Sólidos ácidos de estructura tipo Preyssler como catalizadores en la síntesis de pirroles y dihidropirimidinonas - Portilla Zúñiga, Omar Miguel (2020)
Los heterociclos son estructuras químicas cíclicas, en las cuales, algunos miembros del ciclo son diferentes al carbono. En los compuestos orgánicos, los heteroátomos más comunes son el oxígeno, el nitrógeno y el azufre, lo que permite que exista, una enorme y diversa cantidad de estructuras, teniendo en cuenta que puede tratarse de compuestos aromáticos o alifáticos. La química de estas moléculas es importante por su presencia en los sistemas de la vida y en la propia estructura de la materia que la conforma, los “heterociclos de la vida” pueden ser tan pequeños como anillos de cinco átomos (presentes en azúcares o bases nitrogenadas) o formar parte fundamental de estructuras de gran tamaño (tal es el caso de moléculas como la clorofila, algunas vitaminas, hormonas, proteínas y las hélices del ADN y el ARN). Por tal razón, muchos núcleos heterocíclicos sintéticos o aislados de diferentes fuentes naturales cuentan con propiedades biológicas y químicas importantes, lo que hace que su obtención por vía química sea una rama de estudio importante en la síntesis orgánica con miras en la producción de medicamentos, productos de limpieza, pigmentos para la industria textil, etc. En este trabajo se plantea el estudio de reacciones clásicas para la obtención de los núcleos heterociclos pirrol (reacción de Paal-Knorr) y 3,4-dihipirimidinona (DHPMs, reacción de Biginelli), con el objetivo de desarrollar procesos más limpios que involucren el uso de catalizadores recuperables y reutilizables. El proceso de optimización para la síntesis de los compuestos seleccionados, se enmarcó dentro de los principios de la química verde, mediante el uso de heteropoliácidos de estructura del tipo Preyssler como catalizadores y siguiendo metodologías a microescala, evaluando el balance de masa y los rendimientos de los productos de interés con el objetivo de realizar análisis de green metrics (con la determinación de variables como la economía atómica, EA; el factor E, E; la intensidad de masa del producto, IMP; etc) para cada uno de los productos obtenidos. Asimismo, y en consonancia con el uso de materiales renovables, se incluyeron derivados de furfurales como reactivos de partida en la síntesis de DHPMs, y se desarrollaron procesos ambientalmente amigables para conseguir materiales de partida para éstas y los pirroles, obteniéndose 3,5-cianoaminocromenos y éteres de 5-hidroximetilfurfural, lo que muestra el aprovechamiento de productos de biorrefinería originados en el tratamiento de la biomasa. Los heteropoliácidos, en general pueden definirse como clústeres moleculares muy diversos que se comportan como ácidos protónicos e incorporan aniones polioxometálicos, configurados en octaedros metal-oxígeno como unidades estructurales básicas. Esta unidad primaria, se conoce como estructura tipo Keggin [XnM12O40](8-n)- (donde, X es un heteroátomo como B3+, Si4+, Ge5+,P5+, As5+, etc y M representa un metal M6+, W6+, V6+, Nb y Ta). Existen reportes de más de 100 heteropoliácidos con diferentes geometrías y estructuras, en este trabajo en particular, nos centramos en el estudio de dos heteropoliácidos con estructura del tipo Preyssler (conformados por seis subunidades de estructura Keggin, H14[NaP5W30O110] (P) y H14[NaP5MoW29O110] (PMo)). La actividad como catalizadores ácidos de estos compuestos se estudió en su estado puro (másicos), soportados en diferentes alúminas comerciales (SASOL®) e incluidos en un xerogel obtenido mediante una metodología sol-gel. Todos los catalizadores obtenidos fueron caracterizados mediante espectroscopia infrarroja (IR), microscopía electrónica de barrido (MEB), espectrometría de dispersión de energía de rayos X (EDS), análisis termogravimétrico (TGA-DTG) y mediciones de acidez. Las reacciones de prueba fueron llevadas a cabo a microescala y optimizadas, siendo analizadas gravimétricamente y/o mediante el uso de métodos instrumentales como cromatografía de gases con detector de ionización por llama (CG-FID) y cromotagrafía líquida de alta eficiencia con detector tándem de masas (HPLC-MS/MS). El resultado optimizado de las reacciones modelo fue extrapolado en la síntesis de un pool de compuestos de cada tipo, los productos se caracterizaron mediante FT-IR, espectrometría de masas (MS) y RMN. Seguido, se expone de manera general, el estudio de las reacciones: 1. La optimización de la reacción de Paal-Knorr para la obtención de pirroles se llevó a cabo usando como modelo la condensación de 4-toluidina y 2,5-hexanodiona. De esta forma fue posible observar que las mejores condiciones se consiguen al usar como catalizador H14[NaP5W30O110] (P) y su contraparte soportada sobre alúmina P/C. Con las mejores condiciones fue posible sintetizar 8 pirroles derivados de aminas aromáticas y alifáticas comunes, además de 3 derivados de aminobenzotiazoles. Al mismo tiempo, se pudo demostrar que P/C es capaz de actuar como catalizador bifuncional en la síntesis de pirroles derivados de estructuras complejas como los aminocromenos. 2. La reacción de Biginelli se optimizó tomando como modelo la obtención del carboxilato de metil-4-(furan-2-il)-6-metil-2-oxo-1,2,3,4-tetrahidropirimidina. Se pudo determinar, que los catalizadores con mejor performance eran aquellos materiales constituidos por los heteropoliácidos P y PMo incluidos en un xerogel de sílice, en una proporción de 12,5% en masa. Al mismo tiempo, estos materiales resultaron ser activos en la eterificación de hidroximetilfurfural (HMF) con diferentes alcoholes. Cuyos productos pudieron ser usados en la síntesis de dos nuevas DHPMs. En total, se sintetizaron 10 estructuras, incluyendo el compuesto comercial nitractin. En conclusión, esta investigación permitió establecer que los heteropoliácidos de estructura tipo Preyssler P y PMo, son útiles como catalizadores ácidos en la síntesis de un conjunto de pirroles y DHPMs, que pueden ser obtenidos por varias rutas, que incluyen desde reacciones sencillas de condensación, que pueden desarrollarse por una metodología “one-pot” hasta procesos multicomponente donde son fase activa de materiales con propiedades catalíticas bifuncionales. Puros, soportados o incluidos, P y PMo muestran un alto rendimiento catalítico, son estables a la temperatura y pueden ser recuperados mediante procesos sencillos. Este trabajo además, muestra como las metodologías clásicas de síntesis orgánica de heterociclos, pueden convertirse mediante el seguimiento de los enunciados de la química verde, en procesos aún más sencillos y viables desde el punto de vista ambiental, consiguiéndose buenos rendimientos y bajo impacto contaminante con el aprovechamiento de productos de biorrefinería y la aplicación de la catálisis heterogénea.