Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet49/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   ...   115

287

N

N



R'

N

N



R

R



N

N



R

R



X

V



O

R

O



X = C, R = R

′ = H, n = +1 (1)

R'

n

X = C, R = SO

3

, R


′ = H, n = 0 (2)

X = B, R = H, R

′ = Me, n = 0 (3)

4

NH

N



Me

Me

NH



N

Me

Me



NH

N

Me



Me

V

O



[BF

4

]



O

Cl

Cl



N

N

N



N

N

N



V

C

HO



O

5

N

N



N

N

N



N

B

V



H

N N


N N

B

H



O

H

6

V

O

O



O

O

O



N

NH

7

Cl

n

M

C



H

N

N



N

N

N



N

n = 2, M = Fe (8) or Cu (9)

n = 3, M = V (10) or Re (11)

N

N



Re

C

[BF



4

]

PPh



3

Cl

Cl



12

N N


N N

H

N



N

N

N



N

N

C



SO

3

Cl



n

M

M = Cu, n = 1, x = 0 (13)



x

M = Fe, n = 2, x = 

−1 (14)

M = V, n = 3, x = 0 (15)

N

N

Re



C

N

N



N

N

O



O

O

16

O

3

S



N

N

Re



C

N

N



N

N

O



Cl

PPh


3

17

Cl

O



3

S

Figure 22.2

Some scorpionate or pyrazole complexes (catalysts or catalyst precursors) mentioned in the text.


288

CARBON–SCORPIONATE COMPLEXES IN OXIDATION CATALYSIS

N

N

N



N

N

N



C

Fe

HO



N

N

N



N

N

N



C

OH

X



X = [FeCl

4

]Cl (18)



X = Cl

2

 (19)



N

N

N



N

N

N



C

Fe

HO



OH

2

Cl



OH

2

2



(Cl)

4

N



N

N

N



N

N

C



Fe

HO

N



N

N

N



N

N

C



OH

20

21

[Fe



2

OCl


6

](Cl)


2

 · 4 H


2

O

N



N

N

N



N

N

C



Fe

HO

N



N

N

N



N

N

C



OH

N

N



N

N

N



N

C

Cu



OH

Cl

Cl



22

N

N



N

N

N



N

C

Cu



Cl

Cl

N



N

N

N



Cu

C

Cl



Cl

O

S



O

O

O



S

O

O



23

N

N



Re

PPh


3

N

X



N

C

Cl



L

O

Ph



H

N

N



L = PPh

3

, X = Cl (25)



L = Hpz, X = F (24) or Cl (26)

Figure 22.2

(Continued)

Re, V, Fe, Co or Cu catalyst

aq. H


2

O

2



, MeCN, room

temperature

OH

O

+



n

n

n

n = 1,2

Scheme 22.1

Oxidation of cycloalkane to cycloalkanol and cycloalkanone catalyzed by tris(pyrazol-1-yl)methane Re, V, Fe, or Cu

complexes.

[CuCl


{SO

3

C(pz)



3

}] (13) (maximum TON of 43 and 32, respectively; maximum yield of circa 4%) or by the full-sandwich

hydrotris(pyrazolyl)methane Cu(II) compound [Cu

{HC(pz)


3

}

2



]Cl

2

(maximum TON and yield of 18% and 2.5%, respectively),



under the same experimental conditions [5c]. Moreover, 22 still exhibits quite a notorious activity in the absence of NCMe,

a behavior favored by the good solubility of the catalyst in water.



PEROXIDATIVE OXYGENATIONS OF ALKANES

289

TABLE 22.1

Peroxidative Oxidation of Cyclohexane to Cyclohexanol and Cyclohexanone Catalyzed by Scorpionate or Pyrazole

V, Fe, or Cu Complexes

a

Catalyst



Total

b

Yield, %



Total

b

TON



max

References.

