Fe-containing mesoporous mesophase silica materials as effective catalysts for synthesis of 1,5-benzodiazepine form o-ph.pdf Бензадиазепины - гетероциклические системы, содержащие два атома азота в семичленном кольце, являются важным классом биологически активных соединений, широко применяемых в медицине в качестве успокаивающих и гипнотически действующих средств, а также для снятия мышечных спазмов [1]. Одним из методов получения соединений данного класса является реакция конденсации о-фенилендиамина (I) с кетонами. В качестве катализаторов в литературе предложено использовать кислотные катализаторы Бренстедовского и Льюисовского типа (H4SiW^O40 [2], H2SOVZrO2 [3], H2SO4/SiO2 [4], Amberlyst-15 [5], ZnCb [6], YbCb [7], InB^nCb [8] и др.). Однако многие из них имеют свои недостатки. Поэтому поиск новых каталитических систем является важной задачей. В данной работе представлены результаты исследования каталитических свойств железосодержащих мезопористых мезофазных силикатных материалов (Fe-MMM-2) в реакции конденсации (I) с ацетоном в 1,5-бензодиазепин (рис. 1). Эти материалы могут представлять интерес для катализа благодаря своим уникальным текстурным и физико-химическим свойствам [9], таким как высокая удельная поверхность, однородное распределение мезопор диаметром 3-4 нм, наличие кислых центров и др. Недавно высокая эффективность данных систем как катализаторов кислотного типа была показана в реакции изомеризации эпоксида а-пинена в камфоленовый альдегид [10]. Рис. 1. Реакция конденсации о-фенилендиамина с ацетоном Целью данной работы было исследование каталитических свойств Fe-MMM-2 с содержанием железа 1,0-5,9 масс. % и установление зависимости скорости реакции и выхода 1,5-дибензодиазепина (III) от его содержания в силикатной матрице. Экспериментальная часть В работе использовали о-фенилендиамин (99,0%, Sigma-Aldrich), ацетон (Sigma-Aldrich), метанол (Acros Organics). Железосодержащие мезопористые мезофазные материалы (Fe-MMM-2) с содержанием железа 1,05,9 масс. % были получены золь-мезофазным способом с использованием цетилтриметиламмоний бромида (CTAB), Na2Si2O5 и FeCl36H2O (Merck), описанным в [9]. Химический состав и текстурные характеристики приведены в табл. 1. Текстурные характеристики исследовали методом низкотемпературной адсорбции азота с использованием прибора Quantachrome Quadrasorb EVO. Природа кислотных центров была исследована методом ИК спектроскопии с использованием пиридина в качестве молекулы-зонда. ИК спектры регистрировали на приборе Shimadzu FTIR-8400S. Т а б л и ц а 1 Содержание железа и текстурные характеристики Fe-MMM-2 материалов Показатель Fe, масс. % Текстурные свойства as, м2/г Ve, см3/г Умезо, см3/г D, нм 1,0% Fe-MMM-2 1,0 925 0,52 0,44 3,0 1,7% Fe-MMM-2 1,7 941 0,51 0,45 3,0 3,9% Fe-MMM-2 3,9 925 0,47 0,45 3,0 5,9% Fe-MMM-2 5,9 917 0,49 0,43 3,0 Примечание. as - удельная поверхность; Умезо - объем мезопор; Ve - общий объем пор; D - диаметр пор. Реакцию конденсации (I) с ацетоном проводили в стеклянном термостатированном реакторе, снабженном мешалкой и обратным холодильником. Катализаторы перед каждым экспериментом активировались прокаливанием при 200°С в течение 2 ч для удаления адсорбированной воды. В реактор загружали 0,1 ммоль (I), 0,25 ммоль ацетона, 0,01 г декана (в качестве стандарта), 4 мл метанола и смесь нагревали до 50°C. При перемешивании в