Prove con catalizzatori supportati

Così come programmato, dopo aver individuato per la nostra reazione modello un set di condizioni decisamente più conveniente, economico e pratico (anche da un punto di vista del

work-up, come specificato nel paragrafo 2.2.4) di quello usato industrialmente, si è proceduto

con una verifica della possibilità e della convenienza di sostituire il catalizzatore omogeneo (Pd(OAc)2) con un catalizzatore supportato, formalmente eterogeneo. Infatti in linea di

principio questa sostituzione avrebbe potuto comportare vantaggi di diversa natura: i) ulteriore semplificazione del work-up; ii) possibilità di effettuare le reazioni anche all’aria (in letteratura e nella nostra esperienza sono comuni i casi di reazioni di cross-coupling condotte senza problemi in atmosfera aerobica se promosse da catalizzatori supportati anziché da classici catalizzatori omogenei; iii) più facile recupero del metallo per un più agevole smaltimento e, soprattutto, iv) riduzione del palladio residuo nel prodotto grezzo. Tutto ciò, ovviamente, a scapito dell’economicità, visto che tutti i catalizzatori supportati hanno un costo maggiore (per mmole di Pd contenuto) del semplice Pd(OAc)2 (che peraltro è forse il

più economico anche tra i catalizzatori di Pd omogenei comunemente utilizzati in reazioni di cross-coupling). Pertanto l’impiego di catalizzatori supportati avrebbe avuto senso solo se nettamente vantaggioso. D’altra parte oggi l’impiego della catalisi supportata in reazioni di cross-coupling promosse da metalli di transizione (tutte nate con una catalisi omogenea) è in continuo studio e aumento proprio perché può comportare vantaggi come quelli sopra citati.56 A questo scopo sono stati inizialmente saggiati due catalizzatori supportati commerciali di generazione abbastanza avanzata, ma facilmente disponibili e di costo non troppo elevato: il PdEnCat 40 e il FibreCat 1007 (Tabella 2.5).

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Provaa Catalizzatore LiCl (equiv.) Tempo (h) Conversione in 26a+34a (%)b Resa glc in 26a+34a(%)c 34a/26a (%) 1 PdEnCat 40 0.5 mol% 1 2 >99 96 0.09 2 FibreCat 1007 0.5 mol% 1 5 >99 85 0.09 3 PdEnCat 40 0.5 mol% 0.5 2 99 83 0.1 4 FibreCat 1007 0.5 mol% 0.5 4 >99 86 0.09 5 PdEnCat 40 0.25 mol% 0.5 3 99 84 0.09 6 FibreCat 1007 0.25 mol% 0.5 6 99 85 0.1 a

Condizioni di reazione: 10 mmol di 24a, 1.2 equiv. di 25a, 2 equiv. di TPA, DMF (2.5 mL/ mmol), 80 °C, N2.

b _{Calcolata come rapporto percentuale tra l’area del segnale glc dovuto a 24a e la somma di quelle di 26a e 34a;}

c

Resa gas-cromatografica calcolata usando naftalene come standard interno.

Tabella 2.5

Come risulta dalla tabella 2.5, in primo luogo sono state saggiate quantità dei due catalizzatori pari ad una dose di Pd doppia di quella ottimizzata per il Pd(OAc)2 (prove 1 e 2),

utilizzando ancora le condizioni più diluite. Avendo così verificato che le reazioni risultavano comunque efficienti è stato deciso di provare a dimezzare la quantità di LiCl: ciò non ha comportato peggioramenti dell’andamento delle reazioni (prova 3 e 4, Tabella 2.5). Pertanto è stato ritenuto opportuno ripetere le reazioni abbassando anche il carico catalitico, ovvero portandolo allo stesso livello di quello ottimizzato per il Pd(OAc)2 (0.25 mol% di Pd, prove 5

e 6 Tabella 2.5); ancora una volta l’efficienza delle reazioni è rimasta elevata, salvo un deciso rallentamento di quella promossa dal Fibrecat 1007 (prova 6).

In conclusione, visti i risultati ottenuti, (Tabella 2.5), appare evidente che le migliori condizioni per poter eseguire la reazione in modo efficace e in catalisi supportata siano quelle della prova 5; infatti il PdEnCat 40, oltre ad essere risultato molto efficiente anche in dosi analoghe al catalizzatore omogeneo, ha anche permesso di ottenere alte rese in tempi brevi. Il FibreCat 1007 ha mostrato buone prestazioni, purtroppo però, a parità di conversione e resa, ha comportato un raddoppio dei tempi di reazione.

