Каталитические процесс в практике органического синтеза
Прежде чем двигаться дальше самое время немного подробнее остановиться на катализе. Как уже было и не раз сказано, применение переходных металлов в органическом синтезе – это не обязательно катализ. Но катализ в химии – одна из самых важных областей. “Катализ – это химия будущего” – как в воду глядел из почти столетней давности один из самых ярких представителей российской химии, а по совместительству ещё и отец американской химической промышленности, Владимир Ипатьев. И хотя он имел в виду не совсем то, что мы сейчас изучаем, но трудно не заметить, что без катализа современная органическая химия мертва как ржавый гвоздь – ничего кроме нитробензола она сделать не сможет. Ах, чёрт, и для нитробензола тоже нужен катализ! Да и получить его можно не только старым и не очень добрым нитрованием, а современными методами с использованием комплексов переходных металлов (впрочем, это небольшое преувеличение, в современной промышленности нитробензол продолжают получать нитрованием бензола, только очень тщательно оптимизировав процесс и минимизировав отходы).
Что интересует исследователя, занимающегося разработкой каталитических методов и протоколов? И почему вообще нужно их разрабатывать после того как, скажем, Судзуки и Мияура опубликовали свою основополагающую статью?
Ответ достаточно прост: человек, а химик это человек, сомненья в этом нет – всегда делает только то, что приносит какой-то результат. Когда мы говорим о катализе в органическом синтезе, результат – это улучшение. Видимо, оригинальный метод из статьи основоположников далёк от идеала, и его можно улучшить, и тогда этим стоит заниматься. С точки зрения органического синтеза, улучшить – значит повысить выходы, сделать метод более удобным и робастным. Это словечко из матстатистики очень удобно означает малую чувствительность ко всяким косякам и ошибкам – хороший метод должен быть снисходителен к недостатку опыта экспериментатора и не сходить с рельсов просто от того, что его выполняет не Боб Вудвард и не Самуил Данишефски, и не другие легендарные синтетики недавнего и более далёкого прошлого. Более селективным. Ну и в современном контексте придётся еще попробовать пройти экспертизу Греты Тундберг – постараться убедить, что выполнение синтеза по данной методике не приведёт к увеличению пластмассового острова в океане и не приблизит разогревание планеты на 5 градусов. В наше время это называется “зелёной химией” и считается почти обязательным.
А что это значит с точки зрения катализа? В принципе то же самое, только в специфических терминах каталитических процессов. Мы не будем рассматривать тонкости кинетики каталитических реакций и тому подобные сложности, которые при желании можно изучить в специальных курсах. Нас будут интересовать простые и очень доступные характеристики каталитических процессов, которые можно даже не измерять специально, а просто прикинуть из данных в методике – длительности реакции, количеств реагентов и катализатора, выхода продуктов. Эти характеристики, если их применять с пониманием того, что они собственно говорят, дают неплохое представление о сравнительных возможностях разных методов. И они же очень часто используются для попыток манипуляции – неразборчивый читатель “клюёт” на красивые цифры и получает совершенно неадекватное представление о том, что собственно сделано в очередной работе с громким заголовком. В современной химии, увы, броские заголовки в научных журналах стали столь же наглы и обманчивы, как в таблоидах о жизни третьесортных звёзд. Если не научиться в этом разбираться, можно решить, что все проблемы человечества уже решены и перерешены, от отчаяния бросить химию и податься в биндюжники. Не нужно бросать химию от отчаяния – в химии ещё полно нерешённых задач, их ненамного меньше, а точнее гораздо больше, чем десять, пятьдесят, сто лет назад.
Кросс-сочетание и многие (но не все!) другие процессы с участием комплексов переходных металлов являются каталитическими: комплекс переходного металла добавляют в реакционную смесь в количествах, меньших, чем загрузки основных реагентов. Насколько меньших? Формально, даже 99% от загрузки (от стехиометрии) можно считать каталитическим количеством. Но это типичный пример избыточной формализации, которую не терпит химия, наука о реальных, а не воображаемых процессах.
