Способ получения 4-метоксибифенила реакцией Сузуки с использованием биметаллических Pd-содержащих катализаторов
METHOD OF PRODUCING 4-METHOXYBIPHENYL BY A SUZUKI REACTION USING BIMETALLIC PD-CONTAINING CATALYSTS

Изобретение относится к тонкому органическому синтезу и может быть использовано в химической и фармацевтической промышленностях для получения биарилов, которые являются важными полупродуктами в синтезе фармацевтических препаратов, лигандов и полимеров.
Изобретение описывает процесс синтеза 4-метоксибифенила с помощью реакции кросс-сочетания Сузуки с использованием биметаллического (Au-Pd) катализатора на основе сверхсшитого полистирола, функционализированного аминогруппами.
2
3
2
2
4
Из уровня техники известно, что обычно реакция Сузуки проводится с применением палладиевых комплексов, содержащих лиганды на основе соединений фосфора и азота, в качестве катализаторов. Активность и селективность гомогенных катализаторов может быть легко оптимизирована с помощью модификации металлического центра различными органическими лигандами, поэтому большое внимание исследователей привлекает разработка новых лигандов. Однако, большинство таких лигандов дорогостоящи, что существенно ограничивает их применение в промышленности (US 20120116118, С07С 51/353, С07С 51/363, С07С 51/377, 10.05.2012). Известно, что альтернативой палладиевым комплексам служат безлигандные каталитические системы - чистые соли палладия: PdCl, Pd(CHCOO), NaPdCl (MahantaA., MandalM, ThakurA. J., BoraU., TetrahedronLetters, 57 (2016) 3091); а также соли и наночастицы палладия, нанесенные на различные твердые носители: оксиды металлов, включая магнетит, и углеродные носители, в том числе, полимеры (Beletskaya I. Р., AlonsoF., TyurinV., Coordination Chemistry Reviews, 385 (2019) 137).
Так же известно, что кроме монометаллических безлигандных палладиевых катализаторов в реакции Сузуки могут использоваться биметаллические (Au-Pd) каталитические системы. Так как биметаллические наночастицы состоят из двух различных металлов, распределение атомов влияет на их строение, от которого в свою очередь зависят каталитические свойства наночастиц (LiuX., WangD., Li Y., NanoToday, 7 (2012) 448).
2
3
Известен способ проведения реакции Сузуки с применением биметаллических частиц Au/Pd, синтезированных путем дугового разряда золота в дистиллированной воде и осаждения палладия с помощью простого процесса выпаривания. Условия реакции - субстраты: йодбензол и фенилбороновая кислота, инертная атмосфера, оптимальное основание KCO, температура 80°С, смесь этанола и воды в соотношении 2:1 в качестве растворителя, продолжительность реакции - 24 часа, концентрация палладия 4 мольн. %. Выход бифенила составил 88% (Nasrollahzadeh М., Azarian А., Maham М., Ehsani A., Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 21 (2015) 746).
Однако, использование такого способа приводит к низкому выходу бифенила (не более 88%) и высокой продолжительности реакции при высокой температуре и концентрации палладия.
Известен способ проведения реакции кросс-сочетания 4-броманизола и фенилбороновой кислоты с использованием биметаллического безлигандного катализатора Au-Pd/MCM-41 (3% Au, 3% Pd). Условия реакции - воздушная атмосфера, вода в качестве растворителя, КОН в качестве основания, температура 80°С, продолжительность реакции - 4 часа. Выход 4-метоксибифенила составил 84% (SpezialiM.G., daSilvaA.G.M., VazdeMirandaD.M., MonteiroA.L., Robles-DutenhefherP.A., AppliedCatalysisA: General, 462-463 (2013) 39).
Однако недостатком способа является низкий выход 4-метоксибифенила и высокая температура реакции.
