REVISIÓN DE LA VIABILIDAD DEL USO DE MATERIALES SÓLIDOS...

REVISIÓN DE LA VIABILIDAD DEL USO DE MATERIALES SÓLIDOS

CATALÍTICOS (LDH Y MCM-41) EN REACCIONES DE HIDROACILACIÓN

INTERMOLECULAR DE ALQUINOS CON ALDEHÍDOS

AURA INES BALLESTEROS MONTEALEGRE

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE CIENCIA Y EDUCACIÓN

PROYECTO CURRICULAR LICENCIATURA EN QUÍMICA

BOGOTÁ, 2019

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UAM

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

CIUDAD DE MÉXICO, 2019

REVISIÓN DE LA VIABILIDAD DEL USO DE MATERIALES SÓLIDOS

CATALÍTICOS (LDH Y MCM-41) EN REACCIONES DE HIDROACILACIÓN

INTERMOLECULAR DE ALQUINOS CON ALDEHÍDOS

AURA INÉS BALLESTEROS MONTEALEGRE

MONOGRAFÍA DE REVISIÓN

Trabajo de grado para optar por el título de Licenciada en Química

DIRECTOR INTERNO

LUIS CARLOS GARCÍA SÁNCHEZ

DIRECTORA EXTERNA

Dra. LETICIA LOMAS

ASESOR EXTERNO

Dr. RICARDO CORONA SÁNCHEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE CIENCIA Y EDUCACIÓN

PROYECTO CURRICULAR LICENCIATURA EN QUÍMICA

BOGOTÁ, 2019

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UAM

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

CIUDAD DE MÉXICO, 2019

NOTA DE ACEPTACIÓN

______________________________________

______________________________________

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______________________________________

______________________________________

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Jurado

Julio de 2019

______________________________________________________________________________

AGRADECIMIENTOS

A mi madre, por ser mi máximo apoyo para cumplir mis metas de formación académica y por ser

un modelo a seguir para la vida. Su fortaleza para enfrentar las adversidades, su gran amor y

carisma han sido el mejor ejemplo de una mujer que cumple todo lo que sueña. Gracias por tu

infinita paciencia, este logro es de ambas.

A mi padre, su recuerdo siempre me motivó a seguir adelante, siempre será mi admiración tanto

profesionalmente como personalmente. Agradezco a la vida por permitirme compartir un tiempo

al lado del mejor padre, esposo, hijo y hermano.

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por contribuir en mi formación profesional al

igual que la de mis padres.

A los profesores Luis Carlos García y Josué Anselmo García porque su apoyo, orientación y

consejos que me permitieron seguir adelante con el trabajo.

A la Universidad Autónoma Metropolitana de México y a los profesores Leticia Lomas y Ricardo

Corona por brindarme la oportunidad, la comprensión, la orientación y el apoyo incondicional para

culminar exitosamente mí trabajo de grado.

CONTENIDO

RESUMEN........................................................................................................................................ 1

1. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................... 2

2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN .................................................................................... 3

3. OBJETIVOS ........................................................................................................................... 4

3.1. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................................... 4

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................................................ 4

4. MARCO DE REFERENCIA ................................................................................................. 4

4.1. HIDRÓXIDO DOBLE LAMINAR (LDH) .................................................................................................... 4

4.2. MATERIALES MCM-41 .......................................................................................................................... 9

4.3. HIDROACILACIÓN ................................................................................................................................. 15

4.3.1. Hidroacilación intermolecular de alquinos .................................................................. 16

4.3.1.1. Mecanismo de reacción de hidroacilación por adición oxidativa ......................................................... 16

4.3.1.2. Mecanismo de reacción de hidroacilación por hidrólisis del alquino y posterior arreglo de Claisen-

Schmidt ............................................................................................................................................. 20

4.3.1.3. Mecanismo de reacción de hidroacilación por acoplamiento A3 .......................................................... 21

4.3.1.4. Mecanismo de reacción de hidroacilación por adición nucleofílica ..................................................... 21

5. METODOLOGÍA ................................................................................................................. 22

5.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN ...................................................................................................................... 22

5.1.1. Revisión sistemática .................................................................................................... 22

5.1.1.1. Bases de datos ................................................................................................................................... 22

5.1.1.2. Resultados de búsqueda y criterios de selección ................................................................................. 23

5.1.2. Investigación experimental .......................................................................................... 24

6. DESARROLLO DE LA PROPUESTA ............................................................................... 24

6.1. ANTECEDENTES .................................................................................................................................... 24

6.1.1. Hidroacilación intermolecular de alquinos internos .................................................... 24

6.1.1.1. Reacciones de hidroacilación por adición oxidativa ............................................................................ 24

6.1.2. Hidroacilación intermolecular de alquinos terminales ................................................ 39

6.1.2.1. Reacciones de hidroacilación por adición oxidativa ............................................................................ 39

6.1.2.2. Reacciones de hidroacilación por hidrólisis del alquino y posterior proceso de Claisen-Schmidt ......... 47

6.1.2.3. Reacciones de hidroacilación con proceso de acoplamiento A3 ........................................................... 51

6.1.2.4. Reacciones de hidroacilación con proceso de adición nucleofílica ...................................................... 61

6.2. EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR ........................................................................................................ 67

6.2.1. Objetivo general .......................................................................................................... 67

6.2.2. Objetivos específicos ................................................................................................... 67

6.2.3. Síntesis y caracterización de materiales sólidos catalíticos .......................................... 67

6.2.4. Evaluación de la actividad catalítica de los materiales LDH en la reacción de

hidroacilación del fenilacetileno con benzaldehído ...................................................... 72

6.2.5. Recuperación del catalizador LDH Ni3Al- CO3............................................................ 75

6.3. PROPUESTA TEÓRICA ........................................................................................................................... 77

6.3.1. Hidroacilación con proceso de adición nucleofílica .................................................... 77

6.3.1.1. Catalizadores LDH propuestos ........................................................................................................... 79

6.3.1.2. Preparación y caracterización de catalizadores LDH ........................................................................... 80

6.3.1.3. Evaluación de las condiciones para la reacción ................................................................................... 81

6.3.1.4. Análisis requeridos para la evaluación de la efectividad del catalizador............................................... 82

6.3.2. Hidroacilación por adición oxidativa .......................................................................... 83

6.3.2.1. Condiciones de reacción .................................................................................................................... 86

6.3.2.2. Catalizador LDH y óxido mixto con nanopartículas de Níquel. ........................................................... 87

6.3.2.3. Catalizadores MCM-41...................................................................................................................... 88

7. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 92

8. RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 93

9. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 94

10. ANEXOS ............................................................................................................................. 102

10.1. ...................... ANEXO 1. CONDICIONES DE REACCIÓN Y PLACAS DE TLC EN LAS SÍNTESIS DE LA

EXPERIMENTACIÓN PRELIMINAR ................................................................................................................ 102

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Estructura bidimensional del LDH. (Tronto & Bordonal, 2013, p.6) .......................................... 5

Figura 2. Representación del hidróxido doble laminar. Las moleculas de agua no están representadas en la

figura (Laine et al, 2018, p. 5249) ........................................................................................... 6

Figura 3. Cambio estructural al calcinar y rehidratar un compuesto LDH. (González & Urquiza, 2016, p.

63660) ................................................................................................................................... 7

Figura 4. Superficie interna y externa de los compuestos MCM-41 sin funcionalizar (Autora). ............... 11

Figura 5. Procedimiento esquemático de la preparación de MCM-41. (Martínez-Edo, 2018, p.617) ........ 12

Figura 6. Diferentes métodos de funcionalización de los materiales mesoporosos MCM-41 (Taguchi &

Schuth, 2005, p.8). ............................................................................................................... 13

Figura 7. Reacciones de hidroacilación: (1) intramolecular, (2) y (3) intermolecular para alquenos y

alquinos (Autora). ................................................................................................................ 16

Figura 8. Mecanismo de reacción general de la hidroacilación de alquinos con catalizadores a base de RhI,

Ni0, Ru0 e InIII y el proceso de descarbonilación mediante adición oxidativa (Miura et al, 2013)

............................................................................................................................................ 17

Figura 9. Mecanismo general de hidroacilación de alquinos con Ni0 , Ru0 o InIII con ligandos como agentes

quelantes mediante adición oxidativa (Miura et al, 2010) (Miura et al, 2013) (Tsuda et al, 1990).

............................................................................................................................................ 18

Figura 10. Mecanismo general de reacción de la hidroacilación de alquinos con RhI usando ligandos y

aldehídos β-sustituidos como agentes quelantes mediante adición oxidativa (Barwick et al,

2018). .................................................................................................................................. 19

Figura 11. Mecanismo general de reacción de la hidroacilación de alquinos con RuII usando ligandos

mediante adición oxidativa (Chen et al, 2015). ..................................................................... 20

Figura 12. Mecanismo de reacción general de hidroacilación por medio de hidrólisis del alquino y posterior

arreglo de Claisen-Schmidt (Mameda et al, 2016) ................................................................. 20

Figura 13. Mecanismo de reacción general en el uso de catalizadores a base de AuI, CuI, CuII o Cu0 mediante

el acoplamiento A3 (Shi et al, 2014)...................................................................................... 21

Figura 14. Mecanismo general de reacción de hidroacilación con catalizadores básicos mediante la adición

nucleofílica (Yatabe et al, 2018) ........................................................................................... 22

Figura 15. Hidroacilación intermolecular de alquinos simétricos con Ni(0) (Tsuda et al, 1990) .............. 25

Figura 16. Hidroacilación intermolecular de alquinos asimétricos con Ni(0) (Tsuda et al, 1990) ............. 26

Figura 17. Mecanismo de reacción propuesto por Tsuda et al., 1990 para la hidroacilación de alquinos

internos disustituidos. ........................................................................................................... 26

Figura 18. Reacción de alquinos internos con formamidas catalizada por Ni(0) (Nakao et al, 2009) ...... 27

Figura 19. Hidroacilación intermolecular de 2-butino con complejo de Rutenio (II) (Williams et al, 2009)

............................................................................................................................................ 27

Figura 20. Hidroacilación de alquino asimétrico catalizada con Ru(II) (Williams et al, 2009) ................. 28

Figura 21. Hidroacilación de benzaldehído con alquino asimétrico usando diferentes ligandos (Chen et al,

2015) ................................................................................................................................... 28

Figura 22. Hidroacilación optimizada de alquinos asimétricos Ru (Chen et al, 2015).............................. 29

Figura 23. Hidroacilación intermolecular de alquinos internos simétricos aromáticos por medio de

catalizador sólido de Ru/CeO2 (Miura et al, 2013)................................................................. 29

Figura 24. Mecanismo de reacción propuesto por Miura para la hidroacilación de alquinos por medio del

catalizador Ru/CeO2. (Miura, 2013, p.863) ........................................................................... 30

Figura 25. Hidroacilación de alquinos internos con salicilaldehídos catalizados con Rh(I) (Kokubo et al,

1997) ................................................................................................................................... 32

Figura 26. Hidroacilación de alquinos internos con aldehídos sustituidos con sulfuro y tioacetal (Williams

et al, 2006) ........................................................................................................................... 33

Figura 27. Hidroacilación de alquinos internos con aldehídos B-S-sustituidos con ligando DPEphos

(Moxham et al, 2008) ........................................................................................................... 33

Figura 28. Mecanismo de reacción de la hidroacilación de alquenos con aldehídos β-S-sustituidos.

(Moxham et al., 2008, p.8394) .............................................................................................. 34

Figura 29. Hidroacilación de 1-aminobenzaldehído con alquinos internos y la posterior ciclación (Castaing

et al, 2013). .......................................................................................................................... 35

Figura 30. Hidroacilación intermolecular secuencial con adición de Michael para alquinos internos con

salicilaldehído (Du & Stanley, 2015). ................................................................................... 35

Figura 31. Hidroacilación de alquinos internos con aldehído β-amido sustituido (Coxon et al, 2017) ...... 36

Figura 32. Hidroacilación de 2-butino con aldehídos aromáticos por medio de catálisis con iridio (Hatanaka

et al, 2010). .......................................................................................................................... 36

Figura 33. Reacción de alquinos internos asimétricos catalizada por In(OTf)3 (Miura et al, 2010) ........... 37

Figura 34. Hidroacilación intermolecular de eninos catalizadas por cobalto (Cheng et al, 2015). ............ 38

Figura 35. Mecanismo de reacción propuesto por Cheng para la ciclación de eninos con aldehídos catalizada

por cobalto (Cheng et al, 2015). ............................................................................................ 39

Figura 36. Hidroacilación de alquinos terminales con salicilaldehído catalizada con Rh(I) (Kokubo et al,

1997) ................................................................................................................................... 39

Figura 37. Hidroacilación intermolecular de alquinos terminales catalizado por Rodio en presencia de 2-

amino-3-metilpicolina (Jun et al, 2002). ............................................................................... 40

Figura 38. Hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos sustituidos con sulfuro o tioacetal (Willis

et al, 2006) ........................................................................................................................... 40

Figura 39. Formación de compuesto intermediario estable de acil-Rh .................................................... 41

Figura 40. Hidroacilación de aldehídos con grupo funcional éter α-O-metiltiometil (MTM) (Parsons et al,

2010). .................................................................................................................................. 42

Figura 41. Hidroacilación de alquinos con aldehídos β-S-sustituidos por medio de catálisis con complejos

de rodio que contienen ligandos de difosfina (Chaplin et al, 2012) ........................................ 43

Figura 42. Hidroacilación intermolecular de fenilacetileno y 2-aminobenzaldehídos catalizada por Rh(I).

............................................................................................................................................ 44

Figura 43. Hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos β-amido sustituidos .............................. 44

Figura 44. Hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos β-éster y β-ceto disustituidos ................ 45

Figura 45. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales catalizada por In(OTf)3............................ 45

Figura 46. Mecanismo de reacción de alquinos terminales catalizador por In(OTf)3 (Miura et al, 2010) . 47

Figura 47. Hidroacilación intermolecular catalizada por CoBr2 .............................................................. 47

Figura 48. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales usando líquidos iónicos ........................... 48

Figura 49. Mecanismo de reacción propuesto para la hidroacilación de alquinos con líquidos iónicos (Xu et

al, 2004) ............................................................................................................................... 49

Figura 50. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales catalizada por óxido de grafito ................ 49

Figura 51. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales catalizada por zeolita Hβ ......................... 50

Figura 52. Mecanismo de reacción propuesto para la hidroacilación de alquinos terminales catalizada por

zeolita Hβ (Mameda et al, 2016) ........................................................................................... 51

Figura 53. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales con glioxal catalizada por Au(I) .............. 52

Figura 54. Mecanismo de reacción de alquinos terminales con glioxal catalizado por Au(I) (Shi et al, 2014)

............................................................................................................................................ 53

Figura 55. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales con nanopartículas de Cu0 soportadas en

carbón activado .................................................................................................................... 54

Figura 56. Mecanismo de reacción de hidroacilación de alquinos terminales con nanopartículas de Cu0

soportadas en materiales (Albaladejo et al, 2015).................................................................. 55

Figura 57. Reacción de hidroacilación del fenilacetileno catalizada por nanopartículas de cobre soportadas

en zeolita.............................................................................................................................. 57

Figura 58. Reacción de alquinos terminales con glioxales catalizada por Cu(I) ....................................... 58

Figura 59. Reacción de hidroacilación de alquinos por medio de acoplamiento A3 catalizada con cobre (II)

............................................................................................................................................ 59

Figura 60. Mecanismo de reacción de hidroacilación de alquinos terminales por medio de acoplamiento A3

(Zhao & Song, 2016) ............................................................................................................ 60

Figura 61. Reacción de alquinos terminales con glioxales catalizada por Cu/MOF-74 ............................ 61

Figura 62. Reacción de fenilacetileno y benzaldehído con catalizador básico Cs2CO3/Al2O3................... 62

Figura 63. Mecanismo de reacción de hidroacilación de alquinos por adición nucleofílica y transferencia de

hidruro con Cs2CO3/Al2O3 (Baba et al, 2000) ....................................................................... 63

Figura 64. Reacción de alquinos terminales catalizada por Triton B ....................................................... 63

Figura 65. Mecanismo de reacción para la hidroacilación de alquinos terminales catalizada por sales

cuaternarias de amonio ......................................................................................................... 64

Figura 66. Reacción de hidroacilación de alquinos y aldehídos aromáticos catalizador por LDH Mg3Al-CO3

............................................................................................................................................ 65

Figura 67. Mecanismo de reacción propuesto por Yatabe et al (2018) para la hidroacilación de alquinos

catalizada por LDH Mg3Al-CO3 ........................................................................................... 66

Figura 68. Estudio mecanístico de la hidroacilación de alquinos catalizada por LDH Mg3Al-CO3 .......... 66

Figura 69. Reacción de comprobación para la formación de alcohol propargílico ................................... 67

Figura 70. Espectro IR del LDH Ni3Al-CO3 ........................................................................................... 68

Figura 71. Rayos X de LDH Ni3Al-CO3 ................................................................................................. 68

Figura 72. Espectro IR del LDH Co3Al-CO3 .......................................................................................... 71

Figura 73. Rayos X de LDH Co3Al-CO3 ................................................................................................ 71

Figura 74. Espectro IR de LDH Ni3Al-CO3 recuperado .......................................................................... 76

Figura 75. Espectro Rayos X de LDH Ni3Al-CO3 recuperado ................................................................ 76

Figura 76. Representación del mesoporo del MCM-41 funcionalizado (Taguchi & Schuth, 2005, p.18) . 89

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Resultados y criterios de búsqueda para la revisión sistemática de artículos ............................... 23

Tabla 2 Datos de planos, ángulos y distancias interplanares del LDH Ni3Al-CO3 ................................... 69

Tabla 3 Datos de planos, ángulos y distancias interplanares del LDH Co3Al-CO3 ................................... 72

Tabla 4 Análisis de cromatografía de capa fina (TLC) al final de la reacción entre fenilacetileno y

benzaldehído en diferentes condiciones de reacción. .................................................................. 73

Tabla 5 Reportes de hidroacilación de fenilacetileno con benzaldehído por medio de adición nucleofílica

................................................................................................................................................. 78

Tabla 6 Consolidación de catalizadores sólidos LDH propuestos ........................................................... 79

Tabla 7 Recopilación de reacciones de hidroacilación por adición oxidativa de alquinos terminales ....... 84

Tabla 8 Recopilación de reacciones de hidroacilación por adición oxidativa de alquinos internos simétricos

................................................................................................................................................. 85

Tabla 9 Recopilación de reacciones de hidroacilación por adición oxidativa de alquinos internos asimétricos

................................................................................................................................................. 85

Tabla 10 Anexo 1: Síntesis LAB02. ..................................................................................................... 102

Tabla 11 Anexo 1: Síntesis LAB03, LAB04 y LAB05. ........................................................................ 103

Tabla 12 Anexo 1: Síntesis LAB06, LAB07 ........................................................................................ 104

Tabla 13 Anexo 1: Síntesis LAB09, LAB10, LAB11 y LAB12 ............................................................ 105

ÍNDICE DE ABREVIATURAS

ESIMS

HY

ICP-OES

IR

LDH Ca-Al

LDH Co-Al

LDH Mg-Al

LDH Mg-Fe

LDH Ni-Al

MCM-41

NaY

NPs

Raman

RMN

SEM

TEM

XAS

XPS

ZSM-5

Espectrometría de masas de iones secundarios

Zeolita faujasita ultraestable de tipo Y (Relación Si/Al>1.5)

Espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente

Espectroscopia infrarroja

Hidróxido doble laminar de calcio y aluminio

Hidróxido doble laminar de cobalto y aluminio

Hidróxido doble laminar de magnesio y aluminio

Hidróxido doble laminar de magnesio y hierro

Hidróxido doble laminar de níquel y aluminio

Mobil Composition of Matter – 41

Zeolita de tipo Y, aluminosilicato de metal alcalino

Nanopartículas

Espectroscopía Raman

Resonancia magnética nuclear

La microscopía electrónica de transmisión

La microscopía electrónica de barrido

Espectroscopía de Absorción de Rayos X

Espectroscopía Fotoelectrónica de rayos X

Zeolita Socony Mobil - 5

1

RESUMEN

Esta monografía incluye una revisión sistemática de la literatura acerca de las propiedades

catalíticas de los materiales heterogéneos LDH y MCM-41, así como de la reacción de

hidroacilación intermolecular de alquinos con aldehídos, haciendo énfasis en los tipos de

catalizadores utilizados y los diferentes mecanismos de reacción que operan en este proceso

catalítico. Posteriormente, se muestran los resultados preliminares obtenidos en el laboratorio para

evaluar la viabilidad del uso de LDH Ni-Al y LDH Co-Al como catalizadores en la reacción de

hidroacilación empleando fenilacetileno y benzaldehído.

Con base en la revisión sistemática de artículos y los resultados de la experimentación

preliminar, se construye una propuesta teórica para el uso de diferentes catalizadores de tipo LDH

y MCM-41 con características específicas que permitan catalizar la reacción de hidroacilación de

alquinos con aldehídos. La propuesta se divide en dos partes, la primera está dirigida a la reacción

de hidroacilación por medio del mecanismo de adición nucleofílica y la segunda parte por el

mecanismo de adición oxidativa.

En la primera parte de la propuesta, se estudia la viabilidad teórica del uso de los catalizadores

LDH Ni-Al, LDH Co-Al, LDH Mg-Al, LDH Ca-Al y LDH Mg-Fe por medio de un análisis de las

condiciones de reacción y de las características específicas que se les deba otorgar a estos

materiales para potenciar sus propiedades básicas y favorecer la hidroacilación de alquinos por

adición nucleofílica. En la segunda parte, también se efectúa un análisis teórico para el uso de los

catalizadores: óxido mixto Ni-Al con nanopartículas (NPs) de níquel, LDH Ni-Al con Ni-NPs,

MCM-41 funcionalizado con un complejo de Rh (I) y Ni-MCM-41 con Ni-NPs, para favorecer la

hidroacilación de alquinos por medio del mecanismo de adición oxidativa.

Palabras claves: Hidroacilación, intermolecular, alquinos, catálisis heterogénea, hidróxido

doble laminar, LDH, MCM-41.

2

1. JUSTIFICACIÓN

Recientemente, el desarrollo de nuevos procesos que minimizan la contaminación en la

industria química ha recibido una atención considerable debido a las crecientes preocupaciones

ambientales. El uso de catalizadores heterogéneos está fundamentado en los 12 principios de la

química verde, donde el noveno principio tiene como objetivo primordial la minimización o

preferiblemente la eliminación de la formación de residuos en la síntesis de sustancias químicas.

Con base en lo anterior, la catálisis heterogénea se ha convertido en una herramienta útil para

cumplir con dicho principio debido a la simplicidad del proceso y la fácil separación y reutilización

del catalizador, además de disminuir la contaminación de los productos con las especies catalíticas

activas (Mameda et al 2016). En principio, el uso de un catalizador heterogéneo que pueda ser

reutilizado, no solo permite la reducción de residuos que anteriormente se formaban en la catálisis

homogénea, sino que presentaría economía atómica si su uso suprime la necesidad de utilizar otros

reactivos.

Debido al bajo costo de síntesis, fácil separación y reutilización de los materiales sólidos

catalíticos hidróxidos doble laminares (LDH) y a las propiedades otorgadas por el gran tamaño de

poro del material mesoporoso MCM-41, además de su reutilización, se pueden utilizar en una gran

variedad de síntesis químicas que involucran catálisis ácido-base y catálisis metálica. Estos

materiales poseen otras ventajas como su alta estabilidad térmica y la posibilidad de utilizar

diferentes metales, tanto de transición como alcalinotérreos en el caso de los LDH, además de

variar su composición en el material (Feng et al, 2015). La evaluación de estos materiales sólidos

catalíticos se enfocará en la reacción de hidroacilación intermolecular de alquinos con aldehídos,

el cual es un método eficiente en la formación de nuevos enlaces C-C a partir de enlaces C-H,

permitiendo la formación de cetonas α,β-insaturadas. Aunque las cetonas α,β-insaturadas han sido

sintetizadas por otras metodologías como Claisen-Schmidt, el acoplamiento de Suzuki, la acilación

de Friedel-Crafts y el reordenamiento de Meyer-Schuster para alcoholes propargílicos (Albaladejo,

Alonso & González-Soria, 2015), la mayoría de los métodos tienen una o más limitaciones, como

un alcance pobre del sustrato, una tolerancia limitada al grupo funcional y el uso de cantidades

estequiométricas de bases fuertes o catalizadores homogéneos tóxicos de metales de transición

(Mameda et al 2016).

3

El proceso de hidroacilación de alquinos con aldehídos por medio de un catalizador heterogéneo

para la obtención de cetonas E-α,β-insaturadas lineales tiene una serie de ventajas: es un proceso

con una alta economía atómica, el catalizador se puede separar y reutilizar fácilmente, se evita el

uso de bases fuertes, permite obtener productos de manera enantioselectiva, presenta tolerancia a

diversos grupos funcionales y a diferencia de la síntesis clásica de Claisen-Schmidt, se pueden

obtener cetonas α,β-disustituidas que amplían la variedad de productos obtenidos. Este proceso no

solo permite la obtención de chalconas con variada actividad farmacológica (Mameda et al 2016),

sino que al utilizar como sustratos aldehídos β-heterosustituidos y alquinos internos, es posible

obtener compuestos heterocíclicos como las 4-cromanonas 2,3-sustituidas, que son estructuras

presentes en una gran variedad de flavonoides y son precursores valiosos para producir 2,3-diaril-

2H-1-benzopiranos que exhiben actividad antiestrogénica (Stanley et al, 2015). Otros compuestos

heterocíclicos que se pueden obtener son las dihidro-4-quinolonas, las cuales poseen propiedades

biológicas como la actividad antibacterial y antitumoral, además pueden ser usadas como sustratos

para la síntesis de productos naturales que tienen núcleos similares a la pirroloquinolina (Castaing

et al, 2013).

2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

Los materiales sólidos catalíticos como los hidróxidos dobles laminares (LDH) y los MCM-41

han sido utilizados principalmente en reacciones donde se involucra catálisis ácido-base y catálisis

metálica en una gran variedad de reacciones, siendo una alternativa que permite disminuir la

generación de residuos al ser materiales catalíticos reutilizables. Se requiere evaluar la viabilidad

de estos materiales por medio de una revisión bibliográfica de sus propiedades y de las reacciones

de hidroacilación intermolecular de alquinos, con el fin de identificar su potencial como

catalizadores que permtirían evitar los problemas de descarbonilación y regioselectividad que se

presentan en la reacción cuando se utilizan metales de transición como Ni y Rh.

4

3. OBJETIVOS

3.1. Objetivo general

Analizar la viabilidad del uso de materiales sólidos catalíticos (LDH y MCM-41) en

reacciones de hidroacilación intermolecular de alquinos con aldehídos.

3.2. Objetivos específicos

Realizar una revisión sistemática en la literatura acerca de las reacciones de hidroacilación

intermolecular entre alquinos y aldehídos, haciendo énfasis en los sistemas catalíticos

utilizados y sus mecanismos de reacción, además de la identificación de las propiedades

catalíticas de los materiales LDH y MCM-41.

Sintetizar y caracterizar los materiales LDH Ni-Al y LDH Co-Al por el método de

coprecipitación.

Analizar la efectividad de los materiales LDH Ni-Al y LDH Co-Al como catalizadores en

la reacción de hidroacilación entre fenilacetileno y benzaldehído.

Proponer posibles materiales catalíticos tipo LDH y MCM-41 que podrían ser utilizados

en las reacciones de hidroacilación intermolecular de alquinos terminales e internos.

