Исследование реакций изомеризации α-пинена и аминирования его кислородсодержащего производного миртенола для синтеза биологически активных соединений в присутствии нанесенных Au катализаторов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

005059524

На правах рукописи

ДЕМИДОВА Юлия Сергеевна

Исследование реакций изомеризации а-пииена и амииирования его кислородсодержащего производного миртенола для синтеза биологически активных соединений в присутствии нанесенных Аи катализаторов

02.00.15 - Кинетика и катализ

16 МАЙ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Новосибирск - 2013

005059524

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент Симакова Ирина Леонидовна

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор химических наук Жижина Елена Георгиевна Институт катализа СО РАН ведущий научный сотрудник

доктор химических наук, профессор Цодиков Марк Вениаминович Институт нефтехимического синтеза РАН заведующий лабораторией

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится "5" июня 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.012.01, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института катализа СО РАН.

Автореферат разослан "22" апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.х.н.

¿¿У

О.Н. Мартьянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время переработка компонентов возобновляемого растительного сырья с использованием гетерогенных катализаторов для получения ценных соединений с широким спектром применения имеет большой потенциал. Терпены пинанового ряда и их кислородсодержащие производные достаточно широко представлены в природе в составе эфирных масел и живиц хвойных деревьев. Вместе с тем применение наночастиц золота в реакциях тонкого органического синтеза является малоизученной областью и представляет особый научный интерес. В данной работе в качестве исходных субстратов были выбраны соединения природного происхождения - а-пинен и его кислородсодержащее производное миртенол.

Изомеризация а-пинена в камфен, исследованию которой посвящена первая часть работы, представляет собой сложную молекулярную перегруппировку Вагнера-Меервейна. Существующая в настоящее время традиционная промышленная технология синтеза камфена с использованием титанового катализатора отличается низкой селективностью, образованием сложной смеси монотерпенов и позволяет достигать выхода камфена не более 50%. Анализ литературных данных свидетельствует о принципиальной возможности осуществления перегруппировки Вагнера-Меервейна в присутствии гомогенных комплексов Аи(1), в связи с чем использование гетерогенных Аи катализаторов для селективной изомеризации а-пинена в камфен является новым и перспективным направлением исследования.

Во второй части работы стояла задача разработки и оптимизации метода синтеза сложных аминов, включающих монотерпеноидный фрагмент, обладающих высокой фармакологической активностью и имеющих важное прикладное значение. На протяжении долгого времени синтез сложных аминов осуществляли алкилированием простых аминов алкилгалогенидами. Однако данный метод имеет ряд недостатков, связанных с токсичностью используемых алкилгалогенидов, а также сложностью осуществления контроля за протеканием реакции из-за значительного вклада побочных

3

процессов. В настоящее время перспективным альтернативным способом получения сложных аминов является прямое аминирование спиртов, которое включает в себя три последовательных стадии: дегидрирование спирта в карбонильное соединение, конденсация карбонильного соединения с амином с образованием имина и его последующее гидрирование водородом, образовавшимся на первой стадии. Высокая активность наночастиц золота в реакции аминирования спиртов была ранее продемонстрирована на примере модельных соединений бензилового спирта и анилина. Поскольку структура исходных субстратов оказывает существенное влияние на особенности протекания реакции, необходимо проведение систематических исследований, направленных на выяснение общих и кинетических закономерностей реакции аминирования терпеновых спиртов.

Целью настоящей работы является изучение кинетических закономерностей реакций изомеризации а-пинена в камфен и аминирования миртенола в присутствии нанесенных золотосодержащих катализаторов. Направления исследований. В работе решались следующие задачи:

1. Изучение влияния природы носителя на активность и селективность Аи катализаторов в реакциях изомеризации а-пинена в камфен и аминирования миртенола.

2. Изучение кинетических закономерностей реакций изомеризации а-пинена в камфен и аминирования миртенола в присутствии оптимальных Аи катализаторов.

3. Изучение стабильности работы золотосодержащих катализаторов в ходе реакций изомеризации а-пинена в камфен и аминирования миртенола.

Научная новизна. Проведено комплексное изучение двух процессов превращения терпенов пинанового ряда и их производных - изомеризации а-пинена и аминирования его кислородсодержащего производного миртенола — в присутствии гетерогенных Аи катализаторов. Впервые показана высокая активность гетерогенных нанесенных золотосодержащих катализаторов в реакции изомеризации а-пинена в камфен, обеспечивающих высокую селективность в перегруппировке Вагнера-Меервейна. Определены

4

условия формирования оптимальной каталитической системы Аи/у-А]203 для парофазной изомеризации а-пинеиа, обеспечивающей конверсию 99% и селективность образования камфена 60-80%. Изучены основные кинетические закономерности изомеризации а-пинена в камфен в присутствии Аи/у-А1203, включая подробное исследование процессов дезактивации катализатора в ходе реакции. Впервые изучена реакция жидкофазного аминирования миртенола анилином в присутствии гетерогенных Аи катализаторов. Определены факторы, влияющие на селективность образования целевого продукта и активность Аи катализаторов в реакции. Предложена схема механизма и кинетическая модель реакции, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными.

Практическая значимость. Полученные результаты могут служить основой для разработки метода получения камфена путем изомеризации а-пинена в присутствии Аи катализаторов. Кроме того, продемонстрированная высокая активность гетерогенных нанесенных золотосодержащих катализаторов в перегруппировке Вагнера-Меервейна открывает возможность использования данных катализаторов в аналогичных превращениях. Результаты настоящей работы по изучению реакции аминирования миртенола анилином в присутствии Аи катализаторов могут быть использованы для разработки и поиска новых решений в оптимизации метода синтеза сложных аминов. Предложенный механизм и кинетическая модель реакции аминирования миртенола анилином может являться основой при изучении кинетики прямого аминирования спиртов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Активность гетерогенных нанесенных золотосодержащих катализаторов в реакции изомеризации а-пинена в камфен.

