Nuevos ligandos politópicos quirales basados en unidades bis(oxazolina)Síntesis, caracterización y aplicaciones en catálisis

Resumen

La catálisis enantioselectiva es una de las estrategias más eficaces para la obtención de compuestos enantioméricamente puros, este tipo de catálisis puede llevarse a cabo de forma homogénea o heterogénea. Ambos tipos de catálisis presentan inconvenientes que hacen que ninguna sea la estrategia ideal. Una solución para este problema podría ser la utilización de catalizadores homogéneos que sean fácilmente separables del medio de reacción. Un ejemplo de esta estrategia es el uso de sistemas bifásicos utilizando, por ejemplo, líquidos iónicos [1]. Otro ejemplo serían los catalizadores soportados en polímeros solubles [2]. Una opción menos explorada es la utilización de la estrategia conocida como de ¿liberación y captura¿. Un ejemplo de esta estrategia es la utilización de catalizadores autosoportados. Estos catalizadores se basan en el ensamblaje de un metal con una molécula orgánica, dando lugar a una estructura extendida. La unión de dos centros metálicos adyacentes mediante el uso de ligandos ditópicos (o politópicos) como conectores, da lugar a polímeros de coordinación. Los sólidos resultantes son solubles en disolventes orgánicos coordinantes e insolubles en no coordinantes, lo que permite llevar a cabo la reacción en fase homogénea, obteniéndose de este modo los valores de enantioselectividad y actividad a los que conducía el catalizador homogéneo, y simplemente un cambio de disolvente al final de la reacción permite recuperar el catalizador en fase sólida. Este tipo de catalizadores poseen por tanto las ventajas de los catalizadores homogéneos y heterogéneos [3]. Recientemente en nuestro grupo de investigación se han diseñado dos nuevas familias de ligandos ditópicos con unidades azabis(oxazolina): una con un espaciador bencílico en la que los ligandos son nombrados como DAX [4], y otra en la que el espaciador presenta grupos triazol, nombrados como click-DAX [5]. Además, también se ha diseñado una nueva familia de ligandos tritópicos basados asimismo en unidades azabis(oxazolina), a los se les nombra como TAX [5]. Estos ligandos, al complejarse con cobre en una proporción ligando/cobre 1:1 en el caso de los ditópicos, o 2:3 en el caso de los tritópicos, son capaces de formar, en un disolvente no coordinante, un polímero de coordinación, el cual posteriormente se disuelve en el medio de reacción por descomplejación del mismo, liberando los sitios catalíticos activos. Para la recuperación del catalizador basta con cambiar el disolvente de reacción al final del proceso catalítico por uno no coordinante, como por ejemplo hexano. De este modo precipita el polímero de coordinación, quedando disueltos los productos y los reactivos remanentes que se pueden retirar por simple decantación. De esta manera, el catalizador está listo para un nuevo ciclo catalítico. Esta estrategia de ¿liberación y captura¿ con los ligandos ligandos tipo DAX, clic-DAX y TAX, se ha utilizado en la reacción de ciclopropanación de alquenos con diazoacetato de etilo [4,5], y en la oxidación alílica de cicloalquenos con peroxoésteres [6] (reacción de Kharasch¿Sosnovsky) obteniéndose en ambos casos muy buenos resultados. Debido a los buenos resultados previos, se decidió llevar a cabo la síntesis de nuevos ligandos politópicos quirales basados en unidades bis(oxazolina), así como la ampliación de su uso como sistemas catalíticos recuperables a las reacciones mencionadas anteriormente, así como a otras reacciones orgánicas de interés, preferentemente con mecanismos de reacción distintos. En esto se ha basado el trabajo realizado durante esta tesis doctoral. Se comenzó ampliando la familia de ligandos multitópicos basados en las azabis(oxazolinas). Se llevó a cabo la síntesis de una nueva familia de ligando tetratópicos con unidades triazol en el espaciador, nombrados como click-QAX. Para ello se siguió la misma estrategia sintética que para la síntesis de click-DAX. Se ha comprobado que en determinadas reacciones los complejos de ligandos box presentan mejores resultados que los de azabox. Por ello, como complemento a los ligandos ditópicos DAX se llevó a cabo la síntesis de los ligandos ditópicos DiBox con dos unidades bis(oxazolina). La aplicabilidad de los mismos como ligandos puente en polímeros de coordinación fue comparable a la de los DAX. La estrategia sintética a seguir para la preparación de estos ligandos se basó en la síntesis de las bis(oxazolinas) monobenciladas en el puente descrita previamente en nuestro grupo de investigación [7], que consiste en la desprotonación de uno de los protones del puente de la bis(oxazolina) con tBuOK para a continuación proceder a la monobencilación con bromuro de bencilo. Los ligandos sintetizados se emplearon para la preparación de sistemas autoensamblados por interacción con cobre, que a su vez se usaron como catalizadores en diferentes reacciones modelo que transcurren a través de distintos mecanismos: catálisis por ácidos de Lewis (nitroaldólica de Henry, aldólica de Mukaiyama, Diels-Alder), transferencia de carbenos (ciclopropanación, inserción en enlaces C¿H), oxidación-reducción (oxidación de Kharasch-Sosnovsky). Los mejores resultados se obtuvieron en la reacción de Henry entre aldehídos aromáticos y nitroderivados [8] y en la reacción de ciclopropanación entre estireno y diazoacetato de etilo [9]. En el primer caso, en la reacción entre o-anisaldehído y nitrometano catalizada por el complejo DAX(iPr)-Cu(AcO)2 se obtuvieron enantioselectividades por encima del 90% e.e. y rendimientos de más del 70% durante al menos 10 ciclos de reacción. En la reacción de ciclopropanación con el complejo click-QAX(iPr)-Cu(OTf)2 se alcanzaron resultados de enantioselectividad del 99% e.e. para los diastereómeros trans y 90% e.e. para los cis durante 20 ciclos de reacción. Alternativamente a la estrategia de "liberación y captura" se utilizaron los sistemas bifásicos, más concretamente los basados en líquidos iónicos. Los complejos CuCl-ligando ditópico en proporción 2:1 se inmovilizaron en los líquidos iónicos [emim][OTf] y [bmim][PF6]. Con estos sistemas catalíticos se llevó a cabo la reacción de ciclopropanación entre estireno y diazoacetato de etilo. Al final de la reacción se procedió a la extracción de los productos mediante adición de un codisolvente, hexano en nuestro caso. De este modo, el complejo quiral permaneció en la fase líquido iónico y los productos y subproductos pasaron a la fase orgánica de donde se pudieron aislar y purificar [10]. Los mejores resultados se obtuvieron con el complejo CuCl-DAX(tBu) inmovilizado en el líquido iónico [bmim][PF6], con enantioselectividades por encima del 76% e.e. para los diastereómeros trans y 65% e.e. para los cis durante 12 ciclos de reacción. [1] A. C. Gujar; M. G. White, Ionic Liquids as Catalysts, Solvents and Conversion Agents. In ¿Catalysis¿ (Eds.: J. J. Spivey and K. M. Dooley), Royal Society of Chemistry, Cambridge 2009, 21, 154. [2] D. E Bergbreiter, J. Tian, C. Hongfa, Chem. Rev. 2009, 109, 530. [3] Z. Wang, G. Chen, K. Ding, Chem. Rev. 2009, 109, 322. [4] J. I. García, B. López-Sánchez, J. A. Mayoral, Org. Lett. 2008, 10, 4995. [5] J. I. García, C. I. Herrerías, B. López-Sánchez, J. A. Mayoral, O. Reiser, Adv. Synth. Catal. 2011, 353, 2691. [6] L. Aldea, I. Delso, M. Hager, M. Glos, J. I. García, J. A. Mayoral, O. Reiser, Tetrahedron 2012, 68, 3417. [7] M. R. Castillo, S. Castillon, C. Claver, J. M. Fraile, A. Gual, M. Martin, J. A. Mayoral, E. Sola, Tetrahedron 2011, 67, 5402. [8] B. Angulo, J. I. García, C. I. Herrerías, J. A. Mayoral, A. C. Miñana, J. Org. Chem. 2012, 77, 5525. [9] J. I. García, J. Gracia, C. I. Herrerías, J. A. Mayoral, A. C. Miñana, C. Sáenz, Eur. J. Org. Chem. 2014, 1531. [10] J. I. García, C. I. Herrerías, B. López-Sánchez, J. A. Mayoral, A. C. Miñana, Tetrahedron: Asymmetry, 2014, 25 833.