Любой каталитический процесс можно представить в виде каталитического цикла - последовательности стадий механизма, изображаемых относительно катализатора и интермедиатов, образуемых с его участием. Настоящим признаком каталитического процесса является способность катализатора осуществить минимум два каталитических цикла, то есть образовать минимум в два раза больше продукта, чем использовано катализатора. Понятно, что при количественном выходе продукта мы должны быть способны выполнить реакцию максимум при 50%-ном от стехиометрии количестве катализатора.
Второй важный критерий - комплекс металла не входит в стехиометрическое уравнение реакции, используемое для расчета загрузок реагентов и выхода продукта.
Но, и этот расчёт не учитывает то, что в реакцию редко вводится истинный катализатор . Вместо него в реакцию вводится более удобная и устойчивая форма - пред-катализатор. И мы должны учитывать то, что реакция или равновесие, в котором из пред-катализатора образуется катализатор не обязана быть 100%-но эффективной. Поэтому, каталитической может быть реакция с загрузкой пред-катализатора даже существенно превышающей стехиометрию. Разберёмся в этом парадоксе дальше.
Каталитические процессы принято сравнивать по очень простому показателю - TON (TurnOver Number, число каталитических циклов). Это очень формальная величина, ценность которой в том, что она всегда оценивается одинаково, являясь всегда пессимистической оценкой числа циклов. Реальное число циклов может быть больше, даже в разы, но не может быть меньше.
Для оценки TON берут загрузку предкатализатора, измеряемую в мольных процентах - отношении (выраженном в процентах) числа молей предкатализатора к числу молей опорного субстрата, по которому считается выход продукта.
Выход продукта (используется выход от теории, число молей продукта, делённое на число молей опорного субстрата, выраженное в процентах). Выход просто делят на загрузку.
Например:
Выход продукта 97% при загрузке предкатализатора 1 моль%.
TON = 97/1 = 97 циклов.
Почему TON - всегда нижняя, пессимистическая оценка числа каталитических циклов? Потому что она не учитывает то, что превращение предкатализатора в катализатор (пред-активация) почти никогда не имеет 100%-ную эффективность. Реальную эффективность вообще очень трудно определить, поэтому её и не используют. Но раз реально в реакции участвует только часть введённого в реакцию комплекса металла, число циклов будет больше.
У каталитических процессов обычно очень непростая кинетика, зависящая от огромного числа факторов. Измерять и использовать кинетические параметры в практических целях бесполезно. Вместо обычных кинетических параметров типа констант скоростей в катализе для характеристики скорости используют такую характеристику как частота каталитических циклов (TOF, TurnOver Frequency). Эту величину обычно оценивают очень просто, разделив TON на общее время реакции. Такую величину правильнее называть интегральной частотой обращения, и она даёт очень грубую оценку реальной скорости каталитического процесса. На следующем слайде разберёмся подробнее.
Кинетические кривые каталитических процессов, нарисованные в виде зависимости выхода продукта или конверсии (степени превращения) опорного субстрата, или, что почти то же самое, TON - от времени реакции почти всегда имеют характерную S-образную форму. Первый участок кривой (латентный или индукционный), на котором реакция практически не идёт, связана с превращением пред-катализатора в каталитически активную частицу (собственно катализатор) - стадией предактивации.
Невозможность корректного учёта длительности латентного периода предактивации, а также неопределённость в определении конкретного времени реакции - на каком уровне выхода, условно, 95 или 98% мы считаем реакцию завершившейся, делает интегральный TOF (обычно это именно то, что имеют в виду в литературе под TOF) очень приблизительной величиной для сравнения скоростей каталитических процессов. Поэтому серьёзно обсуждать различия в TOF, обусловливающие ожидаемые преимущества какого-то нового метода над существующими, стоит только если это разница в разы, а ещё лучше, на порядки. Обсуждать разницу, например, в 10-20% и даже 30-40% смешно, и все, кто это делает, производят комический эффект.