2. Исследование кинетических закономерностей реакции изомеризации а-пинена и дезактивации Аи/у-А1203 катализатора в ходе реакции.

3. Кинетические закономерности реакции аминирования миртенола анилином в присутствии золотосодержащих катализаторов.

4. Кинетическая модель реакции аминирования миртенола анилином в присутствии Au/Zr02 катализатора.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на российских и международных конференциях, среди которых II International Symposium on Nanoscience and Nanomaterials (Ensenada, 2013), XX International Conference «CHEMREACTOR-20» (Luxemburg, 2012), 15th International Congress on Catalysis (Munich, 2012), IV Всероссийская конференция по химической технологии (Москва, 2012), Российский конгресс по катализу «Роскатализ» (Москва, 2011), International Conference EuropaCat X (Glasgow, 2011), Catalysis in Multiphase Reactors CAMURE 8 & International Symposium on Multifunctional Reactors ISMR 7 (Naantali, 2011), 9th Congress on catalysis applied to fine chemicals (Zaragoza, 2010), TOCAT6/APCAT5 (Sapporo, 2010).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах и 14 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 115 страницах и содержит 39 рисунков и 10 таблиц. Список цитируемой литературы включает 125 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, а также сформулированы цели и задачи работы.

Первая глава диссертации представляет собой литературный обзор, состоящий из 6 основных разделов. В первых трех разделах на основе имеющихся в литературе данных рассматриваются особенности протекания реакции изомеризации а-пинена, изложены основные способы получения камфена и известные кинетические закономерности реакции. В следующих двух разделах приведены сведения об области применения сложных аминов, препаративных и каталитических методах их получения, а также проведен анализ основных факторов, влияющих на протекание каталитического

аминирования спиртов. В последнем разделе сделано заключение к литературному обзору.

Вторая глава посвящена методической части работы и содержит сведения об использованных в работе материалах и реагентах, методиках проведения каталитических экспериментов, а также анализа продуктов реакций (ГЖХ, ГХ-МС, 'Н и |3С-ЯМР), методиках синтеза катализаторов и их исследований физико-химическими методами (ПЭМ, РФЭС, РСФА, ЭСДО, ТПО, ИК-Фурье спектроскопия, низкотемпературная адсорбция азота). Катализаторы для проведения реакции изомеризации а-пинена были синтезированы сотрудниками Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН Б.Л. Морозом и П.А. Пыряевым. Серия золотосодержащих катализаторов, нанесенных на оксидные носители, любезно предоставленная для изучения закономерностей реакции аминирования миртенола анилином, была синтезирована и исследована физико-химическими методами в Centra de Nanociencias у Nanotecnología de la Universidad Nacional Autónoma de México в группе профессора A.B. Симакова. Программа ModEst любезно предоставлена профессором J. Warná в рамках стажировки Ю.С. Демидовой в Johan Gadolin School под руководством д.х.н., профессора Д.Ю. Мурзина (Abo Akademi University). Реакцию парофазной изомеризации а-пинена проводили в реакторе проточного типа в интервале температур 463-483 К при концентрации а-пинена 0,4-20,0 об.%, времени контакта 0,05-0,45 с, в токе водорода или азота. Реакцию жидкофазного аминирования миртенола анилином проводили в автоклаве с использованием эквимолярного соотношения исходных реагентов в интервале температур 413-453 К при давлении азота 9 атм.

В третьей главе представлены результаты исследования реакции изомеризации а-пинена в целевой продукт камфен (Рис. 1) в присутствии Аи катализаторов, нанесенных на носители у-А1203, Се02, у-А120з/Ьа20з, Сибунит. Найдено, что оптимальным носителем является у-А1203 (Рис. 2), который сам по себе проявляет небольшую каталитическую активность в изомеризации пинена, однако селективность образования камфена невысока. Модификация

7

а-Пинен

л-Цимол

Рис. 1. Схема реакции изомеризации а-пинена.

носителя щелочной обработкой с последующим прокаливанием приводила к значительному снижению конверсии а-пинена и селективности образования камфена.

После нанесения 2 вес. % Аи на оксид алюминия конверсия а-пинена увеличилась до 99,9%, а селективность образования камфена достигла 67,0%. Низкая активность у-А1203* в реакции, прошедшего те же самые стадии обработки, что и катализатор, но вместо раствора НАиСЦ использовали раствор НС1 с сопоставимым рН, указывает на ключевую роль золотых наночастиц в превращении а-пинена в камфен.

Было установлено, что катализаторы Аи/у-А1203 независимо от метода приготовления характеризуются высокой селективностью образования камфена при начальной конверсии а-пинена близкой к 100%.

Для выбора оптимальных условий приготовления наиболее активного и стабильного образца катализатора было изучено влияние его температурной обработки на каталитическую активность. Катализатор Аи/у-А1203 был подвергнут термообработке при различных режимах. Проводили варьирование газовой среды (Н2 или 02), температуры и длительности прокалки. Условия температурной обработки, как было

Аи/у-А1203

Г-А'А

у-А120/\а0Н У-АІО

о4-

с лимонен камфен

Рис. 2. Влияние природы носителя на конверсию а-пинена и селективность образования основных продуктов реакции (Х-конверсия а-пинена, Б -селективность). Условия реакции: Т=473 К, концентрация а-пинена 0,4 об.%, время контакта 0,33 с.

показано, оказывают существенное влияние на селективность образования продуктов реакции. При переходе к образцам, прошедшим окислительную термообработку на последней стадии приготовления, соотношение селективностей основных продуктов камфена и л-цимола увеличивалось с 3,8 до 7,9. Наиболее устойчивым к процессу дезактивации оказался образец катализатора, прошедший температурную обработку в восстановительной среде в течение 4 ч при температуре 673 К, а затем в окислительной в тех же условиях. Именно этот образец был выбран для исследования кинетических закономерностей реакции.

