Types of Catalysts and Reactions
The catalytic reactions of interest in organic synthesis can conveniently be divided into five categories: solid-acid catalysis, solid-base catalysis, catalytic hydrogena¬tion and dehydrogenation, catalytic oxidation, and catalytic C-C bond formation.
1.5.1 Solid-Acid Catalysis
As mentioned earlier a major source of waste derives from the use of mineral and Lewis acids which cannot be readily recovered and recycled. Widespread replace¬ment by recyclable solids would obviate the need for hydrolytic work-up and afford a dramatic reduction in waste. Moreover, solid acids are less corrosive and easier (safer) to handle than mineral acids such as H2S04 and HE
A wide variety of solid-acid catalysts is available [17]: acidic clays, zeolites, silica-occluded heteropoly acids, sulfonated polysiloxanes, Nafion (a sulfonated perfluoroalkyl resin) and Nafiou-silica composites, and a variety of hybrid sulfonated mesoporous systems (see Chapter 3).
These solid-acid catalysts are, in principle, applicable to a plethora of acid¬catalyzed processes in organic synthesis [18]. These include various electrophilic aromatic substitutions, e.g. nitrations, halogenations, and Friedel-Crafts alkyl a¬tions and acylations, and numerous rearrangement reactions such as the Beckmann and Fries rearrangements. Other examples include a variety of cyclization reactions such as Diels-Alder reactions and the synthesis of pyridines and other heterocycles.
1.5.2 Solid-Base Catalysis
The use of solid bases as catalysts in organic synthesis is less well-developed than solid-acid catalysis but is becoming increasingly popular [18]. For example, hydrotalcite anionic clays [19] and mesoporous silicas modified by surface attachment of organic bases [20] are effective and recyclable catalysts for aldol, Knoevenagel, and related condensations that are widely used in fine chemical synthesis
1.5.3 Catalytic Hydrogenation
Catalytic hydrogenation over supported noble metal catalysts has a longstanding tradition, dating back to its discovery by Sabatier, of application in organic synthesis [21,22]. A wide variety of functional groups are efficiently hydrogenated, often with high chemo-, regio-, and stereoselectivity. Occasionally surface modi¬fication of supported noble metal catalysts with chiral additives can also afford high enantioselectivity [23]. Alternatively, a variety of methods is available for immobilization of chiral metal complexes on organic or inorganic supports to produce solid catalysts for enantioselective hydrogenation [24]. New developments continue to appear, e. g. the direct hydrogenation of carboxylic acids to the corresponding aldehydes [25].
1.5.4 Catalytic Oxidations
Selective oxidations, e.g. alcohol oxidations and olefin epoxidations, are pivotal transformations in organic synthesis [26]. Many of these transformations are currently performed, both on laboratory and industrial scale, by use of stoichiometric inorganic oxidants, e.g. chromium(VI) reagents. There is an urgent need, there¬fore, for catalytic methods that employ O2 or H202 as the primary oxidant and are effective with a broad range of substrates. Here again, heterogeneous catalysts have the added benefits, compared with their homogeneous counterparts, of ease of recovery and recycling and amenability to continuous processing. Site-isolation of transition metal centers in a solid (inorganic) matrix can, furthermore, afford catalysts with unique activity because oligomerization of active monomeric oxometal (M=O) or related species to inactive u-oxo complexes is precluded [27].
Various strategies can be envisaged for the immobilization of redox-active elements in a solid matrix [27,28]. Mixed oxides, e.g. the Ti02-Si02 epoxidation catalyst, can be prepared by impregnation techniques or by the sol-gel method [29]. The latter is analogous to the hydrothermal synthesis of zeolites and related molecular sieves (see later). Redox metal ions can be incorporated into acidic clays or zeolites by ion exchange, and oxoanions can be similarly exchanged into hydrotalcite-like anionic clays [30].
