Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet39/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   115

227

228

VANADIUM(IV) COMPLEXES DERIVED FROM AROMATIC O-HYDROXYALDEHYDES AND TYROSINE DERIVATIVES

N

N

O



N

N

O



V

O

HO



OH

NH

N



O

N

H



N

O

V



O

HO

OH



V

IV

O(pyren)



V

IV

O(pyran)



Scheme 17.1

Molecular formulae of the water-soluble V

IV

O(pyren) and V



IV

O(pyran) [12].

NH

O

O



HO

OH

NH



O

OH

OH



OH

NH

O



O

N

HO



OH

HO

NH



O

OH

N



OH

HO

OH



sal-

L

-Tyr 1



sal-o-Tyr 2

pyr-


L

-Tyr 3

pyr-o-Tyr 4

NH

O



OH

OH

O



OH

NH

O



O

BnO


OH

NH

O



O

BnO


OH

O

NH



O

O

OH



O

V

O



Solvent

-Van-

O

-Tyr 5



sal-O-Bn-

L

-Tyr 6



o-van-O-Bn-

L

-Tyr 7



VO(sal-o-Tyr) 8

NH

O



O

O

V



O

HO

Solvent



NH

O

O



O

V

O



HO

O

Solvent



NH

O

O



O

V

O



BnO

Solvent


V

IV

O(sal-



L

-Tyr) 9 

V

IV

O(-van-



L

-Tyr) 10

V

IV

O(sal-O-Bn-



L

-Tyr) 11

NH

O

O



O

V

O



BnO

O

Solvent



NH

O

O



O

V

O



O

Solvent


PS

NH

O



O

O

V



O

O

Solvent



PS

O

12 V

IV

O(o-van-O-Bn-



L

-Tyr)


13 PS-[V

IV

O(sal-



L

-Tyr)]


14 PS-[V

IV

O(o-van-



L

-Tyr)]


Scheme 17.2

Molecular formulae of the ligand precursor and V

IV

O-compounds prepared. Note that Tyr corresponds to l-Tyr and o-Tyr



to the racemic mixture d,l-o-Tyr. The polystyrene polymer is represented by the circle with PS written inside.

RESULTS AND DISCUSSION

229

17.2

RESULTS AND DISCUSSION

17.2.1

Synthesis and Characterization

Globally following the method described in [17], the reduced SBs 1–7 depicted in Scheme 17.2 were prepared in alcoholic

medium by the condensation of 1 equiv of the appropriate aldehyde with 1 equiv of amino acid in the presence of an

equivalent of KOH. Treatment of these condensation products with NaBH

4

resulted in the reduction of the imine bonds,



yielding the reduced SBs. Five neat V

IV

O-complexes: 8–12 (Scheme 17.2) were also prepared. The IR spectra of the solid



V

IV

O-complexes present the characteristic



ν(V=O) bands at 950–1000 cm

−1

. The electron paramagnetic resonance (EPR)



parameters for the five V

IV

O-compounds are listed in Table 17.1. For 91011, and 12, the parameters are consistent with



either a (COO

, N



amine

, O


phenolato

, O

ROH


)

eq

or a (COO



, N


amine

, O


phenolato

, O

DMF


)

eq

donor set in methanol and dimethyl



formamide (DMF) solutions, respectively. The PS-supported versions of compounds and 10 (PS-[V

IV

O(sal-l-Tyr)] 13 and



PS-[V

IV

O(o-van-l-Tyr)] 14, Scheme 17.2) were prepared according to the synthetic procedure shown in Scheme 17.3. The



chloromethylated PS is firstly treated with the K

+

salt of l-Tyr to yield a tyrosine-modified PS-resin. The free amine groups



therein are then condensed with the appropriate aldehyde and the respective imine is reduced with NaBH

4

. The resulting



resin is finally reacted with V

IV

O(acac)



2

to form the desired heterogeneous V

IV

O-compound. The PS-supported compounds



were characterized mainly by room temperature EPR. The obtained EPR powder spectra of 13 and 14 are characteristic

of magnetically diluted V

IV

O-complexes and the well-resolved EPR pattern indicates that the vanadium centers are well



dispersed in the polymer matrix. The spectra were simulated [18] and the spin Hamiltonian parameters obtained (Table 17.1)

TABLE 17.1

Experimental Spin Hamiltonian Parameters for the Prepared Homogeneous (Measured at 77 K) and Heterogeneous

