A Catalytic and Mechanistic Investigation of Palladium-Phosphine Catalysed Aqueous Hydroxycarbonylation. Steric and Electronic Properties of the Ligands

Abstract

The steric and electronic properties of eight water-soluble phosphines (1-8) were investigated by different methods. Phosphines 1-6 were tested as ligands in palladium catalysed hydroxycarbonylation of styrene. In line with the proposal that a ligand with low basicity should facilitate nucleophilic attack of water on the acyl complex, the electron rich {4 - [Bis(2 - diethylaminoethyl)] - aminobenzyl} diphenylphosphine, N3P, (1), has lower catalytic activity than the electron poor tris(3-sodiumsulfonatophenyl)phosphine, TPPTS, (4). N3P derivates {4-[Bis(2-diethylaminoethyl)] aminobenzyl}- Bis(4-methoxyphenyl)phosphine (2) and {4-[Bis(2-diethylaminoethyl)] aminobenzyl}-Bis(2-methylphenyl)phosphine (3), which are more electron rich than N3P, show an even lower activity. The extremely bulky TPPTS derivatives tris(2-methoxy-3-sodiumsulfonatophenyl)phosphine (5) and tris(2-methyl-3-sodiumsulfonatophenyl) phosphine (6) are inactive in the hydroxycarbonylation of styrene.



Mechanistic investigations employing N3P (1) and TPPTS (4) as ligands and styrene as substrate were performed and a range of reaction intermediates were identified by NMR spectroscopy. A high CO pressure gives a kinetic preference for the iso-acyl and at moderate temperatures the hydrolysis of this is faster than its conversion to the thermodynamically more stable n-acyl. A low n/i therefore requires high pressures and reasonably low temperatures. The N3P ligand always favours the linear product since isomerisation in this system is fast even at low temperature.



The hydroxycarbonylation of ?-hydroxyolefins using ligands 1 and 4 was investigated and the main reaction in this case was the isomerisation of the substrate to the corresponding aldehyde. The alkoxycarbonylation products - the lactones - are formed via an intramolecular nucleophilic attack, where the hydroxyl group coordinates first to the palladium. Mechanistic investigations by NMR and IR, employing 3-buten-1-ol as substrate, led to the identification of the chelated alkyl complex with both ligands and the iso-acyl complex with N3P. The aldehyde is formed via a chain walking process. The 2,1-insertion is strongly favoured over 1,2-insertion in the TPPTS system, while for N3P, this preference is less pronounced.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Utvecklingen av säkrare och mer miljövänliga processer är en av de största utmaningarna som den kemiska industrin står inför. I det här sammanhanget är katalys i tvåfassystem, bestående av vatten och organiska lösningsmedel, av största intresse eftersom den möjliggör en enkel återvinning av katalysatorn samtidigt som den minskar skadliga utsläpp och kostnader för återvinning av lösningsmedlet. På grund av sina obestridliga fördelar när det gäller en enkel separation av de bildade produkterna från katalysatorn, hög selektivitet och en förvånansvärd lång livstid, spelar vattenlösliga katalysatorer en allt större roll i tillverkningen av organiska kemikalier.



Katalysatorer används som hjälpsubstanser i syfte att påskynda ? och i viss mån även styra ? kemiska reaktioner och är ofta metallkomplex med olika ligander. Tertiära fosfiner förekommer ofta som ligander i homogen katalys och de är lösliga i organiska lösningsmedel. Genom att substituera dessa fosfiner med polära eller laddade grupper blir de och även dess metallkomplex lösliga i vatten.



Man har testat katalys i vatten på en mängd olika reaktioner, av vilka kan nämnas hydrogenering, hydroformylering, kol-kolbindningsreaktioner och karbonylering. När det gäller korbonylering i tvåfassystem är en av de mest intressanta upptäckterna syntesen av 2-arylpropionsyror vilka används som icke steroidbaserade, antiinflammatoriska läkemedel bland vilka kan nämnas Naproxen, Ibuprofen och Ketoprofen.



Palladiumkatalyserad hydroxykarbonylering av olefiner till karboxylsyror i vattenbaserade tvåfassystem upptäcktes 1997 samtidigt av tre av varandra oberoende forskargrupper. Sedan dess har denna reaktion varit föremål för vidare studier. I de flesta av dessa studier har man använt den vattenlösliga fosfinen TPPTS som ligand och styren och styrenderivat som modellsubstrat.



