DE69727107T2

DE69727107T2 - Katalytisches Verfahren zur Herstellung von Aziridinen

Info

Publication number: DE69727107T2
Application number: DE69727107T
Authority: DE
Inventors: Donald Raby Mere Bethell; Graham John Osmotherley Hutchings; Christopher Newark Langham; Philip Charles Bulman Loughborough Page; Darren Frank West Derby Lee
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: GB9619725D0; EP0831086A1; JPH10130230A; CA2216044A1; EP0831086B1; DE69727107D1; US5852205A; ATE257467T1; AU3836597A

Description

Katalytisches Verfahren
Diese Erfindung betrifft ein katalytisches Verfahren und insbesondere die heterogene Katalyse der Aziridinierung von ethylenisch ungesättigten Verbindungen.
Derartige Aziridine sind nützliche chemische Zwischenstufen oder Reagenzien zur Verwendung bei der Herstellung von Feinchemikalien wie beispielsweise Pharmazeutika.
Die Aziridinierung von ethylenisch ungesättigten Verbindungen umfaßt die Umsetzung der ethylenisch ungesättigten Verbindung mit einer Nitrendonor-Verbindung. Wie beschrieben wurde von Evans et al in J. Am. Chem. Soc. (1993), 115, Seiten 5328–5329 und J. Am. Chem. Soc. (1994), 116, Seiten 2742–2753 kann die Aziridinierung von ethylenisch ungesättigten Verbindungen durch homogene Katalyse unter Verwendung von Kupfersalzen wie Kupfertrifluoracetat als Katalysatoren und von (N-(p-Tolylsulfonyl)imino)phenyliodinan (nachfolgend PhI = NTs) als Nitren-Donor bewirkt werden. Um das Produkt leichter von der Reaktionsmischung abtrennen zu können, wäre es wünschenswert, einen heterogenen Katalysator zu verwenden. Wir haben geeignete heterogene Katalysatoren gefunden.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Aziridinen bereit, das die Umsetzung einer ethylenisch ungesättigten Verbindung mit einem Nitren-Donor in der Gegenwart eines Katalysators umfaßt, der Zeolith Y umfaßt, der mit Kupferionen imprägniert oder vorzugsweise ausgetauscht wurde.
Wir haben gefunden, daß der Katalysator nicht wesentlich mehr als etwa 2 Atome des obigen Kupfers pro Zeolith-Superkäfig enthalten sollte. Für einen Kupfer-ausgetauschten Zeolith Y enthält der ausgetauschte Katalysator daher vorzugsweise 0,1 bis 7 Gew.-% Kupfer.
Der Katalysator kann dadurch hergestellt werden, daß man eine Ammoniumform des Zeolithen, wie er hergestellt wurde, calciniert, um die H-Version zu bilden. Diese wird dann in einer wäßrigen Lösung eines Kupfersalzes aufgeschlämmt, und die Aufschlämmung wird z. B. 24 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Der ausgetauschte Zeolith wird dann durch Filtrieren oder Zentrifugieren abgetrennt, gewaschen, um alle ungebundenen Kupferionen zu entfernen, und getrocknet. Vor seiner Verwendung sollte der ausgetauschte Zeolith calciniert werden, um jegliches restliche oder adsorbierte-Wasser zu entfernen.
Die ethylenisch ungesättigte Verbindung kann ein Olefin, wie beispielsweise Ethylen, Propylen, Buten, Penten, Hexen oder Cyclohexen sein, oder kann eine aromatische ehtylenisch ungesättigte Verbindung sein, wie beispielsweise Styrol oder ein substituiertes Styrol, wie beispielsweise α-Methylstyrol, p-Chlorstyrol oder p-Methylstyrol, Stilben (trans-1,2-Diphenylethylen) oder Methylcinnamat (trans-3-Phenylpropencarbonsäuremethylester).
PhI = NTs ist der bevorzugte Nitren-Donor, obwohl auch andere Nitrendonor-Verbindungen wie 3-Acetoxyaminochinazoline, Trialkylammoniumimide oder Toluolsulfonylazid verwendet werden können.
Die Reaktion kann in Gegenwart eines geeigneten Lösemittels für die Reaktanten durchgeführt werden; Beispiele für Lösemittel schließen ein Toluol, Benzol, Dichlormethan und Acetonitril. Acetonitril ist das bevorzugte Lösemittel. Alternativ dazu kann unter der Voraussetzung, daß der Nitrendonor und das Aziridinierungsprodukt in der ethylenisch ungesättigten Verbindung löslich sind, die Reaktion in Abwesenheit eines Lösemittels durchgeführt werden.