2
3
Также известен способ проведения реакции Сузуки с применением биметаллических (Au/Pd) частиц, синтезированных методом биоредуктивного осаждения с использованием бактерии Shewanella oneidensis. Реакцию Сузуки между йодбензолом и фенилбороновой кислотой проводили в инертной атмосфере (азот) в смеси этанола и воды в соотношении 2:1 при 70°С и с использованием KCO в качестве основания, концентрация палладия 2.35 мольн. %, продолжительность реакции 24 часа. Конверсия йодбензола составила 100% (HeugebaertT.S.A., DeCorteS., SabbeT., HennebelT., VerstraeteW., BoonN., StevensC.V., TetrahedronLetters, 53 (2012) 1410).
Однако, одним из недостатков способа является высокая продолжительность реакции при высокой концентрации палладия в реакционной смеси.
3
4
Известен способ проведения реакции кросс-сочетания бромбензола и фенилбороновой кислоты с использованием наночастиц Pd/Au со структурой сплав, стабилизированных ПАМАМ (полиамидоаминовыми) дендримерами четвертой генерации, внедренным в SBA-15. Условия реакции - инертная атмосфера, микроволновое излучение, смесь этанола и воды в соотношении 3:2 в качестве растворителя, KPO в качестве основания, температура 100°С, концентрация палладия 0.5 мольн. %, продолжительность реакции 30 минут. Выход бифенила составил 78% (Zheng Z., Li Н., Liu Т., Cao R., Journal of Catalysis, 270 (2010) 268).
Однако недостатком данного способа является низкий выход бифенила (78%), высокая температура, а также необходимость использования микроволнового излучения.
3
4
2
Известен способ проведения реакции Сузуки с применением биметаллических частиц Au/Pd, иммобилизованных на графитоподобный нитрид углерода. Условия реакции - субстраты: 4-броманизол и фенилбороновая кислота, инертная атмосфера, оптимальное основание KPO, комнатная температура, смесь этанола и воды в соотношении 1:1 в качестве растворителя, видимый свет (интенсивность облучения (50 мВт/см), продолжительность реакции - 30 минут, концентрация палладия 0.025 мольн. %. Выход 4-метоксибифенила составил 86% (Movahed S.K., Miraghaee S., Dabiri M., Journal of Alloys and Compounds, 819 (2020) 152994).
Однако, при применении данного способа выход 4-метоксибифенила невысок.
3
4
2
3
Также известен способ проведения реакции кросс-сочетания бромбензола и фенилбороновой кислоты с использованием катализатора PdAu/FeO. Условия реакции: воздушная атмосфера, растворитель ДМФ (М,1Ч-диметилформамид), основание KCO, температура 80°С, продолжительность реакции 9.5 часов, концентрация палладия 2.5 мольн. %. Выход бифенила составил 83.3% (ChenX., Qian D., Xu G., Xu H., Dai J., Du Y., Colloids and Surfaces A, 573 (2019) 67).
Однако, использование такого способа приводит к низкому выходу бифенила и высокой продолжительности реакции при относительно высокой температуре и концентрации палладия
2
3
2
2
3
2
3
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ получения 4-метоксибифенила реакцией Сузуки между 4-броманизолом и фенилбороновой кислотой в присутствии катализатора Pd/MN100 (содержание палладия в катализаторе составляет от 0.5 масс. % до 2 масс. %. Катализатор был синтезирован методом импрегнации сверхсшитого полистирола марки MN100 раствором прекурсора PdCl(CHCN) в тетрагидрофуране. Количество катализатора составляет от 0.5% до 1.5 мольн. % по отношению к 4-броманизолу, в качестве растворителя применяют смесь этанол/вода в объемном соотношении от 1:0 до 1:2, в качестве основания используют NaOH, KCO и NaCO в количестве от 1 ммоль до 2 ммоль при температуре от 50 до 75°С, продолжительность реакции 55-60 минут. Наиболее высокая конверсия 4-броманизола (98%) достигается при использовании NaOH в качестве основания в смеси этанола и воды в объемном соотношении 5:1 при 60°С в атмосфере азота (RU 2580107, С07С 41/30, С07С 43/205, 10.04.2016).
