complejos de mn(iii) con ligandos salen 5,5´ nitrosustituidos como catalizadores en la...
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1
COMPLEJOS DE Mn(III) CON LIGANDOS SALEN 5,5´-
NITROSUSTITUIDOS COMO CATALIZADORES EN LA
ELECTROOXIDACIÓN DEL R-(+)-LIMONENO
Omar Miguel Portilla Zúñiga
Maestría en Ciencias –Química
Popayán, Cauca
2013GIPEL
Grupo de Investigación en Procesos Electroquímicos
¿Cuál es la influencia de los sustituyentes sobre el ligando en complejos de manganeso quirales mediadores en la electroepoxidación selectiva de R-(+)-limoneno?
2
3
nuevas rutas sintéticas
La química debe respetar el medio ambiente!!!!!
4
Química Sostenible“Esfuerzo de los químicos para
desarrollar procesos y productos que prevengan la contaminación y que sean seguros para los seres humanos y el medio ambiente”
Residuos inocuos
Manufactura química
Productos y
materiales
Acciones de la Química Sostenible
???
Rothstein Gutiérrez E. y Roldán Villegas J. C., “Factibilidad del proyecto de extracción de aceites esenciales de la naranja en Antioquia}2, Revista Soluciones de Postgrado EIA, Número 5. p. 119-133. Medellín, marzo 2010
34%
24%
20%
17%3%
1%
Limoneno1-metil-4-(1-metiletenil)-ciclohexano
5
(R)-1-metil-4-(prop-1-en-2-il)ciclohex-1-eno(S)-1-metil-4-(prop-1-en-2-il)ciclohen-1-enol-limoneno d-limoneno
Sitios oxidables en la molécula de limoneno6
+ +
+
O
O
O
O
OHO
12
34
5
6
7
8
109
R-(+)-limoneno
monoepóxidos
diepóxidos
Carveol Carvona
Endocíclico Exocíclico
Productos oxigenados del limoneno
Cubillos J., Vásquez S., Montes de Correa C., “Salen manganese (III) complexes as catalysts for R-(+)-limonene oxidation”. Applied Catalysis A: General 373 (2010) pp. 57-65. 7
EPÓXIDOS
8
OR3
R2
R
R1
9
O
(+)-óxido de limoneno
1)Rearreglo de Yamamoto
2)oxidación
O
O
O
Om-CPBA
Hetero Diels-Alder
O
O
OH
OH
(+)-cimbodiacetal
Síntesis de (+)-Cimbodiacetal
Uroos M., Lewis W.,. Blake A. J, y Hayes C. J. ,”Total Synthesis of (+)-Cymbodiacetal: A Re-evaluation of the Biomimetic Route”, J. Org. Chem. 75, (2010), pp.8465–8470.
10
OO
+HNR1R2+ H2O
Reflujo
OH
H
NR1R2
Chrisman W., Camara J.N., Hasha D. L. y colaboradores, “A simple and convenient synthesis of β-amino alcohol chiral auxiliaries based on limonene oxide”, Tetrahedron Letters, 42, (2001), pp.5805–5807
Síntesis de β-aminoalcoholes a partir de cis-1,2-óxido de limonenoO
+
11
H
O
+ (CH3CH2)2ZnCH2CH3
H
OH
tolueno0°C
NR1R2
HOH
Chrisman W., Camara J.N., Hasha D. L. y colaboradores, “A simple and convenient synthesis of β-amino alcohol chiral auxiliaries based on limonene oxide”, Tetrahedron Letters, 42, (2001), pp. 5805–5807
1
Exp. β-amino alcohol %
1% ee
1 (1S,2S,4R)-1-metil-4-(1-metiletenil)-2-(4-morfolinil)ciclohexanol 98 78
2 (1S,2S,4R)-1-metil-4-(1-metiletenil)-2-(4-pirrolidinil)ciclohexanol 80 85
3 (1S,2S,4R)-1-metil-4-(1-metiletenil)-2-(4-piperidinil)ciclohexanol 80 82
4 (1S,2S,4R)-1-metil-4-(1-metiletenil)-2-(4-metiletenil)ciclohexanol 80 85
Forma R
12
m-CPBA
O
O3
O
O
O
PPh3 I
n-BuLi
OO
cis/ trans -Bisaboleno epóxido
Brézot P., Malosse C., Mori K., Renou M., “Bisabolene epoxides in sex pheromone innezara viridula (L.) (Heteroptera: Pentatomidae): Role of cis isomer and relation to specificity of pheromone”, 20, (1994), pp 3133-3147.
