CATLISIS, INORGNICA IIDARWIN A. TORRES CERN; ELIZABETH MUOZ
OROZCO UNIVERSIDAD DEL QUINDO FACULTAD DE CIENCIAS BSICAS T
TECNOLOGAS PROGRAMA DE QUMICA 27/12/2014
1. Qu es y cmo se determina el nmero rotacin cataltico y
frecuencia cataltica?Catalizador no es ms que una medida de cmo
proceder de una reaccin rpida en presencia del catalizador. En
trminos de la cintica, la actividad se puede definir formalmente en
el tratamiento cintico como para medir las tasas de reaccin en
trminos de temperatura y las concentraciones presentes en el
reactor. En general, en la industria qumica, el catalizador se mide
en trminos de nmero de recambio (TON), frecuencia de retorno de la
tasa de rotacin (TOF), que se origin en el campo de la catlisis
enzimtica.Facturacin (TO): En rotacin general puede ser definir
como la conversin de un equivalente de reactivo a un equivalente de
producto (por equivalente de catalizador), nada ms que un bucle en
el ciclo de catalizador.Nmero de recambio (TON): es el nmero de
ciclos de reaccin se producen en el centro reactivo a travs del
ciclo cataltico antes de que el catalizador se desactive. (TON)
tambin se define como el nmero de moles de reactivo dividido por el
nmero de moles de catalizador veces el porcentaje de rendimiento
del producto. Para una aplicacin industrial ideal, el TON est en el
rango de 10 6 a 10 7. Un alto TON indica una estable y de largo
vida del catalizador.En general, Autores reportan el porcentaje de
moles de catalizador usado en la reaccin, que se refiere la
cantidad de catalizador en relacin con el reactivo. Por ejemplo, 1%
en moles de catalizador = 100 TON, 0,01% = 10.000 TON (Nota: Estos
nmeros son para un mximo terico de catalizador
utilizado).Frecuencia de rotacin (TOF) o tasa de rotacin: el (TOF)
es el nmero de reacciones moleculares o ciclos catalticos que
ocurren en el centro por unidad de tiempo (por lo general seg, min
o h). Este nmero puede obtenerse a travs de catalizador y el
tiempo. As, las unidades son slo tiempo -1. La mayora de las
aplicaciones industriales tienen (TOF) que est en el intervalo de
10 -2 - 10 2 s -1TOF y TON pueden estar relacionados como TON = TOF
tiempo de vida de un catalizador. [1]
Imagen N 1. Tomada de: [3]Ejemplos:
Imagen 2. TON y TOF Tomada de: [2]
2. Qu es el exceso enantiomerico desde la catlisis? De ejemplos
de catalizadores que favorecen el exceso. En tipo de catlisis se
usa?El exceso enantiomrico (ee) se utiliza generalmente para medir
la pureza de un compuesto o pureza quiral. [1] La composicin de una
mezcla enatiomerica se describe mediante el exceso enatiomrico
(e.e). Este es un indicador de la eficiencia de una reaccin
enatioselectiva y se calcula as:
Donde [R] y [S] son concentraciones de enantiomeros.El tipo de
catlisis que se ha venido usando ltimamente en la sntesis
asimtrica, es un catalizador en fase homognea y que posee al menos
un centro quiral, el cual promueve nuevos centros quirales al final
de la reaccin y que dicho producto de obtenga con exceso
enantiomerico y que el catalizador pueda ser recuperado.
Imagen N 3. Tomado de [3]La sntesis asimtrica podemos definirla
como una sntesis en la que una cantidad aquiral (sustrato) es
convertida en una unidad quiral lo que hace que se foren en
diferentes cantidades los posibles esteroisomeros. Mientras mayor
sea la cantidad del enantimero o diastereoismero obtenido se dice
que la reaccin es ms estereoselectiva. En la determinacin de la
estereoselectividad de una reaccin el mtodo ms usado es el
resultado de medir el exceso enantiomerico (e.e.), el cual consiste
en restar la proporcin del enantiomero en menor cantidad a la
proporcin del que se encuentra en una mayor cantidad expresando el
resultado como un porcentaje. Un exceso enantiomrico del 100%
corresponde a una sustancia enantiomricamente puro mientras que un
(e.e.) de 98% corresponde a un 99% -1% mezcla de los dos
enantimeros. El trmino homoquiral en el sentido de
enantiomricamente puro se ha propagado en la literatura, pero no es
apropiado. Se propone el trmino escalmica para describir los
materiales que se enantiomricamente enriquecido. Pureza
diastereomrica o exceso diastereomrico se utiliza bastante en el
mismo para una mezcla de diasteremeros que pueden surgir cuando los
productos de una sntesis asimtrica son diasteremeros. El exceso
diastereomrico (de) se expresa en % y dado como el exceso del
importante diasteremero con respecto a la otra. [4]
Imagen N 4. Excesos enanteomricos tomada de: [5]
3. Reaccin de Heck, usos, alcance, importancia, sntesis a nivel
industrial en cifras, comparacin entre heck y otras para
acoplamiento de carbono?
