Przemysłowe procesy katalityczne część II Kataliza kompleksami metali. Hydroformylowanie olefin (synteza oxo) Uwodornienie olefin

Transkrypt

1 Przemysłowe procesy katalityczne część II Kataliza kompleksami metali ydroformylowanie olefin (synteza oxo) Uwodornienie olefin

2 ydroformylowanie olefin (synteza oxo) C katalizator * RC C 2 + C + 2 R C C 2 C + R C C 2 liniowy aldehyd rozgałęziony aldehyd (n, normal) (izo, branched) reakcja odkryta w 1938 roku przez tto Roelena w czasie prac nad syntezą Fischera-Tropsha reakcja egzotermiczna: Δ od -117 kj/mol do -147 kj/mol zależnie od budowy substratu w rozgałęzionym produkcie powstaje stereogeniczny atom węgla

3 ydroformylowanie olefin (synteza oxo) katalizatory: karbonylki/hydrydokarbonylki ( x M y (C) z L n ) metali grup 8-10 aktywność kompleksów metali w hydroformylowaniu: Rh» Co > Ir, Ru > s > Pt > Pd > Fe > Cr, Ni, Mo, W względna reaktywność < 10-6 przemysłowe znacznie mają Co i Rh: [Co 2 (C) 8 ], [Co(C) 3 PBu 3 ] i [Rh(C)(PR 3 ) 3 ] światowa produkcja ok. 6.5 mln t/rok; substraty o znaczeniu przemysłowym klasyfikuje się w czterech grupach pod względem długości łańcucha: C 2 (eten) 2% C 3 (propen) 73% (głównie n-butanal) C 4 -C 12 19% > C 12 6%

4 Najważniejsze produkty reakcji hydroformylowania Substrat propen liniowe α-olefiny alkohol allilowy Produkt n-butanal n-butanol, 2-etyloheksanal 2-etyloheksanol wyższe aldehydy wyższe alkohole 1,4-butanodialdehyd 1,4-butanodiol n-butanol jest powszechnie stosowany jako rozpuszczalnik w reakcjach chemicznych, również jako składnik lakierów i rozpuszczalnik do farb. becnie prowadzi się badania nad wprowadzeniem butanolu jako paliwa do silników zamiast benzyny 2-etyloheksanol powstaje w wyniku kondensacji aldolowej n-butanalu i następnie redukcji powstałego aldehydu do alkoholu. Jest stosowany jest do produkcji plastyfikatorów. Najczęściej przeprowadza się estryfikację z bezwodnikiem ftalowym, a powstający w wyniku reakcji ester jest stosowany jako plastyfikator polichlorku winylu. Ponadto 2-etyloheksanol i jego pochodne wykorzystywane są w przemyśle tekstylnym jako czynnik zwilżający, w przemyśle rafineryjnym jako czynnik poprawiający liczbę cetanową paliwa wyższe alkohole są wykorzystywane jako środki powierzchniowo czynne w detergentach jak również jako emulgatory l,4-butanodiol jest stosowany jako substrat do syntezy tetrahydrofuranu

5 Reakcje uboczne i następcze w hydroformylowaniu olefin RC 2 C katalizator RC C 2 + C + 2 RC 2 C 2 C + C 3 RCC RC 2 C 2 C 2 izomeryzacja R'C CC 3 C 3 2 RCC 2 redukcja aldehydów do alkoholi redukcja olefiny do alkanu izomeryzacja (migracja) wiązania C=C

6 ydroformylowanie wewnętrznych olefin katalizator RC CR' + C + 2 RC 2 C C R' + R C C C 2 R' ydroformylowanie rozgałęzionych olefin R" katalizator R" C CR' + C + 2 CC R' R R C C + R C C 2 R' R" względna reaktywność olefin w hydroformylowaniu: liniowe terminalne > liniowe wewnętrzne > rozgałęzione terminalne > rozgałęzione wewnętrzne

