I. Elõzmények és célkitûzés

Az elektrofil katalizátorok hatására lejátszódó kémiai átalakulások mind a szerves kémiai kutatás, mind az ipari folyamatok (alkilezés, dehidratálás, éterképzõdés, izomerizáció, polimerizáció) szempontjából jelentõsek. A hagyományosan használt katalizátorok (pl. cc. H₂SO₄, AlCl₃) helyett az utóbbi évtizedben új, nagy aktivitású, szelektív és környezetvédelmi szempontból könnyebben kezelhetõ szilárd anyagok, vagyis heterogén katalizátorok (szupersavas mûgyanták, zeolitok, rétegszilikátok) felhasználása került elõtérbe.

Ebbe a tendenciába illeszkedik a heteropolisavak, mint hatékony, többfunkciós katalizátorok alkalmazása is. Elõnyös tulajdonságaik következtében a heteropolisavak és sóik az utóbbi két évtizedben mind elméleti, mind gyakorlati szempontból jelentõs vegyületekké váltak. Erõsen savas tulajdonságuknak megfelelõen sok savkatalizált átalakulásban (pl. alkének hidratálása és alkoholízise, észteresítés, Friedel–Crafts-alkilezés és -acilezés) használhatók elektrofil katalizátorként. Emellett oxidációs reakciókban történõ felhasználási lehetõségeik is fontosak. Ipari eljárásokban a 70-es évek elejétõl hasznosítják õket propén, but-1-én és izobutilén hidratálásában, tetrahidrofurán polimerizációjában és a metakrolein oxidációjában. A heteropolisavak elméleti szempontból is érdekesek, mivel mind heterogén, mind pedig homogén fázisban használhatók. Ráadásul kristályvíz-molekuláik helyettesíthetõk poláris szerves vegyületekkel, s az ilyen esetben lejátszódó ún. “kvázifolyadékfázisú” reakciókban különleges reakciókészség és szelektivitás figyelhetõ meg.

A fenti, széleskörû és átfogó vizsgálatokra utaló információk fényében meglepõ, hogy a heteropolisavakat oxigéntartalmú vegyületek átalakulásaiban alig tanulmányozták. Ezek, valamint a heteropolisavaknak az elõzõekben vázolt tulajdonságai alapján célul tûztük ki kereskedelmi forgalomban beszerezhetõ, tehát könnyen hozzáférhetõ és már jól jellemzett heteropolisavak szerves vegyületek (elsõsorban oxigéntartalmú vegyületek) kémiai átalakulásaiban mutatott tulajdonságainak vizsgálatát. Konkrétan négy, az [XM₁₂O₄₀] ^n- sorozatba tartozó heteropolisavat választottunk katalizátorként, mégpedig a sziliko-molibdénsavat (H₄[SiMo₁₂O₄₀] ), a foszfo-volfrámsavat (H₃[PW₁₂O₄₀] ), a sziliko-volfrámsavat (H₄[SiW₁₂O₄₀] ) és a (H₃[PMo₁₂O₄₀]) foszfo-molibdénsavat.

Disszertációmban az alábbi vegyületeket és reakciókat tanulmányoztam.

1. Különbözõ szerkezetû 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5- és 1,6-diolok dehidratálása. A reakciók lejátszódását az arra lehetõséget adó esetekben vizsgáltam homogén és heterogén körülmények között is, ily módon lehetõség volt az átalakulások szelektivitásának a kísérleti körülményektõl való függésének megfigyelésére. Az eredmények lehetõséget adtak arra is, hogy összehasonlítást tegyek irodalmi adatokkal, valamint, hogy összevessem ezeket az új eredményeket korábbi, ugyancsak az SZTE Szerves Kémiai Tanszékén egyéb elektrofil katalizátorok jelenlétében (zeolitok, Nafion-H) végzett reakciók során tett megfigyelésekkel.

2. A Prins-reakció vizsgálata sztirol és a -metilsztirol esetében, formaldehiddel, illetve acetaldehiddel. A heteropolisavak mellett cézium-sóikat, illetve ezek különbözõ hordozóra felvitt változatait is tanulmányoztam, illetve az átalakulásokat termikus és mikrohullámú aktiválással is végrehajtottam, és így lehetõség nyílt a kétfajta hõközlési eljárás eredményeinek összehasonlítására is.

3. Oxigéntartalmú funkciós csoportok, konkrétan különbözõ szerkezetû alkoholok és oxovegyületek védése. A hidroxilcsoport tetrahidropiranil-éter formában történõ védését a savasság szempontjából szélsõértéket jelentõ heteropolisavak, a sziliko-molibdénsav (melynek savas jellege a leggyengébb), illetve a foszfo-volfrámsav (mely a felhasznált négy molekula közül a legerõsebb savnak tekinthetõ) jelenlétében vizsgáltam. A vizsgálatok körét kiterjesztettem az oxofunkció acetál formában történõ védésére is, új típusú, inert hordozóra felvitt Lewis- és Brönsted-savak felhasználásával. Ezek az ún. Envirocat reagensek, melyek alkalmazása újólag lehetõséget adott arra, hogy összehasonlítást tegyek a termikus reakciók és a mikrohullámban végzett aktiválás között.

4. Friedel- Crafts-reakciók. Irodalmi adatokból ismert, hogy a heteropolisavak felhasználhatóak ezekben az átalakulásokban is. Valamennyi heteropolisavat tanulmányoztam különbözõ aromás rendszerek adamantilezési reakciójában, hordozóra felvitt Cs-sók jelenlétében pedig acilezési, benzilezési és adamantilezési reakciókat vizsgáltam.

– szélesítsük a heteropolisavak szerves szintézisekben történõ alkalmazási lehetõségeinek körét, illetve

– összehasonlító vizsgálatokat tegyünk a négy heteropolisav, valamint egyes Cs-sóik fenti reakcióban megfigyelhetõ katalitikus aktivitására vonatkozóan.
 
 

A vizsgálatokhoz a fentiekben már említett négy, kereskedelmi forgalomban beszerezhetõ heteropolisavat, valamint a foszfo-volfrámsav Cs-sóit használtam. A hordozón immobilizált heteropolisavak, illetve hordozóra vitt Cs-sók elõállítása az ismert impregnálásos módszerrel történt. Az Envirocat reagenseket [EPZG (FeCl₃), EPZ10 (ZnCl₂), EPIC (polifoszforsav)] a gyártó cég (Contract Catalysts) ajándékozta.

A reakciókat a szintetikus szerves kémiában szokásos egyszerû módszerekkel (keverõs készülék, kidesztillálásos módszer, átáramlásos reaktor) hajtottam végre. Hõközlésre hagyományos melegítést vagy mikrohullámú aktiválást alkalmaztam. Az analízist gáz-folyadék kromatográfiával és GC–MS-módszerrel végeztem.
 
 

III. Az értekezés új tudományos eredményei

III.1. Diolok átalakulásai

Megállapítottam, hogy mind a sziliko-molibdénsav, mind a foszfo-volfrámsav, akár homogén, akár heterogén fázisban, hatékony, nagy aktivitású katalizátor a vizsgált diolok dehidratációs reakcióiban. A diolok átalakulása során szerkezetüktõl, nevezetesen a két hidroxilcsoport helyzetétõl, illetve szubsztituáltságuktól függõen, az egyéb elektrofil katalizátorok jelenlétében tapasztaltakkal összhangban, az alábbi jellemzõ átalakulások figyelhetõk meg.

a) Az 1,2-diolok esetében nagy szelektivitással képzõdnek az azonos szénatomszámú oxovegyületek pinakolátrendezõdés eredményeként.

b) Az 1,4- és 1,5-diolok ciklodehidratációja során nagy szelektivitással a megfelelõ gyûrûs éterek képzõdnek, sztereoszelektív gyûrûzáródás eredményeként.

c) Az 1,3-dioloknál - a hagyományos elektrofil katalizátorokkal végrehajtott reakciókhoz hasonlóan - komplex termékelegy képzõdése tapasztalható.

d) A diolok savkatalizált átrendezõdési reakcióit vizsgálva arra az eredményre jutottam, hogy a termékképzõdés szelektivitását a képzõdõ karbokation stabilitása, a csoportok elektrosztatikus kölcsönhatása, és az átmeneti állapot konformációs viszonyai együttesen határozzák meg. Ugyanilyen következtetések vonhatók le a 2-fenil-3-metil-oxirán gyûrûnyitási reakciójára vonatkozóan is.
 