4. MARCO DE REFERENCIA

4.1. Hidróxido doble laminar (LDH)

Los hidróxidos dobles laminares o LDH son compuestos bidimensionales conformados por

láminas cargadas positivamente y un espacio interlaminar con carga negativa. Las láminas con

carga positiva generalmente contienen dos tipos de cationes metálicos formando hidróxidos, uno

divalente M2+ y otro trivalente M3+, los cuales se encuentran distribuidos en posiciones octaédricas

formando una estructura de tipo brucita (Tóth et al, 2014). El espacio interlaminar contiene aniones

como Cl-, Br-, I-, NO3-, OH-, ClO4

-, SO42- o CO3

2- (Martínez et al, 2012) e incluso puede contener

aniones complejos (Tsyganok et al, 2001). La fórmula general es

5

[𝑀1−𝑥2+ 𝑀𝑥

3+(𝑂𝐻)2]𝑥+[𝐴𝑛−𝑥/𝑛. 𝑚𝐻2𝑂]

𝑥−, donde M2+ (Mg2+, Ni2+, Co2+, Cu2+, Fe2+ o Zn2+) y M3+

(Al3+, Fe3+, Cr3+, Mn3+ o Ga3+) (Wang et al, 2010), por lo tanto los LDH se caracterizan por

prepararse con una gran variedad de cationes trivalentes y divalentes (Figura 1), igualmente se

pueden preparar estructuras con más de dos cationes diferentes en las capas. Así como en la brucita,

las capas se forman por la condensación de las unidades octaédricas.

Figura 1. Estructura bidimensional del LDH. (Tronto & Bordonal, 2013, p.6)

Los grupos hidroxilo de la lámina están unidos a los grupos CO32- o el anión que se encuentre,

directamente o por medio del H2O a través de puentes de hidrógeno. Los grupos CO32- están

situados en el espacio interlaminar y el agua está enlazada débilmente, pudiendo eliminarse sin

destruir la estructura laminar (Figura 2) (Martínez et al, 2012) (Tóth et al, 2014).

6

Figura 2. Representación del hidróxido doble laminar. Las moleculas de agua no están representadas en la figura (Laine et al, 2018, p. 5249)

La hidrotalcita (Mg6Al2(CO3)(OH16).4H2O) es el compuesto más representativo de los

materiales LDH, cuya estructura consiste en láminas tipo brucita, Mg(OH)2, donde algunos

cationes de Mg2+ han sido sustituidos por Al3+, y están coordinados de forma octaédrica con los

grupos hidroxilo, el exceso de carga positiva es compensado en el espacio interlaminar por medio

de interacciones electrostáticas de aniones carbonato, CO32-. Se pueden preparar materiales LDH

con Ca2+ como catión divalente, aunque la estructura pierde la forma cristalina propia de la

hidrotalcita y se forma la hidrocalumita (Ca2Al(OH)6CO3.nH2O), la cual está formada por cationes

Ca2+ y Al3+ y su estructura consiste en láminas de tipo brucita corrugada con una distribución

ordenada de los cationes Ca2+ y Al3 de coordinación siete y seis respectivamente en un radio fijo

de 2:1 (Tóth et al, 2014). Otra estructura representativa de los LDH es la takovita

Ni6Al2(OH)16CO3·H2O, en la cual el Mg2+ es totalmente reemplazado por Ni2+ pero conserva la

misma estructura cristalina de la hidrotalcita (Mas et al, 2008).

Al calcinar un compuesto LDH a 500-600 °C, se forma un óxido mixto de cristales pequeños,

aumentando su área superficial, el cual al exponerlo en disoluciones acuosas o en atmosferas

húmedas se reconstruye el LDH pero con diferencias estructurales y en sus propiedades

dependiendo de la presencia de carbonatos o CO2 en el medio. (Figura 3). En ausencia de estos

dos compuestos, se generan sitios básicos de Bronsted en el espacio interlaminar con aniones

hidroxilo (Crespo et al, 2003) (González-Olvera et al, 2016). El estudio teórico realizado por

7

Mascolo & Mascolo (2015) demuestra que este método de reconstrucción del LDH no está basado

en el efecto memoria, sino en la síntesis directa de material a partir de los óxidos.

Figura 3. Cambio estructural al calcinar y rehidratar un compuesto LDH. (González & Urquiza, 2016, p. 63660)

El intercambio iónico es el método más común para modificar los aniones interlaminares en la

estructura del HDL con aniones diferentes a los utilizados en la síntesis. El proceso que ocurre en

este método es una sustitución isomórfica del contenido interlaminar (la estructura laminar del

HDL se mantiene inalterada y únicamente se modifica la dimensión del espacio interlaminar de

acuerdo con el tamaño del nuevo anión) y puede ser reversible mediante tratamientos químicos o

térmicos apropiados. El orden de preferencia por aniones inorgánicos sencillos (o capacidad para

ser retenidos entre las láminas) en orden creciente es el siguiente: NO3- < Br- < Cl- < F- < OH- <

MoO42- < SO4

2-< CrO42-< HAsO4

2-< HPO42-< CO3

2-. Por lo cual, al usar como precursor el ión

nitrato o cloruro se tiene mejores resultados de intercambio, debido a la facilidad con la que pueden

ser desplazados de la región interlaminar (Martínez et al, 2012).

Los LDH han atraído atención considerable debido a su gran área superficial, excelente

conductividad eléctrica, baja toxicidad, bajo costo, facilidad de preparación, alta capacidad de

intercambio de aniones para funcionar como adsorbente, respeto al medio ambiente y buena

estabilidad térmica y química (Kang et al, 2017). Los compuestos LDH son usados como:

Catalizadores heterogéneos básicos: Se puede intercambiar los iones en el espacio

interlaminar del LDH por otros que tengan propiedades catalíticas más eficientes. Cuando

el óxido básico se expone a soluciones acuosas, se genera sitios básicos de Brönsted,

mostrando actividad catalítica para reacciones de transesterificación, oxidación del

tolueno, condensaciones aldólicas, adición de Michael, reacciones que implican catálisis

8

ácido-base: Knoevenagel, isomerización de doble enlace, deshidrogenación y

deshidratación de alcoholes. (Wang et al, 2015)

Precursores de catalizadores básicos (óxidos mixtos): El LDH es calcinado formando un

óxido mixto con las siguientes características: gran área superficial, carácter básico,

estabilidad térmica y la capacidad de regenerar la estructura de capas original. Los centros

activos se encuentran en los átomos superficiales, los cuales poseen sitios básicos de Lewis

en sitios superficiales capaces de donar pares de electrones. Lo óxidos mixtos pueden

catalizar reacciones como la formación de gas de síntesis CH4-CO2 (Lin et al, 2015);

producción de hidrógeno a partir de la oxidación de metano o alcoholes con bajo contenido

de carbono, como metanol y etanol (Wang et al, 2015).

Electrocatálisis: Al reemplazar metales nobles que son de alto costo por otros menos

costosos y abundantes en la naturaleza, por ejemplo el cobalto y níquel en los LDH, puede

ser utilizados en reacciones electrocatalíticas como la oxidación del agua y alcohol (Fan et

al, 2014).

Adsorbentes para tratamiento de aguas residuales: La gran cantidad de grupos funcionales

OH en la superficie del LDH le proporcionan propiedades adsorbentes y captadoras de

cationes metálicos en aguas (Ej. Cd2+). El mecanismo de adsorción puede ser por: (a)

formación de precipitado de CdCO3 por intercambio aniónico, (b) adsorción superficial

debido a la naturaleza de los cationes y (c) formación de complejos superficiales de la

esfera exterior con grupos hidroxilo de superficie cargados negativamente. (Rahmanian et

al, 2017)

Uso en electroquímica como material activo en el electrodo positivo en baterías alcalinas

recargables. El Ni-Al es de especial interés ya que la sustitución parcial del aluminio por

el níquel en el hidróxido le proporciona estabilidad en medios alcalinos (Yang, 2009).

Sensores: Sensores de ozono (Kang et al, 2017)

El hidróxido doble laminar de Ni-Al ha sido sintetizado y calcinado en estudios previos por

diversos métodos:

Coprecipitación básica con sales de los metales en presencia de NaOH y Na2CO3. Este

método es el más utilizado para la preparación de estos materiales y se basa en producir un

9

precipitado con forma de gel que necesita ser madurado a 60-120° durante 12-24 h (Kannan

et al, 1996). Al combinar la técnica de microondas en el proceso de maduración se puede

obtener cristales relativamente pequeños con una distribución uniforme (Wang et al, 2015).

El tamaño, la forma y la distribución de los cationes en la capa de hidróxidos del LDH

depende de varios factores como la temperatura y el tiempo de maduración del cristal, pH

y los reactivos. La estructura del LDH no se puede formar a temperaturas de maduración

menores de 60ºC y colapsa a temperaturas mayores de 120ºC y se forman grandes

agregados que contienen óxidos de los metales. La forma y tamaño del LDH, se ve afectado

por el tiempo de maduración, a tiempos menores de 4 h se forman estructuras irregulares

y al superar las 24 h algunas capas se colapsan. El pH básico es necesario en la reacción

para evitar la formación de otras especies. (Wang et al, 2016)

Método hidrotermal o solvotermal: Se usan las sales de nitrato como precursor metálico es

disuelto en un líquido, en un recipiente cerrado y calentado por encima de su punto de

ebullición, lo que genera una presión superior a la atmosférica. En este método se usa urea

o el biopolímero alginato de sodio en condiciones hidrotérmicas para la cristalización del

LDH Ni-Al con distintas formaciones de nanopartículas (Wang et al, 2010).

Coprecipitación y la técnica de spray, la cual obtiene un material con alta cristalinidad y

gran área superficial. El gel obtenido por precipitación es diluido en agua desionizada y

luego se pulveriza sobre una placa de vidrio con un atomizador y se trata térmicamente a

100ºC durante 3 h. La técnica de spray ha sido usada para sintetizar varios polvos y para

preparar materiales de cátodos para baterías de litio (Yang et al, 2009).

Método sol-gel a partir de la hidrolisis ácida de precursores orgánicos (acetilacetona de

níquel y aluminio) en presencia de Na2CO3 (Prinetto et al, 2000).

4.2. Materiales MCM-41

En 1992 Investigadores de “Mobyl Oil Company”, dentro un proyecto encaminado a buscar

materiales con poros de mayor tamaño que los encontrados en la zeolita, sintetizaron por primera

vez un nuevo tipo de sílices mesoporosas denominadas M41S, las cuales incluyen el MCM-41

hexagonal, MCM-48 cúbico y MCM-50 lamelar. Los compuestos M41S exhiben una gran

variedad de mesoporos uniformes con tamaños que oscilan entre 2 y 10 nm. Tienen una superficie

10

específica alta (mayor que 1000 m2/g) y el tamaño de los poros de estos materiales les permite

adsorber moléculas más grandes de lo que es posible para las zeolitas. (Samiey et al, 2014)

Los compuestos de tipo M41S se sintetizan utilizando una fuente de sílice, como el

tetraetilortosilicato (TEOS) o el silicato de sodio (Na2SiO3), en presencia de tensoactivos de haluro

de alquiltrimetilamonio de cadena larga como moldes que dirigen la estructura. Las

mesoestructuras se pueden sintetizar utilizando diferentes tensoactivos iónicos o no iónicos o

polímeros solubles en agua como moldes o plantillas (Samiey et al, 2014). El TEOS se debe

hidrolizar para obtener grupos de silanol, mientras que una solución de Na2SiO3 ya ofrece estos

grupos, y su cantidad depende del grado de precondensación. Con un mayor grado de

precondensación de sílice, las posibilidades de obtener materiales bien ordenados son menores.

Durante la preparación de MCM-41 el grado de condensación de los grupos silanol depende de la

temperatura, el pH, la concentración de silicato y de la presencia de iones adicionales, aunque el

Na2SiO3 es más económico, la estructura del MCM-41 obtenida es menos estable debido a la

presencia de iones de sodio, ya que se incorporan en el marco de la mesoestructura haciéndolo

colapsar bajo condiciones hidrotérmicas (Meléndez et al, 2013).

El material MCM-41 es un tamiz mesoporoso molecular, caracterizado por tener dos

superficies: una interna (poros) y una externa (Figura 4), donde el arreglo hexagonal de mesoporos

cilíndricos tiene un tamaño uniforme (15 a 100 Å; 2-10 nm) (Cong et al, 1993). Su sistema de

poros unidimensional le otorga una elevada área superficial específica (1200-1500 m2/g), alta

estabilidad térmica e hidrotérmica, tamaño de poro estable, hidrofobicidad y acidez. (Sastre et al,

2015). Estas características permiten que el MCM-41 sea un material usado como soporte para

reacciones catalíticas, procesos de adsorción, intercambio iónico y control ambiental (Melo et al,

1999).

11

Figura 4. Superficie interna y externa de los compuestos MCM-41 sin funcionalizar (Autora).

En general, los compuestos MCM-41 se sintetizan a partir de geles de silicato básico o

aluminosilicato en presencia de tensoactivos de amonio cuaternario con diferentes longitudes de

cadena de alquilo (Yang et al, 2015). Los métodos más usados para su síntesis son: coprecipitación,

Sol-gel catalizado por una base (Samiey et al, 2014) y tratamientos hidrotérmicos y solvotérmicos

(Ng et al, 2013). Su preparación consiste inicialmente en la polimerización de los grupos silanol

en estructuras tridimensionales unidas por enlaces siloxano (Si-O-Si) y de la formación de micelas

cilíndricas formadas por el surfactante en solución acuosa. Posteriormente las micelas cilíndricas

actúan como plantilla o molde para la formación de los poros ya que las especies de sílice cargadas

negativamente se concentran alrededor de las micelas del surfactante catiónico. Por último, se

remueve el surfactante de los poros por medio de tratamientos que permitan romper las

interacciones electrostáticas entre el surfactante y las especies de sílice, este proceso se puede

realizar por medio de reflujo en alcohol acidificado con HCl, tratamiento con nitrato de amonio o

por calcinación (Figura 5) (Meléndez et al, 2013) (Martínez-Edo et al, 2018).

12

Figura 5. Procedimiento esquemático de la preparación de MCM-41. (Martínez-Edo, 2018, p.617)

La morfología y porosidad del MCM-41 es determinada por los parámetros de síntesis como

el tipo de plantilla surfactante, fuente de sílice, la composición de los materiales iniciales,

pH, temperatura, tiempo de maduración, aditivos y el solvente (Meléndez, 2013). El pH es

uno de los parámetros más importantes que influye en el ordenamiento de los poros, ya que

la solubilidad y la velocidad de disolución de la sílice aumenta con el aumento del pH, lo

que resulta en un mayor ordenamiento de los poros. Cuando el pH de la solución precursora

disminuye, se observa que la intensidad de los picos de difracción en el patrón de DRX

disminuye, lo que sugiere una disminución considerable de la ordenación de los poros (Ng,

2013). Sin embargo, se ha reportado que, a pH muy altos, igual o por encima de 11, se han

observado la disminución de la intensidad de los picos de reflexión en el difractograma de

rayos X. (Yang, 2015).

Funcionalización de los materiales MCM-41

Debido a la alta área superficial de estos materiales se puede incorporar gran variedad de sitios

activos dentro del marco o en las superficies (interna y externa). Estos sitios activos se pueden

formar ya sea por síntesis directa o por procedimientos posteriores a la síntesis, lo que significa

13

que las propiedades de estos sitios activos son variables y controlables, según el procedimiento

utilizado (Figura 6). Muchas de las etapas de modificación hacen uso de los grupos silanol

presentes en la superficie de sílice mesoporosa ordenada, porque son los sitios de anclaje para

especies metálicas o agentes de acoplamiento de silano. (Taguchi & Schuth, 2005).

Figura 6. Diferentes métodos de funcionalización de los materiales mesoporosos MCM-41 (Taguchi & Schuth, 2005, p.8).

Incorporación de cationes metálicos en el marco del MCM-41

La incorporación de metales activos en la matriz de sílice del tamiz molecular MCM-41 lo

hace particularmente valioso para aplicaciones catalíticas. Se pueden incorporar metales como Fe,

Ga, Ti, V, Sn, Al, Ni y Co. La incorporación de un segundo metal de transición cambia la actividad

catalítica del material MCM-41 debido a la fuerte interacción entre el metal y el soporte (Liu et al,

2009). La incorporación de metales se puede efectuar por medio de la síntesis directa, por ejemplo,

utilizando coprecipitación de la fuente de sílice y sales del metal. También se puede preparar por

tratamiento después de la síntesis del MCM-41. En la síntesis directa típicamente se obtiene en

una incorporación más homogénea del metal, mientras que el método post-tratamiento modificará

principalmente la superficie de la pared y, por lo tanto, aumentará la concentración del metal en la

superficie (Taguchi & Schuth, 2005).

Incorporación de nanopartículas de metales

14

La deposición de nanopartículas catalíticamente activas sobre materiales de soporte con alta

dispersión es una estrategia importante y efectiva para el diseño de catalizadores. Los materiales

mesoporosos ordenados con sus áreas de superficie intrínsecamente altas son excelentes para este

propósito. En comparación con otros materiales de soporte, los sólidos mesoporosos MCM-41

ordenados tienen la ventaja de estabilizar partículas de metal o de óxido de metal, ya que no pueden

crecer a tamaños más grandes que el tamaño de poro a menos que se muevan hacia la superficie

externa de las partículas. La síntesis se puede realizar por medio de técnicas de impregnación del

MCM-41 o por medio de la síntesis directa por co-precipitación con sales del metal y posterior

reducción con H2. La técnica de impregnación de nanopartículas en el MCM-41 generalmente

forma nanopartículas de varios tamaños en los mesoporos y en la superficie externa del material

(Taguchi & Schuth, 2005).

Incorporación de grupos funcionales orgánicos

El material MCM-41 es muy versátil debido a que también se le pueden incorporar una gran

variedad de grupos funcionales orgánicos como ácidos y aminas a través de co-condensación o

métodos post-síntesis. El método de co-condensación permite funcionalizar la superficie externa

del material por medio de la adición simultánea del grupo funcional con el precursor de sílica

(TEOS), permitiendo obtener una distribución homogénea de los grupos orgánicos en la superficie

de los poros. El método de inserción post-síntesis permite la modificación de la superficie de las

nanopartículas de MCM-41 incorporando grupos funcionales por silanización. En este proceso,

los grupos silanol (Si-OH) en la superficie del material actúan como puntos de anclaje cuando se

tratan con un siloxano funcionalizado que lleva el grupo funcional deseado. La silanización se

realiza a través de grupos libres de (R3≡Si-OH) o grupos silanol geminales (R2=Si(OH)2), pero la

distribución de los grupos funcionales tiende a ser heterogénea (Martínez-Edo et al, 2018).

Los materiales MCM-41 funcionalizados son utilizados en catálisis heterogénea y sus

aplicaciones varían dependiendo del tipo de grupo funcional introducido. La introducción de

grupos funcionales como aminas, tioles, ácidos sulfónicos y ácidos carboxílicos ya sea en la

superficie externa o en el interior de los poros, permiten su uso para reacciones que requieren

catálisis ácida o básica como: Síntesis de 4H-cromanonas, 4H-benzopiranos, qinazolinadionas,

15

condensación aldólica, condensación Knoevenagel, reacciones de esterificación,

transesterificación y producción de biodiésel (Martínez-Edo et al, 2018).

Incorporación de complejos metálicos

Dado que los catalizadores heterogéneos son considerablemente más fáciles de manejar,

recuperar y reutilizar que sus homólogos homogéneos, la inmovilización de catalizadores

homogéneos sobre soportes sólidos es de gran interés comercial. El sistema de poros del MCM-

41 con gran tamaño de apertura permite la fijación de varios complejos regio y enantioselectivos,

lo cual representa una ventaja en comparación con los soportes microporosos o macroporosos

convencionales, ya que el tamaño de los poros puede adaptarse exactamente a los requisitos de las

especies ancladas (Taguchi & Schuth, 2005). La introducción de complejos metálicos en la

preparación del MCM-41 se puede realizar por dos estrategias: inserción o por la funcionalización

por pasos múltiples a partir del MCM-41 sin funcionalizar (Martínez-Edo et al, 2018). Para el

método de inserción se inmovilizan los primeros ligandos para el metal con los que reacciona el

metal en una etapa posterior, mientras que por el otro método se funcionaliza la superficie del

MCM-41 con un grupo que cuente con una función química que reacciona con un grupo lateral

del ligando para proporcionar el enlace del complejo a la superficie (Taguchi & Schuth, 2005).

4.3. Hidroacilación

La hidroacilación es una reacción donde ocurre la activación catalítica de enlaces C-H para

formar nuevos enlaces C-C y producir cetonas usando bajas cantidades de catalizador. La reacción

de hidroacilación involucra el uso de alquenos o alquinos con aldehídos o sus derivados como

sustratos, los cuales, mediante un catalizador, principalmente metálico, permiten la formación de

la cetona, siendo un proceso que cumple con el principio de la química sostenible al tener 100%

de economía atómica (Yatabe et al, 2018). La adición de un aldehído a un doble o triple enlace en

el proceso de hidroacilación puede darse por mecanismos intra o intermoleculares (Figura 7). Por

medio de la hidroacilación intramolecular de alquenos se forman una variedad de cetonas cíclicas

y heterocíclicas usando pequeñas cantidades de catalizador y condiciones de reacción suaves. Por

otra parte, la hidroacilación intermolecular de alquenos es un método que permite la formación de

cetonas alifáticas, mientras que la hidroacilación intermolecular con alquinos produce cetonas α,β-

insaturadas (Willis, 2010).

16

+

O

R1

H

O

CH2 R2

R2

O

R1

+R1

H

O

R2

O

R1

(1)

(2)

(3)

Catalizador

Catalizador

Catalizador

H

O

CH2

CH R2

Figura 7. Reacciones de hidroacilación: (1) intramolecular, (2) y (3) intermolecular para alquenos y alquinos (Autora).

En la reacción de hidroacilación de alquenos y alquinos se han empleado una gran variedad de

catalizadores con metales de transición, así como líquidos iónicos, óxido de grafito y más

recientemente catalizadores inorgánicos como los hidróxidos dobles laminares libres de metales

de transición (Yatabe et al, 2018). Los nuevos desafíos en la hidroacilación de alquenos y alquinos

contemplan la selección de nuevos sustratos y el desarrollo de nuevos catalizadores con una mejor

actividad catalítica, mayor selectividad y reducción de los costos, en comparación con los

complejos de Rodio que se emplean comúnmente para catalizar esta reacción (Ghosh, 2016).

4.3.1. Hidroacilación intermolecular de alquinos

La catálisis con complejos de RhI ha sido comúnmente utilizada para la hidroacilación

intermolecular de alquinos, aunque también se han utilizado otros sistemas catalíticos con distintos

metales de transición. El mecanismo de reacción varía dependiendo del tipo de catalizador

utilizado y puede ocurrir por alguno de los siguientes mecanismos: Adición oxidativa, hidrólisis

del alquino con posterior arreglo de Claisen Schmidt, Acoplamiento A3 o por adición nucleofílica.

4.3.1.1. Mecanismo de reacción de hidroacilación por adición oxidativa

En el caso de catalizadores a base de RhI, Ni0, Ru0 e InIII el mecanismo general se da por

adición oxidativa, la cual consiste en la activación el enlace C-H de los aldehídos para formar las

17

especies de hidruro metal-acilo (A), las cuales son intermediarios que juegan un papel importante

en la hidroacilación catalítica de alquinos pero son inestables ya que a menudo experimentan una

rápida descomposición en especies de metal carbonilo (descarbonilación (B)) y moléculas

reducidas. En la formación de la especie de hidruro metal-acilo, el metal incrementa su estado de

oxidación, por ejemplo el RhI RhIII, y posteriormente se acopla el triple enlace para formar un

compuesto intermediario (C), para finalmente formar la cetona α,β-insaturada (D) por medio de

eliminación reductiva y regenerar el catalizador con su estado de oxidación inicial (Figura 8).

Debido al proceso de descarbonilación, en algunas ocasiones es posible obtener bajos rendimientos

del producto esperado (Miura et al., 2013).

R1

R2

HR

O

[M]

[M]R

O

H

B: Descarbonilación

R H + [M] CO

[M]=catalizador de

RhI, Ni0, Ru0 o InIII

R

O

R1

R2

A: Intermediario hidruro metal-acilo inestable

[M]R

O

R1

R2

H

C D: Producto de hidroacilación

-[M]

Figura 8. Mecanismo de reacción general de la hidroacilación de alquinos con catalizadores a base de RhI, Ni0, Ru0 e InIII y el proceso de descarbonilación mediante adición oxidativa (Miura et al, 2013)

Para evitar la descarbonilación y obtener los productos de hidroacilación con mayor

rendimiento, se han desarrollado estrategias por quelación, en las cuales se usan agentes quelantes

como ligandos fosfina y/o compuesto quelantes, como 2-amino-3-picolina, acrilamidas, aldiminas

o aldehídos β-sustituidos con heteroátomos como OH, MTM (metiltiometileter), MeS, EtS,

tioacetal, NH2 o NR2. Los ligandos fosfina son capaces de estabilizar el intermediario metal-acilo

al formar un complejo metálico con el catalizador a través de los pares libres de electrones de los

átomos de fósforo, además intervienen en la eliminación reductiva como paso final para la

formación regioselectiva del producto de hidroacilación (Moxham et al., 2008). En las reacciones

de hidroacilación de alquinos con los metales Ni0, Ru0 e InIII en donde se forma la especie metal-

acilo, se pueden obtener mejores rendimientos al usar ligandos ya que se disminuye el proceso de

descarbonilación (Figura 9) (Miura et al., 2013) (Tsuda et al., 1990).

18

R1

R2

HR

O

[M]Ln

[M]LnR

O

H

B: Lentadescarbonilación

R H + [M] CO

[M]= catalizador de

Ni0, Ru0 o InIII

Ln: ligando de fosfina

R

O

R1

R2

A: Intermediario hidruro metal-acilo estabilizado

[M]LnR

O

R1

R2

H-[M]Ln

C D: Producto de hidroacilación

Figura 9. Mecanismo general de hidroacilación de alquinos con Ni0 , Ru0 o InIII con ligandos como agentes quelantes mediante adición oxidativa (Miura et al, 2010) (Miura et al, 2013) (Tsuda et al, 1990).

Sin embargo, los catalizadores a base de RhI son más desafiantes por lo tanto para suprimir la

descarbonilación y obtener mejores rendimientos se ha reportado el uso simultaneo de ligandos y

de aldehídos β-sustituidos como agentes de control de quelación, que estabilizan el intermediario

de hidruro metal-acilo importante para obtener las cetonas α,β-insaturadas (Castaing et al., 2013).

El mecanismo de reacción involucra la formación del complejo ([Rh]Ln), entre el catalizador de

RhI y el ligando, de este modo al adicionar el aldehído se forma la especie intermedia de hidruro

de acilo-RhIII (A), esta especie se encuentra estabilizada al formar un ciclo de 5 miembros con el

ligando y el grupo quelante del aldehído. Posteriormente se adiciona el alquino (B) y se forma un

nuevo complejo (C) por medio de la coordinación entre la insaturación y el centro metálico. Este

último complejo sufre una eliminación reductiva (D) y se forma el producto de la hidroacilación

(Figura 10). (Moxham et al., 2008)

La limitación inherente al uso de grupos quelantes es que dicho grupo también estará presente

en los productos, por lo cual se debe intentar usar grupos quelantes que también sean requeridos

en el producto final o que puedan ser intercambiados por otros grupos funcionales en el producto

final (Parsons et al., 2011) (Miura, 2013).

