KR102321960B1 - 루테늄 착물 형성을 위한 리간드, 루테늄 착물 촉매 및 이의 제조방법과 용도 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신규한 루테늄 착물 형성을 위한 리간드, 루테늄 착물 촉매 및 이의 제조방법과 용도에 관한 것이다.
본 발명의 루테늄 착물 형성을 위한 리간드, 루테늄 착물 촉매는 높은 촉매 활성, 높은 선택성, 및 안정성을 가진다.

Description

루테늄 착물 형성을 위한 리간드, 루테늄 착물 촉매 및 이의 제조방법과 용도
본 발명은 루테늄 착물 형성을 위한 리간드, 루테늄 착물 촉매 및 이의 제조방법과 용도에 관한 것이다.
1977년에 알려진 석유화학 원료로부터 얻어지는 선형 α-올레핀 합성방법에는 Shell Higher Olefin Process (SHOP)이 있다.
Figure 112019091274692-pct00001
Shell Higher Olefin Process는 선형 α-올레핀이 탄소수 4 내지 8을 41%, 탄소수 10 내지 18을 40.5%, 탄소수 20이상을 18.5%가 얻어지는 것과 같이, 선형 α-올레핀이 넓은 분포도를 가진다는 문제점이 있다. 예를 들어, Shell Higher Olefin Process는 1-Decene의 합성 수율이 낮은 문제를 가진다. 또한, 이러한 방법은 60℃ 내지 300℃의 고온 및 30 내지 200 Bar의 고압의 조건이 요구된다.
이러한 단점을 해결하기 위한 일 측면에서, 올레핀 복분해반응(metathesis)에서 루테늄 착물 촉매의 연구와 개발은 활발하다.
알려진 루테늄 착물 촉매에는 2005년 노벨 화학상을 수상한 Grubbs 촉매(Yves Chauvin, Robert H. Grubbs and Richard R. Schrock) 등이 있다.
Figure 112019091274692-pct00002
한편, 선형 α-올레핀의 제조를 위해서 석유원료 대신에 천연 종자유를 활용할 수 있다.
예를 들어, 재생가능한 종자유 원료로부터 얻어진 선형 α-올레핀의 합성방법은 다음과 같다.
메틸 올레이트(Methyl Oleate)는 에틸렌과 함께 교차 복분해 반응(Cross metathesis)이 진행될 수 있다. 메틸 올레이트의 에테놀라이시스(Ethenolysis)에 의해서 C=C 이중결합이 분해된다. 이에 따라, 목적하는 선형 α-올레핀의 합성이 가능하다.
Figure 112019091274692-pct00003
앞서 설명한 Shell Higher Olefin Process과 달리, 단일의 1-Decene의 합성 수율이 높다. 또한, 앞서 설명한 Shell Higher Olefin Process과 달리, Ru 촉매를 사용한 교차 복분해 반응은 40℃ 내지 100℃의 저온 및 약 10 Bar의 저압의 조건에서 진행할 수 있는 장점을 가진다.
또한, 루테늄 착물 촉매는 N-헤테로사이클릭 카벤(NHC)리간드가 알려져 있다. 비대칭 치환된 N-헤테로사이클릭 카벤 리간드를 갖는 루테늄 착물은 자기-복분해(self-metathesis)에 의한 부산물에 비해 교차-복분해(cross-metathesis) 생성물의 높은 선택성을 나타내기 때문에, 에테놀라이시스를 위한 유망한 촉매로 확인되었다(Yann Schrodi, Thay Ung, Angel Vargas, Garik Mkrtumyan, ChoonWoo Lee, Timothy M. Champagne, Richard L. Pederson, Soon Hyeok Hong_Clean: Soil, Air, Water, 2008, 36, 669). 메틸리덴 중간체의 안정화는 촉매 활성을 향상시키는 핵심 요소로 제시되어 왔다. 추가의 전자 공여 리간드가 이러한 메틸리텐 중간체의 안정화를 도울 수 있는 것으로 알려져 있다(Vanessa M. Marx, Alexandra H. Sullivan, Mohand Melaimi, Scott C. Virgil, Benjamin K. Keitz, David S. Weinberger, Guy Bertrand, and Robert H. Grubbs_Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1919).
메틸리덴 종(methylidene species)의 안정성을 비교하였다.
Figure 112019091274692-pct00004
그러나, 포스핀 리간드(Soon Hyeok Hong, Anna G. Wenzel, Tina T. Salguero, Michael W. Day, and Robert H. Grubbs_J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 7961)는 포스핀에 의한 분해가 진행된다. 따라서, 포스핀-프리 촉매가 포스핀 리간드보다 더 안정하다. 이에 따라, 본 발명자는 안정성을 가지는 포스핀-프리 촉매를 연구하였다.
한편, 2005년에 처음 보고된 이미다조[1,5-a]피리딘-3-일리덴(Imidazo[1,5-a]pyridine-3-ylidene, ImPy)은 구조적으로 비대칭인 NHC 리간드의 후보자로서 전자 특성이 다양하다.
따라서, 본 발명자는 비대칭적인 Impy 기반의 리간드 구조 변화가 촉매의 활성, 선택성 및 안정성에 미치는 영향을 거듭하여 연구하였다. 이를 통해, 촉매의 활성이 높고, 메틸 올레이트의 에테놀라이시스에서 말단 올레핀의 형성에 대해 높은 선택성을 가지고, 안정성이 높은 신규한 루테늄 착물 리간드, 루테늄 착물을 완성하였다.
