Desarrollo de nuevos procesos catalíticos promovidos por metales en disolventes sostenibles

Resumen

En la presente Tesis Doctoral se recoge el empleo de mezclas eutécticas basadas en cloruro de colina (Deep Eutectic Solvents, DESs) o agua como disolventes sostenibles en el ámbito de la catálisis metálica y la biocatálisis, trabajando en la mayoría de los casos bajo condiciones de reacción muy suaves: i) a temperatura ambiente; ii) en ausencia de atmosfera inerte; y iii) sin emplear co-catalizadores (bases o abstractores de cloruro), maximizando así varios de los principios fundacionales de la Química Sostenible. Por tanto, en la primera parte del Capítulo 1 se estudian reacciones de cicloisomerización de ácidos -alquinoicos en enol-lactonas de cinco miembros, catalizadas por un complejo iminosforano de Au(I), y empleando la mezcla eutéctica cloruro de colina/urea (1ChCl/2Urea) como medio de reacción alternativo. Gracias al empleo de este disolvente eutéctico, no es necesario utilizar ningún aditivo (extractor de cloruro o base), teniendo lugar la reacción a temperatura ambiente, sin exclusión de aire y empleando un baja carga de catalizador (1 mol%). Además cabe destacar que el catalizador ha podido ser reutilizado hasta en número máximo de cuatro ciclos consecutivos. En esta transformación, el disolvente juega un papel crucial, ya que cuando se emplea agua o disolventes orgánicos tradicionales, se obtienen menores rendimientos o se requieren tiempos de reacción más largos. En la segunda parte de este Capítulo 1, se describe el uso de varios complejos iminofosforano-fosfina de Au(I) como catalizadores eficientes y selectivos en la cicloisomerización de alquinil amidas para generar las correspondientes lactamas cíclicas con rendimientos cuantitativos. De nuevo, las reacciones se pudieron llevar a cabo a temperatura ambiente y en presencia de aire. En este caso es importante destacar que estas reacciones de cicloisomerización pueden llevarse a cabo tanto en mezclas eutécticas como en medio acuoso, pudiéndose reciclar para el caso del agua el sistema catalítico, siendo éste el primer ejemplo bibliográfico que describe el reciclado del catalizador en la cicloisomerización de alquinil amidas. En el Capítulo 2 se describe el diseño de procesos quimioenzimáticos one-pot tándem que permiten obtener compuestos enantiopuros de alto valor añadido en medio acuoso. En todos los casos, el primer paso de la reacción consiste en un proceso de cicloisomerización de sustratos orgánicos insaturados acíclicos que contiene un nucleófilo heteroatómico en su estructura (alquinoles, ácidos alquinoicos o alquinil amidas), catalizada por compuestos de metales de transición [Pd(II) y Au(III)]. El segundo paso de este proceso tándem involucra la hidrólisis de los heterociclos formados en el paso anterior, lo que nos ha permitido obtener cetonas proquirales de forma eficiente y selectiva, en medio acuoso y bajo condiciones de reacción suaves. El último paso de este proceso quimioenzimático consiste en la bioreducción selectiva de las cetonas anteriormente mencionadas mediante el empleo de cetoreductasas (KREDs), generando así en un proceso one-pot tándem los alcoholes enantioméricamente puros deseados. En este punto queremos destacar que nuestro trabajo fue el primero en describir la combinación de reacciones de cicloisomerización catalizadas por oro con bioreducciones catalizadas por KREDs en un mismo medio de reacción acuoso. En el Capítulo 3 se presenta la reacción de isomerización de alcoholes alílicos en cetonas saturadas catalizada por un complejo bis(alilo) de rutenio(IV), empleando en este caso como disolvente para dicha reacción varias mezclas eutécticas basadas en cloruro de colina. Teniendo en cuenta la alta eficiencia y selectividad de este proceso en DESs (observamos conversiones cuantitativas a las cetonas deseadas), decidimos diseñar dos tipos de procesos tandém que acoplan la reacción de isomerización de alcoholes alílicos en DESs con: i) la bioreducción de cetonas proquirales mediada por KREDs; o ii) la adición de reactivos organometálicos polares (RLi, RMgX) a cetonas. En ambos casos los alcoholes finales se obtuvieron con buenos rendimientos y bajo condiciones de reacción suaves (en consonancia con los principios de la Química Sostenible). Para el caso específico de la transformación quimioenzimática (metal/enzima) se obtuvieron alcoholes secundarios enantioméricamente puros. Finalmente es importante destacar que ambos estudios no contaban con precedentes en la química de mezclas eutécticas. Finalmente, en el Capítulo 4 se recogen otros estudios que tienen como objetivo el diseño de procesos de síntesis orgánica: i) mediados por metales de los grupos principales; o ii) catalizados por complejos de metales de transición, empleando tanto disolventes orgánicos convencionales (COVs) como medios de reacción sostenibles (glicerol). Se presentan discusiones breves en cada caso, adjuntando las correspondientes separatas para su consulta en caso necesario.