Reacciones orgánicas con reactivos soportados en co2 supercrítico

Resumen

Introducción Los estudios sistemáticos sobre las peculiares propiedades solvatantes de los fluidos supercríticos y sus aplicaciones en la síntesis de moléculas orgánicas complejas han comenzado a emerger desde finales de los años 80 y constituyen en la actualidad un campo de investigación muy activo. Entre las ventajas de CO2sc como medio de reacción en síntesis orgánica(1) pueden considerarse los beneficios medioambientales, derivados de su volatilidad y ausencia de ecotoxicidad, y beneficios de salubridad y seguridad, derivados de su carácter no carcinogénico, no tóxico, no inflamable y termodinámicamente estable. Las propiedades de transporte y solvatación ajustables de CO2sc ofrecen también la oportunidad de obtener ventajas en las etapas de separación y purificación de los procesos químicos, y en las características de velocidad y selectividad de las reacciones químicas. La aplicación de CO2sc como medio de reacción en procesos químicos eficientes y medioambientalmente aceptables, se apoya también en la existencia de plataformas de producción a gran escala en procesos de extracción, con soluciones tecnológicas establecidas para las operaciones de separación y recirculación de CO2. Cabe señalar que la aplicación de CO2sc en un proceso químico no es tan simple como sustituir el disolvente en el que éste ha sido descrito por CO2sc, sino que generalmente requiere importantes modificaciones de procedimiento impuestas por el empleo de equipos de alta presión, la baja capacidad disolvente de CO2sc frente a sustratos iónicos o polares y los problemas técnicos asociados a la implementación del proceso como por ejemplo disolución de reactivos y catalizadores, adición de reactivos, aislamiento de productos y recuperación de los catalizadores. La aplicación efectiva de los fluidos supercríticos y, en particular, de CO2sc en procesos químicos debe ofrecer balances energético, económico y comercial favorables, aportando ventajas químicas, medioambientales o de proceso que superen las inversiones asociadas a la sustitución del proceso original por el equipamiento de alta presión. Efectivamente, el diseño de procesos químicos en CO2sc está tan fuertemente condicionado por las características del medio que con frecuencia requiere de soluciones específicas para extraer ventajas de sus propiedades. Así, la investigación en este campo a lo largo de los últimos años se ha enfocado en aquellos procesos en los que el medio CO2sc ofrece claras ventajas frente a los disolventes convencionales. Por ejemplo, las reacciones con reactivos o catalizadores sobre soporte sólido en condiciones de flujo continuo son excelentes candidatos para configurar procesos en CO2sc más eficientes que en disolventes convencionales. Memoria El objetivo general de la tesis doctoral fue el desarrollo de procesos de oxidación en CO2sc con reactivos sobre soporte sólido y en condiciones de flujo continuo. Este objetivo surgió de la experiencia del grupo de investigación en el tema de oxidación y de la ausencia de bibliografía de procesos de oxidación en CO2sc con aplicación preparativa. El objetivo propuesto se concretó en tres reactivos de oxidación soportados: 1) Trióxido de cromo soportado sobre sílice. 2) Peroxomonosulfato de potasio (Oxone®) soportado sobre sílice. 3) Sílice funcionalizada con grupos 2-percarboxietilo. El trabajo de investigación se desarrolló en tres etapas generales: 1) Preparación y caracterización del reactivo de oxidación soportado. 2) Ensayo del reactivo soportado en procesos de oxidación en condiciones convencionales. 3) Puesta a punto de la reacción de oxidación en CO2sc en condiciones de flujo continuo. El desarrollo de estas etapas para cada uno de los reactivos propuestos condujo al planteamiento de los objetivos concretos que configuran en la presente tesis doctoral: 1) Oxidación de alcoholes con trióxido de cromo soportado sobre sílice en CO2sc en condiciones de flujo continuo.2 2) a) Oxidación de Baeyer-Villiger con peroxomonosulfato potásico soportado sobre sílice en condiciones convencionales.3 b) Oxidación de Baeyer-Villiger con peroxomonosulfato potásico soportado sobre sílice en CO2sc en condiciones de flujo continuo.4 3) a) Caracterización de sílices híbridas mediante técnicas convencionales de resonancia magnética nuclear y cromatografía de gases-espectrometría