реактор добавляли 0,015 г катализатора. Момент прибавления катализатора считали за начало реакции катализатора. Через определенные интервалы времени отбирали пробы и анализировали методом ГЖХ. Хроматографический анализ проводили на хроматографе Agilent 7820 с пламенно-ионизационным детектором (капиллярная колонка HP-5 25 м). Результаты и их обсуждение Согласно полученным данным Fe-MMM-2 с содержанием железа 1,05,9 масс. % являются эффективными катализаторами реакции конденсации (I) с ацетоном. Реакция протекает с высокой скоростью в растворе метанола при 50°С и мольном соотношении ацетон/(1) 2.5 (табл. 2). Реакция протекает гетерогенно. Визуально отмечено, что катализатор представляет собой отдельную фазу. Реакция не идет в отфильтрованной от катализатора реакционной массе. Согласно данным МС-ГЖХ основными продуктами реакции были (II), (11а) и (III) (рис. 1). Типичные кинетические кривые накопления продуктов реакции (II), (IIa) и (III) и расходования (I) в ходе реакции показаны на рис. 2. Хорошо видно, что реакция протекает в две стадии. На первой стадии образуется продукт (II) в результате присоединения одной молекулы ацетона к (I). Отметим, что в результате протекания побочной реакции циклизации (II) в реакционной смеси наблюдается незначительное количество побочного продукта (IIa). В течение первых 20-40 мин реакции выход (II) возрастает до 75-85%, а затем снижается. Такая зависимость обусловлена протеканием реакции взаимодействия (II) со второй молекулой ацетона с образованием основного продукта (III). Максимальный выход (III) 86-88% наблюдается через 180 мин. Т а б л и ц а 2 Кислотные и каталитические свойства Fe-MMM-2 в реакции конденсации (I) с ацетоном Показатель Каталитические свойства* Кислотные свойства Конверсия (I), % Выход (III), % Е(ЛКЦ + БКЦ), цмоль/г БКЦ №кц, цмоль/г PA, кДж/моль 1,0% Fe-MMM-2 75,0 68,2 6,2 0,5 1185 1,75% Fe-MMM-2 92,4 71,8 13,2 2,8 1175 3,9% Fe-MMM-2 91,7 75,4 23,6 6,2 1180 5,9% Fe-MMM-2 85,5 77,6 20,7 5,9 1188 'Условия реакции: 0,1 ммоль (I); 0,25 ммоль ацетона; 0,015 г катализатора; 4 мл МеОН, 50оС, 150 мин. 0 40 80 120 160 Время, мин Рис. 2. Кинетика реакции конденсации (I) с ацетоном в присутствии 3,9%Fe-MMM-2 (Условия реакции: 0,1 ммоль (I); 0,25 ммоль ацетона; 0,015 г 3,9%Fe-MMM; 4 мл МеОН; 50оС) Экспериментальные данные указывают на то, что конверсия (I) и выход (III) зависят от количества встроенного железа в силикатную матрицу Fe-MMM-2 (табл. 2). С увеличением количества железа выход продукта (III) линейно возрастает. В то же время зависимость «конверсия (I) -количество железа в Fe-MMM-2» имеет вулканообразный характер с максимумом в области 2,1-2,5 масс. %. Такую зависимость можно объяснить несколькими причинами. Прежде всего, это может быть связано с изменением природы кислых мест с увеличением содержания железа в Fe-MMM-2 (табл. 2). Стоит отметить, что как льюисовские (ЛКЦ), так и бренстедовские (БКЦ) кислотные центры могут катализировать данную реакцию. Согласно данным ИК спектроскопии с использованием пиридина в качестве молекулы-зонда количество железа в Fe-MMM-2 слабо влияет на силу БКЦ (PA) (1175-1188 кДж/моль) (табл. 2). В то же время изменение количества Fe с 1,0 до 5,9 масс. % сопровождается ростом числа БКЦ и ЛКЦ (табл. 2). Можно предположить, что общее количество кислотных мест (Х(ЛКЦ + БКЦ)) в Fe-MMM-2 является одним из факторов, влияющих