Síntesis de α-bisaboleno Innezara viridula
Daños al cultivo de Soja
11Gamundi J.C., Sosa M.A., “Caracterización de los daños de los Chinches en soja y criterios para la toma de decisiones de manejo”. E_n: Trumper E.V. & EDELSTEIN J.D., “Chinches fitófagas en soja. Revisión y avances en el estudio de su ecología y manejo, ediciones INTA. (2007)
+ +
+
O
O
O
O
OHO
12
34
5
6
7
8
109
R-(+)-limoneno
monoepóxidos
diepóxidos
Carveol Carvona
Endocíclico Exocíclico
Productos oxigenados del limoneno
Cubillos J., Vásquez S., Montes de Correa C., “Salen manganese (III) complexes as catalysts for R-(+)-limonene oxidation”. Applied Catalysis A: General, 373, (2010), pp. 57-65. 14
Quimioselectiva
Diasteroselectiva
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MÉTODOS TRADICIONALES
CH3
CH3
CH3
CH3
OMCPBA
C
C
H
H
R1
R2
Cl
O
OO
HHR1
HR2
OCl
O
OH+
CH3
O
CH3
O
CH3
+MCPBA
MayoritarioMinoritario
EPOXIDACIÓN: Exceso enantiomérico
SHARPLESS
H
(E)
R2
H
R4
H
R2 H
R4
O
H
R2 H
O
R4
K. B. Sharpless, T. Katsuki, “The First Practical Method for Asymmetric Epoxidation”, J. Am. Chem. Soc., 102, (1980), pp.5974.
%R=70-90%
%ee= 90%
16
(-)-(S,S)-tartrato de dietilo
Ti(OiPr)4tBuOOH
Ti(OiPr)4tBuOOH
(+)-(R,R)-tartrato de dietilo
EPOXIDACIÓN: Exceso enantiomérico
Jacobsen - Katsuki
Jacobsen, E. N. y colaboradores, “Low Temperature Asymmetric Epoxidation of Unfunctionalized Olefins catalyzed by (Salen)Mn(III) Complexes”. Tetrahedron Lett., 36, (1995), pp. 5457
HC CHN N
H H
O OMn
Cl
17
HC CHN N
H H
O OMn
Cl
Oxidante
O
Los catalizadores del tipo Jacobsen [Mn(III)SALEN]Cl han sido ampliamente usados como agente epoxidante dado que:Las principales desventajas pueden enmarcarse dentro de:
18
19
Ventajas de la Electrosíntesis:
• Reducción de costos.
• Obtención de compuestos con mayor pureza.
• Disminución en el número de pasos de purificación de los productos.
• Disminución del volumen de Residuos
AGENTES OXIDANTES
20
CH3
CH3
O
OO
H
SO3K+
CH3
CH3
OH
O
O
SO3K
OH2
CH3
CH3
OH
O
O
SO3K
OH-/H2
pH=8.0 - 8.5
CH3
CH3
O-
O
O
SO3K
CH3
CH3
O-
O
O
SO3K
CH3
CH3
O
OOH
SO3K+
DMD
NaClO
N+
CH3
CH3
CH3
CH3
Br-
LiClO4Et4NClO4
Bu4NClO4
Ánodo y cátodo: Pt, C (grafito).1
Electrolito: 2
Solvente: Metanol, Acetonitrilo, Diclorometano, THF.
4Regulador de Poder3
21
1 1
2
Oxidación por métodos electroquímicosCelda de Síntesis
Potenciostático
Galvanostático
Líquidos iónicos
NNB
F
F
F
F
ANODO
TIPOS DE ELECTROSÍNTESIS
DIRECTAS INDIRECTAS
ANODO
R4
R3R1
R2O
R4
R3R1
R2
Cl-
ClO-
R4
R3R1
R2
R4
R3R1
R2O
EBERHARD STECKHAN, “Electrochemistry, 3. Organic Electrochemistry”, ULLMANN´S Encyclopedia of industrial chemistry. 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
22
TRANPORTADOR DE ELECTRONES
Mred/Mox
Xn-/Xn+CATODO
CATODO
HALUROS COMO TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
Torii S. , “Indirect Electrochemical Reactions”, Cap. 15, Encyclopedia of Electrochemistry. (2007) Wiley-VCH Verlag
23
Cl- 2 OH- ClO- H2O+ + 2e+
24
1CH3
CH3
O
OO
H
SO3K+
CH3
CH3
OH
O
O
SO3K
OH2
CH3
CH3
OH
O
O
SO3K
OH-/H2
pH=8.0 - 8.5
CH3
CH3
O-
O
O
SO3K
CH3
CH3
O-
O
O
SO3K
CH3
CH3
O
OOH
SO3K+
DMD
OXIDACIÓN DE SHI
HC CHN N
H H
O OMn
Cl
O
Cubillos J., Vásquez S., Montes de Correa C., “Salen manganese (III) complexes as catalysts for R-(+)-limonene oxidation”. Applied Catalysis A: General, 373, (2010), pp. 57-65.