Более корректным было бы определение истинной частоты обращения циклов, но для этого необходимо иметь кинетическую кривую. На участке активной работы катализатора в условиях пока ещё большого избытка субстрата над катализатором можно обычными способами определять мгновенные величины TOF. Разумнее использовать обычные методы математического анализа и определить средний наклон такого участка. Эту величину можно считать более корректной, пригодной для количественного сравнения зависимости скорости каталитической реакции от катализатора, условий, и других параметров.
Отдельно заметим, что эти соображения применимы для реакций "в колбе", точнее в реакторе с однократной загрузкой реагентов - это называется batch reactor. В промышленных условиях, да и теперь уже довольно часто в лабораториях чаще применяют поточные реакторы - flow reactor, в которых в зоне реакции мы всегда имеем дело именно со средним участком кинетической кривой. Для таких реакторов в стационарном режиме TOF должен быть постоянным.
В недавней истории катализа комплексами переходных металлов в органической химии была немного потешная страничка - гонка за рекордами TON. Кто её начал теперь уже не разберёшь, но в конце прошлого тысячелетия и первое десятилетие этого в этом спорте поучаствовали почти все видные исследователи в этой области.
Кто нашёл лучший катализатор? Химия, конечно, не спорт, но почему бы и нет?
Каким образом часто достигались рекорды в немного утрированном виде показано на этой табличке. Очень часто бывает так, что если снижать количество катализатора, выход сначала остаётся в разумных пределах, а затем только начинает падать, и чем меньше катализатора, тем быстрее. Фокус в том, что он редко падает до нуля, а остаётся в пределах ста процентов, то есть изменяется не более, чем на два порядка. А катализатор при этом уменьшается на 4-6 порядков. Получаем огромный рост TON, фиксируем наибольший и пишем статью про TON в миллион. Другой выдаст тем же способом десять миллионов. И так далее. Дошли до миллиардов.
Обратите внимание, что TOF, даже интегральный, даёт в этих случаях более адекватную оценку происходящего, потому что с уменьшением количества катализатора всегда сильно возрастает время реакции. Чудес не бывает, и скорость каталитической реакции всегда зависит от концентрации катализатора. Если бы мы измеряли истинный TOF, мы бы это увидели сразу. Интегральный TOF может вести себя более странно, но тоже, если и растёт вместе с TON, то в пределах ошибки определения этой грубой характеристики.
Вывод: всегда обращайте внимание на время реакции, когда вам попалась работа, утверждающая, что предлагает супергиперэффективный катализатор, лучший в мире, Галактике и Вселенной.
Но при этом эти странные гонки, к счастью, в последнее десятилетие почти заглохшие, выявили одну очень важную особенность палладиевого катализа, позже подмеченную и у других переходных металлов. Об этом - далее.
Как и в других многостадийных процессах скорость всего процесса почти всегда определяется одной, самой медленной (скорость-определяющей) стадией. В каталитическом цикле такая стадия будет определять TOF, поэтому её можно назвать TOF-определяющей.
В этой химии ещё очень популярна для обозначения медленной стадии метафора бутылочного горлышка (bottleneck), которую стоит понимать не в обыденном смысле - скорость выливания жидкости из бутылки определяется шириной горлышка, - а в смысле, более близком к понятию узкого отверстия, диафрагмы, поперёк потока, ограничивающего его скорость. Такая бутылка, в которую вливается, чем шире горлышко, тем больше вольётся.
Любая стадия может играть роль бутылочного горлышка. В классических реакциях кросс-сочетания это обычно окислительное присоединение.
