Процесс Вакера или процесс Хехста-Вакера (названный в честь одноименных химических компаний) относится к окислению этилена до ацетальдегида в присутствии хлорида палладия (II) и хлорида меди (II) в качестве катализатора . [1] Эта химическая реакция была одной из первых гомогенных катализов с палладийорганической химией, примененных в промышленном масштабе. [2]
О реакции Вакера впервые сообщили Смидт и др. [3] [4] [5]
Разработка химического процесса, теперь известного как процесс Вакера, началась в 1956 году в компании Wacker Chemie . [6] В то время многие промышленные соединения производились из ацетилена , полученного из карбида кальция , — дорогой и экологически небезопасной технологии. Строительство нового нефтеперерабатывающего завода в Кельне компанией Esso недалеко от завода Wacker в сочетании с осознанием того, что этилен будет более дешевым сырьем, побудило Wacker изучить его потенциальное использование. В рамках последующих исследовательских усилий реакция этилена и кислорода с палладием на углероде в поисках оксида этилена неожиданно дала доказательства образования ацетальдегида (просто на основании запаха). Дальнейшие исследования превращения этилена в ацетальдегид привели к появлению в 1957 году патента, описывающего газофазную реакцию с использованием гетерогенного катализатора. [7] Тем временем компания Hoechst AG присоединилась к гонке и после подачи заявки на патент вынудила компанию Wacker создать партнерство под названием Aldehyd GmbH . Гетерогенный процесс в конечном итоге потерпел неудачу из-за инактивации катализатора и был заменен гомогенной системой на водной основе, для которой в 1958 году заработала пилотная установка. Проблемы с агрессивным раствором катализатора были решены за счет использования титана (вновь доступного для промышленного использования) в качестве конструкционного материала. для реакторов и насосов. Производственные мощности вступили в строй в 1960 году.
Механизм реакции промышленного процесса Вакера (окисление олефинов хлоридом палладия (II)) привлекал значительное внимание в течение нескольких десятилетий. Аспекты механизма до сих пор обсуждаются. Современная формулировка описана ниже:
О начальной стехиометрической реакции впервые сообщил Филлипс. [9] [10] Конечную реакцию можно также описать следующим образом:
За этим преобразованием следуют реакции, регенерирующие катализатор Pd(II):
Расходуются только алкен и кислород. Без хлорида меди (II) в качестве окислителя металлический Pd (0) (образующийся в результате отщепления Pd (II) бета-гидридом на последней стадии) выпадал бы в осадок, останавливая реакцию после одного цикла. Эта стехиометрическая реакция была открыта в 1894 году. Воздух, чистый кислород или ряд других реагентов могут затем окислить полученную смесь CuCl -хлорид обратно до CuCl 2 , позволяя циклу продолжаться.
Ранние механистические исследования 1960-х годов выявили несколько ключевых моментов: [11] [8]
Многие механистические исследования процесса Вакера были сосредоточены на пути образования связи CO - стадии гидроксипалладирования . Генри предположил, что скоординированный гидроксид атакует этиленовый лиганд по внутреннему (син-) пути. [12] Позже стереохимические исследования Стилле и его коллег [13] [14] [15] подтвердили путь антиприсоединения, при котором свободный гидроксид атакует этиленовый лиганд. Условия экспериментов Стилле существенно отличаются от условий промышленных процессов. Другие исследования с использованием обычных промышленных условий Вакера (за исключением высоких концентраций хлорида и хлорида меди) также дали продукты, из которых можно сделать вывод, что нуклеофильная атака является реакцией антиприсоединения. [16]
Для изучения механизмов реакции проведены кинетические исследования изотопозамещенных аллиловых спиртов в стандартных промышленных условиях (при низких концентрациях хлоридов). [17] [18] Эти результаты показали, что нуклеофильная атака является медленным процессом, в то время как предложенные механизмы, объясняющие более ранние стереохимические исследования, предполагали, что нуклеофильная атака является быстрым процессом.
