Una sintesi verde di composti carbonilici α,β-insaturi dalla gliceraldeide acetonide

ARTIGO

Una sintesi verde di composti carbonilici α,β-insaturi dalla gliceraldeide acetonide

Cláudia O. VelosoI, *; Cristiane A. HenriquesI; Ayres G. DiasI; Evanoel C. de LimaII; Bianca M. SouzaI; José Luiz F. MonteiroIII

IIstituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rua São Francisco Xavier, 524, 20559-900 Rio de Janeiro – RJ, Brasil
IINúcleo de Pesquisas de Produtos Naturais, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 21941-590 Rio de Janeiro – RJ, Brasil
IIINúcleo de Catálise, Universidade Federal do Rio de Janeiro, CP 68502, 21941-972 Rio de Janeiro – RJ, Brasil

ABSTRACT

Il comportamento catalitico delle zeoliti scambiate e impregnate di Cs (X e Y) è stato studiato utilizzando la condensazione di Knoevenagel tra gliceraldeide acetonide ed etil acetoacetato per produrre il corrispondente composto carbonilico α,β-insaturo che è un importante intermedio per la chimica fine. È stata valutata l’influenza della temperatura di reazione, del tipo di zeolite e della basicità dei siti sul comportamento catalitico dei campioni. Tutte le zeoliti erano attive per la reazione studiata. La formazione del prodotto di condensazione principale era favorita a temperature di reazione più basse. Prodotti di ulteriori condensazioni sono stati anche osservati soprattutto per i campioni che sono stati solo essiccati prima del test catalitico.

Keywords: Condensazione di Knoevenagel; acetonide gliceraldeide; zeoliti basiche.

INTRODUZIONE

La recente preoccupazione per l’ambiente sta inducendo l’industria chimica a sviluppare prodotti e processi ecocompatibili che si basano sui principi della cosiddetta Chimica Verde o Chimica Sostenibile.1,2 I catalizzatori solidi vengono utilizzati per sostituire i catalizzatori liquidi omogenei in modo da poter sviluppare processi chimici meno inquinanti e più selettivi. L’uso di catalizzatori eterogenei diminuisce il rischio di corrosione e la quantità di rifiuti tossici, e permette una facile separazione, recupero e riutilizzo del catalizzatore.

Gli accettori enantiopuri preparati da D-(+)-mannitolo sono tra gli accettori più popolari per gli studi sulle aggiunte coniugate e la sintesi enantioselettiva totale.3,4 2,3-O-Isopropilydeneglyceraldehyde o gliceraldeide acetonide è un composto chiron facilmente ottenuto nella sua forma R da D-(+)-mannitolo. Questa aldeide è un composto ampiamente utilizzato a causa della sua disponibilità di enantiomeri da risorse naturali, e la sua versatilità legata alla presenza del gruppo carbonilico e del gruppo diolo protetto.5-7 I composti carbonilici α,β-insaturi ottenuti dalla gliceraldeide acetonide sono eccellenti accettori di Michael e uno dei chironi più utilizzati negli studi metodologici e nella sintesi enantiomerica.8 Recentemente, l’etile (S)-(+)-3-(2,2-dimetil-1,3-dioxolan-4-yl)-trans-2-propenoato, un importante building block ottenuto dalla gliceraldeide acetonide, è disponibile in commercio, 5 g/US$ 236,50.9 Di solito, i composti carbonilici α,β-insaturi ottenuti dalla gliceraldeide acetonide sono ottenuti dalla reazione di Wittig che presenta diversi svantaggi come un gran numero di passaggi e la produzione di trifenilfosfina come sottoprodotto.10