Для установления основных кинетических закономерностей изомеризации а-пинена было изучено влияние температуры, времени контакта, начальной концентрации а-пинена на конверсию а-пинена и селективность образования камфена. В результате был установлен первый порядок по а-пинену и найдено значение энергии активации реакции изомеризации а-пинена (51 кДж/моль). Показано, что селективности образования основных продуктов камфена, трициклена, лимонена и я-цимола не зависят от конверсии а-пинена и температуры реакции в диапазоне 463-483 К. По -видимому, образование камфена, трициклена, лимонена и л-цимола происходит по параллельным маршрутам, а энергии активации образования продуктов реакции имеют сопоставимые значения.

Установлено, что увеличение начальной концентрации а-пинена с 0,4 до 20,0 об. % приводит к существенному снижению конверсии а-пинена, связанному с увеличением скорости дезактивации катализатора. Методом низкотемпературной адсорбции азота было обнаружено снижение удельной поверхности катализатора после реакции, что может быть обусловлено образованием органических отложений на его поверхности в ходе реакции.

Для детального изучения причин дезактивации образцы свежего и отработанного Аи/А1203 катализатора были исследованы методом ТПО с одновременной регистрацией спектров ЭСДО in situ и анализом компонентов газовой фазы методом МС. Полученные данные представлены на Рис. 3. На начальном этапе подъема температуры (300-519 К) для обоих образцов

9

катализатора (исходного и отработанного) наблюдалось десорбция воды с поверхности без поглощения кислорода. Однако, в отличие от свежего катализатора, десорбция воды для отработанного образца сопровождалась появлением в спектре ЭСДО полосы переноса заряда металл—>лиганд в области 255 нм, в результате взаимодействии золотых частиц с органическими соединениями, адсорбированными на их поверхности в ходе реакции. Дальнейшее увеличение температуры привело к поглощению кислорода из газовой фазы с одновременной десорбцией продуктов окисления углеводородов с поверхности катализатора: Н20, СО и С02, количественное соотношение которых соответствовало стехиометрии окисления соединения состава (Ci0H16)x (производных а-пинена и его изомеров). Кроме того, реакция окисления сопровождалась увеличением интенсивности новой полосы в области 860 нм, которую можно отнести к золотым наночастицам, находящимся в контакте со средой, насыщенной кислородом, а именно с частично окисленными органическими отложениями.

Рис. 3. Профиль поглощения кислорода и образования продуктов окисления Н20, С02, СО (а) и спектры ЭСДО in situ (б) в ходе ТПО отработанного образца Аи/А1203 катализатора.

При дальнейшем нагреве образца происходило полное окисление этих интремедиатов, что сопровождалось появлением дополнительного пика на профиле поглощения кислорода и узкого пика десорбции С02, а также уменьшением интенсивности полосы в области 860 нм в спектрах ЭСДО,

Исследования образцов Au/A1203 катализатора методом ПЭМ показали, что под действием реакционной среды, а также высокотемпературной обработки в окислительной атмосфере не происходит существенного изменения среднего линейного диаметра частиц Аи. Учитывая высокую термическую стабильность Аи/А1203 катализатора, была осуществлена регенерация активной поверхности катализатора путем окисления углеродистых отложений на его поверхности при температуре >800 К. Катализатор после регенерации показал первоначальную активность, а значение селективности возросло примерно на 10%.

Для оптимизации условий проведения реакции изомеризации а-пинена на основе модели «разделимой» кинетики было проведено описание динамики дезактивации катализатора, согласно которой скорость реакции включает две функции, первая из которых определяет кинетику реакции в отсутствие дезактивации, а другая описывает вклад процессов дезактивации а(С0, t). В результате анализа экспериментальных данных была предложена модель, в которой обратная функция дезактивации а линейно зависит от времени

реакции t: а _ 1 Зависимость параметра дезактивации 1 + K,(CJ-t

а-пинена К, от начальной концентрации Са хорошо описывалась

параболической функцией К,=ВСа2, где Я=64,0±8,3 (л2/моль2мин).

Предложен возможный механизм дезактивации катализатора, согласно которому образование органических отложений на поверхности катализатора происходит в результате взаимодействия двух адсорбированных молекул а-пинена, что хорошо согласуется с исследованием отработанного катализатора методами ЭСДО in situ и ИК спектроскопии, а также с видом функции дезактивации а и зависимостью параметра дезактивации К, от начальной концентрации а-пинена, полученных эмпирическим путем.

Четвертая глава посвящена исследованию реакции аминирования миртенола анилином в присутствии Аи катализаторов. В ходе реакции, помимо ожидаемых продуктов, миртеналя и соответствующего имина (1) и

Миртенол

Миртеналь

амина (2) (Рис. 4), дополнительно наблюдалось образование небольшого количества миртанола, а также миртаналя с насыщенной С-С связью и соответствующего имина и амина. В реакции была протестирована серия Аи

катализаторов, нанесен-г«' ных на различные оксидные носители 2г02, МёО, А1203, Се02, Ьа203

и прошедших

предварительную термообработку в окислительной (воздух) и восстановительной (Н2) атмосфере до 623 К. Результаты экспериментов показали, что распределение продуктов в ходе реакции существенно зависит от химической природы носителя. Практически полная конверсия миртенола была достигнута только в присутствии Аи/ггОг и Аи/А1203 катализаторов (Рис. 5). Аи/'гг02 катализатор, прошедший окислительную термообработку, показал наибольшую селективность образования (40%) целевого амина (2) при конверсии миртенола 74% при 453 К.

Рис. 4. Схема реакции аминирования миртенола анилином (NH2R').

шя ___ t..........................—ш— Au/Zr02

-і- Au/A1203

—•— Au/MgO

—«— Au/Ce02

► Au/La O,

Au/ZI v Au/AI20, Au/CeOj1

Au/La O^^s/" 4 Au/MgO

Время, ч

a о

Рис. 5. Конверсия миртенола от времени (а) и селективность образования продуктов (б) при одинаковой конверсии миртенола (74%) в присутствии Au катализаторов, прошедших термоокислительную обработку. Условия реакции: Т = 453 К, миртенол 1 ммоль, анилин 1 ммоль, толуол 10 мл, катализатор 92 мг, R = анилин.