19

M=RhI

Ln: Ligando

X= Grupo quelante: Tioacetal, SMe, SEt, MTM (Metiltiometileter), OH, NH2,

NRR', pirrolidina.

[M]LnR

1R

2

Ln [M]

HX

.O

R

R1

R2

Ln [M]

X

O+

R1

R2

H

R

[M]Ln

X

O

R

H

Ln [M]

X

OR1

R2

R

-[M]Ln

H

OX

R

O

R1

R2

X

R

B

CD

A: Intermediario hidrurometal-acilo estabilizado

E: Producto de hidroacilación

Figura 10. Mecanismo general de reacción de la hidroacilación de alquinos con RhI usando ligandos y aldehídos β-sustituidos como agentes quelantes mediante adición oxidativa (Barwick et al, 2018).

Debido a que los catalizadores a base RuII e IrI son eficientes en la catálisis por transferencia

de hidrógeno con alcoholes o aldehídos, estos han sido estudiados en la hidroacilación de alquinos.

Chen et al (2015) y Williams et al (2009) estudiaron el uso de RuII proponiendo un mecanismo de

reacción por adición oxidativa donde se forma una especie metal-alquenil como intermediario

clave, además indicaron que el uso de ligandos, como agentes quelantes, intervienen en la

regioselectividad de la formación de cetonas α,β o β,γ-insaturadas. El mecanismo involucra

inicialmente una transferencia de hidrógeno al catalizador mediante el uso de donadores de hidruro

como el 2-propanol o utilizando inicialmente un catalizador de metal hidruro comercial (Ru-H),

como el RuHCl(CO)(PPh3). Posteriormente, el complejo catalítico de metal hidruro y el ligando

se insertan en el alquino para formar la especie intermediaria de metal-alquenil (A), la cual al

adicionar el aldehído forma el producto de hidroacilación (B) (Figura 11).

20

Ln[M]-H

[M]=Catalizador

de RuII

Ln=ligando

R1

R2

R1

H [M]Ln

R2

R

O

R1

R2

A: Especie alquenil-metal (hidrometalación)

B: Producto de hidroacilación

-Ln[M]-HR

H

O

+

Figura 11. Mecanismo general de reacción de la hidroacilación de alquinos con RuII usando ligandos mediante adición oxidativa (Chen et al, 2015).

En cuanto a la catálisis con iridio El único estudio reportado de hidroacilación de alquinos con

IrI fue realizado por Hatanaka et al., (2010), quienes efectuaron la reacción de hidroacilación con

alcoholes y aldehídos, aunque el mecanismo de reacción con los aldehídos no fue detallado,

proponen la formación de un intermediario de hidruro metal(π-alilo) unido al ligando. La reacción

no requiere el uso del catalizador hidrogenado pero la presencia del ligando es necesaria para

obtener el producto. En el caso de la catálisis a base de cobalto, Santhoskumar et al, (2015) propone

que el mecanismo también incluya la formación del intermediario de hidruro metal-alquenil pero

sin ser una catálisis por transferencia de hidrógeno.

4.3.1.2. Mecanismo de reacción de hidroacilación por hidrólisis del alquino y

posterior arreglo de Claisen-Schmidt

El uso de catalizadores ácidos que no necesariamente están constituidos por metales, tales como

los líquidos iónicos, óxido de grafito y zeolitas, permiten el proceso de hidroacilación por un

mecanismo que se basa en la hidrólisis del alquino para formar la metil cetona, la cual reacciona

con el aldehído por un proceso de Claisen-Schmidt (Figura 121). Este mecanismo solo se efectúa

al utilizar alquinos terminales para obtener la metil cetona correspondiente (Mameda et al, 2016).

R

CH

Catalizador

H2O CH3R

O

+

OR1

H

-H2O R

O

R1

Catalizador

Figura 12. Mecanismo de reacción general de hidroacilación por medio de hidrólisis del alquino y posterior arreglo de Claisen-Schmidt (Mameda et al, 2016)

21

4.3.1.3. Mecanismo de reacción de hidroacilación por acoplamiento A3

Al utilizar catalizadores de sales de AuI, CuI y CuII o con nanopartículas de Cu0, junto con una

base nitrogenada como las aminas, el mecanismo de reacción que se da es el acoplamiento A3

tándem (acoplamiento-isomerización-hidrolisis), el cual es la reacción entre un aldehído, un

alquino terminal y una amina conllevando a la formación de propargilaminas, con una posterior

desprotonación del protón ácido vecino al triple enlace, dando a lugar a un intermediario aleno que

posteriormente sufre una hidrólisis para generar cetonas α,β-insaturadas (Figura 13). Este

mecanismo solo ocurre en alquinos terminales aromáticos ya que es requisito que la

propargilamina formada contenga un protón ácido, por lo cual no pueden utilizarse alquinos

internos (Shi et al, 2014).

R H

O

CH

NH

Catalizador

A3-acoplamiento

-H+ / +H+

H2OR

N

H

O

RR

N

. H

Figura 13. Mecanismo de reacción general en el uso de catalizadores a base de AuI, CuI, CuII o Cu0 mediante el acoplamiento A3 (Shi et al, 2014)

4.3.1.4. Mecanismo de reacción de hidroacilación por adición nucleofílica

Este mecanismo se produce cuando se utilizan catalizadores básicos junto con alquinos

terminales aromáticos y aldehídos. Consiste en utilizar bases fuertes o moderadamente fuertes con

alquinos terminales para formar el carbanión denominado ión alquinuro (la base desprotona el

hidrógeno ácido del alquino terminal). La especie de alquinuro es un nucleófilo fuerte que puede

ser utilizado en reacciones orgánicas de adición donde se requiere generar nuevos enlaces C-C,

permitiendo así su adición a un aldehído para la formación de cetonas α,β-insaturadas (Figura 14).

Catalizadores como el LDH Mg-Al, Cs/Al2O3 y las sales de amonio cuaternarias efectúan el

proceso catalítico por medio de este mecanismo. Debido a que estos catalizadores basan su

mecanismo en la nucleofilicidad de los alquinos terminales, permitiendo evitar la dificultad en el

control de la regioselectividad y la descarbonilación en las clásicas reacciones de hidroacilación

de adición oxidativa (Yatabe et al, 2018).

22

PhH

-H+

Ph

O

HPh

O

Ph

H

HA: Especiealquinuro B: Alcohol

propargílico Cetona -insaturada

Ph

OH

HPh

C: Ph

_Catalizador Catalizador

Figura 14. Mecanismo general de reacción de hidroacilación con catalizadores básicos mediante la adición nucleofílica (Yatabe et al, 2018)

5. METODOLOGÍA

5.1. Tipo de investigación

La monografía se enmarcó en la revisión sistemática y la investigación experimental.

5.1.1. Revisión sistemática

La revisión sistemática es una forma de estudio secundario que usa una metodología bien

definida para identificar, analizar e interpretar todas las evidencias relacionadas con una pregunta

de investigación específica y extraer conclusiones sobre los datos recopilados. Con base en esta

revisión, se analizó la información y se plantearon dos propuestas para el uso de materiales

catalíticos tipo LDH y MCM-41.

5.1.1.1. Bases de datos

Para la elaboración de la revisión sistemática se consultaron las siguientes bases de datos

recopilando fuentes primarias y secundarias al utilizar principalmente descriptores en inglés, ya

que en español no se encontraron resultados para hidroacilación de alquinos (Tabla 1). Debido a

la gran cantidad de resultados obtenidos, los descriptores fueron muy específicos y la búsqueda

avanzada se limitó a que fueran incluidos únicamente en el título y/o resumen.

Bases de datos, recursos digitales y revistas repositorio disponibles en la página de la

Biblioteca Jesús Romo Armería ubicada en el instituto de química de la Universidad

23

Nacional Autónoma Metropolitana de México UNAM.

http://www.iquimica.unam.mx/biblioteca/

Base de datos de revistas especializadas en química de la Universidad Autónoma

Metropolitana de México (UAM) – Unidad Iztapalapa. http://amoxcalli.izt.uam.mx/

Google académico

5.1.1.2. Resultados de búsqueda y criterios de selección

Tabla 1 Resultados y criterios de búsqueda para la revisión sistemática de artículos

Descriptor Result.

Inic.

Fuentes

selecc. Criterios de selección

Layered double hydroxide LDH Ni-Al

Bronsted basic sites 49 13

Artículos experimentales y de revisión donde

se especifique diferentes métodos de

obtención, la estructura interna, sus sitios

activos catalíticos y revisiones de avances en

catálisis

Hidróxido doble laminar 16 2 Artículos de revisión sobre teoría general de

los hidróxidos dobles laminares

MCM-41 mesoporous material synthesis 90 12

Artículos de revisión de teoría general del

material y sus diferentes métodos de

preparación

MCM-41 Rh 27 4 Artículos específicos en la síntesis de MCM-

41 con metal Rh (I)

Hidroacilación de alquinos 0 0 No se encontraron resultados en español para

la reacción de hidroacilación de alquinos

Intermolecular hydroacylation alkynes

Rh 156 12

Artículos de revistas experimentales donde se

desarrolle la reacción intermolecular con el

metal exclusivamente para alquinos y

aldehídos.


Ru 66 3


Ni 69 1


Iridium 52 1

http://www.iquimica.unam.mx/biblioteca/

http://amoxcalli.izt.uam.mx/

24


Indium 8 1


Cobalt 51 2

Intermolecular hydroacylation alkynes 287 15

Artículos donde se efectúe la reacción de

hidroacilación intermolecular entre alquinos y

aldehídos pero sin el uso de metales de Rh,

Ru, Ni, Ir, In y Co. También se incluyen

artículos de revisión sobre los avances en la

hidroacilación de alquinos y sus aplicaciones

catalíticas y artículos en los cuales se utilizó

como sustrato glioxales.

Artículos provenientes de la bibliografía

referenciada, tesis y libros 17

Documentos requeridos para ampliar la

información de un tema en específico.

TOTAL 871 83

5.1.2. Investigación experimental

Se realizó una experimentación inicial de laboratorio para recopilar resultados preliminares

útiles para la evaluación de los materiales catalíticos LDH en la reacción de hidroacilación

intermolecular de alquinos. Esta sección experimental consistió en la síntesis y caracterización

(Espectroscopía IR y difracción de Rayos X) de los materiales sólidos catalíticos LDH Ni-Al y

LDH Co-Al para su evaluación inicial en la reacción de hidroacilación entre fenilacetileno y

benzaldehído.

6. DESARROLLO DE LA PROPUESTA

6.1. Antecedentes

6.1.1. Hidroacilación intermolecular de alquinos internos

6.1.1.1. Reacciones de hidroacilación por adición oxidativa

25

Hidroacilación catalizada por complejos de Ni(0)

En la hidroacilación intermolecular de alquinos la catálisis con níquel ha sido efectiva, los

complejos de Ni(0) pueden ser utilizados para combinar aldehídos de arilo y alquilo con

alquinos simétricos internos formando cetonas α,β-insaturadas. Tsuda, Kiyoi & Saegusa

(1990) reportaron la reacción por medio de catálisis homogénea de 4-octino con 2-

metilpropanal en THF a 100ºC por 20 h en la presencia del complejo de níquel(0) Ni(COD)2 y

el ligando P(n-C8H17)3 bajo una atmósfera de nitrógeno, obteniendo la correspondiente cetona

α,β-insaturada con un rendimiento del 93% junto con una pequeña cantidad de cetona α,β,γ,δ-

insaturada (Figura 15). La formación de la cetona α,β-insaturada se produce de manera

estereoselectiva, con un predominio del isómero E del 93% y es altamente dependiente de la

estructura de la fosfina terciaria utilizada como ligando, donde los ligandos tri-n-alquilfosfina

como el P(n-Bu)3 y P(n-C8H17)3 fueron los más efectivos. Otros aldehídos aromáticos y lineales

también pueden ser utilizados en la reacción.

+

H

OCH3

CH3

Pr

Pr

CH3

O

CH3

CH3 CH3

Ni(COD)2 (0.05 mmol)

P(n-C8H17)3 (0.10 mmol)

THF, 100ºC, 20 h

+

O

CH3

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

(1 mmol)

(1.5 mmol)

93%, 93:7 E:Z 6%

Figura 15. Hidroacilación intermolecular de alquinos simétricos con Ni(0) (Tsuda et al, 1990)

Tsuda et al. (1990) también reportaron la hidroacilación de alquinos asimétricos usando

como catalizador homogéneo el complejo de níquel(0) Ni(COD)2 y el ligando P(n-C8H17)3,

obteniendo una mezcla de productos regioisoméricos de cetonas α,β-insaturadas (Figura 16).

Por el contrario, la reacción de benzaldehído con 1-hexino, un alquino terminal, no formó la

cetona correspondiente, por lo tanto el catalizador Ni(COD)2 solo funciona para la obtención

de cetonas α,β-disustituidas.

26

R1

R2

(1 mmol)

+

H

O

(1.5 mmol)

Ni(COD)3 (0.05 mmol)

P(n-C8H17)3 (0.10 mmol)

THF, 150°C, 20 h

O

R2

R1

O

R1

R2

+

R1=n-Bu R2=Me; R1=i-Pr R2=Me; R1=t-Bu R2=Me; R1=Ph R2=Et;

Figura 16. Hidroacilación intermolecular de alquinos asimétricos con Ni(0) (Tsuda et al, 1990)

Aunque el mecanismo de reacción no se ha estudiado detalladamente, Tsuda et al. (1990)

proponen un mecanismo que involucra la formación de un hidruro de acilo de níquel como

intermediario. Si se presenta una descarbonilación en el proceso, se desprende gas CO y se

forma como producto un alqueno (Figura 17).

R H

O

+ Ni(0)

R Ni

O

H

+ R1

R1

R Ni

O R1

R1 -Ni(0)

R

O

R1

R1

Descarbonilación

R Ni

H

+R

1R

1

NiR

R1

H

R1

CO-Ni(0)

R1

H R

R1

Figura 17. Mecanismo de reacción propuesto por Tsuda et al., 1990 para la hidroacilación de alquinos internos disustituidos.

No se han reportado más estudios experimentales de hidroacilación de alquinos con

aldehídos usando níquel como catalizador, la revisión bibliográfica muestra un estudio similar

realizado por Nakao, Kanyiva & Hitama (2009), donde se utiliza hidroacilación de la

formamida con alquinos para formar carboxamidas α,β-insaturadas con altos rendimientos. El

sistema catalíticos está conformado por el catalizador Ni(0) Ni(cod)2 y el cocatalizador AlMe3

junto con el ligando P(tBu)3 (Figura 18). Los autores proponen como mecanismo de reacción

que el cocatalizador ácido de Lewis acelera la adición oxidativa del enlace C-H para generar

un intermediario hidruro de acilo níquel(II) que permite la hidrometalación de alquinos y la

eliminación reductora del enlace C-C para formar el producto.

27

HN

O

R1

R2

+

(1 mmol)

PrPr

(1.5 mmol)

Ni(cod)2 (10 mol%)

P(t-Bu)3 (40 mol%)

Al(CH3)3 (20 mol%)

Tolueno, 35 ºC, 8-120h PrPr

O

N

R1

R2

77-94%

R1=R2= CH3, Et, PhCH

2, i-Pr; R1=Ph, R2=Me.

Figura 18. Reacción de alquinos internos con formamidas catalizada por Ni(0) (Nakao et al, 2009)

Hidroacilación catalizada por complejos de Ru(II)

Williams, Leung, Patman, & Krische (2009) reportan la hidrogenación catalítica por

transferencia a base de Rutenio para la hidroacilación de alquinos internos simétricos y

asimétricos con aldehídos. Para el acoplamiento del aldehído se requiere el uso de isopropanol

como donador de hidruro, del cual se obtuvieron mejores rendimientos utilizando 1 equivalente

del mismo. Williams et al., efectuaron la reacción del 2-butino con aldehídos aromáticos y

alifáticos usando Ru(O2CCF3)2(CO)-(PPh3)2 como catalizador homogéneo en la presencia de

un equivalente de isopropanol obteniendo rendimientos en un rango del 66-85% (Figura 19).

R H

O

CH3

CH3

+Ru(O2CCF3)2(CO)(PPh3)2 (5mol%)

Isopropanol (100 mol%)

THF (2M), 110ºC, 30 h

R

O

CH3

CH3

(100 mol%)(150 mol%) 66-85%

R= p-NO2Ph, Ph, m-MeOPh, p-BrPh, p-(MeO

2C)Ph, 3,5-Me

2Ph, p-CF

3Ph, CH

2Ph,

n-C6H

17, (CH

2)2NPhtl

Figura 19. Hidroacilación intermolecular de 2-butino con complejo de Rutenio (II) (Williams et al, 2009)

Todas las reacciones fueron llevadas a cabo bajo atmosfera de argón (los tubos de reacción

se secaron en horno y se enfriaron bajo una corriente de argón), no se usaron grupos quelantes

y la formación de las cetonas α,β-insaturadas fue regioselectiva (>95:5, E:Z). La concentración

del solvente, la temperatura y el tiempo de reacción son determinantes para la formación de

28

los productos, al efectuar la reacción con THF (0.2 M), 95°C y 13 h el producto mayoritario

es un alcohol alílico, mientras que al utilizar THF (2 M), 110 °C y 30 h se forma

mayoritariamente la cetona α,β-insaturada. Los alquinos asimétricos reaccionan en las mismas

condiciones formando una mezcla de regioisómeros, pero en ciertos casos se lograba un alto

nivel de regioselectividad produciendo un único isómero geométrico (>95:5, E/Z selectividad),

tal como se muestra en la Figura 20 (Williams et al., 2009).

H

O

BrCH3

OBn

+

O

CH3

Br

OBn(100 mol%)(150 mol%) 65% (>95:5 E/Z)

Ru(O2CCF3)2(CO)(PPh3)2 (5mol%)

Isopropanol (100 mol%)

THF (2M), 110ºC, 30 h

Figura 20. Hidroacilación de alquino asimétrico catalizada con Ru(II) (Williams et al, 2009)

Chen, Cruz & Dong (2015) efectuaron un estudio en el cual se obtenían cetonas α,β-

insaturadas y β,γ-insaturadas dependiendo de la estructura del ligando utilizado junto con el

catalizador RuHCl(CO)(PPh3)3. Solamente se obtuvieron cetonas α,β-insaturadas cuando se

utilizaron ligandos no basados en ferroceno, como el BINAP y Tangphos, pero obteniendo

bajos rendimientos; mientras que al usar ligandos a base de ferroceno (dppf y Josiphos L2) se

obtienen mezclas de isómeros de cetonas α,β- y β,γ-insaturadas en rendimientos medios

(Figura 21).

+ CH3Et

Ligando (2 mol%)

RuHCl(CO)(PPh3)3 (2 mol%)

Tolueno, 80ºC, 18 h

(0.2 mmol) (0.6 mmol)

Ph CH3

O

Ph

O

Et

CH2

+Ph

O

Et

CH3 Ph

O

CH3

Et+

Ligandos: BINAP 0% 1% 3% Tangphos 0% 5% 18% dppf 11% 43% 40% Josiphos L2 32% 3% 58%

Figura 21. Hidroacilación de benzaldehído con alquino asimétrico usando diferentes ligandos (Chen et al, 2015)

Chen et al, 2015 optimizaron la condiciones anteriores al utilizar la estrategia de catálisis

tándem, donde se obtiene la cetona β,γ-insaturada y seguidamente es llevada por un proceso

de isomerización catalizada por una base (DBU) para obtener la cetona α,β-insaturada

regioselectivamente con rendimientos del 70-87%, los sustratos utilizados fueron benzaldehído

29

y 2-pentino (Figura 22), el cual es un alquino asimétrico desafiante para las transformaciones

regioselectivas debido a que los sustituyentes metilo y etilo tienen un efecto estérico similar.

+ CH3Eti) RuHCl(CO)(PPh

3)3 (4 mol%)

Josiphos L1 (4 mol%)Tolueno, 80ºC, 18 hii) DBU (20 mol%), 6h(0.2 mmol) (0.6 mmol)

R CH3

O

Ph

O

Et

CH3

(>20:1 rr) 70-87% R=Ph, p-MeOPh, 2-tienil

Figura 22. Hidroacilación optimizada de alquinos asimétricos Ru (Chen et al, 2015)

Hidroacilación catalizada por Ru(0) a partir del catalizador sólido Ru/CeO2

Miura, Wada, Hosokawa & Inoue (2013) reportaron la hidroacilación de alquinos internos

usando un sistema de catálisis heterogénea de Rutenio soportado sobre un sólido de CeO2. Una

gran variedad de aldehídos aromáticos y alquinos internos pueden usarse en este sistema

catalítico. Las reacciones se llevaron a cabo en presencia de HCO2Na, Xantphos como el

ligando y DMA a 150ºC bajo atmósfera de Argón obteniendo rendimientos del 19-93% (Figura

23). El estudio indicó que no se observó actividad catalítica al usar sólidos de soporte de SiO2,

Al2O3, TiO2 o MgO y la reacción no tuvo a lugar en la ausencia de HCO2Na. Además, se

observó que los sustituyentes en el anillo aromático del aldehído afectaban significativamente

la estereoselectividad de los productos y el sistema catalítico no funciona con aldehídos

alifáticos debido a la rápida condensación aldólica.

O

HAr+ Ph Ph

Ru/CeO2 (0.025 mmol como Ru)

HCO2Na (0.15 mmol)

Xantphos (0.05 mmol) DMA, 150ºC, 0.5-18 h, Ar

O

Ar

Ph

Ph

(0.5 mmol) (1.5 mmol)

Ar= Ph; 2-naftil; p-MePh; p-OMePh; p-CF3Ph; p-NMe

2Ph; p-ClPh.

Ar= o-MePh; o-OMePh; o-OEtPh; o-OBnPh; o-CF3Ph; o-Ph; o-SMePh.

0-84% (E:Z) (E= 53-99 : Z=1-47)

Figura 23. Hidroacilación intermolecular de alquinos internos simétricos aromáticos por medio de catalizador sólido de Ru/CeO2 (Miura et al, 2013)

La ventaja de este sistema catalítico es la posibilidad de reutilizar en catalizador sólido al

recuperarlo de la mezcla de reacción por centrifugación y posteriormente realizar lavados con

30

dietileter y agua/metanol. El polvo obtenido se calcina en aire a 400ºC por 30 min para

recuperar el Ru/CeO2.el cual puede usarse sin pérdida de actividad catalítica por al menos tres

veces. Al usar aldehídos sustituidos en ambas posiciones orto del anillo aromático, se

obtuvieron altos rendimientos de las cetonas α,β-insaturadas y con alta E-selectividad. La única

especie que no reaccionó en el sistema catalítico fue el 2-(metiltio)benzaldehído, aunque en

sistemas con catalizador de rodio si muestra altos rendimientos (Miura et al., 2013).

El mecanismo de reacción propuesto por Miura indica que en la superficie del CeO2 se

encuentra la especie de rutenio en la forma Ru(IV), la cual, por medio del tratamiento con un

agente reductor como HCO2Na y el ligando Xantphos en DMA a 150º,C es reducida a la

especie Ru(II)H2, la cual es fácilmente reducida a la especie catalíticamente activa Ru(0)

debido a la hidrogenación del exceso de alquino generando el correspondiente alqueno. Esta

suposición se basa en que al reaccionar difenilacetileno con el catalizador Ru/CeO2, se detectó

por medio de GC-MS una cantidad catalítica de estilbeno (Figura 24) (Miura et al., 2013). La

especie de Ru(0) metálica puede encontrarse en el catalizador en forma de nanocluster con

alta dispersión, lo cual fue confirmado por medio de análisis TEM, XAS, Raman y XPS, tal

como lo reportan estudios sobre síntesis de catalizadores de Ru soportados en CeO2 y su

reducción con H2. (Tamura et al, 2018) (Wang et al, 2019).

ORu

(IV)

O

O

Ce Ce

HCO2Na

Especies oxo-RuIV

en CeO2

ORu

(II)

O

Ce

O

H-CO

2 ORu

(II)

Ce

HHCO

2Na

ORu

(II)

H H

O

-CO2

RuIIH2

RR

Ru0Ln + R

R(Ln: Ligando)

HAr

O

RuIILnAr

O

H

RR

RuIILnAr

O

R

R

H

-Ru0Ln

AB

C

Figura 24. Mecanismo de reacción propuesto por Miura para la hidroacilación de alquinos por medio del catalizador Ru/CeO2. (Miura, 2013, p.863)

31

En la Figura 24 se observa que la especie Ru(0), la cual junto con el ligando rompe el

enlace C-H del aldehído activándolo para formar el intermediario hidruro metal-acilo (Ru-

acilo) (A), posteriormente el alquino se inserta en los enlaces Ru-H (B) y se da la eliminación

reductiva generando las cetonas α-β insaturadas. En conclusión, el uso del catalizador sólido

Ru/CeO2 es una alternativa ambientalmente compatible debido a que se puede reciclar y la baja

contaminación en los productos por especies metálicas. (Miura, 2013)

Hidroacilación catalizada por complejos de Rh(I)

La hidroacilación de alquinos usando rodio requiere el uso de aldehídos con grupos

quelantes como β-heteroátomos: 2-hidroxibenzaldehídos (salicilaldehídos), 2-

aminobenzaldehídos, 2-mercaptobenzaldehídos, aldiminas y derivados para lograr alta

regioselectividad y suprimir la descarbonilación competitiva (Ghosh, Johnson, Vickerman,

Walker & Stanley, 2016). Una ventaja de los grupos heteroatómicos en los aldehídos es que

ofrecen la formación rápida de complejos heterocíclicos al acoplar reacciones adicionales en

la hidroacilación.

Kokubo, Matsumasa, Miura & Nomura (1997) efectuaron la reacción de alquinos internos

simétricos con salicilaldehído y derivados, inicialmente se adicionó el catalizador [RhCl(cod)]2

y el ligando dppf en un reflujo de tolueno por 24 h, posteriormente se evidenció que el uso de

benceno como solvente y la adición de Na2CO3 como base permitió disminuir

considerablemente los tiempos de reacción de 2 a 5.5 h, El producto obtenido fue la cetona

(E)α,β-insaturada sin presencia de otro isómero (Figura 25). La reacción no se efectúa cuando

el salicilaldehído es reemplazado por 4-hidroxibenzaldehído, 2-metoxibenxaldehìdo o

benzaldehído ya que la coordinación del oxígeno fenólico al centro del metal Rh es importante.

32

H

O

OH

R1

R2 R

3

R3

+

[RhCl(cod)]2 (0.01 mmol)

dppf (0.02 mmol)

Na2CO3 (0.1 mmol)

Reflujo benceno, 0.5-7 h

OH

R3

O

R3

R1

R2

(2 mmol) (2 mmol)

R1=R2=H; R1=OMe, R2=H; R1=H, R2=Cl. R3= Pr, Ph

(E) 94-99%

Figura 25. Hidroacilación de alquinos internos con salicilaldehídos catalizados con Rh(I) (Kokubo et al, 1997)

El mecanismo de reacción propuesto por Kokubo et al. (1997) involucra una coordinación

inicial del salicilaldehído con el complejo de cloro rodio(I) por medio del ligando dppf

formando un complejo de 2-formilfenolato liberando HCl, después se da la adición oxidativa

del enlace C-H del aldehído con el centro metálico para formar un hidruro de arilo con rodio

(III). La base insoluble Na2CO3 es efectiva removiendo el HCl formado inicialmente.

Willis, Randell-Sly, Woodward, NcNally & Currie (2006) efectuaron la hidroacilación de

alquinos internos con aldehídos β-S-sustituidos (sulfuro y tioacetal) observando buenos

rendimientos en la formación de isómeros lineales de las cetonas α,β-insaturadas, el

precatalizador [Rh(nbd)(dppe)]ClO4 fue activado in situ al burbujear gas H2 por 2 minuto hasta

un cambio de color de naranja a amarillo, la reacción se llevó a cabo bajo atmósfera de argón.