본 발명은 촉매의 활성이 높고, 메틸 올레이트의 에테놀라이시스에서 말단 올레핀의 형성에 대해 높은 선택성을 가지고, 안정성이 높은 신규한 루테늄 착물 리간드, 루테늄 착물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 루테늄 착물 형성을 위한 리간드는 하기의 화학식을 가지고,
[화학식 1a]
Figure 112019091274692-pct00005
본 발명의 루테늄 착물 촉매는 하기의 화학식을 가진다.
[화학식 2a]
Figure 112019091274692-pct00006
본 발명의 루테늄 착물 형성을 위한 리간드, 루테늄 착물 촉매는 높은 촉매 활성, 높은 선택성, 및 안정성을 가진다.
본 발명의 루테늄 착물 촉매는 메틸 올레이트의 에테놀라이시스에서 말단 올레핀의 형성에 대해 높은 선택성을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 말단 올레핀의 생산 효율을 향상할 수 있다.
도 1은 메틸 올레이트 및 루테늄 복분해 촉매의 에테놀라이시스를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예에 따른 리간드 전구체의 합성을 나타낸다.
도 3은 실시예에 따른 다양한 ImPy-Ru 착물의 합성을 나타낸다.
도 4는 실시예에 따른 다양한 ImPy-Ru 착물의 X-선 분석에 의한 고체-상 구조를 나타낸다.
도 5는 실시예에 따른 다양한 ImPy-Ru 착물을 사용한 경우에, 분자 내 고리-닫힘 복분해 반응에서 나타나는 전환율을 도식화한 그래프이다.
도 6은 고리형 알킨 화합물과 선형 불포화 고분자 선형 α,ω-diene 합성을 위한 선택적 에테놀라이시스 반응을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명자는 비대칭 치환된 N-헤테로사이클릭 카벤 리간드를 갖는 루테늄 착물이 자기-복분해(self-metathesis)에 의한 부산물에 비해 교차-복분해(cross-metathesis) 생성물의 높은 선택성을 나타나는 것에 착안하여, 비대칭적인 ImPy-루테늄 착물 촉매를 연구하였다.
이에 따라, 본 발명자는 [화학식 1a], [화학식 1b]를 가지는 루테늄 착물 형성을 위한 리간드를 완성하였다.
[화학식 1a]
Figure 112019091274692-pct00007
본 발명의 화학식 1a에 따른 구조를 가지는 루테늄 착물 형성을 위한 리간드는 비대칭 구조를 포함할 수 있다. 여기에서, 비대칭 구조라는 것은 R1과 R2의 크기가 다른 것을 의미할 수 있다. 자세하게, R1은 R2보다 크기가 작은 원자 또는 원자단을 포함할 수 있다. 상기 화학식 1a에서, R1은 R2보다 크기가 작은 비대칭 구조를 가짐에 따라, 선택성이 높은 효과를 가질 수 있다. 여기에서, 선택성이란 자기-복분해(self-metathesis)에 의한 부산물에 비해 교차-복분해(cross-metathesis) 생성물의 높은 비율로 형성되는 것을 의미할 수 있다. 이에 따라, 화학식 1a에 따른 구조를 가지는 루테늄 착물 형성을 위한 리간드는 루테늄과의 결합을 통해, 에테놀라이시스를 위한 촉매로 사용될 수 있음은 물론이다.
화학식 1a에 따른 구조를 가지는 루테늄 착물 형성을 위한 리간드에 있어서, R1 및 R2는 루테늄 원자 내지 루테늄에 결합된 원자단과 가까운 거리에 놓일 수 있기 때문에, 전자적으로 및/또는 입체적으로 영향을 줄 수 있다. 따라서, 화학식 1a에 따른 구조를 가지는 루테늄 착물 형성을 위한 리간드에 있어서, R1 및 R2 는 전자적, 입체적인 조절을 통하여 결정하였다.
R1은 F 또는 메틸일 수 있다. F 이외의 할로겐 원소는 고리계 탄소와의 결합길이가 증가하며 원소의 크기가 크기 때문에, 입체반발이 증가하므로 반응의 선택성이 저하될 수 있다. 또한, 메틸 이외의 알킬기는 루테늄 착물 촉매형성시에 입체반발이 증가하기 때문에, 반응의 선택성을 저하시킬 수 있다.
R2는 치환 또는 비치환된 아릴을 포함할 수 있다. 예를 들어, R2는 탄소 원자수 9 내지 12의 치환된 아릴을 포함할 수 있다.
R3, R4, R5, R6는 각각 수소, 할로겐 원소, 탄소수 1 내지 5의 선형 또는 분지형 알킬기, 또는 탄소수 1 내지 5의 알콕시기 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, R3, R5, R6는 각각 수소를 포함할 수 있다. 예를 들어, R4는 H, t-Bu, MeO, Cl 를 포함하는 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
하기 화학식 1b를 참조하여, R2의 구조를 구체적으로 설명한다.
[화학식 1b]
Figure 112019091274692-pct00008
화학식 1b에서, R1, R3, R4, R5, R6 에 대한 설명은 앞서 설명한 화학식 1a와 같다.
R7, R8, R9, R10, R11은 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 8의 선형 또는 분지형 알킬기 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, R7, R8, R9, R10, R11은 각각 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 선형 또는 분지형 알킬기 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, R7은 에틸, 이소프로필, t-부틸 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, R8, R9, R10은 각각 수소를 포함할 수 있다. 예를 들어, R11은 메틸, 에틸, 이소프로필 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
화학식 1b에서, R7, R11은 서로 동일하거나 서로 다른 치환기를 가질 수 있다. 자세하게, R7의 탄소수는 R11의 탄소수와 동일하거나, R7의 탄소수는 R11의 탄소수보다 클 수 있다. 일례로, R7 및 R11은 각각 이소프로필일 수 있다. 또는, R7 및 R11은 각각 에틸일 수 있다. 일례로, R7은 에틸이고, R11은 메틸일 수 있다. 또는, R7은 이소프로필이고, R11은 수소일 수 있다. 또는, R7은 t-부틸이고, R11은 수소일 수 있다.
