Hidroformilación o síntesis/proceso oxo

La hidroformilación, o síntesis oxo, se usa para la producción de aldehídos a partir de compuestos alquenos. La reacción se cataliza mediante compuestos de organorodio u organocobalto y añade un átomo de hidrógeno al enlace C=C para formar un enlace C-C y un grupo formilo para la molécula, lo que crea un aldehído. Los compuestos de aldehído formados mediante hidroformilación son la base de la síntesis de muchos otros compuestos, entre los que se incluyen los alcoholes, las aminas y los ácidos carboxílicos. Por lo tanto, la hidroformilación constituye una de las síntesis químicas más importantes para producir sustancias químicas a granel. Asimismo, la hidroformilación mediante catalizadores con un enlace metal-ligando específico se usa en la síntesis quiral de productos químicos y farmacéuticos finos más complejos. Aunque la hidroformilación se considera una aplicación de catálisis homogénea importante, se han desarrollado una serie de sistemas de hidroformilación heterogéneos, a menudo asociados con complejos de rodio sostenidos en varios andamios.

La hidroformilación es el origen de millones de toneladas de sustancias químicas industriales que se producen cada año. Los grandes volúmenes de 1-alqueno producido por la industria petroquímica ayuda a impulsar el uso extensivo de la hidroformilación para los procesos químicos industriales. Aunque la mayoría de olefinas de cadena larga, de cadena ramificada y cíclicas pueden someterse a hidroformilación, los productos químicos iniciadores más habituales son el etileno y el propileno, que producen propionaldehído, n-butiraldehído e iso-butiraldehído. El propionaldehído a partir de etileno puede hidrogenarse para formar plastificantes, como los ftalatos de dietilo y los alcoholes de cadena larga de carbono usados como tensoactivos y detergentes. Hay un interés y unos esfuerzos considerables en desarrollar catalizadores para hidroformilaciones asimétricas, lo que da como resultado la formación de aldehídos específicos de enantiómeros. A su vez, estos se convierten en una serie de moléculas específicas quirales que contienen diferentes grupos funcionales. 

El mecanismo general de hidroformilación se comprende correctamente y los diversos pasos del mecanismo dan como resultado la formación de aldehídos lineales o ramificados. Los aldehídos lineales se prefieren en la mayoría de las aplicaciones industriales, por lo que hay un interés en desarrollar un proceso químico que mejore la formación del producto lineal. Un paso clave en la formación de un aldehído lineal o ramificado es la inserción de los ligandos de hidruro y alqueno. El hidruro puede añadirse al carbono de doble enlace interno o al carbono terminal. En el primer caso, se forma el aldehído lineal; el segundo caso da como resultado la formación del aldehído ramificado. Añadir ligandos más grandes al centro del metal es una forma de favorecer la formación del aldehído lineal. Por ejemplo, añadir un ligando de trialquilfosfina (PR3) al catalizador HCo(CO)4 aumenta considerablemente la relación del aldehído de lineal a ramificado formado.

Con respecto al catalizador, se han desarrollado nuevos procesos/complejos específicos del ligando de cobalto y rodio que permiten que las hidroformilaciones se produzcan a presiones y temperaturas inferiores, además de producir una vida útil del catalizador más larga. Asimismo, se invierte un esfuerzo considerable en el desarrollo de catalizadores y procesos que controlen la regioselectividad y la enantioselectividad en las hidroformilaciones asimétricas. Los catalizadores de rodio son generalmente más eficaces con respecto a la velocidad y pueden operar a temperaturas y presiones inferiores que los catalizadores de cobalto. Sin embargo, se han desarrollado nuevos catalizadores de organocobalto que se acercan a la eficacia de los complejos de rodio mucho más costosos. 

La hidroformilación asimétrica es bastante atractiva, ya que emplea alquenos y gases de síntesis de acceso fácil para sintetizar aldehídos enriquecidos enantioméricamente de los que se pueden sintetizar compuestos enantioespecíficos con varias funcionalidades. Hay retos asociados con la hidroformilación asimétrica, como las velocidades de reacción bajas que se producen como resultado de la temperatura de reacción inferior que se requiere para lograr la selectividad deseada. Para minimizar estos problemas, las hidroformilaciones asimétricas requieren catalizadores organometálicos con ligandos que sean diferentes de los que se usan, por ejemplo, en las reacciones de hidrogenación. Entre las clases de ligandos para las hidroformilaciones asimétricas, se incluyen fosfina/fosfito combinados, difosfitas y fosfolanos.

Además del tipo de complejo catalítico usado, a las hidroformilaciones asimétricas les afecta la temperatura de reacción y la presión de CO, que pueden alterar potencialmente la cinética de la reacción por separado o en conjunto. Como ejemplo, en la hidroformilación asimétrica del estireno, usar presiones de CO más altas favorece la formación de isómeros ramificados, mientras que una presión de CO inferior da como resultado isómeros lineales. La espectroscopía FTIR in situ y la espectroscopía Raman son técnicas útiles para investigar la cinética de las hidroformilaciones asimétricas catalizadas por metales con ligandos innovadores, así como para determinar el efecto de las variables de la reacción en el rendimiento conseguido. Una comprensión más completa del término medio entre la velocidad de la reacción y la enantioespecificidad ayuda a determinar las variables de la reacción óptimas para un determinado complejo catalizador. 

