Reacciones catalizadas

Las reacciones catalizadas se usan normalmente para acelerar la velocidad a la que se produce un proceso químico específico. A grandes rasgos, la acción del catalizador es proporcionar una vía alternativa de menor energía para la reacción.  Para que esto ocurra, la sustancia catalítica interactúa con un reactivo y forma un compuesto intermedio. Este intermediario es transitorio, en el sentido de que, una vez que se haya formado, se rompe y deja la especie original del catalizador sin cambios. Un catalizador no se ve afectado por la reacción en cuanto a la estructura química o la masa al completarse la reacción.

Hay dos tipos generales de reacciones catalizadas:

• La reacción catalizada heterogénea se da cuando el catalizador y el reactivo existen en dos fases distintas, por ejemplo, un catalizador sólido con un reactivo en solución.
• La reacción catalizada homogénea se da cuando el catalizador y el reactivo se encuentran en la misma fase, por ejemplo, cuando el catalizador y los reactivos se disuelven en la misma solución.  

• Los catalizadores crean una ruta alternativa para aumentar la velocidad y el resultado de una reacción, por lo que es importante conocer a fondo la cinética de la reacción. No solo proporciona información sobre la velocidad de la reacción, sino que también ofrece información sobre el mecanismo de esta.
• La interacción del catalizador con un reactivo también resulta interesante. Las reacciones catalizadas producen intermedios transitorios que son la clave del proceso catalítico, la velocidad de reacción y los productos finales.  La identificación de productos intermedios producidos por reacciones catalíticas es un área de investigación continua, y son útiles las herramientas que permiten conocer la presencia y la estructura de los productos intermedios.
• La medición del efecto de las variables y condiciones de reacción en un proceso catalítico resulta fundamental optimizar la reacción. La temperatura, la presión, los reactivos y las concentraciones de catalizadores, así como otros parámetros químicos y físicos, tienen un profundo efecto sobre los productos, el rendimiento y los productos secundarios que se producen en una reacción catalítica. 
• La investigación de la actividad y la medición de productos y productos secundarios que se producen mediante distintos catalizadores para una reacción determinada es importante con el fin de elegir la mejor combinación de catalizador y condiciones de reacción. 
  
• Medir y conocer la energía de una reacción catalizada resulta fundamental para garantizar una reacción segura y un escalado correcto.     

• Estudie reacciones catalizadas homogéneas y heterogéneas bajo condiciones reales de reacción, incluso a presión y temperatura elevadas.
• Detecte intermedios de reacción catalizada clave y colabore en su identificación.
• Adquiera rápidamente datos para determinar la cinética de la reacción, conocer el mecanismo de la reacción y su vía.
• Realice el seguimiento de productos y productos secundarios que produzca las reacciones catalíticas y mídalos al instante.
• Compruebe y desarrolle condiciones de reacción ideales para optimizar el rendimiento del producto final y minimizar los productos secundarios.
• Determine con rapidez el mejor catalizador y las mejores condiciones para una reacción específica.
• Elimine los retrasos que provienen de la extracción tradicional de muestras y de los análisis fuera de línea.
• Elimine la introducción de aire, humedad o reacción perturbadora resultante de la extracción de la muestra.
• Minimice la exposición del operario a productos químicos tóxicos, reacciones posiblemente energéticas o condiciones de reacción peligrosas.

Versión adaptada con permiso de Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. y Horvath, I., “Mechanism of the Pyridine-Modified Cobalt-Catalyzed Hydroxymethoxycarbonylation of 1,3-Butadiene” [[Mecanismo de hidroximetoxicarbonilación de 1,3-butadieno modificado con piridina y catalizado con cobalto], Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. Copyright (2018) American Chemical Society.

Con ReactIR de alta presión, los investigadores estudiaron la hidrometoxicarbonilación de 1,3-butadieno a metil-3-pentanoato.  En presencia de piridina, se sabía que el  Co₂(CO)₈ catalizaba esta reacción. En el momento de la investigación, no se habían identificado intermediarios y uno de los objetivos del proyecto era identificarlos.  

En un principio, el metanol se usó como disolvente y el 1,3-butadieno se añadió a una mezcla en equilibrio de Co₂(CO)₈ y [[Co(MeOH)₆][[Co-(CO)₄]₂ por debajo de 75 bar de monóxido de carbono a 100 ^oC.  Basándose en el perfil de ReactIR, los investigadores identificaron un producto intermedio, η³-C₄H₇Co(CO)₃, y tras calentar la reacción durante varias horas, se formó el producto de metil-3-pentenoato junto con una mezcla de Co₂(CO)₈ y [[Co(MeOH)₆][[Co-(CO)₄]₂.