Las reacciones de metales de transicin empezaron a tener un
papel clave en la qumica al aparecer las reacciones de acoplamiento
cruzado catalizadas por paladio, las cuales iniciaron una verdadera
revolucin en la industria a finales de la dcada de 1970. Estas
reacciones se basan en que dos molculas son unidas al paladio a
travs de la formacin de enlaces carbono-metal. En el siguiente
paso, estos tomos de carbono se unen entre s y permiten la formacin
de un nuevo enlace simple carbono-carbono, hasta entonces difcil de
conseguir. En 1968 en Richard Heck, report una serie de estudios en
los que un grupo de haluros de metil y fenilpaladio eran
adicionados a olefinas. Heck saba que este tipo de compuestos eran
muy reactivos con olefinas y su manejo era complicado, esto lo
soluciono consiguiendo los reactivos como intermediario aadiendo
cantidades catalticas de sales de paladio a un compuesto de
oganometalico de mercurio siendo mas estable. De este modo, se
controlaba la reactividad del compuesto organometlico de paladio
que pasaba a comportarse como el verdadero promotor de la reaccin.
La mejor aplicacin de lo anterior esta en la adicin de cloruro de
fenilpaladio a etileno, a partir de la cual se obtiene estireno con
alto rendimiento.Heck descubrio una manera eficiente para la
arilacin de una olefina, la cual se convetira en una de las ms
importantes para la creacin de enlaces simples carbono-carbono.
Pero an faltaba mejorar el proceso. Heck incorporara posteriormente
el uso de CuCl2 como reoxidante del Pd(0), haciendo que la reaccin
fuera completamente cataltica.En 1972, Heck realiz una modificacin
importante a su reaccin e increment as su utilidad en la sntesis
orgnica. En esta nueva versin, el compuesto organometlico RPdX (R=
arilo, vinilo, etc.; X= haluro) es generado a partir de un haluro
orgnico, RX, y Pd(0) en una llamada adicin oxidativa (vase el
esquema 1 del cuadro los detalles). 1 La reaccin de Heck se muestra
de forma esquemtica en la ecuacin 1, debajo: Tomada de [1]A partir
del desarrollo de la reaccin de Heck, se pusieron en marcha
diversas otras reacciones de acoplamiento, en las que se emplearon
reactivos de Grignard, haluros orgnicos, sales de cobalto, nquel y
hierro en cantidades catalticas y tambin compuestos de litio. Sin
embargo, estas reacciones pusieron en evidencia un inconveniente
importante de las mismas: baja quimioselectividad. Es decir, el
mecanismo no poda ser utilizado con ciertos grupos funcionales
orgnicos.As, en 1979, Suzuki y colaboradores, que entonces
trabajaban en la Facultad de Ingeniera de la Universidad de
Hokkaido, en Japn, reportaron en dos artculos que unos de
terminados compuestos orgnicos de boro, en presencia de una base,
podan ser usados como par de acoplamiento con haluros de arilo o de
vinilo (Figura 2) 3. La activacin de la base del compuesto
organoborado por el compuesto de paladio facilita la transferencia
del grupo orgnico desde el boro hacia el paladio (proceso al cual
se lo conoce como transmetalacin). La reaccin fue extendida ms
tarde para incluir tambin acoplamientos con grupos alquilo, tal
como se indica en el esquema general 3.La gran estabilidad y la
naturaleza nucleoflica dbil de los compuestos organoborados le han
proporcionado una gran versatilidad a esta reaccin. Podemos
encontrar que esta reaccin tolera una amplia variedad de grupos
funcionales, es altamente quimioselectiva, puede ser llevada a cabo
bajo condiciones normales y en medio acuoso con el uso de
microondas y, finalmente, usa compuestos de boro, que son
compuestos generalmente poco txicos, lo cual le ha brindado una
gran popularidad en la industria farmacutica.La reaccin original
por Tsutomu Mizoroki describe el acoplamiento entre yodobenceno y
estireno para formar estilbeno en metanol a 120 C con base de
acetato de potasio y cloruro de catlisis de paladio. Este trabajo
fue una extensin del trabajo anterior de Fujiwara en el
acoplamiento mediado por Pd de Arenes y alquenos y el trabajo
anterior de Heck en el acoplamiento de haluros aril mercurio con
alquenos con una cantidad estequiomtrica de una especie de
paladio.La reaccin de Heck es la reaccin qumica de un haluro
insaturado con un alqueno en presencia de una base y un catalizador
de paladio para formar un alqueno sustituido. Lleva el nombre de
Tsutomu Mizoroki y Richard F. Heck. Heck fue galardonado con el
Premio Nobel de Qumica 2010, que comparti con Ei-ichi Negishi y
Akira Suzuki, por el descubrimiento y desarrollo de esta reaccin.