Alternatively, redox metal ions can be incorporated into framework positions of zeolites and related molecular sieves by hydrothermal synthesis or post-synthesis modifications [15]. A suitable choice of molecular sieve, with an appropriate pore size and hydrophobicity, enables one to influence which molecules can readily access the active site on the basis of their dimensions and/or their hydrophobic or hydrophilic properties [15]. Such materials bear a resemblance to redox enzymes in which the protein mantle plays an analogous role and, for this reason, these redox molecular sieves have been referred to as mineral enzymes [31]. The prototype, titanium(IV) silicalite (TS-l), discovered by Enichem scientists in the mid-eighties, is a benchmark in heterogeneous catalysis of liquid phase oxidations [32]. TS-l catalyzes a variety of synthetically useful oxidations with 30 % aqueous hydrogen peroxide. The success of TS-l led to a flourish of activity world-wide, which still continues today, on the development of redox molecular sieve catalysts for selective oxidations in the liquid phase.
Redox metal centers can also be grafted on to the surface of silica, or on to the internal surface of a molecular sieve, by ligand displacement with pendant silanol groups [33]. Alternatively metal complexes can be tethered to silica or the internal surface of a molecular sieve via a spacer that is attached to the surface. This approach is analogous to the tethering of organic bases to solid surfaces referred to earlier. Metal complexes can also be attached to oxidatively stable organic polymers such as polybenzimidazole [34].
In yet another approach metal complexes are encapsulated in zeolite cages to give so-called 'ship-in-a-bottle' complexes [35] or, alternatively, in polydirnethyl¬siloxane membranes [36].
Finally, supported noble metals widely used as hydrogenation catalysts can be used to catalyze the reverse reaction-oxidative dehydrogenation-in the presence of oxygen. This is applied, for example, in the oxidative dehydrogenation of alcohols and carbohydrates (see Sections 9.2 and 9.3).
1.5.5 Catalytic C-C Bond Formation
The generation of new C-C bonds also occupies a prominent position in organic synthesis. This often involves condensation of carbonyl compounds referred to earlier in the context of solid-base catalysis (Section 1.5.2). There are, however, also many C-C bond-forming reactions that involve transition metal catalysis and some of these can be conveniently performed with heterogeneous catalysts, e. g. olefin metathesis (Section 10.2) and Heck and related couplings (Section 10.3). Moreover, tethering of organometallic complexes to a silica surface or to the internal surface of a mesoporous host can, in principle, be used to design heterogeneous catalysts for a variety of C-C bond-forming reactions [16].
أنواع الحوافز وردود الفعل
الحفاز ردود الفعل التي تهم العضويه في توليف مريحه يمكن ان تقسم الى خمس فئات : - حامض حفز الصلبه ، القاعده الصلبه حفز ، الحفاز hydrogena ¬ نشوئها وdehydrogenation ، الاكسده الحفزيه ، وحافز ج ج تشكيل السندات.
1.5.1 - حمض حفز الصلبه
وكما ذكر في وقت سابق مصدرا رئيسيا من مصادر النفايات مستمد من استخدام الاحماض المعدنية لويس والتي لا يمكن استردادها واعادة تدويرها بسهولة. على نطاق واسع من قبل ر ¬ تحل محل المواد الصلبه لاعادة التدوير من شأنه ان يغني عن الحاجة للعمل متحلل بالماء وتحمل ما يصل الى انخفاض كبير في النفايات. وعلاوة على ذلك ، الصلبه اقل الاحماض الاكاله واسهل (أكثر أمنا) للتعامل مع من الاحماض المعدنية مثل h2s04 وقال انه
مجموعة واسعة من المواد الحفازه الصلبه حمض متاح [17] : الحمضيه الطين ، zeolites ، السيليكا - مغلق heteropoly الاحماض ، sulfonated polysiloxanes ، nafion (أ sulfonated perfluoroalkyl الراتنج) وnafiou - مركبات السيليكا ، ومجموعة متنوعة من نظم هجينة sulfonated mesoporous) انظر الفصل 3).