Die angewandte Reaktionstemperatur kann von der Natur des Lösemittels (soweit vorhanden) und dem Nitren-Donor abhängen, liegt jedoch vorzugsweise im Bereich von –40°C bis +60°C. Für PhI = NTs als Nitren-Donor wird die Reaktion vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von –25°C bis +35°C durchgeführt.
Die Reaktion kann bei irgendeinem geeigneten Druck durchgeführt werden, z. B. bei Atmosphärendruck, obwohl dann, wenn die ethylenisch ungesättigte Verbindung bei der Reaktionstemperatur flüchtig oder gasförmig ist, der Reaktionsdruck ausreichen sollte, um die ethylenische Verbindung in flüssiger Form zu halten, z. B. in Lösung.
Das Verfahren kann in Gegenwart eines Überschusses eines der Reaktanten durchgeführt werden, z. B. der ethylenisch ungesättigten Verbindung. Auch wenn es wünschenswert ist, einen wesentlichen Überschuss der ethylenisch ungesättigten Verbindung zu verwenden, wenn man einen homogenen Katalysator verwendet, z. B. etwa 5 oder mehr Mol der ethylenisch ungesättigten Verbindung pro Mol Nitrendonor, ist ein derartig großer Überschuß bei dem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Katalysator nicht nötig, und es können tatsächlich äquimolare Mengen der ethylenisch ungesättigten Verbindung und des Nitren-Donors angewandt werden.
Das Verfahren kann ansatzweise oder kontinuierlich durchgeführt werden. Bei einer Ansatzreaktion liegt die Menge des Katalysators, um eine nützliche Reaktionsgeschwindigkeit zu erhalten, vorzugsweise so, daß etwa 0,1 bis 0,5, vorzugsweise 0,2 bis 0,3 Grammatom Kupfer pro Mol Nitren-Donor vorhanden sind.
Eine typische Prozedur für eine ansatzweise durchgeführte Reaktion umfaßt die Bildung einer Lösung der ethylenisch ungesättigten Verbindung in dem Lösemittel, das Zugeben des Katalysators, der die Kupferionen enthält, das Zugeben des Nitren-Donors und ein Rühren, bis der Nitren-Donor reagiert hat. Die Lösung des Aziridinierungsprodukts kann dann durch Filtrieren oder Zentrifugieren von dem Katalysator abgetrennt werden.
Eine enantioselektive Aziridinierung kann unter homogener Katalyse dadurch durchgeführt werden (vergleiche die obige Literaturstelle J. Am. Chem. Soc. (1993), 115, Seiten 5328–5329), indem man einen Chiralmodifikator wie beispielsweise ein 4,4'-disubstituiertes Bis(oxazolin) in die Reaktionsmischung einführt. Überraschenderweise kann eine derartige enantioselektive Aziridinierung auch gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Gemäß der vorlie genden Erfindung wird der Katalysator mit dem Chiralmodifikator behandelt, bevor er mit dem Nitren-Donor in Kontakt kommt. Wir haben jedoch gefunden, daß die Menge des erforderlichen Chiralmodifikators beträchtlich geringer ist als bei der homogenen Katalyse. Während es bei der homogenen Katalyse üblich ist, ein Mol oder mehr Mol des Chiralmodifikators pro Grammatom Kupfer zu verwenden, vermindern sich bei der vorliegenden Erfindung die Aziridinausbeuten, wenn mehr als ein Mol Chiralmodifikator pro Grammatom Kupfer verwendet wird, möglicherweise als Folge des Überschusses des Chiralmodifikators, der den Zeolith-Superkäfig blockiert. Wir ziehen es vor, nicht mehr als ein Mol Chiralmodifikator pro Grammatom Kupfer zu verwenden. Im Gegensatz zu den von Evans et al in der obigen J. Am. Chem. Soc. (1993), 115, Seiten 5328–5329 beschriebenen Befunden für die homogene Katalyse ist es dann, wenn ein Chiralmodifikator verwendet wird, bevorzugt, ein polares Lösemittel wie Acetonitril zu verwenden.
Wenn man einen Chiralmodifikator verwendet, um eine asymmetrische Aziridinierung zu erhalten, ist es wünschenswert, bei niedrigeren Temperaturen innerhalb des obigen Temperaturbereichs zu arbeiten, als bei einem Arbeiten in Abwesenheit eines Chiralmodifikators, so daß der Enantiomerenüberschuß erhöht werden kann. Ein Arbeiten bei einer zu niedrigen Temperatur führt jedoch zu verminderten Ausbeuten. Vorzugsweise liegt die Temperatur im Bereich von –20°C bis –10°C.
