Aerobe Oxidationen im Griff: chemoselektive Synthese von Benzaldehyden aus Methylarenen

Abstract

Aerobe Oxidationen ·Aldehyde ·Chemoselektivität· Fluorierte Lçsungsmittel ·Methylarene ImJahr 2014 übertraf die weltweite Nachfrage nach gereinigter Te rephthalsäure (purified terephthalic acid, PTA) 50 Millionen Tonnen. PTAg ehçrt somit zu den volumenstärksten chemischen Rohstoffen, insbesondere fürd ie Produktion von Polyester fürK leidung und Kunststoffe (Schema 1a). [1] Hierbei hat man sich zu vergegenwärtigen, dass PTAa us para-Xylolen mit einer Rate von fast zwei Tonnen pro Sekunde hergestellt werden muss,sodass wenig Raum für Fehler oder Ineffizienzen besteht. In solchen Grçßenordnungen ist molekularer Sauerstoff (O 2 )e ines der wenigen brauchbaren Oxidationsmittel, da es praktisch kostenlos erhältlich ist und seine vollständige Reduktion zu Wasser (H 2 O) eine saubere Quelle fürc hemische Energie bereitstellt. O 2 reagiert dabei entweder durch Atomtransfer oder als Akzeptor von Diwasserstoff (H 2 ), und beide Reaktionsweisen laufen während der PTA-Herstellung ab und liefern alle 4 Sauerstoffatome des Produkts zusammen mit zwei ¾quivalenten H 2 O. Das Ergebnis ist ein Optimalfall, da die Funktionalitäta us einer erneuerbaren Quelle stammt und ein unbedenkliches Nebenprodukt erzeugt wird. Natürlich sind Oxidationsreaktionen nicht auf geringwertige,g roßtechnische Chemikalien beschränkt, und es ist realistisch, auch Feinchemikalien und Pharmazeutika als Produkte im industriellen Stoffstrom petrochemischer Rohstoffe in Betracht zu ziehen. Da Funktion auf molekularer Ebene eng mit der Anwesenheit von Heteroatomen verknüpft ist, erfordert die Synthese dieser komplexeren Verbindungen zahlreiche Oxidationsreaktionen, die mit einem hohen Maß an Kontrolle aufeinander abgestimmt werden müssen. [2]Die Delikatheit einer komplexen Molekülsynthese steht im Gegensatz zum Wesen der aeroben Oxidation:J eder, der mit Verbrennungen vertraut ist, kennt die gewaltige und manchmal willkürliche Energie,die in O 2 gespeichert ist. Die Synthese von Feinchemikalien erfordert tatsächlich eine feine Lenkung der Reaktivität. Dies kann die kontrollierte Oxidation einer einzelnen C-H-Bindung in der Gegenwart zahlreicher funktioneller Gruppen unterschiedlicher Polaritäten und Redoxpotentiale umfassen. Oxidationen in einem kom-plexeren Umfeld müssen zudem eine Überoxidation vermeiden, da CO 2 ein besonders inakzeptabler Endpunkt für eine Oxidation in den letzten Stufen einer Synthese ist. Diese Herausforderungen der Chemo-und Regioselektivitätz u bewältigen, ist ein langwährendes Ziel im Bereich der aeroben Katalyse, [3,4] wo Autoxidationen und Radikalkettenreaktionen bei industriell bedeutenden Reaktionen überwiegen. Dazu gehçrt die Synthese von PTAwie auch die wohlbekannte Oxidation von Cyclohexan zu Cyclohexanon, [5] bei denen Selektivitätsprobleme durch die natürliche Reaktivität des Substrats umgangen werden. Produkte einer Te iloxidation, und zwar Benzaldehyde oder Cyclohexanol, sind nur in Spurenmengen zu beobachten, was die stufenweise Zunahme Schema 1. Oxidation von para-Xylolen zu A) PTAu nd B) para-Tolualdehyd.