V

IV

O-Compounds at Room Temperature)

Compound


g

x

g



y

A

x

A



y

,

×10



4

cm

–1



g

z

A

z

,

×10



4

cm

–1



Predicted Equatorial Donor Set

9

a

1.978, 1.981



51, 60

1.951


162

O

COO



, N


amine

, O


ArO

, O



ROH

10

a

1.980, 1.978



62, 59

1.948


169

O

COO



, N


amine

, O


ArO

, O



ROH

N

amine



, O

ArO


, O


ROH

, O


ROH

11

b

1.979, 1.979



53, 58

1.950


163

O

COO



, N


amine

, O


ArO

, O



DMF

12

b

1.979, 1.978



58, 56

1.949


164

O

COO



, N


amine

, O


ArO

, O



DMF

13

c

1.983, 1.978



66, 60

1.945


170

N

amine



, O

ArO


, O


water

, O


water

14

c

1.983, 1.976



64, 62

1.947


168

O

COO



, N


amine

, O


ArO

, O



water

a

EPR spectrum measured in methanol.



b

EPR spectrum measured in DMF.

c

EPR spectrum measured with the neat solid at room temperature.



Cl

PS

O



OK

H

2



N

KO

O



OK

H

2



N

O

PS



O

O

NH



O

PS

O



V

O

Solvent



O

OK

NH



KO

OH

OH



O

1.

2. NaBH



4

3. V


IV

O(acac)


2

THF/MeOH, reflux 72 h

1. THF/MeOH, reflux 72 h

2. V


IV

O(acac)


2

Scheme 17.3

General synthetic procedures used to obtain polystyrene-anchored compound 13 (and 14). The circle represents the

polystyrene matrix.


230

VANADIUM(IV) COMPLEXES DERIVED FROM AROMATIC O-HYDROXYALDEHYDES AND TYROSINE DERIVATIVES

were compared with those for 9–12. The hyperfine coupling constants A

z

for the PS-supported complexes are slightly higher



than those found for their homogeneous counterparts. Nevertheless, it is possible to identify the donor set of existing V

IV

O-



species bound within the polymer resin and, by extension, to confirm the successful immobilization of the tyrosine-based

ligand. Additionally thermogravimetric analysis of 13 and 14 gave the amount of V in the resin, the obtained V-loadings

being 1.1 mmol V/g for 13; 0.9 mmol V/g for 14.

17.2.2

Catalytic Studies with the V

IV

O-Compounds

While the side-chain phenolic moiety of l-Tyr is not in a coordinative position relative to the metal center, deprotonation

and coordination of the side-chain phenol to another metal center is possible, especially if the pH is within the range 9–10.

The preparation of V

IV

O(sal-O-Bn-l-Tyr) 11 gave no problems, but with V



IV

O(o-van-O-Bn-l-Tyr) 12, the final product

was unexpectedly water soluble. The solid nature of the PS-supported compounds 13 and 14 does not allow their adequate

characterization by the usual spectroscopic methods. Nevertheless, EPR characterization alone provided valuable information

regarding the entire preparation procedure. With A

z

values of 170 and 168



× 10

−4

cm



−1

for 13 and 14, respectively, there

is strong indication that the sole existing V

IV

O-species within the resin are those with the expected (O



COO

, N



amine

, O


ArO

,



O

water


)

eq

donor group set. In the IR of 13 and 14 the



ν(V=O) are detected at 955 and 995 cm

−1

, respectively, and medium-



to-strong bands are detected at 1625 and 1610–1700 cm

−1

, assignable to



ν(C–O

phenolato

) and

ν

as



(COO), respectively. These

compounds were tested as catalysts in the asymmetric sulfoxidation of thioanisole, using H

2

O

2



as oxidant. The results

obtained using both the homogeneous and heterogenized compounds are listed in Tables 17.2 and 17.3. Control reactions

made to test the oxidation of thioanisole in the absence of catalyst gave very low conversions to sulfoxide even after a 24 h

period at room temperature: 9% in 1,2-dichloroethane (DCE), 3% in acetone, 2% in ethyl acetate, 2% in acetonitrile, 0% of

sulfone in all control reactions. In general, the obtained enantiomeric excesses were very low. Nearly complete conversions

were obtained with 11 in acetone and ethyl acetate, but no enantioselectivity was observed (entries 1 and 2, Table 17.2).