هذه العوامل الحفازه حمض الصلبه هي ، من حيث المبدأ ، ينطبق على العديد من الاحماض ¬ العضويه في حفز عمليات التجميع [18]. وتشمل هذه electrophilic العطريه بدائل مختلفة ، على سبيل المثال nitrations ، halogenations ، والحرف الكيل friedel - أ ¬ acylations والتي ستعقد ، واعادة ترتيب العديد من ردود الفعل مثل بيكمان يقلى واعادة التنظيم. هناك أمثلة أخرى تشمل مجموعة متنوعة من مثل ردود الفعل cyclization diels - الالدر ردود الفعل وتجميع pyridines وغيرها من heterocycles.
1.5.2 - قاعدة صلبة حفز
استخدام أسس متينه كعوامل حفازه العضويه في التوليف اقل متطوره من حمض حفز الصلبه ولكنه يزداد شعبية [18]. فعلى سبيل المثال ، hydrotalcite انيوني الطين [19] وmesoporous السيليكا المعدلة سطح ملحق قواعد العضويه [20] فعالة لتنشيط واعادة تدويرها aldol ، knoevenagel ، وما يتصل بذلك من التكثيف التي تستخدم على نطاق واسع في الكيمياويه الدقيقة توليف
1.5.3 حفاز هدرجه
هدرجه الحفاز اكثر من يؤيد النبيلة حفازه معدنيه قد طال امدها التقليد ، الذي يعود تاريخه الى اكتشاف sabatier ، للتطبيق في العضويه توليف [21،22]. مجموعة واسعة من المجموعات الوظيفيه بكفاءه مهدرج ، وكثيرا ما تكون عاليه - chemo ، Regio - ، وstereoselectivity. السطح احيانا اساليب ¬ fication بدعم من المعدن النبيل مع المواد الحفازه chiral المضافه العالية ويمكن ايضا ان يتيح enantioselectivity [23]. وبدلا من ذلك ، مجموعة متنوعة من وسائل متاحة لتجميد chiral المعدنية المجمعات على العضويه او غير العضويه لانتاج الصلب وتؤيد حفازه لenantioselective الهدرجه [24]. التطورات الجديدة لا تزال تظهر ، E. غ. الهدرجه المباشره من الاحماض يحتوي على مجموعة الكربوكسيل إلى ما يقابلها من aldehydes [25].
1.5.4 حفاز الاكسده
انتقاءيه الاكسده ، e.g. الاكسده والكحول اولفين epoxidations ، تقوم بدور محوري في التحولات العضويه توليف [26]. وكثير من هذه التحولات في الوقت الراهن ادائها ، سواء على النطاق الصناعي والمختبر ، عن طريق استخدام متعلق بحساب العناصر المتفاعله للتأكسد غير العضويه ، على سبيل المثال الكروم (السادس) والكواشف. وهناك حاجة ملحة ، وهناك ¬ الصدارة ، والحافز للاساليب التي توظف O2 او h202 بوصفه الاداه الرئيسية المؤكسد وفعالة مع طائفة واسعة من ركائز. هنا ، مرة اخرى ، غير متجانسه قد حفازه من فوائد اضافية ، بالمقارنة مع نظرائهم متجانسه ، من سهولة الاستعاده واعادة التدوير والمطاوعة لتجهيز مستمر. الموقع - الانتقال من العزله في مراكز المعدنية الصلبه (غير العضويه) مصفوفه يمكن ، علاوة على ذلك ، مع تحمل محفزات فريدة من نوعها لان النشاط oligomerization النشطه مركب بسيط oxometal (م = س) أو ما يتصل بذلك من الانواع غير نشطة لش - oxo مجمعات تستبعد [27].
مختلف الاستراتيجيات التي يمكن توخيها للتأكسد - تجميد العناصر النشطه في مصفوفه صلبة [27،28]. اكاسيد المختلطه ، e.g. وقد ti02 - si02 epoxidation محفز ، يمكن ان تكون التقنيات التي اعدتها الاشباع او من جانب سول - هلام طريقة [29]. هذه الأخيرة هي مشابهة لتجميع zeolites الحراريه الماءيه والمناخل الجزيءيه ذات الصلة (انظر لاحقا). تأكسد ايونات المعادن يمكن ادراجها في الطين حمضيه او عن طريق التبادل الأيوني zeolites ، وبالمثل يمكن ان تكون oxoanions الى تبادل hydrotalcite - مثل الطين انيوني [30].
