Uma síntese verde de α,β-compostos carbonílicos insaturados do acetonido de gliceraldeído

ARTIGO

Uma síntese verde de α,β-compostos carbonílicos insaturados do acetonido de gliceraldeído

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

IInstituto 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

O comportamento catalítico dos zeólitos Cs-exchange e Cs-impregnados (X e Y) foi estudado usando a condensação de Knoevenagel entre o acetonido de gliceraldeído e o acetoacetato de etilo, a fim de produzir o correspondente α,β-composto carbonilo insaturado que é um intermediário importante para a química fina. Foi avaliada a influência da temperatura de reação, tipo de zeólito e basicidade dos locais sobre o comportamento catalítico das amostras. Todos os zeólitos foram ativos para a reação estudada. A formação do principal produto de condensação foi favorecida a temperaturas de reação mais baixas. Produtos de condensação adicional também foram observados especialmente para amostras que só foram secas antes do teste catalítico.

Keywords: Condensação de Knoevenagel; acetonido de gliceraldeído; zeólitos básicos.

INTRODUÇÃO

A recente preocupação com o meio ambiente está induzindo a indústria química a desenvolver produtos e processos ambientalmente benignos que são baseados nos princípios da chamada Química Verde ou Química Sustentável.1,2 Catalisadores sólidos estão sendo usados para substituir catalisadores líquidos homogêneos para que processos químicos menos poluentes e mais seletivos possam ser desenvolvidos. O uso de catalisadores heterogêneos diminui o risco de corrosão e a quantidade de resíduos tóxicos e permite uma fácil separação, recuperação e reutilização do catalisador.

Os aceitadores de enantiopure preparados a partir do D-(+)-mannitol estão entre os aceitadores mais populares para estudos de adições conjugadas e síntese enantioselectiva total.3,4 2,3-O-Isopropilidenoglicol ou gliceraldeído acetonido é um composto de ferro facilmente obtido na sua forma R a partir de D-(+)-mannitol. Este aldeído é um composto amplamente utilizado devido à sua disponibilidade de enantiômeros de recursos naturais e sua versatilidade relacionada à presença do grupo carbonila e do grupo diol protegido.5-7 α,β-Os compostos carbonílicos insaturados obtidos do acetonido de gliceraldeído são excelentes aceitadores de Michael e um dos mais utilizados em estudos metodológicos e síntese enantiomérica.8 Recentemente, o (S)-(+)-3-(2,2-dimetil-1,3-dioxolan-4-yl)-trans-2-propenoato de etilo, um importante bloco de construção obtido do acetonido de gliceraldeído, está disponível comercialmente, 5 g/US$ 236,50.9 Normalmente, α,β – compostos carbonílicos insaturados obtidos a partir do acetonido de gliceraldeído são obtidos pela reação Wittig que apresenta várias desvantagens, como um grande número de etapas e a produção de trifenilfosfina como por produto.10

Considerando a grande aplicabilidade destes α,β- compostos carbonílicos insaturados, o valor significativamente elevado destes compostos, e a abordagem pouco ecológica na utilização da reacção Wittig, o estudo de novas vias para a sua produção é muito relevante no campo da produção de intermediários orgânicos. A condensação de aldol de acetonido de gliceraldeído com acetona foi estudada em fase líquida sobre catalisadores sólidos básicos,11 um Mg,óxido de Mg,Al-mix e um X zeólito trocado e impregnado com césio. Ambos os catalisadores heterogêneos foram ativos para a produção do composto carbonílico insaturado derivado do acetonido de gliceraldeído e acetona,α,β. Entretanto, também ocorreram reações colaterais. Outra via alternativa para sintetizar α,β – compostos carbonílicos insaturados é a condensação de Knoevenagel entre o acetonido de gliceraldeído e os compostos de metileno ativos, como o acetoacetato de etila (Figura 1). A reação Knoevenagel é uma adição nucleofílica de um composto de metileno ativo a um grupo carbonilo seguida de desidratação na presença de um catalisador básico homogêneo ou heterogêneo.12-15 Esta metodologia é particularmente utilizada para a extensão da cadeia de aldeídos aromáticos e amplamente empregada na formação de ligações carbono-carbono em síntese orgânica com inúmeras aplicações nas preparações de química fina e compostos bioativos.16,17 Veloso et al.18 estudaram a condensação de Knoevenagel de acetonido de gliceraldeído e acetoacetato de etila sobre óxidos de Mg,Al-mix com diferentes proporções molares de Al/(Al+Mg). Todos os catalisadores apresentaram boa conversão do acetonido de gliceraldeído e foram 100% seletivos para o produto de condensação.