7 Asymetryczne hydroformylowanie olefin rozgałęziony:liniowy = 98:2 e.r. = 95:5 2 = (R,R)-Chiraphite R r:l e.r. Ph 7.3:1 99:1 Ac 13.3:1 98:2 5 = Yanphos

8 Zastosowania aldehydów otrzymywanych w reakcji hydroformylowania propenu katalizator n-butanol n-butanal [] kwasy karboksylowe 2-etyloheksanol plastyfikatory (ftalany)

9 ydroformylowanie w syntezie witaminy A (BASF, La Roche) Ac Ac C/ 2 kat. Rh Ac Ac Ac C/ 2 kat. Rh Ac PPh Ac Ac - Ac Ac Ac reakcja Wittiga Ac octan witaminy A

10 Mechanizm hydroformylowania olefin (niemodyfikowany katalizator Co) [Co 2 (C) 8 ] 2 [Co(C) 4 ] R C 3 C + RC 2 C 2 C 2 [(C) 4 Co Co(C) 4 ] 2 [Co(C) 4 ] T [Co(C) 4 ] 18e - C [Co(C) 3 ] R 16e (C) 3 Co CC 2 C 2 R (C) 3 Co 18e 18e R 2 (C) 3 Co 16e CC 2 C 2 R C (C) 3 Co C 2 C 2 R 16e C + (C) 3 Co C 3 CR (C) 3 Co C 2 C 2 R 18e

11 Mechanizm hydroformylowania olefin modyfikowany katalizator [Rh(C)(PR 3 ) 3 ] dysocjacja fosfiny: [Rh(C)(PPh 3 ) 3 ] - PPh 3 [Rh(C)(PPh 3 ) 2 ] + PPh 3 - PPh 3 + PPh 3 [Rh(C)(PPh 3 )] wymiana fosfiny na C: [Rh(C)(PPh 3 ) 3 ] + C - PPh 3 [Rh(C) 2 (PPh 3 ) 2 ] + C - PPh 3 [Rh(C) 3 (PPh 3 )]

12 Mechanizm hydroformylowania olefin dla katalizatora Rh (jedna z wersji mechanizmu dysocjacyjnego) 18e 16e 18e 18e 16e 16e 18e

13 Wpływ fosfin na regioselektywność hydroformylowania R C C + C P Rh P R C P C C Rh P -kompleks C P Rh P C C R C P Rh P n-aldehyd i-aldehyd C R C regioselektywność hydroformylowania 1-heksenu dla katalizatora [Rh(C) 3 (PR 3 ) 3 ] nadmiar PPh 3 2 /C T [ºC] n/i : : : : : : :1.5

14 Wpływ fosfin na regioselektywność hydroformylowania fosfiny dwukleszczowe PPh 2 PPh 2 BISBI struktura liganda R 2 P PR 2 R PPh 2 M X Xantphos bite angle β PPh 2 R

15 Dwukleszczowe fosfiny w hydroformylowaniu C Ph 2 P X Rh PPh 2 X Ph Ph Ph P Rh P C Ph β ok. 90º koordynacja aksjalno-ekwatorialna mniejsze zatłoczenie steryczne sprzyja powstawaniu rozgałęzionych aledhydów β ok. 120º koordynacja ekwatorialno-ekwatorialna większe zatłoczenie steryczne sprzyja powstawaniu liniowych aldehydów

16 Przemysłowe procesy hydroformylowania olefin typ procesu BASF Ruhrchemie Shell P LP RC-RP katalizator warunki: Co(C) 4 Co(C) 3 PR 3 (R = n-bu) Rh(C) 4 Rh(C)(PR 3 ) 2 R = Ph R= C 6 4 S 3 Na ciśnienie [bar] temp. [ C] stężenie kat. (%) cechy: selektywność do RC średnia niska wysoka wysoka wysoka stosunek n/i 80:20 88:12 50:50 92:8 95:5 udział uwodornienia średni wysoki niski niski niski P igh-pressure (Ruhrchemie); LP Low-Pressure xo (Union Carbide, Celanese), RC-RP Ruhrchemie-Rhône-Poulenc (kataliza dwufazowa)