Considerando la grande applicabilità di questi composti carbonilici α,β-insaturi, il valore significativamente alto di questi composti, e il basso approccio ecologico nell’uso della reazione di Wittig, lo studio di nuove vie per produrli è molto rilevante nel campo della produzione di intermedi organici. La condensazione aldol di acetonide gliceraldeide con acetone è stata studiata in fase liquida su catalizzatori solidi basici,11 un ossido misto Mg,Al e una zeolite X scambiata e impregnata di cesio. Entrambi i catalizzatori eterogenei erano attivi per la produzione del composto carbonilico α,β-insaturo derivato da gliceraldeide acetonide e acetone. Tuttavia, si sono verificate anche reazioni collaterali. Un’altra via alternativa per sintetizzare i composti carbonilici α,β-insaturi è la condensazione di Knoevenagel tra gliceraldeide acetonide e composti metilenici attivi come l’acetoacetato di etile (Figura 1). La reazione di Knoevenagel è un’aggiunta nucleofila di un composto metilenico attivo a un gruppo carbonilico seguita da disidratazione in presenza di un catalizzatore basico omogeneo o eterogeneo.12-15 Questa metodologia è particolarmente utilizzata per l’estensione della catena di aldeidi aromatiche e ampiamente impiegata per la formazione di legami carbonio-carbonio nella sintesi organica con numerose applicazioni nella chimica fine e nella preparazione di composti bioattivi.16,17 Veloso et al.18 hanno studiato la condensazione di Knoevenagel dell’acetonide gliceraldeide e dell’acetoacetato di etile su ossidi misti di Mg, Al con diversi rapporti molari Al/(Al+Mg). Tutti i catalizzatori hanno presentato una buona conversione dell’acetonide gliceraldeide ed erano selettivi al 100% per il prodotto di condensazione.

Le zeoliti di base sono emerse come catalizzatori interessanti in diversi processi a causa delle importanti caratteristiche della zeolite, come l’alta area superficiale specifica e una vasta gamma di proprietà acido-base. Diversi metodi sono usati per adattare la basicità della zeolite. La diminuzione del rapporto molare silice/allumina (SAR), lo scambio dei cationi di compensazione con quelli meno elettronegativi, e l’impregnazione di composti basici sul quadro della zeolite possono aumentare la basicità della zeolite. Le zeoliti X scambiate con cationi di compensazione impregnate di composti basici di cesio sono state usate con successo come catalizzatori basici in diverse reazioni19-21, compresa la sintesi di intermedi organici.22,23

In questo lavoro, la reazione di condensazione di Knoevenagel tra gliceraldeide acetonide ed etile acetoacetato su zeoliti scambiate e impregnate di cesio (X e Y) è stata studiata allo scopo di valutare l’influenza della temperatura di reazione, del tipo di zeolite e del trattamento termico usato prima della reazione sulle prestazioni catalitiche delle zeoliti preparate.

EXPERIMENTAL

Reagenti

(R)-Gliceraldeide acetonide è stato preparato secondo Mann et al..24 L’acetoacetato di etile, il malonato di etile, il cianoacetato di etile e tutti i reagenti usati nella preparazione dei catalizzatori erano di grado tecnico.

Preparazione dei catalizzatori

I materiali madre utilizzati in questo lavoro erano zeoliti X (SAR = 2,3) e Y (SAR = 4,5) nella forma sodica. La zeolite X è stata fornita dall’IPT (Istituto per la Ricerca Tecnologica, San Paolo, Brasile), mentre la zeolite Y è stata sintetizzata secondo Silva.25 Queste zeoliti sono state scambiate due volte con una soluzione di CsCl a 80 °C per 1 ora, utilizzando un rapporto molare di cesio in soluzione per i cationi totali nella zeolite pari a 0,76 e 0,39 per le zeoliti X e Y, rispettivamente, in ogni fase. Dopo ogni fase di scambio ionico, il catalizzatore è stato filtrato, lavato con acqua calda e asciugato a 120 °C. Per l’impregnazione con specie di cesio, le zeoliti scambiate sono state sospese in una soluzione di acetato di cesio 2 mol L-1 (1 g di zeolite/30 mL di soluzione) e poi agitate per 5 ore a temperatura ambiente. Dopo l’impregnazione, la sospensione è stata filtrata senza alcun processo di lavaggio e asciugata a 100 °C. Questi campioni sono stati chiamati CsX/CsAcO e CsY/CsAcO.

Per decomporre l’acetato di cesio impregnato, i campioni sono stati calcinati ad una velocità di 5 °C min-1 sotto un flusso di aria secca, la temperatura è stata tenuta a 250 °C per 30 minuti e a 400 o 500 °C, per le zeoliti X e Y, rispettivamente, durante 5 ore. I campioni sono stati identificati come CsX/CS e CsY/CS.