Однако, в случае проведения предварительного восстановления катализатора в токе водорода при температуре от 250°С до 300°С, приводящего к формированию наночастиц палладия, активность катализатора снижается, продолжительность реакции возрастает в 1.5 раза, что является его недостатком.
Проблемой, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа получения 4-метоксибифенила реакцией Сузуки между 4-броманизолом и фенилбороновой кислотой в присутствии Au-Pd/MN100 катализатора, обеспечивающего снижение температуры проведения реакции, сокращение длительности реакции, снижение процентного содержания палладия по отношению к 4-броманизолу и снижение содержания палладия в катализаторе.
Техническим результатом изобретения является повышение технологичности и эффективности процесса получения 4-метоксибифенила.
4
2
3
2
Проблема решается и указанный технический результат достигаются тем, что способ получения 4-метоксибифенила реакцией Сузуки включает взаимодействие 4-броманизола и фенилбороновой кислоты в растворителе в присутствии основания и катализатора Au-Pd/MN100, синтезированного методом последовательной импрегнации предварительно измельченного сверхсшитого полистирола марки MN100 сначала прекурсором золота, в качестве которого используют раствор HAuCl в тертагидрофуране, затем его восстановлением в токе водорода при 300°С в течение 180 минут, а затем процесса импрегнации прекурсором палладия, в качестве которого используют раствор PdCl(CHCN) в тетрагидрофуране при температуре от 20°С до 40°С, восстановлением 0.1 М раствором боргидрида натрия на холоде при температуре от 0°С до 5°С с образованием биметаллических наночастиц со структурой ядро-оболочка, в которых в качестве ядра выступает золото, а в качестве оболочки палладий, при этом содержание золота в катализаторе составляет 2.0 масс. %, содержание палладия в катализаторе составляет от 0.4 масс. % до 1.2 масс. % с использованием MN100 предварительно измельченного, количество катализатора, участвующего в реакции, составляет от 0.16 мольн. % до 0.54 мольн. % по отношению к 4-броманизолу, в качестве растворителя реакции Сузуки применяют смесь этанол/вода в объемном соотношении 5:1, а в качестве основания - NaOH в количестве 1.5 ммоль при температуре 60°С в течение 180 мин в атмосфере азота.
Предварительное измельчение сверхсшитого полистирола марки MN100 перед проведением импрегнации необходимо, чтобы повысить площадь поверхности катализатора, доступную для реагентов, и снять внутридиффузионные ограничения.
4
4
Применение раствора HAuCl в тертагидрофуране для импрегнирования обусловлено тем фактом, что HAuCl является распространенным доступным прекурсором, легко растворяется в выбранном растворителе, что облегчает процесс внесения золота в сверхсшитый полистирол для последующего формирования наночастиц Au.
Последующее восстановление в токе водорода при 300°С в течение 180 минут необходимо для формирования наночастиц золота.
2
3
2
Импрегнирование раствором прекурсора палладия, PdCl(CHCN) в тетрагидрофуране, при температуре от 20°С до 40°С необходимо для последующего формирования биметаллических наночастиц Au-Pdco структурой ядро-оболочка, поскольку прекурсор палладия осаждается на поверхность наночастиц золота, сформированных ранее в сверхсшитом полистироле в процессе восстановления.
Восстановление 0.1 М раствором боргидрида натрия на холоде приводит к трансформации прекурсора палладия, а именно к его переходу в форму PdOи металлического Pd на поверхности наночастиц Au. Таким образом, происходит окончательное формирование биметаллических наночастиц Au-Pdco структурой ядро-оболочка.
Содержание золота в катализаторе в количестве 2.0 масс. % подтверждается данными элементного анализа.
При снижении содержания палладия в катализаторе ниже 0.4 масс. % количество атомов палладия оказывается недостаточным для того, чтобы гарантировать формирование наночастиц со структурой ядро-оболочка, так становится невозможным полное покрытие поверхности наночастиц Аи атомами Pd. Увеличение содержания палладия выше 1.2 масс. % приводит к формированию слоя палладия, который близок по характеристикам к сплошному металлическому палладию, что ведет к исчезновению эффекта синергизма от присутствия золота, а также это приводит к росту отдельных монометаллических наночастиц палладия.