Последующие стереохимические исследования показали, что происходят оба пути и они зависят от концентрации хлоридов. [19] [20] Однако эти исследования также оспариваются, поскольку аллиловые спирты могут быть чувствительны к реакциям изомеризации, и в результате этих реакций могут образовываться различные стереоизомеры, а не в результате стандартного процесса Вакера.
Таким образом, экспериментальные данные, по-видимому, подтверждают, что син-присоединение происходит при низких реакционных концентрациях хлоридов (< 1 моль / л , условия промышленного процесса), тогда как антиприсоединение происходит при высоких реакционных концентрациях хлоридов (> 3 моль/л), вероятно. из-за ионов хлорида, насыщающих катализатор и ингибирующих внутрисферный механизм. Однако точный путь и причина такого переключения путей до сих пор неизвестны.
Еще больше усложняют механизм процесса Вакера вопросы о роли хлорида меди. Большинство теорий предполагали, что медь не играет роли в механизмах окисления олефинов. Тем не менее, эксперименты Штангля и Джиры [21] показали, что образование хлоргидрина зависит от концентрации хлорида меди. Работа Хосокавы и его коллег [22] позволила получить кристаллизованный продукт, содержащий хлорид меди, что указывает на то, что он может играть невинную роль в окислении олефинов. Наконец, исследование ab initio, проведенное Comas-Vives и соавт. [23] без использования медного сокатализатора обнаружили, что предпочтительным путем является антиприсоединение. Позже этот путь был подтвержден экспериментами Андерсона и Сигмана без меди. [24] Другой закон кинетической скорости без протонной зависимости был обнаружен в условиях без меди, что указывает на возможность того, что даже небольшие количества медных сокатализаторов могут играть невинную роль в этой химии. Хотя эти работы усложняют картину механизма процесса Вакера, вероятно, следует сделать вывод, что этот и связанные с ним химические процессы могут быть чувствительны к условиям реакции, и может действовать множество различных путей реакции.
Еще одним ключевым этапом процесса Вакера является миграция водорода из кислорода в хлорид и образование двойной связи CO. Обычно считается, что этот этап происходит через так называемое отщепление β-гидрида с циклическим четырехчленным переходным состоянием :
Исследования in silico [25] [26] [27] утверждают, что переходное состояние для этой стадии реакции является неблагоприятным и действует альтернативный механизм реакции восстановительного элиминирования . Предложенным стадиям реакции, вероятно, способствуют молекулы воды в растворе, действующие как катализатор.
Промышленно используются два маршрута производства ацетальдегида: одностадийный и двухстадийный.
Этен и кислород пропускаются одновременно в реакционной башне при температуре около 130 °C и давлении 400 кПа. [28] Катализатор представляет собой водный раствор PdCl 2 и CuCl 2 . Ацетальдегид очищают экстрактивной перегонкой с последующей фракционной перегонкой . Экстрактивная дистилляция с водой удаляет легкие фракции, имеющие более низкую температуру кипения, чем ацетальдегид ( хлорметан , хлорэтан и диоксид углерода ) вверху, в то время как вода и побочные продукты с более высокой температурой кипения, такие как уксусная кислота , кротоновый альдегид или хлорированные ацетальдегиды, удаляются вместе с ацетальдегидом. внизу. [28] Из-за коррозионного характера катализатора реактор облицован кислотостойким керамическим материалом, а трубки изготовлены из титана .
В двухстадийном процессе реакция и окисление проводятся раздельно в трубчатых реакторах. В отличие от одностадийного процесса, вместо кислорода можно использовать воздух. Этилен пропускают через реактор вместе с катализатором при температуре 105–110 °С и давлении 900–1000 кПа. [28] Раствор катализатора, содержащий ацетальдегид, отделяют мгновенной перегонкой . Катализатор окисляется в реакторе окисления при давлении 1000 кПа с использованием воздуха в качестве окислительной среды. Раствор окисленного катализатора отделяют и направляют обратно в реактор. Кислород из воздуха полностью расходуется, а отработанный воздух циркулирует в виде инертного газа. Смесь ацетальдегида и водяного пара предварительно концентрируется до 60–90% ацетальдегида за счет использования тепла реакции, а сброшенная вода возвращается в испарительную колонну для поддержания концентрации катализатора. Далее следует двухстадийная перегонка сырого ацетальдегида. На первой стадии отделяются низкокипящие вещества, такие как хлорметан , хлорэтан и диоксид углерода . На второй стадии удаляют воду и высококипящие побочные продукты, такие как хлорированные ацетальдегиды и уксусная кислота , и получают ацетальдегид в чистой форме. [28] Из-за коррозионной природы катализатора оборудование, контактирующее с ним, покрыто титаном .