После 16 часов реакции селективность образования целевого амина достигала 53% в присутствии Au/Zr02. Кроме того, было показано, что

конверсия а-пинена и выход амина хорошо коррелируют со значением электроотрицательности иона металла в оксидном носителе, величина которой характеризует основно-кислотные свойства оксидов металлов. Согласно обнаруженной зависимости, для получения сложных аминов путем прямого аминирования спиртов наиболее благоприятным является присутствие как основных, так и кислотных центров на поверхности катализатора. Присутствие основных центров, по-видимому, необходимо для инициирования первой стадии дегидрирования за счет взаимодействия спирта и бренстедовского основного центра носителя с образованием промежуточного соединения алкоксида, который в результате Р-гидридного элиминирования, катализируемого золотом, а именно его катионной формой, превращается в альдегид. В свою очередь, наличие кислотных центров благоприятствует адсорбции анилина, а также способствует увеличению скорости переноса водорода на последней стадии.

Для Аи катализаторов, прошедших восстановительную термообработку, несмотря на некоторое увеличение скорости превращения миртенола для ряда образцов, в целом наблюдалась тенденция снижения селективности образования амина, что было обусловлено снижением доли катионных состояний золота по данным РФЭС.

Для построения адекватной кинетической модели реакции были исследованы особенности превращения соответствующих субстратов на каждой стадии в присутствии наиболее селективного Аи/2Ю2 катализатора, Zт02 и в отсутствие катализатора, а также определен вклад побочных процессов дезактивации катализатора. Для второй стадии конденсации миртеналя и анилина была показана возможность некаталитического образования имина, однако в присутствии Аи/7г02 скорость реакции конденсации была существенно выше, что может быть связано, например, с концентрированием субстратов на поверхности катализатора в результате их адсорбции. Определение вклада процессов дезактивации катализатора в ходе аминирования миртенола проводили путем повторного использования Аи/гг02 катализатора. Уже после проведения первого цикла реакции наблюдалось

13

значительное снижение активности катализатора. В результате серии последовательных экспериментов путем отдельного воздействия каждого компонента реакции на катализатор, было установлено, что заметная дезактивация происходит на стадии конденсации миртеналя и анилина. Наиболее вероятной причиной дезактивации, как было показано, является блокировка активных центров катализатора в результате побочного превращения имина в высокомолекулярные соединения. На основе полученных данных и анализа литературы была предложена схема реакции, включающая 11 каталитических стадий и одну некаталитическую.

Основные маршруты

Элементарные стадии Константы ——5-—^-—3-—4

1 Ъ + А = ЪК к, 1 0 1 0

2 ък + ъ->>ъв + гн2 к2 1 0 1 0

3 г + в = тв К3 -1 1 -1 0

4 ъ + н2 = гн2 К4 -1 0 0 0

5 гв + гЕ-^ гс + ъ к+5 ->, к_5 <— 0 1 0 0

6 с + ъ + н2о = 1С К6 0 -1 1 0

7 г + Е = ТЕ К7 0 1 0 0

8 гс + гн2 *-> го + г + н2о к+8 —к.8 <— 0 0 1 0

9 Ъ + = К9 0 0 -1 0

10 г+с= гс Кю 0 0 0 2

11 отложения к„ 0 0 0 1

12 В + Е <-» С + Н20 к+12—к.12<— Некаталитическая р-ция

IV1: А = В + Н2; IV2: В + Е = С + Н20; А + С = В + Б 2С = отложения

Данная схема включает стехиометрические числа, соответствующие основным маршрутам реакции. Стадии 5, 8 и 12 (некаталитическая) являются обратимыми, тогда как 2 и 11 - необратимы, стадии 1, 3, 4, 6, 7, 9, 10 -квазиравновесны. Ък, 7,В, ЪС, '¿С, ЪВ и ZE соответствуют адсорбированным молекулам миртенола, миртеналя, гемиаминаля, имина (1), амина (2) и анилина. В свою очередь, к, и К] - константы скорости и равновесия, соответственно. Число основных маршрутов (ТМ) было определено из соотношения Хориути-Тёмкина. Из предложенных маршрутов реакции первые три описывают превращение основных компонентов реакции, в то время как четвертый определяет вклад процессов дезактивации в общую схему реакции.

Для основных маршрутов реакции была записана система дифференциальных уравнений, в которых был учтен вклад дезактивации за счет блокировки активных центров. Данная модель хорошо описывает полученные экспериментальные данные (Рис. 6 а).

а б

Рис. 6. (а) Экспериментальные (символы) и рассчитанные (линии) профили изменения концентрации миртенола и продуктов от времени реакции, (б) Оценка динамики покрытия органическими отложениями поверхности Аи/гЮ2 катализатора в ходе реакции. Условия реакции: Т = 453 К, миртанол 1 ммоль, анилин 1 ммоль, толуол 10 мл, Аи1ХЮ2 катализатор 92 мг (после термовосстановительной обработки).

Значения параметров модели были определены методом регрессионного анализа (программа МосШв!). Методами симплекса и Левенберга-Марквардта минимизировали целевую функцию, которая определялась как рассогласование между экспериментальными и рассчитанными значениями концентраций. Хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных обусловливает применение данной модели для прогнозирования работы катализатора в зависимости от условий его эксплуатации, а также расчета количества органических отложений, образующихся на поверхности катализатора в ходе реакции (Рис. 6 б).

ВЫВОДЫ

1. Впервые изучена и показана высокая активность гетерогенных нанесенных золотосодержащих катализаторов в реакции парофазной изомеризации

а-пинена в камфен, обеспечивающих высокую селективность в перегруппировке Вагнера-Меервейна.