Bei einer typischen Arbeitsweise für die enantioselektive Aziridinierung wird der ausgetauschte Zeolith dem Lösemittel zugesetzt, und dann wird der Chiralmodifikator zugesetzt. Die Aufschlämmung wird für eine ausreichende Zeit gerührt, z. B. 15 min, so daß es zu einer Komplexbildung zwischen Chiralmodifikator und dem Kupfer kommen kann, wonach die ethylenisch ungesättigte Verbindung und der Nitren-Donor zugesetzt werden.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele illustriert.
Beispiel 1
Katalysatorherstellung
Die Ammoniumform von Zeolith Y wurde an der Luft bei 550°C 10 Stunden calciniert, um die H-Form des Zeolithen zu bilden. 10 g des H-Zeolithen wurden in 200 ml einer wäßrigen 0,5 molaren Kupferacetatlösung aufgeschlämmt und bei Raumtemperatur 24 Stunden gerührt. Der ausgetauschte Zeolith wurde durch Zentrifugieren abgetrennt, gewaschen und bei 110°C getrocknet. Vor seiner Verwendung in den nachfolgenden Aziridinierungsreaktionen wurde der ausgetauschte Zeolith bei 550°C für 10 Stunden an der Luft calciniert. Der Katalysator enthielt etwa 5 Gew.-% Kupfer.
Beispiele 2 bis 10
Aziridinierung von Methylcinnamat
0,36 g Methylcinnamat wurden zu 5 ml Acetonitril zugesetzt. 0,145 g des wie in Beispiel hergestellten Katalysatorpulvers wurden zugesetzt, und danach wurden 0,167 g PhI = NTs zugesetzt. [Die relativen Anteile waren so, daß 5 Mol Methylcinnamat pro Mol PhI = NTs und 0,25 Grammatom Kupfer pro Mol PhI = NTs vorhanden waren.] Die Aufschlämmung wurde bei 25°C 24 Stunden gerührt, und dann wurde die Lösung durch Filtration vom Katalysator getrennt. Die Lösung wurde dann chromatographisch analysiert.
Die obige Prozedur wurde wiederholt, wobei man andere ethylenisch ungesättigte Verbindungen an Stelle von Methylcinnamat verwendete. Die relativen Mengen der Bestandteile, die Reaktionsbedingungen und die Ausbeuten waren wie in der folgenden Tabelle gezeigt:
Es wird angenommen, daß die im Vergleich zu Beispiel 3 verminderte Ausbeute von Beispiel 5 das Ergebnis der verminderten Menge an Katalysator war, was zu einer langsameren Reaktion führte und damit zu einem erhöhten Anteil des PhI = NTs, der sich in Toluolsulfonamid und Iodbenzol zersetzte.
Zu Vergleichszwecken wurde Beispiel 2 unter Verwendung von trans-Stilben anstelle von Methylcinnamat wiederholt. Es bildete sich kein Aziridin. Molekülmodelle zeigten, daß obwohl Methylcinnamat eine ähnliche Größe aufweist wie trans-Stilben, im Gegensatz zu dem N-Tosylaziridin, das aus Methylcinnamat gebildet wird und leicht durch die Poren des Zeolithen Y hindurchpaßt, das aus trans-Stilben gebildete N-Tosylaziridin zu sperrig ist, um durch die Verbindungskanäle innerhalb des Zeolithen zu diffundieren.
Beispiel 11
Eine Probe des getrockneten Kupfer-ausgetauschten Katalysators wurde in einer frischen Menge der Kupferacetatlösung resuspendiert, und die Aufschlämmung wurde 24 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Der Feststoff wurde durch Zentrifugieren abgetrennt, gewaschen, getrocknet und calciniert, wie in Beispiel 1. Der erhaltene Katalysator enthielt 7 Gew.-% Kupfer.
Nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde ein anderer Katalysator hergestellt, wobei jedoch eine 0,2 molare Kupferacetatlösung verwendet wurde, die ein Produkt lieferte, das 3 Gew.-% Kupfer enthielt.
Diese Katalysatoren wurden für die Aziridinierung von Styrol nach der Arbeitsweise von Beispiel 3 verwendet, wobei eine solche Katalysatormenge verwendet wurde, daß in jedem Falle 0,25 Mol Kupfer pro Mol PhI = NTs vorhanden waren. Die Katalysatoren, die 3 Gew.-% und 5 Gew.-% Kupfer enthielten, lieferten ähnliche Reaktionsgeschwindigkeiten und Ausbeuten, wohingegen derjenige, der 7 Gew.-% Kupfer enthielt, kein Aziridin lieferte. Es wird angenommen, daß dieser Katalysator eine solche Kupfermenge innerhalb der Zeolithporen enthielt, dass in dem Superkäfig nicht genug Raum für die Reaktanten und/oder das Aziridinierungsprodukt vorhanden war.
