Nanostructured Earth-abundant Metal Catalysts for Hydrogenation Reactions in Complex Organic Synthesis

Titelangaben

Bauer, Christof:
Nanostructured Earth-abundant Metal Catalysts for Hydrogenation Reactions in Complex Organic Synthesis.
Bayreuth , 2025 . - 421 S.
( Dissertation, 2025, Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

This thesis addresses the development of heterogeneous, nanostructured catalysts based on earth-abundant metals and their application in thermal catalytic processes for complex organic synthesis, with a particular emphasis on the production of amines, including tetrahydroquinolines, as well as primary, secondary, and tertiary alkyl amines.
The first part of the thesis focuses on designing a novel synthesis protocol for a nanostructured cobalt catalyst and its application in the selective hydrogenation of aromatic heterocycles. This approach aimed at decoupling the metal and N/C sources, allowing for their independent optimization for improved catalytic performance. Three components, an inexpensive metal precursor [Co(OAc)2 ∙ 4 H2O], an easy-to-synthesize N/C precursor (meso-octamethylcalix[4]pyrrole), and a commercially available porous support material (SiO2) are pyrolyzed at 800 °C under nitrogen atmosphere to form the Co/SiO2 catalyst in a simple, single synthesis step. Various parameters, including pyrolysis temperature, support materials, metal precursors, and M/N ratios, were investigated to optimize catalyst activity. By varying the M/N ratio from 1:1 to 1:10, it was found that a specific M/N ratio of 1:4 is optimal. This is due to the microporous N/C structure or the optimal thickness of the embedding N/C layer, which balances educt access and catalyst stability. Too thick a layer impedes access, while too thin a layer risks cobalt leaching due to nanoparticle detachment. The catalyst with 1.81 wt% cobalt loading showed the best activity, confirmed by ICP-OES. In summary, the reaction proceeds efficiently and selectively with 5.0 mol% Co, 2.0 MPa H2, 70 °C, and 20 h reaction time. HAADF-STEM showed homogeneous distribution of cobalt nanoparticles (4.8 nm). The surface area of the support (194 m2/g) and corresponding catalyst (217 m2/g) was determined by N2 physisorption, with an increase in surface area and additional microporosity due to carbon black entrapment. HAADF-STEM combined with EDX and EELS, SEM-EDX, XPS, PXRD, and PDF confirm that the particles are composed of metallic cobalt with cobalt oxide on their surface. A total of 31 N-, O-, and S-heterocycles were selectively hydrogenated, with increased conditions required for O- and S-heterocycles.
The second part of the thesis presents a new catalytic pathway for synthesizing hydroquinolines directly from nitroaldehydes and ketones, given their importance in drug molecules and precursors. The challenge of quinoline substrate synthesis is addressed by the Friedländer synthesis, which requires 2-aminoaldehydes that are challenging to prepare. This work solves the issue using a reusable Ni/N-SiC catalyst, enabling efficient 2 aminoaldehyde synthesis from 2 nitrobenzaldehyde, followed by the Friedländer reaction and hydrogenation to hydroquinolines. The N-SiC support is prepared by crosslinking the commercial polycarbosilane SMP 10 and acrylonitrile with AIBN, followed by pyrolysis at 1000 °C under nitrogen and base treatment to remove the Si-rich phase. Active nickel nanoparticles are obtained on the N-SiC support by wet impregnation with Ni(NO3)2 ∙ 6 H2O followed by pyrolysis and reduction. SEM-EDX and HAADF-STEM show a homogeneous distribution of nickel nanoparticles (8.5 nm). HAADF-STEM with EDX, HR-TEM with EELS and FFT, XPS, and PXRD confirm metallic nickel nanoparticles with nickel oxide on their surface. Argon physisorption shows a slight decrease in surface area from 580 m2/g (N-SiC) to 563 m2/g (Ni/N SiC). ICP-OES and CHN analysis confirm a nickel content of 4.0 wt%, with 83.3 % C, 5.7 % N, and 7.0 % Si. Several parameters were screened in the one-pot reaction of 2 nitrobenzaldehyde with acetophenone to obtain 2-phenyl-1,2,3,4-tetrahydroquinoline, divided into three steps: (A) selective hydrogenation of 2-nitrobenzaldehyde to 2-aminobenzaldehyde with Ni/N-SiC, (B) Friedländer synthesis with LiOH, and (C) hydrogenation of 2-phenylquinoline to 2-phenyl-1,2,3,4-tetrahydroquinoline using the Ni/N-SiC catalyst from (A). For step A, 4.0 mol% Ni, 0.5 mmol nitrobenzaldehyde, 0.5 mmol acetophenone, 3 mL ethanol, 3.0 MPa H2, 40 °C for 20 h are the best conditions. For step B, 0.3 mmol LiOH are added for 20 h at 60 °C. For step, C 5.0 MPa H2, 120 °C for 48 h are aligned. Step C is the most challenging, limiting step with a maximum yield of 91 % 2-phenyl-1,2,3,4-tetrahydroquinoline in the benchmark synthesis. Using optimal conditions, 16 aldehyde-derived and 21 ketone-derived substrates were synthesized along with three highly functionalized substrates and four precursors for bioactive drug molecules.
The third part of the thesis focuses on the synthesis of primary, secondary, and tertiary alkyl amines, inspired by the hydroquinoline synthesis work. In addition to heterocyclic amines, the synthesis of substituted alkyl amines is crucial for the synthesis of bioactive molecules. To achieve this, a synthetic approach combining reductive amination and BH/HA using ammonia, alcohols, aldehydes, ketones, and hydrogen with a CoSc/N-SiC catalyst is developed. The catalyst is synthesized using N-SiC, Co(NO3)2 ∙ 6 H2O and Sc(NO3)3 ∙ 5 H2O as described in the second part. HAADF-STEM shows a homogeneous distribution of Co nanoparticles (13.9 nm), with orders of magnitude smaller Sc particles finely dispersed over the support, as confirmed by EELS. XPS analysis shows that the Sc fraction is ten times higher than the Co fraction, although the same concentration is expected. This indicates that Sc is finely dispersed on the outer layer, while Co is present in the form of large particles, consistent with STEM-EELS results. ICP-OES (2.0 wt% Co, 2.0 wt% Sc) and SEM-EDX further confirm this. Using the catalyst, 13 primary amines, 24 secondary amines, and 8 tertiary amines, including five novel compounds, are synthesized.

Abstract in weiterer Sprache

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung heterogener, nanostrukturierter 3d Metallkatalysatoren und deren Anwendung in thermisch-katalytischen Prozessen für komplexe organische Synthesen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Herstellung von Tetrahydrochinolinen sowie primären, sekundären und tertiären Alkylaminen.
Der erste Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines neuartigen Syntheseprotokolls für einen nanostrukturierten Kobaltkatalysator und dessen Anwendung für die selektive Hydrierung von aromatischen Heterocyclen. Ziel war es, die Metall- und N/C Quellen zu entkoppeln, um eine unabhängige Optimierung zur Verbesserung der katalytischen Aktivität zu ermöglichen. Drei Komponenten, eine kostengünstige Metallvorstufe [Co(OAc)2 ∙ 4 H2O], eine leicht herstellbare N/C-Vorstufe (meso-Octamethylcalix[4]pyrrol) und ein poröses Trägermaterial (SiO2) wurden bei 800 °C in Stickstoffatmosphäre pyrolysiert, um den Co/SiO2-Katalysator in einem einfachen, einstufigen Syntheseschritt herzustellen. Verschiedene Parameter wie Pyrolysetemperatur, Trägermaterialien, Metall-Präkursoren und M/N-Verhältnisse wurden untersucht, um die katalytische Aktivität zu optimieren. Ein M/N Verhältnis von 1:4 erwies sich als optimal, da die mikroporöse N/C-Struktur bzw. die optimale Dicke der eingebetteten N/C-Schicht den Zugang der Edukte und die Stabilität des Katalysators begünstigt. Eine zu dicke Schicht behindert die Zugänglichkeit, eine zu dünne Schicht begünstigt die Auswaschung von Kobalt durch Ablösung der Nanopartikel. Der Katalysator mit 1,81 wt% Kobalt zeigte die beste Aktivität, was durch ICP-OES bestätigt wurde. Zusammenfassend läuft die Reaktion bei 5,0 mol% Co, 2,0 MPa H2, 70 °C und einer Reaktionszeit von 20 Stunden effizient und selektiv ab. HAADF-STEM zeigte eine homogene Verteilung der Kobalt-Nanopartikel (4,8 nm). Die spezifische Oberfläche des Trägers (194 m2/g) und des entsprechenden Katalysators (217 m2/g) wurde durch N2-Physisorption bestimmt. Die Zunahme der Oberfläche und der Mikroporosität ist auf die Generierung von Aktivkohle zurückzuführen. HAADF-STEM in Kombination mit EDX und EELS, SEM-EDX, XPS, PXRD und PDF zeigen, dass die Partikel aus metallischem Kobalt bestehen und von einer Kobaltoxidschicht umgeben sind. Insgesamt wurden 31 N-, O- und S-Heterocyclen selektiv hydriert, wobei für O- und S-Heterocyclen erhöhte Reaktionsbedingungen erforderlich waren.
Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuer katalytischer Weg zur direkten Synthese von Hydrochinolinen aus Nitroaldehyden und Ketonen vorgestellt, die für Arzneimittel und deren Vorstufen von Bedeutung sind. Das Problem der Chinolin-Synthese wird durch die Friedländer-Synthese gelöst, die schwer zugängliche 2-Aminoaldehyde erfordert. Diese Schwierigkeit wird durch die Verwendung eines wiederverwendbaren Ni/N-SiC-Katalysators gelöst, der eine effiziente Synthese von 2-Aminoaldehyden aus 2-Nitrobenzaldehyden ermöglicht, gefolgt von der Friedländer-Reaktion und der Hydrierung zu Hydrochinolinen. Das N-SiC Trägermaterial wird durch Vernetzung des Polycarbosilans SMP-10 mit Acrylnitril mittels AIBN, anschließender