TABLE 17.2

Sulfoxidation of Thioanisole With the Homogenous V

IV

O Catalyst Precursors

a

Entry



Catalyst

Solvent


b

t, h

Conversion, %

ee, %

b

Sulfone, %



1

11

(CH


3

)

2



CO

24

99



0

5

2



11

AcOEt


24

>99


0

6

3



12

DCE


24

0

0



0

4

12

(CH


3

)

2



CO

24

41



26

2

5



12

(CH


3

)

2



CO

48

63



26

4

6



12

EtOH


24

8

0



0

7

12

AcOEt


24

96

3



11

a

Conditions: 4 ml of solvent; nS



= 1 mmol; nH

2

O



2

nS

= 1.2; 1 mol% of catalyst; = 0

C; DCE, 1,2-dichloroethane.



b

AcOEt, ethyl acetate; DCE, 1,2-dichloroethane; EtOH, ethanol; S, substrate; ee, enantiomeric excess.



TABLE 17.3

Sulfoxidation of Thioanisole With V

IV

O Catalyst Precursors 13 and 14

a

Entry



Catalyst

Solvent


mol% Catalyst

Cycle


Conversion, %

ee, %


Sulfone, %

1

13

AcOEt


3.6

1

38



0

5

2



13

(CH


3

)

2



CO

1.4


1

0

0



0

3

13

DCE


1.4

1

37



0

5

4

b

14

H

2



O

3.3


1

37

0



0

5

14

AcOEt


5.5

1

99



0

12

2



99

0

13



3

99

0



11

4

99



0

10

6



14

AcOEt


1.7

1

59



0

8

7



14

(CH


3

)

2



CO

3.3


1

91

0



8

8

14

DCE


1.7

1

36



0

5

a



4 ml of solvent; nS

= 1 mmol, nH

2

O

2



nS

= 1.2, 4 ml of solvent. Reaction time = 24 h.

b

Reaction was run at 5



C.


REFERENCES

231

Only 12 exhibited appreciable enantioselectivity in acetone (entries 4 and 5, Table 17.2), although the reaction was not

complete even after a 48 h period. This catalyst showed no activity in DCE (entry 3, Table 17.2), very low activity in

ethanol (entry 6, Table 17.2) but demonstrated good activity in ethyl acetate (entry 7, Table 17.2). None of the tested PS-

supported V

IV

O-compounds exhibited enantioselectivity. Compound 13 exhibited lower activity in ethyl acetate and acetone



when compared to its homogeneous variant 11, while exhibiting some activity in DCE (entries 1, 2 and 3, Table 17.3).

Compound 14 exhibited better catalytic characteristics. For instance, the sulfoxidation could be carried out in water (entry

4, Table 17.3). High conversions and relatively low sulfone percentages were obtained in ethyl acetate and these results

were achieved even after five consecutive recycling procedures (entry 5, Table 17.3). Lowering the catalyst loading from

5.5 to 1.7 mol% resulted in lower conversions under the same conditions (entry 6, Table 17.3). Replacing ethyl acetate by

acetone and lowering the catalyst loading from 5.5 to 3.3 mol% resulted in a high conversion and a slightly lower sulfone

formation (entry 7, Table 17.3). In DCE, 14 performed comparably to 13 although the catalyst loading was slightly higher in

the former case (entry 8, Table 17.3). Globally, the performance of the PS-supported V

IV

O-complexes is good and at least



equivalent to their homogeneous counterparts, with the advantage of being easily recyclable. However, no enantioselectivity

was obtained. The reason for this is not clear. It is know that vanadium may be very active in the racemization of amino acids

in the presence of aromatic aldehydes [19 and refs. therein], so it is possible that during the step of addition of V

IV

O(acac)



2

to the PS-supported ligand, which takes place at 50

C for 24 h, the l-Tyr moiety racemizes, the actual compounds being



then better designated as PS-[V

IV

O(sal-d,l-Tyr)] (13) and PS-[V



IV

O(o-van-d,l-Tyr)] (14). Studies will be carried out in the

future to evaluate the existence and extent of vanadium-mediated racemization of homogenous analogues, 11 and 12.