Os zeólitos básicos surgiram como catalisadores interessantes em vários processos devido às importantes características dos zeólitos, como a alta área de superfície específica e uma grande variedade de propriedades ácido-base. Diferentes métodos são usados para adequar a basicidade dos zeólitos. A diminuição da relação sílica/alumina molar (SAR), a troca dos cátions de compensação por cátions menos electronegativos e a impregnação de compostos básicos na estrutura zeólita podem aumentar a basicidade zeólita. Os zeólitos X de césio-exchange X impregnados com compostos básicos de césio têm sido utilizados com sucesso como catalisadores básicos em diversas reações19-21 , incluindo a síntese de intermediários orgânicos.22,23

Neste trabalho, foi estudada a reação de condensação de Knoevenagel entre acetonido de gliceraldeído e acetoacetato de etila sobre os zeólitos de césio trocados e impregnados de césio (X e Y) com o objetivo de avaliar a influência da temperatura de reação, tipo de zeólito e tratamento térmico utilizado antes da reação no desempenho catalítico dos zeólitos preparados.

EXPERIMENTAL

Reagentes

(R)-O acetonido de gliceraldeído foi preparado de acordo com Mann et al..24 Acetoacetato de etila, malonato de etila, cianoaacetato de etila e todos os reagentes utilizados no preparo dos catalisadores foram de grau técnico.

Preparação dos catalisadores

Os materiais de base utilizados neste trabalho foram zeólitos X (SAR = 2,3) e Y (SAR = 4,5) na forma de sódio. O zeólito X foi fornecido pelo IPT (Instituto de Pesquisa Tecnológica, São Paulo, Brasil), enquanto o Y foi sintetizado de acordo com Silva.25 Estes zeólitos foram trocados duas vezes com uma solução de CsCl a 80 °C durante 1 h, usando uma razão molar de césio em solução para cátions totais no zeólito igual a 0,76 e 0,39 para os zeólitos X e Y, respectivamente, em cada etapa. Após cada etapa de troca iônica, o catalisador era filtrado, lavado com água quente e seco a 120 °C. Para a impregnação com espécies de césio, os zeólitos trocados foram suspensos em uma solução de acetato de césio 2 mol L-1 (1 g de zeólito/30 mL de solução) e depois agitados durante 5 h à temperatura ambiente. Após a impregnação, a suspensão foi filtrada sem qualquer processo de lavagem e seca a 100 °C. Estas amostras foram designadas como CsX/CsAcO e CsY/CsAcO.

Para decompor o acetato de césio impregnado, as amostras foram calcinadas a uma taxa de 5 °C min-1 sob um fluxo de ar seco, sendo a temperatura mantida a 250 °C durante 30 min e a 400 ou 500 °C, para os zeólitos X e Y, respectivamente, durante 5 h. As amostras foram calcinadas sob diferentes temperaturas, devido à estabilidade dos zeólitos de origem. As amostras foram identificadas como CsX/CS e CsY/CS.

