ИСТИНА

С целью решения фундаментальной проблемы создания многоразовых, стабильных гетерогенных катализаторов созданы новые наноразмерные палладиевые каталитические системы на основе гибридных углерод-оксидных носителей. Разработан метод синтеза гетерогенных палладиевых катализаторов на основе наноразмерных кремнезем-углеродных носителей. Определены условия формирования однородных кремнезем-углеродных носителей и показано, что введение метильных групп стабилизирует углеродные нанотрубки в кремнеземной матрице. Синтезированные катализаторы исследованы методами РФЭС, РДС, СЭM и ПЭM. ПЭМ микрофотографии показывают, что палладий находится в высокодисперсном состоянии с размером частиц 2-5 нм. Новые палладиевые катализаторы проявляют высокую каталитическую активность в реакциях Сузуки, Хека и Соногаширы с участием арил- и гетероарилгалогенидов в водных средах. В присутствии 0.1 мол% Pd реакции завершаются в воде в отсутствие органических растворителей при 100 oC в течение 10-30 мин и приводят к получению соответствующих продуктов кросс-сочетания с высокими выходами и чистотой. При многократном использовании (до 8-10 раз) активность разработанных гетерогенных палладиевых катализаторов практически не изменяется. Практически количественные выходы дают возможность выделения и очистки целевых соединений без применения в технологической цепочке трудоемких и дорогостоящих хроматографических методов. Полученные научные данные, по-мнению участников проекта, перспективны для разработки на их основе современных экологичеси безопасных нанотехнологий тонкого органического синтеза

С целью решения фундаментальной проблемы создания многоразовых, стабильных гетерогенных катализаторов созданы новые наноразмерные палладиевые каталитические системы на основе гибридных углерод-оксидных носителей. Разработан метод синтеза гетерогенных палладиевых катализаторов на основе наноразмерных кремнезем-углеродных носителей. Определены условия формирования однородных кремнезем-углеродных носителей и показано, что введение метильных групп стабилизирует углеродные нанотрубки в кремнеземной матрице. Синтезированные катализаторы исследованы методами РФЭС, РДС, СЭM и ПЭM. ПЭМ микрофотографии показывают, что палладий находится в высокодисперсном состоянии с размером частиц 2-5 нм. Новые палладиевые катализаторы проявляют высокую каталитическую активность в реакциях Сузуки, Хека и Соногаширы с участием арил- и гетероарилгалогенидов в водных средах. В присутствии 0.1 мол% Pd реакции завершаются в воде в отсутствие органических растворителей при 100 oC в течение 10-30 мин и приводят к получению соответствующих продуктов кросс-сочетания с высокими выходами и чистотой. При многократном использовании (до 8-10 раз) активность разработанных гетерогенных палладиевых катализаторов практически не изменяется. Практически количественные выходы дают возможность выделения и очистки целевых соединений без применения в технологической цепочке трудоемких и дорогостоящих хроматографических методов. Полученные научные данные, по-мнению участников проекта, перспективны для разработки на их основе современных экологичеси безопасных нанотехнологий тонкого органического синтеза. В разделах 3.6.2 и 3.6.3 детализированы полученные российским и украинским коллективами научные результаты и проведено их подробное обсуждение. 3.6.2. Работа, выполненная российскими участниками совместного проекта 1. Разработка методов нанесения мелкодисперсного палладия на углеродные нанотрубки. На предыдущем этапе работ по проекту (2011 г.) была впервые разработана наноразмерная палладиевая каталитическая система со структурой ядро/оболочка на основе наночастиц непористого оксида алюминия с углеродным покрытием. Синтезированные гибридные нанокомпозиты проявляют высокую каталитическую эффективность в различных реакциях кросс-сочетания, легко регенерируются и не дезактивируются при многократном повторном использовании. Из практических соображений важно, что новые катализаторы позволяют проводить каталитические процессы в воде, поскольку вода представляет собой идеальную альтернативу токсичным органическим растворителям в процессах “Green Chemistry” благодаря своей доступности, дешевизне и экологической безопасности. Еще одним перспективным носителем для нанокатализаторов вследствие своих уникальных поверхностных, механических, электрических, оптических и др. свойств являются углеродные нанотрубки (УНТ). Недавно были показано, что нанопалладий, осажденный на повехность углеродных нанотрубок, проявляет в реакциях Хека и Сузуки каталитическую активность, соизмеримую с активностью лучших гомогенных катализаторов, и может быть использован повторно несколько раз без заметной потери активности [например, Chem. Commun. 2008, 94.]. Однако применение для этих целей очищенных и функционилизированных углеродных трубок, а также сложная процедура нанесения нанопалладия с использованием в качестве растворителя двуокиси углерода в сверхкритическом состоянии делают эту каталитическую систему трудной для дальнейшего изучения и малодоступной для широкого применения в органическом катализе. Следует отметить, что в аналогичных условиях в присутствии наночастиц палладия, стабилизированных поли(N-винил-2-пирролидоном), реакция Сузуки протекает примерно на порядок медленнее [Org. Lett. 2000, 2, 2385.]