Investigación de los catalizadores de hidroformilación y el efecto de las condiciones de la reacción en el rendimiento de la reacción

Con respecto a los catalizadores homogéneos, la espectroscopía molecular in situ ofrece información estructural sobre las especies presentes de la reacción activa, algunas de las cuales podrían ser transitorias. Si se miden los cambios de banda de carbonilo en los catalizadores de hidroformilación de rodio y cobalto, se puede extraer información significativa sobre el mecanismo y las vías catalíticas. La espectroscopía in situ también mide directamente el efecto de las variables de reacción como la temperatura y la presión en la actividad y la selectividad de la hidroformilación. Los sensores de reflectancia total atenuada (ATR) de diamante asociados con la tecnología ReactIR admiten las condiciones de reacción de la hidroformilación. Los espectrómetros Raman pueden medir las reacciones catalíticas de manera no invasiva a través de las ventanas de cuarzo de los reactores de presión. En cualquier caso, la información se obtiene en tiempo real sin interferir en la condición de la reacción. Se ha demostrado que la espectroscopía Raman es útil para investigar las reacciones de hidroformilación heterogéneas.

Los reactores químicos EasyMax están disponibles con recipientes de presión de diferentes tamaños, desde 50 ml hasta 100 ml. El recipiente de 50 ml resistirá presiones de hasta 200 bar; el recipiente de 100 ml soportará presiones de 60 bar o 100 bar. Estos recipientes de presión elevada permiten medir procesos catalíticos como las reacciones de hidrogenación y las hidroformilaciones. EasyMax ofrece un control automatizado sin igual de las condiciones de la reacción y es ideal para la síntesis química, el cribado de parámetros y la caracterización. Las tecnologías espectroscópicas moleculares in situ ReactIR y ReactRaman se integran a la perfección con los recipientes de alta presión EasyMax. El software iC gestiona automáticamente la temperatura del reactor, la presión, la velocidad de mezcla y dosificación, además de controlar las mediciones espectroscópicas moleculares.

• Si-min Yu, William Snavely, Raghunath V. Chaudhari, Bala Subramanian, “Butadiene hydroformylation to adipaldehyde with Rh-based catalysts: Insights into ligand effects”, Molec. Catalysis, 2020, 484, 110721
• Drew M. Hood, Ryan A. Johnson, Alex E. Carpenter, Jarod M. Younker, David J. Vinyard, George G. Stanley, “Highly active cationic cobalt(II) hydroformylation catalysts”, Science, 2020, 367(6477), 542-548
• J. M. Dreimann, E. Kohls, H. F. W., Warmeling, M., Stein, L. F. Guo, M. Garland, T. N. Dinh, A. J. Vorholt, “In-situ infrared spectroscopy as a tool for monitoring molecular catalyst for hydroformylation in continuous processes”, ACS Catal., 2019, 9(5), 4308–4319
• Andreas Jörke, Andreas Seidel-Morgenstern, Christof Hamel, “Rhodium-BiPhePhos catalyzed hydroformylation studied by operando FTIR spectroscopy: Catalyst activation and rate determining step”, J. Mol. Catalysis A: Chem., 2017, 426 Part A, 10-14
• Sebastian Schmidt, Eszter Baráth, Christoph Larcher, Tobias Rosendahl, Peter Hofmann, “Rhodium-Catalyzed Hydroformylation of 1,3-Butadiene to Adipic Aldehyde: Revealing Selectivity and Rate-Determining Steps”, Organometallics 2015, 34, 5, 841–847
• László T. Mika, László Orha, Eddie van Driessche, Ron Garton, Katalin Zih-Perényi, István T. Horváth, “Water-Soluble-Phosphines-Assisted Cobalt Separation in Cobalt-Catalyzed Hydroformylation”, Organometallics 2013, 32, 19, 5326–5332
• Daniela Fuchs, Géraldine Rousseau,  Lisa Diab, Urs Gellrich, Bernhard Breit, “Tandem Rhodium‐Catalyzed Hydroformylation–Hydrogenation of Alkenes by Employing a Cooperative Ligand System”, Angew. Chem. 2012, 51(9), 2178-2182
• Jaroslav Keybl and Klavs F. Jensen “Microreactor System for High-Pressure Continuous Flow Homogeneous Catalysis Measurements”, Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 11013–11022
• Benjamin Hentschel, Gregor Kiedorf, Martin Gerlach, Christof Hamel, Andreas Seidel-Morgenstern, Hannsjörg Freund, Kai Sundmacher, “Model-Based Identification and Experimental Validation of the Optimal Reaction Route for the Hydroformylation of 1‑Dodecene”,  Ind. Eng. Chem. Res. 2015, 54, 1755-1765

ReactIR muestra las especies del catalizador activas y realiza el seguimiento de los productos intermedios clave para ofrecer información cinética y mecánica

Andreas Jörke, Andreas Seidel-Morgenstern, Christof Hamel, “Rhodium-BiPhePhos catalyzed hydroformylation studied by operando FTIR spectroscopy: Catalyst activation and rate determining step”, J. Mol. Catalysis A: Chem., 2017, 426 Part A, 10-14.