또한, 본 발명자는 [화학식 2a], [화학식 2b]를 가지는 루테늄 착물 촉매를 완성하였다. 앞서 설명한 [화학식 1a], [화학식 1b]의 구조를 가지는 루테늄 착물 형성을 위한 리간드에 루테늄을 결합함에 따라, [화학식 2a], [화학식 2b]를 가지는 루테늄 착물 촉매를 형성할 수 있다.
[화학식 2a]
Figure 112019091274692-pct00009
상기 화학식 2a의 루테늄 착물 촉매는 포스핀-프리 착물이기 때문에, 분해에 의한 불안정성을 해소할 수 있다. 또한, 질소를 포함하는 헤테로바이사이클릭 리간드의 R1은 Ru의 금속 중심과 안정한 배위를 형성할 수 있기 때문에, 상기 화학식 2a의 루테늄 착물 촉매는 안정하다.
화학식 2a에서, R1, R3, R4, R5, R6 에 대한 설명은 앞서 설명한 화학식 1a와 같다.
하기 화학식 2b를 참조하여, R2의 구조를 구체적으로 설명한다.
[화학식 2b]
Figure 112019091274692-pct00010
화학식 2b에서, R7, R8, R9, R10, R11 에 대한 설명은 앞서 설명한 화학식 1b와 같다.
이하에서, 보다 구체적으로 본 발명을 상세히 설명한다.
에티놀라이시스로 알려진 에틸렌과의 교차 복분해 반응은 최근에 재생가능한 종자유 원료로부터 말단 올레핀의 선택적인 합성에 대해 많은 관심을 모으고 있다.
도 1을 참조하여, 루테늄 촉매를 이용한 에테놀라이시스(ethenolysis) 반응을 설명한다.
에틸렌을 이용하는 복분해 반응은 Ethenolysis 라고도 불리우며, 내부의 올레핀을 끊어 말단의 올레핀 그룹으로 전환 시키는 반응이다. 또한 석유화학을 통한 것이 아닌 자연계에 존재하는 오일로부터 선형 알파 올레핀을 만드는 새로운 방법으로 제안되고 있다. 본 발명자는 메틸 올리에이트를 이용하여 반응 전환율과 선택성 및 촉매의 반응성에 대해서 연구하였다.
자세하게, 메틸 올레이트(1) 및 루테늄 복분해 촉매의 에테놀라이시스를 설명한다.
말단 올레핀(소위, 선형 α-올레핀; 도 1의 2 및 3)은 다양한 화학 제품의 중요한 빌딩 블록이다. N-헤테로사이클릭 카벤(NHC)리간드를 갖는 루테늄 착물은 에테놀라이시스를 위한 촉매 중의 하나로 선택될 수 있다.
최근의 연구 결과는 자기-복분해 부산물(도 1의 4 및 5)보다 원하는 α-올레핀(도 1의 2 및 3)에 대한 선택성이 높을 뿐만 아니라 반응 효율을 향상시키기 위해서, NHC 리간드의 구조적 변형에 초점을 맞추고 있다.
Grubbs-Hoveyda 2세대 촉매(도 1의 6)는 메틸 올레이트(MO, 1)의 에테놀라이시스를 매개하며, 100ppm 촉매 로딩에서 33%의 선택성, 20%의 수율, 및 2000의 턴오버 수(turnover number, TON)를 나타낸다. 메틸리덴 중간체의 안정화는 메틸 올레이트의 에테놀라이시스에서 높은 턴오버 수 및 선택성을 보장하는데 중추적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
루테늄 착물 촉매는 N-헤테로사이클릭 카벤(NHC)리간드의 입체적으로 비대칭적인 치환 패턴은 α-올레핀 선택적 에테놀라이시스에 있어서 매우 중요한 것으로 밝혀졌다. 한쪽면에서의 입체적 상호작용의 결여는 동일한 메틸리덴 중간체를 재생하기 위해 α-올레핀 생성물과 메틸리덴 중간체의 “비생산적인” 복분해를 선호할 수 있다.
J. M. Lassaletta 및 F. Glorius에 의해 독립적으로 2005년에 처음 보고된 이미다조[1,5-a]피리딘-3-일리덴 카벤(Imidazo[1,5-a]pyridin-3-ylidene carbine, ImPy)은 전형적인 이미다조일리덴 NHC의 바이사이클릭 변형체이이다. ImPy 리간드는 본질적으로 비대칭적인 구조를 가지며, 이미다조일리덴 NHC보다 더 많은 전자 공여를 하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명자는 Ru-ImPy 촉매가 효율적이며 선택적인 에테놀라이시스 반응에 대한 좋은 후보자가 될 수 있다고 생각했다. 또한, ImPy의 R1 치환체는 Ru 금속 중심에 근접하여 위치할 수 있다. 예를 들어, R1이 플루오린인 경우, 플루오린화된 NHC를 갖는 다른 루테늄 복분해 촉매와 달리, Ru--F 거리는 Ru--F 결합 상호작용을 고려함에 있어서, 충분히 짧은 것으로 예상된다. ImPy 리간드(ImPy-Ru, 10)와 루테늄 착물은 보고된 바 없다.