Oxidación de limoneno…
25
O
O
Diepóxidos
(1R,2S,4R,8R)Limoneno diepóxido
O
O
(1R,2S,4R,8S)Limoneno diepóxido
O
O
(1S,2R,4R,8R)Limoneno diepóxido
O
O
(1S,2R,4R,8S)Limoneno diepóxido
SELECTIVIDAD
O
O
Monoepóxidos
Endocíclicos Exocíclicos
O
(1R,2S,4R)-cis-1,2-limoneno epóxido
(1S,2R,4R)-trans-1,2-limoneno epóxido
O
(4R,8R)-trans-8,9-limoneno epóxido
(4R,8S)-cis-8,9-limoneno epóxido
26
2
Dariva Pinto L., Dupont J., F. de Souza R., Bernardo-Gusmao K., “Catalytic asymmetric epoxidation of limonene using manganese Schiff-base complexes immobilized in ionic liquids”. Catalysis Communications, 9, (2008), pp.135–139
NNB
F
F
F
F
HC CHN N
H H
O OMn
Cl
O
Oxidación de limoneno…
27
SELECTIVIDAD
O
O
Monoepóxidos
Endocíclicos Exocíclicos
O
(1R,2S,4R)-cis-1,2-limoneno epóxido
(1S,2R,4R)-trans-1,2-limoneno epóxido
O
(4R,8R)-trans-8,9-limoneno epóxido
(4R,8S)-cis-8,9-limoneno epóxido
28
O
N
O
N
H H
Mn
O
L
H
H3CH
Favorecida
(S)(S)
(S)
O
N
O
N
(S)(S)H H
Mn
O
L
(S)
CH3
H
Desfavorecida
H
(R)
Doble inducción asimétrica
29
3 Oxidación electroquímica mediante la generación de bromo como oxidante
Inês M., Mendonça A. J., Esteves A. P., Mendonça D. I., Medeiros M. J., “Electroepoxidation of natural and synthetic alkenes mediated by sodium bromide”, C. R. Chimie, 12, (2009), pp. 841-849.
limoneno
O
O
OH
OH
Br2, H2O:ACN, limoneno (40mM)
Br2, H2O:ACN, limoneno (20mM)
25%
25%único producto
2Br- Br22e- +
2H2O H2 OH-2e-+ +
Oxidación de limoneno…
30
Br
OH
Br
OH
-H+
O
Br
Br Br
Br Br
Br OHOH
OH
Br OH
OH
OH
Br
O
OH
Br
OH
O
OH
OH
Br2, H2O:ACN, limoneno (40mM)
Br2, H2O:ACN, limoneno (20mM)
31
ObjetivosDeterminar el efecto de la nitrosustitución en los anillos aromáticos del ligando SALEN, sobre la actividad catalítica del complejo Mn(SALEN)Cl en la electrooxidación de R-(+)-limoneno.
N N
H H
OH HO
R2
R1
R2
R1
R1= -NO2
R2= -Br
O
N N
H H
OH HO
R
R
R
R
32
METODOLOGÍA
33
Síntesis de Ligandos y complejos
34
Síntesis de LigandosEsquema de resolución de la amina quiral 1, 2-Ciclohexanodiamina
(R)
(R)
(S)
(S)
NH2
NH2
NH2
NH2
(+/-)-trans- 1,2-diaminociclohexano
(-)-50%, (+)-50% +
(R)
(R)
H
OH
HOOC
H
COOH
OH
ó
(S)
(S)
H
OH
HOOC
H
COOH
OH
(R)
(R)
NH3
NH3
(R)
(R)
H
OH
OOC
H
COO
OH
(S)
(S)
NH3
NH3(S)
(S)
H
OH
OOC
H
COO
OH
ó
Mezcla racémica de 1,2-diaminociclohexano
Ácido L-(+)-Tartáricoo
Ácido d-(-)-Tartárico
CH3COOH/H2O
ó CH3OH/CH3COOH
Schanz H., Linseis M. A. y Gilheany D. G., “Improved resolution methods for (R,R)- and (S,S)-cyclohexane-1,2-diamine and (R)- and (S)-BINOL”, Tetrahedron: Asymmetry, 14 (2003) 2763–2769
H3N NH3
O2C CO2
HO OHR R
OH
O H
+K2CO3
H2O/EtOH
HC CHN N
H H
OH HOR
R R
R
Síntesis de Ligandos
35
(R) (R)
N N
OH
Br
O2N HO
Br
NO2
(R) (R)
N N
OHO2N HO NO2
(S) (S)
N N
OH
Br
O2N HO
Br
NO2
(S) (S)
N N
OHO2N HO NO2
36
NN
O O
BrBr
33`
Efectos estéricos
NN
O O NO2O2N5 5´
Efectos electrónicos
Zsigmond Á., Horváth A., Notheisz F., “Effect of substituents on the Mn(III)Salen catalyzed oxidation of styrene”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 171 (2001) 95–102.