. Углеродные нанотрубки, как известно, представляют собой скрученные листы графена. Различают однослойные (SWCNT) и многослойные (MWCNT) углеродные нанотрубки. Благодаря возникающему при сворачивании в цилиндр напряжению двойные связи, относительно инертные в графите, приобретают повышенную реакционную способность, приближаясь по характеру к двойным связям фуллеренов. Именно идея об аналогии между двойными связями фуллеренов и нанотрубок легла в основу метода получения катализаторов нового типа. Известно, что фуллерены образуют ?-комплексы по двойным связям с переходными металлами платиновой группы,в частности, были синтезированы и структурно исследованы комплексы (C60)Pd(PR3)2 и (C70)Pd(PR3)2. Дибензилиденацетон (dba) образует устойчивый комплекс с нульвалентным палладием, Pd(dba)2, и в то же время легко может быть замещен другими лигандами. Фуллерен С60 реагирует с этим комплексом, давая полимерные цепочки или сетки переменного состава (С60)Pdn [Chem. Lett., 1992, 1361]. На данном этапе проекта на основе этих предпосылок и полученных нами данных на предыдущем этапе проекта по созданию нанокатализаторов на основе оксида алюминия с С-покрытием предполагалось разработать новый удобный метод нанесения палладия на сырые углеродные нанотрубки. Следует отметить, что в настоящее время неочищенные многослойные углеродные трубки вполне доступны по стоимости, есть действующее предприятие в Украине. Палладий и ранее наносили на разные углеродные материалы, в том числе и нанотрубки, с целью получения катализаторов, например [Bull. Korean. Chem. Soc. 2007, 28, 1925]. Предлагаемый нами метод получения катализатора отличается тем, что исходит из комплекса палладия(0), который содержит строго один атом палладия, изолированный от других атомов металла органическими лигандами, и формирование нанокластера происходит на поверхности носителя, в то время как традиционные способы приготовления – восстановление солей палладия(II) различными реагентами в растворе – протекает через трудно контролируемую стадию образования агрегатов металла значительно большего размера, которые затем сорбируются на УНТ. Представляется вполне вероятным, что прочность связывания такого наноагрегата палладия с поверхностью углеродного носителя будет ниже, чем в том случае, когда “самосборка” наночастицы металла происходит постепенно непосредственно на поверхности из молекулярных предшественников. Можно полагать, что нульвалентный металл, теряя dba-лиганды, будет достаточно прочно связываться с ?-электронной системой двойных связей УНТ, подобно тому, как он образует ?-комплексы c фуллеренами. После начальной фиксации первого атома палладия на поверхности за счет образования ?-комплекса происходит последовательное наращивание металлокластера до определенного размера кристаллита. Ожидалось, что размеры частиц металла, получаемые по нашему методу, будут относительно небольшими, что подтверждается соответствующим измерением. О таком механизме формирования нанокластеров палладия на поверхности УНТ свидетельствует и обнаруженное в ходе наших исследований явление спонтанного и количественного осаждения Pd(0) из раствора комплекса Pd(dba)2 в хлороформе при внесении каталитических количеств (5-10 мол%) палладиевой черни с отщеплением лиганда. В отсутствие Pd-черни комплекс может храниться в растворе несколько суток. Возможен и другой механизм, предполагающий формирование наночастий из атомов, осевших на поверхности носителя. Имеющиеся в нашем распоряжении углеродный материал по данным просвечивающей электронной микроскопии, ПЭМ, (JEOL JEM100CХ-II, ускоряющее напряжение 100 кВ) представляет собой УНТ диаметром 3-6 нм с числом слоев 2-3, т.е. по принятой классификации их следует отнести к многослойным УНТ (MWCNT). Углеродные нанотрубки без дополнительной обработки или функционализации (т.е. введения гидроксильных, карбоксильных или других функциональных групп) использовались в качестве подложки для нанесения палладия. Нанесение палладия проводили по следующей методике. 100 мг углеродных трубок (порошок черного цвета) диспергировали в 2 мл хлороформа в течение 10 мин на ультразвуковой бане. К полученной черной суспензии прибавили раствор 5.4 мг (1 мг Pd) комплекса Pd(dba)2 (dba = дибензилиденацетон) в 2 мл хлороформа и перемешивали 3-5 мин при нагревании до 60 оС (практически до температуры кипения хлороформа). В течение этого времени винно-красный цвет (бордо) исходного комплекса перешла в светло-желтую окраску лиганда. Полученный образец черного цвета отделили от маточника на стеклянном фильтре, промыли хлороформом (2х3 мл). Высушили на воздухе при 80 оС в течение 1 ч. Выход 101 мг (100%) 1%Pd/УНТ. Полученный образец содержит по данным элементного анализа 1 вес% палладия. Следует отметить, что недавно предложенный метод быстрого осаждения палладия (2 мин) на наноразмерный углеродный носитель (углеродные нанотрубки) основан на использовании микроволнового облучения при температуре 110 оС в инертной атмосфере [Carbon, 2011, 49, 652]. Синтезированный образец 1%Pd/УНТ исследован методами рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии (рис. 1). Рис. 1. ПЭМ-микрофотография 1%Pd/УНТ и исходных УНТ. На вставке