Los alquinos simétricos producen cetonas de configuración E con altos rendimientos, a

excepción del dimetil acetileno dicarboxilato el cual formó una mezcla de isómeros 2:1 y 3:1

Z:E, lo cual sugiere que en alquinos que contienen grupo ésteres no ocurre únicamente el

mecanismo usual de la adición syn a la especie de acilo-rodio. En el caso de alquinos

asimétricos obtuvieron productos de un solo regioisómero cuando sus sustituyentes contienen

grupos exigentes estérica y electrónicamente (Figura 26).

33

XH

O

+ Rh(dppe)ClO4 (5 mol%)

Acetona, 55ªC, 16 h

(1 equiv) (2 equiv)

X

O

R2

R1

(E) 65-83%

X= MeS,

H9C4 .

SS

R1=R2=CH3; R1=CH

3, R2=Ph; R1=Ph, R2=COPh; R1=R2=CH

2OH

R2

R1

Figura 26. Hidroacilación de alquinos internos con aldehídos sustituidos con sulfuro y tioacetal (Williams et al, 2006)

La ventaja del uso de aldehídos β-S-sustituidos es la posibilidad de remover o modificar el

grupo funcional que actúa como donador, por ejemplo, el grupo sulfuro al ser tratado con

triflato de metilo y bicarbonato de potasio es cambiado a un doble enlace, mientras que el

grupo tioacetal al someterlo a una hidrólisis con NBS (N-Bromosuccinimida) y nitrato de plata

elimina el grupo funcional. El uso de aldehídos con sustituyentes de coordinación como el

sulfuro y tioacetal, permiten la formación de intermediarios quelados estables en condiciones

suaves de reacción. (Willis et al., 2006)

Moxham, Randell-Sly, Brayshaw, Weller & Willis (2008) optimizaron las reacciones

efectuadas en el estudio con aldehídos β-S-sustituidos de Willis et al, 2006, identificando

ligandos que permitieran estabilizar débilmente los intermediarios insaturados para limitar la

descarbonilación reductiva, pero que se alejen posteriormente para permitir el acercamiento de

los sustratos al centro del metal en el ciclo catalítico. El ligando debe ser lo suficientemente

flexible para que el centro metálico pueda cambiar de geometría y estado de oxidación durante

la catálisis. El ligando de fosfina que mostró los mejores resultados fue DPEphos (bis(2-

difenilfosfinofenil)éter), por lo cual se incorporó en el sistema catalítico

[RhCl(cod)]2/DPEphos/Ag[ClO4], el cual no requiere ser sometido a H2 (Figura 27).

Ph

CH3R H

O

+

[RhCl(cod)]2 (2.5 mol%)

DPEphos (5 mol%)

Ag[ClO4] (5 mol%)

Acetona, 55ªC, 16-24 h(1 equiv) (2 equiv)

R

O

Ph

CH3(E) 73-81%

R=CH2CH

2SMe;

CH2CH(EtS)(Me);

o-MeSPh;

CH2-

S S

Figura 27. Hidroacilación de alquinos internos con aldehídos B-S-sustituidos con ligando DPEphos (Moxham et al, 2008)

El mecanismo de reacción fue determinado mediante la identificación de los complejos

intermediarios por medio de espectroscopia RMN, espectrometría de masas de iones

34

secundarios (SIMS) y cristalografía de Rayos-X. Para el análisis del mecanismo de reacción

se utilizó un sistema catalítico conformando por [Rh(nbd)]2/DPEphos/Ag[ClO4], el cual al ser

sometido a una adición de H2 en una solución de acetona se obtiene el complejo

[Rh(DPEphos)(acetona)2][ClO4] (A). Al adicionar el aldehído (2-metiltio benzaldehído) se

forma la especie activa de complejo de hidruro de acilo rodio (B)

[Rh(COC6H4SMe)(DPEphos)H][ClO4] donde el rodio se encuentra en el estado de oxidación

RhIII. Posteriormente se adiciona el alquino o alqueno, el cual forma un nuevo complejo (C) al

coordinase por medio de la insaturación con el centro metálico desplazando el enlace del átomo

de oxígeno proveniente del ligando que se encontraba unido al metal. Este último complejo

sufre una eliminación reductiva (D) y se forman el producto de la hidroacilación (E). En la

Figura 28 se muestra el mecanismo, el cual también es aplicable para alquinos. (Moxham et

al., 2008)

RhI

(S)PPh2

PPh2 (S)

O

[ClO4]

A: Complejo catalítico

O+

RhIII

Ph2P PPh2

SCH3O

H

H

O

S

CH3

[ClO4]

B: Complejo de hidruro acil rodio

CH2

R

RhIII

SPPh2

PPh2

O

O

R

CH3

[ClO4]

RhIII

O+

PPh2

PPh2 S+

O

R

CH3

[ClO4]

C D

E-A

Figura 28. Mecanismo de reacción de la hidroacilación de alquenos con aldehídos β-S-sustituidos. (Moxham et al., 2008, p.8394)

35

Castaing, Wason, Estepa, Hooper & Willis (2013) reportaron la catálisis homogénea

usando el complejo de rodio (I) Rh(nbd)2BF4 en la hidroacilación de alquinos simétricos con

2-aminoaldehído, debido a su habilidad de coordinar hidruros de acilmetal intermediarios y

suprimir las vías de desactivación del catalizador, para la formación de cetonas amino-

sustituidas que pueden ser directamente convertidas en dihidro-4-quinolonas heterocíclicas por

medio de una ciclación (Figura 29).

H

ONH2

+

[Rh(nbd)2]BF4 (5mol%)

dcpm (5mol%)acetone (0.15 M)55ºC, 2 h

Et

Et

NH2

Et

O

Et SbCl3 (30 mol%)

MeCN, 55ºC, 6 h

O

NH CH3

CH3

(1 equiv) (1.5 equiv) 78% 90% d.r=3:1

Figura 29. Hidroacilación de 1-aminobenzaldehído con alquinos internos y la posterior ciclación (Castaing et al, 2013).

Du & Stanley (2015) realizaron la reacción tándem hidroacilación/adición oxo-Michael de

alquinos internos y salicilaldehídos usando el complejo de rodio (I) [Rh(COD)Cl]2 para la

síntesis diastereoselectiva de croman-4-onas 2,3-disustituidas con altos rendimientos. La

reacción se efectúa en la presencia de la base CsF y el ligando dppf (Figura 30).

OH

H

O

+

O

O

R

R

[Rh(COD)Cl2] (1 mol%)

dppf (2 mol%)CsF (8 mol%)MeCN (0.2 M), 100ºC

R

R

(1 equiv) (1.2 equiv) 55-94% dr

Figura 30. Hidroacilación intermolecular secuencial con adición de Michael para alquinos internos con salicilaldehído (Du & Stanley, 2015).

Coxon, Fernández, Barwick-Silk, McKay, Britton, Weller & Willis (2017) desarrollaron

un sistema de hidroacilación de alquinos internos, usando como sustrato el aldehído β-amida

sustituido y el catalizador de rodio junto con ligandos de bifosfina. Al utilizar el ligando dcpe

para la reacción con alquinos internos asimétricos, los resultados mostraron la formación de

una mezcla de regioisómeros de cetonas α,β-insaturadas, pero la incorporación del ligando

DPEphos permitió obtener un mayor control en la regioselectividad de la reacción para obtener

36

(E)-cetonas α,β-insaturadas lineales en altos rendimientos. Los rendimientos más altos para la

formación de las cetonas lineales se obtuvieron al usar alquinos internos simétricos (Figura

31).

N H

O

Ph

O

O

+ R1

R2

[Rh(nbd)2]BF

4 (5 mol%)

DPEphos (5 mol%)acetona, 55ºC, 1 h

N

O

Ph

O

O

R1

R2

(1 equiv) (1.2 equiv)

R1= Ph, Hex, Me, Et; R2= Me, COOEt, CH(CH3)2, COMe

R1=R2= Ph, CH2OAc, Et

44-88% rr= 4-20:1

Figura 31. Hidroacilación de alquinos internos con aldehído β-amido sustituido (Coxon et al, 2017)

Hidroacilación catalizada por complejos de Ir(I)

Los complejos de iridio son eficientes catalizadores de transferencia de hidrógeno y pueden

ser utilizados en la transformación de 2-alquinos con alcoholes primarios o aldehídos para

generar productos de hidroacilación como las cetonas α,β-insaturadas. Hatanaka, Obora & Ishii

(2010) reportó que en la reacción entre fenilmetanol y 2-butino en presencia del catalizador de

iridio que permite la transferencia de hidrógeno [IrCl(cod)]2, combinado con un ligando de

fosfina en tolueno a 120°C por 15 h en atmosfera de argón, produce la cetona α,β-insaturada

2-metil-1-fenil-2-buten-1-ona en un rendimiento del 92% al aislarla. En contraste, en el mismo

estudio, se realizó la hidroacilación de aldehídos aromáticos con 2-butino bajo las anteriores

condiciones generando los correspondientes productos de la hidroacilación con buenos

rendimientos (66-84%) (Figura 32).

R

H

O

CH3CH3

R

O

CH3

CH3

[IrCl(cod)]2 (0.025 mmol)

P-(n-oct)3 (0.1 mmol)

Tolueno, 120°C, 15 h

+

R= H, Me, MeO, Cl, CF3

(0.5 mmol) (2 mmol) 66-84%

Figura 32. Hidroacilación de 2-butino con aldehídos aromáticos por medio de catálisis con iridio (Hatanaka et al, 2010).

37

En el estudio se determinó que la temperatura de reacción es un factor determinante para

la formación de los productos de hidroacilación, si la reacción se lleva a cabo a 100°C se

obtiene el alcohol homoalílico como el producto mayoritario, lo cual indicó que este es un

intermediario que a mayores temperaturas se transforma en los productos de hidroacilación.

Esta reacción no requiere el uso de 2-propanol como lo habían reportado Williams et al. (2009),

aunque el mecanismo de reacción detallado para esta reacción no ha sido totalmente

confirmado, Hatanaka et al., (2010) proponen que la reacción procede a través de la formación

de alcoholes homoalílicos, seguido por una deshidrogenación e isomerización para dar los

productos de hidroacilación.

Hidroacilación catalizada por complejos de In(III)

Miura et al, (2010) reportaron la primera hidroacilación de alquinos internos asimétricos y

terminales con un catalizador de indio (III) In(OTf)3 junto con 1-butanol. El producto fue

obtenido con altos rendimientos al utilizar alquinos internos aromáticos como 1-fenil-1-

propino con aldehídos tanto aromáticos como alifáticos (Figura 33). El sistema utilizado fue

más efectivo con alquinos asimétricos que con alquinos terminales. Análisis con 13C RMN en

reacciones con y sin el sistema catalítico indicaron que el In(OTf)3 actúa como ácido de Lewis

para activar los aldehídos y no como un ácido de π-Lewis que activa los alquinos.

CH3HR

O

+

In(OTf)3 (5 mol%)

BuOH (1 equiv)100 ºC, 0.5-2 h

O

CH3

R

(1 mmol) (1 mmol)R= Ph 98%R= c-Hex 88%

Figura 33. Reacción de alquinos internos asimétricos catalizada por In(OTf)3 (Miura et al, 2010)

Los autores proponen que el mecanismo de reacción involucra una activación inicial del

aldehído con el metal indio, para luego acoplarse con el alquino formando un intermediario

zwitterionico. En este sistema, la cetona α,β-insaturada resultante contiene los sustituyentes

del doble enlace invertidos a comparación con los demás ejemplos de hidroacilación, esto se

38

debe a que el catalizador In(OTf)3 forma ciclos de cuatro miembros en el ciclo catalítico

cambiando de posición el grupo carbonilo (Miura et al, 2010).

Hidroacilación catalizada por Co(I) a partir de la reducción de sales de Co(II)

Debido a su abundancia, bajo costo y reactividad homologa, el cobalto es una alternativa

ideal al uso metales como el Rodio como catalizadores en reacciones de hidroacilación de

alquinos. Cheng, Santhoshkumar & Mannathan (2015) reportaron la ciclación de 1,6-eninos

con aldehídos aromáticos, alifáticos y vinílicos por medio de catálisis con CoBr2 controlada

por medio de ligandos formando pirrolidinas y dihidrofuranos funcionalizados con buenos

rendimientos (Figura 34). Un estudio similar realizado por Yang, Seto & Yoshikai (2015) pero

enfocado en la hidroacilación de alquenos con aldiminas como análogos de aldehídos, mostró

que la reacción no es efectiva usando como catalizador CoCl2 o CoI2, además el mejor reductor

para el cobalto es el zinc, ya que el Mn o el In no permitieron obtener buenos rendimientos.

Ph

X

CH2

+

O

H

CoBr2 (5 mol%)

dppp (5 mol%)Zn (10 mol%)

ZnI2 (10 mol%)

CH2Cl2 40ºC, 18 h

X= O, NTs, C(CO2Me)

2

O

Ph

Ph

X

CH3

72-84%

(0.2 mmol) (0.22 mmol)

Figura 34. Hidroacilación intermolecular de eninos catalizadas por cobalto (Cheng et al, 2015).

El mecanismo de reacción propuesto por Cheng et al. (2015) indica como primer paso la

reducción de Co(II) a Co(I) en presencia de zinc en polvo, para luego dar a lugar una ciclación

oxidativa del enino para formar un ciclo de cobalto(III) con cinco miembros (A). Posteriormente

la inserción del grupo carbonilo del aldehído al ciclo de cobalto genera el intermediario (D) en la

presencia del ligando dppp, el cual es capaz de generar una β eliminación de hidruro para formar

la especie de hidruro de cobalto (E). Por último, la eliminación reductiva genera el producto final

con configuración E (Figura 35). El tipo de ligando utilizado es determinante para la formación

del producto de hidroacilación al cambiar la regioselectividad.

39

R1

X

CH2O

R2

H

Co

X

R1

A

O

R2

R1

X

Co

H

Co(II)

Co(I)

Zn

Co+(III)

X

R1

B

OCo

X

R1

R2

D E

O

R2

R1

X

CH3

Figura 35. Mecanismo de reacción propuesto por Cheng para la ciclación de eninos con aldehídos catalizada por cobalto

(Cheng et al, 2015).

6.1.2. Hidroacilación intermolecular de alquinos terminales

6.1.2.1. Reacciones de hidroacilación por adición oxidativa

Hidroacilación catalizada por complejos de Rh(I)

Kokubo et al., (1997) efectuaron la reacción de alquinos terminales como el 1-octino y el

fenilacetileno con salicilaldehído (agente O-quelante), el catalizador [RhCl(cod)]2, dppf como

ligando y la base Na2CO3 obteniendo como producto una mezcla de cetonas α,β-insaturadas

lineales y ramificadas (Figura 36).

H

O

OHCH

R

+

[RhCl(cod)]2 (0.01 mmol)

dppf (0.02 mmol)

Na2CO3 (0.1 mmol)

Reflujo benceno, 2-4 h

OH

R

O OH

R

O

CH2

+

(2 mmol) (2 mmol)

R= Hex, Ph.

R=Hex (99%) (45:55 l.r)R=Ph (93%) (34:66 l.r)

Figura 36. Hidroacilación de alquinos terminales con salicilaldehído catalizada con Rh(I) (Kokubo et al, 1997)

40

Jun, Lee, Hong & Kwon (2002) reportaron la reacción con alquinos terminales por medio

de una catálisis homogénea a base de rodio con el complejo de Wilkinson RhCl(PPh3)3 y un

agente quelante como 2-amino-3-metilpicolina y ácido benzoico (Figura 37). Esta

combinación resultó efectiva para la formación de cetonas α,β-insaturadas ramificadas y

lineales. La formación mayoritaria de alguna de las dos cetonas depende de los sustituyentes y

su efecto estérico, el estudio indica que la mayoría de aldehídos aromáticos al reaccionar con

alquinos de alquilo producen exclusivamente cetonas α,β-insaturadas ramificadas en altos

rendimientos.

H

O

R1

CH R2

RhCl(PPh3)3 (5 mol%)

2-amino-3-metilpicolina (40 mol%)Ácido benzoico (20 mol%)

Tolueno, 80°C, 12 h

++

(2 equiv)(1 equiv)CH2

O O

66-98% 63-74%

R1= Ph; p-CF3C

6H

4; p-MeOC

6H

4; naftil; 3-tiofenil; 4-piridil; 3-piridil; n-C

5H

11; ciclohexil.

R2= n-C4H

9; n-C

6H

13; CH

2Ph; t-C

4H

9.

Figura 37. Hidroacilación intermolecular de alquinos terminales catalizado por Rodio en presencia de 2-amino-3-metilpicolina (Jun et al, 2002).

Willis et al., (2006) efectuaron la hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos β-S-

sustituidos (sulfuro y tioacetal) observando buenos rendimientos en la formación de isómeros

lineales de las cetonas α,β-insaturadas, el precatalizador [Rh(nbd)(dppe)]ClO4 fue activado in

situ al burbujear gas H2 por 2 minutos hasta un cambio de color de naranja a amarillo, la

reacción se llevó a cabo bajo atmósfera de argón. Al usar alquinos electrónicamente pobres

como el etilpropionato se obtienen buenos a moderado rendimientos del E-isómero. En el caso

de los alquinos neutros se obtiene un único E-isómero (Figura 38), esta E-selectividad proviene

de la adición syn del acil-rodio y del hidrógeno al alquino.

XH

O

+ CH RRh(dppe)ClO4 (5 mol%)

Acetona, 55ªC, 1 h

(1 equiv) (2 equiv)

X

O

R

69-95%

X= CH2MeS,

H9C4 .

SS

R= But, n-C3H

6Cl, n-C

3H

6OH, n-C

3H

6OTBS, n-C

3H

6OTHP, COMe, SiMe

3, CHH6C3

Figura 38. Hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos sustituidos con sulfuro o tioacetal (Willis et al, 2006)

41

La selectividad por la formación de cetonas lineales puede deberse a la adición de la

relativamente extensa unidad de acil-rodio a la terminación no sustituida del alquino, aunque

el estudio mostró una excepción cuando 5-hexinonitrilo fue usado en la reacción con aldehído

con un grupo metil sulfuro, obteniendo una selectividad por el isómero ramificado debido a la

coordinación del grupo nitrilo con el centro de acil-rodio. Al adicionar a la reacción 20 equiv

de acetonitrilo se obtuvo el isómero lineal con altos rendimientos (Willis et al, 2006). El uso

de aldehídos con sustituyentes de coordinación como el sulfuro y tioacetal, permiten la

formación de intermediarios quelados estables en condiciones suaves de reacción (Figura 39).

H

OXRhI (cat)

Rh-H

X

O

X=grupo quelante

+ CH R

OX

R

Intermediario estable acil-Rh

Figura 39. Formación de compuesto intermediario estable de acil-Rh

Rueda & Castillón (2007) realizaron un estudio con condiciones similares al sistema de

Jun et al., (2002), cambiando el catalizador a [Rh(µ-Cl)(cod)]2 y adicionando ligandos de

fosfina que permitieron incrementar la selectividad en la formación de las cetonas α,β-

insaturadas lineales de configuración E. También encontraron que el uso de ligandos de fosfina

estéricamente exigentes genera una adición competitiva del ácido benzoico a los alquinos para

formar ésteres.

Moxham et al., (2008) optimizaron las reacciones efectuadas en el estudio de

hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos β-S-sustituidos de Willis et al, 2006. El

estudio utilizó el 5-cloro-1-pentino junto con el sistema catalítico conformado por

[RhCl(cod)]2/DPEphos/Ag[ClO4], el cual no requiere previa hidrogenación (Ver figura 27 para

las condiciones de reacción). La adición del ligando DPEphos permite estabilizar el complejo

de metal acilo limitando así la descarbonilación reductiva y aumentando el rendimiento de las

reacciones (Ver figura 28 para el mecanismo de reacción).

42

Parsons, Hooper & Willis (2010) demostraron que la reacción con el aldehído sustituido

con β-metil éter era un sustrato muy pobre para la hidroacilación, por lo cual utilizó aldehídos

O-sustituidos como los éteres α-O-metiltiometil (MTM) que funcionan como grupo quelante

que puede ser convertido posteriormente a un grupo hidroxilo. El aldehído α-O-MTM puede

ser combinado con una variedad de alquinos terminales, como los lineales, ramificados,

aromáticos, incluso con grupos funcionales como trimetilsilil, cloro, éster y grupos hidroxilos

libres o protegidos. Usaron un catalizador de rodio con dppe observando rendimientos del 65%

al 91% (Figura 40). En el caso del fenilacetileno el rendimiento obtenido del producto aislado

fue del 91% con 10 mol% del catalizador, aunque se logró obtener buenos rendimientos con

menor carga de catalizador, por ejemplo, usando un 5 mol% se obtenía un 90% de rendimiento

después de 2 h. El catalizador fue obtenido mediante la reducción in situ de

[Rh(dppe)(nbd)]ClO4 con H2 para obtener el compuesto de Rh(I) [Rh(dppe)]ClO4. Los

alquinos internos no reaccionaron bajo estas condiciones.

MeS OH

O

CH R+ MeS O

O

R

[Rh(dppe)]ClO4

(10 mol%)

Dicloroetano,70°C, 2 h

H2O

18 hOH

O

R

(1 equiv) (2 equiv) 65-91% R=Ph, 56%

Figura 40. Hidroacilación de aldehídos con grupo funcional éter α-O-metiltiometil (MTM) (Parsons et al, 2010).

El grupo quelante MTM en la cetona producida puede ser convertido en un grupo hidroxilo

libre por dos vías diferentes, la primera consiste en un tratamiento del producto aislado con

AgNO3, 2,6-lutidina, THF y agua. La segunda vía consiste en adicionar una pequeña cantidad

de agua (0.1 ml por cada 2 ml de mezcla de reacción) al balón de reacción cuando la reacción

haya concluido y dejar por 18 h. El estudio de reactividad con varios aldehídos indicó que tanto

el grupo S- y el O- son necesarios en conjunto para que se dé la reacción, ensayos con aldehídos

que solo contenían uno de los dos grupos no generaron los productos hidroacilación, además

el autor propone que la presencia del grupo O- permite la formación de la S-quelación de 6

miembros. (Parsons et al., 2010)

Chaplin, Hooper, Weller & Willis (2012) reportaron la hidroacilación de 1-octino con

aldehídos β-S-sustituidos aromáticos, como el 2-(metiltio)benzaldehído, por medio de catálisis

43

con complejos de rodio que contienen ligandos de difosfina con ángulos pequeños,

[Rh(C6H5F)(R2PCH2PR’2)][BArF4] (1a, R=R’=Cy; 1b, R=Cy, R’=tBu; 1c, R=R= tBu;

ArF=C6H3-3,5-(CF3)2). La reacción se lleva a cabo con 10 mol% del catalizador de rodio con

el solvente dicloroetano. Los resultados indicaron que el catalizador 1a es el más efectivo en

la hidroacilación del 1-octino obteniendo un 95% de rendimiento (Figura 41). Este sistema

presenta la ventaja que los sistemas de catalizadores se preparan fácilmente y son estables,

además el proceso de descarbonilación se evita ya que el metil sulfuro del aldehído funciona

como grupo quelante, estabilizando el intermediario hidruro de acilrodio formado en la

hidroacilación (Chaplin et al., 2012). Como paso final, el grupo sulfuro quelante se puede

remover con trietoxisilano. (Ghosh et al., 2016)

SMe

H

O SMe O

Hex+

10 mol% Cat [Rh] 1aDicloroetano15 min, 80°C

95% Rendimiento(1.5 equiv) (1 equiv, 0.075 M)

CH Hex

Figura 41. Hidroacilación de alquinos con aldehídos β-S-sustituidos por medio de catálisis con complejos de rodio que

contienen ligandos de difosfina (Chaplin et al, 2012)

Castaing et al., (2013) reportaron la reacción de hidroacilación de alquinos terminales

como el fenilacetileno y 1-hexino con una variedad de 2-aminobenzaldehídos usando el

ligando dcpm y efectuando la reacción en acetona como solvente (Figura 42). Se puede

efectuar posteriormente una ciclación intramolecular catalizada por un ácido de Lewis (SbCl3)

para la obtención de dihidro-4-quinolonas heterocíclicas con altos rendimientos (Ver Figura

29 para condiciones de reacción).

44

H

ONR

2R

1

+

[Rh(nbd)2]BF4 (5mol%)

dcpm (5mol%)acetone (0.15 M)55ºC, 2 h

CH

N OR

2R

1

(1 equiv) (1.5 equiv) 74-99%

R1=R2=CH3; R1=Bn, R2=CH

3; R1=DMB, R2=CH

3; R1=CH

3, R2=H; R1=R2=H

Figura 42. Hidroacilación intermolecular de fenilacetileno y 2-aminobenzaldehídos catalizada por Rh(I).

Coxon et al., (2017) desarrollaron un sistema de hidroacilación de alquinos terminales,

usando como sustrato aldehídos β-amida, β-éster y β-ceto sustituidos junto el catalizador de

complejo rodio (I) [Rh(nbd)]2BF4. El ligando que mostró mejor eficiencia y selectividad para

la formación de (E)-cetonas α,β-insaturadas lineales a partir de alquinos terminales fue el dcpe.

La reacción se efectúo con una gran variedad de alquinos terminales aromáticos y alquilos con

diferentes grupos funcionales incluyendo nitrilo, cloro, alcohol, acetales y éteres (Figura 43).

N H

OO

OPh

+ CH R

[Rh(nbd)2]BF

4 (5 mol%)

dcpe (5 mol%)acetona, 55ºC, 1 h

N

OO

O

R

Ph


R= Hex, p-PhMe, p-PhOMe, ciclohexano, C(CH3)3, isopropano, SiMe

3 CH

2COMe, (CH

2)3CN, (CH

2)3Cl.

57-97%

Figura 43. Hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos β-amido sustituidos

Para las reacciones de la Figura 43 el grupo de Barwick, Hardy, Willis & Weller (2018)

propone un mecanismo de reacción en el cual inicialmente reacciona el aldehído con el

catalizador de rodio [Rh(cis-κ2-P,P-DPEPhos)(acetona)2]-[BArF4] donde [ArF = (CF3)2C6H3]

para formar un complejo de hidruro de acilo (B). La reacción del hidruro con el alquino y un

cambio en la geometría del ligando DPEphos genera un intermediario que posteriormente

forma un intermediario de alquenilo (C). Este paso es determinante para la formación de los

isómeros lineales y ramificados de la cetona. Por último, se da la eliminación reductiva

45

formando el complejo (D), el cual permite la obtención de la cetona α,β-insaturada (E). Este

mecanismo es similar al propuesto por Moxham et al., 2008 para la hidroacilación de alquenos

con aldehídos β-sustituidos como agentes quelantes (Ver Figura 28).

Coxon et al, 2017 también efectuaron, con las condiciones optimizadas, la reacción con

aldehídos β-éster y β-ceto monosustituidos pero su componente enólico influyó en la eficiencia

de la reacción, por lo cual los autores decidieron utilizar aldehídos β-éster y β-ceto disustituidos

que permitieron la formación del producto con altos rendimientos (Figura 44).

X

R1

H

OO

+ CH R2

[Rh(nbd)2]BF

4 (5 mol%)

dcpe (5 mol%)acetona, 55ºC, 1 h

X

R1

OO

R


X= EtO, ciclohexano, Me, Ph. R1= C(Me)(n-But), ciclopentano, C(Me)(CH2Ph), C(CH

3)2

R2= Hex, C(CH3)3, SiMe

3, p-PhMe, COOMe, (CH

2)3COMe.