[VO

2

{SO



3

C(pz)


3

}] (2)

19

117


5a

[VO


2

{HB(3,5-Me

2

pz)


3

}] (3)

13

86

5a



[VO

2

(3,5-Me



2

Hpz)


3

][BF


4

] (4)

24

113


5a

[VOCl


2

{HOCH


2

C(pz)


3

}] (5)

c

2

1.11



× 10

3

5b



[VO

{HB(pz)


3

}{H


2

B(pz)


2

}] (6)

13

75

5a



[VCl

3

{HC(pz)



3

}] (10)

13

167


5c

[VCl


3

{SO


3

C(pz)


3

}] (15)

10

121


5c

[FeCl


2

{HC(pz)


3

}] (8)

13

690


5c

Li[FeCl


2

{SO


3

C(pz)


3

}] (14)

25

600


5c

[Fe


{HOCH

2

C(pz)



3

}

2



]Cl

2

(19)



10

385


5d

[Fe


{HOCH

2

C(pz)



3

}

2



][FeCl

{HOCH


2

C(pz)


3

}(H


2

O)

2



]

2

(Cl)



4

(20)

14

328


5d

[Fe


{HOCH

2

C(pz)



3

}

2



]

2

[Fe



2

OCl


6

](Cl)


2

·4H


2

O (21)

14

317


5d

[CuCl


2

{HOCH


2

C(pz)


3

}] (22)

23

81

5e



Abbreviation: TON, turnover number.

a

Selected results: yields (moles of products per 100 mol of cyclohexane); TON (moles of product per moles of catalyst). Typical reaction conditions:



oxidant

= H


2

O

2



n(catalyst)/n(C

6

H



12

)

= 5 ×10



−5

, 6 h, room temperature.

b

Moles of cyclohexanol



+ cyclohexanone per 100 mol of cyclohexane.

c

Oxidant



mCPBA.

The C-scorpionate Re complexes 11 and 16, as well as the related pyrazole 24–26 complexes, are the less active

of the studied compounds, with TON values up to 285 [5f]. While the tris(pyrazolyl)methanesulfonate compound

[ReO


3

{SO


3

C(pz)


3

}] (16) is more active for the cyclohexane oxidation if performed in the presence of acid, the fluoro-

dipyrazole complex [ReClF

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (24) provides the best catalyst, among these rhenium compounds, for

the oxidation of cyclohexane in the absence of acid. The fluoride ligand is particularly favorable as the analogous dichloro-

complex [ReCl

2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (26) exhibits circa half of the activity. This feature, which is also displayed by

the supported catalysts (see Section 22.2.2), conceivably relates to the stronger electron-donor character of the F

ligand



compared with Cl

[5f], thus promoting the oxidation of the complex to a higher metal oxidation state that is more favorable



to the reaction.

22.2.2

In Supported Systems

The oxo-vanadium(IV) complexes [VOCl

2

{HOCH


2

C(pz)


3

}] (5) and [VO(acac)

2

(Hpz)] (7), immobilized on a polydimethyl-



siloxane (PDMS) membrane, act as supported catalysts for the cyclohexane oxidation (Scheme 22.2) using benzoyl peroxide

(BPO), tert-butyl hydroperoxide, mCPBA, hydrogen peroxide, or the urea-hydrogen peroxide adduct as oxidants (TONs up

to 620) [5b]. The best results were obtained with the less polar mCPBA or BPO on account of the hydrophobic character

of the membrane that favors their sorption.

Although the homogeneous reactions (Section 22.2.1) take place faster than the heterogeneous ones and a higher activity

is found in the former case, the use of the PDMS-supported catalysts is promising, as it is based on cheap and easily

obtained membrane and vanadium(IV) catalysts, involves a simple way to heterogenize the catalyst without its chemical

modification, and allows an easy product separation [5b].

PDMS-supported VO-catalyst

Room 


temperature

OH

O



+

Scheme 22.2

Cyclohexane oxidation catalyzed by [VOCl

2

{HOCH


2

C(pz)


3

}] or [VO(acac)

2

(Hpz)] encapsulated in a polymeric PDMS-



based membrane.

290

CARBON–SCORPIONATE COMPLEXES IN OXIDATION CATALYSIS



22.3

OXIDATION OF ALKANES BY MOLECULAR OXYGEN

The use of molecular oxygen as an oxidant is particularly attractive from ecological and economic perspectives, as it is

the best environmentally friendly oxidant and is cheap. It can be used with either liquid or supported systems. This section

concerns the use of dioxygen as an oxidant without the assistance of any added peroxide reagent.

The scorpionate vanadium complexes [VCl

3

{HC(pz)



3

}] (10) and [VCl

3

{SO


3

C(pz)


3

}] (15), which catalyze cyclohexane

oxidation with H

2

O



2

(Section 22.2.1,), also operate with dioxygen under solvent-free conditions. Cyclohexane is oxidized to

cyclohexanol (the main product) and cyclohexanone (13% conversion), with a high selectivity, typically at the O

2

pressure



of 15 atm, at 140

C, 18 h reaction time [6]. The reaction is further promoted (to 15% conversion) by pyrazinecarboxylic



acid. The reactions proceed via radical mechanisms with possible involvement of both C-centered and O-centered radicals.