17 Proces SELL (modyfikowany katalizator Co) połączenie hydroformylowania olefin i uwodornienia aldehydów do alkoholi w jednym procesie z katalizatorem Co jest trudne ponieważ karbonylki Co nie są dobrymi katalizatorami uwodornienia aldehydów zwykle alkohole w zakresie detergentowym otrzymuje się w dwóch etapach: najpierw hydoformylowanie, potem uwodornienie na katalizatorach heterogenicznych dodanie PR 3 do Co 2 (C) 8 pozwala na połączenie hydroformylowania i uwodornienia w jednym procesie, stosunek 2 :C = 2:1 katalizatorem jest [Co(C) 3 (PBu 3 )], który jest mniej aktywny w hydroformylowaniu niż [Co(C) 4 ] ale jest bardziej aktywny w uwodornieniu aldehydów powstają alkohole w stosunku n:i ok. 7:1 katalizator jest bardziej trwały i mniej lotny niż karbonylki Co, co pozwala na oddzielenie produktu od katalizatora przez destylację część olefiny ulega uwodornieniu do alkanu (ok. 15%)

18 Schemat procesu Shell gazy odlotowe surowy produkt alken 2 /C ligand kompleks Co (katalizator) 1 reaktor 2 separator gaz/ciecz 3 kolumna destylacyjna 4 odzysk katalizatora ciężkie produkty uboczne/zużyty katalizator

19 Schemat procesu LP (zawrót gazowy) gazy odlotowe woda chłodząca kompleks Rh i ligand regeneracja katalizatora surowy aldehyd do destylacji a) reaktor z mieszaniem; b) system oczyszczanie substratów; c) oddzielanie zużytego katalizatora; d) strumień katalizatora do regeneracji e) odkraplacz; f) skraplacz; g) rozdzielacz; h) kompresor, i) kolumna odpędowa

20 Synteza fosfiny rozpuszczalnej w wodzie S 3 S 3 Na S 3 Na + P 3 S 3 + P 3 Na 2 P 3 + P 3 TPPTS tlenek fosfiny katalizator [Rh(C)(TPPTS) 3 ] rozpuszczalność w wodzie: ok 1.1 kg/l

21 propen Proces RC-RP (kataliza dwufazowa) gaz syntezowy woda surowy aldehyd do destylacji para grzewcza a reaktor; b kolumna odpędowa; c separator; d rozdział faz, e wymiennik ciepła; f dopływ wody; g gazy odlotowe

22 Zalety procesu RC-RP wysoka selektywność tworzenia aldehydów, które w 95% są liniowe nieskomplikowana aparatura i kontrola procesu sumarycznie proces jest źródłem ciepła (para grzewcza) wydajne odzyskiwanie katalizatora po reakcji dzięki immobilizacji katalizatora (rozpuszczalności) w fazie wodnej niskie koszty katalizatora: straty rodu na poziomie 2 kg na 2 mln ton n-butanalu katalizator nie jest wrażliwy na siarkę i inne typowe zanieczyszczenia, dlatego mogą być stosowane substraty o niskiej czystości możliwość zastosowania katalizatora (po modyfikacji) do innych substratów (wyższe olefiny, np. produkcja n-pentanalu) skala produkcji ton/rok