43-95%

Figura 44. Hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos β-éster y β-ceto disustituidos

Hidroacilación catalizada por complejos de In(III)

Miura et al, (2010) reportaron la primera hidroacilación de alquinos terminales con un

catalizador de indio (III) In(OTf)3 junto con 1-butanol. La cetona αβ-insaturada fue obtenida

con rendimientos moderados a altos utilizando como sustratos alquinos aromáticos con

sustituyentes donadores de electrones y aldehídos aromáticos (Figura 45). Los alquinos

aromáticos con sustituyentes electroatractores fueron poco reactivos mientras que, el uso de

aldehídos alifáticos resultó en una mezcla compleja de productos.

CH

R1

H

O

R+

In(OTf)3 (5 mol%)

BuOH (1 equiv)100 ºC, 0.5-2 h

O

HRR

1

(1 mmol) (1 mmol)

R1= H, p-OMe, p-Me, o-Me R= H, p-OMe, p-Br

52-73%

Figura 45. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales catalizada por In(OTf)3

46

Para elucidar el mecanismo de reacción, los autores realizaron análisis usando BuOD y

fenilacetileno deuterado por separado. La reacción con In(OTf)3, fenilacetileno, benzaldehído

y BuOD dio como producto la chalcona deuterada (D/H: 36/64) mientras que al utilizar D-

fenilacetileno con BuOH sin deuterar el producto redujo su contenido en deuterio indicando

que se da a lugar un intercambio de D-H. El BuOH promueve el acoplamiento, aunque se

puede obtener el producto sin el BuOH pero con bajos rendimientos, por lo cual el mecanismo

puede darse por dos vías diferentes, la vía 1 y 2 (Figura 46), en donde la primera procede con

la acción del BuOH y la segunda solo es promovida por el In(OTf)3. En ambos casos el primer

paso es la activación del aldehído con el In(OTf)3 para formar el complejo (A), el cual por la

adición del alquino forma el intermediario zwitteriónico (B). En la vía 1, el intermediario (B)

reacciona con el BuOH formando un aducto (C), el cual se anilla para obtener el obtener

oxetano (D) por medio de una transferencia intramolecular de un protón y la formación de un

enlace C-O. La apertura del anillo conlleva a la formación de la cetona α,β-insaturada (E). En

la vía 2, la ciclación del intermediario (B) conlleva a la formación de un oxeteno (F) y su

posterior cicloreversión. El aceleramiento de producción de la cetona al usar BuOH indica que

la vía 1 es la ruta principal por la que ocurre esta reacción.

47

HR

O

In

HR

O+ In

-

CHR1

R

O In-

R1

H

+

A: Complejo B: Intermediariozwitteriónico

via 1:

via 2:

BBuOH

R

O+ In

-

R1

H

HOBu

C

O+

R

H HR

1

BuO

In-

D: Oxetano

via 1:

via 2

RR1

H

O+

In-

E

B

O+

R

In-

R1

H

F: Oxeteno

RR1

H

O+

In-

E

Figura 46. Mecanismo de reacción de alquinos terminales catalizador por In(OTf)3 (Miura et al, 2010)

Hidroacilación catalizada por Co(I) a partir de la reducción de sales de Co(II)

Cheng et al., (2015) reportaron la ciclación e hidroacilación exitosa catalizada con CoBr2

entre eninas que contienen alquinos terminales con benzaldehído. Esta reacción genera el

producto regioisoméricamente E:Z (98:2) con un rendimiento del 56% (Figura 47). El

mecanismo de reacción propuesto por Cheng se muestra en la Figura 35.

CH

NTs

CH2

+

O

H

CoBr2 (5 mol%)

dppp (5 mol%)Zn (10 mol%)

ZnI2 (10 mol%)

CH2Cl2 40ºC, 18 h

O

Ph

NTs

CH3

(0.2 mmol) (0.22 mmol) 56% E:Z 98:"

Figura 47. Hidroacilación intermolecular catalizada por CoBr2

6.1.2.2. Reacciones de hidroacilación por hidrólisis del alquino y posterior

proceso de Claisen-Schmidt

48

Hidroacilación catalizada por el líquido iónico BmimOTs

El uso de líquidos iónicos como ácidos de Lewis es una alternativa para la catálisis debido

a que son libres de metales de transición, tienen baja presión de vapor y tienen la capacidad de

disolver fácilmente sustancias inorgánicas y orgánicas. Xu, Li, Xia & Zhao (2004) reportaron

el primer uso del líquido iónico 4-metilbencenosulfonato de 1-butil-3-metil-1H-imidazolio

(BmimOTs) como catalizador para la reacción de acoplamiento entre alquinos y aldehídos,

seguido por una adición de agua que permite la precipitación de la cetona α,β-insaturada. La

reacción se efectúo con fenilacetileno y aldehídos aromáticos sustituidos con grupos como Me,

Cl, NO2, OMe y Br, obteniendo altos rendimientos y alta selectividad. Sin embargo, el uso de

alquinos alifáticos o alquinos internos no permitió obtener el producto (Figura 48). El estudio

demostró que otros líquidos iónicos como BmimpF6 o BmimBF4 no fueron efectivos para

obtener el producto y que el efecto catalítico del BmimOTs provenía de las trazas de HBr

presentes en el líquido iónico ya que es difícil obtenerlo libre de HBr.

H

O

R1

CH

+ HBr, BmimOTs100 ºC, 12 h

O

R1

(2 mmol) (2.4 mmol) 60-95% E-configuración

R1= H, p-Me, p-Cl, p-NO2, o-Cl, o-OMe, m-OMe, p-Br

Figura 48. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales usando líquidos iónicos

Los autores proponen un mecanismo basado en la hidrólisis del alquino bajo condiciones

acidas. Inicialmente el líquido iónico promueve la adición del HBr al alquino para formar el

intermediario (A), el cual puede ser hidratado para formar la correspondiente acetofenona (B),

la cual reacciona con el aldehído para dar a lugar la cetona α,β-insaturada (Figura 49). El

mecanismo fue soportado por la información de las trazas de los intermediarios A y B

detectadas por cromatografía de masas. La ventaja de este sistema consiste en la posibilidad de

reciclar el líquido iónico tras la evaporación del agua residual. Al BmimOTs reciclado se le

adiciona una gota de HBr por cada 1 mmol de benzaldehído y puede reusarse al menos cinco

veces sin perder su actividad (Xu et al, 2004). Los líquidos iónicos han sido considerados como

49

alternativas ideales al uso de solventes en áreas como síntesis orgánica y catálisis entre otras,

pero tienen ciertas desventajas como su toxicidad, preparación y altos costo (Shamsuri &

Abdullah, 2010).

CH

HBrBmimOTs

CH2

Br

H2O CH3

O

HBr CH2

OH

H

O+O OHO

A B

Figura 49. Mecanismo de reacción propuesto para la hidroacilación de alquinos con líquidos iónicos (Xu et al, 2004)

Hidroacilación catalizada por óxido de grafito

Jia, Dreyer & Bielawski (2011) utilizaron el óxido de grafito (OG) por funcionar como un

catalizador auto-tándem efectuando procesos de acoplamiento oxidación-hidratación-aldol para

la formación de chalconas, La reacción se llevó a cabo haciendo reaccionar alquinos aromáticos

terminales con benzaldehídos aromáticos con sustituyentes electroatractores como el p-NO2,

obteniendo rendimientos bajos a altos (19-79%) (Figura 50). Estos rendimientos se deben a que

algunos aldehídos se oxidaron a ácidos carboxílicos por el OG, por lo cual un exceso en este

sustrato permite incrementar el rendimiento de la chalcona.

CH

R1

+H

O

R2

Óxido de grafito (50 mg)Sin solvente, 100 ºC, 14 h

O

R1

R2

(0.5 mmol) (0.5 mmol) 19-63%

R1=H, t-Bu, NO2, OCH

3 R2=H, NO

2, OCH

3

Figura 50. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales catalizada por óxido de grafito

Este proceso es una alternativa al uso de metales de transición y se basa en la habilidad del

OG para hidratar el fenilacetileno formando su correspondiente acetofenona y posteriormente

para efectuar la condensación con aldehídos por medio de una catálisis ácida en el mismo

50

matraz de reacción (Jia et al, 2011). El estudio no indica la regioselectividad del producto,

además se obtienen como subproductos ácidos carboxílicos aromáticos.

Hidroacilación catalizada por Hβ Zeolita

Las zeolitas son materiales que poseen características como gran área superficial interna,

alta acidez y estabilidad térmica/hidrotérmica, en partículas la zeolita de tipo BEA es de interés

para catalizar reacciones orgánicas debido a su mayor volumen de microporos, un canal de

poro largo y la presencia de sitios activos (sitios ácidos de Bronsted en los microporos y en la

superficie externa, y sitios ácidos Lewis en la superficie interna debido a defectos). Mameda

et al, (2016) efectuaron la reacción one-pot de alquinos y aldehídos aromáticos con 100 mg

zeolita Hβ en agua en condiciones libre de solventes orgánicos, obteniendo de medios a altos

rendimientos (42-96%) de la cetona α,β-insaturada (Figura 51). Este sistema permite el uso de

aldehídos aromáticos con una gran variedad de sustituyentes y de alquinos terminales tanto

aromáticos como alifáticos, obteniendo chalconas con los sustituyentes invertidos a

comparación con los demás sistemas en los cuales no interviene la formación de una cetona

intermediaria. En todas las reacciones se observa la formación de cetona (proveniente de la

hidratación del alquino aromático) como subproducto.

H

O

R +

CH

H Zeolita, H2O

100 ºC, 20 h

O

R

(2 mmol) (2 mmol) 42-96%

R= H, p-OMe, m-OMe, p-Me, p-tBut, o,p-OMe, o,p-Me, p-F, m-F, p-Cl, o-Cl, p-Br, m,m-F, p-CF3, p-NO2

Figura 51. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales catalizada por zeolita Hβ

El anillo aromático en los aldehídos puede contener sustituyentes donadores de electrones

(halógenos) obteniendo altos rendimientos en comparación con sustituyentes electroatractores.

También reaccionaron efectivamente aldehídos con heterocíclicos, por otro lado, los aldehídos

alifáticos no reaccionaron. Al utilizar fenilacetileno con sustituyentes electroatractor se obtiene

el producto en rendimientos relativamente bajos a comparación con sustituyentes donadores

51

de electrones. Los autores recuperaron por filtración y reutilizaron el catalizador heterogéneo

de zeolita Hβ en cinco ciclos sin pérdida significativa en su actividad catalítica.

El mecanismo de reacción propuesto por los autores involucra la capacidad de la zeolita

para convertir alquinos en sus correspondientes metil cetonas (A) en la presencia de una

cantidad de agua super-estequiométrica, para la posterior condensación por la vía Claisen-

Schmidt ácida de A al reaccionar con una cantidad estequiométrica de aldehído, el cual es

adsorbido en los sitios ácidos de Bronsted de la zeolita en este proceso (B) y producir un

intermediario β-hidroxi cetona (C), el cual posteriormente por pérdida de una molécula de agua

forma la cetona α,β-insaturada (Figura 52),

R

CH

H zeolita

H2O CH3R

O

CH2R

OH

+

OR1

H

Al-O

SiO

Si

H

.

.

.

.

.

.. .

H Zeolita

R

O

H

O

R1

HAl

-

O

Si

O

Si

H

.

.

.

.

. .

.

.

-H2O

R

O

R1

+Al

-OSi

OSi

H

.

.

.

.

.

.. .

H Zeolita

A B

C

Figura 52. Mecanismo de reacción propuesto para la hidroacilación de alquinos terminales catalizada por zeolita Hβ (Mameda et al, 2016)

6.1.2.3. Reacciones de hidroacilación con proceso de acoplamiento A3

Hidroacilación catalizada por sales de Au (I)

Shi, Wang, Weingand, Rudolph & Hashmi (2014) se basaron en el carácter nucleofílico de

los alquinos terminales y efectuaron la hidroacilación con α-ceto aldehídos (glioxal) con la

presencia de piperidina y una cantidad catalítica de AuCl para la formación de 1,2-dicetonas

α,β-insaturadas, por medio del acoplamiento A3 tándem (Figura 53), el cual es un mecanismo

diferente al utilizado en la clásica hidroacilación catalizada por Rh, Ru, Ni o Co, en las cuales

se requerían la presencia de ligandos y el proceso se efectuaba por adición oxidativa. El

52

acoplamiento A3 tandem (acoplamiento-isomerización-hidrólisis) es la reacción entre un

aldehído, un alquino terminal y una amina conllevando a la formación de propargilaminas, con

una posterior desprotonación del protón ácido propargílico dando a lugar al intermediario aleno

y por último una hidrólisis para la obtención de cetonas α,β-insaturadas.

Los autores identificaron que la reacción también se podía efectuar con sales de oro (III)

obteniendo mejores resultados al compararlas con complejos de oro. Sin embargo, la sal de

cloruro de oro (I) ofreció aún mejores resultados. El uso de otros metales de transición como

AgOTf, CuCl y PtCl2 mostró baja o ninguna conversión. Los solventes con baja polaridad son

los más efectivos, entre los cuales el tolueno fue el que mostró mejores resultados. Gran

variedad de alquenil dicetonas pueden ser utilizadas para la reacción, también se efectuó con

alquinos aromáticos con o sin grupos donadores de electrones. Los alquinos alifáticos

reaccionaron, pero los rendimientos fueron bajos. La mayoría de las reacciones producían E-

diastereómeros.

O

R1 H

O

(0.3 mmol)

AuCl (10 mol%)Piperidina (0.6 mmol)

Tolueno, 50 ºC,16 h, N2

(0.6 mmol)

CHR2

+

O

R1

O

R2

21-81%

R1=Ph, p-PhOMe, OEt. R2= Ph, p-PhOMe, p-Pht-But, m,m-Ph(OMe)(OMe),

o-PhMe, Ph-1,3,4-trimetil; Ph-2,3-Cl, p-PhBr, p-PhF, m-PhF, p-PhNO2, p-PhPh,

1-naftil, tiofeno, m-PhEtinil, p-PhEtinil, , ciclohexano

Figura 53. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales con glioxal catalizada por Au(I)

Los estudios del mecanismo de reacción basados en experimentos de marcaje con deuterio

indican que proceso se da en primera instancia por un acoplamiento A3 (reacción entre aldehído,

amina y alquino terminal), una subsecuente isomerización alqueno-aleno mediada por una base

y por último una hidrólisis. En este sistema, la piperidina interviene en el acoplamiento inicial

y también actúa como base en la isomerización. Más detalladamente, las etapas de reacción

consisten inicialmente en la catálisis del Au para efectuar el acoplamiento A3 obteniendo aminas

propargílicas (A), la cual, debido a la acidez del protón propargílico, presenta una isomerización

mediada por la piperidina formando una alenilamina (B) y posteriormente la hidrolisis con sílica

53

gel genera los productos de hidroacilación preferencialmente el E-diastereoisómero (C) (Figura

54). Las dicetonas α,β-insaturadas obtenidas pueden servir para la síntesis de heterociclos, la

desventaja de este sistema es que requiere cantidades (súper)estequiométricas de la piperidina

debido a que interviene tanto en el acoplamiento A3 y como base en la isomerización (Shi et al,

2014).

O

H

O

CH

NH

AuCl

A3-acoplamientoN

OH

B:

-H+ / +H+

N

O

H2O

Silica gel

O

O

A B

C

Figura 54. Mecanismo de reacción de alquinos terminales con glioxal catalizado por Au(I) (Shi et al, 2014)

Hidroacilación catalizada por nanopartículas de Cu(0) soportadas en materiales sólidos

Albaladejo et al, (2015) reportaron el uso de catalizadores a base de nanopartículas de cobre

(CuNPs) soportadas en diferentes materiales, tales como carbón activado, grafito, MWCNT,

TiO2, MgO, ZnO, zeolita Y, MK-10, celulosa, chitosan y silicato de aluminio. Todos los

catalizadores con Cu0 soportado fueron preparados adicionando una suspensión de CuNPs a

diferentes materiales de soporte. Los experimentos demostraron que los catalizadores CuNPs/C

y CuNPs/grafito ofrecían las mejores conversiones, mientras que otros soportes basados en

óxidos o materiales orgánicos microporosos no ofrecieron una transformación efectiva (0-

57%). La reacción optimizada para la formación de chalcona fue realizada sin solvente

utilizando piridina-2-carbaldehído y sus derivados, alquinos aromáticos, piridina como base y

el catalizador CuNPs/C ya que fueron los que mostraron mejores resultados de conversión. En

todos los casos se obtuvo un único E-diastereoisómero (Figura 55).

54

NH

O

R1

+

CH

R2

CuNPs/C (0.5 mol%)Piperidina (1 equiv)Sin solvente, 70 ºC, 3-15 h

(0.5 mmol)

N

O

R2

R1

44-77%(0.5 mmol)

R1= H, Me, Br, OMe, Ph. R2= H, CO2Me, Br, CF

3.

H

O

R1

+

CH

R2

CuNPs/C (0.5 mol%)Piperidina (1 equiv)Sin solvente, 70 ºC, 3-15 h

(0.5 mmol)

N

O

R2

R1

21-65%(0.5 mmol)

R1= CN, NO2, COCH

3. R2= H, CF

3.

Figura 55. Reacción de hidroacilación de alquinos terminales con nanopartículas de Cu0 soportadas en carbón activado

Los alquinos o aldehídos aromáticos con sustituyentes electroatractores (CF3, CO2Me y Br)

mejoraron el rendimiento en la obtención de chalcona. Por el contrario, al utilizar fenilacetileno

con sustituyentes electrodonadores (OCH3 y N(CH3)2) se obtuvieron indolizinas como producto

principal. De igual manera, en todas las reacciones se observaron subproductos provenientes

del acoplamiento A3 o del homoacoplamiento del alquino. Los alquinos y aldehídos alifáticos

no reaccionaron bajo las condiciones del estudio. El catalizador se puede recuperar por

centrifugación y reutilizarse en dos ciclos con una baja perdida en la actividad catalítica.

Para establecer el mecanismo de reacción, los autores realizaron experimentos con

marcadores de deuterio en la piridina-2-carbaldehído, fenilacetileno y en la piperidina en

reacciones diferentes. Estos resultados, junto con el hecho que la reacción no se efectúa al

utilizar aminas terciarias, indican que tiene a lugar un acoplamiento A3, en donde el metal de

cobre es esencial para el acoplamiento inicial, pero no en los posteriores pasos para la formación

de la chalcona. El mecanismo de reacción propuesto indica que las nanopartículas de Cu0

(CuNPs) activan el protón ácido terminal del fenilacetileno por medio de una coordinación con

el triple enlace y para formar el acetiluro de cobre (II) (A), además se forma el ión iminio (B)

debido a la condensación de la amina (piperidina) y el aldehído. Posteriormente A y B

reaccionan para formar un intermediario de propargilamina (C) y agua, el cual es desprotonado

por la piperidina para formar la alenilamina propargílica cargada negativamente (D). En el paso

55

anterior, los grupos electrón atrayentes aumentan la acidez del protón propargílico, lo cual

permite su desprotonación. Por último, se da la hidrólisis del intermediario D (ocasionada por

el agua formada en el paso de condensación inicial) permitiendo la formación de la E-chalcona

(E) (Figura 56). Este mecanismo es similar al propuesto por Shi et al, (2014) y Zhao & Song

(2016) para el acoplamiento A3.

NH

N

N

N

N

H

+ Base-Ho

H2O

- Base

N

O

H

Superficie del catalizador

con Cu0

.

.

Hidrógeno ácido

.

A: Acetiluro de cobre(II)

N

H

O

N

H

N+

B: Ión iminio

+ OH-

N

N

H

C: Propargilamina

N

N

+ Base- Base-H

. .

H+

N

N+

H

H Ph

+H2O

- piperidina + H+

D: Alenilamina propargílica

E: Cetona insaturada

Figura 56. Mecanismo de reacción de hidroacilación de alquinos terminales con nanopartículas de Cu0 soportadas en materiales (Albaladejo et al, 2015)

56

Otro tipo de materiales de soporte para las nanopartículas de cobre son las zeolitas, las

cuales son minerales aluminosilicatos microporosos que han sido utilizadas en reacciones de

catálisis ácida, se pueden sintetizar zeolitas de diferentes radios Si/Al con diferentes estructuras

de armazón, como por ejemplo la zeolita ZSM-5 o la Beta. La dificultad de incorporar algunos

metales de transición en la zeolita puede solucionarse hasta cierto punto mediante la

incorporación de iones metálicos a través del proceso de intercambio iónico o mediante la

adición de nanopartículas altamente dispersadas de metal en la superficie de la zeolita. El uso

de catalizadores heterogéneos con nanopartículas soportadas en su superficie ha llamado la

atención debido a la posibilidad de recuperarlos y reusarlos, pero se requieren materiales con

gran área superficial donde los grupos funcionales en la superficie estabilicen las nanopartículas

(Sarmah, Satpati & Srivastava, 2016).

Sarmah et al, (2016) utilizaron catalizadores de zeolita con nanopartículas de Cu(0)

soportadas en su estructura para la obtención de chalconas por medio de la síntesis

multicomponente one-pot. Inicialmente prepararon lo materiales de zeolita convencionales

ZSM-5 y mesoporosos Mes-ZSM-5, los cuales se utilizaron para preparar tres catalizadores de

zeolita con nanopartículas de Cu0 (CuNPs) soportadas en la superficie con distintos porcentajes

de cobre (Cu(10%)/Meso-ZSM-5, Cu(5%)/Meso-ZSM-5 y Cu(10%)/ZSM-5). Los materiales

de zeolita con CuNPs se prepararon por medio de reducción química del Cu(NO3)2 con NaBH4

y SDS. A modo de comparación, también se efectuaron las reacciones con otros catalizadores

como CuO, Cu-HY, Cu-NaY, zeolita mesoporosa con iones Cu2+ (Cu-Meso-ZSM-5), sílica

mesoporosa con CuNPs (Cu(10%)-SBA-15) y Al2O3 con CuNPs (Cu(10%)-Al2O3). Para la

síntesis de chalconas, la basicidad de la amina es muy importante, solamente las aminas

secundarias pueden producir la cetona α,β-insaturada. Debido a esto, bajo condiciones sin

solvente, una amina secundaria sin solvatar es una base más eficiente.

Los autores efectuaron la reacción para obtener la chalcona en ausencia de solvente a partir

del fenilacetileno, piridina-2-carbaldehído, piperidina como base y los diferentes materiales

catalíticos de zeolita con CuNPs, obteniendo una selectividad por el producto del 100% (Figura

57). Con respecto a los otros sistemas catalíticos evaluados, el catalizador con CuNPs

57

(Cu(10%)/Al2O3) y los catalizadores con Cu2+ como CuO y Cu-HY permitieron la obtención

de la chalcona con mediana selectividad (55-77%) debido a la formación de subproductos como

indolizina o 2,2’-bipiperidina. Con los demás catalizadores, Cu-Meso-ZSM-5 y Cu-NaY, no se

obtuvo producción de chalcona. Estos resultados indican que catalizadores con iones de Cu2+

no son los más efectivos para la formación de cetonas α,β-insaturadas, mientras que las

nanopartículas de Cu0 permiten alta actividad y selectividad. El material catalítico con

nanopartículas de cobre (Cu(10%)-Meso-ZSM-5) mostró mayor actividad, debido a que las

CuNPs (Cu0) activan el protón ácido del alquino terminal más fácilmente comparado con el

Cu2+.

N

H

O

+

CH

Catalizador con CuNPs (40 mg)Piperidina (1 mmol)Sin solvente, 70 ºC, 9 h

(1 mmol) (1 mmol)

N

O

Selectividad del producto: 100%

Catalizadores: Cu(10%)/Meso-ZSM-5; Cu(5%)/Meso-ZSM-5; Cu(10%)/ZSM-5; Cu(10%)/SBA-15.

Figura 57. Reacción de hidroacilación del fenilacetileno catalizada por nanopartículas de cobre soportadas en zeolita

Este sistema tiene una alta actividad catalítica debido a que las CuNPs altamente dispersadas

están presentes la parte más superficial de la zeolita permitiendo mayor accesibilidad a un

mayor número de partículas del reactivo, además de poseer otras ventajas como la basicidad

óptima del soporte de zeolita, alta área superficial y las interacciones favorables soporte-metal.

En el estudio se reutilizó el catalizador Cu(10%)-Meso-ZSM-5 cinco veces y no se observaron

pérdidas significativas en su actividad y selectividad. El mecanismo de reacción es el mismo

propuesto por Albaladejo et al, (2015), en el cual el Cu0 se coordina con el fenilacetileno para

formar una especie de acetiluro de cobre, la cual se incorpora a un acoplamiento A3 con el

aldehído y la piperidina (Ver Figura 56).

Hidroacilación catalizada por sales de Cu(I)

El grupo de Chen, Li, Zhao & Li (2014) realizaron un estudio análogo al de Shi et al. 2014,

donde usaron como sustratos alquinos terminales y glioxales pero utilizando un catalizador de

cobre (I) y la morfolina como base. Inicialmente realizaron una evaluación de la reacción con

58

diferentes sales (Cu, Ag, Zn), bases y solventes. Las sales de Cu(OTf)2 y AgOTf mostraron

poca eficiencia y solo se obtuvieron trazas del producto, sales como CuI y CuCl funcionaron

para la reacción pero obteniendo bajos rendimientos, tal como lo habían reportado Shi et al.,

(2014), mientras que la sal que mostró mejor efectividad fue CuBr, junto con el solvente

dioxano (solvente de baja polaridad) y la base morfolina. El uso de bases como la pirrolidina,

Et2NH, Cy2NH y i-Pr2NH produjo bajos o ningún rendimiento. Con las condiciones

optimizadas, realizaron la reacción con alquinos aromáticos y etil glioxalato o fenilglioxales

obteniendo buenos rendimientos, además de alta regio y estereoselectividad debido a que en

todos los casos solo se obtuvieron E-isómeros (Figura 58). Sin embargo, no se obtuvieron los

productos de hidroacilación al utilizar alquinos alifáticos. La eficacia en el uso de fenilglioxales

estaba limitada a ciertos sustituyentes, donde los grupos halógenos mostraron los menores

rendimientos y los grupos donadores de electrones mejores resultados. Los autores mostraron

un posible mecanismo de reacción que involucra un acoplamiento A3 tándem, el cual tiene los

mismos pasos que el propuesto por Shi et al., (2014), además también involucra una cantidad

(súper)estequiométrica de la amina ya que interviene tanto en el proceso de acoplamiento como

en la isomerización actuando como base (Ver Figura 54).

O

R1 H

O

(2 mmol)

CuBr (0.5 mmol)Morfolina (2 mmol)

Dioxano, 110 ºC, N2

(1 mmol)

CHR2

+

O

R1

O

R2

25-82%

R1=Ph, p-PhOMe, OEt., p-PhCl, p-PhBr, p-PhI, p-PhMe, p-PhNO2.

R2= Ph, p-PhMe, p-PhC2H

5,p-PhC

5H

11, p-PhOMe, p-PhCl, p-PhBr,m-PhBr, p-PhF, But.

