Eredmények összefoglalása

A nitrogén tartalmú heterociklusos vegyületeket nem lehet könnyen hidrogénezni a gyûrûben lévõ másod- vagy harmadrendû nitrogén atomok katalizátort mérgezõ hatása miatt. A pirrol és származékai a legnehezebben telíthetõ heterociklusok közé tartoznak. A katalizátor mérgezõdése proton savak hozzáadásával általában kiküszöbölhetõ. Hidrogénezési reakcióikban a legaktívabb katalizátoroknak a platinafémek bizonyultak.

A 2-(N-metil-pirrol-2-il)-etanol katalitikus hidrogénezésekor egy fontos és értékes gyógyszeripari intermedier - a 2-(N-metil-pirrolidin-2-il)-etanol - keletkezik:

Ez a pirrol származék nagyon érzékeny már híg savak jelenlétére is, emiatt ezt a vegyületet az ismert módszerek használatával nem lehet hidrogénezni. Ezért kifejlesztettek egy új eljárást: a pirrol gyûrû telítése savmentes közegben is megvalósítható két, különbözõ polaritású oldószer (pl. n-hexán/metanol) és aktív szénhordozós palládium katalizátor alkalmazásával.

A munka során részletesen tanulmányoztam ennek a hidrogénezési reakciónak a paramétereit (katalizátorok, oldószerek, katalizátor/szubsztrát arány, hõmérséklet, nyomás), továbbá megvizsgáltam a semleges közegû hidrogénezési módszer alkalmazhatóságát három másik pirrol vegyület, a metil-(N-metil-pirrol-2-il-acetát), az N-metil-pirrol és a pirrol hidrogénezésében.

R¹ = - CH₃ , - H,

R² = - CH₂COOCH₃, - H.

A vizsgálatok fõ eredményei a következõk:

(1) A katalitikusan aktív fémek hatása

Megállapítottam, hogy csak az egymással közeli rokonságban lévõ könnyû platinafémek, úgymint a ruténium, a ródium és a palládium alkalmasak a pirrol gyûrû folyadékfázisú, savmentes közegû hidrogénezésére, míg a nehéz platinafémek közül a platina kevésbé, az iridium pedig egyáltalán nem megfelelõ. A legnagyobb aktivitásúnak - már alacsony hõmérsékleten (30 ° C) és kis nyomáson (6 bar) is - a Rh/C katalizátor bizonyult.

(2) A katalizátor mennyiségének hatása

Megállapítottam, hogy a hidrogénezések mindig csak egy bizonyos katalizátor/szubsztrát arány felett játszódnak le teljesen. Ez az arány a vizsgált reakciókban 0,03 és 0,2 között változik, attól függõen, hogy mi a hidrogénezendõ vegyület, a katalizátor aktív komponense, az oldószer; milyen hõmérsékleten és nyomáson hajtjuk végre a hidrogénezést.

(3) Szubsztituensek hatása

A pirrol gyûrû 2-es helyzetében lévõ szubsztituensek változtatásának hatására (2-hidroxi-etil ® metoxikarbonil-metil ® Æ ), a katalizátorok aktivitása nagy mértékben változott. E sorrendnek megfelelõen a ródium és a ruténium katalizátorok aktivitása növekedett, míg a palládiumé csökkent. Összehasonlítva az N-metil-pirrol és a pirrol hidrogénezését, megállapítható, hogy az N-szubsztitúció reakciósebesség növelõ hatása csak savmentes közeg alkalmazásakor érvényesül, savas közegben viszont gyakorlatilag nincs különbség a nitrogénen szubsztituált illetve szubsztituálatlan pirrolok hidrogénezhetõségében.

(4) Oldószerek hatása

Oldószer effektusok megjelenése valamennyi pirrolszármazék hidrogénezésében megfigyelhetõ, de a legnagyobb változásokat a palládium által katalizált reakciókban lehetett tapasztalni. A különbözõ oldószerek illetve oldószerpárok mind a reakciósebességet, mind a szelektivitást jelentõsen befolyásolták.

A munka során elért eredmények azt igazolták, hogy az eddig nehezen hidrogénezhetõnek tartott pirrolszármazékokat enyhe reakciókörülmények között is (100 ° C alatti hõmérséklet, 5-6 bar hidrogénnyomás) jó szelektivitással és konverzióval lehet telíteni, azaz megfelelõen kiválasztott reakcióparaméterekkel (katalizátor aktív komponense, oldószer, katalizátor/szubsztrát arány) jó eredményekkel végrehajthatók ezek a hidrogénezések. Korábban egyik általam vizsgált pirrol, illetve pirrolszármazék folyadékfázisú katalitikus hidrogénezését sem írták le a szakirodalomban ezekkel a hordozós nemesfém katalizátorokkal, így eredményeim számos új lehetõséget nyújtanak a pirrol és származékainak savmentes közegû telítésére.