2. Изучено влияние природы носителя, метода приготовления и условий термической обработки катализатора на конверсию а-пинена и селективность образования камфена. Показано, что наиболее перспективным носителем является у-А1203, модифицированный щелочной обработкой. Установлено, что метод приготовления Аи/у-А1203 катализатора не влияет на конверсию а-пинена, а условия температурной обработки оказывают существенное влияние как на конверсию, так и на селективность образования продуктов. Окислительная термообработка Аи/у-А1203 при 673-873 К на стадии приготовления катализатора приводит к двукратному увеличению соотношения селективностей образования основных продуктов камфена и и-цимола. Определены условия формирования оптимальной каталитической системы Аи/у-А1203 для парофазной изомеризации а-пинена, обеспечивающей конверсию 99% и селективность образования камфена 60-80%.

3. Изучены основные кинетические закономерности парофазной изомеризации а-пинена в присутствии Аи/у-А1203 катализатора. Исследовано влияние времени контакта, температуры реакции и начальной концентрации а-пинена на его конверсию и селективность образования камфена. Найден первый порядок по а-пинену. Установлено, что селективности образования продуктов реакции - камфена, трициклена, лимонена и я-цимола - не зависят от конверсии а-пинена и температуры реакции в диапазоне 463-483 К.

4. Исследована динамика дезактивации Аи/у-А1203 катализатора в зависимости от условий реакции. Методом НТО с одновременной регистрацией ЭСДО in situ и анализом компонентов газовой фазы методом МС показано, что основной причиной дезактивации катализатора является образование углеводородных отложений состава (С10Н16)Х на поверхности Аи частиц. Предложено математическое описание процесса дезактивации катализатора на основе модели «разделимой» кинетики, хорошо

16

согласующееся с экспериментальными данными. Найдены условия полной регенерации Аи/у-А1203 катализатора путем его термоокислительной обработки до 850 К.

5. Впервые изучена реакция жидкофазного аминирования миртенола анилином в присутствии гетерогенных Au катализаторов, нанесенных на оксиды металлов Zr02, MgO, А1203, Ce02, La203. Исследовано влияние природы носителя, окислительно-восстановительных условий формирования активного Au компонента на активность и селективность образования основных продуктов в этой реакции. Показано, что наиболее активным и селективным является Au/Zr02 катализатор, прошедший окислительную термообработку, в котором соотношение основных и кислотных центров на поверхности носителя наиболее благоприятно среди исследованных катализаторов. Снижение доли катионных состояний золота за счет термовосстановительной обработки образцов приводит к снижению селективности образования амина в их присутствии по сравнению с образцами после термоокислительной обработки.

6. Исследованы кинетические закономерности аминирования миртенола в присутствии наиболее селективного Au/Zr02 катализатора. Предложены схема механизма и кинетическая модель реакции с учетом вклада процессов дезактивации. Хорошее соответствие экспериментальных и расчетных значений концентраций реагентов указывает на адекватность предложенной схемы механизма реакции аминирования миртенола в присутствии Au/Zr02 катализатора.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Simakova I.L., Solkina (Demidova) Yu.S., Moroz B.L., Simakova O.A., Reshetnikov S.I., Prosvirin I.P., Bukhtiyarov V.l., Parmon V.N., Murzin D.Yu. Selective vapour-phase a-pinene isomerization to camphene over gold-on-alumina catalyst // Appl. Catal. A: Gen. - 2010. - V. 385. -P. 136-143.

2. Solkina (Demidova) Yu.S., Reshetnikov S.I., Estrada M., Simakov A.V., Murzin D.Yu., Simakova I.L. Evaluation of gold on alumina catalyst deactivation dynamics during a-pinene isomerization // Chem. Eng. J. - 2011. - V. 176-177. -P. 42-48.

3. Costa V.V., Estrada M., Demidova Yu.S., Prosvirin I., Kriventsov V., CottaR. F., Fuentes S., Simakov A., Gusevskaya E. V. Gold nanoparticles supported on magnesium oxide as catalysts for the aerobic oxidation of alcohols under alkali free conditions //J. Catal. - 2012. - V. 292. - P. 148-156.

4. Demidova Yu.S., Simakova I.L., Estrada M„ Beloshapkin S., Suslov E.V., Volcho K.P., Salakhutdinov N.F., Simakov A.V., Murzin D.Yu. Nanosized gold catalysts for one-pot natural monoterpene alcohol amination // II International Symposium on Nanoscience and Nanomaterials, Ensenada, Mexico, 4-8 March, 2013.

5. Demidova Yu.S., Simakova I.L., Estrada M., Beloshapkin S., Suslov E.V., Volcho K.P., Salakhutdinov N.F., Simakov A.V., Murzin D.Yu. One-pot amination of terpene alcohols over metal oxides supported Au containing catalysts // XX International Conference on Chemical Reactors «CHEMREACTOR-20», Luxemburg, 3-7 December, 2012, P. 113-114.

6. Demidova Yu.S., Simakova I.L., Estrada M., Beloshapkin S., Suslov E.V., Volcho K.P., Salakhutdinov N.F., Simakov A.V., Murzin D.Yu. One-pot myrtenol amination over Au nanoparticles supported on different metal oxides // 4th Annual Russian-Korean Conference «Current Issues of Natural Products Chemistry and Biotechnology», Novosibirsk, Russia, 18-21 September, 2012, P. 28.

7. Demidova Yu., Simakova I., Reshetnikov S., Estrada M., Simakov A., Murzin D.Yu. Au-catalysed selective isomerisation of a-pinene to camphene: insight in reaction kinetics and catalyst deactivation // 15th International Congress on Catalysis, Munich, Germany, 1-6 July, 2012, P- 2.04_1643.

8. Демидова Ю.С., Симакова И.Л., Мороз Б.Л., Решетников С.И., ЭстрадаМ., Симаков А.В., Мурзин Д.Ю. Изомеризация а-пинена в камфен в присутствии гетерогенных золотосодержащих катализаторов // Международная конференция «Функциональные материалы в катализе и энергетике», Новосибирск, Россия, 25-29 июня, 2012, С. 77.