Caratterizzazione del catalizzatore

La composizione chimica dei campioni è stata determinata mediante spettrometria di assorbimento atomico utilizzando uno spettrometro Perkin-Elmer AAS 1100B. La quantità di specie impregnate di cesio è stata valutata mediante analisi termogravimetrica e termodifferenziale (TGA/DTA) effettuata in una Rigaku Thermobalance TAS 100 sotto flusso d’aria a 10 °C min-1 fino a 700 °C. Il quadro cristallino dei campioni di zeolite è stato controllato per mezzo della spettroscopia infrarossa. Gli spettri sono stati registrati in un Perkin Elmer 2000 Fourier Transform Infrared Spectrophotometer con una risoluzione di 4 cm-1. I wafer sono stati preparati utilizzando 300 mg di KBr e 1 mg di zeolite. Le proprietà strutturali come l’area superficiale specifica (BET), il volume microporoso (t-plot) e il volume mesoporoso (BJH) sono stati determinati mediante adsorbimento-desorbimento di N2 a -196 °C in una Micromeritics ASAP 2020.

Procedimento di reazione

La reazione di condensazione della gliceraldeide acetonide e dei composti metilenici attivi come l’acetoacetato di etile, il malonato di etile, il cianoacetato di etile è stata effettuata in fase liquida senza solvente in un reattore batch in vetro magneticamente agitato e riscaldato da un bagno termostatico. Il sistema di reazione è stato tenuto in atmosfera di azoto a pressione atmosferica. Immediatamente prima dell’esecuzione, i campioni CsX/CsAcO e CsY/CsAcO sono stati calcinati ex-situ ad una velocità di 5 °C min-1 sotto un flusso di aria secca, la temperatura è stata mantenuta a 250 °C per 30 min e a 400 e 500 °C, per le zeoliti X e Y, rispettivamente, durante 5 ore, mentre i campioni CsX/CS e CsY/CS, che sono stati calcinati durante la fase di preparazione, sono stati appena essiccati ad una velocità di 5 °C min-1 sotto un flusso di azoto secco, la temperatura è stata tenuta a 120 e 250 °C per 30 minuti e a 400 e 500 °C, per le zeoliti X e Y, rispettivamente, per 2 ore. Dopo il trattamento termico, il catalizzatore è stato rapidamente trasferito nel reattore contenente la miscela di gliceraldeide acetonide e composti metilenici attivi. Le condizioni sperimentali utilizzate sono state le seguenti: temperatura di reazione = 30, 50 e 70 °C; tempo di reazione = 4 h; rapporto molare composti metilenici attivi/gliceraldeide acetonide = 5; 5 wt% di catalizzatore (riferito alla quantità totale di reagenti).

I prodotti di reazione sono stati analizzati mediante gascromatografia utilizzando un cromatografo Chrompack 9000 con colonna capillare CP-Sil 5CB da 50 m e rivelatore a ionizzazione di fiamma. L’identificazione della distribuzione dei prodotti è stata controllata per mezzo di un gascromatografo Hewllet Packard GC-HP 6890 accoppiato a un rivelatore di massa Hewllet Packard HP 5973.

RISULTATI E DISCUSSIONE

Proprietà fisico-chimiche dei catalizzatori

La tabella 1 mostra la composizione chimica dei campioni di zeolite. Il livello di scambio per il cesio era circa il 50% dei cationi di sodio originali per entrambe le zeoliti X e Y. La quantità di atomi di cesio impregnati per cella unitaria era simile per entrambi i campioni, 29 e 24 atomi di cesio / cella unitaria, come calcolato dai risultati della TGA.

Le principali proprietà strutturali dei campioni di zeolite sono presentate nella tabella 2. I valori del volume microporoso delle zeoliti madri sono in accordo con quelli della letteratura, mostrando che sono materiali microporosi ben sintetizzati. La presenza di cationi di cesio e l’alto contenuto di specie di cesio impregnate influenzano le caratteristiche strutturali dei campioni. La diminuzione del volume microporoso e dell’area superficiale specifica è dovuta a un significativo blocco dei pori causato dai cationi di cesio scambiati e dalle specie di cesio impregnate. Questi risultati mostrano che le proprietà strutturali delle zeoliti madri sono state modificate dai metodi di preparazione. Tuttavia, è importante notare che il basso valore del volume microporoso non è legato alla perdita di cristallinità.

