TRABAJO CATLISIS

HOMOGNEA Y

HETEROGNEA Mster Estudios Avanzados en

Qumica

CATALIZADORES DE RUTENIO PARA LA

Z-SELECTIVIDAD EN LA REACCIN DE

METTESIS DE OLEFINAS

Alumno: Jos Quintero Nez

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1.- Introduccin.

El arte de la sntesis orgnica ha acompaado a la humanidad desde sus inicios. Sin

embargo, el reconocimiento de ella como ciencia es mucho ms reciente y coincide con la

sntesis de urea llevada a cabo por Whler y sus compaeros en 1829, siguiendo con la sntesis

del cido actico por Kolbe en 1845 o de la glucosa en 1890 por Fischer.

Desde entonces, se han realizado enormes progresos en este campo basados en la

construccin de nuevos enlaces carbono-carbono. De este modo, ciertos descubrimientos han

contribuido a definir la sntesis orgnica tal y como la conocemos hoy, tales como los reactivos

de Grignard en 1900, la cicloadicin de Diels-Alder en 1928 o la reaccin de Wittig en 1954.

Ante estos tres procesos de formacin de enlace carbono-carbono, tan solo rivalizan

otros dos en los ltimos aos: Las reacciones de acoplamiento catalizadas por paladio y la

reaccin de mettesis en todas sus variantes. As, prueba de la importancia de esta ltima es la

concesin del Premio Nobel de Qumica en 2005 a tres investigadores de este campo: Yves

Chauvin, Robert H. Grubbs y Richard R. Schrock.

2.- Inicios de la mettesis.

La palabra mettesis (meta: cambio y thesis: posicin) apareci en 1967 cuando

qumicos de la compaa Goodyear Tire and Rubber descubrieron la conexin entre los

mecanismo de dos procesos: Uno era la sntesis de polmeros insaturados a partir de

norborneno empleando xido de molibdeno y el otro la formacin de buteno y eteno

mediante una reaccin denominada reaccin de desproporcin de olefinas. As, cuatro aos

ms tarde, en 1971, Chauvin y Hrison propusieron por primera vez la formacin de

intermedios de tipo carbnico como especies propagadoras del ciclo cataltico:

Esquema 1. Mecanismo general para la mettesis de olefinas

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3.- Tipos de reacciones de mettesis.

Dentro de las reacciones de mettesis como tal, podemos encontrar diferentes tipos

de transformaciones:

3.1 Mettesis de olefinas.

Dentro de este grupo podemos a su vez encontrar cuatro variantes:

- La formacin de olefinas cclicas (Ring Closing Metathesis: RCM).

- La formacin de dienos a partir de olefinas cclicas (Ring Opening Metathesis: ROM).

- La polimerizacin de olefinas cclicas y acclicas (Ring-Opening Metathesis Polymerization:

ROMP. Acyclic Diene Metathesis Polymerization: ADMET).

- Intercambio de grupos entre dos olefinas (Mettesis cruzada: Cross-metathesis).

Esquema 2. Tipos de reacciones de mettesis de olefinas.

3.2 Mettesis de eninos.

Esta reaccin fue descubierta en 1985 por Katz empleando carbenos de tipo Fischer de

Wolframio, e implica la reaccin de un alqueno con un alquino para dar un 1,3-dieno. Se trata

de una transformacin tomo-econmica, ya que durante el proceso no se libera ningn

subproducto olefnico y se rige por factores entlpicos.

Esquema 3. Reacciones de mettesis de eninos.

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3.3 Mettesis de alquinos.

Esta reaccin se puede considerar un anlogo de la reaccin de mettesis de olefinas

en las que se produce un intercambio de fragmentos alquilidino entre dos triples enlaces.

Mediante este mtodo, es posible obtener selectivamente alquenos Z E a partir del triple

enlace generado.

Esquema 4. Reacciones de mettesis de alquinos

4.- Mettesis diastereo-/enantioselectiva.

Uno de los retos de investigacin ms interesante dentro del campo de la mettesis de

olefinas es la generacin de centros estereognicos. Esto puede conseguirse mediante la

ciclacin diastereoselectiva de sustratos que ya contienen la informacin quiral, o mediante el

empleo de un sustrato aquiral en presencia de un catalizador quiral para realizar una mettesis

enantioselectiva.