Se realizaron mediciones ReactIR en la hidroformilación de 1-deceno mediante un catalizador de rodio con la molécula de difosfita, BiPhePhos, como ligando. Las mediciones IR in situ de la transformación del compuesto Rh precursor, Rh(acac)(CO)₂, al catalizador activado HRh(BiPhePhos)(CO)₂ fueron especialmente interesantes. Este último complejo se identificó como el principal producto intermedio catalizador a medida que continuó la hidroformilación, y no se observó degradación del catalizador mediante oxidación porque no había enlaces P=O en el espectro IR. Según los autores, la frecuencia de recambio indica que la hidroformilación catalizada mediante Rh-BiPhePhos es de primer orden con respecto a la concentración de 1-deceno y que el paso que determina la velocidad es la coordinación de olefina.

El complejo Rh precursor mostró bandas de Rh-CO a 2085 cm^-1 y 2014 cm^-1 y estas bandas desaparecen cuando se introduce BiPhePhos, lo que indica la sustitución del CO por el ligando de difosfita. Tras la introducción de H₂, se observan vibraciones de CO en 2077 y 2017, de acuerdo con las asignaciones de la bibliografía del complejo Rh-hidridodicarbonilo. Cuando se inyecta la olefina, se observa la banda C=C a 1643 cm^-1, que desaparece a medida que la hidroformilación transcurre simultáneamente a la formación de la banda C=O de undecanal intensa a 1729 cm^-1. La velocidad normalizada de estas bandas ofrece la medición de conversión de 1-deceno y el cálculo del número de recambio. 

ReactIR ofrece información sobre las vías de reacción, la selectividad del catalizador y la actividad

Si-min Yu, William Snavely, Raghunath V. Chaudhari, Bala Subramanian, “Butadiene hydroformylation to adipaldehyde with Rh-based catalysts: Insights into ligand effects”, Molec. Catalysis, 2020, 484, 110721

Según los autores, la hidroformilación de butadieno a adipaldehído mediante catálisis de organorodio es una opción para producir compuestos C₆, como el ácido adípico y la hexametilenediamina. Por esta razón, querían mejorar el rendimiento del adipaldehído obteniendo información sobre las vías de reacción y determinando cómo las condiciones de la reacción afectan a la actividad y a la selectividad. Se investigaron de manera sistemática complejos de Rh con ocho ligandos diferentes usando datos adquiridos de mediciones IR in situ. Según ellos, para la hidroformilación de butadieno a 80 °C y presión de gas de síntesis (molar CO/H₂ = 1) de 14 bar, la velocidad ligando/Rh, la concentración de rodio, la concentración de butadieno y la presión del gas de síntesis no afectan a la selectividad del adipaldehído. Sin embargo, descubrieron que la selectividad depende mucho del tipo de ligando usado y el ángulo de mordida del ligando. En función de los datos de ReactIR, proponen que podría darse una menor selectividad a partir de la formación del complejo η³-crotilo de rodio estable con los diversos complejos Rh.

ReactIR ofrece información sobre las especies, la actividad y la estabilidad del catalizador

Drew M. Hood, Ryan A. Johnson, Alex E. Carpenter, Jarod M. Younker, David J. Vinyard, George G. Stanley, “Highly active cationic cobalt(II) hydroformylation catalysts”, Science, 2020, 367(6477), 542-548

Los autores informan del desarrollo de catalizadores de cobalto para la hidroformilación de alquenos para formar aldehídos que son casi tan activos como los costosos catalizadores basados en rodio. Estos innovadores catalizadores de hidrido-carbonilo de bisfosfina de catión cobalto(II) son cientos de veces más activos que los catalizadores de cobalto neutrales originales, HCo(CO)₄ y HCo(CO)₃(PR₃), y operan en condiciones más suaves como presiones inferiores. Según ellos, para los alquenos lineales simples, estos catalizadores tienen una regioselectividad de lineal a ramificada (L:B) baja, pero una selectividad L:B alta para los alquenos internos con ramas alquílicas. Asimismo, han descubierto que los nuevos catalizadores son resistentes a la degradación y tienen una larga vida útil.

Las mediciones IR in situ con las condiciones de reacción reales revelan la presencia de varias especies de catalizador catiónico activo y ofrecen información sobre la estabilidad del catalizador como una función de tiempo. Las mediciones de ReactIR muestran pocos cambios en la región de carbonilo del espectro entre 33 y 96 horas. Se probó la solución de catalizador resultante y se descubrió que era tan eficaz para la hidroformilación de hexeno como una nueva muestra de precursor del catalizador.