9. Симакова И.Л., Демидова Ю.С., Решетников С.И., Мороз Б.Л., ЭстрадаМ., Бухтияров В .И., Симаков А.В., Мурзин Д.Ю., Пармон В.Н. Каталитическая изомеризация а-пинена в камфен в присутствии Au катализаторов // IV Всероссийская конференция по химической технологии, Москва, Россия, 18-23 марта, 2012, С. 258-260.

Ю.Симакова И.Л., Демидова Ю.С., Решетников С.И., Мороз Б.Л., ЭстрадаМ., Бухтияров В .И., Симаков А.В., Мурзин Д.Ю., Пармон В.Н. Получение камфена каталитической изомеризацией а-пинена в присутствии гетерогенных золотосодержащих катализаторов // Российский конгресс по катализу «Роскатализ», Москва, Россия, 3-7 октября, 2011, Том 2, С. 291.

11. Demidova Yu.S., Simakova I.L., Reshetnikov S.I., Estrada M., Prosvirin I.P., Simakova O.A., Simakov A., Murzin D.Yu. Kinetic and deactivation aspects in the transformation of a -pinene to camphene over gold catalysts // International

Conference EuropaCat X. Catalysis: across the disciplines, Glasgow, Scotland, 28 August - 2 Septemher, 2011, DOB.

12.Demidova Yu.S., Reshetnikov S.I., Estrada M., Simakov A.V., Murzin D.Yu., Simakova I.L. The new approach of camphene production via a-pinene isomerization over heterogeneous gold catalysts // International Conference «Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine», Saint-Petersburg, Russia, 21-24 June, 2011, P. 44.

13.Demidova Yu., Simakova I., Reshetnikov S., Prosvirin I., Simakova O., Estrada M., Simakov A., Murzin D. Dynamics of Au/Al203 deactivation during a-pinene to camphene isomerization in hydrogen atmosphere: kinetic and deactivation aspects in the transformation of a-pinene to camphene over gold catalysts // CAMURE 8 & ISMR 7, Naantali, Finland, 22-25 May, 2011, P. 59.

14. Demidova Yu.S., Simakova I.L., Moroz B.L., Simakova O.A., Estrada M., Prosvirin I.P., Bukhtiarov V.I., Simakov A.V., Murzin D.Yu., Parmon V.N. Studies of coke formation over gold during monoterpene catalytic isomerisation. // 1st Symposium of Energy Conversion, Berlin, Germany, 27 Febrary-2 March, 2011.

15. Simakova I.L., Solkina (Demidova) Yu.S., Moroz B.L., Simakova O.A., Reshetnikov S.I., Simakov A., Murzin D.Yu., Parmon V.N. Design of selective camphene synthesis from a-pinene over gold on y-alumina oxide // XIX International conference on chemical reactors «CHEMREACTOR-19», Vienna, Austria, 5-9 September, 2010, P. 70-71.

16. Solkina (Demidova) Yu.S., Simakova I.L., Moroz B.L., Simakova O.A., Reshetnikov S.I., Simakov A.V., Murzin D.Yu., Parmon V.N. Devepolopment of selective camphene synthesis by vapor-phase a-pinene isomerization over nanosized Au catalyst // 9th Congress on catalysis applied to fine chemicals, Zaragoza, Spain, 13-16 September, 2010, P. 95.

17. Simakova I.L., Solkina (Demidova) Yu.S., Moroz B.L., Simakova O.A., Reshetnikov S.I., Simakov A.V., Parmon V.N., Murzin D.Yu. Novel way of selective camphene synthesis by vapour-phase a-pinene isomerization over nanosized Au catalyst // TOCAT6/APCAT5, Sapporo, Japan, 18-23 July, 2010, 0-D23.

ДЕМИДОВА Юлия Сергеевна

Исследование реакций изомеризации а-пинена и аминирования его

кислородсодержащего производного миртенола для синтеза биологически активных соединений в присутствии нанесенных Au катализаторов

Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата химических наук Подписано в печать 17.04.2013 Заказ № 22 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз.

Типография Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

Демидова Юлия Сергеевна

Исследование реакций изомеризации а-пинена и аминирования его кислородсодержащего производного миртенола для синтеза биологически активных соединений в присутствии нанесенных Аи катализаторов

02.00.15 - Кинетика и катализ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: к.х.н., доцент Симакова Ирина Леонидовна

Новосибирск - 2013

д

Содержание

Введение........................................................................................................................................6

Глава 1. Литературный обзор.................................................................................................10

1.1. Реакция изомеризации а-пинена в каталитическом органическом синтезе............10

1.2. Способы получения камфена........................................................................................11

1.2.1. Препаративные методы синтеза камфена...........................................................11

1.2.2. Каталитическая изомеризация а-пинена в камфен............................................14

1.2.3. Реакции, протекающие при получении камфена изомеризационным методом. Схема механизма реакции..............................................................................................19

1.3. Кинетические закономерности реакции изомеризации а-пинена в присутствии катализаторов........................................................................................................................22

1.4. Область применения сложных аминов........................................................................24

1.5. Методы получения сложных аминов...........................................................................24

1.5.1. Препаративные методы синтеза сложных аминов ...........................................24

1.5.2. Каталитические методы синтеза сложных аминов: аминирование спиртов .. 24

1.6. Основные факторы, влияющие на протекание каталитического аминирования спиртов...................................................................................................................................26

1.6.1. Влияние природы носителя..................................................................................27

1.6.2. Влияние структуры исходного органического субстрата.................................30

1.6.3. Влияние размера частиц активного металла......................................................32

1.6.4. Кинетические закономерности каталитического аминирования спиртов......33

1.7. Заключение к литературному обзору...........................................................................35

Глава 2. Экспериментальная часть.......................................................................................36

2.1. Исходные материалы и реагенты.................................................................................36

2.2. Катализаторы..................................................................................................................36

2.2.1. Золотосодержащие катализаторы для реакции изомеризации а-пинена........36

2.2.1.1. Носители..........................................................................................................36