En la actualidad son pocos an los ejemplos de mettesis enantioselectiva, aunque al

ser un rea de gran inters, se prev que se produzcan grandes avances en los prximos aos.

Aunque no sea un campo muy estudiado, se conocen catalizadores de molibdeno

desarrollados por grupos de Schrock y Hoveyda y tambin catalizadores de rutenio

desarrollados por el grupo de Grubbs capaces de realizar este tipo de reacciones.

En este tipo de transformaciones es muy comn la falta de selectividad en la

estereoqumica de los dobles enlaces generados por la mettesis de olefinas o la

descomposicin y prdida de actividad del catalizador.

5. Z-Selectividad en la reaccin de mettesis de olefinas.

As, el grupo de Robert H. Grubbs, en su publicacin de 2011 en la revista Journal of

the American Chemical Society de ttulo Improved Ruthenim Catalysts for Z-Selective Olefin

Metathesis, explica como ha sido capaz de solucionar este problema y ha conseguido sintetizar

catalizadores de rutenio que activan enlaces C-H para la reaccin de mettesis obteniendo

altos valores de Z-Selectividad.

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Recientemente, Grubbs y su grupo publicaron en otro artculo sobre la sntesis y la

actividad de un catalizador de mettesis basado en rutenio que contena un enlace Ru-C

formado a travs de la activacin intramolecular de un enlace C-H inducido por un carboxilato.

Dicho complejo no slo era activo para la reaccin de mettesis, sino que mostr una

selectividad sin precedentes para dar Z-olefinas en una variedad de reacciones de mettesis

cruzada. Tras ciertos estudios, consiguieron demostrar que la capacidad de dicho catalizador

(2) para proporcionar los altos valores de Z-selectividad obtenidos era gracias al grupo

adamantilo que posea. As, basndose en la estructura de este complejo, decidieron estudiar

la conversin y selectividad para reacciones de mettesis de catalizadores similares pero con

ciertos cambios. Estos complejos fueron los siguientes:

Figura 2. Distintos catalizadores usados: Ar = 2,4,6-trimetilbenceno (7), 2,6-dietil-4-metilbenceno (8), 2,6-dimetil-4-

metoxibenceno (9), 2,6-dimetil-4-clorobenceno (10), Mes = 2,4,6-trimetilbenceno, DIPP = 2,6-di-isopropilbenceno.

Para comprobar la actividad de estos 11 catalizadores para la reaccin de mettesis de

olefinas hicieron reaccionar cada uno de ellos con butil-vinil-ter (BVE), ya que esta reaccin se

usa comnmente para medir las constantes de velocidad de catalizadores de rutenio,

obteniendo los siguientes resultados:

Tabla 1. Constantes de velocidad para los distintos complejos.

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Como puede observarse en la Tabla 1, la mxima diferencia se encontr entre los

catalizadores que contienen ligandos bidentados (2, 4-10) y los que contienen ligandos

monodentados (3, 11), proporcionando estos ltimos peores resultados incluso a

temperaturas superiores.

Adems, el aumento del volumen estrico del carboxilato (4) condujo a un aumento de

la constante de velocidad, mientras que una disminucin del mismo (5) produjo una

disminucin del valor de dicha constante. Este dato fue interesante ya que se cree que los

complejos con quelatos de tipo Hoveyda se inician por mecanismos asociativos, por lo que un

aumento del volumen estrico debera haber proporcionado una disminucin en la constante

de velocidad. As, se piensa que estos complejos operan mediante otro mecanismo.

Finalmente, los complejos de nitrato 7-9 poseen una constante de velocidad similar a

2, mientras que la constante de 10 fue ligeramente ms pequea. En definitiva, Grubbs y su

grupo pudieron concluir que pequeos cambios en el grupo arilo de estos catalizadores no

tienen un efecto relevante en la constante de velocidad y que los efectos electrnicos juegan

un papel fundamental.

Para obtener ms informacin acerca de la reactividad de estos catalizadores, lo

evaluaron frente a una reaccin de homodimerizacin del alilbenceno, la cual proporcion

datos tiles para la evaluacin de la actividad de los distintos complejos:

Tabla 2. Resultados obtenidos para los distintos catalizadores para la reaccin de homodimerizacin del alilbenceno.