Комплекс металла в медленной стадии имеет особое значение в цикле - этот комплекс имеет возможность накапливаться, потому что скорость его образования обычно больше, чем скорость расходования. Именно такую форму каталитически активной частицы обычно находят в каталитических реакциях экспериментальными методами просто потому, что концентрация их наиболее высока по сравнению с другими формами катализатора. За такой формой закрепилось не менее образное название resting state - то есть буквально состояние для отдыха (дурацкий перевод "состояние покоя" совсем не передаёт смысл этого понятия). Имеется в виду, что переходный металл (или вообще катализатор) имеет возможность немного передохнуть в очереди перед горлышком. Эта идиллическая картина, увы, часто имеет плохие следствия - именно в этом состоянии катализатор наиболее уязвим, что является причиной деактивации катализатора.
Почему катализатор не живёт вечно? Он же не участвует в реакции! Так считал великий Берцелиус, когда в 1835 году создал само понятие катализа. Все уже давно знают, что участвует. Но если бы он (не Берцелиус, а катализатор) участвовал только в том процессе, который мы рисуем на каталитичском цикле, сносу бы ему не было и так бы и крутился с одной скоростью, пока субстрат не кончится. Но, увы, катализатор во всех формах, но особенно в состоянии отдыха поджидает множество побочных реакций, которые его в прямом смысле слова изнашивают - делают менее активным.
Одну из таких реакций мы уже знаем - это восстановительное элиминирование с образованием фосфониевой соли. Эта реакция гробит лиганд, которого может в результате не хватить на удержание нульвалентной формы металла.
Другая распространённая реакция, которая тоже гробит лиганд - окисление фосфина во внутренней сфере металла. Это тоже каталитический процесс при участии палладия. Поэтому реакции кросс-сочетания рекомендуется проводить в инертной атмосфере, хотя на саму реакцию кросс-сочетания воздух практически не влияет.
И это далеко не всё. Катализатор в реакциях каталитического цикла поджидает так много всяких неприятностей, что кажется даже удивительным, как это вообще может работать. Но ведь работает, хотя часто и недолго!
Показатели TON и TOF говорят о разных сторонах жизни каталитического процесса.
TON говорит о способности катализатора переработать больше субстрата: чем больше TON, тем эффективнее катализатор, а это непосредственно связано с тем, насколько катализатор страдает от деактивации, особенно на медленной стадии процесса (resting state).
TOF же говорит об активности катализатора - насколько быстро он работает и оборачивается.
Поэтому эти два параметра говорят о разном. Очень большой TON может быть у системы с очень низким TOF - это малоактивный, но неубиваемый катализатор.
Очень маленький TON может быть у системы с очень большим TOF - это бешено активный, но хлипкий катализатор. Не забывайте ещё, что TON - безразмерная величина, а TOF имеет размерность обратного времени - при сравнении не забывайте приводить величины к одной шкале, иначе будете сравнивать годы с секундами и невольно прославитесь.
Понятно, что все хотят создавать системы с большими и TON и TOF, но это удаётся далеко не всем. Это - большая редкость, если честно.
В кросс-сочетании палладиевые катализаторы обычно используют фосфиновые лиганды. Но не всегда – есть немалое количество методов, в которых фосфин не используется. Как они работают, и какое отношение к этому имеют модные нано-частицы металла посмотрим в следующем разделе.
Фосфиновые лиганды требуются для удержания палладия в состоянии Pd(0). Но если окислительное присоединение является достаточно быстрой реакцией, Pd(0) может успевать реагировать, и тогда возможно фосфиновые лиганды и не понадобятся - ведь в остальных стадиях классического кросс-сочетания никакой активной роди у них нет. Действительно, в реакциях самых реакционноспособных субстратов - иодпроизводных и бромпроизводных с акцепторными заместителями - работают каталитические системы с обычными солями палладия (ацетатом, хлоридом и т.п.). Особенно характерно это для реакции Судзуки-Мияуры. Такой вариант катализа принято называть бесфосфиновым. В ранней литературе встречалось еще слово "безлигандный", но это очевидно неадекватное описание - у переходного металла в растворе всегда есть лиганды.
Классические реакции с участием фосфиновых комплексов намного более универсальны, работают с большинством субстратов, как более, так и менее активных. Но в таких реакциях редко бывают высокие величины TON.