Catalyst characterization

A composição química das amostras foi determinada por espectrometria de absorção atômica usando um espectrômetro Perkin-Elmer AAS 1100B. A quantidade de espécies impregnadas de césio foi avaliada por análises termogravimétricas e termodiferenciais (TGA/DTA) realizadas em um Rigaku Thermobalance TAS 100 sob fluxo de ar a 10 °C min-1 até 700 °C. A estrutura cristalina das amostras de zeólitos foi verificada por meio de espectroscopia infravermelha. Os espectros foram registrados em um Espectrofotômetro Infravermelho Perkin Elmer 2000 transformado em Fourier com resolução de 4 cm-1. As bolachas foram preparadas usando 300 mg de KBr e 1 mg de zeólito. Propriedades texturais como área de superfície específica (BET), volume microporoso (t-plot) e volume mesoporoso (BJH) foram determinadas por adsorção-desorção N2 a -196 °C em um Micromeritics ASAP 2020.

Procedimento de reacção

A reacção de condensação do acetonido de gliceraldeído e compostos de metileno activos como o acetoacetato de etilo, malonato de etilo, cianoacetato de etilo foi realizada em fase líquida sem solvente num reactor de vidro de reacção de mistura magnética e aquecido por um banho termostático. O sistema de reação foi mantido sob atmosfera de nitrogênio à pressão atmosférica. Imediatamente antes da corrida, as amostras CsX/CsAcO e CsY/CsAcO foram calcinadas ex-situ a uma taxa de 5 °C min-1 sob um fluxo de ar seco, sendo a temperatura mantida a 250 °C durante 30 min e a 400 e 500 °C, para os zeólitos X e Y, respectivamente, durante 5 h, enquanto as amostras CsX/CS e CsY/CS, que foram calcinadas durante a etapa de preparação, foram apenas secas a uma taxa de 5 °C min-1 sob um fluxo de azoto seco, sendo a temperatura mantida a 120 e 250 °C durante 30 min e a 400 e 500 °C, para os zeólitos X e Y, respectivamente, durante 2 h. Após o tratamento térmico, o catalisador foi rapidamente transferido para o reactor contendo a mistura de acetonido de gliceraldeído e compostos de metileno activos. As condições experimentais utilizadas foram as seguintes: temperatura de reação = 30, 50 e 70 °C; tempo de reação = 4 h; razão molar composto de metileno ativo/gliceraldeído acetonido = 5; 5 wt% de catalisador (referido à quantidade total de reagentes).

Os produtos de reação foram analisados por cromatografia gasosa utilizando um cromatógrafo Chrompack 9000 com uma coluna capilar CP-Sil 5CB de 50 m e um detector de ionização de chama. A identificação da distribuição dos produtos foi verificada por meio de um cromatógrafo de gás Hewllet Packard GC-HP 6890 acoplado a um detector de massa Hewllet Packard HP 5973.

RESULTAÇÃO E DISCUSSÃO

Propriedades físico-químicas dos catalisadores

Tabela 1 mostra a composição química das amostras de zeólitos. O nível de troca por césio foi de cerca de 50% dos cátions sódicos originais para ambos os zeólitos X e Y. A quantidade de átomos de césio impregnados por unidade de célula foi similar para ambas as amostras, 29 e 24 átomos de césio / unidade de célula, conforme calculado a partir dos resultados da TGA.

As principais propriedades texturais das amostras de zeólitos são apresentadas na Tabela 2. Os valores do volume microporoso dos zeólitos pai estão de acordo com os da literatura, mostrando que são materiais microporosos bem-sintetizados. A presença de cátions de césio e o alto teor de espécies impregnadas de césio afetam as características texturais das amostras. A diminuição tanto do volume microporoso quanto da superfície específica deve-se a um bloqueio significativo dos poros causado pela troca de cátions cesianos e espécies impregnadas de césio. Esses resultados mostram que as propriedades texturais dos zeólitos pais foram modificadas pelos métodos de preparo. Entretanto, é importante notar que o baixo valor do volume microporoso não está relacionado à perda de cristalinidade.