на активность Fe-MMM-2. Как видно из данных, представленных в табл. 2, выход (III) возрастает с увеличением общего количества кислотных центров. В то же время конверсия (I) слабо зависит от их числа, что вероятно, связано с изменением олигомерного состояния ионов железа в силикатной матрице. Ранее методом УФ-ДО [9] было показано образование олигомерных частиц Fe2O3 в образцах Fe-MMM-2 с содержанием железа выше 1,7 масс. %. Изменение эффективности одного активного центра (TON) (формула (1)) с увеличением содержания железа позволяет оценить влияние оли-гомерного состояния ионов железа в силикатной матрице на каталитические свойства Fe-MMM-2: TON = А , (1) ni ( лкц + бкц ) где TON - эффективность кислотного центра, A(III) - выход (III), ммоль; №(ЛКЦ+БКЦ) - количество кислотных центров, ммоль/г. Для 1% Fe-MMM-2 и 1,7% Fe-MMM-2 за 150 мин реакции величины TON равны 733 и 364 соответственно. Это указывает на снижение активности одного активного центра с увеличением содержания железа в системе. Отметим, что аналогичное влияние изменения олигомерного состояния железа в силикатной матрице на каталитические свойства Fe-MMM-2 было показано в реакции изомеризации эпоксида а-пинена в камфоленовый альдегид [10]. В табл. 3 показаны результаты сравнения каталитических свойств самой активной системы 1,7% Fe-MMM-2 с цеолитными системами, представленными в работе [11]. Хорошо видно, что в присутствии этого катализатора выход (I) составляет 81-88% за 3-6 ч. За 5 ч проведения реакции в отсутствие растворителя при 50°С и мольном соотношении аце-тон/(!) 4,0 выход (I) достигает 86% (опыт 3). При проведении реакции в растворе метанола время достижения 86% снижается до 3 ч (опыт 1). Кроме того, заметим, что катализатор позволяет получать (I) с высоким выходом и при 25°С (опыт 2). В целом 1,7% Fe-MMM-2 по своим каталитическим свойствам не уступает цеолитам Heulandite и HY (опыты 6 и 7) и существенно превосходит H-ZSM-5 и P-Zeolite (опыты 4 и 5), что, вероятно, обусловлено их низкой кислотностью. Т а б л и ц а 3 Реакция конденсации (I) с ацетоном в присутствии 1,7% Fe-MMM-2 и цеолитов * № Показатель T, oC Время, ч Выход (III), % Ссылка 1 1,7%Fe-MMM-2 2 50 3 88 Данная работа 2 1,7%Fe-MMM-2 3 25 6 86 Данная работа 3 1,7%Fe-MMM-2 50 5 86 Данная работа 4 P-Zeolite 50 5 39 Данная работа 5 H-ZSM-5 50-55 7 52 [111 6 Heulandite 50-55 5 81 [111 7 HY 50-55 3 82 [111 *0,1 ммоль (I); 4,0 ммоль ацетона; 0,02 г катализатора; 20,1 ммоль (I); 4,0 ммоль ацетона; 4 мл МеОН; 3 0,1 ммоль (I); 4,0 ммоль ацетона; 0,10 г катализатора. Заключение Изучена возможность применения железосодержащих мезопористых мезофазных силикатных материалов (Fe-MMM-2) в качестве катализаторов реакции конденсации о-фенилендиамина с ацетоном в 1,5-бензодиазепин. Полученные данные показывают, что скорость реакции и выход продукта можно целенаправленно регулировать, изменяя количество встроенного в силикатную матрицу ионов железа. В присутствии Fe-MMM-2 систем с содержанием железа не более 1,5-2,0 масс. % наблюдаются максимальная скорость реакции и выход 1,5-бензодиазепина. Такие системы с преимущественно изолированными и/или слабо олигомеризованными ионами железа имеют наибольшее количество кислотных центров. Авторы выражают благодарность канд. хим. наук С.А. Приходько за анализ образцов методом масс-спектрометрии.

Скачать электронную версию публикации