Catalizzatori supportati

La reazione di Sonogashira acilica, come già affermato, è molto interessante dal punto di vista sintetico ed un obiettivo importante sarebbe quindi quello di riuscire a sviluppare sistemi eterogenei di palladio in grado di catalizzare questo processo in modo efficiente e selettivo. Rispetto ai più comuni catalizzatori omogenei, l’impiego di specie metalliche supportate presenta importanti vantaggi quali un più semplice recupero e una più agevole purificazione dei prodotti, una maggiore stabilità termica del catalizzatore stesso ed un suo possibile impiego in più cicli catalitici consecutivi. In letteratura sono presenti numerosi esempi in cui vengono utilizzati sistemi di palladio supportati su matrici, sia organiche che inorganiche, in reazioni di Sonogashira acilica, ma dall’analisi dettagliata di questi lavori non è possibile evidenziare con chiarezza il reale comportamento omogeneo od eterogeneo di queste specie metalliche nel promuovere la reazione

Palladio su supporti inorganici

Palladio su carbone

Il carbone rappresenta sicuramente il supporto inorganico più comunemente impiegato per l’ottenimento di catalizzatori metallici depositati su matrici inorganiche. Nel 2008 Likhar

et coll.33 hanno pubblicato un articolo in cui descrivono l’impiego di un Pd/C commerciale con un carico metallico del 10% come precursore catalitico in reazioni di Sonogashira acilica. Gli autori hanno effettuato uno screening iniziale delle condizioni di reazione, (solvente, base, tempi e temperature di reazione), fino ad individuare quelle ottimali mostrate nello Schema 1.20.

Schema 1.20

Successivamente hanno esteso la metodologia ottimizzata a substrati diversi da quello modello, sottolineando come la reazione richieda tempi di reazione più lunghi (3-4h) in presenza di cloruri acilici aromatici con sostituenti elettronattrattori sull’anello (p-NO2, p-

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eteroaromatici, che impiegando alogenuri o acetileni caratterizzati da catene alifatiche (Schema 1.21)

Schema 1.21

Gli autori hanno poi testato anche la possibilità di riciclare il catalizzatore, filtrandolo e riutilizzandolo in reazioni successive. I risultati ottenuti hanno evidenziato che ad ogni ulteriore ciclo di reazione il tempo necessario per l’ottenimento di una resa soddisfacente (70%) si allungava parallelamente ad una minore conversione dei substrati.

Palladio su solfato di bario

Recentemente, Yuan et al.21 hanno analizzato l’impiego, in reazioni di Sonogashira acilica, di diversi catalizzatori supportati quali il palladio su carbone, palladio su carbonato di calcio e palladio su solfato di bario. Tra le specie testate, Pd/BaSO4 (2 mol %) è risultato

quello che dava le migliori prestazioni, conducendo le reazioni in trietilammina ed in presenza di un co-catalizzatore quale il cloruro di zinco. Per verificare la generalità del metodo, sono stati utilizzati vari cloruri acilici e diversi alchini terminali sia aromatici che alifatici (Schema 1.22). In tutti i casi analizzati gli alchinilchetoni sono stati ottenuti con rese da buone ad ottime (50-93%) ma, come già osservato con il Pd/C, anche in questo caso prove di riciclo hanno messo in evidenza una progressiva diminuzione delle conversioni.

31 Schema 1.22

Palladio su diatomite

Nel 2011 Bakherad et coll.27, che in precedenza si erano già occupati di reazioni di Sonogashira aciliche promosse da complessi di palladio32 e di catalisi eterogenea19, hanno riportato un lavoro che coniugava entrambe le tipologie di catalisi, legando un complesso di palladio (Pd-Salophen, Figura 2) alla superficie di un supporto inerte, la diatomite (o polvere di diatomee).

Figura 2

La sintesi del catalizzatore prevedeva inizialmente il trattamento in etanolo della diatomite con PdCl2(PhCN)2, quindi l’aggiunta del legante salophen ed infine l’essiccamento del

prodotto a 100° per 12 ore. La quantità di palladio nel catalizzatore è stata determinata tramite analisi ICP ed il confronto degli spettri FTIR tra il sistema catalitico ottenuto rispetto e quello della diatomite non legata ha permesso di stabilire che il complesso Pd- Salophen risultava essenzialmente presente all’interno delle cavità del supporto.

Per quanto riguarda invece la messa a punto delle condizioni di reazione, sono state condotte diverse prove con un sistema modello variando la natura della base (impiegata anche come solvente), il tempo di reazione e la quantità del catalizzatore. Le condizioni

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ottimali scelte dagli autori (diisopropiletilammina, un carico catalitico di 1 mol %, temperatura ambiente per 2 or0065) sono state applicate a reazioni di Sonogashira acilica tra diversi cloruri acidi aromatici, eteroaromatici ed alifatici ed alchini aromatici ed alifatici, fornendo i prodotti desiderati con risultati eccellenti, come mostrato dallo Schema 1.23.