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Una volta appurato che anche i catalizzatori supportati scelti possono portare a ottimi risultati in termini di resa e velocità di reazione, e visto che le precedenti prove su minori volumi di solvente si sono rivelate molto utili (Tabella 2.4), è stato deciso di provare a diverse concentrazioni anche queste reazioni in catalisi supportata. In questo caso è stata ampliata l’analisi anche al PdEnCat 30, per verificare se una diversa porosità della matrice potesse migliorare ulteriormente i risultati rispetto al PdEnCat 40.52f, g; 57

Schema 2.8 Provaa Catalizzatore DMF (mL/mmol di 24a) Tempo (h) Conversione in 26a+34a (%)b Resa glc in 26a+34a(%)c 34a/26a (%) 1 PdEnCat 40 0.25 mol% 1.25 3 99 78 0.09 2 FibreCat 0.25 mol% 1.25 5 99 77 0.09 3 PdEnCat 30 0.25 mol% 1.25 6 60 d - 0.09 4 PdEnCat 40 0.25 mol% 0.625 5 99 98 0.1 a

Condizioni di reazione: 10 mmol di 24a, 1.2 equiv. di 25a, 0.5 equiv. di LiCl, 2 equiv. di TPA, 80°C, N2.

b

Calcolata come rapporto percentuale tra l’area del segnale glc dovuto a 24a e la somma di quelle di 26a e 34a;

c _{Resa gas-cromatografica calcolata usando naftalene come standard interno.}

d

La reazione viene fermata perché troppo lenta, quindi non conveniente.

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Al contrario di quanto ci si poteva aspettare, il PdEnCat 30 si è rivelato peggiore dei due catalizzatori supportati provati in precedenza, pertanto è stato scartato (prova 3, Tabella 2.6). Le prove eseguite ad una concentrazione circa doppia sono invece risultate valide, anche se con rese glc leggermente inferiori a quelle ottenute con la concentrazione originaria (cfr. prove 1 e 2, Tabella 2.6 con prove 5 e 6, Tabella 2.5, rispettivamente). Purtroppo anche in questo caso, come con il catalizzatore omogeneo (Tabella 2.4), con un ulteriore aumento della concentrazione, i tempi di reazione sono aumentati, la miscela di reazione è risultata estremamente viscosa e la reazione non si è sempre mostrata esattamente riproducibile; pertanto abbiamo optato per continuare ad operare con una quantità di solvente pari a 1.5 mL/mmol.

Infine, una volta valutati tipi e quantità di catalizzatori, sono state fatte ulteriori prove all’aria, sia con il PdEnCat 40 che con il Fibrecat 1007, utilizzando le condizioni delle prove 1 e 2 della Tabella 2.6; in ambedue i casi non sono stati ottenuti risultati positivi, come era successo in precedenza con le condizioni omogenee (vedi paragrafo 2.2.1).

In conclusione, queste prove con i catalizzatori supportati hanno avuto un esito molto positivo, sia da un punto di vista conoscitivo che applicativo. Infatti ambedue i sistemi supportati saggiati sono risultati efficienti alle stesse dosi e nelle stesse condizioni ottimizzate per l’omogeneo Pd(OAc)2. Inoltre, a parte l’efficienza formale delle reazioni, molteplici

ripetizioni delle prove hanno mostrato una riproducibilità dei risultati ancora più elevata, le miscele di reazione sono apparse ancora più fluide ed il work-up è stato ancora più agevole e pulito, con estratti organici finali più incolori e quindi apparentemente conteneti meno palladio. D’altra parte i dati riportati nei paragrafi 2.3 e successivi mostreranno in modo chiaro e quantitativo come l’uso di questi catalizzatori supportati possa comportare un notevole vantaggio in termini di contenuto di Pd nei prodotti grezzi, eliminando ogni necessità di tediosi e costosi trattamenti atti a rimuoverlo (con opportuni scavenger). Invece un’altra delle nostre attese è andata delusa: anche con questi sistemi la nostra reazione procede solo in ambiente anaerobico.

Per quanto riguarda infine la scelta fra i sistemi supportati utilizzati, il più conveniente appare decisamente il PdEnCat 40. Infatti il PdEnCat 30 è scarsamente efficiente, mentre il Fibrecat 1007 richiede, a parità di resa, un tempo di reazione doppio; inoltre è decisamente più costoso del PdEnCat 40, a parità di Pd contenuto.

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2.3 Studio con substrati diversi da quelli della reazione modello