Procesos catalíticos de hidrogenación y marcaje isotópico de sustratos insaturados mediante transferencia de hidrógeno

Resumen

La catálisis es uno de los pilares fundamentales de la química verde, que incluye el diseño de productos químicos y procesos que reducen o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas. El diseño y la aplicación de nuevos catalizadores y sistemas catalíticos están logrando simultáneamente los objetivos duales de protección ambiental y beneficio económico. La hidrogenación es uno de los procesos fundamentales en la síntesis orgánica, y sus aplicaciones industriales abarcan desde la química fina hasta la síntesis de productos farmacéuticos. En este contexto, la catálisis homogénea con complejos de metales de transición, que se remonta a más de 150 años, ofrece varias ventajas. Además, en este ámbito se pueden destacar catalizadores de tres tipos de metales de transición, los complejos de Rh, Ru e Ir que se utilizan de manera extensa y eficiente como precursores catalíticos Por lo tanto, el propósito de este trabajo de investigación es tratar de arrojar información en el campo de dos tipos de procesos de catálisis fuertemente correlacionados, la hidrogenación por transferencia y los procesos de autotransferencia de hidrógeno. En ambos procesos catalíticos se obtienen productos hidrogenados, evitando los peligros relacionados con el H2 utilizado en los procesos de hidrogenación tradicionales. La contribución de este trabajo relacionado con el proceso de hidrogenación por transferencia es la siguiente. Se describe un nuevo complejo de Ru (II), [(η6-p-cym)RuCl(κ2-N,N-dmbpy)](BF4) (p-cym= p-cymene; dmbpy= 4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine), activo como precatalizador en procesos de hidrogenación por transferencia en agua de varias cetonas, aldehídos, iminas, ( a partir de la imina o de los respectivos precursores, aldehídos y aminas), y N-heterociclos, utilizando una mezcla formiato/ácido fórmico como fuente de hidrógeno. En general, se han mostrado excelentes propiedades de reciclaje. Además, una de las contribuciones más importantes de este trabajo es la demostración de que estos precatalizadores son capaces de acoplar los procesos de transferencia de hidrógeno con un marcaje quimio-selectivo de deuterio de bueno a alto en los productos resultantes, utilizando solo agua deuterada como fuente de deuterio, la fuente de deuterio más barata en un medio de reacción medioambientalmente benigno. Este trabajo se acompaña de estudios detallados DFT congruentes con los resultados experimentales. Se ha demostrado la inversión de polaridad del ion D+, que se transforma en un deuteruro, Ru-D, por intercambio con Ru-H. Estos datos, junto con diferentes experimentos catalíticos y de RMN, han proporcionado información sobre el mecanismo del proceso. El complejo de Ru (II), [(η6-p-cym)RuCl(κ2-N,N-dmobpy)](BF4) (dmbpy =4,4′-dimethoxy-2,2′-bipyridine), se estudió en menor extensión, sólo con algunas cetonas, demostrando su actividad en procesos de hidrogenación y deuteración por transferencia. Además, también se estudió el efecto del uso de tolueno como segunda fase (sistema bifásico agua / tolueno), en ausencia de un transferidor de fase, para algunos aldehídos, iminas y N-heterociclos. También se estudiaron estos procesos en un medio bifásico D2O/tolueno para el marcaje isotópico de los productos catalíticos. Alcoholes primarios y secundarios, aminas abiertas o cíclicas, consiguiendo buenos niveles de incorporación isotópica y excelente quimio-selectividad. El uso de medios bifásicos permitió mejorar la incorporación selectiva de deuterio en todos los casos, siendo este tema crítico en el caso de las iminas y consiguiendo una simplificación del aislamiento del producto y el reciclaje del catalizador. En los primeros cuatro capítulos de esta memoria se presenta la hidrogenación de más de 35 sustratos diferentes, con excelentes resultados en la mayoría, tanto en hidrogenación como en deuteración. Por otro lado, con relación con el proceso de autotransferencia de hidrógeno, este trabajo ha realizado las siguientes aportaciones. Se ha abordado la síntesis de cuatro nuevos complejos de estructura taburete de piano de Ru (II), Rh (III) e Ir (III), incluyendo un derivado hidruro, con 5-(piridin-2-ilmetileno)hidantoína desprotonada, ligando que nunca se ha probado en complejos con aplicaciones catalíticas. Se ha demostrado que los dos derivados de iridio, el cloruro y el hidruro, son activos en la N-bencilación catalítica de una amplia variedad de aminas, reacción muy interesante en los procesos de autotransferencia de hidrógeno, usando simultáneamente el alcohol bencílico como agente alquilante y fuente de hidrógeno, y produciendo H2O como único subproducto de la reacción. Se ha estudiado la influencia de diferentes factores, así como su efecto en la quimio-selectividad. Diferentes experimentos catalíticos y de RMN han dado información sobre el mecanismo del proceso que incluye la participación del H2 molecular liberado en el proceso catalítico. La reacción consiste en tres pasos consecutivos, dos de los cuales están catalizados por Ir. En el último capítulo de esta memoria se presenta la obtención de más de 14 productos diferentes a través del proceso de autotranferencia de hidrógeno con resultados de buenos a excelentes.