Figura 58. Reacción de alquinos terminales con glioxales catalizada por Cu(I)

Hidroacilación catalizada por sales y MOF de Cu(II)

Zhao & Song (2016) también exploraron las nuevas posibilidades de efectuar la

hidroacilación de alquinos terminales con aldehídos aromáticos por medio del proceso de

acoplamiento A3 tándem usando como catalizador una sal de cobre simple, CuSO4. Anteriores

estudios como los efectuados por Shi et al, (2014) y Chen et al (2014) lograron obtener las

cetonas α,β-insaturadas pero utilizando como sustratos glioxales, este proceso se basaba

59

principalmente en la presencia de grupos electrón-atrayentes en la propargilamina que

aumentaba la acidez del protón propargílico promoviendo la desprotonación.

Zhao & Song (2016) realizaron el estudio del acoplamiento tradicional A3 usando como

sustratos aldehídos aromáticos, piperidina y alquinos aromáticos, para la isomerización

utilizaron la piridina como base. Los autores experimentaron con diversos solventes y otras

sales diferentes a CuSO4, tales como Cu(OAc)2, CuBr, CuBr2, CuCl, CuCl2, CuI, Cu(TFA)2,

Cu(OTf)2, AuCl3 y AgOTf pero obteniendo medios y bajos rendimientos de la chalcona. Un

resultado interesante mostró que al efectuar la reacción con Cu(OAc)2, piperidina, DMSO y

piridina se obtuvo un rendimiento del 50%, y al efectuarla sin piridina solo se redujo al 45%,

lo que puede indicar que ésta última probablemente no actué como base sino como un ligando.

A diferencia del estudio realizado por Chen et al y Shin et al donde la morfolina se usó

efectivamente con glioxales, en este estudio la morfolina fue inefectiva con aldehídos

aromáticos. Las condiciones se optimizaron al aumentar la temperatura a 130 ºC y al DMSO

como solvente, el cual juega un importante rol en la selectividad de la reacción y fue el único

de toda la gama de solventes utilizados que permitió la formación de la chalcona como producto

principal. En estas condiciones se pueden utilizar aldehídos aromáticos con una gran variedad

de sustituyentes como Cl, Br, trifluorometil, ciano, acetil, nitro, también pueden usarse

aldehídos heteroaromáticos. En cuanto a los alquinos aromáticos, se pueden sustituir con grupos

ricos o deficientes en electrones (Figura 59). En la mayoría de los casos se obtuvo una

preferencia por el isómero E. Esta reacción no puede aplicarse a aldehídos ricos en electrones,

además de aldehídos y alquinos alifáticos.

H

O

R1

R2

CH

NH

+ +

CuSO4 (20 mol%)

piridina (2 equiv)

DMSO, 130 ºC, 12 h, N2

O

R1

R2

(0.5 mmol) (0.75 mmol) (0.75 mmol) E-rendimiento: 33-82%

R1= H, p-Br, m-Br, p-Cl, m-Cl, p-CN, m-CN, p-CF3, p-COCH

3, m-NO

2, 2-naftalen.

R2= H, p-Br, p-Cl, p-F, m-F, p-CF3.

Figura 59. Reacción de hidroacilación de alquinos por medio de acoplamiento A3 catalizada con cobre (II)

60

Estudios mecanísticos indicaron que el primer paso de la reacción efectivamente era el

acoplamiento A3 entre el aldehído, el alquino y la piperidina; donde la coordinación del cobre

con el triple enlace facilita la desprotonación por la base, formando la propargilamina (A), la

posterior isomerización esta mediada tanto por la base piperidina como por la sal CuSO4,

además la existencia de sustituyentes electrón atrayentes aumentan la acidez del protón

propargílico para la formación de la alenilamina (B) (Figura 60). El marcaje con agua deuterada

y con agua marcada con 18O indicó que en el paso final de la hidrólisis, los protones de la cetona

α,β-insaturada provienen del agua. Estos estudios también indicaron que el producto no

proviene transferencias de hidruro 1,3-H o 1,5-H.

H

O

+ NH

CH

N

CuII

N

H

CuII

Base (B:)

B:

Cu2+

.

N

CuII

-[HB]

-CuII

N

H

H2O

O

A

B

Figura 60. Mecanismo de reacción de hidroacilación de alquinos terminales por medio de acoplamiento A3 (Zhao & Song, 2016)

Nguyen, Dang, Le, Truong & Phan (2016) efectuaron la primera hidroacilación de glioxales

con alquinos terminales por medio de una catálisis heterogénea utilizando como catalizador un

armazón organometálico de cobre (II) Cu/MOF-74, el cual exhibió mejor eficiencia que otros

catalizadores homogéneos de cobre como el CuBr. Las condiciones optimizadas para efectuar

la reacción incluyen utilizar como solvente tolueno y como base la morfolina debido a que

mostraron mejor eficiencia. El estudio indicó que se obtienen buenos rendimientos al utilizar

alquinos aromáticos, etil glioxalato o fenilglioxalato (Figura 61). La formación de dicetonas

61

α,β-insaturadas tiene gran atractivo ya que son importantes intermediarios en transformaciones

orgánicas que conllevan a la obtención de fármacos y agroquímicos.

O

R1 H

O

(2 mmol)

Cu/MOF-74 (10 mol%)Morfolina (2 mmol)Tolueno, 100 ºC, Ar

(1 mmol)

CHR2

+

O

R1

O

R2

49-90%

R1=Ph, OEt.

R2= Ph, p-PhMe, p-PhOMe; p-PhCF3; p-PhBr.

Figura 61. Reacción de alquinos terminales con glioxales catalizada por Cu/MOF-74

El catalizador Cu/MOF-74 ofrece varias ventajas en comparación con la catálisis

homogénea, ya que se puede reusar hasta ocho veces sin pérdidas significativas en su actividad

catalítica por medio de filtración y lavados con DMF y metanol, además se comprobó la

completa heterogeneidad de la catálisis al detectar solo un 0.13%, del total del cobre usado en

el catalizador, en la mezcla de reacción filtrada. Otra ventaja de este sistema es que se requieren

menores cantidades de catalizador, 10 mol% de Cu/MOF, que las utilizadas en catálisis

homogénea reportada por Chen et al (2014) donde se requería 50 mol% de CuBr. El uso de la

base piridina para este sistema resulta en rendimientos muy bajos de reacción debido a su fuerte

adsorción en los sitios de cobre en el Cu/MOF-74

El mecanismo de reacción con el catalizador Cu/MOF-74 no fue esclarecido y los estudios

mecanísticos realizados por Nguyen et al (2016) solo indicaron que la reacción no se favorece

en presencia de aire, agua o piridina. Aunque el sistema de reacción es análogo al utilizado por

Chen et al, (2014), puede que el mecanismo sea similar, pero son necesarios más estudios para

elucidar las etapas de reacción con Cu/MOF-74.

6.1.2.4. Reacciones de hidroacilación con proceso de adición nucleofílica

Hidroacilación catalizada por Cs(I) soportado en Al2O3

62

El primer reporte de hidroacilación de alquinos libre de metales de transición por medio de

la formación de especies nucleofílicas de alquinilo fue realizado por Baba, Kizuka, Handa &

Ono (2000). En el estudio se basa en la catálisis heterogénea usando un catalizador fuertemente

básico soportado sobre un sólido Cs2CO3/Al2O3, fenilacetileno y benzaldehído en 1,4.dioxano

como solvente (Figura 62). La eficiencia de la reacción depende fuertemente del solvente

utilizado, al utilizar DMF o THF obtuvieron bajos rendimientos debido a la formación de un

alcohol alílico como subproducto, lo cual no se observó con 1,4-dioxano. La reacción también

se efectúo con otros catalizadores soportados sobre Al2O3 como CsOH, KNH2, KNO3, KOH y

KF pero se obtuvieron bajos y medios rendimientos debido a la formación del alcohol alílico.

Por medio de análisis cromatografía de gases no se evidenció la formación de otro subproducto

como el benzoato de bencilo en ninguna de las reacciones.

H

O

+

CH

Cs2CO

3/Al

2O

3 2.5 mmol/g-Al

2O

3

1,4-dioxano, 90 ºC, 20 h

O

(5 mmol) (10 mmol) (82% )CG

Figura 62. Reacción de fenilacetileno y benzaldehído con catalizador básico Cs2CO3/Al2O3

Para elucidar el mecanismo de reacción, los autores efectuaron la reacción de fenilacetileno

con benzaldehído deuterado a 70 ºC por 20 horas con CsOH/Al2O3 como catalizador obteniendo

la cetona α,β-insaturada deuterada (D/H: 82/18), lo cual indica que el intercambio de H y D

puede ocurrir en la superficie del catalizador. El mecanismo propuesto involucra la formación

de la especie alquinuro (A) debido a la desprotonación del alquino por la base, la reacción con

el benzaldehído forma la especie intermedia (B) la cual sufre una transferencia de hidruro 1,3

(1,3-H) para formar el compuesto (C), el cual es protonado para formar la chalcona (D) (Figura

63). Es posible que se efectué la protonación de (B) formando el alcohol alílico (E), pero la

transformación del intermediario aniónico (B) es más rápida.

63

D

O

CH

+B/ -BH+

C

O

D

A: Epeciealquinilo

B: Intermedirio aniónico

O DO D

H

C

Transferencia1,3-H

D: Producto

OH

D

E: Alcohol alílico

Isomerización

+BH+/ -B

Protonación

Figura 63. Mecanismo de reacción de hidroacilación de alquinos por adición nucleofílica y transferencia de hidruro con Cs2CO3/Al2O3 (Baba et al, 2000)

Hidroacilación catalizada por sales cuaternarias de amonio

Ishikawa, Mizuda, Hagiwara, Aikawa, Kudo & Saito, (2003) utilizaron el hidróxido de

tetraalquilamonio BnN+(CH3)3 -OH (Triton BTM) en DMSO para efectuar la adición nucleofílica

de alquinos alifáticos con aldehídos aromáticos, encontrando que al realizar la reacción en

temperatura ambiente se formaba el correspondiente alcohol propargílico en rendimientos

superiores al 96%, pero al aumentar los tiempos de reacción y utilizar alquinos con sustituyentes

electroatractores se obtenía como producto principal la cetona α,β-insaturada en bajos a altos

rendimientos (12-85%) (Figura 64).

H

O

R PhH+Triton B (10 mol%), N

2

DMSO, Temp. amb, 10-12 h

O

RPh

(5 mmol)(6 mmol) 12-85%

R= H, p-OMe, p-Cl, m-Cl, p-Me, p-NMe2

Figura 64. Reacción de alquinos terminales catalizada por Triton B

El mecanismo de reacción propuesto por los autores muestra la formación inicial de la

especie nucleofílica acetiluro de amonio (A) debido al medio básico. Al adicionar el aldehído

se forma el alcohol propargílico (B), el cual sufre una desprotonación ocasionada por el

catalizador formando una especie de carbanión intermediaria (C) que al ser nuevamente

protonada conduce a la formación de la cetona α,β-insaturada (Figura 65). Este proceso no

64

indica la posible formación de un alcohol alílico como fue propuesto por Baba et al (2000) y

aunque no se detalla la formación de otro intermediario, en los estudios posteriores realizados

por Yatabe et al (2018) proponen la formación de un alenol previo a la formación del producto

final. La desventaja de este sistema radica en que los hidróxidos de amonio no son estables al

aire, por lo cual deben ser preparados in situ.

PhH

-H+

+ Ph

O

H

Ph

O

Ph

H

H

A: Especiealquinuro

B: Alcohol propargílico

D: Cetona -insaturada

Ph

OH

HPh

Ph

OH

Ph

_Ph

OH

Ph

_

C: Carbanión deslocalizado

Protonación

C: Ph

_N

+CH3

CH3 CH3

Ph OH

N+

CH3 CH3

Ph

CH3

+

_

+

+H+

-H+Triton B

Figura 65. Mecanismo de reacción para la hidroacilación de alquinos terminales catalizada por sales cuaternarias de amonio

Hidroacilación catalizada por LDH Mg3-Al-CO3

Yatabe, Mizuno & Yamaguchi (2018) realizaron el primer estudio en el cual se efectúa la

hidroacilación de alquinos terminales utilizando un hidróxido doble laminar libre de metales de

transición como catalizador, basándose en la nucleofilicidad y prototropía de los alquinos

terminales para evitar la dificultad en el control de la regioselectividad y la descarbonilación en

las clásicas reacciones de hidroacilación catalizadas por Rh, Ru, Ni o Co. Los autores utilizaron

el catalizador hidróxido doble laminar (Mg6Al2(OH)16(CO3)·4H2O (LDH Mg3Al-CO3 relación

Mg/Al=3) disponible comercialmente, beneficiándose de su basicidad e ionicidad única para

efectuar adiciones nucleofílicas, además la catálisis es heterogénea y el catalizador puede

separarse por filtración y reusarse sin grandes pérdidas de actividad catalítica por al menos tres

veces. También estudiaron la eficacia de otros catalizadores sólidos como hidroxiapatita,

Mg(OH)2, Ca(OH)2, MgO, CaO, ZnO, Al2O3, CeO2, ZrO2 y TiO2 pero ninguno mostró

65

actividad catalítica. La reacción se da efectivamente al usar solventes con baja polaridad, tales

como tolueno o metoxiciclopentano y PhCF3 con alta E-selectividad (Figura 66)

H

R2

R1

O

H+

LDH Mg3Al-CO

3 (130 mg)

Tolueno, 120 ºC, 15 h, Ar

(0.5 mmol) (0.6 mmol)

R1

O

R2

54-79% rendimiento aislado

R1=H; p-OMe; m-OMe; o-OMe; p-CH3; p-CF

3; p-Cl; m-Br; p-N(CH

3)2; p-CN; p-CO

2CH

3;

R2= H; p-Cl; m-Cl; o-Cl; p-Br; p-F; -p-OMe; p-But.

Figura 66. Reacción de hidroacilación de alquinos y aldehídos aromáticos catalizador por LDH Mg3Al-CO3

La reacción se efectúa con fenilacetileno y benzaldehído y sus derivados con una variedad

de sustituyentes, además gracias a la basicidad media del LDH Mg3Al-CO3, se pueden utilizar

benzaldehídos con grupos ciano o éster, los cuales presentan dificultad para reaccionar en

medios fuertemente básicos. Sin embargo, este sistema no puede ser aplicado para alquinos y

aldehídos alifáticos. Es importante mencionar que el LDH con una relación Mg/Al de 2 también

mostró la actividad catalítica, mientras que el uso del LDH con una relación Mg/Al de 4 o el

LDH Mg3Al-CO3 calcinado mostraron bajos rendimientos para la formación de la cetona α,β-

insaturada.

Yatabe et al., (2018) establecieron un posible mecanismo de reacción donde el

fenilacetileno se transforma en una especie nucleofílica de alquinuro (A) debido a la

desprotonación del alquino ocasionada por la basicidad (sitios activos de Brønsted) del

catalizador y la cual es estabilizada por la ionicidad del mismo. Posteriormente se da la adición

nucleofílica de la especie alquinuro al aldehído formando un alcohol propargílico (B) seguido

por una prototropía del alcohol promovida por el catalizador, los pasos incluyen una

desprotonación del alcohol ocasionada por el LDH Mg3Al-CO3 formando especies carbanión

deslocalizadas (C), estas especies son protonadas para producir un alenol (D), el cual

inmediatamente se tautomeriza para dar la cetona α,β-insaturada (E) (Figura 67).

66

PhHLDH Mg

3Al-CO

3

-H+C:Ph +

Ph

O

H

LDH Mg3Al-CO

3

+H+

Adición nucleofílica

Prototropía catalizada por LDH Mg3Al-CO

3

TautomerizaciónPh

O

Ph

H

H

LDH Mg3Al-CO

3

A: Especiealquinuro

B: Alcohol propargílico

D: AlenolE: Cetona -insaturada

Ph

OH

HPh

Ph

OH

Ph

_Ph

OH

Ph

_

LDH Mg3Al-CO

3

Desprotonación

C: Carbanión deslocalizado

Ph

OH

Ph

HProtonación

_

Figura 67. Mecanismo de reacción propuesto por Yatabe et al (2018) para la hidroacilación de alquinos catalizada por LDH Mg3Al-CO3

Los autores proponen la etapa de prototropía llevada a cabo por el LDH Mg3Al-CO3, debido

a que, al efectuar la reacción bajo las condiciones optimizadas entre el benzaldehído y

fenilacetileno-D, no se formó la cetona deuterada (Figura 68.a), mientras que al reaccionar

benzaldehído-α-D con fenilacetileno se obtuvo la cetona α-deuterada (H/D=60:40) (Figura

68.b). Debido a que no se detectaba alcohol propargílico en la reacción, los autores hicieron

reaccionar la 2,2,2.trifluoroacetofenona con fenilacetileno comprobando la formación del

alcohol propargílico sin posterior transformación debido a que es un alcohol terciario (Figura

69). Estos resultados indican que el proceso no se efectuaría por medio de transferencia de

hidruro (1,3-H) como lo propusieron anteriormente Baba et al (2000), pero si concuerda con la

formación de un intermediario de alenol propuesto por el grupo de Ishikawa et al (2003).

D

Ph

O

H

MeO

+LDH Mg

3Al-CO

3 (130 mg)

Tolueno, 120ºC, 15 h, Ar

(0.5 mmol) (0.5 mmol) H/D= >99/<1

O

Ph

MeOH/D

(a)

LDH Mg3Al-CO

3 (130 mg)

Tolueno, 120ºC, 15 h, Ar

H/D= >60/<40

O H/D

Cl

(b)

H

Cl

O

D+

(0.5 mmol) (0.5 mmol)

Figura 68. Estudio mecanístico de la hidroacilación de alquinos catalizada por LDH Mg3Al-CO3

67

Ph

O

CF3

Ph

H

+

(0.5 mmol) (0.5 mmol)

LDH Mg3Al-CO

3 (130 mg)

Tolueno, 120ºC, 15 h, Ar Ph

OHCF3

Ph

53%

Figura 69. Reacción de comprobación para la formación de alcohol propargílico

6.2. Experimentación preliminar

6.2.1. Objetivo general

Síntetizar materiales sólidos catalíticos tipo LDH para su evaluación inicial en la

reacción de hidroacilación de alquinos terminales

6.2.2. Objetivos específicos

Sintetizar los materiales sólidos catalíticos LDH Ni3-Al-CO3 y LDH Co3Al-CO3 por el

método de coprecipitación.

Caracterizar los materiales sólidos por medio de análisis IR y Difracción de Rayos X.

Evaluar la actividad catalítica de los materiales sólidos sintetizados en la reacción de

hidroacilación entre fenilacetileno y benzaldehído.

Recuperar el catalizador LDH Ni3Al-CO3 y caracterizarlo por medio de análisis IR y

Rayos X

6.2.3. Síntesis y caracterización de materiales sólidos catalíticos

Síntesis y caracterización de LDH Ni-Al-CO3 con relación 3:1 (Ni:Al): Se preparó la

solución 1 con 11.8855 g NiCl2.6H2O (0.05 mol) y 6.0021 g Al(NO3)3.9H2O (0.016 mol) en

22 ml de agua destilada. La solución 1 se adicionó, con agitación constante y gota a gota, por

2 horas a una solución 2 que contenía 7 g NaOH (0.175 mol) y 4.77 g Na2CO3 (0.045 mol) en

35 ml de agua destilada. El gel formado se colocó en un baño de aceite por 24 h a 60ºC.

68

Posteriormente se realizó lavados con agua destilada hasta pH 8. El producto se dejó secar por

18 h a 120ºC y fue macerado en un mortero. Se envió a calcinación 4 g del LDH Ni-Al obtenido

(5h a 500°C) para la obtención del óxido mixto.

Figura 70. Espectro IR del LDH Ni3Al-CO3

Figura 71. Rayos X de LDH Ni3Al-CO3

69

En la Figura 70 se observa el espectro infrarrojo del LDH Ni3Al-CO3, donde la banda en

3463 cm-1 correspondiente a la vibración OH de la superficie y de las moléculas de agua en la

capa intermedia, mientras que la banda en 2969 cm-1 es atribuida al enlace H2O-CO32-. La

banda ancha que se aprecia en 1620 cm-1 indica la presencia de agua molecular en el espacio

interlaminar (La vibración causada por la flexión de las moléculas de agua se encuentra en la

región comprendida entre 1580 y 1700 cm-1). En 1364 cm-1 se observa la banda característica

de los carbonatos debido a la vibración de estiramiento asimétrico en los enlaces O-C-O. Las

bandas en la región de baja frecuencia (menor a 1000 cm-1) 734 y 558 cm-1 se atribuyen a

vibraciones M-O (M=Ni-Al) (Kannan & Narayanan, 1996).

El difractograma de Rayos X obtenido se muestra en la Figura 71 y presenta los picos

característicos de compuestos LDH tipo hidrotalcita con índices de Miller de 003, 006, 012,

015, 018 y el doblete típico en los planos 110 y 113, que aparecen en la zona angular 20° < 2θ

< 60° (Kannan & Narayanan, 1996). En ángulos bajos 2θ se evidencia una serie de picos

estrechos (00l) característicos de los compuestos tipo hidrotalcita y los cuales corresponden a

difracciones de alto orden que indican presencia de aniones en el espacio interlaminar (Wang

et al, 2010).

Para la determinación de las distancias interplanares se utiliza la ecuación de la ley de

Bragg nλh,k,l=2d senθh,k,l (n=1; λ= longitud de onda de haz incidente; d=distancia interplanar y

θ=ángulo de difracción) y se seleccionan la zona angular entre 20° < 2θ < 60° (Tabla 2). Esta

permite estudiar las direcciones en las que la difracción de rayos X sobre la superficie de un

cristal produce interferencias constructivas, dado que permite predecir los ángulos en los que

los rayos X son difractados por un material con estructura atómica periódica (Bertrán, y Nuñez,

2007, p.p.393).

Tabla 2 Datos de planos, ángulos y distancias interplanares del LDH Ni3Al-CO3

Entr. Índice de Miller

(h,k,l)

Ángulo 2θ θ dh,k,l (nm)

1 003 11.6 5.80 0.762

2 006 23.4 11.70 0.380

70

3 012 35.0 17.50 0.256

4 110 61.1 30.55 0.151

5 113 62.2 31.10 0.149

La distancia de la capa interlaminar del LDH Ni3-Al-CO3 corresponde a la distancia

interplanar obtenida a partir de la reflexión (003), la cual fue 0.762 nm (Entrada 1, Tabla 2),

un valor muy cercano al de la literatura y corresponde a la intercalación de carbonatos en el

espacio interlaminar (Rivera-Ortega et al, 2006). La distancia interplanar de 0.256 nm es

característica del plano 012, lo que indica una buena cristalización del LDH (Yang et al, 2013).

Síntesis y caracterización de LDH Co-Al-CO3 con relación 3:1 (Co:Al): El sólido fue

proporcionado por el grupo de investigación de Química Inorgánica de la UAM-Iztapalapa y

sintetizado de la siguiente manera: Se preparó una solución de 0.05 mol de Co(NO3)2 y 0.015

mol de Al(NO3)3 en 30 mL de agua desionizada, la cual fue adicionada gota a gota durante 3

horas una solución acuosa de 7 g de NaOH y 3.67 g de Na2CO3 en 35 mL de agua desionizada,

agitando vigorosamente hasta obtener un gel de color gris-azul. El gel obtenido se colocó en

un baño de aceite a 60 °C durante 24 horas, se dejó enfriar y se efectuaron lavados con agua

desionizada hasta pH 8, secando en una estufa durante 18 horas a 120 °C.

71

Figura 72. Espectro IR del LDH Co3Al-CO3

Figura 73. Rayos X de LDH Co3Al-CO3

En la Figura 72 se observa el espectro infrarrojo del LDH Co3Al-CO3, donde se observa

una banda ancha en la región aproximada a 3500 cm-1 correspondiente a la vibración OH de la

72

superficie y de las moléculas de agua en la capa intermedia. La banda en aprox. 1620 cm-1

indica la presencia de agua molecular en el espacio interlaminar (La vibración causada por la

flexión de las moléculas de agua se encuentra en la región comprendida entre 1580 y 1700 cm-

1). En aprox. 1300 cm-1 se observa la banda característica de los carbonatos debido a la

vibración de estiramiento asimétrico en los enlaces O-C-O. Las bandas en la región de baja

frecuencia menor a 1000 cm-1 se atribuyen a vibraciones M-O (M=Co-Al) (Kannan &

Narayanan, 1996).

El difractograma de Rayos X del LDH Co3Al-CO3 (Figura 73) muestra los picos

característicos de compuestos tipo hidrotalcita con índices de Miller de 003, 006, 012, 015,

018 y el doblete típico en los planos 110 y 113, que aparecen en la zona angular 20° < 2θ <

60°. En la Tabla 3 se indican los valores de las distancias interplanares para cada índice de

Miller. El valor de 0.756 nm que corresponde al plano 003 (Entrada 1, Tabla 3) indica la

distancia de la capa interlaminar del LDH, este valor es acorde con la literatura (Tsyganok et

a, 2001) (Tóth et al, 2013) y cercano el obtenido con el LDH Ni3Al-CO3 ya que ambos poseen

iones carbonatos en dicha capa.

Tabla 3 Datos de planos, ángulos y distancias interplanares del LDH Co3Al-CO3

Entr. Índice de Miller

(h,k,l)

Ángulo 2θ θ dh,k,l (nm)

1 003 11.7 5.85 0.756

2 006 23.2 11.60 0.383

3 012 35.0 17.50 0.256

4 110 61.2 30.60 0.151

5 113 62.3 31.15 0.149

6.2.4. Evaluación de la actividad catalítica de los materiales LDH en la reacción de

hidroacilación del fenilacetileno con benzaldehído

73

Se realizaron 10 síntesis en diferentes condiciones para comparar la efectividad de los

catalizadores LDH Ni3-Al-CO3, Óxido mixto Ni-Al y LDH Co3-Al-CO3, las cuales se

especifican en la Tabla 4. Todas las reacciones fueron monitoreadas por medio de cromatografía

en capa fina (TLC) al culminar la reacción, junto con los patrones de chalcona, fenilacetileno y

benzaldehído y fueron reveladas por medio de UV, vapor de yodo y vainillina.

Tabla 4 Análisis de cromatografía de capa fina (TLC) al final de la reacción entre fenilacetileno y benzaldehído en diferentes

condiciones de reacción.

CH

+H

O

Catalizador

O

1 2 3

Catalizador Cat.

(mg)

Solvente Atm. Código

símtesis

Presencia en TLC

1 2 3 subproductos

1 aLDH Ni3Al-CO3 100 Tolueno Aire LAB02




5 bLDH Ni3Al-CO3 100 Tolueno N2 LAB06

6 bÓxido mixto Ni-Al 100 Tolueno N2 LAB07

7 cLDH Ni3Al-CO3 200 Isopropanol N2 LAB09

8 cLDH Co3Al-CO3 200 Isopropanol N2 LAB10

9 cLDH Ni3Al-CO3 200 1,4-dioxano N2 LAB11

10 cLDH Ni3Al-CO3 200 DMF N2 LAB12

Nota: aCondiciones de reacción: 1 (1 mmol), 2 (1 mmol), 100º, 16.5 h. bCondiciones de reacción: 1 (1.5 mmol), 2 (1 mmol), 100ºC, 16.5 h. cCondiciones de reacción: 1 (1.5 mmol), 2 (1 mmol), 75 ºC, 20 h. Las

placas fueron reveladas por UV, vapor de yodo y vainillina. DMF:N,N-dimetilformamida. (Las imágenes de

las placas se encuentran en el Anexo 1 dentro de las Tablas 10-13)

En todas las placas de TLC se observó la presencia de benzaldehído sin reaccionar, pero

no se evidenció la presencia de fenilacetileno, por lo cual este último sufrió una conversión

pero no reaccionó con el benzaldehído. En ninguna de las condiciones propuestas se formó el

producto deseado, si se analiza por el mecanismo de hidroacilación por adición oxidativa, el

níquel requiere aumentar su estado de oxidación para promover la formación de la especie acil-

metal pero la especie Ni2+ en la estructura del LDH es estable a las condiciones del

74

experimento, por lo cual se requeriría un catión metálico fácilmente oxidable o utilizar la

especie metálica M0. Esta última alternativa ha sido desarrollada por medio de la formación de

nanopartículas de metales altamente dispersas sobre materiales LDH (Fan et al, 2014).