17.3

CONCLUSIONS

The PS-supported catalysts are stable, active, and easily recyclable, not losing activity upon use at least after four catalytic

cycles. In this respect, they are quite promising products, representing positive steps toward achieving more sustainable

sulfoxidation procedures, despite the disappointing enantioselectivities. Globally, the reported catalysts are quite stable and

showed better performance in acetone and/or ethyl acetate relative to DCE in all aspects. Water could be used as solvent,

moderate conversions being obtained. Complex 12 exhibits better activity and enantioselectivity in sulfoxidation compared

to earlier l-alanine- and l-lysine-derived V

IV

O(SB) complexes [20], while requiring less toxic solvents such as acetone and



environmentally benign oxidants such as hydrogen peroxide.

ACKNOWLEDGMENTS

The authors thank Fundac¸˜ao para a Ciˆencia e Tecnologia (FCT), PEst-OE/QUI/UI0100/2013; SFRH/BPD/79778/2013, and

the Portuguese NMR and MS Networks (IST-UTL Centers).

REFERENCES

1. Butler, A.; Eckert, H. J. Am. Chem. Soc. 1989111 , 2802.

2. Kiss, T.; Jakusch, T.; Hollender, D.; Dornyei, A.; Enyedy, E. A.; Costa Pessoa, J.; Sakurai, H.; Sanz-Medel, A. Coord. Chem. Rev.

2008252 , 1153.

3. Jakusch, T.; Hollender, D.; Enyedy, E. A.; Gonzalez, C. S.; Montes-Bayon, M.; Sanz-Medel, A.; Costa Pessoa, J.; Tomaz, I.; Kiss,

T. Dalton Trans. 2009, 2428.

4. Sanna, D.; Micera, G.; Garribba, E. Inorg. Chem. 200948 , 5747.

5. Davies, D. R.; Interthal, H.; Champoux, J. J.; Wim, G. J.; Hol, W. G. J. Chem. Biol. 200310 , 139.

6. Rehder, D.; Hoist, H.; Priebsch, W.; Vute, H. J. Inorg. Biochem. 199141 , 171.

7. Cavaco, I.; Costa Pessoa, J.; Costa, D.; Duarte, M. T.; Gillard, R. D.; Matias, P. M. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1994, 149.

8. Costa Pessoa, J.; Cavaco, I.; Correia, I.; Duarte, M. T.; Gillard R. D.; Henriques, R. T.; Higes, F. J.; Madeira, C.; Tomaz, I. Inorg.



Chim. Acta 1999293 , 1.

9. Dutta, S.; Mondal, S.; Chakravorty, A. Polyhedron 199514 , 1163.

10. Cavaco, I.; Costa Pessoa, J.; Duarte, M. T.; Henriques, R. T.; Matias, P. M.; Gillard, R. D. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1996, 1989.

11. Fulwood, R.; Schmidt, H.; Rehder, D. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1995, 1443.



232

VANADIUM(IV) COMPLEXES DERIVED FROM AROMATIC O-HYDROXYALDEHYDES AND TYROSINE DERIVATIVES

12. Correia, I.; Costa Pessoa, J.; Duarte, M. T.; Henriques, R. T.; Piedade, M. F. M.; Veiros, L. F.; Jakusch, T.; Dornyei, A.; Kiss, T.;

Castro, M. M. C. A.; Geraldes, C. F. G. C.; Avecilla, F. Chem. -Eur. J. 200410 , 2301.

13. Koh, L. P.; Ranford, J. O.; Robinson, W. T.; Svensson, J. O.; Tan, A. L. C.; Wu, D. Inorg. Chem. 199635 , 6466.

14. Maurya, M. R.; Khurana, S.; Rehder, D. Trans. Met. Chem. 200328 , 511.

15. Costa Pessoa, J.; Correia, I.; Kiss, T.; Jakusch, T.; Castro, M. M. C. A.; Geraldes C. F. G. C.; J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2002,

4440.


16. Costa Pessoa, J.; Marc˜ao, S.; Correia, I.; Goncalves, G.; Dornyei, A.; Kiss, T.; Jakusch, T.; Tomaz, I.; Castro, M. M. C. A.; Geraldes,

C. F. G. C.; Avecilla, F. Eur. J. Inorg. Chem. 2006, 3595.

17. Ad˜ao, P.; Costa Pessoa, J.; Henriques, R. T.; Kuznetsov, M. L.; Avecilla, F.; Maurya, M. R.; Kumar, U.; Correia, I. Inorg. Chem.,

200948 , 3542.