Den här avhandlingen behandlar hydroxykarbonylering av olefiner. Man har, trots omfattade studier inom området, inte lyckats lösa två viktiga problem med denna typ av reaktion. Det ena är att katalysatorn sönderfaller till metalliskt palladium och det andra är dess regioselektivitet. Det förstnämnda problemet har man delvis löst genom ett lämpligt val av ligander, medan det andra, trots otaliga publikationer i ämnet, än så länge inte fått någon tillfredsställande förklaring. De underliggande faktorerna som antas påverka regionselektiviteten utreds i denna avhandling, med tyngdpunkt på ligandernas steriska och elektroniska egenskaper.



Resultaten bygger på åtta vattenlösliga fosfiner (1-8) vars ovannämnda egenskaper har undersökts med hjälp av olika metoder som presenteras utförligt i andra kapitlet. Experimenten har inte kunnat skilja mellan steriska och elektroniska effekter annat än när det gäller fosfinernas pKa värden som endast reflekterar de elektroniska egenskaperna.



Fosfinerna 1-6 har testats som ligander i palladiumkatalyserad hydroxykarbonylering av styren. Deras inverkan på det katalytiska systemets stabilitet och aktivitet så väl som på denna reaktions regioselektivitet presenteras i tredje kapitlet. Eftersom de katalytiska experimenten inte gett något entydigt svar på frågan om hur liganderna styr regioselektiviteten, har en del mekanistiska undersökningar utförts med N3P (1) och TPPTS (4) som ligander och styren som substrat. Vi har utgått från tidigare studier rörande hydroxykarbonylering av ethene med TPPTS som rapporterats av Sheldon m fl. Vi har identifierad en rad intermediärer i NMR spektroskopi: två palladiumhydridkomplex, ett palladium-?3-bensylkomplex och två palladiumacylkomplex.



En del viktiga skillnader mellan katalytiska system med liganderna 1 och 4 har noterats. Medan det raka acylkomplexet dominerar jämviktsblandningen för båda liganderna, går isomeriseringen av det grenade acylkomplexet till det stabilare raka komplexet snabbare i N3P-systemet. Vidare är hydrolysen för det grenade acylkomplexet snabbare än för det raka då TPPTS används som ligand. Vid låga temperaturer bestäms regioselektivitetet alltså av hydrolyshastigheten och inte av jämvikten mellan acylkomplexen. Detta gynnar bildningen av den grenade produkten i TPPTS systemet. Med N3P liganden sker jämvikten mycket snabbare och den höga andelen rak produkt även vid låga temperaturer är ett resultat av n-acylens termodinamiska stabilitet.



Hydroxykarbonyleringen av ?-hydroxyolefiner med hjälp av liganderna 1 och 4 har också studerats och resultatet presenteras i det fjärde kapitlet. Huvudreaktionen i det här fallet är substratisomeriseringen till motsvarande aldehyd. Alkoxykarbonyleringsprodukterna ? laktoner ? bildas genom intramolekulär nukleofil atack, där hydroxylgruppen först måste koordinera till metallen.



Experiment med deuteriummärkning i D2O visar att aldehyden bildas genom en så kallad ?chain walking process? som består av omväxlande olefin inskjutning och ?-väte elimination. I TPPTS-systemet gynnas 2,1-inskjutningen framför 1,2- inskjutningen, medan för N3P är denna preferens mindre tydlig. Med N3P inkorporeras en högre halt av deuterium i position C2 än med TPPTS vilket indikerar att två olika tautomeriseringsmekanismer verkar: en syrakatalyserad tautomerisering i det första fallet och en metallkatalyserad tautomerisering i det andra.

• author: Ionescu, Adriana
• supervisor: Carlaxel Andersson
• opponent: Professor Monflier, Eric, Université d'Artois, Faculté des Sciences J. Perrin, Lens cedex, France
• organization: Department of Chemistry
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Organic Chemistry
• keywords: Oorganisk kemi, Inorganic chemistry, Naturvetenskap, Natural science, Isomerisation of hydroxyalkenes, Mechanism, Regioselectivity, Steric and electronic properties, Hydroxycarbonylation of styrene, Water-soluble phosphines, Palladium, Aqueous catalysis
• pages: 68 pages
• defense location: Kemicentrum, sal K:F, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 2006-06-16 10:30:00
• ISBN: 91-628-6882-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Organic chemistry (S/LTH) (011001240), Department of Chemistry (011001220)
• id: 34b95f85-a39a-4a4d-a7d9-56e44e80368b (old id 546939)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:52:21
• date last changed: 2018-11-21 21:01:16