Количество катализатора менее 0.16 мольн. % приводит к снижению скорости реакции кросс-сочетания и увеличению времени реакции. Повышение концентрации катализатора более 0.54 мольн. % нецелесообразно.
Применение в качестве растворителя реакции Сузуки смеси этанол/вода в объемном соотношении 5:1 обусловлено тем, что вода, взятая в указанном соотношении, обеспечивает растворимость основания, позволяет полностью избежать нежелательного образования в реакционном растворе тримера фенилбороновой кислоты (арилбороксина) и, одновременно с этим, обеспечивается растворимость 4-броманизола. Увеличение объемной доли воды в смеси приводит к снижению селективности по целевому продукту - 4-метоксибифенилу.
Применение в качестве основания NaOH в количестве 1.5 ммоль приводит к достижению степени конверсии 4-броманизола 98%.
Проведение реакции при строгом соблюдении температурных и временных параметров: при температуре 60°С в течение 180 мин в газовой атмосфере азота обусловлено высоким выходом целевого продукта 4-метоксибифенила, полученного в данных условиях реакции.
4
В целях выявления синергетического эффекта от присутствия золота, были синтезированы монометаллические катализаторы с содержанием Pd, эквивалентным биметаллическим образцам (Au-Pd/MN100 с содержанием Pd 1.2 масс. % соответствует 1.2%-Pd/MN100, Au-Pd/MN100 с содержанием Pd0.7 масс. %» соответствует 0.8%-Pd/MN100, Au-Pd/MN100 с содержанием Pd 0.4 масс. % соответствует 0.5%-Pd/MN100), так же предварительно восстановленные водным раствором NaBH.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена зависимость конверсии 4-броманизола от времени при содержании палладия в моно- и биметаллическом катализаторе 1.2 масс. %; на фиг. 2 представлена зависимость конверсии 4-броманизола от времени при содержании палладия в катализаторе Au-Pd/MN100 0.7 масс. %, а в катализаторе Pd/MN100 - 0.8 масс. %; на фиг. 3 представлено комбинированное изображение отдельной наночастицы(а) и профиль линейного сканирования поперечного сечения частицы (б) катализатора Au-Pd/MN100 с содержанием палладия 0.7 масс. %; на фиг. 4 представлена зависимость конверсии 4-броманизола от времени при содержании палладия в катализаторе Au-Pd/MN100 0.4 масс. %, а в катализаторе Pd/MN100 - 0.5 масс. %; на фиг. 5 - комбинированное изображение отдельной наночастицы (а) и профиль линейного сканирования поперечного сечения частицы (б) катализатора Au-Pd/MN100 с содержанием палладия 0.4 масс. %.
Способ получения 4-метоксибифенила реакцией Сузуки поясняется следующими примерами.
Пример 1.
4
2
3
2
Реакцию Сузуки между 4-броманизолом (1 ммоль) и фенилбороновой кислотой (1.5 ммоль) проводили с использованием в качестве катализатора Au-Pd/MN100 (1.2 масс.%Pd)(концентрация палладия составила 0.54 мольн. %), синтезированного методом последовательной импрегнации предварительно измельченного сверхсшитого полистирола марки MN100 сначала раствором HAuCl в тетрагидрофуране, затем его восстановлением в токе водорода при 300°С в течение 180 минут, а затем его импрегнацией раствором PdCl(CHCN) в тетрагидрофуране при температуре от 20°С до 40°С с последующей обработкой водным раствором основания NaOH и восстановлением 0.1 М раствором боргидрида натрия на холоде (от 0 до 5°С).
2
3
2
Монометаллический катализатор Pd/MN100 (1.2 масс. % Pd) синтезировали методом импрегнации предварительно измельченного сверхсшитого полистирола марки MN100 раствором PdCl(CHCN) в тетрагидрофуране при температуре от 20°С до 40°С с последующей обработкой водным раствором основания NaOH и восстановлением 0.1 М раствором боргидрида натрия на холоде при температуре от 0°С до 5°С.