Como puede observarse en la Tabla 2, los catalizadores 3 y 11 produjeron una mayor

cantidad del subproducto de isomerizacin (14), siendo este el nico producto detectable

empleando estos dos catalizadores.

Los catalizadores 4-6 proporcionaron una baja conversin de 12 y una escasa

selectividad en el producto 13. As, los mejores resultados se obtuvieron para 2 y para 7-10,

que mostraron una altsima conversin en 12 y proporcionaron una alta selectividad para el

ismero Z (13), formando as tan slo una pequea cantidad del producto indeseado 14.

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Con el fin de diferenciar an ms el rendimiento de los catalizadores, realizaron otra

prueba con ellos utilizando otro sustrato (15), y obtuvieron los siguientes resultados:

Tabla 3. Resultados obtenidos para los catalizadores 2 y 4-6 para la reaccin de homodimerizacin del sustrato 15.

Figura 3. Resultados obtenidos para los catalizadores 7-10 para la reaccin de homodimerizacin del sustrato 15.

Para esta reaccin slo se examinaron los catalizadores que ofrecieron buenos

resultados en la reaccin con 12, que fueron los catalizadores que contenan el grupo

carboxilato y los que contenan el grupo nitrato. Todos mostraron una altsima conversin

incluso a cargas de catalizador de 0.1%, excepto el catalizador 4, que no mostr buena

conversin hasta que no se aument la carga al 2%.

Como puede observarse en la Tabla 3, los catalizadores 4-6 ofrecieron un rendimiento

relativamente pobre al igual que en la reaccin con 12. Por otro lado, los catalizadores 2 y 7-10

ofrecieron los mejores resultados, mostrando una conversin >90% y una buena selectividad

para la Z-olefina (90-95%).

Atendiendo a la Figura 3, puede observarse ciertas diferencias entre los catalizadores

de nitrato 7-10. En tiempos cortos de reaccin, el catalizador 10 mostr una menor conversin

frente a sus anlogos, debido seguramente a menor constante de velocidad, el cual con el

tiempo suficiente era capaz de alcanzar los mismos niveles de conversin que 7-9.

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Finalmente, puede observarse la alta z-selectividad de los catalizadores 7-10 incluso

despus de perodos prolongados de tiempo, lo que da informacin de que, al menos para este

sustrato, las reacciones de mettesis secundarias son relativamente lentas.

Como conclusin a las dos pruebas realizadas, pudieron concluir que los catalizadores

con el grupo nitrato 7-10 ofrecen mejores resultados frente a sus anlogos de carboxilato. Aun

as, decidieron recabar ms informacin con otros tipos de sustratos:

Tabla 4. Resultados obtenidos para los catalizadores 2, 7-10 en la reaccin de homodimerizacin de distintos sustratos con olefinas

terminales.

Para la mayora de estas reacciones, los catalizadores 7-10 eran capaces de alcanzar

TONs superiores a 500, e incluso en algunos casos cerca de 1000. Ciertos sustrato como 19 y

20 eran menos reactivos y dieron TONs menores para los catalizadores. El dato relevante es

que la selectividad para la Z-olefina era excelente en casi todos los casos, lo que demuestra la

gran eficacia de estos catalizadores.

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Despus de haber comprobado la eficacia del catalizador 7 en varias reacciones de

homodimerizacin, comprobaron su actividad para la formacin de 28 que posee gran inters

debido a su relevancia industrial en el control de plaga de insectos y tambin al hecho de que

la funcionalidad de dicho sustrato est muy lejos de la de una olefina.

Esquema 5. Formacin de compuesto 28 de inters industrial empleando el catalizador 7.

As, los resultados obtenidos fueron gratificantes, ya que la formacin del producto 28

a partir de los sustratos 26 y 27 procedi con un rendimiento del 77% y adems utilizando una

baja carga del catalizador de tan solo un 0.5%, obtenindose una Z-selectividad mayor al 90%.