이하에서는 도 2를 참조하여, 플루오린화된 비대칭 ImPy 리간드(15)를 갖는 루테늄 착물의 합성, 리간드의 주쇄 및 질소 원자 모두에 치환기를 변화시키는 것을 설명하고, 메틸 올레이트의 에테놀라이시스에 응용을 설명한다. ImPy-Ru 촉매는 메틸 올레이트(MO)의 에테놀라이시스에서 말단 올레핀의 형성에 대해 높은 선택성(74% 내지 86%)를 나타낸다.
도 2는 Ethenolysis ruthenium 촉매 합성 조건 확립하기 위한 것이다. 자세하게, N-heterocyclic carbine (NHC) 리간드 합성을 나타낸다. 더 자세하게, NHC의 기본적인 이미다졸(imidazole) 구조가 아닌 이미다조피리딘(imidazopyridine) 구조를 기반으로 한 리간드는 Glorius 혹은 Aron method를 이용하여 수월하게 합성할 수 있다. 불소, 클로린, 메틸 작용기를 R1에 도입하고, 리간드의 전기적 특성 조절을 위해 터셔리 부틸, 메톡시, 클로린 작용기를 R2 에 도입하고, 다양한 알킬 그룹을 포함하는 N-Ar을 이용하여 다양한 입체적 제한을 갖는 리간드 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15i 를 합성할 수 있다.
도 2는 15a 내지 15h의 리간드 전구체의 합성을 간단하게 나타낸 것이다. 본 발명의 분야에서 잘 알려진 절차에 따라 2-플루오로피리딘유도체(12a, 12f, 12g 및 12h)를 CH3CN 내에 AgF2를 사용하여 선택적 플르오르화에 의해 합성하였다(P. S. Fier and J. F. Hartwig, Science 2013, 342, 956 참조).
2-피리딘 카르복실레이트 유도체(12a, 12g 및 12h)의 DIBAL-H 환원은 플루오로피리딘 카르복스알데하이드(13a, 13g 및 13h)를 우수한 분리 수율로 수득하였다. 또는, 2-브로보피리딘(12f)의 리튬화에 이어서 DMF와의 반응으로 플루오로피리딘 카르복스알데히드(13f)를 수득하였다.
그 다음, 아닐린을 사용한 이민 형성(14a-14i) 다음, AgORf 및 클로로메틸 피발레이트(chloromethyl pivalate)를 사용한 고리화로 ImPy 리간드가 우수한 전체 분리 수율로 제공되었다(Christian Burstein, Christian W. Lehmann and Frank Glorius, Tetrahedron, 2005, 61, 6207).
6-클로로피리딘 카르복스알데히드(13i, SI) 및 6-메틸피콜린 카르복스알데히드(13k, SI)로부터 각각 염소 원자와 메틸기(10i 내지 10k)를 함유하는 ImPy를 합성하였다.
도 3은 ImPy-Ru 착물의 합성(분리된 수율)을 나타내는 도면이다. 이하에서는 도 3을 참조하여, 설명한다.
염기를 이용하여 만들어진 free 카벤과 1세대 그럽스-호베이다 촉매의 포스핀 리간드와의 교환 반응을 통해 루테늄 촉매 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10h, 10i, 10h, 10k 를 합성하였다.
ImPy-Ru 착물은 플루오린화된 ImPy 리간드 전구체(15a 내지 15h)와 함께 다음과 같이 합성되었다. 칼륨 섹사메틸이실라지드(potassium hexamethyldisilazide, KHMDS)를 사용하는 이미다코피리디늄 염(15a 내지 15h)의 제자리에서(in situ) 탈양성자화 후에 RuCl2(PCy3)(〓CH-o-OiPrC6H4)(S1)과 반응시켜 ImPy 리간드(10a-10k)를 갖는 Grubbs-Hoveyda-타입의 Ru 착물을 합리적인 분리 수율로 제조하였다((a) S. F. Monsaert, F. W. C. Verpoort, Eur. Pat. 300 2011091980, 2011; S. F. Monsaert, F. W. C. Verpoort, WO 2011/091980 Al; S. F. Monsaert, F. W. C. Verpoort, PCT/EP2011/000300, 2011, (b) B. J. van Lierop, A. M. Reckling, J. A. M. Lummiss, and D. E. Fogg, ChemCatChem 2012, 4, 2020).
플루오린 대신에 염소 원자를 포함하는 착물(10i)을 유사한 방식으로 합성하였다. 이러한 킬레이트화된 벤질리덴 착물(10a-10k)은 대기 조건(공기 및 습기)하에서 안정하다. 이러한 착물은 핵 자기공명 분광기(NMR), 고분해능 질량분석기(HRMS) 및 X-선 결정학 분석으로 특성을 확인하였다. X-선 결정학 분석에 적합한 단결정은 25℃에서 디클로로메탄 중 촉매 용액을 통한 헥산의 느린 확산에 의해서 성장되었다.
도 4는 실시예에 따른 다양한 ImPy-Ru 촉매 단결정의 X-선 분석에 의한 고체-상 구조를 나타낸다. 명확성을 위해 수소 원자의 표시는 생략하였다.
합성된 촉매 중에 10f (도 4의 왼쪽에서 2번째 구조)와 10i (도 4의 왼쪽에서 세번째 구조)의 경우 단결정으로 성장시켜 결정 구조 분석을 통해 예상했던 촉매가 합성되었음을 확인하였다.
Ru-F 상호작용은 X-선 분석으로부터 고체상에서 확인할 수 있고, Ru-F 상호작용은 루테늄 메틸리덴 중간체의 안정화시키는데 관여하는 것으로 여겨진다.