дифрактограмма. На полученной микрофотографии (рис. 1) на сером фоне углеродных трубок четко просматриваются черные точки наночастиц палладия. Измерение размеров наночастиц Pd, нанесенных на УНТ, методом ПЭМ дает распределение в довольно узком интервале: от 2.5 до 5.0 нм. Отсутствие частиц с размером более 6.0 нм свидетельствует о выкокой степени дисперсности металла. Из данных микродифракции на рис. 1 можно сделать вывод, что металлический палладий кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке, что соответствует справочным данным для палладия (угол между плоскостями типа {111} равен 70.5°). При этом большинство частиц Pd образуют монокристаллы. Если взять за средний размер частиц 4.5 нм, то при справочной плотности Pd 12.02 г/см3 получается удельная поверхность 110 м2/г, что довольно велико для металлических частиц, что говорит о высоком качестве нанесения Рd на нанотрубки (собственная поверхность у них 600-700 м2/г). Число атомов палладия в частице равно примерно 3200. На рис. 4 для сравнения приведена фотография исходного образца УНТ до обработки комплексом палладия (0). 2. Разработка методов нанесения мелкодисперсного палладия на созданные в рамках проекта углеросодержащие нанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок, оксидов алюминия и силикагеля Для решения проблемы агрегации нанотрубок (проблема подробно обсуждается пункте 3) украинские коллеги предложили стабилизировать углеродные нанотрубки путем их инкапсулирования в матрицу силикагеля в ходе золь-гель процесса. Синтезированные ими образцы, обозначенные в общем виде как УНТ@SiO2 и УНТ@SiO2-CH3 (получен с использованием добавок СН3Si(OEt)3), содержащие разное количество углерода и силикагеля, были в достаточных количествах переданы российской стороне для разработки методов нанесения палладия. Подробное описание разработанных методик получения и характеристики этих гибридных носителей изложено ниже в раделе 3.6.3. Поскольку новые углерод-оксидные композиты представляют собой углеродные нанотрубки, покрытые тонким слоем пористого силикагеля, то для нанесения палладия был в первую очередь испытан метод, разработанный нами для нанесения палладия на индивидуальные УНТ. Нанесение палладия проводили по следующей методике. 200 мг соответствующего гибрида УНТ@SiO2-СН3 (порошки черного цвета) диспергировали в 4 мл хлороформа в течение 10 мин на ультразвуковой бане. К полученной черной суспензии прибавили раствор 10.8 мг (2 мг Pd) комплекса Pd(dba)2 (dba = дибензилиденацетон) в 4 мл хлороформа и интенсивно перемешивали при нагревании до 60 оС. В течение буквально 3-6 мин, как и в случае самих углеродных нанотрубок, наблюдался быстрый переход винно-красной окраски исходного комплекса в светло-желтую окраску лиганда. Полученный образец черного цвета отделили от маточника на стеклянном фильтре, промыли хлороформом (2х3 мл), сушили на воздухе при 80 оС в течение 1 ч. Выход 202 мг (100%) 1%Pd/УНТ@SiO2. Полученный образец содержит по данным анализа методом атомно-абсорбционной спектроскопии 1 вес% палладия. Маточные растворы из 10 аналогичных опытов по нанесению палладия (см. табл.1) объединили, растворитель удалили на роторном испарителе и регенерировали 85.8 мг (97%) дибензилиденацетона в виде ярко-желтых кристаллов. Отсутствие увеличения продолжительности процесса по сравнению с УНТ свидетельствует, что покрытие нанотрубок силикагелем не создает серьезных препятствий для подхода реагентов к их поверхности. Полученные результаты по синтезу Pd/УНТ@SiO2 композитов суммированы в табл. 1. Таблица 1. Синтез гибридных композитов Pd/УНТ@SiO2. Один из синтезированный образцов, Pd/УНТ@SiO2(17), подробно исследован методом просвечивающей электронной микроскопии (рис. 2). На полученной микрофотографии на светлом фоне покрытых силикагелем углеродных нанотрубок четко просматриваются темные наночастицы палладия. Измерение размеров наночастиц Pd, нанесенных на УНТ, методом ПЭМ дает распределение в довольно узком интервале: от 2 до 5.0 нм. Отсутствие крупных частиц свидетельствует о выкокой степени дисперсности металла. Рис. 2. ПЭМ-микрофотография образца Pd/УНТ@SiO2(17). На ПЭМ микрофотографии, которую получили с использованием метода рентгеновского энергодисперсионного анализа (карта элементов) видно, что частицы палладия довольно равномерно распределены на поверхности синтезированного Pd/УНТ@SiO2 (17) палладиевого катализатора (рис. 3). На рис. 4 изображена ПЭМ микрофотография образца Pd/УНТ@SiO2(17) с результатами элементного анализа. Из представленных данных следует, что на образец нанесен действительно палладий. Сопоставление всех данных по строению полученных палладиевых композитов в сравнении с образцом Pd/УНТ указавает на то, что проблема агрегации катализатора в монолит в целом решена. 