Per entrambi i tipi di zeoliti, il mantenimento delle loro strutture è stato verificato controllando le bande infrarosse relative alle vibrazioni del quadro cristallino della zeolite nella regione di 1300-300 cm-1. L’analisi a raggi X non è stata utilizzata per valutare la cristallinità delle zeoliti contenenti Cs, perché questi materiali presentano sempre una diminuzione dell’intensità dei picchi di diffrazione rispetto ai campioni contenenti Na. Questa diminuzione è dovuta alla distorsione del reticolo cristallino causata dall’introduzione del grande catione cesio nel reticolo della zeolite.26-28 La figura 2 mostra gli spettri infrarossi della zeolite NaX e delle sue forme scambiate con cesio (CsX) e impregnate di cesio (CsX/CS); non sono stati osservati cambiamenti significativi nell’intervallo 1300-450 cm-1 indicando che la fase di scambio ionico e l’impregnazione di specie di cesio non hanno influenzato la cristallinità. Risultati simili sono stati osservati per le zeoliti CsY e CsY/CS.

Risultati catalitici

La condensazione di Knoevenagel tra gliceraldeide acetonide e acetoacetato di etile è stata effettuata sui catalizzatori preparati. La figura 3 mostra i prodotti di reazione ottenuti nelle condizioni sperimentali studiate. Questi prodotti sono stati identificati usando il loro tempo di ritenzione nella gascromatografia e i loro spettri di massa.

I percorsi di reazione identificati sono stati i seguenti: Condensazione di Knoevenagel tra gliceraldeide acetonide ed etile acetoacetato con conseguente prodotto (1); condensazione di aldol tra il prodotto (1) e acetone, quest’ultimo prodotto dall’idrolisi e decarbossilazione dell’etile acetoacetato, formando il prodotto (2).

I risultati della conversione della gliceraldeide acetonide e della selettività ai prodotti (1) e (2) sono riportati nelle tabelle 3 e 4. Tutti i campioni testati erano attivi per la condensazione di Knoevenagel. La selettività del prodotto dipende dal tipo di zeolite e dal trattamento termico della zeolite prima della prova catalitica.

Un confronto del comportamento catalitico dei campioni CsX/CS e CsY/CS a 70 °C mostra che entrambi i catalizzatori presentano una conversione simile della gliceraldeide acetonide (Tabella 3). Tuttavia, le selettività ai prodotti (1) e (2) sono molto diverse. Nelle condizioni sperimentali studiate, la formazione del prodotto (2) è stata favorita sulla zeolite CsX/CS.

Il primo passo nella condensazione aldolica del prodotto (1) e dell’acetone per formare il prodotto (2) è l’estrazione di un α-protone dall’acetone su un sito basico. Il carbanione prodotto attacca il gruppo carbonile del prodotto (1) formando il prodotto (2) dopo la disidratazione. L’estrazione di un α-protone dall’acetone e l’attacco del gruppo carbonilico del prodotto (1) sono passi che richiedono siti basici più forti di quelli richiesti per gli stessi passi nella formazione del prodotto (1), l’estrazione di un protone metilenico dell’acetoacetato di etile e l’attacco del carbanione sul gruppo carbonilico dell’acetonide gliceraldeide. Così, si può suggerire che l’alta selettività al prodotto (2) mostrata dalla zeolite CsX/CS, a 70 °C, sia associata alla presenza di siti basici più forti di quelli presenti in CsY/CS.

Per quanto riguarda il trattamento termico del catalizzatore, quando la decomposizione dell’acetato di cesio impregnato è stata fatta immediatamente prima della reazione (campioni CsX/CsAcO e CsY/CsAcO) è stato osservato un aumento della conversione della gliceraldeide acetonide sul campione CsY/CsAcO ed è stata favorita la condensazione aldolica del prodotto (1) e dell’acetone. Così, solo il prodotto (2) è stato osservato come prodotto di reazione. I risultati ottenuti sul campione CsX/CsAcO mostrano che nessun cambiamento significativo si è verificato sulla conversione dell’acetonide gliceraldeide, e che la selettività al prodotto (2) è aumentata. Quindi, la reazione di condensazione tra il prodotto (1) e l’acetone è stata favorita rispetto ai campioni in cui le specie di cesio impregnate sono state decomposte immediatamente prima della prova catalitica e non esposte all’aria ambiente. Questi risultati suggeriscono che l’esposizione dei campioni all’aria ambiente dopo la decomposizione dell’acetato di cesio (campioni CsX/CS e CsY/CS) produce siti con diverse proprietà di base. L’alta selettività al prodotto (2) potrebbe indicare la presenza di siti basici più forti su CsX/CsAcO e CsY/CsAcO (calcinati poco prima della prova catalitica) rispetto a quelli presenti sui campioni CsX/CS e CsY/CS (essiccati prima della prova catalitica).