Adems, la sntesis de 28 mediante este mtodo se realiza en un solo paso (forma concertada),

mejorando as la sntesis actual la cual consta de seis etapas. Por lo tanto, los catalizadores

como 7 deberan permitir la sntesis eficiente de productos naturales con Z-selectividad a

travs de reacciones de mettesis.

6.- Conclusiones y opinin personal

- El grupo adamantilo en los catalizadores propuestos por Grubbs son primordiales

para conseguir altos valores de Z-selectividad en las reacciones de mettesis de olefinas.

- Los catalizadores que posean ligandos monodentados eran inactivos o prcticamente

inactivos, mientras que los que posean ligandos bidentados ofrecan buenos resultados de

selectividad y conversin.

- Dentro de los complejos con ligando bidentados, se dividan dos grupos: los

carboxilatos y los nitratos. De entre los carboxilatos, la unin de ligandos donantes de

electrones y que dieran lugar a un aumento estrico provocaron un aumento de la constante

de velocidad, mientras que grupos ms pequeos ofrecieron una disminucin de dicha

constante. Las diferencias de constantes de velocidad entre los catalizadores con diferentes

carboxilatos dan informacin acerca de que no operan mediante un mecanismo asociativo

simple.

- En las reacciones de mettesis cruzada, los catalizadores de nitrato 7-10 fueron los

que ofrecieron mejores resultados de actividad y selectividad, los cuales se piensa que poseen

mayor estabilidad que los de carboxilatos gracias al nitrato.

- En definitiva, Grubbs y su grupo han desarrollado una serie de catalizadores que

ofrecen resultados excepcionales para la Z-selectividad en reacciones de mettesis de olefinas.

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- El artculo propuesto me ha parecido de gran inters, tanto acadmico, aprendiendo

nuevos procedimientos y profundizando ms sobre las reacciones de mettesis de olefinas,

como de perspectiva de futuro, ya que, en mi opinin, creo que este tipo de catalizadores

sern muy demandados en un tiempo no muy lejano.

- La capacidad de los complejos creados por Grubbs y su grupos no solo ofrecen una

alta Z-selectividad en la reaccin de mettesis, sino que adems son capaces de ofrecer

conversiones superiores al 90%, lo que les hace tener un gran valor, puesto que hasta ahora

ese era uno de los grandes retos de qumica en las reacciones de este tipo.

- En concreto, el catalizador 7 ser el ms demandado en su futuro, ya que su

capacidad para formar compuestos con una alta Z-selectividad, incluso con sustratos de

naturaleza no olefnica, ser utilizado en los campos de la bioqumica y la biomedicina para la

formacin de frmacos y medicamentos que requieran la formacin de un producto con este

tipo de quiralidad.

8.- Artculos relacionados.

- Dicho artculo ha sido nombrado como referencia en una publicacin del propio

Robert H. Grubbs con J. Hartung de nombre Highly Z-Selective and Enantioselective Ring

Opening/Cross Metathesis Catalyzed by Resolved Stereogenic-At-Ru Complex (J. Am Chem Soc.

Jul 17, 2013; 135(28)).

En l, se explica cmo gracias a un complejo de rutenio que cataliza de forma Z-Selectiva (con

selectividad en Z de hasta un 98%) la formacin de dienos a partir de olefinas cclicas y

reacciones de mettesis cruzada con una alta enantioselectividad.

La estructura de dicho catalizador es la siguiente:

- Otra publicacin en la que fue nombrado este artculo fue en otra publicacin de

Robert H. Grubbs con J.S.Cannon de nombre Alkene Chemoselectivity in Ruthenium-Catalyzed

Z-Selective Olefin Metathesis (Angew Chem Int Ed Engl- Aug 19, 2013; 52(34)).

En dicho artculo se explica la sntesis de un catalizador de rutenio capaz de realizar la reaccin

de mettesis de forma quimioselectiva a olefinas.

La estructura de dicho catalizador es la siguiente:

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Como puede observarse, los artculos relacionados tienen que ver con la sntesis de

catalizadores con centros estereognicos capaces de realizar reacciones de mettesis de forma

enantioselectiva y/o quimioselectiva, el cual es el campo de Robert H. Grubbs y colaboradores,

por lo que se intuye un gran progreso en este campo gracias a este grupo de investigacin.