3. Детальное испытание полученных палладиевых нанокомпозитов на основе углеродных нанотрубок в качестве многоразовых гетерогенных катализаторов в реакциях арилгалогенидов и их гетероциклических аналогов с арилборными кислотами (реакция Сузуки), олефинами (реакция Хека), терминальными ацетиленами (реакция Соногаширы), аминами (реакция Бухвальда-Хартвига), гидрирования ненасыщенных соединений и др. 4. Адаптация разработанных каталитических процессов и гетерогенных катализаторов на основе углеродных нанотрубок и их композитов к воде и водно-спиртовым смесям. Полученный палладий-углеродный композит Pd/УНТ был испытан в первую очередь в качестве катализатора реакции Сузуки (рис. 5). На примере взаимодействия 4-метоксифенилборной кислотой с 4-иодбензойной кислотой было показано, что в присутствии 0.1 мол% Pd реакция завершается в воде при 100 оС менее, чем за 5 мин, давая соответствующий продукт кросс-сочетания с количественным выходом. После Рис. 3. ПЭМ микрофотография образца Pd/УНТ@SiO2(17) с картой распределения элементов.\завершения реакции катализатор был выделен из реакционной смеси путем центрифугирования и использован повторно. Не наблюдалось какого-либо уменьшения активности катализатора после его пятикратного применения в реакции Сузуки. Рис. 4. ПЭМ микрофотография образца Pd/УНТ@SiO2(17) с данными элементного анализа. Реакция Хека, в отличие от реакции Сузуки, осуществляется, как правило, при более высоких температурах и протекает со значительно меньшими скоростями [Chem. Rev. 2000, 100, 3009]. Однако в присутствии нового катализатора эта реакция также завершается за непродолжительный промежуток времени и приводит к продукту арилирования олефина с количественным выходом. Например, при катализе 1%Pd/УНТ (0.1 мол% Pd) реакция 5-йодсалициловой кислоты с акриловой кислотой в воде при 100 оС за 15 минут приводит к получению соответствующей коричной кислоты с выходом 97%. Катализатор, как и в реакции Сузуки, может быть регенерирован. Повторные рециклы катализатора протекали с выходами до 99 % Рис. 2. Многократное применение композита 1%Pd/УНТ в реакциях кросс-сочетани в водных средах. Катализатор Pd/УНТ оказался очень активным и в реакции арилирования терминальных ацетиленов (реакция Соногаширы). В каталитической системе: Pd/УНТ (0.1 мол% Pd), AgI (1 мол%), вода, K2CO3 (2.5 экв.) и Bu3N (0.2 экв.), модельная реакция фенилацетилена и 4-иодбензойной кислотой протекает при 50 оС в течение 30 мин с практически количественным выходом. Применение вместо иодида меди(I) AgI позволило проводить каталитический процесс на воздухе без атмосферы инертного газа. При повторном использовании регенерированного катализатора продолжительность реакции и выход продукта арилирования не изменяются. Для сравнения, при катализе нанокластерами палладия (размер частиц ~7 нм, 1 мол. % Pd), стабилизированными поли(винилпирролидоном), для завершения реакции требуется нагревание при 80 оС в течение 6 ч [Tetrahedron. 2005, 61, 8633]. Таким образом, нами предложен принципиально новый, технологичеси простой и непродолжительный по времени метод нанесения наночастиц палладия на углеродные нанотрубки, основанный на использовании очень доступного и устойчивого на воздухе комплекса Pd(0). Полученный Pd/УНТ композит проявляет высокую каталитическую активность в 3-х различных реакциях кросс-сочетания с образованием связи углерод-углерод, легко регенерируется, может быть использован многократно, великолепно работает в воде. Углеродные трубки вследствие сильных Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий не являются индивидуальными объектами, а переплетаются в пучки (связки и т.п.) с образованием агрегатов микрометрового размера. В результате агрегации для полезного использования в катализе доступной остается только внешняя поверхность пучков. Для диспергирования связок и получения индивидуальных трубок используются различные методы, включая ультразвуковое облучение и нековалентную модификацию поверхности трубок с помощью дендримеров, полимеров и поверхностно-активных веществ. Однако для эффективного диспергирования необходимо использовать достаточно большое количество модификатора и поверхность трубок в значительной степени блокируется молекулами модификатора. Вследствие этого последующее осаждение металла происходит фактически на слой модификатора, а не на поверхность углеродной трубки, представляющую по сути эффективный полидентатный лиганд с ?-донорными и ?*-акцепторными свойствами. По-видимому, именно это обстоятельство и является причиной значительного различия в активности катализаторов на основе УНТ, описанных в литературе и разработанных нами. При проведении катализа Pd/УНТ с участием арилбромидов, которые являются более дешевыми реагентами, чем арилиодиды, и поэтому их применение экономически более привлекательно, было обнаружено, что вначале реакции протекают довольно быстро, но при конверсии около 80% сильно замедляются и завершаются за большой промежуток времени. По данным СЭМ-микроскопии регенерированный образец катализатора в отличие от аналогичного образца из опыта с арилиодидом практически сохранил свой первоначальный внешний вид (рис. 3). Исходный катализатор (А) и регенерированный из реакции с Ar-Br (Б) при данном разрешении микроскопа представляют собой монолитные структуры, структура нанотрубок вообще не просматривается. Напротив, катализатор из реакции с арилиодидом (В) внешне ни чем не отличался от исходных углеродных нанотрубок (Г). Возможное объяснение заключается в том, что при нанесении палладия образующиеся на поверхности нанотрубок кластеры палладия выступают дополнительным структуирующим фактором. Этот процесс, по-видимому, аналогичен процессу образования палладий-фуллеренового полимера (С60)Pdn при взаимодействии фуллерена с Pd(dba)2 [Chem. Lett., 1992, 1361]. В результате этого образуются прочные монолитные агрегаты, количество доступного для катализа палладия уменьшается, и в реакциях малоактивных арилбромидов наблюдается торможение. В случае более реакционноспособных арилиодидов количество доступного палладия оказывается вполне достаточным для быстрого кросс-сочетания с арилборной кислотой. При этом, наряду с целевым продуктом кросс-сочетания в реакции образуется эквивалентное количество иодид-иона, который имеет большое сродство к палладию. В результате координации по палладию отрицательно заряженных иодид-ионов сами трубки приобретают некоторый отрицательный заряд, и первоначально монолитная структура каталитического композита в ходе каталитического процесса становится рыхлой, а нанесенный палладий более доступным для катализа (рис. 4). Подтверждением этого может служить эксперимент по повторному использованию катализатора после реакции с арилиодидом. В реакционную смесь после завершения реакции 4-иодбензойной кислоты с 4-метоксифенилборной кислотой (см. рис. 2) без выделения катализатора добавили новую порцию реагентов - 4-бромбензойную кислоту, 4-метоксифенилборную кислоту и K2CO3. В этом случае реакция протекала без торможения и за 15 мин при 100 оС привела к образованию продукта кросс-сочетания с количественным выходом. Предварительное диспергирование каталитического композита (ультразвук, 30 мин) приводит к аналогичному результату (100 оС, 25 мин, 98%). Для общего решения проблемы агрегации нанотрубок украинские коллеги предложили стабилизировать углеродные нанотрубки путем их инкапсулирования в матрицу силикагеля золь-гель методом. На основе синтезированных ими образцов носителей, УНТ@SiO2 и УНТ@SiO2-CH3 российская группа разработала удобный метод нанесения наноразмерного палладия. По этому методу украинская группа провела синтез необходимого количества палладиевых композитов Pd/УНТ@SiO2 и Pd/УНТ@SiO2-CH3, провела изучение физико-химическими методами. Затем образцы были испытаны на каталитическую активность в российской группе в реакциях кросс-сочетания. Основываясь на задачах проекта по синтезу многоразовых гетерогенных катализаторов, их адаптации к водным средам и разработке фундаментальных основ экологически безопасных технологий, при выборе реакционных сред для проведения каталитических процессов уже на стадии лабораторной разработки мы ориентировались на воду или водно-спиртовые среды. Рис. 3. СЭМ микрофотографии образца Pd/УНТ: а) исходный композит до катализа; б) после реакции Сузуки с участием 4-бромбензойной кислоты; в) после реакции Сузуки с участием 4-иодбензойной кислоты; г) исходные УНТ. Реакция Сузуки В качестве модельной реакций Сузуки была выбрана реакция чувствительной к протолизу 4-метоксифенилборной кислоты с 3-бромбензойной кислотой. Каталитические испытания проводили в воде без добывок органического растворителя при температуре 100 оС в присутствии 0.1 мол% Pd (Pd/УНТ@SiO2 или Pd/УНТ@SiO2-CH3) и карбоната калия в качестве основания. В этих условиях в реакцию кросс-сочетания в действительности вступает 3-бромбензоат калия, образующийся из 3-бромбензойной кислоты под действием основания. Все реакции проводились на воздухе в отсутствие инертной атмосферы. Полученные результаты представлены в табл. 2. В изученных условиях все испытанные каталитические композиты проявляют очень высокую активность – во всех экспериментах уже через 10 мин наблюдалась полная конверсия реагентов с количественным образованием продукта кросс-сочетания. Эти данные указывают на то, что проблему ассоциации углеродных нанотрубок с нанесенным палладием удалось преодолеть. В целом каталитическая активность всех композитов в реакции с арилбромидом (10 мин, выход ~100%) была очень близка к активности Pd/УНТ в процессе кросс-сочетания с арилиодидом (5 мин, выход 98-100%, рис. 2). С экономической точки зрения очень важно, что количество недешевых УНТ в составе каталитического композита, благодаря разработанному подходу, удается уменьшить в 2-6 раз. На примере образца Pd/УНТ@SiO2(17) показано, что без нарушения эффективности катализа количество Pd можно уменьшить на порядок до 0.01 мол%. Полная конверсия реагентов в течение 10 мин, наблюдаемая в этом случае, Рис. 5. Схема разрыхления монолитов Pd/УНТ@SiO2 под действием иодид-иона. свитетельствует о реализации большого числа каталитических циклов (TON до 10000) и их высокой частоте (TOF, до 60000 ч-1). Таблица 2. Данные по испытанию образцов Pd/УНТ@SiO2 и Pd/УНТ@SiO2-CH3 в реакции 3-бромбензойной кислоты с 4-метоксифенилборной кислотойа Гетерогенные катализаторы Pd/УНТ@SiO2(17) и Pd/УНТ@SiO2-СН3(17), как содержащие наименьшее количество углеродных нанотрубок, были испытаны в качестве многоразовых катализаторов. Выделение катализаторов из реакционных смесей проводили центрифугированием реакционных смесей и 2-х кратной промывкой катализатора водой и спиртом. Как видно из полученных данных (табл. 4, нижняя часть), активность катализаторов после 10-ти рециклов не меняется. Анализ реакционной смеси методом атомно-абсорбционной спектроскопии по окончание реакции и отделения катализатора не выявил в растворе наличия палладия в диапазоне 1 м.