 

A sztirol és a -metilsztirol heteropolisavak által katalizált Prins-reakciójában, mind termikus, mind mikrohullámú aktiválás esetén a megfelelõ 1,3-dioxánok képzõdése figyelhetõ meg.

a) A legjobb eredményeket paraformaldehiddel, dioxános oldatban és termikus aktiválás alkalmazásával értem el. Enyhe reakciókörülmény, könnyû feldolgozás (egyszerû szûrés) és újrafelhasználhatóság miatt alkalmazhatók a Cs-sók termikus aktiválás mellett.

b) A heteropolisavak esetében a mikrohullámú aktiválás az ismert elõnyök miatt (rövid reakcióidõ, oldószermentes reakciókörülmények, nagyobb szelektivitás) – sok más szerves kémiai reakcióhoz hasonlóan – elõnyösen alkalmazható hõközlési eljárás. Az eredmények alapján elmondható, hogy a 4-fenil-1,3-dioxán Prins-reakcióval, sztirolból, heteropolisav katalízis mellett történõ szelektív elõállítására mind a hagyományos melegítés, mind a mikrohullámú aktiválás alkalmas eljárás.
 

Valamennyi alkalmazott katalizátor alkalmasnak bizonyult oxigéntartalmú funkciós csoportok védési reakciójában.

a) Különbözõ szerkezetû alkoholok esetében egyaránt magas hozammal, gyors reakciókban képzõdtek a megfelelõ tetrahidropiranil-éterek. A védõcsoport eltávolítása hasonlóan egyszerû módon, gyors reakcióban történt, metanol jelenlétében, heteropolisav katalízis mellett.

b) Oxovegyületek etilénglikollal lejátszódó gyûrûs acetálképzési reakciójában, mikrohullámmal történõ aktiválás mellett, hatékonynak bizonyultak az Envirocat reagensek. Az aldehidek esetében közel azonos hozammal kaptam a védett terméket mindhárom katalizátornál. A ketonoknál már eltérést tapasztalható, ugyanis itt leghatékonyabbnak a FeCl₃-tartamú katalizátor bizonyult, de a gyûrûs acetált még ebben az esetben is alacsonyabb hozammal kaptam az aldehidekhez képest.
 

A tanulmányozott heteropolisavak, valamint a foszfo-volfrámsav Cs-sói aktív, megfelelõ reakciókörülmények között alkalmazva szelektív és regenerálható elektrofil katalizátorai számos Friedel- Crafts-átalakulásnak.

a) A Cs_2,5H_0,5[PW₁₂O₄₀], valamint más összetételû, SiO₂ és MCM-41 hordozóra vitt savas Cs-sók magas aktivitást mutatnak acetilezésben és benzilezésben. A hordozott katalizátorok az aktivitás kis mértékû csökkenése mellett többször is felhasználhatók. A hordozóra felvitt Cs-sók aktivitása mindig alacsonyabb a Cs_2,5H_0,5[PW₁₂O₄₀] aktivitásánál, ugyanakkor a hordozós katalizátorok kisebb aktívanyag tartalma miatt ezek használata elõnyösebb lehet.

b) A négy heteropolisav és a Cs_2,5H_0,5[PW₁₂O₄₀] só jelenlétében 1-brómadamantánnal végzett Friedel- Crafts-reakció eredményeként magas hozammal, nagy szelektivitással képzõdnek a megfelelõ para-helyzetben adamantil-szubsztituált termékek.

c) Megállapítottam, hogy a regioszelektivitást a katalizátorok savassága befolyásolja azáltal, hogy erõsebb savak, elsõsorban a foszfo-volfrámsav jelenlétében para–meta izomerizáció következik be.

Due to their unique structural properties heteropoly acids exhibit bifunctional catalytic behavior. They can be applied in reactions requiring electrophilic catalysis (Friedel–Crafts alkylation and acylation, hydration and alcoholysis of alkenes, esterification, dehydration), and they also promote oxidations. They are used in industrial processes, specifically, in the hydration of propene, but-1-ene and isobutylene, in the polymerization of tetrahydrofuran, and in the oxidation of methacrolein.

Surprisingly, however, information is rather scarce with respect to the application of heteropoly acids in the reaction of oxygen-containing compounds. The aim of our studies, therefore, was to explore the use of four commercially available heteropoly acids in the catalytic transformation of a few classes of oxygen-containing compounds.
 

Transformations of diols

Both silicomolydic and phosphotungstic acids applied in either heterogeneous or homogeneous phase are effective and highly active catalysts in the dehydration of diols. Diols undergo various characteristic processes depending on their structure, specifically, on the relative position of the two hydroxyl groups and the degree of substitution. In accordance with observations made by using other electrophilic catalysts the following characteristic reactions are observed.