2.2.1.2. Методики приготовления Аи катализаторов................................................37

2.2.2. Нанесенные Аи катализаторы для реакции аминирования миртенола...........38

2.2.2.1. Носители..........................................................................................................38

2.2.2.2. Методики приготовления Аи катализаторов................................................38

2.3. Исследование образцов катализаторов и носителей физико-химическими методами

.................................................................................................................................................39

2.3.1. Элементарный анализ.................................................................................................39

2.3.2. Удельная поверхность и пористая структура.....................................................40

2.3.3. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения...............40

2.3.4. Термопрограммируемое окисление с одновременной регистрацией электронных спектров диффузного отражения.................................................................40

2.3.5. Оптическая спектроскопия в УФ- и видимой области in situ..........................41

2.3.6. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия...............................................41

2.3.7. ИК-Фурье спектроскопия.....................................................................................42

2.4. Аппаратура и методики проведения каталитических экспериментов......................42

2.4.1. Методика проведения реакции изомеризации а-пинена в парофазном режиме ...........................................................................................................................................42

2.4.2. Методика проведения реакции аминирования миртенола в жидкофазном режиме..............................................................................................................................42

2.5. Анализ реакционной смеси...........................................................................................43

2.5.1. Анализ реакционной смеси методом ГЖХ........................................................43

I 11

2.5.2. Идентификация продуктов методом Н-и С-ЯМР ........................................44

2.6. Обработка результатов..................................................................................................44

Глава 3. Изучение реакции изомеризации а-пинена.........................................................46

3.1. Выбор оптимального золотосодержащего катализатора для реакции изомеризации а-пинена в камфен................................................................................................................46

3.1.1. Влияние природы носителя..................................................................................46

3.1.2. Влияние метода приготовления катализатора.................................................. 49

3.1.3. Влияние температурной обработки катализатора ............................................50

3.2. Изучение кинетических закономерностей реакции парофазной изомеризации а-пинена в присутствии Аи/у-АЬОз катализатора.............................................................52

3.2.1. Влияние процессов массопереноса в реакции изомеризации а-пинена..........52

3.2.2. Влияние температуры и времени контакта .......................................................54

3.2.3. Влияние концентрации а-пинена........................................................................58

3.2.4. Изучение причин дезактивации Аи/у-АЬОз катализатора...............................61

3.3. Изучение механизма реакции изомеризации а-пинена в присутствии Аи/у-АЬОз катализатора..........................................................................................................................69

3.3.1. Исследование состояния Аи/у-А^Оз катализатора методом электронной спектроскопии диффузного отражения........................................................................69

3.3.2. Исследование состояния Аи/у-АЬОз катализатора методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии..................................................................................70

3.3.3. Схема механизма реакции изомеризации а-пинена в присутствии

Au/y- AI2O3 катализатора................................................................................................70

3.4. Заключение к главе 3.....................................................................................................72

Глава 4. Изучение реакции аминирования миртенола.....................................................74

4.1. Физико-химические свойства нанесенных золотосодержащих катализаторов......74

4.1.1. Исследование методом просвечивающей электронной микроскопии............74

4.1.2. Исследование образцов Аи катализаторов методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии..................................................................................75

4.2. Выбор оптимального золотосодержащего катализатора для реакции аминирования миртенола...............................................................................................................................77

4.2.1. Влияние природы носителя..................................................................................77

4.2.2. Влияние окислительно-восстановительных условий формирования активного компонента Аи катализаторов.......................................................................................83

4.3. Кинетические закономерности реакции аминирования миртенола анилином........85

4.3.1. Влияние процессов массопереноса в реакции аминирования миртенола.......85

4.3.2. Изучение основных закономерностей аминирования миртенола для построения кинетической модели.................................................................................87

4.3.3. Изучение вклада дезактивации Au/ZrC>2 катализатора..................................... 89

4.3.4. Построение кинетической модели, определение параметров, верификация.. 91

4.4. Заключение к главе 4...................................................................................................100

Выводы......................................................................................................................................102

Приложение..............................................................................................................................105

Литература...............................................................................................................................106

Список принятых сокращений

ГЖХ - газожидкостная хроматография

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

ПЭМВР - просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

РСФА - рентгеноспектральный флюоресцентный анализ

РФЭС - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

ТПО - термопрограммируемое окисление

УФ - ультрафиолетовый

ЭСДО - электронная спектроскопия диффузного отражения ЯМР - ядерный магнитный резонанс

Введение

В настоящее время переработка компонентов возобновляемого растительного сырья для получения ценных соединений с широким спектром применения имеет большой потенциал [1, 2]. Терпены пинанового ряда и их кислородсодержащие производные, являющиеся основными компонентами большинства эфирных масел и живиц хвойных деревьев [3, 4], занимают лидирующее положение среди других монотерпенов и их производных, что во многом обусловлено доступностью этих веществ и их распространенностью в природе.

Присутствие в структуре монотерпенов двойных связей и мостиковых циклических структур определяет их высокую реакционную способность: им свойственны реакции присоединения, алкилирования, изомеризации, полимеризации и многие другие [5-7]. Направленное химическое изменение структуры природных монотерпенов и их производных, которые зачастую обладают биологической активностью, приводит к получению соединений с новыми физиологическими свойствами. Все вышеперечисленные факторы определяют значительный интерес к практическому использованию терпенов пинанового ряда и их произоводных, в том числе и для получения соединений, имеющих важное прикладное значение.

В последние годы заметно вырос интерес исследователей к изучению различных сложных органических реакций в присутствии Аи катализаторов [8-11]. Тем не менее использование золотосодержащих катализаторов в реакциях тонкого органического синтеза, особенно в реакциях превращения компонентов биомассы, достаточно мало освещено в литературе, хотя перспективность их применения неоднократно демонстрировалась в связи с их необычайно высокой активностью и/или селективностью, обнаруженной для некоторых реакций, в том числе и для превращения монотерпенов [1217]. Следует также отметить, что на протяжении долгого времени золото считалось каталитически неактивным металлом. Однако, начиная с 90-х годов 20 века, для ряда реакций было обнаружено, что при переходе от массивного золота, обладающего низкой активностью, к высокодисперсным частицам Аи, закрепленным на носителе, его каталитическая активность резко возрастает [18], что и определило большой ожидаемый потенциал использования Аи катализаторов.