The pyrazole complexes [ReClF

{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24), [ReCl

2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)(PPh

3

)

2



] (25) and [ReCl

2

{N



2

C(O)Ph


}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (26), which act as homogeneous catalysts for cyclohexane peroxidative (by H

2

O

2



) oxidation

(Section 22.2.1), are inactive with O

2

[7]. However, when immobilized on 3-aminopropyl functionalized silica, they catalyze



the cyclohexane oxidation with dioxygen to cyclohexanol and cyclohexanone (the main product) in the absence of any added

solvent and additives and, under relatively mild conditions, up to 16% overall conversion toward the ketone and alcohol,

with an overall selectivity of 95% at the O

2

pressure of 19 atm, at 150



C, 8 h reaction time (Scheme 22.3) [7].

The higher activity of the fluoro-complex [ReClF

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (24), in comparison with the related

chlorocomplexes, is in accord with the observed behavior for the homogeneous peroxidative oxidation of cyclohexane

(Section 22.2.1), and possibly concerns the overall stronger electron-donor character of the fluoride ligand relative to

chloride. Complex 24, supported on 3-aminopropyl functionalized silica, also catalyzes the oxidation of other cycloalkanes

(e.g., cyclopentane, cycloheptane, and cyclooctane) to the corresponding cycloalkanols and cycloalkanones, with conversions

and selectivities comparable to those for cyclohexane oxidation [7]. The use of radical traps supports the involvement of a

free-radical mechanism via carbon- and oxygen-centered radicals.



22.4

CARBOXYLATION OF LIGHT ALKANES

Although carboxylation reactions (which involve C–C bond formation) are not typical oxidation reactions, they are related

to those we have discussed above in view of the possible use of common types of catalysts. Moreover, they are also of

synthetic relevance, allowing to synthesize carboxylic acids (bearing one more carbon atom than the substrate) and their

derivatives, which have several applications in our daily life [8a].

Scorpionate or pyrazole V(V) 1–4610, and 15, and Re(III) 1112161724–26 complexes have been used as

catalysts for the carboxylation of gaseous alkanes via single-pot conversions [5a,f]. These syntheses of carboxylic acids

are much simpler than those used in industry. For instance, in the case of the conversion of methane into acetic acid, the

current industrial routes commonly involve three distinct stages and use more expensive catalysts and harder experimental

conditions (e.g., the Mosanto and BP-Amoco Cativa processes of carbonylation of methanol, at the third stage, are based

on Rh and Ir catalysts, respectively) [8b].

The alkane carboxylation reactions are typically undertaken in trifluoroacetic acid (TFA) at 80

C with a V or Re complex



catalyst and peroxydisulfate as the oxidant, under a CO atmosphere, and lead to the corresponding carboxylic acids with

one more carbon (Scheme 22.4 for the cases of methane and ethane).

O

2

, 150 



°C

OH

O



+

n

n

n

n = 1

−4

Re catalyst anchored on



3-aminopropyl 

functionalized silica



Scheme 22.3

Oxidation of cycloalkane to cycloalkanol and cycloalkanone catalyzed by a Si-supported pyrazole Re complex.

CH

4

 + CO



CH

3

COOH



Catalyst, K

2

S



2

O

8



, TFA, 80 

°C

C



2

H

6



C

2

H



5

COOH


CO

Scheme 22.4

Carboxylation of methane and ethane catalyzed by scorpionate V or Re complexes.



BAEYER–VILLIGER OXIDATION OF KETONES

291

TABLE 22.2

Carboxylation of Alkanes Catalyzed by Scorpionate or Pyrazole V or Re Complexes

a

Substrate



CH

4

C



2

H

6



Catalyst

pCO, atm

MeCOOH


Yield, %

EtCOOH


Yield, %

MeCOOH


b

Yield, %


Total

Yield, %


Reference

[VO


2

{SO


3

C(pz)


3

}] (2)

5

39

13



10

23

5a



[VO

2

{HB(3,5-Me



2

pz)


3

}] (3)

5

16

14



11

25

5a



[VO

2

{HC(pz)



3

}][BF


4

] (1)

5

16

12



11

23

5a



[VO

2

(3,5-Me



2

Hpz)