Al fine di comprendere meglio il comportamento catalitico dei campioni CsY/CS e CsY/CsAcO, sono stati utilizzati come reagenti diversi composti attivi del metilene. Il malonato di etile (pKa = 13,3), l’acetoacetato di etile (pKa = 10,7) e il cianoacetato di etile (pKa < 9) sono composti metilenici attivi con diversi valori di pKa. In questo lavoro, in base alle prestazioni catalitiche di un catalizzatore di base quando vengono utilizzati questi composti metilenici attivi, verrà stabilita una scala di forza basica dei siti catalitici. I siti basici necessari per promuovere l’attivazione di cianoacetato di etile, acetoacetato di etile e malonato di etile saranno classificati come deboli, intermedi e forti, rispettivamente. La condensazione di Knoevenagel dei composti metilenici attivi con gliceraldeide acetonide è stata utilizzata per misurare la distribuzione della forza dei siti basici delle zeoliti Y studiate. Questi risultati sono mostrati nella figura 4. Le maggiori conversioni di gliceraldeide acetonide ottenute con il campione CsY/CsAcO indicano che questo campione ha una quantità leggermente maggiore di siti basici, la maggior parte dei siti basici di entrambi i campioni sono deboli con una quantità significativa di siti basici intermedi e una piccola quantità di siti basici forti. I profili simili osservati per entrambi i campioni non spiegano chiaramente la grande quantità di prodotto (2) ottenuto sul campione CsY/CsAcO.

L’influenza della temperatura e del tempo di reazione sulla conversione dell’acetonide gliceraldeide e sulla selettività ai prodotti (1) e (2) è stata valutata utilizzando il campione CsY/CS. Questi risultati sono mostrati nella tabella 4. Come previsto, la conversione della gliceraldeide acetonide è aumentata all’aumentare della temperatura di reazione. A temperature inferiori a 70 °C, è stato ottenuto solo il prodotto (1).

I risultati mostrati in questo lavoro sono legati alla chemioselettività dei catalizzatori. Tuttavia, il mantenimento della chiralità della gliceraldeide acetonide è molto importante per la sintesi di intermedi farmaceutici. La temperatura di reazione gioca un ruolo importante sulla chiralità. Temperature di reazione più basse inibiscono la perdita di chiralità del reagente, ma diminuiscono anche la conversione dei reagenti. In questo contesto, il comportamento catalitico del campione CsY/CS è stato valutato a 30 °C dopo 48 ore di reazione. Questo risultato è anche mostrato nella tabella 4. L’aumento del tempo di reazione causa un aumento della conversione della gliceraldeide acetonide senza alcun cambiamento sulla selettività del prodotto (1). Sebbene l’effetto di conversione non possa essere trascurato, questi risultati suggeriscono un ruolo importante della temperatura di reazione sulla formazione del prodotto (2) attraverso la condensazione aldol del prodotto (1) e dell’acetone.

CONCLUSIONI

Le zeoliti scambiate e impregnate di Cs (X e Y) erano attive per la condensazione di Knoevenagel tra gliceraldeide acetonide ed etil acetoacetato. Nelle condizioni di reazione utilizzate, per entrambi i catalizzatori, sono state osservate altre reazioni come la condensazione aldolica tra il prodotto (1), prodotto dalla condensazione di Knoevenagel tra gliceraldeide acetonide ed etil acetoacetato, e l’acetone, ottenuto dall’idrolisi e decarbossilazione dell’etil acetoacetato. A 70 °C, le attività delle zeoliti erano simili, ma la selettività ai prodotti era influenzata dalla temperatura di reazione, dal tipo di zeolite (X o Y), e dalla basicità dei siti, che a sua volta era influenzata dal trattamento termico usato prima della prova catalitica. Per il campione CsY/CS, la diminuzione della temperatura di reazione e l’aumento del tempo di reazione hanno favorito la formazione selettiva del prodotto (1).

CONOSCENZE

C. A. Henriques desidera ringraziare UERJ (Programa Prociência).

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