Schema 1.23

La possibilità di riutilizzare il catalizzatore è stata valutata per la reazione di coupling tra il benzoil cloruro ed il fenilacetilene che ha evidenziato una perdita superiore al 10% (dal 97 al’85%) nella resa già dopo il quarto riciclo.

Palladio su silice modificata

L’uso della silice come supporto per il palladio in reazioni di Sonogashira acilica è stato descritto per la prima volta nel 2013 da Jin et coll22, che hanno funzionalizzato la superficie della silice con gruppi organotiolici utilizzando il 3-(mercaptopropil)- trimetossisilano in toluene a 100 °C, come riportato nello Schema 1.24. Successivamente l’aggiunta del palladio acetato fino al trasferimento della colorazione arancione del complesso alla silice ha fornito la specie denominata Pd-SH-SILICA.

Il catalizzatore così ottenuto è stato impiegato in reazioni di Sonogashira acilica, operando in condizioni sperimentali blande (trietilammina e toluene a temperatura ambiente) così da evitare situazioni che potessero portare ad un abbattimento della resa dei prodotti quali la sinterizzazione del metallo o la degradazione della struttura del supporto.

33 Schema 1.24

Sono stati testati con il fenilacetilene cloruri acilici aromatici ed etero aromatici che hanno fornito i prodotti alchinonici con rese elevate (Schema 1.25).

Schema 1.25

Nonostante gli ottimi risultati ottenuti, gli autori affermano che il catalizzatore supportato sembra in realtà agire da fonte di palladio solubile e che il metallo viene ricatturato, almeno in parte, a fine reazione. In effetti, prove di riutilizzo hanno evidenziato una discreta diminuzione di attività già dopo il quarto riciclo.

Palladio su materiali mesoporosi di silicio

Nel 2009 Tsai et al.25 hanno pubblicato un articolo che descrive reazioni di Sonogashira acilica promosse da un catalizzatore supportato costituito da MCM-41 (Mobile

Composition of Matter), un materiale mesoporoso nano strutturato con elevata uniformità

nella dimensione dei pori e dotato di un’ampia area superficiale, su cui gli autori hanno ancorato il complesso Pd(2,2’-bipiridina)Cl2 (Figura 3).

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Figura 3

Durante il processo di ottimizzazione delle condizioni di reazione sono state testate diverse basi e l’unica che ha fornito risultati incoraggianti è stata la trietilammina che è stata quindi impiegata anche come solvente. Per verificare l’applicabilità del metodo gli autori hanno condotto la reazione con diversi substrati, effettuando uno screening sia sui cloruri acilici che sugli alchini. Sono stati testati con fenilacetilene cloruri aromatici, etero aromatici ed alifatici, ottenendo i prodotti attesi con rese da buone ad ottime in tempi compresi tra 1 e 9 ore (Schema 1.26).

Schema 1.26

Anche quando la reazione è stata estesa ad alchini alifatici ed aromatici variamente funzionalizzati ha fornito i corrispondenti alchinilchetoni con ottime rese (74-95%) come mostrato nello Schema 1.27.

35 Schema 1.27

Infine, un altro interessante lavoro che descrive l’uso di materiali mesoporosi di silicio altamente ordinati come supporto per l’ottenimento di catalizzatori di Pd da impiegarsi in reazioni di Sonogashira acilica è stato pubblicato sempre nel 2009 da Zhan e coll.34. In questo caso molecole di difenilfosfina sono state ancorate alla superficie interna dei nanopori della silice tramite ponti etilici. Il materiale così ottenuto era in grado di coordinare il palladio aggiunto come sale di Pd(II) (Schema 1.28).

Schema 1.28

Il sistema è stato poi impiegato con ottimi risultati sia in termini di conversione che di selettività nella reazione modello tra cloruro di benzoile e fenilacetilene, effettuata in acqua distillata, in presenza di un tensioattivo e di ioduro rameoso (Schema 1.29).

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Schema 1.29

Nel 2011 lo stesso gruppo35 ha descritto la preparazione di silicati mesoporosi altamente ordinati e funzionalizzati con terminazioni organometalliche simili al catalizzatore ottenuto in precedenza ma con una più elevata uniformità delle microsfere, attraverso una tecnica di auto assemblaggio che prevedeva la dispersione in aerosol dei reagenti della miscela di preparazione del materiale mesoporoso, tramite un flusso di azoto. Analogamente a quanto riportato in precedenza, la reazione di Sonogashira tra i substrati modelloè stata condotta in acqua ed in presenza di tensioattivi ed il catalizzatore supportato ha fornito l’etinilchetone con rese di poco inferiori (89 vs. 94%) a quelle di un catalizzatore omogeneo di riferimento, il PdCl2(PPh3)2,

Palladio su nanotubi di carbonio

Nel 2012 Santra et al.28 hanno riportato l’uso di nanotubi di carbonio a parete singola (SWNTs) chimicamente funzionalizzati come supporto per nanoparticelle di palladio da impiegare in reazioni di Sonogashira acilica. I nanotubi di carbonio sono attualmente molto utilizzati nella catalisi eterogenea come matrici per nanoparticelle metalliche, in virtù dell’estensione della loro area superficiale e per la facilità con cui le fissano se sulla loro superficie vengono posti opportuni gruppi funzionali, come ad esempio quelli carbossilici. Tra le tecniche impiegate per l’ancoraggio delle nanoparticelle, la decomposizione termica o la pirolisi di sali di metalli rimangono quelle più efficienti e facilmente riproducibili (Schema 1.30).

37 Schema 1.30

Il sistema catalitico così ottenuto è stato impiegato con successo in reazioni tra cloruri aromatici ed eteroaromatici ed acetileni aromatici ed alifatici (Schema 1.31).

Schema 1.31

Le prove di riciclo del catalizzatore, effettuate sulla reazione tra il 2-tiofenilcarbonil cloruro e fenilacetilene, hanno inoltre mostrato una buona resistenza del catalizzatore ed una forte interazione delle nanoparticelle di palladio con i gruppi superficiali dei nanotubi. In effetti, solo dopo il quinto riciclo si è osservata una piccola diminuzione della reattività (dal 98 al 90%).

Recentemente Navidi et al.29 hanno preparato un sistema eterogeneo costituito da un complesso di palladio con una base di Schiff legato alla superficie di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNTs-Pd-base di Schiff, Schema 1.32)

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Schema 1.32

Il catalizzatore così ottenuto è risultato attivo in reazioni di Sonogashira acilica condotte in assenza di CuI e solvente, all’aria e con un basso carico catalitico (0.6 mol %). In particolare, sono stati ottenuti ottimi risultati (86-94%) operando con fenilacetilene e cloruri acilici aromatici, eteroaromatici ed alifatici mentre rese inferiori sono state osservate utilizzando alchini alifatici (53-70%) (Schema 1.33).

Schema 1.33

Il catalizzatore è stato riciclato fino a quattro volte evidenziando però una decisa diminuzione di reattività (dal 92 al 71%)

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Palladio su supporti organici

Palladio su polistirene

Solo nel 2010 Bakherad et coll.19 hanno descritto il primo esempio di catalizzatore di palladio supportato su una matrice organica da impiegarsi in reazioni di Sonogashira acilica. In effetti gli autori hanno preparato una specie di palladio costituita da sfere di polistirene sulla cui superficie sono state ancorate molecole di difenilfosfina a cui è stato successivamente legato il palladio (PS-dpp-Pd(0), Schema 1.34).

Dopo un’indagine approfondita, gli autori hanno messo a punto le condizioni sperimentali ottimali che sono risultate essere l’uso della trietilammina come base e solvente, un carico catalitico dello 0.5 mol %, temperatura ambiente e atmosfera aerobia.

Schema 1.34

Il PS-dpp-Pd(0) è stato testato in reazioni di coupling di cloruri acilici aromatici, caratterizzati da raggruppamenti elettronattrattori ed elettrondonatori, con fenilacetilene e 1-esino. (Schema 1.35). In tutti i casi i corrispondenti inoni sono stati ottenuti con rese da buone ad ottime.

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Schema 1.35

La stabilità del catalizzatore è stata investigata con prove di riciclo che hanno evidenziato la possibilità di riutilizzare il PS-dpp-Pd(0) fino a 10 volte senza apprezzabile perdita di reattività (dal 98 al 92%).

Palladio su poli(1,4-fenilene solfuro)

Le nanoparticelle di metallo nella catalisi di reazioni di cross coupling hanno suscitato un notevole interesse nell’ultimo decennio per la loro potenziale modulabilità in termini di dimensioni, forme ed attività. Nell’ambito degli studi sul processo di Sonogashira acilica nel 2011 è stato pubblicato20 un articolo che descrive la preparazione di nanoparticelle di palladio (PdNPs) stabilizzate in una matrice polimerica, (PPS, poli(1,4 fenilene solfuro) (Schema 1.36) ed il loro impiego nella sintesi di composti alchinonici.

Schema 1.36

Il PdNPs-PPS è stato infatti testato in reazioni di Sonogashira acilica che hanno evidenziato come il coupling con entrambi i partner con sostituenti arilici era quello che

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dava i risultati migliori in termini di resa (65-98%), mentre si osservava un brusco calo di reattività nel caso di cloruri e alchini alifatici (15-57%) (Schema 1.37).

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