도 4를 참조하면, 고체-상 분석은 뒤틀어진 사각 피라미드 형태의 배향을 나타내는 착물과 N-아릴 그룹이 O-킬레이트된 벤킬리덴 상에 위치한 것을 보여준다. ImPy-Ru 촉매는 구조적으로 NHC 담지 루테늄 촉매와 유사하다. R1 그룹(특히, 플루오린 원자)은 루테늄 금속 중심 옆에 높여 있다. 이것은 플루오르화된 NHC를 갖는 다른 루테늄 복분해 촉매와 다르다( (a) T. Ritter, M. W. Day, and R. H. Grubbs, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11768-11768, (b) P. S. Engl, A. Fedorov, C. Coperet, and A. Togni, Organometallics 2016, 35, 887-893). 루테늄-플루오린 상호작용은 10c(Ru-F1 = 2.688(3)), 및 10f (Ru-F1 = 2.700(3))에서 적절한 Ru-F 거리로 인하여 존재할 수 있다. 염소 원자를 포함하는 ImPy 리간드는 또한, 10j(Ru-Cl3 = 2.7194(8))에서 Ru-Cl 거리에 의해 판단되는, 루테늄과 잘 조화된다. 메틸기가 클로라이드 및 플루오린 원자보다도 입체적으로 크기 때문에, Me-ImPy(10l)에서의 Ru-C8 거리(Ru-C8 = 2.925(3)는 F-ImPy (10c 및 10f)와 Cl-ImPy (10j)의 경우보다 훨씬 길다.
선택된 결합 길이(A) 및 결합 각(°)은 다음과 같다.
10c에 대해서: Ru-C1 = 1.956(5)A, Ru=C19 = 1.822(5)A, Ru-F1 = 2.688(3) A, Ru-O(1) = 2.282(3)A, N1-C1-N1 = 101.8(3)°, Cl1-Ru-Cl2 = 154.13(5)°,
10f에 대해서: Ru-C1 = 1.972(5)A, Ru=C28 = 1.803(5)A, Ru-F1 = 2.700(3) A, Ru-O1 = 2.274(3)A, N1-C1-N2 = 102.4(4)°, Cl1-Ru-Cl2 = 155.13(6)°,
10j에 대해서: Ru-C1 = 1.967(3)A, Ru=C17 = 1.840(3)A, Ru-Cl3 = 2.7194(8)A, Ru-O1 = 2.294(2)A, N1-C1-N2 = 102.0(2)°, Cl1-Ru-Cl2 = 165.43(3)°,
10l에 대해서: Ru-C1 = 1.972(4)A, Ru=C21 = 1.831(3)A, Ru-C8 = 2.925(3)A, Ru-O1 = 2.300(3)A, N1-C1-N2 = 101.4(3)°, Cl1-Ru-Cl2 = 162.32(4)°.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 더 자세히 설명하기로 한다.
준비된 ImPy-Ru 착물의 촉매 성능을 메틸 올레이트의 에테놀라이시스 반응에서 평가하였다.
평가 결과는 표 1에 나타난다.
10c(항목 3)에서 초기 결과는, 대칭적인 NHC가 함유된 다른 Grubbs-Hoveyda 타입 Ru 촉매에 의해 나타난 선택성에 비하여, ImPy 리간드의 구조적 비대칭적 특징이 α-올레핀 선택성을 초래하는 것으로 보여진다. ImPy 리간드의 입체 효과를 조사하기 위해서, F-ImPy-Ru 착물(10a-10e 및 10k)들의 범위를 60℃에서 100ppm 촉매, 150 psi 에틸렌을 사용하여 에테놀라이시스 반응에 대해 테스트하였다. 착물 10a 및 10b는 10c와 비교하여 더 높은 전환율 및 턴오버 수를 나타내지만, 아마도 동측에서 입체 장애가 감소되기 때문에 자기- 및 이차-복분해반응의 생성물(4 및 5)에 비해 최종 생성물(2 및 3)에 대한 낮은 선택성이 나타났다.(항목 1, 2 및 3)
동측 N-아릴 그룹의 입체적 벌크의 조절은 에테놀리시스에서 더 높은 선택성을 가져온다. 모노-오쏘-치환된 N-아릴 그룹(10d 및 10e)의 사용은 턴오버 수를 2200 및 3400으로 향상시키면서 82% 및 79%의 높은 선택성을 유지하였다(항목 4 및 5).
모노-오쏘-치환된 N-아릴 그룹이 사용되는 경우, 올레핀의 배위를 위한 공간이 있을 수 있다. 모노-치환된 아릴(R3=H)인 이상, 전체적인 촉매 효율(R4=t-Bu vs i-Pr)에 대해 더 큰 오쏘 치환체가 좋은 것으로 나타난다.
Me-ImPy-Ru (10k)에서는 91%의 높은 선택성이 얻어졌지만, 증가된 입체장애로 인하여 턴오버 수가 낮아졌을 것으로 추정된다.(항목 6)
본 발명자는 합성된 루테늄 착물 촉매의 활성을 비교하였다. 각각의 서로 다른 구조를 가지는 10a 내지 10k로 표시된 루테늄 착물 촉매의 활성분석의 결과는 표 1에 표시한 것과 같다.
합성된 촉매 10a부터 k를 100 ppm의 촉매량을 이용하여 60도에서 3시간의 조건을 이용하여 N-아릴 그룹이 가지고 있는 다양한 알킬의 입체적 제한이 미치는 영향에 대해서 비교분석하였다.