Бесфосфиновые системы пригодны только для самых активных субстратов. Достоинством этих систем является существенно меньшая цена и весьма высокие величины TON. Рекордные величины TON получены именно для бесфосфиновых систем.
Спор фосфинового и бесфосфинового катализа длился почти три десятилетия и в качестве побочного эффекта привёл к гораздо более глубокому пониманию механизма работы каталитической системы в палладий-катализируемом кросс-сочетании и ещё нескольких родственных реакциях, прежде всего реакции Мидзороки-Хека.
Исследования показали, что бесфосфиновый катализ солями палладия неразрывно связан с образованием наночастиц палладия. Кластеры и наночастицы размером от нескольких сот до нескольких тысяч атомов палладия фактически становятся основным resting state в каталитическом цикле. Размеры таких частиц укладываются в нанометровый диапазон от единиц до нескольких десятков нанометров.
Каталитический цикл работает так: исходная соль палладия быстро восстанавливается до Pd(0), который в отсутствие фосфиновых лигандов начинает агрегировать в кластеры (единицы и десятки атомов) и наночастицы (сотни и тысячи атомов). При наличии достаточно активного субстрата наночастицы могут прямо реагировать в окислительном присоединении атомами на поверхности и в дефектах наночастицы. Дальше цикл идёт как обычно, так как остальные комплексы вполне устойчивы, координационная сфера в них заполняется неявными лигандами типа растворителя (S), ионов галогенида и т.п.
Если субстрат не успевает снимать достаточно атомов палладия с наночастицы, она продолжает расти и образует более крупные частицы черни с малой поверхностью и незначительной активностью.
В 1995 году (да, опять) Херрманн и Беллер в Германии заявили об открытии нового чрезвычайно активного катализатора для реакций Судзуки-Мияуры и Мидзороки-Хека. Этот катализатор представлял собой уже известный хелатный комплекс с связью Pd-C в цикле (такие комплексы называют палладациклами), очень легко образующийся при реакции ацетата палладия с трис(о-толил)фосфином, причём палладий образует сигма-бензильный комплекс с метильной группой толильного остатка лиганда. Комплекс обладает просто изумительной устойчивостью и не разлагается при многочасовом нагревании выше 150 градусов.
В кристаллическом виде комплекс HBC (Herrmann-Beller catalyst) представляет собой димер с мостиковыми ацетатами. В растворе при нагревании димер диссоциирует на мономеры, а при охлаждении собирается обратно и в этом виде легко выделяется.
Этот комплекс использовали как катализатор (точнее, пред-катализатор) в реакции активированных субстратов с бороновыми кислотами, и показали, что реакция происходит при очень малой загрузке комплекса, что было воспринято как высочайшая каталитическая активность и рождение нового класса катализаторов.
После выхода работы такие "катализаторы нового типа" стали появляться как грибы после дождя. TONы поехали за миллион.
Осталось только два вопроса: первый - почему для этих реакций всегда требуется высокая температура от 140 до 200 градусов. И второй - а как всё это работает, ведь в координационной сфере палладия у такого катализатора нет места для лигандов-акторов.
Мировая гонка за рекордами по TON в кросс-сочетании, особенно обострившаяся после открытия катализатора Херманна-Беллера довольно быстро приобрела несколько комический характер, хотя многие её участники этого упорно не замечали. И.П.Белецкая и автор этого курса в 2000 году в шутку обозвали это странное явление "гомеопатическим катализом", намекая на не вполне рациональный характер этого соревнования.
Через несколько лет и в нашей лаборатории, и в нескольких других ведущих исследовательских группах в Германии и Нидерландах был найден интересный и несколько парадоксальный критерий "гомеопатического поведения" каталитической системы. Он состоит в том, что при уменьшении загрузки предкатализатора в такой системе величина TON растёт, достигая иногда огромных величин, но если обратить внимание на TOF, то он ведёт себя совершенно иначе - сначала растёт, затем начинает падать вместе с выходом целевого продукта. Такое поведение очень трудно было бы объяснить, если бы модные высокоэффективные катализаторы действительно работали так, как от них ожидали участники гонки за TON. Да и практической пользы от катализатора, который даёт выходы в 5-10 процентов, не очень много.