37
NN
O O NO2O2N
Br Br
Efectos estereoelectrónicos
Zsigmond Á., Horváth A., Notheisz F., “Effect of substituents on the Mn(III)Salen catalyzed oxidation of styrene”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 171 (2001) 95–102.
38
Electrosíntesis directa
Disolución anódica
Potenciostático
Galvanostático
Electrosíntesis de complejos Mn-SALEN
FUENTE
MILIAMPERÍMETRO
Ánodo de sacrificioCátodo de platino
SALENH2, H+/ H2(g)/ Pt
39TUCK D. G., “Direct electrochemical synthesis of inorganic and organometallic compounds”, Pure & Applied. Chem., Vol.51, (1979), pp. 2005-2018.
Celda de Electrosíntesis
Aire
Mn /Mn2+
Acetonitrilo, TBAClO4, LiCl
40TUCK D. G., “Direct electrochemical synthesis of inorganic and organometallic compounds”, Pure & Applied. Chem., Vol.51, (1979), pp. 2005-2018.
Celda de Electrosíntesis: Reacciones
Ánodo
[Mn(Salen)]
+ 2 e
Cátodo SalenH2 + 2 e Salen2- + H2
Salen2-+
Mn Mn2+
Mn2+
[Mn(Salen)]O2(aire)
[Mn(Salen)]+
LiClCl[Mn(Salen)]+ [Mn(Salen)]
Mn3+(Salen)
41
HC CHN N
OH HOO2N
R R
NO2
R= -H, -Br
42
HC CHN N
H H
O OO2N
R R
NO2
Mn
Cl
R= -H, -Br
43
Prueba Catalítica
44
Reacción bifásica
Solución de NaCl
Fase de diclorometano
Cl2 2e-2Cl- +
OH ClCl2 + ClO +
C CN N
H H
O OMn
Cl
ClO-
O
Electroepoxidación del R-(+)-limoneno
O
45
El mecanismo del proceso…
[ClO-]
Cl Fase acuosa
Fase orgánica
Mn
O
OH2
Mn
OH2
OH
2e
(III)(V)
-
O
46
Seguimiento del proceso de oxidación
O
47
CronogramaACTIVIDAD
MESES1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Revisión bibliográfica X X X X X X X X X X X XSíntesis de ligandos X X X
Purificación y Caracterización de
ligandos X X X
Síntesis de complejos por el método químico
X X
Electrosíntesis de Complejos
X X
Caracterización de los compuestos obtenidos
X X
Oxidación catalítica por métodos químicos
X X X X X
Electrooxidación catalítica
X X X X X
Análisis de resultados X X X X X X X X XElaboración del Informe
Final X X X X
48
Presupuesto general (en miles de pesos)
RUBRORECURSO
S PROPIOS
FUENTE
TOTALUNICAUCA GIPEL QPN
Personal ----- 6000.00 6000.0
0
Equipos ----- 10284.00 496.002550.0
013330.
00Material y suministro
----- ____ 2500.00 -----2500.0
0Bibliografía y publicaciones
300.00 ----- 300.00 ----- 600.00
Servicio técnicos
----- ----- 700.00 ----- 700.00
TOTAL 300.00 16284.00 3996.002550.0
023130.
00
49
Resultados esperados
HC CHN N
H H
OH HOR
R R
R
50
Continuidad
CH CHN N
H H
OH HOR
R R
R
HC CHN N
H H
OH HOCl
Br Br
Cl
HC CHN N
H H
OH HOCl Cl
HC CHN N
H H
OH HOBr
OCH3 H3CO
Br
HC CHN N
H H
OH HOH3C
Br Br
CH3
51
ContinuidadHC CHN N
H H
O OR
R R
RM
Cl
OH
Productos de oxidación
M: Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn
52
Continuidad
<100°C
~ 1nm
Welton T. Chem Rev 1999, 99, 2071-2083 ; Philippe Hapiot and Corinne Lagrost Chem. Rev. 2008, 108, 2238–2264; Del Po’polo, M. G.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 1744-1752; P. Walden, Bull. Acad. Imper. Sci. (St. Petersburg) 1800 (1914)
NNB
F
F
F
F