Katalytische aminatie van fenolen met amines of ammoniak

Aromatische en alifatische (di)amines zijn alomtegenwoordige industriële precursoren voor polymeren, actieve farmaceutische ingrediënten, kleurstoffen en agrochemicaliën; elk jaar geproduceerd in grote hoeveelheden. Echter, de chemische processen ter vorming van deze moleculen hebben een niet te verwaarlozen impact op het milieu. Klassieke procedures berusten bijna uitsluitend op de exploitatie van (pre-geactiveerde) eindige fossiele grondstoffen. Bovendien tonen sommige van deze processen significante gebreken zoals een inefficiënte atoom- en stap economie, genereren ze enorme hoeveelheden gevaarlijke chemische afvalstromen of falen zelfs om efficiënt het beoogde product te synthetiseren. In de context van een meer en meer ‘eco-bewuste’ samenleving wordt de verschuiving naar een meer duurzame productie van brandstoffen, chemicaliën en energie in toenemende mate belangrijker. Daarom focust dit proefschrift op de duurzame katalytische transformatie van twee veelbelovende groepen van moleculen, namelijk fenolen en isohexides, die verkregen kunnen worden uit hernieuwbare bronnen (bv. lignocellulose biomassa).

In het eerste deel van deze thesis wordt de directe fenol-naar-aniline aminatie met ammoniak in de vloeistoffase gepresenteerd, wat op dat moment het eerste verslag was van zijn soort. Met behulp van een gedragen edelmetaal wordt fenol gedeeltelijk gereduceerd in de aanwezigheid van H2 naar cyclohexanon, dat op zijn beurt snel kan reageren met ammoniak naar cyclohexanimine via een nucleofiele additie en dehydratie sequentie. Het reactieve imine intermediair kan vervolgens gedehydrogeneerd worden naar aniline onder de juiste reactie condities. Aangezien water gevormd wordt als het enige bijproduct wordt deze transformatie gekenmerkt door een hoge atoomeconomie en worden geen gevaarlijke afvalstromen gegenereerd. Dit is in scherp contrast met klassieke aniline productieprocessen. Bovendien wordt H2 zowel geconsumeerd als geproduceerd doorheen de reactiecyclus; er is dus geen netto nood aan een reductant. Pd/C werd gedemonstreerd als een erg performante en herbruikbare katalysator aangezien het verantwoordelijk is voor een relatief snelle fenol hydrogenatie onder lage H2 partieel druk en, op het zelfde moment, in staat is om dehydrogenatie naar aniline te katalyseren. De invloed van H2 en NH3 partieel drukken en solvent keuze werden onderzocht, resulterend in een hoge aniline opbrengst tot 95% onder de geoptimaliseerde condities door fenol conversie te maximaliseren en de vorming van secundaire amines te vermijden. Meer sterisch gehinderde cresolen werden omgezet naar hun overeenkomstige anilines, zij het onder meer reducerende condities.

In het tweede deel werd gedragen Ni onderzocht als een alternatief voor katalysatoren gebaseerd op dure edelmetalen zoals Pd en Rh voor de reductieve aminatie van fenol. Verschillende Ni katalysatoren werden getest, en Ni/Al2O3 werd geïdentificeerd als de meest performante katalysator voor deze transformatie. De invloed van enkele belangrijke parameters werd onderzocht, zoals de zuur-base eigenschappen van het draagmateriaal via FTIR spectroscopie gebruikmakend van cyclohexylamine. De matige katalytische activiteit van relatief zure materialen werd toegeschreven aan de sterke adsorptie van het basische cyclohexylamine, of het iets minder basische NH3, resulterend in een katalysator inhibitie effect. Al2O3 bezit slechts een matige zuurheid, genoeg om enkele reactiestappen te katalyseren, maar N-houdende moleculen interageren matig sterk met het draagmateriaal. Zowel de NH3 als de H2 partieel drukken beïnvloeden de conversie van fenol erg sterk, alsook de keuze van het solvent. Een cyclohexylamine opbrengst tot 93% werd verkregen onder de geoptimaliseerde condities. De gebruikte substraten en reagentia werden uitgebreid door verschillende fenolische en fenol-afgeleide substraten te converteren, maar ook door amines te gebruiken in plaats van ammoniak. Vooral de synthese van het industrieel relevante H12MDA (93% opbrengst vanuit bisfenol F) is van aanzienlijk belang.

In het laatste deel werd de transformatie van het volledig biogebaseerde isosorbide naar het diketon onderzocht als een potentiële route naar nieuwe diamines voor de polymeer industrie. Klassieke methodes zijn onbevredigend wat betreft de principes van groene chemie, of falen zelfs om enig diketon te produceren omwille van de onreactieve exo-OH groep. Als gevolg werd een nitroxyl radicaal mediator gebruikt in combinatie met bromiden onder elektrochemische condities. Het oxoammonium zout van TEMPO is verantwoordelijk voor de oxidatie van beide –OH groepen, en wordt geregenereerd door middel van transport van elektronen naar het eind oxidans, de anode. Het bromide fungeert als het elektroliet, maar promoot ook het eerder genoemd transport van elektronen door in situ gevormd broom of hypobromiet. Door middel van dit dubbel-gemedieerd systeem werd een diketon opbrengst tot 85% gerealiseerd onder milde reactiecondities in water of een water-ACN mengsel. Geïmmobiliseerd TEMPO werd ook bevonden als een effectieve mediator voor deze oxidatie (76% diketon opbrengst), waardoor een eenvoudige scheiding en dus makkelijkere verwerking van het diketon mogelijk wordt. Ter illustratie wordt het diketon onderworpen aan een tweestaps aminatie-reductie sequentie in methanol, gebruikmakend van commercieel beschikbare katalysatoren. De isohexide diamine isomeren werden gevormd met een opbrengst van 69% ten opzichte van de initiële isosorbide gehalte.