Современная органическая химия устроена так, что разрабатывая новый метод или протокол, исследователи часто имеют в виду не только лабораторное, но и более крупномасштабное применение. В наше время в разных областях используется огромное количество органических соединений, поэтому органический синтез всегда явно или неявно подразумевает возможность масштабирования метода, чтобы получить килограммы или даже тонны желаемого продукта. И когда мы начинаем обдумывать такие перспективы, приходится учитывать и экономические характеристики метода. Получить можно почти любое органическое соединение, но сколько это будет стоить?! И в статье расходов очень серьёзное место всегда будут занимать катализаторы. Поэтому так важны исследования возможности удешевления процесса за счёт более рационального использования катализатора.
В органическом синтезе главной задачей является получение желаемого продукта с высоким выходом и селективностью. Если эта цель достигнута с помощью каталитического процесса, дальше желательно усовершенствовать процесс так, чтобы эта цель достигалась с наибольшей каталитической эффективностью - максимумом выхода (без потери уже достигнутого качества) на единицу загрузки пред-катализатора. Безусловно, имеет значение и затраты на получение самого катализатора, и когда сравнивают эффективности двух разных каталитических систем, это тоже имеют в виду. Каталитическая эффективность - это тот же TON (число каталитических циклов неразрывно связано с способностью единицы количества катализатора произвести побольше продукта). Следовательно, лозунг настоящего момента - выше TON!
TON можно увеличить двумя способами. Один - кропотливой работой над новыми катализаторами, над увеличением TON в каждом процессе. Этим занимаются все, кто работает в области катализа, но выше головы не прыгнешь, и каждое исследование упирается в потолок возможностей.
Есть и второй путь - рециклизация, многократное использование катализатора. В принципе, нет никакой разницы, достигаем ли мы желаемой величины TON в одном процессе, или в нескольких повторяющихся процессах с одной партией катализатора, каждый раз возвращаемой в новый цикл.
Самый распространённый метод получения рециклизуемых катализаторов - использование полимерных подложек (polymeric supports). Обычно используют сшитые полимеры, образующие в растворителях набухающие нерастворимые гели, внутри частиц которых происходит более или менее свободная диффузия растворов, что обеспечивает доставку реагентов к каталитическим центрам.
Подходящий полимер, например, обычный полистирол, сшитый добавкой к стиролу дивинилбензола, сначала модифицируют так, чтобы создать реакционноспособные центры, например, используют реакцию хлорметилирования ароматических колец.
Затем на эти центры сажают подходящий лиганд, например, фосфин, обычной реакцией нуклеофильного замещения - получают иммобилизованный лиганд. На лиганд затем сажают обычной реакцией лигандного обмена палладий или другой переходный металл. Получают иммобилизованный пред-катализатор.
Увлечение наночастицами палладия привело к появлению множества катализаторов, представляющих собой наночастицы палладия, сорбированные на разнообразных подложках.
Такие катализаторы или готовят заранее, но чаще получают прямо перед реакцией в той же среде, восстанавливая соль палладия в присутствии твёрдого сорбента. Наночастицы при этом получаются на поверхности в порах носителя. В реакции кросс-сочетания наночастицы работают точно так же, как в типичном бесфосфиновом катализе, при этом частицы палладия, выходящие из каталитических циклов, часто выходят с поверхности, образуя несвязанный палладиевый золь. Поэтому такие катализаторы почти всегда очень быстро теряют каталитические свойства. Несмотря на огромный интерес в 2000-х к таким катализаторам, ни один из них так и не оказался удачным из-за нестабильности и скромных результатов.