10c에 비하여 10a와 10b는 더 높은 전환률을 보인다. 그러나, 두 촉매 모두 더 낮은 선택성을 보였는데 이는 N-아릴 그룹이 가지고 있는 알킬의 입체적 제한이 줄어들었기 때문이라고 판단된다. N-아릴 그룹 작용기의 입체적 제한 정도가 클수록 더 높은 선택성을 보이는 것으로 확인되었다.
10d, 10e의 경우 10c보다 더 높은 전환률을 보이는 동시에 높은 선택성을 유지한다. 이는 N-아릴 그룹에 알킬이 ortho자리에 하나만 치환되었을 경우 올레핀 접근에 적절한 공간이 있기 때문이라 예상된다.
따라서 N-아릴 그룹이 ortho자리에 큰 알킬기를 가질 때 더 좋은 촉매 전환율을 보인다. 10k의 경우 위 조건을 만족하는 촉매로 마찬가지로 높은 선택성을 보였으나, 낮은 촉매 효율을 보인다. 이는 R1의 메틸그룹의 입체적 제한으로 인한것으로 예상된다.
표 1의 실험에서의 반응조건은 촉매(ppm), C2H4(150 psi, 99.95% 순도), 60℃, 3시간동안 전환, 선택성은 트리데칸을 내부 표준으로 사용하여 GC로 측정하였다.
전환율(conversion)은 100 - [(최종 몰수 1) * 100/[초기 몰수 1)]로 계산된다.
선택성은 100 * (2 + 3 몰수)/[(2 + 3 몰수) + (2 * 4 + 5의 몰수)]로 계산된다.
수율은 전환율*선택성/100 으로 계산된다.
턴오버 수는 수율*(초기 몰수 1/촉매 몰수)/100 로 계산된다.
입체적으로 다른 촉매(10a-10e, 10k)를 사용한 메틸올레이트의 에테놀라이시스
항목 촉매 로딩(ppm) 전환율(%) 선택성(%) 수율(%) 턴오버수
1 10a 100 14 74 10 1000
2 10b 100 20 78 15 1500
3 10c 100 6 86 5 550
4 10d 100 26 82 22 2200
5 10e 100 44 79 34 3400
6 10k 100 7 91 6 600
본 발명자는 합성된 루테늄 착물 촉매의 활성을 비교하였다. 각각의 서로 다른 구조를 가지는 10e 내지 10i로 표시된 루테늄 착물 촉매의 활성분석의 결과는 표 2에 표시한 것과 같다.
10e에 비하여 시그마 주게 작용기를 터셔리 뷰틸 작용기를 가진 10f가 더 높은 전환률을 보인다. 하지만 파이 주게 작용기를 가진 10g, 10h는 더 낮은 전환률을 보인다. R1에 클로린 그룹을 가진 10i는 활성을 보이지 않는다.
표 2는 F-ImPy-Ru 촉매의 주쇄 치환 효과를 요약한 것이다. 주쇄에 σ-도네이팅 t-Bu 기를 함유한 착물 10f은 착물 10e에 비해(항목 2 vs 항목 1), 50%의 전환율과 4000의 턴오버수로 촉매 활성을 향상시킨다.
그러나, 촉매 10g 및 10h는 10e에 비해(항목 3 및 4 vs 항목 1) 낮은 전환율을 나타낸다. 착물 10g 및 10h에서 π-도네이팅 그룹은 낮은 턴오버 수를 나타내므로 효과적이지 않은 것으로 보여진다.
Cl-ImPy-Ru 촉매는 촉매활성을 나타내지 않는다(항목 5).
표 2의 실험에서의 반응조건은 촉매(ppm), C2H4(150 psi, 99.95% 순도), 60℃, 3시간동안 전환, 선택성은 트리데칸을 내부 표준으로 사용하여 GC로 측정하였다.
전환율(conversion)은 100 - [(최종 몰수 1) * 100/[초기 몰수 1)]로 계산된다.
선택성은 100 * (2 + 3 몰수)/[(2 + 3 몰수) + (2 * 4 + 5의 몰수)]로 계산된다.
수율은 전환율*선택성/100 으로 계산된다.
턴오버 수는 수율*(초기 몰수 1/촉매 몰수)/100 로 계산된다.
ImPy(10e-10i)에서 주쇄 치환체의 전자적인 효과
항목 촉매 로딩(ppm) 전환율(%) 선택성(%) 수율(%) 턴오버수
1 10e 100 44 79 34 3400
2 10f 100 51 77 39 4000
3 10g 100 34 81 27 2700
4 10h 100 27 83 23 2300
5 10i 100 <1 - - -
본 발명자는 10f 루테늄 착물 촉매의 활성을 비교하였다. 10f 로 표시된 루테늄 착물 촉매의 촉매량, 온도를 조절함에 따른 활성분석의 결과는 표 3에 표시한 것과 같다.
10f 구조의 루테늄 착물 촉매의 촉매양과 온도를 조절함으로서 반응조건의 확립을 시도하였다. 이를 통해 20 ppm의 촉매량을 이용하여, 60도의 온도에서 6700 TON (Turnover numbers)을 얻었다.
표 3은 촉매 로딩 및 반응 온도에 대한 반응 조건의 최적화에 대해서 요약한 것이다. 60℃ 및 200ppm의 촉매 로딩은 최적의 촉매 성능을 나타내는 것을 알 수 있다(6700의 턴오버 수, 71%의 선택성).
표 3의 실험에서의 반응조건은 촉매(ppm), C2H4(150 psi, 99.95% 순도), 3시간동안 전환, 선택성은 트리데칸을 내부 표준으로 사용하여 GC로 측정하였다.