Para ambos os tipos de zeólitos, a manutenção de suas estruturas foi verificada através da verificação das bandas infravermelhas relacionadas às vibrações da estrutura cristalina do zeólito na região de 1300-300 cm-1. A análise radiográfica não foi utilizada para avaliar a cristallinidade dos zeólitos contendo Cs, pois estes materiais sempre apresentam uma diminuição na intensidade dos picos de difração em relação às amostras contendo Na-. Essa diminuição deve-se à distorção da estrutura cristalina causada pela introdução de grandes catiões de césio na rede de zeólitos.26-28 A Figura 2 mostra os espectros infravermelhos de zeólitos NaX e de suas formas de césio trocadas (CsX) e impregnadas de césio (CsX/CS); não foram observadas alterações significativas na faixa de 1300-450 cm-1 indicando que a etapa de troca iônica e a impregnação das espécies de césio não afetaram a cristalinidade. Resultados similares foram observados para CsY e CsY/CS zeólitos.

Resultados catalíticos

A condensação de Knoevenagel entre acetonido de gliceraldeído e acetoacetato de etila foi realizada sobre os catalisadores preparados. A Figura 3 mostra os produtos de reacção obtidos nas condições experimentais estudadas. Estes produtos foram identificados usando seu tempo de retenção em cromatografia gasosa e seus espectros de massa.

As vias de reação identificadas foram as seguintes: Condensação de Knoevenagel entre acetonido de gliceraldeído e acetato de etilo resultando em produto (1); condensação de aldol entre produto (1) e acetona, sendo este último produzido por hidrólise e descarboxilação de acetoacetato de etilo, formando produto (2).

Os resultados da conversão e seletividade do acetonido de gliceraldeído em produtos (1) e (2) são apresentados nas Tabelas 3 e 4. Todas as amostras testadas foram activas para a condensação do Knoevenagel. A seletividade do produto depende do tipo de zeólito e do tratamento térmico do zeólito antes do teste catalítico.

Uma comparação do comportamento catalítico das amostras CsX/CS e CsY/CS a 70 °C mostra que ambos os catalisadores apresentam conversão similar do acetonido de gliceraldeído (Tabela 3). No entanto, as seletividades dos produtos (1) e (2) são muito diferentes. Sob as condições experimentais estudadas, a formação do produto (2) foi favorecida em relação ao CsX/CS zeolite.

O primeiro passo na condensação de aldol do produto (1) e acetona para formar o produto (2) é a abstração de um próton α da acetona em um site básico. O carbanion produzido ataca o grupo carbonilo do produto (1) formando o produto (2) após a desidratação. A abstração de um próton de α da acetona e o ataque do grupo carbonil do produto (1) são etapas que requerem locais básicos mais fortes do que aqueles necessários para as mesmas etapas na formação do produto (1), a abstração de um próton de metileno de acetoacetato de etila e o ataque do carbanion ao grupo carbonil do acetonido de gliceraldeído. Assim, pode-se sugerir que a alta seletividade ao produto (2) mostrada pelo zeólito CsX/CS, a 70 °C, está associada à presença de locais básicos mais fortes do que os presentes no CsY/CS.

As ao tratamento térmico do catalisador, quando a decomposição do acetato de césio impregnado foi feita imediatamente antes da reação (amostras CsX/CsAcO e CsY/CsAcO) um aumento na conversão do acetonido de gliceraldeído foi observado sobre a amostra de CsY/CsAcO e a condensação de aldol do produto (1) e acetona foi favorecida. Assim, apenas o produto (2) foi observado como produto de reacção. Os resultados obtidos na amostra de CsX/CsAcO mostram que não houve alteração significativa na conversão do acetonido de gliceraldeído, e que a seletividade para o produto (2) aumentou. Assim, a reação de condensação entre produto (1) e acetona foi favorecida em relação às amostras nas quais as espécies de césio impregnadas foram decompostas imediatamente antes do teste catalítico e não expostas ao ar ambiente. Estes resultados sugerem que a exposição das amostras ao ar ambiente após a decomposição do acetato de césio (amostras CsX/CS e CsY/CS) produz locais com diferentes propriedades básicas. A elevada selectividade ao produto (2) pode indicar a presença de locais básicos mais fortes em CsX/CsAcO e CsY/CsAcO (calcinados imediatamente antes do teste catalítico) do que os presentes nas amostras CsX/CS e CsY/CS (secos antes do teste catalítico).