В термостатируемый реактор вносили 50 мг катализатора, 30 мл смеси этанол/вода при объемном соотношении 5:1, а также NaOH в количестве 1.5 ммоль. Нагревание реакционной смеси проводили в атмосфере азота при температуре 60°С. Продолжительность реакции составила 180 мин.
В таблице 1 и на фиг. 1 приведены данные зависимости конверсии 4-броманизола от времени при использовании катализаторов Au-Pd/MN100 и Pd/MN100 с содержанием Pd 1.2 масс. %.
На основании таблицы 1 и фиг. 1 можно сделать вывод, что при содержании Pd 1.2 масс. % нет существенных различий в активности моно- и биметаллического катализатора. Это связано с тем, что формируется слой палладия, который близок по характеристикам к сплошному металлическому палладию. Максимальная конверсия 4-броманизола (98%) достигается за время реакции 180 мин в случае использования катализатора Au-Pd/MN100.
Пример 2.
Пример осуществляли аналогично приведенному выше примеру, но содержание палладия в катализаторе Au-Pd/MN100 составило 0.7 масс. % (концентрация палладия составила 0.33 мольн. %), а в катализаторе Pd/MN100 - 0.8 масс. %, при этом масса катализатора составляла 50 мг во всех случаях.
В таблице 2 и на фиг. 2 приведены данные зависимости конверсии 4-броманизола от времени при использовании катализаторов Au-Pd/MN100 и Pd/MN100 с содержанием Pd 0.7 масс. % и 0.8 масс. %, соответственно.
Максимальная конверсия 4-броманизола (94%) достигается за время реакции 180 мин в случае использования катализатора Au-Pd/MN100. Согласно профилю линейного сканирования поперечного сечения биметаллических частиц (фиг. 3, а) в катализаторе Au-Pd/MN100 с содержанием Pd 0.7 масс. % образуются наночастицы со структурой ядро-оболочка, в которых сигнал палладия определяется на поверхности наночастиц, а сигнал золота - в ядре. При этом толщина слоя палладия составила 1-2 нм (фиг. 3, б), что соответствует приблизительно 5-ти монослоям атомов палладия. Данный факт объясняет различие в активности моно- и биметаллического катализаторов, которое связано с положительным влиянием золота.
Пример 3.
Пример осуществляли аналогично примеру 1, но содержание палладия в катализаторе Au-Pd/MN100 составило 0.4 масс. % (концентрация палладия составила 0.16 мольн. %), а в катализаторе Pd/MN100 - 0.5 масс. %, при этом масса катализатора составляла 50 мг во всех случаях.
В таблице 3 и на фиг. 4 приведены данные зависимости конверсии 4-броманизола от времени при использовании катализаторов Au-Pd/MN100 и Pd/MN100 с содержанием Pd 0.4 масс. % и 0.5 масс. %, соответственно.
Максимальная конверсия 4-броманизола (79%) достигается за время реакции 180 мин в случае использования катализатора Au-Pd/MN100 и является на 41% выше, чем при использовании катализатора Pd/MN100. Профиль линейного сканирования поперечного сечения биметаллических частиц (фиг. 3, а) показывает, что в катализаторе Au-Pd/MN100 с содержанием палладия 0.4 масс. % образуются наночастицы со структурой ядро-оболочка, в которых сигнал палладия определяется на поверхности наночастицы, а сигнал золота - в ядре. Было обнаружено, что толщина слоя палладия составляет менее 1 нм (фиг. 3, б), что соответствует приблизительно 2-3 монослоям атомов Pd. Данная толщина слоя палладия является оптимальной, что объясняет существенные различия в активности моно- и биметаллических образцов.
Представленные примеры выполнения заявляемого способа подтверждают, что предложенный способ получения 4-метоксибифенила реакцией Сузуки с использованием биметаллических Pd-содержащих катализаторов позволяет повысить технологичность и эффективность процесса получения 4-метоксибифенила.