ReactIR reveló los intermediarios del cobalto y ayudó a identificarlos; además, proporcionó información adicional sobre el mecanismo catalítico.

Cuando se usó piridina como disolvente, la especie intermedia [[CoPy₆][[Co(CO₄]₂ fue la única especie metálica identificada.  Después de calentar la mezcla, el intermedio de cobalto-piridina desapareció y la presencia de η³-C₄H₇Co(CO)₃ y el producto de metil-3-pentenoato se observó en el perfil espectral de ReactIR.

Con una mezcla adicional bajo temperatura, el intermediario η³-C₄H₇Co(CO)₃ se convirtió en[[CoPy₆][[Co(CO₄]₂ y se formó un producto adicional de pentanoato. Los investigadores informaron de que la conversión de η³-C₄H₇Co(CO)₃ a metil-3-pentanoato fue cuatro veces más rápida cuando se usó piridina como disolvente, en comparación con el metanol. 

En este ejemplo, ReactIR resultó útil para detectar el intermedio de cobalto-piridina y proporcionó información sobre el mecanismo catalítico. ReactIR reveló que el índice de conversión era mucho más rápido cuando se usaba piridina como disolvente. Con esto se muestra el uso de la FTIR in situ para determinar la mejor combinación de catalizador/disolvente con el fin de optimizar una reacción catalítica.

Rueping, M., Bootwicha, T., Sugiono, E., “Continuous-flow catalytic asymmetric hydrogenations: Reaction optimization using FTIR in-line analysis” [[Hidrogenados asimétricos catalíticos de flujo continuo: Optimización de la reacción con análisis FTIR en línea], Beilstein J. Org. Chem. (2012), 8, 300-307.

En esta investigación, los científicos demostraron por primera vez la capacidad de la química de flujo continuo para realizar una reacción de hidrogenación de transferencia asimétrica catalítica.  Para controlar la formación del producto, se usó un sistema ReactIR equipado con una célula de flujo ATR especialmente diseñada y acoplada con el microreactor. Dado que uno de los objetivos del trabajo era encontrar un conjunto óptimo de condiciones para la reacción, el ReactIR se colocó al final del flujo de reacción.  

Sus esfuerzos iniciales se centraron en la hidrogenación asimétrica de benzoxazina en presencia de dihidropiridina de Hantzsch como fuente de hidrógeno y ácido Brønsted quiral como catalizador. Se usaron bandas IR de 1479 cm-1 y 1495 cm-1 para el reactivo de benzoxazina y el producto de dihidrobenzoxazina, respectivamente, con fines de seguimiento.

La capacidad de realizar el seguimiento de estas bandas en tiempo real con la FTIR on-line proporcionó los medios para optimizar la reacción. 

Entre las muchas ventajas de usar la tecnología de microflujo continuo para investigar las reacciones está la capacidad de cambiar con rapidez las variables de reacción, como la concentración del reactivo y del catalizador, el flujo y la temperatura, y de ver el efecto de estos cambios en el resultado de la reacción.

En la hidrogenación asimétrica catalizada de benzoxazina a dihidrobenzoxazina, se realizó un aumento de la temperatura de reacción de 5 ^oC a 60 ^oC.  Los autores informaron que lograron un rendimiento del producto del 98 % al realizar la reacción a 60 ^oC a un flujo de 0,1 ml y un tiempo de contacto de 1 hora. 

Con la información de este trabajo inicial, el científico aplicó este protocolo de reacción de microflujos catalíticos a una serie de benzoxzinas, quinolinas, quinoxalinas y 3H-indoles.  Se optimizaron las condiciones de reacción para cada una de estas series.

Los autores concluyeron diciendo: “Aplicando el control en línea de la FTIR, los parámetros de reacción se pueden filtrar con rapidez en una única configuración de reacción, y las condiciones óptimas de reacción se pueden obtener mucho más rápido en comparación con la secuencia clásica de realización de la reacción seguida de un análisis”.

Diseño pequeño y ligero
El optimizado diseño se ajusta fácilmente en cualquier zona físicamente limitada, como una vitrina de gases.