Как в одностадийном, так и в двухстадийном процессах выход ацетальдегида составляет около 95% [28] , а себестоимость производства практически одинакова. Преимущество использования разбавленных газов в двухэтапном методе компенсируется более высокими инвестиционными затратами. Оба метода дают в качестве побочных продуктов хлорированные углеводороды, хлорированные ацетальдегиды и уксусную кислоту. Как правило, выбор метода определяется сырьем и энергетической ситуацией, а также наличием кислорода по разумной цене. В общем, 100 частей этена дают:
и другие второстепенные побочные продукты
Появление процесса Вакера стимулировало множество исследований полезности и применимости реакций для более сложных концевых олефинов. Окисление Цуджи -Вакера представляет собой катализируемое палладием (II) превращение таких олефинов в карбонильные соединения. Клемент и Сельвиц [29] были первыми, кто обнаружил, что использование водного ДМФ в качестве растворителя позволяет окислить 1-додецен до 2-додеканона, что решает проблему нерастворимости олефинов более высокого порядка в воде. Фэи [30] отметил, что использование 3-метилсульфолана вместо ДМФ в качестве растворителя увеличивает выход окисления 3,3-диметилбут-1-ена. Два года спустя Цудзи [31] применил условия Сельвица для селективного окисления концевых олефинов с множеством функциональных групп и продемонстрировал их применимость в синтезе сложных субстратов. [32] Дальнейшее развитие реакции привело к созданию различных каталитических систем для обеспечения селективности реакции, а также к введению межмолекулярного и внутримолекулярного окисления с неводными нуклеофилами.
Окисление Цуджи-Вакера окисляет концевой олефин до соответствующего метилкетона в условиях процесса Вакера. Предложенный каталитический цикл [33] (рис. 1) почти идентичен процессу Вакера и начинается с комплексообразования PdCl 2 и двух хлорид-анионов с образованием PdCl 4 , который затем подвергается последующему лигандному обмену двух хлоридных лигандов на воду и алкен с образованием Pd. (Cl 2 )(H 2 O)(алкен) комплекс. Затем молекула воды региоселективно атакует олефин по внешнесферному механизму по Марковникову с образованием более термодинамически стабильного комплекса Pd(Cl 2 )(OH)(-CH 2 -CHOH-R). Диссоциация хлоридного лиганда на трехкоординационный комплекс палладия способствует удалению β-гидрида, затем последующее мигрирующее внедрение 1,2-гидрида приводит к образованию комплекса Pd(Cl 2 )(OH)(-CHOHR-CH 3 ). При этом происходит отщепление β-гидрида с высвобождением кетона, а последующее восстановительное отщепление приводит к образованию HCl, воды и палладия(0). Наконец, палладий(0) повторно окисляется до PdCl 2 двумя эквивалентами Cu(II)Cl 2 , который, в свою очередь, может быть повторно окислен O 2 .