전환율(conversion)은 100 - [(최종 몰수 1) * 100/[초기 몰수 1)]로 계산된다.
선택성은 100 * (2 + 3 몰수)/[(2 + 3 몰수) + (2 * 4 + 5의 몰수)]로 계산된다.
수율은 전환율*선택성/100 으로 계산된다.
턴오버 수는 수율*(초기 몰수 1/촉매 몰수)/100 로 계산된다.
표 3의 항목 5는 12시간 동안 반응시켰다.
1(MO)의 에테놀라이시스에 대한 다양한 촉매 로딩 및 온도 효과
항목 촉매 온도(℃) 로딩(ppm) 전화율(%) 선택성(%) 수율(%) 턴오버수
1 10f 60 200 68 79 54 2700
2 60 100 51 77 39 3900
3 60 50 32 77 25 5100
4 60 20 19 71 13 6700
5 40 100 25 77 19 1900
6 80 100 55 76 42 4200
7 100 100 57 72 41 4100
본 발명은 비대칭 ImPy 리간드(ImPy-Ru)를 함유한 신규한 루테늄 촉매의 합성과 메틸 올레이트의 촉매적 에테놀라이시스에서 이의 응용에 대해서 나타낸다.
리간드 구조 변화가 촉매 활성, 선택성 및 안정성에 미치는 영향을 연구하였다. Ru-F 상호작용은 X-선 분석으로 고체 상태에서 확인되었고, Ru-F 상호작용은 루테늄 메틸리덴 중간체를 안정화시킬 수 있다.
고리 질소에 오쏘-t-Bu-페닐 치환기가 있고 피리틴 주쇄에 시그마 도네이팅 t-Bu 기가 있는 F-ImPy-Ru 촉매는 높은 턴오버 수(최대 6700)을 나타냈다.
ImPy-Ru 촉매는 메틸 올레이트의 에테놀라이시스에서 말단 올레핀 형성에 대해 높은 선택성(86% 까지)을 나타낸다.
본 발명의 [화학식 2a], [화학식 2b]에 따른 루테늄 착물은 올레핀 복분해 반응에서 촉매로 사용할 수 있다. 이에 따라, 올레핀 복분해 반응을 통한 선형 α-올레핀의 제조 수율을 향상할 수 있다.
즉, 실시예의 루테늄 착물 촉매는 60℃에서 3시간동안 올레핀 복분해 반응시켜 70% 이상의 선택성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 실시예의 루테늄 착물 촉매는 메틸 올레이트의 에테놀라이시스에서 말단 올레핀 형성에 대해 75% 내지 86%의 선택성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 실시예의 루테늄 착물 촉매는 메틸 올레이트의 에테놀라이시스에서 말단 올레핀 형성에 대해 81% 내지 86%의 선택성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 루테늄 착물은 이에 제한되지 않고, 분자내 고리 닫기 올레핀 복분해 반응, 분자간 올레핀 복분해 반응, 및 올레핀 복분해 중합 반응과 같은 다양한 반응에 활용할 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 본 발명의 루테늄 착물은 분자 내 고리-닫힘 복분해 반응을 통해, 선형 반응물로부터 고리형 생성물을 높은 수율로 형성할 수 있다.
Figure 112019091274692-pct00011
예를 들어, 실시예에 따른 ImPy-Ru 착물을 사용한 경우에, 분자 내 고리-닫힘 복분해 반응에서 나타나는 전환율은 88% 이상일 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 ImPy-Ru 착물을 사용한 경우에, 분자 내 고리-닫힘 복분해 반응에서 나타나는 전환율은 92% 이상일 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 ImPy-Ru 착물을 사용한 경우에, 분자 내 고리-닫힘 복분해 반응에서 나타나는 전환율은 92% 내지 99%일 수 있다.
도 6을 참조하면, 고리형 알킨화합물의 선형 α,ω-diene 합성을 위한 선택적 에테놀라이시스 반응에도 활용 가능하다. 즉, 시스-사이클로옥텐의 에테놀라이시스를 통해 선형 α,ω-디엔을 합성할 수 있다.
촉매 로딩 및 반응 온도에 대한 반응 조건의 최적화를 요약한 것은 표 4와 같다.(73 전환율, 47% 선택성 및 34% 수율)
표 4의 실험에서의 반응조건은 촉매(ppm), C2H4(150 psi, 99.95% 순도), 60℃, 6시간동안 전환, 선택성은 트리데칸을 내부 표준으로 사용하여 GC로 측정하였다.
10f 루테늄 착물 촉매의 활성 비교결과
항목 로딩(ppm) 압력(psi) 전환율(%) 선택성(%) 수율(%) 턴오버수
1 100 150 70 22 15 1500
2 200 150 69 25 17 900
3 500 150 70 48 33 700
4 1000 150 73 47 34 700
5 500 200 68 48 33 700
6 500 300 60 56 34 700
한편, 루테늄 착물과 고리형 알킨 화합물 반응의 경우 개환 올레핀 복분해 중합 (ring opening metathesis polymerization)이 높은 활성을 보여 에테놀라이시스의 경쟁적 부반응이 가능하다.