д. (в пределах чувствительности метода). Возможно, что в ходе каталитического процесса с участием данного типа катализаторов переход палладия с твердого носителя в раствор происходит обратимо. Более подробно особенности этого процесса будут обсуждаться ниже при анализе результатов теста фильтрования. Реакция Хека Испытание каталитической активности катализаторов Pd/УНТ@SiO2 и Pd/УНТ@SiO2-CH3 проводили на модельной реакции 3-бромбензойной кислоты с акриловой кислотой в присутствии 0.1 мол% Pd в кипящей воде на воздухе при использовании в качестве основания K2CO3. Каталитическая активность протестированных композитов оказалась очень высокой, и все реакции завершались за 30 мин с высоким выходом продукта арилирования - 3-[(E)-2-карбоксивинил]бензойной кислоты (табл. 3). По сравнению с реакцией 4-иодбензойной кислоты при катализе Pd/УНТ (15 мин, выход 97-99%, рис. 2) продолжительность реакции немного увеличилась. Композиты Pd/УНТ@SiO2(17) и Pd/УНТ@SiO2-СН3(17), как и в реакции Сузуки, не теряют активности при повторных рециклах. Таблица 3. Данные по испытанию Pd/УНТ@SiO2 и Pd/УНТ@SiO2-CH3 в реакции 3-бромбензойной кислоты с акриловой кислотойа а Ar-Br (1 ммоль), CH2=CHCO2H (1.2 ммоль), K2CO3 (2.5 ммоль), 5 мл H2O. б Выход по данным 1Н ЯМР. Реакция Соногаширы Каталитическую активность Pd/УНТ@SiO2 и Pd/УНТ@SiO2-CH3 в реакции Соногаширы изучали на примере модельной реакции 3-бромбензойной кислоты с фенилацетиленом в присутствии 0.1 мол% Pd и 1 мол% иодида серебра (AgI) при использовании в качестве основания K2CO3 и 20 мол% трибутиламина (Bu3N) в кипящей воде. Подавить процесс окислительного сдваивания терминального ацетилена и проводить кросс-сочетание на воздухе удалось благодаря использованию вместо CuI иодида серебра. При работе с AgI необходимо защищать его от яркого света (реактор достаточно закрывать фольгой). Активность разработанной каталитической системы оказалась достаточно высокой, чтобы реакции полностью завершались за 15 мин (табл. 4). Следует отметить, что по предвариетльным данным с арилиодидами реакция идет и при комнатной температуре. Таблица 4. Данные по испытанию Pd/УНТ@SiO2 и Pd/УНТ@SiO2-CH3 в реакции Соногаширы 3-бромбензойной кислоты с фенилацетиленома а Ar-Br (1 ммоль), PhC?CH (1.2 ммоль), K2CO3 (2.5 ммоль), Bu3N (0.2 ммоль), 5 мл H2O. б Выход по данным 1Н ЯМР. Реакция Бухвальда-Хардвига Катализируемое палладием аминирование арилгалогенидов (реакция Бухвальда-Хардвига) является достаточно универсальным методом образования связи углерод-азот и широко используется в органической химии, включая синтез природных продуктов, биологически и фармацевтически важных соединений, новых лигандов и материалов [Усп. Химии, 2008, 77, 177.]. Несмотря на огромные достижения в этой области, главной проблемой по-прежнему остается большой расход палладиевого катализатора (1-5 мол%), дорогостоящих и трудно доступных лигандов (до 10 мол%). Нами на ограничеснном числе примеров предварительно показано, что разработанные гибридные материалы Pd/УНТ@SiO2 могут служить перспективными катализаторами реакций арилбромидов с алкил и ариламинами в водных средах. Реакции проводили при температуре 100 оС в течение 30 мин на воздухе при использовании в качестве основания K2CO3 (3 моль на 1 моль ArBr) в присутствии 0.1 мол% Pd [Pd/УНТ@SiO2(17) и Pd/УНТ@SiO2-CH3(17)] и 1 мол% цетилтриметиламмоний бромида (рис. 6). Следует отметить, что немаловажную роль в наблюдаемой эффективности реакции, по-видимому, играет то, что палладий в катализаторе находится в нулевой степени окисления. Рис. 6. Данные по испытанию Pd/УНТ@SiO2(17)и Pd/УНТ@SiO2-CH3(17) в реакции Бухвальда-Хардвига. Для сравнения отметим, что при катализе гетерогенным палладиевым катализатором с ковалентно закрепленным на поверхности полимерного носителя ди(трет-бутил)фосфиновым лигандом аминирование также удалось осуществить в воде в отсутствие органического растворителя (100 оС, 24 ч, ~ 90 %) [Chem. Commun. 2010, 46, 1103]. Однако количество используемого для катализа палладия (5 мол% Pd) было очень большим, а в качестве основания использовалась щелочь более, чем в 25-кратном избытке. Ниже представлены характеристики синтезированных аминов. N-(4-Цианофенил)морфолин. Желтый кристаллический порошок, т.пл. 74–75 °C (лит.т.пл. 73–75 °C). Найдено, %: C 69.98, H 6.27. C11H12N2O, %: C, 70.19; H, 6.43; N, 14.88; O, 8.50. ИК (пленка, см-1): 2980, 2831, 2217, 1606, 1116. 1H ЯМР (400 МГц, CDCl3): ? 7.53 (д, J = 8.7 Гц, 2H), 6.87 (д, J = 9.0 Гц, 2H), 3.88–3.85 (м, 4H), 3.31–3.27 (м, 4H). 13С ЯМР (100 МГц, CDCl3): ? 153.6, 133.6, 120.0, 114.2, 101.1, 66.6, 47.4. 1-(4-(4-Метоксифениламино)фенил)этанон. Желтый кристаллический порошок, т.пл. 116-118 °C (лит.т.пл. 115-117oC). 1H ЯМР (400 МГц, CDCl3): ? 7.91 (д, J = 8.85 Гц, 4H), 7.16 (д, J = 8.85 Гц, 4H), 6.83 (уш.с, 1H), 2.56(с, 6H). 13С ЯМР (100 МГц, CDCl3): ? 196.5, 146.0, 130.4, 116.9, 113.6, 26.3 MS m/z (интенсивность, %): 241 (70) [M+], 226 (100), 183 (15), 167 (10), 154 (20). Таким образом, разработанная в проекте методика арилирования аминов при катализе новыми гибридными катализаторами характеризуется незначительным количеством используемого палладия, высокими скоростями реакций и выходами продуктов аминирования. Кроме того, в качестве реакционной среды используется вода без добавок органических растворителей и достаточно мягкое основание, что позволяет сохранять имеющиеся в субстратах фунциональные группы. Испытание новых катализаторов в реакциях восстановления ненасыщенных соединений Разработка методов селективного восстановления ?,?