3

][BF


4

] (4)

5

25

6



11

17

5a



[VO

{HB(pz)


3

}{H


2

B(pz)


2

}] (6)

5

31

4



3

7

5a



[VCl

3

{SO



3

C(pz)


3

}] (10)

5

37

6



2

8

5a



[VCl

3

{HC(pz)



3

}] (15)

5

20

2



3

5

5a



[ReO

3

{SO



3

C(pz)


3

}]

c



(16)

0

1



28

29

5f



[ReOCl

{SO


3

C(pz)


3

}(PPh


3

)]Cl (17)

0

0

18



18

5f

[ReCl



2

{HC(pz)


3

}(PPh


3

)][BF


4

] (12)

0

0

16



16

5f

[ReCl



3

{HC(pz)


3

}]

c



(11)

0

0



5

5

5f



[ReClF

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (24)

0

5

41



46

5f

[ReCl



2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)

c



(26)

0

1



24

25

5f



[ReCl

2

{N



2

C(O)Ph


}(Hpz)(PPh

3

)



2

]

c



(25)

0

0



4

4

5f



Abbreviation: TON, turnover number.

a

Selected results: product yields (moles of product per 100 mol of alkane). Typical reaction conditions for carboxylation: p(alkane)



= 5 atm (1.02 and

1.53 mmol for CH

4

and C


2

H

6



, respectively), n(catalyst)

= 0.020 mmol, 80

C, 20 h, K



2

S

2



O

8

(4.00 mmol), CF



3

COOH (7.5 ml for CH

4

and 5.5 mL for



C

2

H



6

).

b



Formed by oxidation of ethane, rather than carboxylation.

c

p(C

2

H

6



)

= 3 atm.


The dioxo-vanadium(V) [VO

2

{HC(pz)



3

}][BF


4

] (1), [VO

2

{SO


3

C(pz)


3

}] (2), [VO

2

{HB(3,5-Me



2

pz)


3

}] (3), and [VO

2

(3,5-


Me

2

Hpz)



3

][BF


4

] (4); the oxo-vanadium(IV) [VO

{HB(pz)

3

}{H



2

B(pz)


2

}] (6); and the non-oxo-vanadium(III or IV) [VCl

3

{HC(pz)


3

}] (10) and [VCl

3

{SO


3

C(pz)


3

}] (15) compounds, bearing scorpionate or pyrazole ligands, exhibit catalytic activity

in the single-pot carboxylation of methane and ethane to the corresponding carboxylic acids (yields up to 40%, TONs

up to 157, Table 22.2) under mild conditions [5a]. For the alkane carboxylation reaction, the dioxo-scorpionate-V(V)

complexes are usually more active than the monooxo-discorpionate-V(IV) and the non-oxo catalysts [VCl

3

{HC(pz)



3

}] (10)

and [VCl

3

{SO



3

C(pz)


3

}] (15) [5a]. In addition, the sulfonate derivative is water soluble, which is favorable toward application

in a green system. Radical trap experiments suggest the involvement of radical mechanisms for the carboxylations [5a].

The rhenium tris(pyrazolyl)methane compounds [ReCl

3

{HC(pz)


3

}] (11), [ReCl

2

{HC(pz)


3

}(PPh


3

)][BF


4

] (12), [ReO

3

{SO


3

C(pz)


3

}] (16), and [ReOCl{SO

3

C(pz)


3

}(PPh


3

)]Cl (17), and the Re pyrazole complexes [ReClF

{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)]

(24), [ReCl



2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)(PPh

3

)

2



] (25), and [ReCl

2

{N



2

C(O)Ph


}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (26) also act as selective catalysts (or

catalyst precursors) in the K

2

S



2

O

8



/TFA system at 80

C in the absence of CO, for the single-pot oxidation of ethane to give



acetic acid (Scheme 22.4), in a yield up to circa 40% (Table 22.2). Propionic acid can also be formed but normally in a

much lower yield [5f]. The formation of propionic acid is, however, promoted by using CO gas which, in addition, hampers

the production of acetic acid, thus the selectivity being controlled by adjusting the pressure of this gas. The fluoro-dipyrazole

complex [ReClF

{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24) provides the best catalyst for the oxidation of ethane to acetic acid. The

presence of the fluoride ligand, as indicated above for the peroxidative oxidation reactions, is particularly favorable as the

analogous dichloro-complex [ReCl

2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (26) exhibits circa half of the activity [5f].



Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   ...   115




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