Esta reaccin fue el primer ejemplo de una reaccin de formacin de
enlace carbono-carbono que sigui un ciclo cataltico de Pd/Pd, el
mismo ciclo cataltico que se ve en otras reacciones de acoplamiento
cruzado catalizadas por Pd. Junto con otras reacciones de esta
clase, la reaccin de Heck es de gran importancia, ya que permite a
uno para hacer reacciones de sustitucin en centros de carbono
sp2-hibridados planas.La reaccin se lleva a cabo en presencia de un
catalizador de organopaladio. El haluro o triflato es un compuesto
arilo, bencilo, o vinilo y el alqueno contiene al menos un hidrgeno
y es a menudo deficiente en electrones tal como ster de acrilato o
un catalizador acrolonitrilo. Este puede ser tetrakispaladio,
cloruro de paladio o acetato de paladio. El ligando es
trifenilfosfina, phox o BINAP. La base es, carbonato de sodio o de
potasio acetato de trietilamina.Varios comentarios han sido
publicados.
Mecanismo de reaccin
El ciclo cataltico para la reaccin de Heck implica una serie de
transformaciones en todo el catalizador de paladio. El compuesto de
paladio se requiere en este ciclo se prepara generalmente in situ a
partir de un precursor de paladio.Por ejemplo, acetato de paladio
se reduce por trifenilfosfina para bispaladio y trifenilfosfina se
oxida a xido de trifenilfosfina. La etapa A es una adicin oxidativa
en el que se inserta de paladio en el bromuro de arilo de enlace.
Paladio entonces forma compleja ap con el alqueno y en la etapa B
el alqueno se inserta en el paladio - de bonos de carbono en una
etapa de adicin sin. Luego sigue una tensin torsional aliviar
rotacin para el ismero trans y la etapa C es una etapa de
eliminacin de beta-hidruro, con la formacin de un nuevo paladio -
alqueno complejo p. Este complejo se destruye en el siguiente paso.
El compuesto de paladio se regenera mediante la eliminacin
reductora del compuesto de paladio por carbonato de potasio en la
etapa final, D. En el curso de la reaccin el carbonato se consume
estequiomtricamente y el paladio es verdaderamente un catalizador y
se utiliza en cantidades catalticas. Un ciclo de paladio similar,
pero con diferentes escenas y actores se observa en el proceso de
Wacker.Este ciclo no se limita a compuestos de vinilo, en el
acoplamiento de Sonogashira uno de los reactivos es un alquino y en
el acoplamiento de Suzuki el alqueno se sustituye por un cido aril
bornico y en la reaccin de Stille por un aril-estannano. El ciclo
tambin se extiende al otro grupo 10 elemento nquel, por ejemplo, en
el acoplamiento de Negishi entre haluros de arilo y compuestos
orgnicos de zinc. Platino forma enlaces fuertes con el carbono y no
tiene una actividad cataltica en este tipo de
reaccin.EstereoselectividadEsta reaccin de acoplamiento es
estereoselectiva con una propensin para el acoplamiento trans como
el grupo de haluro de paladio y el residuo orgnico voluminoso se
alejan el uno del otro en la secuencia de reaccin en una etapa de
rotacin. La reaccin de Heck se aplica industrialmente en la
produccin de naproxeno y el componente de filtro solar
metoxicinamato de octilo. La sntesis de naproxeno incluye un
acoplamiento entre un compuesto de naftaleno bromado con
etileno:VariacionesReaccin de Heck lquido inicoEn la presencia de
un lquido inico de una reaccin de Heck procede en ausencia de un
ligando de fsforo. En una modificacin de acetato de paladio y el
lquido inico PF6 se inmovilizan dentro de las cavidades de gel de
slice de fase inversa. De esta manera, la reaccin procede en agua y
el catalizador es reutilizable.Oxiarilacion de HeckEn la
modificacin de Heck oxiarilation el sustituyente paladio en el
sndrome de adicin intermedio es desplazado por un grupo hidroxilo y
el producto de reaccin contiene un anillo de
tetrahidrofurano.Reaccin amino-HeckEn la reaccin de Heck-amino se
forma un enlace carbono a nitrgeno. En un ejemplo, una oxima con un
grupo aceptor de electrones fuertemente reacciona
intramolecularmente con el extremo terminal de un dieno a un
compuesto de piridina. El catalizador es tetrakispaladio y la base
es trietilamina.
