinylpyrrolidone, Polysiloxane, Polybutadiene, Polyisoprene, Polyoxazoline und Polyether; und (ii) Glas, Silikat, Keramik oder Metall.
Immobilisierter Ligand nach Anspruch 10, bei dem der Träger aus Silikat, Polypropylen oder Polyethylen besteht.
Immobilisierter Rhodium(III)-Katalysator für asymmetrische Hydrierreaktionen, erhalten durch oder erhältlich durch Umsetzung eines immobilisierten Liganden nach einem der Ansprüche 9 bis 11 mit einer Rhodium-Verbindung unter Entstehung eines Rhodium(III)-Komplexes.