Beispiele 12 bis 24
Asymmetrische Aziridinierung von Styrol
Beispiel 3 wurde wiederholt, außer daß der Katalysator von Beispiel 1 in 5 ml Lösemittel bei der gewünschten Reaktionstemperatur suspendiert wurde, und daß ein Chiralmodifikator, 4,4'-Diphenyl-bis-(oxazolin) zugesetzt wurde, und die Mischung 15 Minuten gerührt wurde, bevor man das Styrol und PhI = NTs zusetzte. Die Menge des Chiralmodifikators, das Lösemittel, die Reaktionstemperatur, die Ausbeute und der Enantiomerenüberschuß sind in der nachfolgenden Tabelle gezeigt. Der Enantiomerenüberschuß wird definiert als die Differenz zwischen den Mengen der Enantiomeren geteilt durch die Summe der Mengen der Enantiomeren, d. h. (R – S)/(R + S).
In Beispiel 14 wurde der Katalysator, nachdem er mit dem Oxazolin gerührt worden war, abfiltriert, mit Acetonitril gewaschen und dann als Katalysator in einer frischen Menge an Lösemittel verwendet. Die Ergebnisse sind denen, die in Beispiel 16 erhalten wurden, ähnlich. Es wird festgestellt, daß in den anderen Beispielen, wenn mehr als 0,05 Mol Oxazolin pro Mol PhI = NTs verwendet wurden, d. h. den Beispielen 12, 13 und 15, verminderte Ausbeuten verglichen mit der Ausbeute der Beispiele 14 und 16 erhalten wurden. Das deutet darauf hin, daß in den Beispielen 12, 13 und 15 ein Teil des Oxazolins überflüssig ist und den freien Durchtritt der Reaktanten und/oder des Aziridins durch die Zeolithporen behindert.
Die Beispiele 16 sowie 18 bis 21 zeigen, daß ein Betrieb im Temperaturbereich von –20°C bis –10°C von Vorteil ist, wenn eine asymmetrische Aziridinierung gewünscht wird.
Die Beispiele 16 sowie 22 bis 24 zeigen, daß ein Arbeiten in einem polaren Lösemittel wie Acetonitril erwünscht ist, um hohe Ausbeuten und einen annehmbaren Enantiomerenüberschuß zu erhalten.
Beispiel 25
Beispiel 19 wurde wiederholt, wobei 2,6-Bis[(4S)-isopropyl-2-oxazolin-2-yl]pyridin anstelle von 4,4'-Diphenylbis(oxazolin) als Chiralmodifikator verwendet wurde. Die Ausbeute betrug 4 Mol pro 100 Mol PhI = NTs, und der Enantiomerenüberschuß betrug 61%.
Beispiel 26
Die Arbeitsweise von Beispiel 16 wurde wiederholt, wobei Methylcinnamat anstelle von Styrol verwendet wurde. Die Ausbeute betrug 8 Mol pro 100 Mol PhI = NTs, und der Enantiomerenüberschuß betrug 61%. Im Gegensatz zu der homogenen Katalyse, bezüglich derer Evans et al in der obigen Literaturstelle J. Am. Chem. Soc. (1993), 115, Seiten 5328–5329 berichten, dass die Verwendung von Benzol als Lösemittel eine erhöhte Ausbeute und einen erhöhten Enantionmerenüberschuß im Vergleich zu Acetonitril als Lösemittel lieferte, betrug, wenn man diesen Versuch unter Verwendung von Benzol als Lösemittel wiederholte, die Ausbeute nur 1 Mol pro 100 Mol PhI = NTs, und der Enantiomerenüberschuß betrug nur 34%.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Aziridinen, das die Umsetzung einer ethylenisch ungesättigten Verbindung mit einem Nitren-Donor in Gegenwart eines Katalysator umfaßt, der Zeolith Y umfaßt, der mit Kupferionen imprägniert oder vorzugsweise ausgetauscht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Katalysator ein Kupfer-ausgetauschter saurer Zeolith Y ist, der nicht mehr als 2 der Kupferatome pro Zeolith-Superkäfig enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Katalysator 0,1 bis 7 Gew.-% Kupfer enthält.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Nitren-Donor (N-(p-Tolylsulfonyl)imino)phenyliodinan ist.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Reaktion bei einer Temperatur im Bereich von –40°C bis +60°C durchgeführt wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Katalysator, bevor er mit dem Nitren-Donor umgesetzt wird, mit einem chiralen Modifikator behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Reaktion des Nitren-Donors und der ethylenisch ungesättigten Verbindung bei einer Temperatur im Bereich von –20°C bis –10°C durchgeführt wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Reaktion in Gegenwart eines polaren Lösemittels durchgeführt wird.