Para melhor compreender o comportamento catalítico das amostras CsY/CS e CsY/CsAcO, foram utilizados como reagentes diferentes compostos de metileno activos. Malonato de etilo (pKa = 13,3), acetoacetato de etilo (pKa = 10,7) e cianoacetato de etilo (pKa < 9) são compostos ativos de metileno com diferentes valores de pKa. Neste trabalho, de acordo com o desempenho catalítico de um catalisador básico à medida que estes compostos de metileno activos são utilizados, será estabelecida uma escala de resistência básica dos locais catalíticos. Os locais básicos necessários para promover a ativação de cianoacetate etílico, acetoacetato de etilo e malonato de etilo serão classificados como fracos, intermediários e fortes, respectivamente. A condensação de Knoevenagel dos compostos ativos de metileno com acetonato de gliceraldeído foi utilizada para medir a distribuição da força dos sítios básicos dos zeólitos Y estudados. Estes resultados são mostrados na Figura 4. As maiores conversões de acetonido de gliceraldeído obtidas com a amostra CsY/CsAcO indicam que esta amostra tem uma quantidade ligeiramente grande de sítios básicos, a maioria dos sítios básicos de ambas as amostras são fracos com uma quantidade significativa de sítios básicos intermediários, e uma pequena quantidade de sítios básicos fortes. Os perfis semelhantes observados para ambas as amostras não explicam claramente a grande quantidade de produto (2) obtida sobre a amostra CsY/CsAcO.

A influência da temperatura e do tempo de reacção na conversão do acetonido de gliceraldeído e na selectividade dos produtos (1) e (2) foi avaliada utilizando a amostra CsY/CS. Estes resultados são mostrados na Tabela 4. Como esperado, a conversão do acetonido de gliceraldeído aumentou à medida que a temperatura de reacção aumentou. A temperaturas inferiores a 70 °C, apenas o produto (1) foi obtido.

Os resultados mostrados neste trabalho estão relacionados com a quimoselectividade dos catalisadores. No entanto, a manutenção da quiralidade do acetonido de gliceraldeído é muito importante para a síntese de intermediários farmacêuticos. A temperatura de reação tem um papel importante na quiralidade. Temperaturas de reação mais baixas inibem a perda da quiralidade do reagente, mas também diminuem a conversão dos reagentes. Neste contexto, o comportamento catalítico da amostra de CsY/CS foi avaliado a 30 °C após 48 h de tempo de reacção. Este resultado também é mostrado na Tabela 4. O aumento do tempo de reacção causa um aumento na conversão do acetonido de gliceraldeído sem qualquer alteração na selectividade do produto (1). Embora o efeito da conversão não pudesse ser negligenciado, estes resultados sugerem um papel importante da temperatura de reacção na formação do produto (2) através da condensação de aldol do produto (1) e acetona.

CONCLUSÕES

Os zeólitos Cs-exchange e Cs-impregnados (X e Y) foram activos para a condensação de Knoevenagel entre o acetonido de gliceraldeído e o acetoacetato de etilo. Sob as condições de reação utilizadas, para ambos os catalisadores, outras reações foram observadas como a condensação de aldol entre o produto (1), produzida pela condensação de Knoevenagel entre o acetonido de gliceraldeído e o acetoacetato de etila, e a acetona, obtida pela hidrólise e descarboxilação do acetoacetato de etila. A 70 °C, as actividades dos zeólitos eram semelhantes, mas a selectividade dos produtos foi influenciada pela temperatura de reacção, pelo tipo de zeólito (X ou Y) e pela basicidade dos locais, que por sua vez foi influenciada pelo tratamento térmico utilizado antes do teste catalítico. Para a amostra CsY/CS, a diminuição da temperatura de reação e o aumento do tempo de reação favoreceram a formação seletiva do produto (1).

ACKNOWLEDGMENTS

C. A. Henriques gostaria de agradecer à UERJ (Programa Prociência).

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