Al analizar los resultados por medio de la hidroacilación con adición nucleofílica, el

cambio de coloración verde a un verde-amarillo, observado en el catalizador al finalizar la

reacción, podría ser indicador de la desprotonación del hidrógeno ácido del fenilacetileno por

los sitios básicos del catalizador formando la especie alquinuro estabilizada con las cargas

positivas de la capa catiónica del LDH, pero se requieren análisis para su comprobación (IR,

UV/VIS, CG) ya que la formación de dicha especie nucleofílica favorecería la reacción, pero

no existió interacción con el benzaldehído para la formación de la chalcona. Ya que las placas

de TLC indicaron que el fenilacetileno no se encontraba en la mezcla de reacción, existe la

posibilidad que se encuentre interaccionando fuertemente con el material LDH. Este

planteamiento se basa en la observación de Yatabe et al, 2018, donde los sólidos que exhibían

una actividad catalítica debido a la formación del alquinuro, cambiaban su coloración. Por otro

lado, la razón por la cual no se obtuvo la chalcona puede estar relacionada con una menor

basicidad del catalizador, la cual se debe a los aniones de la capa interlaminar y a los metales

M2+ unidos a los grupos hidroxilo en la superficie externa y en los bordes del LDH. Por tanto,

el uso de metales divalentes como el níquel, que tiene una mayor electronegatividad comparada

con el Mg2+, disminuye la basicidad del LDH Ni-Al-CO3 (Lauron-Pernot 2006) (Fan et al,

2014). Esto no indica que el catalizador no sea básico, sino que tiene una menor basicidad en

comparación con el LDH Mg3Al-CO3 (Somasundaran, 2006)

Las reacciones efectuadas en atmósfera de nitrógeno fueron efectivas al momento de evitar

la oxidación del benzaldehído, ya que al reaccionar el sistema en aire (entradas 1-4, Tabla 4)

se evidenció la formación de los productos de oxidación del benzaldehído por medio del

análisis con TLC. En cuanto a la reacción del LDH Ni3Al-CO3 con 2-propanol, es posible que

el alcohol pasara por un proceso de deshidrogenación a causa de los sitios básicos de Bronsted

en el catalizador formando un subproducto, que posiblemente puede ser una cetona (Lauron-

Pernot, 2006, p.317) (Ver Anexo 1: Tabla 13, placa 2. Visualización de un punto rojo al revelar

75

la placa con vainillina), el subproducto se observó en la placa de TLC por debajo del

benzaldehído, lo que quiere decir que es un compuesto más polar que éste.

La reacción en la cual se utiliza como catalizador el óxido mixto (OM) no evidenció la

formación de la chalcona ya que el OM tiene menos basicidad que el LDH, esto se debe a la

formación de sitios ácidos y básicos de Lewis asociados a la presencia de los pares ácido-base O2—

M2+, también afectados por la identidad del catión divalente, que en este caso es el Ni2+ (Fan et al,

2014).

6.2.5. Recuperación del catalizador LDH Ni3Al- CO3.

El catalizador utilizado en la reacción con tolueno a 100ºC (Entrada 1, Tabla 4) fue

recuperado por medio de centrifugación y se le realizó un lavado con acetona. Posteriormente

se secó en el horno por 18 horas para eliminar la humedad y solventes volátiles que puedan

estar presentes y fue caracterizado por medio de IR y Rayos X (Figura 74 y 75). En el espectro

IR se evidencia una pequeña banda aguda en 2100 cm-1 que posiblemente pertenezca al enlace

-C≡C- de la especie fenilacetiluro (alquinuro) formada en la superficie del catalizador, además

no se observan las bandas de vibración C≡C-H (3300, 2900 y 1470 cm-1) características de

alquinos terminales, ya que el alquino ha sido desprotonado. Según reportes teóricos, los

alquinuros presentan una banda en 550 cm-1 (Rodionov et al, 1965), la cual puede ser

superpuesta por la banda del LDH. Esta posibilidad debe ser corroborada por medio de un

análisis de espectroscopia ultravioleta-visible (UV/VIS), ya que el fenilacetileno absorbe

radiación en el rango de 200 a 300 nm y el catalizador no. En el espectro IR también se observa

una banda nueva en 991 cm-1 y una serie de bandas acentuadas en el rango de 3000 a 2167 cm1

que puede estar relacionada con la presencia de tolueno que no se removió adecuadamente del

sólido ya que solo se realizó un lavado con acetona. Se descarta que la contaminación se deba

al benzaldehído ya que no hay presencia de bandas de carbonilos en el espectro IR. En el

espectro de Rayos X se observan los picos 003, 006, 012, 015, 018, 110 y 113, característicos

de la hidrotalcita (Kannan & Narayanan, 1996), lo cual indica que se conservó su estructura y

se afectó poco la cristalinidad del catalizador, solamente el pico correspondiente a 018 perdió

su intensidad.

76

Figura 74. Espectro IR de LDH Ni3Al-CO3 recuperado

Figura 75. Espectro Rayos X de LDH Ni3Al-CO3 recuperado

77

6.3. Propuesta teórica

El LDH-Ni3Al no fue un catalizador óptimo para permitir la hidroacilación de alquinos

terminales posiblemente a que su basicidad no es lo suficientemente fuerte en comparación con

material LDH Mg3Al-CO3 reportado por Yatabe et al (2018), por lo cual se da a conocer la presente

propuesta teórica con el uso de materiales sólidos catalíticos LDH y MCM-41, la cual se divide en

dos partes, en la primera se indica los sistemas para efectuar la hidroacilación donde se involucre

el paso de adición nucleofílica y en la segunda parte los sistemas para efectuar la hidroacilación

por adición oxidativa.

No se escogieren opciones para la obtención de chalcona por medio del mecanismo A3 debido

a que requieren el uso de piperidina, la cual, aunque es una base fuerte que permite la formación

del ión iminio para formar un intermediario clave (propargilamina), también tiene una serie de

desventajas como su alta toxicidad y las cantidades super-estequiométricas requeridas para la

reacción (Albaladejo et a, 2015). La propuesta tampoco se enfocará en el uso de los óxidos mixtos

ya que se ha reportado previamente que su actividad en catálisis básica disminuye en comparación

con las estructuras LDH, sugiriendo que los aniones en la capa intermedia son importantes para el

comportamiento básico del sólido. (Yatabe et al, 2018) (Constantino & Pinnavaia, 1995).

6.3.1. Hidroacilación con proceso de adición nucleofílica

La revisión bibliográfica indicó que existen dos reportes relacionados con la hidroacilación

de alquinos terminales con aldehídos mediante la adición nucleofílica utilizando catalizadores

heterogéneos básicos, en uno de estos reportes se usa el Cs2CO3/Al2O3 (Baba et al, 2000) y el

otro del LDH Mg3Al-CO3 (Yatabe et al, 2018) (Entradas 2 y 3, Tabla 5). En cuanto a sistemas

catalíticos homogéneos se encontró un reporte en el cual se utilizó sales de amonio cuaternarias

como el hidróxido de tetraalquilamonio BnN+(CH3)3 -OH (Triton BTM) (Entrada 1, Tabla 5). En

la Tabla 5 se muestra las condiciones de reacción en la formación de cetonas α,β-insaturadas a

partir del fenilacetileno y el benzaldehído en los reportes donde se efectúa la adición

nucleofílica.

78

Tabla 5 Reportes de hidroacilación de fenilacetileno con benzaldehído por medio de adición nucleofílica

CH

+H

O

Catalizador

Atmósfera inerte

O

1 2 3

Entr. Catalizador Solv. Temp.

(ºC)

Tiempo

(h)

Rend. 3

(%)a,b

E:Z Referencia

1 cTriton BTM DMSO Amb. 12 85b SD Ishikawa et al, 2003

2 dLDH Mg3Al-CO3 Tolueno 120 16 (84)a 71b >99:1 Yatabe et al, 2018

3 eCs2CO3/Al2O3 1,4-dioxano 90 20 (82)a SD Baba et al, 2000

Nota: aRendimientos por cromatografía de gases en paréntesis. bRendimientos aislados. cCondiciones de

reacción: 1 (5 mmol), 2 (6 mmol), catalizador (0.5 mmol). dCondiciones de reacción: 1 (0.6 mmol), 2 (0.5 mmol),

catalizador (130 mg). eCondiciones de reacción: 1 (10 mmol), 2 (65 mmol), catalizador (2.5 mmol/g-Al2O3).

SD: Sin dato. DMSO: Dimetil sulfóxido.

La formación de la especie nucleofílica está basada en la reacción de Favorskii, donde se

forma un alquinuro in situ por medio de la acción de una base fuerte como un hidróxido.

Debido a que este tipo de hidroacilación requiere el uso de alquinos terminales, se propone

utilizar como sustratos el fenilacetileno y el benzaldehído junto con hidróxidos doble laminares

(LDH) como materiales catalíticos con centros básicos de Bronsted (hidróxido metálico de la

capa catiónica y aniones como CO32- u OH- en la capa intermedia), aunque su basicidad no es

tan fuerte en comparación con las bases utilizadas en la reacción de Favorskii, son lo

suficientemente básicos para efectuar la desprotonación de los alquinos terminales. Además,

la nucleofilicidad y prototropía de los alquinos terminales evitaría la dificultad en el control de

la regioselectividad y la descarbonilación en las clásicas reacciones de hidroacilación por

adición oxidativa catalizadas por Rh, Ru, Ni o Co (Yatabe et al, 2018).

Con base en los referentes teóricos, el mecanismo por el cual podría darse la reacción entre

el fenilacetileno y el benzaldehído utilizando un catalizador tipo LDH, comprendería

inicialmente la formación de una especie alquinuro que se encuentra estabilizada por la capa

del LDH cargada positivamente. La adición nucleofílica del alquinuro con el benzaldehído

forma el alcohol propargílico, en este paso radica la importancia del uso de alquinos

aromáticos, ya que la presencia del grupo fenil permite aumentar la acidez del protón

propargílico para su desprotonación y posterior formación de la chalcona (Ver Figura 67).

79

6.3.1.1. Catalizadores LDH propuestos

Como primera medida se sugiere aumentar la basicidad del catalizador LDH Ni3Al-CO3 y

del LDH Co3Al-CO3 al intercambiar sus iones en la capa interlaminar por medio de la

reconstrucción del material. Este proceso consiste en calcinar el material LDH para la

formación de un óxido mixto de cristales pequeños, el cual al ser expuesto a disoluciones

acuosas se reconstruye la estructura LDH pero generando nuevos sitios de base de Bronsted en

el espacio interlaminar con aniones hidroxilo, ofreciéndoles una mejora en la actividad

catalítica al ser más básicos que los iones carbonato (Crespo, 2003). Este planteamiento está

basado en el estudio realizado por Constantino & Pinnavaia (1995), donde evalúa la eficiencia

de los catalizadores sólidos LDH Mg2.49Al-OH, LDH Mg2.34Al-CO3 y LDH Mg2.24Al-Cl en la

catálisis básica para la reacción de desproporcionación del 2-metil-3-butin-2-ol (MBOH),

indicando que el LDH con iones OH- en su capa intermedia muestran mayor actividad catalítica

que el LDH con iones carbonato.

Por otro lado, se puede evaluar el uso de catalizadores hidróxido doble laminares con metales

divalentes que les proporcionen mejor basicidad, tales como: LDH Ca-Al-CO3 y LDH Mg-Fe-

CO3 sin calcinar y al rehidratarlos después de la calcinación. Es posible realizar cambios al

estudio realizado por Yatabe et al (2018) para evaluar la posibilidad de un aumento en el

rendimiento, realizando un intercambio de iones carbonato por OH- al LDH Mg3Al-CO3 en la

capa intermedia por medio del método de reconstrucción. Los autores solo realizaron el

intercambio con iones Cl- obteniendo bajos rendimientos. La relación molar entre los cationes

divalentes y trivalentes en los materiales LDH será de 3:1 (M2+:M3+), esto basado en los

resultados de actividad catalítica por Yatabe et al, (2018), a excepción del LDH Ca-Al que tiene

una relación 2:1 (Tabla 6).

Tabla 6 Consolidación de catalizadores sólidos LDH propuestos

LDH con aniones OH- en la capa interlaminar LDH con aniones CO32- en la capa interlaminar

LDH Ni3Al-OH LDH Ca2-Al-CO3

80

LDH Co3Al-OH LDH Mg3-Fe-CO3

LDH Mg3Al-OH

LDH Ca2Al-OH

LDH Mg3Fe-OH

6.3.1.2. Preparación y caracterización de catalizadores LDH

Todos los materiales catalíticos se caracterizan por medio de difracción de Rayos X, IR y

espectroscopia UV/VIS antes y después del ciclo catalítico para evaluar su estructura cristalina.

Ni3Al-OH y LDH Co3Al-OH

Inicialmente se lleva a cabo el procedimiento indicado en el apartado 6.2.3 para la

preparación del LDH Ni3Al-CO3 y LDH Co3Al-OH, posteriormente se llevan a calcinación por

5 h a 500 ºC obteniendo por separado los óxidos mixtos. Por último, se realiza la

reestructuración de la capa intermedia y la incorporación de iones OH- al suspender cada óxido

mixto formado en 200 mL de agua descarbonatada y agitar por 3 días a temperatura ambiente

bajo atmosfera de N2. Cada material se centrifuga y se seca por 18 h a 120ºC bajo atmosfera de

N2.

LDH Mg3Al-OH

Se prepara con base en lo establecido por Yatabe et al, 2018. Una solución 1 con 0.048

moles de MgCl2.6H2O y 0.016 mol de AlCl3.6H2O en 60 ml de agua destilada se adiciona con

agitación constante y gota a gota por 2 horas a una solución 2 que contiene 0.2 mol de NaOH

y 0.02 mol de Na2CO3 en 100 ml de agua destilada. El gel formado se coloca en un baño de

aceite por 24 h a 60ºC. Posteriormente se realiza lavados con agua destilada hasta pH 8. El

producto se seca por 18 h a 120ºC, se macera en un mortero para ser enviado en su totalidad a

calcinación a 500°C por 5 h para la obtención del óxido mixto. Para la incorporación de los

iones OH- se sigue el procedimiento anterior.

LDH Ca2-Al-CO3 y LDH Ca2-Al-OH

81

Se prepara según lo establecido por Tóth et al, 2014. Se disuelven 0.03 mol de CaCl2 anhidro

y 0.015 mol de AlCl3.6H2O en 60 ml de agua, esta solución de sales es adicionada con agitación

constante y gota a gota en un ritmo de 5 mL/min a una solución que contiene 0.1 mol de NaOH

y 0.015 mol de Na2CO3 en 60 mL, el pH debe encontrarse en 10. El gel formado se lleva a un

baño de aceite a 110ºC por 10 h. El pH se lleva a 8 por medio de lavados con agua y se seca al

horno a 60ºC por 12 h, se macera en un mortero para ser enviado en su totalidad a calcinación

a 500°C por 5 h para la obtención del óxido mixto (mayenita). Para la incorporación de los

iones OH- se sigue los procedimientos anteriores.

LDH Mg3-Fe-CO3 y LDH Mg3-Fe-OH

El procedimiento se basa en la síntesis de Elmoubarki et al, 2017. Una solución 1 con 0.048

mol de Mg(NO3)2.6H2O y 0.016 mol de FeCl3.6H2O en 64 ml de agua destilada, se adiciona a

una solución 2 con 0.2 moles de NaOH y 0.02 mol de Na2CO3 en 100 ml. Posteriormente se

realizan lavados con agua destilada hasta pH 8, el producto se seca por 18 h a 120ºC y se macera

en un mortero. Una parte del producto es enviado en a calcinación a 500°C por 5 h para la

obtención del óxido mixto, el cual se someterá a rehidratación para la incorporación de los iones

OH- como se indica en los anteriores procedimientos.

6.3.1.3. Evaluación de las condiciones para la reacción

Se propone efectuar la reacción a temperaturas entre los 90 y 120 ºC por un tiempo

comprendido entre 16 a 20 h en atmósfera inerte (Ar o N2). Para mejorar las condiciones de la

reacción y proporcionar selectividad por el producto, se requiere el uso de solventes con baja

polaridad como CPME (metoxiciclopentano), PhCF3, tolueno y evaluarlos en la reacción junto con

las condiciones libre de solvente. El uso de solventes polares próticos (alcoholes) y apróticos

(DMF y THF) disminuye la selectividad de la reacción ya que se da la formación de subproductos

provenientes de la deshidrogenación del alcohol o formación del alcohol propargílico en el caso

del DMF y THF, aunque se reporta el uso de 1,4-dioxano sin la formación de subproductos (Baba

et al, 2000).

82

En cuanto a los reactivos, autores como Baba et al, 2000 y Miura et al, 2010 observaron

mejores rendimientos al utilizar en exceso el fenilacetileno, por lo cual se propone usar como

sustratos 1.5 mmol de fenilacetileno y 1.0 mmol de benzaldehído. La cantidad de catalizador a

utilizar se debe evaluar desde cantidades de 30 mg a 150 mg, ya que para establecer relación

estequiométrica del catalizador para conocer su fórmula se requiere el uso de espectroscopía de

Plasma ICP-OES. La reacción se efectúa mediante el protocolo one-pot en atmósfera inerte y al

concluir la reacción el catalizador se recupera por medio de centrifugación y lavados con acetona.

6.3.1.4. Análisis requeridos para la evaluación de la efectividad del catalizador

Los análisis de cromatografía de gases (CG) y cromatografía en capa fina (TLC – Sistema

Hex/AcOEt 9:0.5) permiten el seguimiento de la reacción desde el inicio al final de ésta,

permitiendo establecer si existe conversión de los reactivos junto con formación de productos. Con

base en el estudio realizado por Yatabe et al (2018), el uso de otras técnicas en ciertas condiciones

de la reacción también permite esclarecer las razones por las cuales se da o no la formación del

producto por medio de hidroacilación con adición nucleofílica, por lo cual se proponen las

siguientes condiciones a evaluar:

Interacción del LDH con el fenilacetileno: Para determinar si existe interacción entre el

fenilacetileno y el catalizador LDH para la formación del alquinuro, se efectúa la

reacción de 100 mg de cada LDH y 1.5 mmol de fenilacetileno en las condiciones

optimizadas por 4 h, posteriormente se separa el catalizador por centrifugación y se deja

secar a temperatura ambiente. Se debe observar cambios en la coloración del catalizador

y analizar sus espectros de Rayos X, IR y UV/VIS, TLC y cromatografía de gases antes

y después de la reacción. También es de gran ayuda realizar comparaciones con el

espectro IR y UV/VIS del fenilacetileno y de una especie alquinuro sintetizada, la cual

puede ser el fenilacetiluro de sodio formado a partir de la reacción entre el fenilacetileno

y una base fuerte como NaNH2 o NaH. Otra forma de identificar la existencia del ión

alquinuro interaccionando con el catalizador separado anteriormente, consiste en

redisolverlo en agua, etanol o HCl diluido para la formación del fenilacetileno por

protonación del alquinuro.

83

Interacción del LDH con el benzaldehído: Para determinar la interacción ácido-base del

LDH con los reactivos se propone realizar la reacción del fenilacetileno y benzaldehído

en las condiciones optimizadas pero utilizando un catalizador LDH-OH deuterado

obtenido en la etapa de reconstrucción de su estructura en agua deuterada

descarbonatada. Los compuestos presentes se separan por medio de cromatografía en

columna con sílica gel Hex/AcOEt 9:1 y se analizan por 1H RMN.

Reacción con benzaldehído deuterado: Para determinar la interacción del hidrogeno del

benzaldehído, se efectúa la reacción de d-benzaldehído con fenilacetileno en las

condiciones optimizadas. Los compuestos presentes se separan por medio de

cromatografía en columna con sílica gel Hex/AcOEt 9:1 y se analizan por 1H RMN.

Reacción con fenilacetileno deuterado: Para determinar la interacción del hidrogeno del

fenilacetileno, se efectúa la reacción de d-fenilacetileno con benzaldehído en las

condiciones optimizadas. Los compuestos presentes se separan por medio de

cromatografía en columna con sílica gel Hex/AcOEt 9:1 y se analizan por 1H RMN.

Todos los productos obtenidos se purifican por cromatografía en columna con sílica gel

Hex/AcOEt 9:1 y se analizan por IR y 1H RMN.

6.3.2. Hidroacilación por adición oxidativa

Este proceso de hidroacilación con alquinos y aldehídos, involucra el uso de metales de

transición (Ni0, RhI, Ru0, RuII, CoI, IrI, InIII) que se oxidan para formar especies intermedias

complejas de hidruro metal-acilo o hidruro metal-alquenilo. El mecanismo por el cual ocurre esta

reacción permite utilizar no solamente alquinos terminales, sino alquinos internos simétricos y

asimétricos, pero se ha reportado que requieren el uso de ligandos y/o aldehídos β-sustituidos para

superar los problemas de regioselectividad y descarbonilación de los intermediarios,

principalmente en las reacciones donde se utiliza rodio. En la revisión bibliográfica se encontró un

solo estudio en el que se utilizó un material sólido de soporte para Ru (Ru/CeO2) en la

hidroacilación por adición oxidativa, aunque el catalizador se podía reutilizar al menos tres veces

sin pérdidas significativas en el rendimiento, la reacción no era completamente heterogénea ya que

hay una contribución significante a la catálisis por especies de rutenio que se solubilizan (Miura

84

et al, 2013) (Entrada 1, Tabla 8). Los demás reportes se realizaron bajo catálisis homogénea con

complejos de los metales.

La hidroacilación con alquinos terminales se ha reportado con los metales de Co y Rh, con los

cuales se obtiene rendimientos medios a altos con alta estereoselectividad por el E-isómero,

aunque en algunos casos se obtenga también la cetona α,β-insaturada ramificada (Entradas 8, 9 y

10, Tabla 7). El sistema de Ni(0) en catálisis homogénea de alquinos terminales no permitió la

formación del producto.

Tabla 7 Recopilación de reacciones de hidroacilación por adición oxidativa de alquinos terminales

Mmol Cat. Ligando Solv. T ªC T h Isom. E:Z Rend. %a Ref

Alquin. Aldeh

1 1.5 Ni(COD)2 P(n-C8H17)3 THF 135 20 - - SP Tsuda et al, 1990

0.2 0.22 CoBr2 dppp DCM 40 18 Dias 98:2 56 Cheng et al., 2015

0.26 0.13 Rh(dppe)ClO4 dppe Acetona 55 1-16 NA 100 69-95 Willis et al, 2006

1.2 1 [Rh(nbd)]2BF4 dcpe Acetona 55 1 NA 100 71-94 Coxon et al, 2017

2 1 Rh(dppe)ClO4 dppe DCE 70 2 NA 100 65-91 Parsons et al,

2010

1.5 1 [Rh(nbd)2]BF4 dcpm Acetona 55 0.5 NA 100 74-99 Castaing et al,

2013

1.5 1 Rh(C6H5F)(R2PC

H2PR’2)][BArF4]

- DCE 80 0.25-

3

NA 100 83-95 Chaplin et al,

2012

4 2 [Rh(µ-Cl)(cod)]2 PCy3 Tolueno 80 2-12 MR-LR SD 40 Rueda &

Castillón, 2014

2 2 [RhCl(cod)]2 dppf Benceno Refl 2 MR-LR

34-83:

17-66 l.r

SD 75-99 Kokubo et al,

1997

2 1 RhCl(PPh3)3 2-amino-3-

metil-

picolina

Tolueno 80 12 MR-LR SD 63-74 Jun et al, 2002

2 1 [RhCl(cod)]2 DPEphos Acetona 55 2-16 NA 100 82-97 Moxham et al,

2008

1 1 In(OTf)3 NA 1-butanol 100 2 Dias 98:2 58-88 Miura et al, 2010

Notas: a) Rendimientos de productos aislados. Isom: Isómeros. Dias: Diastereoisómeros. MR-LR: Mezcla de isómeros lineales y ramificados

(l.r). NA: No aplica. SP: Sin producto

Los reportes de hidroacilación de alquinos internos simétricos indicaron altos valores de

estereoselectividad y regioselectividad por el E-isómero con rendimientos medios a altos, aunque

a excepción del trabajo realizado por Miura et al (2013), el sistema catalítico es homogéneo en

85

todos los casos (Tabla 8). La hidroacilación con alquinos internos asimétricos presenta

inconvenientes de regioselectividad, ya que la reacción se ve influenciada por el efecto estérico de

cada uno de los sustituyentes provenientes del alquino. La catálisis con Ni(0) es la que más

presenta variaciones en las mezclas de los regioisómeros obtenidos (Entrada. 4, Tabla 8).

Tabla 8 Recopilación de reacciones de hidroacilación por adición oxidativa de alquinos internos simétricos

Mmol Cat. Ligando Solv. T ªC T h Isom. E:Z Rend.

%a

Ref

Alquin Aldeh

1.5 0.5 Ru/CeO2 Xantphos DMA 150 3-12 Dias 54-99:

1-46

43-86 Miura et al, 2013

0.45 0.3 Ru(O2CCF3)2(C

O)-(PPh3)2

- THF 110 30 Dias 95:5 69-85 Williams et al,

2009

1 1.5 Ni(COD)2 P(n-C8H17)3 THF 100-150 20 Dias 79-95:

5-21

51-68 Tsuda et al, 1990

2 0.5 IrCl(cod)2 P(n-oct)3 Tolueno 120 15 Dias 9-84:

16-91

66-84 Hatanaka et al.,

2010

0.3 0.15 Rh(dppe)ClO4 dppe Acetona 55 16 NA 100 75-83 Willis et al, 2006

1.2 1 [Rh(nbd)]2BF4 DPEphos Acetona 55 1 NA 100 75-88 Coxon et al, 2017

1.5 1 [Rh(nbd)2]BF4 dcpm Acetona 55 2 NA 100 78 Castaing et al,

2013

2 2 [RhCl(cod)]2 dppf Benceno Refl 0.5-7 NA 100 94-99 Kokubo et al,

1997

Notas: a) Rendimientos de productos aislados. Isom: Isómeros. Dias: Diastereoisómeros. No aplica.

Tabla 9 Recopilación de reacciones de hidroacilación por adición oxidativa de alquinos internos asimétricos

Mmol Cat. Ligando Solv. T ªC T h Isom. E:Z Rend.

%a

Ref

Alquin. Aldeh.

1.5 0.5 Ru/CeO2 Xantphos DMA 150 5 Días 99:1 93 Miura et

al, 2013

0.6 0.2 RuHCl(CO)(PPh3)3 Josiphos L1 Tolueno 80 18 MRS*

20:1 rr

SD 40-87 Chen et al,

2015

0.45 0.3 Ru(O2CCF3)2(CO)-

(PPh3)2

- THF 110 30 Días 95:5 65 Williams

et al, 2009

1 1.5 Ni(COD)2 P(n-C8H17)3 THF 135-150 20 MRS

29-96:4-71

rr

44-90:

10-56

47-54 Tsuda et

al, 1990

0.2 0.22 CoBr2 dppp DCM 40 18 NA 100 66-84 Cheng et

al., 2015

2 1 [RhCl(cod)]2 DPEphos Acetona 55 16-24 NA 100 73-81 Moxham

et al, 2008

1.2 1 [Rh(nbd)]2BF4 DPEphos Acetona 55 1 MRS

4-20:1 rr

SD 44-73 Coxon et

al, 2017

86

0.3 0.15 Rh(dppe)ClO4 dppe Acetona 55 16 NA 100 66 Willis et

al, 2006

1 1 In(OTf)3 NA 1-butanol 100 2 Días 92-96:

4-8

88-98 Miura et

al, 2010

Notas: a) Rendimientos de productos aislados. Isom: Isómeros. Dias: Diastereoisómeros. MRS*:Mezcla de regioisómeros y de cetona β-γ-

insaturada. MRS: Mezcla de regioisómeros donde los sustituyentes provenientes del alquino se intercambian, rr: regioisómero ratio.NA: No aplica..