Рециклизуемые катализаторы любых типов - и комплексы, иммобилизованные на полимерных или других носителях, и наночастицы на носителях позволяют достичь нескольких циклов рециклизации. Но практически всегда, после нескольких удачных циклов начинается деградация, падение выходов, падение селективности и другие негативные явления. Довольно редко удаётся достичь 5-6 циклов без потери качества, очень редко число доходит до 10-12. Катализаторов, способных стабильно работать на протяжении десятков и сотен циклов, получить никому не удалось (не забывайте, что речь здесь идёт про кросс-сочетание, для других реакций, например, гидрирования, такие катализаторы известны).
Главная проблема состоит в том, что если мы смогли сделать хороший гомогенный катализатор, подобрать хороший лиганд и добиться отличных результатов в гомогенной реакции, при перенесении этого катализатора в иммобилизованную формы мы неизбежно ухудшаем его свойства и условия работы.
- Почти всегда или даже всегда происходит «утечка» катализатора в раствор
- Параллельно идут гомогенная и гетерогенная реакции
- Кинетика почти всегда хуже, чем у системы с похожим по структуре гомогенным катализатором
- Пришивание катализатора почти всегда использует неоптимальный лиганд
- Зарядка пришитого лиганда металлом никогда не дает однородную структуру, так как на поверхности много других активных мест
- Особенно для кросс-сочетания: побочные продукты реакции засоряют подложку
- Рециклизация приводит к деградации и подложки и каталитических центров
Рециклизуемые катализаторы всегда используют принцип разделения реагентов и катализатора в разных фазах. Мы видим, что если фазы разделены сразу и в течение всего процесса, это приводит к ухудшению прежде всего скорости процесса (TOF) из-за принципиально малой эффективности контакта реагента и катализатора, находящихся в разных фазах.
Отсюда неизбежно возникает мечта: а что если сделать так, что сама реакция идёт насколько возможно в одной фазе, а разделение и рециклизация осуществляются после окончания реакции.
Эта мечта воплотилась в концепцию фазо-разделяемых (phase-separable) систем.
Смысл этого подхода прост. Реакция должна идти в одной, жидкой фазе, в растворе, как любая нормальная органическая реакция. Но после реакции состав системы нужно подобрать так, чтобы реакционная смесь разделилась на две несмешивающиеся фазы, и продукт остался бы в одной фазе, а катализатор перешёл в другую. Тогда мы просто делим фазы, из одной выделяем продукт, а другую просто загружаем обратное реактор, который заправляем новой порцией субстратов. И так много раз, пока в фазе катализатора не произойдёт деградация катализатора.
Главное преимущество фазо-разделяемых систем от катализаторов на подложках (то есть систем с разделёнными фазами - почувствуйте разницу слов "разделённый" и "разделяемый") - то, что в фазо-разделяемых системах в идеале нет проблем, связанных с ограничениями кинетического характера.
Прототипом и самым важным примером фазо-разделяемых систем являются двухфазные водно-органические системы. Эти системы используют хорошо известный принцип межфазного переноса, широко используемый в органической химии. В межфазном переносе органические реагенты находятся в органической фазе, а неорганические реагенты - обычно нуклеофильные или основные анионы - в водной. Межфазный переносчик, обычно крупный органический катион, способный переходить из одной фазы в другую, обеспечивает транспорт неорганического реагента из водной в органическую фазу.
В кросс-сочетании в органической фазе находятся субстраты кросс-сочетания. А катализатор привязывают к органической фазе с помощью водорастворимых гидрофильных лигандов. Таких лигандов было получено немало, но наиболее распространённым остался сульфированный трифенилфосфин. Трифенилфосфин сульфируется в очень жёстких условиях горячим олеумом потому что протонируется по фосфору, а фосфониевый атом - акцепторный заместитель, дезактивирующий мета-ориентант.
В двухфазных системах с таким лигандом водный слой сохраняет каталитическую активность и может быть использован повторно.