Окисление концевых олефинов обычно дает продукт кетона Марковникова, однако в случаях, когда субстрат предпочитает альдегид (обсуждается ниже), для усиления региоселективности Марковникова можно использовать другие лиганды. Использование спартеина в качестве лиганда (рис. 2, А) [34] способствует нуклеопалладации по концевому углероду, чтобы минимизировать стерическое взаимодействие между комплексом палладия и субстратом. Палладиевый катализатор, лигированный Quinox, используется для содействия образованию кетонов, когда субстрат содержит направляющую группу (рис. 2, Б). [35] Когда такой субстрат связывается с Pd(Quinox)(OOtBu), этот комплекс является координационно насыщенным, что предотвращает связывание направляющей группы и приводит к образованию продукта Марковникова. Эффективность этого лиганда также объясняется его электронными свойствами, при которых анионный TBHP предпочитает связывать транс с оксазолином, а олефин координирует транс с хинолином. [36]
Селективность антимарковниковского присоединения к альдегиду может быть достигнута за счет использования присущей субстрату стереоэлектроники . [37] Размещение направляющей группы в гомо-аллильном (т.е. Рис. 3, А) [38] и аллильном положении (т.е. Рис. 3, В) [39] на концевом олефине благоприятствует образованию антимарковниковского альдегидного продукта, что предполагает, что в В каталитическом цикле направляющая группа хелатируется с комплексом палладия, так что вода атакует антимарковниковский углерод, образуя более термодинамически стабильный палладицикл. Антимарковниковская селективность также наблюдается в стиренильных субстратах (т.е. Рисунок 3, C), [40] предположительно через комплекс η 4 -палладий-стирол после того, как вода атакует антимарковниковцев. Дополнительные примеры контролируемого субстратом антимарковниковского окисления олефинов по Цуджи-Вакеру приведены в обзорах Намбутири, [41] , Феринга, [37] и Мюзарта. [42]
Граббс и его коллеги проложили путь к антимарковниковскому окислению стереоэлектронно несмещенных концевых олефинов за счет использования системы палладий-нитрит (рис. 2, D). [43] В его системе концевой олефин окислялся до альдегида с высокой селективностью по пути каталитического контроля. Механизм изучается, однако данные [41] предполагают, что он происходит через присоединение нитритного радикала к концевому углероду с образованием более термодинамически стабильного вторичного радикала. Граббс расширил эту методологию на более сложные и объективные олефины. [44] [45]
Межмолекулярное окисление олефинов спиртами в качестве нуклеофила обычно приводит к образованию кеталей , тогда как катализируемое палладием окисление олефинов карбоновыми кислотами в качестве нуклеофила приводит к образованию виниловых или аллильных карбоксилатов . В случае диолов их реакции с алкенами обычно приводят к образованию кеталей, тогда как реакции олефинов, несущих электроноакцепторные группы, имеют тенденцию образовывать ацетали . [46]
Катализируемое палладием межмолекулярное окисление диенов карбоновыми кислотами и спиртами в качестве доноров дает продукты 1,4-присоединения . В случае циклогексадиена (рис. 4, А) Баквалл обнаружил, что стереохимический результат продукта зависит от концентрации LiCl. [47] Эта реакция протекает сначала с образованием комплекса Pd(OAc)(бензохинон)(аллил) посредством антинуклеопалладирования диена ацетатом в качестве нуклеофила. Отсутствие LiCl вызывает восстановительное элиминирование внутренней сферы с образованием трансацетатной стереохимии с образованием транс-1,4-аддукта. Присутствие LiCl замещает ацетат хлоридом из-за его более высокого сродства к связыванию, что заставляет ацетат внешней сферы атаковать палладий и обеспечивает стереохимию цис-ацетата с образованием цис-1,4-аддукта. Внутримолекулярная окислительная циклизация: 2-(2-циклогексенил)фенол циклизуется до соответствующего дигидробензофурана (рис. 4, Б); [48] 1-циклогексадиен-уксусная кислота в присутствии уксусной кислоты циклизуется до соответствующего аддукта лактон-ацетат 1,4 (рис. 4, C), [49] с цис- и транс- селективностью, контролируемой присутствием LiCl.
Окислительное аминирование олефинов обычно проводят с помощью амидов или имидов ; Считается, что амины протонируются кислой средой или слишком прочно связывают металлический центр, чтобы обеспечить возможность каталитического химического процесса. [46] Установлено, что эти азотистые нуклеофилы компетентны как в межмолекулярных, так и в внутримолекулярных реакциях, некоторые примеры изображены (рис. 5, A, [50] B [51] ).
{{cite book}}
: CS1 maint: местоположение ( ссылка )