de masas.5 b) Oxidación de Baeyer-Villiger con sílice funcionalizada con grupos percarboxietilo en CO2sc en condiciones de flujo continuo.6 Resultados Los reactivos de cromo (VI) están entre los oxidantes más eficientes para realizar la oxidación de alcoholes a compuestos carbonílicos y son utilizados hoy en día en procesos a gran escala a pesar de los riesgos medioambientales asociados a las especies de cromo (VI) y a los disolventes orgánicos necesarios en estas reacciones. Se ha demostrado que CO2sc es un medio eficaz en la reacción de oxidación de alcoholes alifáticos primarios y secundarios a los correspondientes compuestos carbonílicos con trióxido de cromo soportado sobre sílice (d-CrO3¿SiO2) en condiciones de flujo continuo. Este proceso evita el uso de disolventes orgánicos y la contaminación de los productos de reacción con especies de cromo desprendidas del soporte sólido. La manipulación de cromo (VI) se reduce a la colocación de un recipiente apropiado de polipropileno en el interior de una columna y su retirada una vez la reacción se ha completado. Este método evita el negativo impacto medioambiental asociado al uso de reactivos de Cr (VI) en la oxidación de alcoholes a compuestos carbonílicos.2 Peroxomonosulfato de potasio anhidro depositado sobre sílice (KHSO5¿SiO2) convierte eficientemente cetonas en ésteres a temperatura ambiente evitando procesos laterales de hidrólisis de los productos de reacción.3 Además, el reactivo hidratado (h-KHSO5¿SiO2) es un reactivo eficiente en la oxidación de Baeyer-Villiger en CO2 supercrítico. Las reacciones se llevaron a cabo haciendo fluir una disolución de cetona en CO2 supercrítico a través de una columna conteniendo el reactivo soportado y recuperando los productos por despresurización. Este método evita el uso de disolventes orgánicos así como la contaminación de los productos con la especie reducida del oxidante y simplifica las operaciones necesarias para la recuperación del reactivo.4 Se han descrito dos procedimientos simples y directos para determinar el contenido orgánico de materiales híbridos de sílice mediante técnicas convencionales de RMN y CG-EM. El método implica la disolución del material híbrido en un disolución concentrada de hidróxido sódico en agua deuterada con un patrón apropiado o bien en una disolución acuosa de ácido fluorhídrico y extracción con diclorometano. Si bien estos métodos no proporcionan información sobre la estructura de los poros o el entorno de los ligandos orgánicos en el material híbrido, constituyen técnicas de rutina útiles para obtener información inmediata sobre la cantidad y composición química de los compuestos orgánicos sobre la superficie de la sílice con el grado de precisión propio de las técnicas de RMN y CG-EM. Esta información es útil en la aplicación de esta clase de materiales en procesos que impliquen reacciones orgánicas en las que intervengan los ligandos orgánicos anclados sobre la superficie de la sílice.5 El perácido soportado [2-percarboxietil]-sílice es un oxidante eficiente en la reacción de Baeyer-Villiger en CO2sc a 250 bares y 40 oC en condiciones de flujo continuo. La hidratación del reactivo es un importante parámetro de la reacción. El reactivo sólido puede ser regenerado fácilmente con peróxido de hidrógeno al 70 % en presencia de un ácido a 0 oC. Este procedimiento simplifica el aislamiento de los productos de reacción y utiliza únicamente agua y CO2 como medios de reacción en condiciones suaves.6 Bibliografia 1. McHugh, M. A.; Krukonis, V. J. Supercritical Fluid Extraction: Principles and Practice. Butterworth-Heinemann, Boston, MA, 1994. b) Jessop, P. G.; Leitner, W. Chemical Synthesis Using Supercritical Fluids, Wiley-VCH, Weinhein, 1999. c) Leitner, W. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 746. d) Prajapati, D.; Gohain, M. Tetrahedron 2004, 60, 815. e) Rayner, C. M. Org. Proc. Res. Dev. 2007, 11, 121. 2. González-Núñez, M. E.; Mello, R.; Olmos, A.; Acerete, R.; Asensio, G. J. Org. Chem. 2006, 71, 1039 3. González-Núñez, M. E.; Mello, R.; Olmos, A.; Asensio, G. J. Org. Chem. 2005, 70, 10879. 4. González-Núñez, M. E.; Mello, R.; Olmos, A.; Asensio, G. J. Org. Chem. 2006, 71, 6432. 5. Mello, R.; Olmos, A.; Varea, T.; González-Núñez, M. E. Anal. Chem. 2008, 80, 9355. 6. Mello, R.; Olmos, A.; Parrra-Carbonell, J.; González-Núñez, M. E.; Asensio, G. Green Chem. DOI: 10.1039/b821746g