Control de reacción en cualquier condición química
Las opciones están disponibles para los procesos químicos de lotes o flujos, y una variedad de condiciones, entre las que se incluyen las reacciones de presión/temperatura elevadas y reactivos corrosivos.

Sin necesidad de nitrógeno líquido
Las mediciones de infrarrojos se pueden realizar de forma continua y sin supervisión durante el tiempo que sea necesario para admitir una síntesis. 

Software potente
El software iC IR hace que la configuración y la obtención de los perfiles de reacción sean sencillas e intuitivas. iC Kinetics y el software de análisis cinético del progreso de la reacción se encuentran disponibles. Usan los datos IR para desarrollar con rapidez y facilidad información sobre la velocidad de reacción.

En este curso on-line, Huw M. L. Davies, profesor de química de la Universidad de Emory, analiza la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para entender el efecto del catalizador, el sustrato y el precursor de carbenoides en la velocidad y eficiencia de las reacciones catalizadas con rodio. Se desarrollaron sistemas optimizados con un sustrato para cargar catalizadores de más de 1 000 000.

En esta presentación se incluye:

• El estudio de los carbenoides donantes/aceptores, que son los intermediarios centrales detrás del proceso químico.
• Cómo aplicar el proceso químico de los carbenoides a la síntesis de objetivos farmacéuticos.

• La optimización de la reacción del catalizador.
• La catálisis enzimática.
• El control de las reacciones de hidrogenación.
• La medición de las reacciones de polimerización.
• Los procesos químicos muy reactivos.

A continuación se muestra una selección de publicaciones relacionadas con la industria en las que se usó la espectroscopía FTIR in situ para investigar reacciones catalizadas heterogéneas y homogéneas:

• Willcox, D., Nouch, R., Kingsbury, A., Robinson, D., Carey, J., Brough, S., Woodward, S.  “Kinetic Analysis of Copper(I)/Feringa-Phosphoramidite Catalyzed AlEt3 1,4-Addition to Cyclohex-2-en-1-one”, ACS Catal. 2017, 7, 6901−6908.
• Das, U., Higman, C., Gabidullin, B., Hein, J., Baker, R. T., “Efficient and Selective Iron-Complex-Catalyzed Hydroboration of Aldehydes” [[Hidroboración eficiente y selectiva catalizada con un compuesto de hierro de aldehídos], ACS Catal. 2018, 8, 1076−1081.
• Fu, W., Nie, M., Wang, A., Cao, Z., Tang, W., “Highly Enantioselective Nickel-Catalyzed Intramolecular Reductive Cyclization of Alkynones” [[Ciclación reductora intramolecular altamente enantioselectiva de alcinonas catalizada con níquel], Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2520–2524.
• Höfler, D, van Gemmeren, M., Wedemann, P., Kaupmees, K., Leito, I.,  Leutzsch, M., Lingnau, J., List, B., “1,1,3,3-Tetratriflylpropene (TTP) – A Strong, Allylic C–H Acid for Brønsted and Lewis Acid Catalysis” [[1,1,3,3-Tetratrifillpropeno (TTP): un ácido C-H fuerte y alílico para la catálisis de ácidos Brønsted y Lewis], Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1411-1415.
• Atodiresei, I., Vila, C., Rueping, M., “Asymmetric Organocatalysis in Continuous Flow: Opportunities for Impacting Industrial Catalysis” [[Organocatalisis asimétrica en flujo continuo: oportunidades para impactar la catálisis industrial], ACS Catal. 2015, 5, 1972−1985.
• Zhang, Y-M., Yuan, M-L., Liu, W-P., Xie, J-H., Zhou, Q-L., “Iridium-Catalyzed Asymmetric Transfer Hydrogenation of Alkynyl Ketones Using Sodium Formate and Ethanol as Hydrogen Sources” [[Hidrogenación de transferencia asimétrica catalizada por iridio de cetonas alquílicas con formiato de sodio y etanol como fuentes de hidrógeno], Org. Lett. 2018, 20, 4486−4489.

Este evento on-line gratuito, en el que participarán ponentes de AbbVie, Boehringer Ingelheim y la Universidad de California, Merced, está orientado a químicos de procesos e ingenieros químicos interesados en obtener más información sobre el impacto directo que tienen los experimentos con abundantes datos en la generación de procesos estables, escalables y uniformes. Cada ponente compartirá algunos ejemplos que influyeron en su trabajo y lo que eso significa para el futuro de los laboratorios de desarrollo.