Двухфазные системы с водорастворимым лигандом, как показали исследования, работает не совсем так, как от неё ожидали. Как оказалось, реакция идёт не в органической, а в водной фазе за счёт небольшой растворимости ароматических соединений в воде, а борные кислоты в присутствии оснований тем более дают водорастворимые анионы. Скорость таких реакций невелика, так как главная проблема двухфазных систем - низкая эффективность транспорта реагентов через межфазную границу, - так и не была решена. Были предложены интересные варианты усовершенствований, например, использование водной фазы, иммобилизованной на гидрофильных носителях типа специальных стёкол.
Неожиданным развитием двухфазных водно-органических систем стали катализаторы, привязанные к перфторированным жидкостям. Фторированные органические соединения с высоким содержанием фтора обладают чрезвычайно интересными свойствами. В частности, они не смешиваются с обычными органическими растворителями, образуя с ними двухфазные системы, очень похожие на водно-органические. Именно из-за сходства с водными такие системы по-английски прозвали fluorous, - слово-гибрид, полученное искусственной конкатенацией корня fluor- и куска прилагательного aqueous, водный.
Увы, это не самые простые и очень недешёвые лиганды, а скорость реакций в таких странных жидкостях обычно бывает довольно скромной. Поэтому это яркое и незаурядное решение проблемы фазо-разделяемости скорее является красивым курьёзом, чем практичным решением, пригодным для серьёзного применения.
Но такие системы ведут себя даже интереснее водных. Фокус в том, что при нагревании взаимная растворимость фторированной и обычной фазы повышается вплоть до полного смешения, и реакция идёт в одной фазе, а после реакции охлаждение опять разделяет и фазы и продукты с катализатором. Мечты сбываются! Но для того, чтобы эта затейливая система работала, требуются не менее затейливые лиганды. Свойство держаться в перфторированной фазе молекулы приобретают, если на них навесить достаточное количество перфторалкильных хвостиков. Эти хвостики вполне официально называют fluorous ponytails, намекая на сходство с хвостом пони, состоящем из множества таких отдельных прядок.
Трудно поверить, но следующий шаг в этой области весьма тесно связан с предыдущим. Жидкая углекислота - весьма интересный растворитель, особенно когда достигает тройной точки на диаграмме состояния и переходит в сверхкритическое состояние. В такой системе можно отлично делать всякие реакции, а привязка катализатора к такой фазе осуществляется почти так же как к перфторированной, но степень модификации фторированными заместителями меньше, и лиганды такие дешевле и доступнее. Смешение фаз достигается как раз с помощью сверхкритического состояния углекислоты.
Такие системы намного более практичны, чем перфторированные, и имеют перспективы применения в промышленном катализе.
Наиболее интересным и гибким примером фазо-разделяемых систем служат так называемые ионные жидкости. Ионными жидкостями называются жидкие, то есть просто-напросто расплавленные соли. Это очень полярные среды с фантастически интересными свойствами. Неорганики издревле это использовали, и у них нет проблем расплавить что-то типа хлорида натрия и провести в такой огненной жидкости какую-нибудь реакцию. Понятно, что органики так бесчинствовать не могут, поэтому долгое время вообще не обращали на эти среды никакого внимания. Но однажды обратили, потому что поняли, что многие органические соли остаются жидкими даже при комнатной температуре, - и с тех пор их за уши не оттащишь от таких модных растворителей.
Так как ионные жидкости высокополярны, они часто не смешиваются с обычными малополярными органическими растворителями. Каталитические реакции с фазо-разделением в них ведут не совсем так, как в уже рассмотренных системах - просто используют ионную жидкость как растворитель. Большим бонусом является то, что и катализаторов специальных выдумывать не нужно - годятся многие лиганды, в том числе те, что уже дали отличные результаты в обычных средах. Но после реакции продукты просто экстрагируют из ионной жидкости органическим растворителем, катализатор при этом остаётся в ионно-жидкостной фазе, готовой для нового использования.