Sntesis de medicamentos a pequea escalaEl primer ejemplo de este
grupo lo podemos apreciar en la sntesis de Taxol (Figura 3a), un
importante agente antitumoral de nuestros tiempos, tambin conocido
como paclitaxel, s u nombre genrico. Otro ejemplo se presenta en la
sntesis de morfina (figura 3b), donde un acoplamiento
intramolecular tipo Heck provee el esqueleto, que despus es
transformado en morfina en pocos pasos.El acoplamiento de Negishi
fue empleado en la sntesis de un antiviral natural: el henoxazol A
(Figura 3c); mientras que la reaccin de Suzuki fue empleada en la
sntesis del alcaloide antiviral bromoindol dragmacidina F. La
reaccin de Suzuki tambin se encuentra involucrada en una eficiente
sntesis de otro potente agente antitumoral, que tambin tiene su
origen en compuestos naturales: la (+)-dinemicina A (figura 3d)
Sntesis de sustancias a escala industrialLas reacciones de
acoplamiento cruzado catalizadas por paladio tambin son adecuadas
para llevarse a cabo a gran escala, por lo que la reaccin de Heck
ha sido empleada para un sinnmero de estas aplicaciones
industriales. Varios de estos procesos son ejecutados en una escala
de varias toneladas al ao. El herbicida Prosulforon es producido a
gran es cala en un proceso desarrollado por Ciba-Geigy (figura 4).
El paso clave es la reaccin de Heck, en la cual la sal de diazonio
genera arilpaladio como intermediario, el cual se acopla con la
olefina. La droga antiinflamatoria naproxeno (Albermarle, Hoechst
AG, 1994) y la droga asmtica Singular (Merck, 1993) son otros
ejemplos de la manufactura industrial de frmacos por medio de la
reaccin de Heck.
Otros compuestosAunque la mayor trascendencia de las reacciones
descritas ha sido en el campo de la medicina, estas reacciones
tambin han tenido una gran repercusin en los campos de la
agricultura, materiales de alta tecnologa y la investigacin
acadmica. Incluso han servido para reproducir compuestos exticos
naturales como las pumiliotoxinas (la pumiliotoxina A se muestra en
la figura 4) unas sustancias txicas que se encuentran en las ranas
de dardo o ranas de punta de flecha, naturales de Centro- y
Sudamrica, usadas por los nativos de la regin para impregnar las
puntas de sus flechas de caza. En definitiva, estas reacciones son
de las pocas que han contribuido en gran magnitud con el desarrollo
cientfico en beneficio de la sociedad.
BIBLIOGRAFA
[1] Raghavan, & Reddy. (2015). Industrial Catalysis and
Separations Innovations for Process Intensification. Canada: Apple
Academic Press, Inc. Pg. 332 [2] Herrmann. (2002). Synthetic
Methods of Organometalic and Inorganic Chemistry. New York: Thieme.
Pg. 125.[3]Vicario, J. L. (s.f.). Sntesis Estereocontrolada de
catlisis Asimtrica. Pais Vasco: Universidad del Pais
Vasco.(Vicario)[4]Spino, C. (2000 - 2009 ). Nouveaux Ractifs en
Chimie Organique. Montreal Canada: Universit de Sherbrooke. Pg. 27
(Spino, 2000 - 2009 )[5] Itsuno, S. (2011). Polymeric Chiral
Catalyst design and Chiral Polymer Synthesis. Canada and New Jersey
: Wiley. Pg. 23, 23[6]
http://revistas.pucp.edu.pe/index.php/quimica/article/viewFile/2866/2800