Pyrolyse bei 1000 °C unter Stickstoffatmosphäre und Basenbehandlung zur Entfernung der Si-reichen Phase hergestellt. Aktive Nickel-Nanopartikel werden durch Nassimprägnierung des N-SiC Trägermaterials mit Ni(NO3)2 ∙ 6 H2O, gefolgt von Pyrolyse und Reduktion, synthetisiert. SEM-EDX und HAADF-STEM Aufnahmen zeigen eine homogene Verteilung der Nickel-Nanopartikel (8,5 nm). HAADF-STEM mit EDX, HR-TEM mit EELS und FFT, XPS und PXRD Messungen bestätigen metallische Nickel-Nanopartikel mit einer Nickeloxidoberfläche. Die Ar-Physisorption zeigt eine leichte Abnahme der spezifischen Oberfläche von 580 m2/g (N-SiC) auf 563 m2/g (Ni/N-SiC). ICP-OES und CHN-Analyse bestätigen einen Nickelgehalt von 4,0 wt% mit 83,3 % C, 5,7 % N und 7,0 % Si. Bei der One Pot Reaktion von 2-Nitrobenzaldehyd mit Acetophenon, zur Herstellung von 2 Phenyl-1,2,3,4-tetrahydrochinolin, wurden verschiedene Parameter untersucht und optimiert. Die Reaktion besteht aus drei Schritten: (A) selektive Hydrierung von 2-Nitrobenzaldehyd zu 2-Aminobenzaldehyd mit Ni/N-SiC, (B) Friedländer Synthese mit LiOH und (C) Hydrierung von 2-Phenylchinolin zu 2-Phenyl-1,2,3,4-tetrahydrochinolin mit dem Katalysator aus (A). Für Schritt A sind 4,0 mol% Ni, 0,5 mmol 2-Nitrobenzaldehyd, 0,5 mmol Acetophenon, 3 mL Ethanol, 3,0 MPa H2 und 40 °C für 20 h optimal. Für Schritt B werden 0,3 mmol LiOH bei 60 °C für 20 h zugegeben. Schritt C wird bei 5,0 MPa H2 und 120 °C für 48 h durchgeführt. Schritt C ist der anspruchsvollste und limitierende Schritt, mit einer maximalen Ausbeute von 91 % 2-Phenyl-1,2,3,4-tetrahydrochinolin in der Referenzsynthese. Unter optimalen Bedingungen wurden 16 Aldehyd- und 21 Keton-Derivate sowie drei hochfunktionalisierte Substrate und vier Vorstufen für bioaktive Wirkstoffe synthetisiert.
Der dritte Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Synthese von primären, sekundären und tertiären Alkylaminen, inspiriert von der Hydrochinolin-Synthese. Neben heterocyclischen Aminen ist die Synthese substituierter Alkylamine für die Herstellung bioaktiver Moleküle von entscheidender Bedeutung. Zu diesem Zweck wurde ein Syntheseansatz entwickelt, der die reduktive Aminierung und das BH/HA Konzept kombiniert und Ammoniak, Alkohole, Aldehyde, Ketone und Wasserstoff mit einem CoSc/N-SiC-Katalysator verknüpft. Der Katalysator wird unter Verwendung von N-SiC, Co(NO3)2 ∙ 6 H2O und Sc(NO3)3 ∙ 5 H2O, wie im zweiten Teil der Dissertation dargestellt, synthetisiert. Die HAADF-STEM Aufnahmen zeigen eine homogene Verteilung der Co-Nanopartikel (13,9 nm) mit deutlich kleineren Sc Partikeln, die fein über den Träger verteilt sind, wie durch EELS-Aufnahmen bestätigt wird. XPS-Analysen zeigen, dass der Sc-Anteil zehnmal höher ist als der Co-Anteil, obwohl gleiche Konzentrationen erwartet werden. Dies deutet darauf hin, dass Sc in der äußeren Schicht fein verteilt ist, während Co in Form von großen Partikeln vorliegt, was mit den STEM-EELS Ergebnissen übereinstimmt. ICP-OES Messungen (2,0 wt% Co, 2,0 wt% Sc) und SEM-EDX Aufnahmen bestätigen dies ebenfalls. Mit dem Katalysator wurden erfolgreich 13 primäre, 24 sekundäre und 8 tertiäre Amine synthetisiert, darunter fünf neue Verbindungen.