-ненасыщенных карбонильных соединений представляет собой актуальную и практически важную задачу органического синтеза, поскольку получаемые насыщенные карбонильные соединения находят применение в качестве подсластителей пищи, в аромо-парфюмерной и фармацевтической промышленности [Bioorg. Med. Chem. Lett. 2004, 14, 3913]. Из множества разработанных к настоящему времени протоколов восстановления одним из наиболее значимых и не требующим специального оборудования является метод каталитического гидрирования путем переноса водорода от подходящего донора [Tetrahedron 2004, 60, 6901]. Высокая эффективность Pd/УНТ@SiO2(17) и Pd/УНТ@SiO2-CH3(17) в реакциях арилгалогенидов с арилборными кислотами, олефинами, терминальными ацетиленами и аминами побудила нас провести их испытание в качестве потенциальных катализаторов реакций гидрирования ненасыщенных соединений путем переноса водорода. В качестве модельной была выбрана реакция восстановления двойной связи в замещенных коричных кислотах (рис. 7). Реакции проводили в присутствии 0.1 мол% Pd и 1.1 экв. NaOH (в расчете на коричную кислоту) при облучении в микроволновой печи (250 вт, 5 мин) в водной среде в отсутствие органического растворителя при температуре ~110 оС (температура измерялась в конце реакции) в закрытом реакционнов сосуде с клапаном (15 атм). В качестве источника водорода для восстановления двойной связи использовали формиат натрия (6 моль на 1 моль субстрата). За указанный промежуток времени все реакции полностью завершались. После охлаждения реакционную смесь разбавили водой, нагрели до кипения, добавили 10 об% спирта и медленно при интенсивном перемешивании добавили раствор 5% HCl. Выпавший осадок кислоты отфильтровали и высушили. Следует отметить, что в найденных условиях не наблюдается восстановления имеющихся в субстратах других функциональных групп, например, нитро группы. Процесс эффективно может быть проведен и без применения микроволнового облучения (100 оС, 20-30 мин, выход 94-96%). Рис. 7. Данные по испытанию Pd/УНТ@SiO2(17) и Pd/УНТ@SiO2-CH3(17). в реакции восстановления ненасыщенных соединений. Ниже представлены характеристики выделенных соединений. 3-(3,4-Диметоксифенил)пропановая кислота. Белый кристаллический порошок, т.пл. 97-98 oC (лит.т.пл. 96-97 oC). 1H ЯМР (400 МГц, CDCl3): ? 7.03 (д, J = 8.07 Гц, 1H), 6.41 (с,1H), 6.39 (д, J = 8.07 Гц, 1H), 3.75 (s, 6H), 2.85 (т, J = 7.67 Гц, 2H), 2.59 (т, J = 7.67 Гц, 2H). 13С ЯМР (100 МГц, CDCl3): ? 176.8, 147.2, 144.3, 132.9, 120.8, 115.0, 114.2, 55.8, 37.2, 30.6. 3-(4-Нитрофенил)пропановая кислота. Светло-желтый кристаллический порошок, т.пл. 166-167 oC (лит.т.пл. 164-165 oC). 1H ЯМР (400 МГц, CDCl3): ? 8.09 (д, J = 8.67 Гц, 2H), 7.81 (д, J = 8.67 Гц, 2H), 2.82 (т, J = 6.87 Гц, 2H), 2.57 (т, J = 6.87 Гц, 2H). 13С ЯМР (100 МГц, CDCl3): 180.1, 147.2, 146.1, 129.7, 124.5, 38.3, 29.4. 4. Адаптация разработанных каталитических процессов и гетерогенных катализаторов на основе углеродных нанотрубок и их композитов к воде и водно-спиртовым смесям. 5. Применение разработанных нанотехнологий в синтезе практически важных биарилов, стильбенов, толанов и гетероциклических соединений Как было показано на примере модельных реакций кросс-сочетания и восстановления, новые гетерогенные катализаторы совершенно устойчивы и выдерживают нагревание в водной среде в присутствие основания средней силы в течение 10 рециклов. Кроме того, условия проведения всех модельных реакций – вода, температурный режим, природа основания и продолжительность каталитического процесса, очень близки. Поэтому, выбрав граничные условия, в которых протекает самый “трудный” процесс, мы попытались на одной порции катализатора выполнить синтез разных соединений: биарилов, стильбенов, толанов и гетероциклических соединений, имеющих практическое значение. Поскольку введению в молекулу целевого продукта гетероциклического фрагмента (фурил, тиенил, пиридил) из арилборной кислоты требует по возможности мягких условий проведения реакции, мы снова обратились к арилиодидам в качестве источника арильной группы. Кроме того, в рамках проекта с белорусскими коллегами (грант РФФИ 12-08-90025-Бел_а) мы обнаружили явление увеличения эффективности катализа при проведении реакций в водном метаноле. Оказалось, что и в случае палладий углерод-оксидных композитов эффективность катализа также значительно возрастает. Например, при катализе Pd/УНТ@SiO2(17) (0.1 мол% Pd) модельная реакция 3-иодбензойной кислоты с 4-метоксифенилборной кислотой в 50% водном метаноле завершается при комнатной температуре за 2 часа с количественным выходом. Для того, чтобы определить протекает ли каталитический процесс гетерогенно или осуществляется на перешедших в раствор растворимых формах палладия был проведен тест фильтрования. Через 10 мин при комнатной температуре, когда реакция прошла на глубину 35% реакционная смесь была профильтрована через мембранный микрофильтр (размер пор 0.45 мкм). Полученный прозрачный раствор был выдержан при