The nitrogen containing heterocycles cannot be easily saturated, due to poisoning the metal catalysts by secondary or tertiary N. Pyrrole and its derivatives are among the more difficult heterocyclic compounds to saturate. Poisoning can be eliminated by adding protic acid to the reaction mixture. In these hydrogenations the platinum metals proved to be the most active catalysts.

The heterogeneous catalytic hydrogenation of 1-methyl-2-pyrroleethanol results in 1-methyl-2-pyrrolidineethanol, an important and valuable pharmaceutical intermediate. This pyrrole derivative is very sensitive to acids, so it cannot be hydrogenated by using common methods. Therefore a new method has been developed: saturation of the pyrrole ring can be carried out in non-acidic medium, applying the mixture of two solvents with different polarity (e.g. n-hexane/ methanol) and carbon supported palladium catalyst. This hydrogenation is part of a newly developed and industrially feasible synthesis.

During my PhD-work, the parameters of this hydrogenation (catalysts, solvents, catalyst/ substrate ratio, temperature, pressure) were investigated in detail, furthermore, the application of the new hydrogenation method with non-acidic medium was studied in the saturation of other three pyrrole compounds, such as methyl 1-methyl-2-pyrrole-acetate, 1-methyl-pyrrole and pyrrole. (See figures in the Hungarian text.)

The main results are the following:

(i) effect of catalytic metals

I have stated that only the closely related light platinum metals, such as rhodium, ruthenium and palladium are sufficient in the saturation of the pyrrole ring in non-acidic medium, while platinum and iridium are not suitable for these hydrogenations. The highest activity was provided by a rhodium on carbon catalyst already at low temperature (30 ° C) and pressure (6 bars).

(ii) effect of the amount of the catalyst

I have stated that there are catalyst/substrate ratio limits in these hydrogenations, below which the reactions cannot take place completely. The values of these ratio limits range from 0.03 to 0.2, and they are dependent on the substrate, the catalytic metal, the solvent, the temperature and the pressure.

(iii) effect of substituents

According to changing of the substituents (2-hydroxyethyl ® methoxycarbonyl-methyl ® Ø), which are in the position ´2´ of the pyrrole ring, the activity of rhodium and ruthenium catalysts increased significantly, while that of palladium decreased. Comparing the hydrogenation of 1-methylpyrrole with that of pyrrole, it can be stated that the N-substitution increases the reaction rate only in non-acidic medium, but the N-methyl group has no effect on the hydrogenation of pyrroles in acidic medium.

(iv) effect of solvents

Appearing of solvent effects can be observed in the hydrogenation of all pyrrole derivatives, but the strongest changes were in the palladium catalyzed hydrogenations. Both reaction rate and selectivity were significantly influenced by different solvents or solvent mixtures.

These results verify that pyrroles, which are considered to be difficult to hydrogenate, can also be saturated with good selectivity and conversion under mild reaction conditions (below 100 ° C temperature and at 5-6 bars pressure), i.e. these hydrogenations can be carried out with reaction parameters chosen appropriately (catalytic metal, solvent, catalyst/ substrate ratio) to give good results. The hydrogenations of pyrrole derivatives investigated by us have never been described over these supported noble metals catalysts, so our results provide many new opportunities in the saturation of pyrrole and its derivatives with non-acidic medium. 

Publications 

1.L. Hegedûs, T. Máthé, A. Tungler: Hydrogenation of pyrrole derivatives. I. Hydrogenations over palladium

Appl. Catal. A, 143 (1996) 309.

 2.L. Hegedûs, T. Máthé, A. Tungler: Hydrogenation of pyrrole derivatives. II. Hydrogenations over supported noble metal catalysts Appl. Catal. A, 147 (1996) 407.

 3.L. Hegedûs, T. Máthé, A. Tungler: Hydrogenation of pyrrole derivatives. III. Hydrogenation of methyl 1-methyl-2-pyrrole-acetate Appl. Catal. A, 153 (1997) 133.

 4.L. Hegedûs, T. Máthé, A. Tungler: Hydrogenation of pyrrole derivatives. IV. Hydrogenation of 1-methylpyrrole Appl. Catal. A, 152 (1997) 143.