1,2-Diols are selectively transformed to carbonyl compounds with the same number of carbon atoms as the starting compounds (pinacol rearrangement).

Selective formation of cyclic ethers (stereoselective ring closure) is characteristic of 1,4- and 1,5-diols.

Complex product mixtures are formed from 1,3-diols similarly to what is observed when the transformations are induced by traditional electrophilic catalysts.

Selectivity of product formation in the rearrangement of diols catalyzed by acids was found to depend on the stability of the intermediate carbocations, and the electronic and conformational interactions of the substituents in the transition state. Similar conclusions can be drawn from the ring opening of 2-methyl-3-phenyloxirane.
 
 

The Prins reaction

Heteropoly acids induce the Prins reaction of styrene and a -methylstyrene to form 1,3-dioxanes by either thermal or microwave activation.

The best results were achieved in the reaction of paraformaldehyde in dioxane solution under thermal activation. Thermal activation is also the method of choice using Cs salts characterized by mild reaction conditions, easy work-up and catalyst recycling.

Microwave activation characterized in organic synthesis by the usual advantages (short reaction time, reaction without solvent, increased selectivity) may also be applied in the Prins reaction using heteropoly acid catalysts. Both thermal and microwave activation were found to be useful for the selective synthesis of 4-phenyl-1,3-dioxane from styrene catalyzed by heteropoly acids.
 
 

Protecting oxygen-containing functional groups

All catalysts studied were shown to be useful for the formation of protecting groups with oxygen-containing compounds. Various alcohols react to form tetrahydropyranyl ethers in high yields in a fast reaction. Deprotection can be carried out with similar ease with methanol applying heteropoly acids.

Envirocat reagents were found to be effective catalysts to form cyclic acetals by reacting carbonyl compounds and ethylene glycol. All three catalysts gave similar high yields in the transformation of aldehydes. Lower yields of the cyclic acetals could be achieved in the reaction of ketones even with the best catalyst containing FeCl₃ as the active phase.
 

Friedel–Crafts reactions

Under appropriate reaction conditions heteropoly acids and Cs salts of phosphotungstic acid are active, selective, and recyclable electrophilic catalysts in various Friedel–Crafts reactions.

Cs_2,5H_0,5[PW₁₂O₄₀], and Cs salts of various composition supported on SiO₂ or MCM-41 exhibit high activity in acetylation and benzylation. Supported catalysts can be reused with only minor decrease in activities. Specific activity of the supported Cs salts is always lower than that of Cs_2,5H_0,5[PW₁₂O₄₀], but they have the advantage of containing smaller amount of the active phase.

para-Adamantylated compounds can be formed in high yield with high selectivity when Friedel–Crafts alkylation is carried out with 1-bromoadamantane in the presence of heteropoly acids or Cs_2,5H_0,5[PW₁₂O₄₀]. Regioselectivity in the latter reaction was proved to be determined by the acidity of the catalysts. In the presence of stronger acids, mainly by applying phosphotungstic acid, para–meta isomerization takes place.
 
 

Publications
1. B. Török, I. Bucsi, T. Beregszászi, I. Kapocsi and Á. Molnár: J. Mol. Catal. A: Chem., 107, 305-311 (1996).
2. B. Török, I. Bucsi, T. Beregszászi and Á. Molnár: Catalysis of Organic Reactions, R.E. Malz, Jr., ed., Marcel Dekker, New York, 1996, 393-396.
3. Á. Molnár and T. Beregszászi: Tetrahedron Lett., 37, 8597-8600, 1996.
4. T. Beregszászi and Á. Molnár: Synth. Commun., 27, 3705-3709, 1997.
5. T. Beregszászi, B. Török, Á. Molnár, G.A. Olah and G.K.S. Prakash: Catal. Lett., 48, 83-87, 1997.
6. Á. Molnár, Cs. Keresszegi, T. Beregszászi, B. Török and M. Bartók: The Prins reaction catalyzed by heteropoly acids. Catalysis of Organic Reactions, F.E. Herkes, ed., Marcel Dekker, New York, 1998, 507-512.
7. Á. Molnár, T. Beregszászi, Á. Fudala, B. Török, M. Rózsa-Tarjáni, I. Kiricsi: Supported Reagents and Catalysts in Chemistry, B.K. Hodnett, A.P. Kybett, J.H. Clark and K. Smith, ed., The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1998, 25-30.