комнатной температуре 2 часа и проанализирован. Выход продукта кросс-сочетания, как и в опыте без фильтрования, оказался количественным. Полученный результат можно было бы объяснить тем, что мелкие наночастицы катализатора легко проникают через микрофильтры и ведут катализ. Чтобы проверить такую возможность, мы последовательно провели тесты фильтрования после 15 мин интенсивного перемешивания 3-х навесок катализатора с раствором 3-иодбензой кислоты и K2CO3 (опыт 1), раствором 4-метоксифенилборной кислотой и K2CO3 (опыт 2) и раствором K2CO3 (опыт 3). Затем к фильтратам добавили недостающие реагенты и анализировали с шагом в 10 мин. В опыте 1 реакция завершилась через 40 мин с количественным выходом. В опытах 2 и 3 реакции прошли на незначительную глубину, а выход не превышал 2-3%. Полученные результаты подтвердают существующую точку зрения, что гетерогенный катализ может протекать через стадию перехода гетерогенизированного металла в раствор, где осущестляется гомогенный катализ. После завершения реакции происходит обратное осаждение металла на носитель. Очевидно, что изучение детального механиза гетерогенного катализа выходит за рамки этого проекта, однако результаты проведенных экспериментов по фильтрованию (каждый опыт повторялся 3 раза) позволяют сделать один очень важный практический вывод - предварительное перемешивание арилгалогенида с катализатором может существенно сократить продолжительность кросс-сочетания. Проверка этого предположения показала, что если катализатор Pd/УНТ@SiO2(17) (0.1 мол% Pd) перемешивать с раствором арилиодида и основания при температуре кипения 50% водного метанола (~70 оС) в течение 10 мин, затем реакционную смесь охладить и прибавить арилборную кислоту, то реакция завершается в течение 20 мин при комнатной температуре. В случае арилбромидов этот прием тоже позволяет сократить продолжительность реакции до 2-3 мин, но при температуре кипения. Возможно, что в этом случае достигается более высокая концентрация перешедшего в раствор палладия и скорость реакции возрастает. При использовании этой методики в реакции Сузуки, Хека и Соногаширы на одной порции катализатора были проведены синтезы практически важных соединений за очень короткий промежуток времени с высокими выходами. Еще одним важным моментом для использования разрабатываемых каталитических процессов в масштабных технологиях является простота выделения целевых продуктов, особенно в случае применения водно-спиртовых смесей в качестве реакционных сред. Водно-спиртовые смеси легко регенерируются и могут быть использованы повторно. Результаты по многократному применению разработанных гетерогенных катализаторов в препаративном синтезе практически важных соединений и новом методе активации представлены на рис. 8. Из 2,4-дифторфенилборной кислоты и 5-бромсалициловой кислоты с при катализе активированным Pd/УНТ@SiO2(17) (0.1 мол% Pd) с количественным выходом была получена 2',4'-дифтор-4-гидрокси-[1,1'-бифенил]-3-карбоновая кислота– дифлузинал – эффективное нестероидное противовоспалительное лекарственное средство (НПЛС). Сравнение разработанного метода синтеза с ранее описанным будет представлено ниже (см. раздел 3.8). 2',4'-Дифтор-4-гидрокси-[1,1'-бифенил]-3-карбоновая кислота, дифлунизал: 5 мин, 1.01 г (~100%). Бесцветные кристаллы, т.пл. 213°C (лит.т.пл. 211-212°C). 1H NMR (400 МГц, ДМСО-d6): ? 7.91 (с, 1H), 7.66 (д, J = 8.09 Гц, 1H), 7.56 (дд, J = 8.82, 15.44 Гц, 1H), 7.33 (ддд, J = 2.20, 9.93, 9.93 Hz, 1H), 7.16 (ддд, J = 2.20, 8.09, 8.09 Гц, 1H), 7.06 (д, J = 8.82 Hz, 1H). 13C NMR (100 МГц, ДМСО-d6): ? 171.6, 161.8 (дд, JC-F = 12.48, 224.72 Гц), 160.7, 158.9 (дд, JC-F = 12.48, 226.10 Гц), 135.8 (д, JC-F = 2.77 Гц), 131.5 (дд, JC-F = 4.16, 9.71 Гц), 130.3 (д, JC-F = 2.77 Гц) 125.1, 123.7 (д.д., JC-F = 4.16, 12.48 Гц), 117.6, 113.2, 112.1 (д.д., JC-F = 2.77, 20.81 Гц), 105.1 (д.д., J = 26.35, 26.35 Гц). Рис. 8. Данные по применению активированного композита Pd/УНТ@SiO2(17) в препаративных синтезах практически важных соединений. Выделение продуктов кросс-сочетания во всех типах реакций кросс-сочетания реакций очень просто. В случае получения продуктов с карбоксильной группой (замещенные бензойные кислоты и гетероаналоги) из реакционной смеси регенерируют растворитель (50% водный метанол), который может быть использован повторно. К остатку прибавляют воду, нагревают до 60-70 оС, гетерогенный катализатор отфильтровывают, к фильтрату прибавляют 10-15 об% спирта, нагревают практически до кипения и медленно подкисляют 5 % HCl до рН 2-3 при перемешивании. Осадок соответствующей кислоты отфильтровывают. Таким образом, без использования хроматографии и даже перекристаллизации получаются аналитически чистые образцы. Для выделения всех остальных типов продуктов после регенерации растворителя к остатку прибавляют насыщенный солевой раствор и экстрагируют этилацетатом. Экстракт сушат сульфатом натрия и фильтруют через небольшой слой силикагеля. Растворитель удаляют на роторном испарителе в замкнутом режиме (этилацетат регенерируется на 92-96%), остаток, в случае необходимости, кристаллизуют из минимального количества подходящего растворителя (обычно спирта). Чистота получаемых целевых соединений, получаемых в количестве 1.0 – 10 г, была не менее 98%.