Debido a que solo se ha realizado un reporte experimental de catálisis con Ni(0), se puede

explorar la posibilidad de utilizar materiales como los LDH y MCM-41 con níquel reducido a su

forma metálica para ofrecer estabilidad a la especie metal-acilo en la formación de la cetona α-β-

insaturada y disminuir problemas de regioselectividad. Además, el material MCM-41

funcionalizado con complejos de Rh(I) permitiría llevar a cabo una catálisis heterogénea con este

metal sin necesidad de recurrir a ligandos para estabilizar las especies intermediarias. Con base en

lo anterior, se propone el uso de cuatro diferentes catalizadores heterogéneos para ser utilizados

en reacciones con alquinos terminales e internos (simétricos y asimétricos): óxido mixto Ni-Al con

nanopartículas de Ni, LDH Ni3-Al con nanopartículas de níquel, MCM-41 funcionalizado con

Rodio (I) y MCM-41 con nanopartículas de níquel.

6.3.2.1. Condiciones de reacción

Los tres sistemas se pueden evaluar con una gran variedad de alquinos terminales e internos

junto con aldehídos, dentro de los cuales también es importante utilizar sus derivados β-sustituidos

como el 2-aminobenzaldehído y el salicilaldehído para explorar su potencial como sustratos que

permiten la formación de heterociclos como dihidro-4-quinolonas y 4-cromanonas

respectivamente. Se propone efectuar la reacción con una relación de reactivos 1.5/1 equivalentes

alquino/aldehído a temperaturas entre los 55 y 120 ºC por un tiempo comprendido entre 4 a 20 h

en atmósfera inerte (Ar o N2).

La cantidad de los catalizadores LDH y MCM-41 a utilizar se debe evaluar desde cantidades

de 30 mg a 150 mg, ya que para el caso del LDH establecer relación estequiométrica del catalizador

para conocer su fórmula se requiere el uso de análisis de espectroscopía de Plasma ICP-OES. La

reacción de obtención de la cetona α,β-insaturada se efectúa mediante el protocolo one-pot en

atmósfera inerte y al concluir el catalizador se recupera por medio de centrifugación y lavados con

87

acetona. En la reacción se puede evaluar el uso de solventes apolares como tolueno, DCM, DCE

y benceno, y de solventes polares apróticos como DMA, THF y acetona. Se debe evitar el uso de

solventes polares próticos como alcoholes y de hidrocarburos de bajo peso molecular, ya que se

puede generar competencia por los sitios activos de níquel para propiciar su conversión en

hidrógeno. En el caso del agua como solvente, tampoco es recomendada debido a que el catalizador

de níquel podría generar la formación de especies OH- que pueden migrar hacía las partículas del

metal (Mas et al, 2008).

Las cetonas α,β-insaturadas purificadas obtenidas a partir de sustratos como aldehídos β-

aminosustituidos sirven como reactivo para posteriores reacciones que permitan la formación de

heterociclos como dihidro-4-quinolonas (Castaing et al, 2013), mientras que para las reacciones

con sustratos como el salicilaldehído se puede utilizar un proceso one-pot para la formación del

heterociclo como la 4-cromanona 2,3-sustituida involucrando la reacción tándem de hidroacilación

seguida con adición oxo-Michael (Stanley et al, 2015).

6.3.2.2. Catalizador LDH y óxido mixto con nanopartículas de Níquel.

Las nanoparticulas (NPs) metálicas soportadas en materiales son de gran uso en catálisis

heterogénea debido a su alta estabilidad y la posibilidad de reutilizar el catalizador. Los LDH

ofrecen múltiples ventajas como precursores de materiales soporte de NPs debido a la dispersión

uniforme de los cationes metálicos dentro las capas de tipo brucita. Después de la calcinación del

LDH y su posterior reducción, se pueden obtener óxidos mixtos (OM) con NPs metálicas altamente

dispersas y estables. Las fuertes interacciones de los óxidos metálicos en el OM, además de la

interacción entre las NPs metálicas y los óxidos del metal pueden prevenir la agregación de estas

durante la reacción (Fan et al, 2014) y por ende las incrusta fuertemente de modo que no sean

fácilmente extraídas, manteniendo la estabilidad de la estructura para reutilizar el catalizador

(Olafsen et al, 2006). También es posible obtener las NPs a partir de la reducción de los LDH sin

calcinar requiriendo menos temperatura para llegar al punto de máximo de consumo de hidrógeno,

mayor dispersión de la NPs y mayor área superficial en comparación con el óxido mixto, este

último es más difícil de reducir que los LDH sin calcinar debido a que los iones no reducibles de

Ni2+ migran hacía la fase amorfa rica en Al3+ del óxido (Mas et al, 2008).

88

Las técnicas de reducción de níquel soportado en materiales sólidos catalíticos incluyen

tratamientos con H2 o con una mezcla de H2-N2, a temperaturas entre 600-650 °C, ya que

dependiendo del tipo de soporte el níquel se reduce a temperaturas entre los 430 y 580 °C, por

último, se enfría a temperatura ambiente bajo atmosfera de nitrógeno. Se debe tener en cuenta que

también existirá la presencia de las especies no reducidas en el material soporte después de la

reducción. Factores como la temperatura de calcinación influyen, por ejemplo, temperaturas por

encima de 500°C afectan la posterior reducción con hidrógeno (Tsyganok et al, 2003). Cuando se

utiliza el óxido mixto Mg-Ni-Al se obtienen tamaños de nanopartículas de Ni0 de 15 ±5 nm

(Olafsen et al, 2005) (Tsyganok et al, 2003) y cuando se utilizan óxidos mixtos de Ni-Al con

relación 3:1 el tamaño de las partículas es de aproximadamente 11 nm, mientras que al reducir

directamente el LDH Ni-Al se obtienen nanopartículas de níquel de tamaño de 5 nm (Mas et al,

2008).

Se propone utilizar nanopartículas de níquel soportadas en el LDH Ni-Al y en el óxido mixto

Ni-Al, el uso de Ni0 solo ha sido propuesto una vez por Tsuda et al (1990) pero en catálisis

homogénea con complejos de níquel. Es posible que el uso de estos materiales sólidos permita

disminuir el proceso de descarbonilación al presentar interacciones con los sustratos, por ejemplo,

la carga parcial positiva del carbono del grupo carbonilo en el aldehído puede interaccionar con

los sitios básicos en la superficie del LDH o con los sitios pares básicos-ácidos de Lewis en el caso

de los óxidos mixtos (Mameda et al, 2016).

Preparación y caracterización de los catalizadores con nanopartículas de níquel.

Se preparan los dos catalizadores basándose en el procedimiento establecido en la sección

6.2.3, el primer catalizador es el LDH Ni3Al-CO3 sin calcinar y el segundo es su óxido mixto Ni-

Al. Ambos sólidos se llevan a un proceso de reducción por medio de flujo de H2 a 650 °C por 2 h

(Mas et al, 2008). Los sólidos se caracterizan por medio de espectroscopía IR, Rayos X y UV/VIS.

Para obtener el contenido porcentual de los metales en los catalizadores se realiza Espectroscopía

de Plasma ICP-OES.

6.3.2.3. Catalizadores MCM-41

89

El uso de materiales mesoporosos MCM-41 como soporte ha sido investigado debido a su gran

tamaño de poro y su alta área superficial. El tamaño de los poros permite el paso de moléculas

grandes como reactivos orgánicos y complejos metálicos a través de estos para llegar a la superficie

del canal (Chang et al, 2010). La funcionalización de los materiales MCM-41 con nanopartículas

metálicas o por la inmovilización de catalizadores de complejos metálicos regio y

enantioselectivos, puede contribuir a evitar lo procesos de descarbonilación ya que se da un anclaje

del sustrato al sitio activo en la superficie interna cóncava de los canales mesoporosos (Figura 76)

(Taguchi & Schuth, 2005). Otra ventaja importante de estos sistemas catalíticos heterogéneos es

la posibilidad de separar y reutilizar el material MCM-41 para usarlo en las siguientes síntesis

(Chang et al, 2010).

Figura 76. Representación del mesoporo del MCM-41 funcionalizado (Taguchi & Schuth, 2005, p.18)

La funcionalización de materiales MCM-41 para la hidroacilación por medio de catálisis con

rodio requiere el estado de oxidación (I), sin embargo, las especies de rodio con estados de

oxidación menores a RhIII no se encuentran en sales y solo son estables como complejos en

la presencia de ligandos. El complejo de Rh(I) más conocido es el catalizador de Wilkinson

RhCl(PPh3)3 (Iavicoli & Leso, 2015) y se utiliza en reacciones de hidroformilación,

hidrogenación de alquenos e hidroacilación de alquinos pero utilizando un sistema

catalítico homogéneo (Jun et al, 2002). La revisión de la bibliografía no revela artículos

donde se dope los materiales MCM-41 con Rh(I) debido que se requieren sales para la

impregnación, pero si se han reportado síntesis donde se funcionaliza el material MCM-41

por medio de la inmovilización de catalizadores complejos homogéneos de Rh(I) como

90

RhCl(PPh3)3, [Rh(COD)Cl]2, HRhCO(PPh3) y [RhCl(CO2)]2, formando así un sistema

catalítico heterogéneo que puede ser utilizado en la catálisis de la hidroacilación de

alquinos (Chang et al, 2010), (Ali et al, 2005), (Huang & Kawi, 2004), (Balcar et al, 2003)

y (Shyu et al, 1999). Estos materiales presentan una ventaja en comparación con los

soportes microporosos o macroporosos convencionales, ya que el tamaño de los poros

puede adaptarse exactamente a los requisitos de las especies ancladas (Taguchi & Schuth,

2005).

En cuanto a la funcionalización con nanopartículas, la incorporación de metales activos en su

forma metálica en el marco del tamiz molecular MCM-41 lo hace particularmente valioso para

aplicaciones catalíticas, además se pueden incorporar metales de transición como el níquel debido

a su bajo costo y su comparable rendimiento catalítico. Los rendimientos catalíticos de MCM-41

con nanopartículas de níquel se atribuye al efecto de anclaje de los sitios activos de Ni(0) por la

matriz de sílice periférica y/o en los canales mesoporosos. (Liu et al, 2009). Las nanopartículas de

Ni(0) se pueden obtener por medio de la reducción por H2 del material Ni-MCM-41, aunque se

espera que todo el óxido de níquel cerca de la superficie se reduzca a níquel metálico durante el

paso de reducción, se puede encontrar la presencia de una pequeña cantidad de níquel no reducido

(Yasyerli et al, 2011).

Los catalizadores propuestos para la hidroacilación de alquinos con aldehídos son: MCM-41

funcionalizado con catalizadores complejos de Rh(I) y MCM-41 con nanopartículas de níquel,

después de sintetizados se caracterizan por medio de Difracción de Rayos X, espectroscopia IR,

fisisorción y quimisorción.

Síntesis del catalizador MCM-41 funcionalizado con complejos de Rh(I)

El método se basa en el estudio reportado por Chang et al, 2010, donde la funcionalización se

realiza por medio de una serie de pasos que involucran 1) la fosfinatación producida por la

condensación entre (OEt)3Si(CH2)3PPh2 y los grupos Si-OH del MCM-41 sintetizado inicialmente

para obtener el MCM-41-P y posteriormente 2) la inmovilización del catalizador de Rh(I) en el

MCM-41-P para la obtención del MCM-41-Rh. El catalizador resultante tiene la ventaja de

91

mantener intacta su actividad catalítica después de 20 ciclos de recuperación y la lixiviación de Rh

es limitada.

Síntesis de MCM-41

Se añade lentamente una solución de 5.10 ml (5.18 g, 0.014 mol, 25% p/p de solución acuosa)

de hidróxido de tetrametilamonio en una solución de bromuro de cetiltrimetilamonio (7.38 g, 0.02

mol) en 50.0 ml de agua desionizada en un reactor de teflón a temperatura ambiente. Después de

agitar la mezcla durante 30 minutos, se obtiene una solución clara, luego se añade lentamente sílica

(dióxido de silicio amorfo, SiO2) (4.50 g, 0.075 mol) a la solución anterior. Después de agitar la

mezcla durante 2 h, se deja reposar durante 24 h. Posteriormente la mezcla se calienta a 150 ºC

durante 48 h. La suspensión se lava con agua desionizada y se seca en un horno a 60 ºC. El polvo

blanco resultante se calcina a 550 ºC bajo aire.

Síntesis de MCM-41-P

Inicialmente el MCM-41 se trata con agua a temperatura de reflujo por 4 h para maximizar el

número de grupos silanol en el material. Se remueve el agua por filtración y el MCM-41 se seca

en un horno a 60 ºC toda la noche para remover el agua de la superficie. Posteriormente 1.0 g del

material se adiciona a un matraz de fondo redondo junto con 30.0 ml de benceno destilado y 1.0

ml (1.0 g, 2.4 mmol) de (OEt)3Si(CH2)3PPh2 y calienta a reflujo por 4 h bajo atmósfera de N2. El

azeótropo etanol/benceno (10,.0 ml) se elimina por destilación durante la reacción. La mezcla se

enfría a temperatura ambiente y se añaden 10.0 ml adicionales de benceno. La mezcla se calienta

nuevamente a reflujo durante otras 4 horas y se retiran otros 10 ml de azeótropo. El procedimiento

anterior se repite cuatro veces. Se eliminan en total 50.0 ml de azeótropo. La mezcla se filtra, se

lava con CHCl3 y se seca a temperatura ambiente.

Síntesis de MCM-Rh

Se añade una solución de Rh(PPh3)3Cl (128.8 mg) en 10 ml de tolueno sobre 0.5 g de MCM-

41-P bajo nitrógeno a temperatura ambiente. La mezcla se agita durante una semana y luego se

filtra. El polvo amarillo resultante se lava primero con tolueno y luego con CHCl3 hasta que el

filtrado sea incoloro.

92

Síntesis del catalizador MCM-41 con nanopartículas de níquel

El método de síntesis se basó en lo propuesto por Yasyerli et al, (2011) donde el bromuro de

hexadeciltrimetilamonio (CTMBABr) y el nitrato de níquel hexahidratado fueron usados como

surfactante y fuente del metal respectivamente para obtener una relación molar de Ni/Si de

aproximadamente 0.2 por medio de una síntesis one-pot.

Una solución de silicato de sodio (27 p% SiO2, 8 p% Na2O) se adiciona a la solución de

surfactante gota a gota y después el nitrato de níquel se adiciona a la solución anterior. Esta mezcla

se agita continuamente durante los pasos de preparación. El pH de la solución se ajustado a 11.

Posteriormente se lleva a cabo la síntesis hidrotermal a 120 ºC por 96 h en una autoclave de acero

inoxidable con revestimiento de teflón. El producto se filtra, se lava con agua desionizada, se seca

por 24 h y se calcina a 600 ºC por 6 h. Por último, el níquel en el catalizador se reduce en un flujo

de H2 a 550ºC por 3 horas, para que el óxido de níquel principalmente cerca de la superficie y en

los poros sea reducido a Ni(0).

7. CONCLUSIONES

La revisión sistemática de la literatura permitió identificar que los sistemas catalíticos utilizados

en la reacción de hidroacilación de alquinos con aldehídos, consisten en complejos de metales de

transición como el Rh, Ni, Ru, In e Ir, sales de Au y Cu, además de catalizadores libres de metales

de transición como líquidos iónicos, óxido de grafito, zeolitas, hidróxidos dobles laminares (LDH),

Cs2CO3/Al2O3 y sales de amonio cuaternarias. La reacción permite obtener cetonas α,β-insaturadas

por medio de mecanismos de reacción como adición oxidativa, hidrólisis/arreglo de Claisen

Schmidt, acoplamiento A3 y adición nucleofílica. El mecanismo de reacción dedepende de la

naturaleza del catalizador utilizado y las condiciones de reacción. Las cetonas α,β-insaturadas

obtenidas a partir de alquinos internos contienen α,β-disustituciones que no se obtienen por los

métodos tradicionales como la reacción de Claisen-Schmidt y sirven como sustratos potenciales

para la formación de compuestos heterocíclicos.

93

La revisión sistemática de las propiedades de los materiales catalíticos LDH y MCM-41

permitió identificar que presentan una gran flexibilidad para la incorporación de características

diferentes con el fin adaptarlos a muchos tipos de reacciones que requieren catálisis. Se pueden

cambiar las propiedades básicas de los materiales LDH cambiando los aniones del espacio

interlaminar o utilizando una gran variedad de cationes metálicas divalentes y trivalentes en su

estructura de tipo brucita. Los materiales MCM-41 pueden ser funcionalizados al incorporar

difernetes metales o grupos orgánicos en sus poros y superficie externa.

Se sintetizaron exitosamente los materiales LDH Ni-Al y LDH Co-Al por medio del método de

coprecipitación. Los análisis de Rayos X y espectroscopia IR mostraron la formación de la

estructura tipo hidrotalcita con alto grado de cristalinidad y el completo intercambio iónico de los

iones nitrato por iones carbonato en el espacio interlaminar.

La reacción de hidroacilación entre fenilacetileno y benzaldehído fue evaluada en 10

símtesis utilizando los catalizadores LDH Ni-Al, óxido mixto Ni-Al y LDH Co-Al, presentando

resultados negativos en todos los casos al no formarse el producto. Los sistemas catalíticos no

funcionaron posiblemente a que los materiales no poseían la suficiente basicidad para iniciar el

mecanismo de adición nucleofílica.

La revisión sistemática de artículos y los resultados de la experimentación preliminar

permitieron identificar las características requeridas en los catalizadores para efectuar la reacción

de hidroacilación por medio de los mecanismos de adición nucleofílica y adición oxidativa. Razón

por la cual se propuso los siguientes cuatro diferentes catalizadores heterogéneos para ser

utilizados en reacciones con alquinos terminales e internos: Óxido mixto Ni-Al con Ni-NPs, LDH

Ni3-Al con Ni-NPs, MCM-41 funcionalizado con Rodio (I) y MCM-41 con Ni-NPs.

8. RECOMENDACIONES

Como recomendaciones se podría explorar más opciones para las modificaciones que se le

pueden realizar a los materiales LDH y MCM-41 para adaptarlos mejor a las condiciones

requeridas para la catálisis, por ejemplo, como en el LDH su actividad catalítica también

proviene del anión en la capa interlaminar, aprovechando la flexibilidad única del material

94

para expandir la distancia de dicha capa, se podría evaluar en estudios posteriores la

incorporación de aniones complejos de los metales de RuII y RhI creando un sistema

heterogéneo que pueda ser comparado con los mismos complejos utilizados en la catálisis

homogénea.

9. BIBLIOGRAFÍA

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10. ANEXOS

10.1. ANEXO 1. Condiciones de reacción y placas de TLC en las síntesis de la

experimentación preliminar

Tabla 10 Anexo 1: Síntesis LAB02.

Fecha: 22-01-19 al 23-01-19

Fenilacetileno 1 mmol Observaciones: Finalizado el tiempo de reacción se realizó TLC

con el sistema Hexano/AcOEt 8:2

(siembras: 1. Patrón de Chalcona;

Benzaldehído 1 mmol

Catalizador y

atmosfera

LDH Ni-Al

103

(100 mg). Atmosfera

ambiente

2. Mezcla de reacción; 3. Mezcla de reacción diluida).

Al revelar la placa en yodo, no se

evidenció la presencia de Chalcona ya que no se formó la coloración

característica de esta en la mezcla

de reacción. La sustancia que se evidencia en UV corresponde al

benzaldehído.

Se rotaevaporó la mezcla de

reacción para eliminar el solvente hasta quedar un aceite pero no se

evidenció precipitación de la

chalcona, incluso al adicionar etanol no se observó su separación,

por lo cual es posible que en estas

condiciones el catalizador no sea eficaz y solo se encuentre el

benzaldehído y fenilacetileno sin

reaccionar.

El catalizador LDH Ni-Al se

separó por medio de

centrifugación y se realizaron lavados con acetona.

Posteriormente se secó en el horno

por 18 horas para eliminar reactivos que puedan estar

presentes. El sólido fue

caracterizado por medio de IR y

Rayos X.

Solvente Tolueno 4ml

(p.eb 110.6ºC)

Temperatura

°C

100ºC

Tiempo (h)

16:30 h --

Rendimiento

(%)

Sin producto

Catalizador

recuperado

LRAB01

Tabla 11 Anexo 1: Síntesis LAB03, LAB04 y LAB05.

Fecha: 23-01-19 al 24-01-19

Fenilacetileno 1 mmol Observaciones: Se realizaron tres

síntesis en las cuales solamente varió la cantidad de catalizador añadida con el

fin de identificar formación del

producto en cada condición. Las


Catalizador y

atmosfera

LDH Ni-Al.

Atmosfera

ambiente.

1 2 3 1 2 3

104

LAB03: 25 mg

LAB04: 50

mg

LAB05: 75 mg

reacciones se dejaron en calentamiento por la noche.

Placa 1:

Sistema: Hex/AcOEt 9:1. siembras:

1. LAB03

2. LAB04 3. LAB05

4. Chalcona pura

En esta placa se evidencia que en las

tres reacciones aún no se forma el producto. Solamente se visualiza por

UV el benzaldehído que eluye un poco

más que la chalcona pura (siembra 4). Los productos que se encuentran a Rf

altos pueden provenir de la oxidación

del benzaldehído debido a que la reacción fue expuesta al aire.

Placa 2:

Sistema: Hex/AcOEt 9:1 Siembra:

1. LAB05

2. Chalcona pura 3. Fenilacetileno

4. Benzaldehído

Se realizó esta placa para confirmar los compuestos existentes en la mezcla de

reacción. Al revelarla en yodo, la

muestra de chalcona pura (siembra 2)

muestra un color naranja con una forma específica y el benzaldehído se

identifica por ser un círculo más claro

con un punto de menor tamaño en el centro. Esta forma de revelar los

compuestos permitió identificar que en

la mezcla de reacción se encontraba el

benzaldehído, el fenilacetileno y un subproducto secundario, pero no se

evidencia la formación de la chalcona

en estas condiciones.

Placa 1: UV

Placa 2: UV

Placa 3: yodo

Solvente Tolueno 4ml

(p.eb

110.6ºC)

Temperatura

°C

100ºC

Tiempo (h)

16:30 h

Rendimiento

(%)

Sin producto

Catalizador

recuperado

N/A No se recuperó el catalizador.

Tabla 12 Anexo 1: Síntesis LAB06, LAB07

Fecha: 24-01-19 al 25-01-19

1 2 3 4

1 2 3 4

1 2 3 4

105

Fenilacetileno 1.5 mmol Observaciones: se incrementó la cantidad de fenilacetileno para que

actúe como reactivo en exceso y

permitir en la mezcla que se dé la

reacción estequiométrica, con el fin de incrementar el rendimiento del

producto. Las dos reacciones se

realizaron en las mismas condiciones exceptuando que en LAB06 se utilizó

el catalizador LDH Ni-Al y para la

reacción LAB07 se utilizó el óxido

mixto.

Se realizó TLC con un sistema

Hex/AcOEt 9:1. Siembra:

1. LAB06

2. LAB07 3. Chalcona pura

4. Benzaldehído

La placa se visualizó por UV y se reveló por yodo. Al igual que en las

anteriores síntesis, no se evidenció la

formación de chalcona.

LAB06 LAB07


Catalizador y

atmosfera

LAB06:

LDH Ni-Al (100 mg)

Atmosfera

N2.

LAB07: Óxido mixto

Ni-Al (100

mg). Atmosfera

N2.

Solvente Tolueno 4ml (p.eb

110.6ºC)

Temperatura

°C

100ºC

Tiempo (h)

16:30 h

--

Rendimiento

(%)

Sin producto

Catalizador

recuperado

N/A No se recuperó el catalizador.

Tabla 13 Anexo 1: Síntesis LAB09, LAB10, LAB11 y LAB12

Fecha: 30-01-19 al 31-01-19

Fenilacetileno 1.5 mmol Observaciones: Con el fin de

favorecer la formación de la chalcona se varió los solventes

utilizados. Se realizaron dos placas

TLC:

Placa 1.

Sistema: Hex/AcOEt 9:0.8

Siembra: 1. LAB09 (Isopropanol)

2. LAB10 (Isopropanol)

3. LAB11 (Dioxano) 4. LAB12 (DMF)

5. Chalcona pura

6.Benzaldehído + Fenilacetileno


Catalizador y

atmosfera

LAB09,

LAB11,

LAB12: LDH Ni-Al (200

mg).

Atmosfera N2. LAB10: LDH

Co-Al (200

mg) Atmosfera N2.

Solvente LAB09 y

LAB10:

1 2 3 4

1 2 3 4

5

3

106

Isopropanol (4 ml)

LAB11: 1,4

Dioxano (4

ml) LAB12: DMF

(4ml)

Al revelar la placa en yodo no se evidenció la presencia de chalcona

en ninguna de las pruebas con

distintos solventes. En la siembra 3

donde se utilizó dioxano, se aprecia una una coloración de pequeño

tamaño.

Placa2.


Siembra:

1. LAB09 (Isopropanol) 2. LAB10 (Isopropanol)

3. LAB11 (Dioxano)

4. Chalcona pura 5.Benzaldehído + Fenilacetileno

Se realizó una segunda placa para

confirmar si había presencia de chalcona como producto de

reacción en las siembras 1, 2 y 3, y

se reveló con vainillina. Por medio

de esta placa se confirmó que no había chalcona como producto, ya

que esta revela en un color naranja

fuerte.

Placa 3.

Sistema: Hex/AcOEt 9:0.5 Siembra:

1. LAB11 (Dioxano)

2. LAB12 (DMF)


Por medio de esta placa también se

confirmó que no se generó la chalcona como producto a pesar de

que se variaron las condiciones con

los solventes.

Placa 4.


Siembra: 1. LAB09 (isopropanol)

2. LAB10 (isopropanol)


Para mejorar las condiciones de

reacción se escogió las reacciones

LAB09 y LAB10 para adicionar agentes reductores y ponerlas en

Placa 1: UV

Placa 1: Yodo

Placa 2: Vainillina

Placa 3: UV Placa 3:

vainillina

Placa 4: UV. Placa 4.

Vainillina

Temperatura

°C

75ºC

Tiempo (h)

20 h

--

Rendimiento

(%)

1 2 3 4 5

1 2 3 4 4

4 4

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4

1 2 3 4 1 2 3 4

107

calentamiento nuevamente por 16 horas. A la reacción LAB09 se le

adicionó 50 mg de Zn en polvo,

mientras que a la reacción LAB10

se le adicionó 50 mg de ascorbato de sodio. La placa revelada con

vainillina indica que aún se

encuentra en las mezclas de reacciones los reactivos iniciales,

principalmente benzaldehído, sin

presencia de chalcona. En la

reacción LAB09, donde se utilizó el solvente isopropanol, se formó un

subproducto.

Catalizador

recuperado

N/A No se recuperó.

REVISIÓN DE LA VIABILIDAD DEL USO DE MATERIALES SÓLIDOS...

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