وبدلا من ذلك ، تأكسد ايونات المعادن يمكن ادراجها في اطار من المواقف ذات الصلة zeolites والمناخل الجزيءيه الحراريه الماءيه من خلال التوليف او بعد ادخال تعديلات توليف [15]. مناسبة اختيار المنخل الجزيئي ، مع مناسب حجم المسام وhydrophobicity ، تمكن واحد للتأثير على الجزيئات التي يمكن بسهولة الوصول الى الموقع النشط على اساس ابعادها و / أو مصاب بفوبيا الماء قابل للاتحاد مع الماء او الممتلكات [15]. مثل هذه المواد تحمل تشابه الى تأكسد الانزيمات في عباءه البروتين الذي يلعب دور مماثل ، ولهذا السبب ، فان هذه تأكسد المناخل الجزيءيه كان يشار اليها المعدنية والانزيمات [31]. النموذج التيتانيوم (الرابع) silicalite (الملخص الفني - ل) ، اكتشف العلماء enichem في منتصف الثمانينات ، هي المعيار في حفز غير متجانسه من المرحلة الساءله الاكسده [32]. - الملخص الفني ل يحفز مجموعة متنوعة من المفيد بشكل صناعى الاكسده الماءيه مع 30 ٪ فوق أكسيد الهيدروجين. نجاح - الملخص الفني ل ادى الى ازدهار النشاط في جميع أنحاء العالم ، التي لا تزال مستمرة اليوم ، على وضع المنخل الجزيئي للتأكسد حفازه لاكسده انتقاءيه في المرحلة الساءله.
تأكسد معدن مراكز ويمكن ايضا على grafted الى السطح من السيليكا ، او على السطح الداخلي لمن المنخل الجزيئي ، والتشريد من قبل ligand مع المعلق silanol المجموعات [33]. وبدلا من المعدن يمكن ان تكون مجمعات tethered الى السيليكا او الداخلية سطح المنخل الجزيئي عبر الفاصل هو ان تعلق على السطح. وهذا النهج مشابهة لربط قواعد العضويه لالاسطح الصلبه المشار اليها سابقا. مجمعات المعادن ويمكن ايضا ان يعلق على العضويه مستقرة بصورة مءكسده مثل البوليمرات polybenzimidazole [34].
وهناك نهج آخر في المجمعات معدنيه مغلفة الزيوليت في اقفاص لاعطاء ما يسمى ب 'السفينة - - أ - في زجاجة' مجمعات [35] او بدلا من ذلك ، في polydirnethyl ¬ siloxane الاغشيه [36].
واخيرا ، ايد النبيلة المعادن المستخدمة على نطاق واسع كما هدرجه حفازه يمكن استخدامها لتحفيز رد الفعل العكسي - عنصر مؤكسد dehydrogenation - في وجود الاوكسجين. وهذا ينطبق ، على سبيل المثال ، في عنصر مؤكسد dehydrogenation من الكحول والكربوهيدرات (انظر الاقسام 9،2 و 9.3).
1.5.5 حفاز ج ج - تشكيل السندات
توليد نسخة جديدة من السندات كما تحتل مكانة بارزة في التوليف العضويه. وكثيرا ما ينطوي هذا التكثيف للcarbonyl المركبات المشار إليها من قبل في سياق قاعدة صلبة - حفز (القسم 1.5.2). ومع ذلك ، هناك ايضا العديد من السندات ج ج - تشكيل لردود الفعل التي تنطوي على حفز الانتقال المعادن وبعض هذه يمكن ان تكون مريحه تؤدي العوامل الحفازه غير متجانسه ، E. غ. اولفين metathesis (قسم 10.2) وهيك والازدواج ذات الصلة (القسم 10.3). وعلاوة على ذلك ، ربط مجمعات العضويه من السيليكا الى السطح او على السطح الداخلي للmesoporous المضيفه يمكن ، من حيث المبدأ ، ان تستخدم لتصميم متجانسه حفازه لمجموعة متنوعة من السندات ج ج - تشكيل لردود الفعل [16].