18. Rockenbauer, A.; Korecz, L. Appl. Magn. Reson. 199610 , 29.

19. Costa Pessoa, J.; Calhorda, M. J.; Cavaco, I.; Costa, P. J.; Correia, I.; Costa, D.; Vilas-Boas, L. F.; F´elix, V.; Gillard, R. D.; Henriques,

R. T.; Wiggins, R.; Dalton Trans. 2004, 2855.

20. Nakajima, K.; Kojima, M.; Toriumi, K.; Saito, K.; Fujita, J. Bull. Chem. Soc. Jpn. 198962 , 760.


18

MICROWAVE-ASSISTED CATALYTIC OXIDATION

OF ALCOHOLS TO CARBONYL COMPOUNDS

Yauhen Yu. Karabach, Maximilian N. Kopylovich*, Kamran T. Mahmudov, and Armando J.

L. Pombeiro*

Centro de Qu´ımica Estrutural, Complexo I, Instituto Superior T´ecnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal

18.1

INTRODUCTION

Aldehydes and ketones, which are produced by different methods and starting materials, are important carbonyl compounds

that are widely used as such and for further processing [1]. For example, cyclohexanone can be prepared upon cyclohexane

oxidation, dehydrogenation of cyclohexanol at high temperature, or via catalytic oxidation of cyclohexanol under milder

conditions. Acetophenone can be produced by the Hock process or be obtained via ethylbenzene oxidation with dioxygen,

whereas benzaldehyde is produced industrially by toluene oxidation or by hydrolysis of benzal chloride in the presence of

different acids and/or metal salts (i.e., tin(II), tin(IV), iron, or zinc chlorides) [1].

Although the methods of production of bulk chemicals often suffer from low selectivity and/or productivity per pass,

they continue to be the major methods for the synthesis of carbonyl compounds as the formed by-products are also

demanded chemicals. However, such protocols are not economically attractive for the production of specific carbonyl

compounds in the fine chemicals industry, where the selective and effective oxidation of valuable starting materials (e.g.,

alcohols) to the corresponding carbonyl compounds is required. Hence, the development of alcohol oxidation methods in

fine chemicals industry directs toward achieving highly selective, efficient, and environmentally friendly catalytic systems

[2]. Thus, the oxidation of alcohols with stoichiometric amounts of inorganic oxidants, such as chromium(VI) or manganese

compounds, is being substituted for the TEMPO-mediated aerobic (TEMPO–2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxidanyl)

[3], metal-catalyzed oxidations with hydrogen- or organoperoxides [4], or hydrogen-transfer reactions catalyzed by rhodium

or ruthenium complexes [5]. Nevertheless, the search for new, environmentally friendly, and efficient alcohol oxidation

protocols, as well as the improvement of the known ones, is of current interest. In this respect, leverage points for research

concern the application of green oxidants, green solvents, or solvent-free processes, development of new catalytic systems,

use of energy efficient heating methods, etc.

Microwave (MW) heating is one of the simplest but effective ways to enhance energy efficiency and productivity in

small-scale chemical production [6]. In contrast to conventional heating (CH), MW irradiation interacts directly with the

polar molecules (which can be of substrates, intermediates, or catalysts) and, if nonpolar solvents or solvent-free processes

are used, it can provide an efficient energy transfer directly to the reactants [7]. Generally, it is assumed that MW irradiation

itself can accelerate the reaction rate, on account of (i) thermal and (ii) nonthermal effects, namely, (i) local overheating (“hot

spot” effect, etc.); (ii) influence on the preexponential factor in the Arrhenius equation k

exp(− G

=

/RT), and on the



T S

=

part in the



G

=

H



=

− T S

=

equation for the activation energy [7, 8]. Nevertheless, these effects, especially



the nonthermal ones, are still disputed and it has been claimed [9] that there is no direct evidence yet for nonthermal effects.

Recent studies of MW-assisted homogeneous reactions have shown that external infrared (IR) temperature controllers that



Advances in Organometallic Chemistry and Catalysis: The Silver/Gold Jubilee International Conference on Organometallic Chemistry Celebratory Book,

First Edition. Edited by Armando J. L. Pombeiro.

© 2014 John Wiley & Sons, Inc. Published 2014 by John Wiley & Sons, Inc.


Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   35   36   37   38   39   40   41   42   ...   115




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling