Reações Catalisadas

As reações catalisadas são usadas normalmente para aumentar a velocidade pela qual um processo químico específico se realiza. Essencialmente, a ação do catalisador é fornecer um caminho alternativo e de baixa energia para a reação.  Para que isso ocorra, a substância catalisadora interage com o reagente e forma um composto intermediário. Esse intermediário é transiente, já que, após formado, ele se decompõe, deixando a substância catalisadora original inalterada. Um catalisador não é afetado pela reação quanto à estrutura química ou massa ao final da reação.

Há dois tipos gerais de reações catalisadas:

• A Reação Catalisada Heterogênea se dá quando o catalisador e o reagente se encontram em duas fases diferentes, como um catalisador sólido com um reagente em solução.
• A Reação Catalisada Homogênea se dá quando o catalisador e o reagente estão na mesma fase, como por exemplo, quando o catalisador e os reagentes estão dissolvidos na mesma solução.  

• Os catalisadores criam um caminho alternativo que aumenta a velocidade e o resultado de uma reação. Logo, uma compreensão aprofundada da cinética da reação é importante. Esse entendimento inclui não apenas informações sobre a velocidade da reação, mas também fornece um detalhamento sobre o mecanismo de reação.
• A interação catalítica com um reagente também é de interesse. As reações catalisadas produzem intermediários transientes que são essenciais para o processo catalítico, a velocidade da reação e os produtos finais.  A identificação de intermediários produzidos por reações catalíticas é uma área atual de pesquisa, e as ferramentas que fornecem um maior conhecimento para a presença e a estrutura do intermediário são úteis.
• A medição dos efeitos das variáveis e condições da reação em um processo catalítico é importante para a otimização da reação. Temperatura, pressão, reagente, concentrações do catalisador, bem como outros parâmetros químicos e físicos têm um enorme efeito nos produtos, rendimento e subprodutos gerados em uma reação catalítica. 
• A investigação da atividade e a medição dos produtos e subprodutos gerados por catalisadores diferentes para uma dada reação é importante na escolha da melhor combinação de catalisador e condições de reação. 
  
• A medição e a compreensão da energética de uma reação catalisada são importantes para garantir uma reação segura e o aumento de escala eficaz da reação.     

• Investigue as reações catalisadas homogêneas e heterogêneas sob condições reais de reação, inclusive em temperatura e pressão elevadas.
• Detecte e auxilie na identificação de intermediários-chave na reação catalisada.
• Obtenha de forma rápida os dados para determinar a cinética da reação, compreender o mecanismo da reação e o seu caminho.
• Monitore e meça instantaneamente os produtos e subprodutos gerados por reações catalíticas.
• Teste e desenvolva condições ideais de reação para otimizar o rendimento do produto final e minimizar subprodutos.
• Determine rapidamente os melhores catalisadores e condições para uma reação específica.
• Elimine os retardos que vêm da extração de amostras e análises fora de linha tradicionais.
• Elimine a introdução de ar, umidade ou perturbação da reação resultantes da extração de amostras.
• Minimize a exposição do operador a produtos químicos tóxicos, possíveis reações energéticas ou condições perigosas de reação.

Adaptado com a permissão de Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. and Horvath, I., “Mechanism of the Pyridine-Modified Cobalt-Catalyzed Hydroxymethoxycarbonylation of 1,3-Butadiene”, Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. Copyright (2018) American Chemical Society.

Usando ReactIR de alta pressão, os pesquisadores investigaram a hidrometoxicarbonilação do 1,3-butadieno em metil-3-pentenoato.  Na presença de piridina, o Co₂(CO)₈ foi responsável por catalisar essa reação. No momento da pesquisa, nenhum intermediário tinha sido identificado e um dos objetivos do projeto era identificar intermediários.  

Inicialmente, o metanol foi usado como solvente e o 1,3-butadieno foi adicionado a uma mistura de equilíbrio de Co₂(CO)₈ e [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂ sob uma pressão de 75 bar de monóxido de carbono a 100 ^oC.  Baseados no perfil do ReactIR, os pesquisadores identificaram um intermediário, η³-C₄H₇Co(CO)₃e após aquecerem a reação por várias horas, o produto metil-3-pentenoato se formou juntamente da mistura de Co₂(CO)₈ e [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂.

O ReactIR revelou e auxiliou na identificação dos intermediários de cobalto e forneceu uma compreensão adicional do mecanismo catalítico.

Quando a piridina foi usada como solvente, a espécie intermediária [CoPy₆][Co(CO₄]₂ foi a única espécie metálica identificada.  Após a mistura ser aquecida, o intermediário cobalto-piridina desapareceu e a presença de η³-C₄H₇Co(CO)₃ e do produto metil-3-pentanoato foi observada no perfil espectral do ReactIR.

Com uma maior mistura em temperatura elevada, o η³-C₄H₇Co(CO)₃ intermediário foi convertido a[CoPy₆][Co(CO₄]₂ e formou-se o produto adicional pentanoato. Os pesquisadores relataram que a conversão de η³-C₄H₇Co(CO)₃ em metil-3-pentanoato foi quatro vezes mais rápida quando a piridina foi usada como solvente, em comparação com o metanol. 

Nesse exemplo, o ReactIR foi útil para detectar o intermediário cobalto-piridina e forneceu informações sobre o mecanismo catalítico. O ReactIR revelou que a velocidade de conversão foi muito mais rápida quando foi usada a piridina como solvente. Isso demonstra o uso da FTIR in situ ao determinar a melhor combinação catalisador/solvente para otimizar uma reação catalítica.

Rueping, M., Bootwicha, T., Sugiono, E., “Continuous-flow catalytic asymmetric hydrogenations: Reaction optimization using FTIR in-line analysis”, Beilstein J. Org. Chem. (2012), 8, 300-307.

Nessa pesquisa, os cientistas demonstraram pela primeira vez a capacidade de um processo químico de fluxo contínuo realizar uma reação catalítica de transferência assimétrica por hidrogenação.  Para monitorar a formação do produto, um sistema ReactIR equipado com uma célula de fluxo ATR especialmente projetada foi utilizada e acoplado ao microrreator. Uma vez que um dos objetivos do trabalho era encontrar um conjunto ideal de condições para a reação, o ReactIR foi conectado ao final do fluxo da reação.  

Os esforços iniciais se concentraram na hidrogenação assimétrica da benzoxazina na presença de dihidropirina de Hantzsch como fonte de hidrogênio e um catalisador quiral de ácido de Brønsted. As bandas de infravermelho em 1.479 cm-1 e 1.495 cm-1 para o reagente benzoxazina e o produto dihidrobenzoxazina, respectivamente, foram usadas por motivos de rastreamento.

A capacidade de rastrear essas bandas em tempo real com a FTIR on-line forneceu os meios pelos quais a otimização da reação foi alcançada. 

Entre as várias vantagens de usar tecnologia de microfluxo para investigar reações é a capacidade de mudar rapidamente as variáveis da reação, como a concentração do reagente e do catalisador, a velocidade do fluxo, a temperatura, e observar o efeito dessas mudanças no resultado da reação.

Na hidrogenação catalítica assimétrica da benzoxazina em dihidrobenzoxazina, a temperatura da reação foi aumentada de 5 ^oC a 60 ^oC.  Os autores relataram a obtenção de um rendimento do produto de 98% realizando a reação a 60 ^oC a uma taxa de fluxo de 0,1 ml e um tempo de residência de 1 hora. 

Usando as informações desse trabalho inicial, o cientista aplicou esse protocolo de reação catalítica de microfluxo a uma série de benzoxazinas, quinolinas, quinoxalinas e 3H-indol.  As condições de reação para cada série foram otimizadas.

Os autores chegaram à seguinte conclusão: “Ao aplicar o monitoramento FTIR in-line, os parâmetros da reação podem ser avaliados rapidamente em uma única montagem de reação, e as condições ideais da reação podem ser obtidas muito mais rapidamente, em comparação à sequência clássica de conduzir a reação seguida da análise.”

Pequeno e Leve
O perfil dinâmico se encaixa facilmente em áreas fisicamente confinadas, como uma capela de exaustão.

Monitoramento da Reação sob Qualquer Condição Química
Há opções disponíveis para processo químico em lote ou em fluxo e uma variedade de condições incluindo reações de pressão/temperatura elevadas e reagentes corrosivos.

Sem Necessidade de Nitrogênio Líquido
As medições infravermelhas podem ser feitas continuamente e sem acompanhamento pelo tempo necessário para acomodar uma síntese. 

Software Poderoso
O software iC IR torna a preparação e a obtenção dos perfis da reação descomplicadas e intuitivas. A cinética iC e o software de análise cinética de progressão de reação utiliza os dados de infravermelho para obter fácilmente e rapidamente as informações sobre a velocidade da reação.

Nesse webinar, Huw M. L. Davies, professor de química na Universidade Emory, discute a espectroscopia Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) para compreender o efeito do precursor catalisador, substrato e carbenoide na velocidade e eficiências de reações catalisadas por ródio. Foram desenvolvidos sistemas otimizados com um substrato para concentração do catalisador acima de 1 milhão.

A apresentação inclui:

• O estudo dos carbenoides doador/receptor que são os intermediários centrais por trás do processo químico.
• Como aplicar carbenoides no processo para sintetizar produtos farmacêuticos.

• Otimização de Reação Catalítica
• Catálise Enzimática
• Monitoramento de Reações de Hidrogenação
• Medição de Reações de Polimerização
• Produtos Químicos Altamente Reativos

Abaixo encontra-se uma seleção de publicações relacionadas à indústria onde a Espectroscopia FTIR in situ foi usada para investigar reações catalisadas heterogêneas e homogêneas:

• Willcox, D., Nouch, R., Kingsbury, A., Robinson, D., Carey, J., Brough, S., Woodward, S.  “Kinetic Analysis of Copper(I)/Feringa-Phosphoramidite Catalyzed AlEt3 1,4-Addition to Cyclohex-2-en-1-one”, ACS Catal. 2017, 7, 6901−6908.
• Das, U., Higman, C., Gabidullin, B., Hein, J., Baker, R. T., “Efficient and Selective Iron-Complex-Catalyzed Hydroboration of Aldehydes”, ACS Catal. 2018, 8, 1076−1081.
• Fu, W., Nie, M., Wang, A., Cao, Z., Tang, W., “Highly Enantioselective Nickel-Catalyzed Intramolecular Reductive Cyclization of Alkynones”, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2520–2524.
• Höfler, D, van Gemmeren, M., Wedemann, P., Kaupmees, K., Leito, I.,  Leutzsch, M., Lingnau, J., List, B., “1,1,3,3-Tetratriflylpropene (TTP) – A Strong, Allylic C–H Acid for Brønsted and Lewis Acid Catalysis”, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1411-1415.
• Atodiresei, I., Vila, C., Rueping, M., “Asymmetric Organocatalysis in Continuous Flow: Opportunities for Impacting Industrial Catalysis”, ACS Catal. 2015, 5, 1972−1985.
• Zhang, Y-M., Yuan, M-L., Liu, W-P., Xie, J-H., Zhou, Q-L., “Iridium-Catalyzed Asymmetric Transfer Hydrogenation of Alkynyl Ketones Using Sodium Formate and Ethanol as Hydrogen Sources”, Org. Lett. 2018, 20, 4486−4489.