또한 선형 α,ω-diene은 에틸렌이 제거되면서 축합중합을 통해 경쟁적 부반응이 가능하다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 본 발명의 루테늄 착물 촉매는 선형 화합물의 각각의 말단에 이중결합을 가지는 디엔(diene) 화합물로부터 분자간 올레핀 중합반응을 통해 디엔중합체의 합성이 가능할 수 있다. 여기에서, n은 수개 내지 수백개일 수 있다. 일례로, n 1 내지 700일 수 있다. 또는, n 10 내지 500일 수 있다. 또는, n은 100 내지 300일 수 있다. 여기에서, 선형 말단 디엔화합물은 탄소수 4 내지 탄소수 20를 가지는 다양한 화합물을 의미할 수 있다. 예를 들어, 선형 말단 디엔화합물은 탄소수 4 내지 탄소수 10을 가지는 1,9-decadiene, 1,8-nonadiene, 1,7-octadiene, 1,6-heptadiene, 1,5-hexadiene, 1,4-pentadiene 및 1,3-butadiene 중의 어느 하나를 의미할 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조하면, 본 발명의 루테늄 착물 촉매는 상기 선형 디엔중합체(polymer)로부터 선형 화합물의 각각의 말단에 이중결합을 가지는 모노머인 디엔 화합물(desired product)을 얻기 위해 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 루테늄 착물 촉매는 이중결합을 포함하는 불포화 선형 고분자 중합체의 해중합(depolymerization) 또는 에테놀라이시스(ethenolysis) 반응에도 사용할 수 있다.
Figure 112019091274692-pct00012
일례로, 본 발명의 루테늄 착물 촉매는 1,4-폴리부타디엔의 해중합 또는 에테놀라이시스 반응의 수율을 향상시키기 위해서 사용할 수 있다.
일례로, 본 발명의 루테늄 착물 촉매는 폴리머의 해중합 또는 에테놀라이시스 반응을 통해 1,9-decadiene, 1,8-nonadiene, 1,7-octadiene, 1,6-heptadiene, 1,5-hexadiene, 1,4-pentadiene, 1,3-butadiene과 같은 선형 디엔화합물을 합성할 수 있다.

Claims (19)

  1. 화학식 1a의 구조를 가지는 루테늄 착물 형성을 위한 리간드.
    [화학식 1a]
    Figure 112021118941089-pct00013

    R1은 F 또는 Cl이고,
    R2는 MEP(2-methyl-6-ethylphenyl), DEP(2,6-diethylphenyl), DIPP(2,6-diisopropylphenyl), IPP(2-isopropylphenyl) 또는 TBP(2-t-butylphenyl)이고,
    R3, R5 및 R6은 수소이고,
    R4는 t-Bu 또는 Cl이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 화학식 2a의 구조를 가지는 루테늄 착물 촉매.
    [화학식 2a]
    Figure 112021118941089-pct00015

    R1은 F 또는 Cl이고,
    R2는 MEP(2-methyl-6-ethylphenyl), DEP(2,6-diethylphenyl), DIPP(2,6-diisopropylphenyl), IPP(2-isopropylphenyl) 또는 TBP(2-t-butylphenyl)이고,
    R3, R5 및 R6은 수소이고,
    R4는 t-Bu 또는 Cl이다.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 7항에 따른 루테늄 착물을 선형 또는 고리형 alkene 화합물의 에틸렌-복분해 에테놀라이시스 (ethenolysis) 반응에서 촉매로 사용하는 방법.
  14. 제 7항에 따른 루테늄 착물을 분자 내 교차-복분해 (Cross-metathesis), 개환-복분해 (Ring-opening metathesis), 폐환-복분해 (Ring-closing metathesis), 개환-복분해중합 (Ring-opening metathesis polymerization), 디엔-복분해중합 (Acyclic diene metathesis polymerization 반응에서 촉매로 사용하는 방법.
  15. 제 7항에 따른 루테늄 착물의 이중결합을 포함하는 불포화 선형 고분자 중합체의 해중합(depolymerization) 또는 에테놀라이시스(ethenolysis)반응에서 촉매로 사용하는 방법.
  16. 2-피리딘 카르복실레이트 유도체를 준비하는 제1 단계;
    선택적 플루오르화에 의해 2-플루오로피리딘유도체를 형성하는 제2 단계;
    2-플루오로피리딘유도체로부터 플루오로피리딘 카르복스알데히드를 형성하는 제3 단계;
    상기 플루오로피리딘 카르복스알데히드와 아닐린을 반응시켜 이민을 형성하는 제4 단계;
    상기 이민에 AgOTf(silver trifluoromethansulfonate) 및 tBuCO2CH2Cl을 사용하여 분자 내 고리화반응에 의해서 화학식 1a의 구조를 가지는 리간드를 형성하는 제5 단계; 및
    상기 리간드를 RuCl2(PCy3)(〓CH-o-OiPrC6H4)과 결합시켜 화학식 2a의 구조를 가지는 루테늄 착물 촉매를 형성시키는 제6 단계;를 포함하고,
    상기 제3 단계는 상기 2-피리딘 카르복실레이트 유도체를 DIBAL-H (Diisobutylaluminium hydride) 환원제를 통해 환원반응으로 하기 화학식 구조의 플루오로피리딘 카르복스알데하이드를 수득하는 단계인 것을 포함하는 루테늄 착물 촉매의 제조방법.
    [화학식]
    Figure 112021118941089-pct00026

    [화학식 1a]
    Figure 112021118941089-pct00017

    [화학식 2a]
    Figure 112021118941089-pct00018

    R1은 F 또는 Cl이고,
    R2는 MEP(2-methyl-6-ethylphenyl), DEP(2,6-diethylphenyl), DIPP(2,6-diisopropylphenyl), IPP(2-isopropylphenyl) 또는 TBP(2-t-butylphenyl)이고,R3, R5 및 R6은 수소이고,
    R4는 H, t-Bu, MeO 또는 Cl이다.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 단계는 CH3CN 내에 AgF2를 사용하여 선택적 플루오르화하는 것을 포함하는, 루테늄 착물 촉매의 제조방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
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