23 Uwodornienie olefin omogeniczne katalizatory uwodornienia: kompleksy metali przejściowych, np. [RhCl(PPh 3 ) 3 ] (katalizator Wilkinsona), [Rh(dien)(PR 3 ) 2 ] +, [IrCl(C)(PPh 3 ) 2 ], [RuCl 6 ] 3-, [RuCl 4 (bipy)] 2- Cl Rh Rh Cl [Rh(cod)Cl] 2 Ir + Cl Ru Cl Cl Ru Cl R 2 P P R 2 Cl Ru Cl N N Ph Ph [Ir(cod) 2 ]BF 4 [Ru(p-cymene)Cl 2 ] 2 (S)-binap-RuCl 2 -(S,S)-dpen mieszaniny chlorków platyny i cyny anionowe kompleksy cyjanokobaltowe katalizatory Zieglera otrzymane z soli metali przejściowych i związków glinoorganicznych

24 Mechanizm uwodornienia olefin (wersja podstawowa) reduktywna eliminacja addycja utleniająca insercja

25 Selektywność katalizatorów w uwodornieniu olefin [RhCl(PPh 3 ) 3 ] katalizator Wilkinsona C 3 kat. Ni Raneya C 3 3 C C C C 3 C 3 kat. Wilkinsona 3 C C 3

26 Uwodornienie olefin - chemoselektywność R 3 C C 3 C 3 C 3 C 2 5 R 3 C C 3 C 3 C 3 C 2 5 C 3 C 3 awermektyna-b 1 promieniowce Streptomyces avermitilis iwermektyna wydajność 85%

27 Uwodornienie olefin - chemoselektywność katalizator Wilkinsona [RhCl(PPh 3 ) 3 ] C 2 C 1 C2 Względna szybkość uwodorniania wiązań podwójnych za pomocą katalizatora Wilkinsona: 1. Terminalne jednopodstawione wiązania podwójne (gwałtownie, temp. pokojowa, 1 atm. 2 ) 2. Terminalne dwupodstawione wiązania podwójne 3. Wewnętrzne cis-dwupodstawione wiązania podwójne 3 4. Wewnętrzne trans-dwupodstawione wiązania podwójne 5. Wewnętrzne trójpodstawione wiązania podwójne

28 Szybkości uwodornienia olefin z zastosowaniem katalizatora Wilkinsona (25 C) substrat k 10 2 (L/mol/sec) < 0.1

29 Asymetryczne (enancjoselektywne) uwodornienie olefin ogólny model chiralnego katalizatora przykład R R R' L L M R R' X R' R 2 P P R 2 Cl Ru N N Cl (S)-binap-RuCl 2 -(S,S)-dpen Ph Ph przykład enancjoselektywnego uwodornienia prochiralnej olefiny L-DPA, wydajność 90%, ee 94% (Monsanto)

30 Asymetryczne uwodornienie olefin uwodornienie prochiralnej olefiny (dwa różne podstawniki związane z jednym atomem węgla) prowadzi do dwóch enancjomerów enancjomery powstają w równych ilościach jeżeli katalizator jest optycznie nieaktywny

31 Mechanizm uwodornienia asymetrycznego etapem enancjoselektywnym jest addycja utleniająca wodoru (2) diastereoizomer, który jest w niedomiarze reaguje szybciej z 2 niż główny produkt (3) insercja (4) eliminacja

32 Uprzywilejowane struktury olefin w asymetrycznym uwodornieniu R 2 R 3 R X Y W X= C 2, NR, Y = C, P W = R, R R 2 R X = C (R), CR 2,, CR R 3 X

33 Przykłady olefin ulegających asymetrycznemu uwodornieniu o znaczeniu przemysłowym Ac Me N C Rh/dipamp ee 95% TN Monsanto Rh/duphos ee 98% TN multi kg Roche C Ru/binap ee 97% TN t/rok Takasago Rh(AcAc)(C) 2 /BDPP ee 87% TN > skala przemysłowa BASF

34 Kataliza asymetryczna w syntezach przemysłowych synteza (-)-mentolu: Takasago Perfumery, Japonia ton/rok, ok. ⅓ światowej produkcji ee do 99%, TN do Et 2 N NEt 2 Rh[(S)-BINAP(CD)] + NEt 2 Li 1. ZnBr 2, T 2. 2, Ni(0)