В данной работе в качестве исходных субстратов были выбраны соединения природного происхождения - а-пинен и его кислородсодержащее производное миртенол.

Способность а-пинена подвергаться в присутствии кислотных катализаторов химическим превращениям, которые сопровождаются скелетными перегруппировками пинанового каркаса, является одним из его наиболее важных химических свойств. Однако,

как правило, в результате кислотно-катализируемых реакций образуются сложные смеси продуктов, что значительно сильно снижает эффективность данного метода для получения большого числа ценных соединений на основе а-пинена. Одним из важных продуктов кислотно-катилизируемой изомеризации а-пинена является камфен, который широко используется в различных синтезах фармацевтической и парфюмерной промышленности.

В качестве промышленного катализатора для получения камфена из а-пинена традиционно применяют титановую кислоту. В результате реакции образуется сложная смесь моноциклических, бициклических и трициклических терпенов, причем выход камфена составляет не более 35-50%. Кроме того, реакция протекает с низкой скоростью, а сам промышленный процесс связан с рядом технологических сложностей [19, 20]. Анализ литературных данных свидетельствует о принципиальной возможности перегруппировки Вагнера-Меервейна (1,2-миграция алкильной группы) в присутствии гомогенных комплексов Аи (I) [21, 22], тем не менее в настоящее время отсутствуют какие-либо данные о закономерностях протекания такой перегруппировки на гетерогенных золотосодержащих катализаторах. Использование гетерогенных катализаторов является более привлекательным в связи с легкостью отделения продуктов, возможностью регенерации катализатора, низкой стоимостью и возможностью проведения процесса в непрерывном режиме. Применение гетерогенных золотосодержащих катализаторов в реакции изомеризации а-пинена в камфен позволяет надеяться на повышение селективности образования основного продукта, а также на увеличение конверсии а-пинена. В связи с этим на первом этапе работы особое внимание уделялось исследованию реакции изомеризации а-пинена в камфен.

Большой интерес в настоящее время вызывает прямое аминирование спиртов с целью получения сложных аминов в связи с их большой практической значимостью. В общем виде данный процесс включает три последовательных стадии: дегидрирование спирта в карбонильное соединение, конденсация карбонильного соединения с амином с образованием имина и его последующее гидрирование водородом, образовавшимся на первой стадии. Последовательное превращение исходных реагентов в одном и том же реакторе приводит к значительному повышению эффективности каталитического процесса, позволяя исключить трудоемкий процесс разделения и очистки интермедиатов, экономя время и ресурсы и одновременно увеличивая выход продукта.

Сложные амины являются ценными соединениями, входящими в состав различных фармацевтических препаратов, используемых для лечения общих психических расстройств, депрессивного состояния, а также хронических нервных заболеваний,

вызванных прогрессирующим разрушением центральной нервной системы. Высокоперспективными аминами с точки зрения их фармакологической активности являются вещества, включающие монотерпеноидный фрагмент [23, 24]. У некоторых полученных ранее соединений такого типа обнаружены высокая антиэпилептическая [25], противовирусная [26] и анксиолитическая [27] активности. На сегодняшний день разработка и оптимизация эффективного метода синтеза сложных аминов заданной структуры является чрезвычайно актуальной задачей. В рамках выполнения данной диссертационной работы в качестве модельного соединения для изучения основных закономерностей прямого аминировния терпеновых спиртов был выбран миртенол, который является первичным монотерпеновым спиртом природного происхождения.

Целью настоящей работы является изучение основных кинетических закономерностей реакций изомеризации а-пинена в камфен и аминирования миртенола в присутствии нанесенных золотосодержащих катализаторов.

Основными задачами исследования являются:

1. Изучение влияния природы носителя на активность и селективность Аи катализаторов в реакциях изомеризации а-пинена в камфен и аминирования миртенола.

2. Изучение кинетических закономерностей реакций изомеризации а-пинена в камфен и аминирования миртенола в присутствии оптимальных Аи катализаторов.

3. Изучение стабильности работы золотосодержащих катализаторов в ходе реакций изомеризации а-пинена в камфен и аминирования миртенола.

В целом исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, направлены на комплексное изучение двух процессов превращения терпенов пинанового ряда и их производных - изомеризации а-пинена и аминирования его кислородсодержащего производного миртенола - в присутствии гетерогенных золотосодержащих катализаторов с целью получения соединений, имеющих важное прикладное значение. Изучение реакций, включающее как установление корреляции между свойствами катализаторов и их активностью, так и проведение кинетических исследований с последующим математическим описанием, позволили получить структурированные знания о закономерностях протекания реакций изомеризации

а-пинена в камфен и аминирования миртенола, а также определить факторы, влияющие на селективность образования целевого продукта и активность Аи катализаторов в реакциях.

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Реакция изомеризации а-пинена в каталитическом органическом синтезе

Процессы изомеризации терпенов лежат в основе многих технологий их получения и переработки. Особый интерес представляет изомеризация а-пинена, который является основным компонентом скипидара (около 72%). В присутствии кислотных катализаторов а-пинен претерпевает разнообразные изомеризационные превращения, включая скелетные перегруппировки пинанового цикла (Рис. 1) [3, 28]. Причем состав продуктов, как показывают многочисленные исследования, зависит как от катализатора, так и от условий проведения процесса. Поэтому, варьируя технологические параметры изомеризации а-пинена, а также характеристики катализатора, можно осуществлять процесс с получением того или иного целевого продукта.

Н+

Камфен

/ч

Г1

Дипентен я-Цимол а-Терпинен Изотерпинолен я-М