Hidroformilação ou Oxo Síntese/Processo Oxo

A hidroformilação, ou Oxo Síntese, é usada para a produção de aldeídos a partir de compostos de alquenos. A reação é catalizada por compostos de organo-ródio ou organo-cobalto e adiciona um átomo de hidrogênio à ligação C=C para formar uma ligação C-C e um grupo formil para a molécula, criando um aldeído. Os compostos de aldeído formados pela hidroformilação são a base para a síntese de muitos outros compostos, incluindo álcoois, aminas, ácidos carboxílicos etc. Dessa forma, a hidroformilação constitui uma das mais importantes sínteses químicas para a produção de produtos químicos em massa. Além disso, a hidroformilação usando catalisadores com ligação de ligante metálico específico é usada na síntese quiral de produtos químicos e farmacêuticos finos mais complexos. Apesar da hidroformilação ser considerada a aplicação de catálise mais homogênea, foram desenvolvidos vários sistemas de hidroformilação heterogêneos, frequentemente associados a complexos de ródio compatíveis em várias plataformas.

A hidroformilação é a origem de milhões de toneladas de produtos químicos industriais produzidos a cada ano. Os grandes volumes de 1-alquenos produzidos pela indústria petroquímica ajudam a direcionar o amplo uso da hidroformilação para processos químicos industriais. Embora os olefínicos cíclicos, de cadeia ramificada e cadeia mais longa possam ser hidroformilados, os produtos químicos iniciais mais comuns são etileno e propileno, que geram propionaldeído, n-butiraldeído e iso-butiraldeído. O propionaldeído de etileno pode ser hidrogenado para formar plastificadores, como dietil ftalatos e álcoois de cadeia de carbono longa usados como tensoativos e detergentes. Há um grande interesse e também esforços no desenvolvimento de catalisadores para hidroformilações assimétricas, resultando na formação de aldeídos específicos de enantiômero. Estes, por sua vez, são convertidos em um intervalo de moléculas quirais específicas que contêm grupos funcionais diferentes. 

O mecanismo geral de hidroformilação é bem entendido e as várias etapas no mecanismo resultam na formação de aldeídos lineares ou ramificados. Os aldeídos lineares são preferidos na maioria das aplicações industriais. Por isso, há interesse no desenvolvimento de uma química que aprimore a formação do produto linear. As principais etapas na formação de aldeídos lineares ou ramificados são a inserção dos ligantes de hidreto e de alqueno. O hidreto pode ser adicionado ao carbono de ligação dupla interna ou ao carbono de terminal. No caso anterior, é formado o aldeído linear. O último caso resulta na formação do aldeído ramificado. Adicionar ligantes mais volumosos ao centro metálico é uma maneira de favorecer a formação de aldeído linear. Por exemplo, adicionar um ligante de fosfina de trialquil (PR3) ao catalisador HCo(CO)4 aumenta significativamente a proporção de aldeído linear para ramificado formado.

Em relação ao catalisador, foram desenvolvidos novos complexos/processos específicos de ligante de cobalto e ródio que permitem que as hidroformilações ocorram a pressões e temperaturas mais baixas, e também fazem com que os catalisadores tenham uma vida útil mais longa. Além disso, há um esforço significativo no desenvolvimento de catalisadores e processos que controlam a regiosseletividade e a enantiosseletividade em hidroformilações assimétricas. Os catalisadores de ródio geralmente são mais eficientes em relação à taxa e podem operar em temperaturas e pressões mais baixas do que os catalisadores de cobalto. No entanto, foram desenvolvidos catalisadores de organo-cobalto mais novos que abordam a eficácia dos complexos de ródio muito mais caros. 

A hidroformilação assimétrica é muito interessante, empregando alquenos e gases de síntese prontamente acessíveis para sintetizar aldeídos aprimorados enantiomericamente a partir dos quais compostos enantioespecíficos com várias funcionalidades podem ser melhor sintetizados. Há desafios associados à hidroformilação assimétrica, como taxas de reação reduzidas que ocorrem como resultado da temperatura de reação mais baixa necessária para atingir a seletividade desejada. Para minimizar esses problemas, as hidroformilações assimétricas precisam de catalisadores organo-metálicos com ligantes diferentes daqueles usados, por exemplo, em reações de hidrogenação. As classes de ligantes para hidroformilações assimétricas incluem fosfina/fosfito, difosfitos, fosfolanos misturados etc.

Além do tipo de complexo catalítico usado, as hidroformilações assimétricas são afetadas pela temperatura de reação e pela pressão de CO, sendo que uma delas ou ambas alteram potencialmente a cinética da reação. Como exemplo, na hidroformilação assimétrica de estireno, usar pressões de CO mais altas facilita a formação de isômeros ramificados, enquanto que a pressão de CO mais baixa resulta em isômeros lineares. FTIR in-situ e Espectroscopia Raman são técnicas úteis para investigar a cinética de hidroformilações assimétricas catalisadas por metais com ligantes novos, assim como para determinar a influência de variáveis de reação no desempenho alcançado. Um entendimento mais completo das compensações entre a taxa de reação e a enantioespecificidade ajuda a determinar as variáveis de reação ideais para um complexo específico de catalisadores. 

Investigando Catalisadores de Hidroformilação e o Efeito de Condições de Reação no Desempenho de Reação

Em relação a catalisadores homogêneos, a espectroscopia molecular in-situ fornece informações estruturais sobre as espécies de reações ativas presentes, sendo que algumas delas podem ser temporárias. Ao medir as alterações dos grupos de carbonilo em catalisadores de hidroformilação de ródio e cobalto, pode-se inferir um insight substancial a respeito dos caminhos catalíticos e de mecanismos. A espectroscopia in-situ também mede diretamente a influência de variáveis de reação, como temperatura e pressão na seletividade e na atividade de hidroformilação. Os sensores diamante de Reflectância Total Atenuada (ATR) associados à tecnologia ReactIR lidam facilmente com as condições de reação de hidroformilação. Os espectrômetros Raman podem medir reações catalíticas de modo não invasivo por meio de janelas de quartzo em reatores de pressão. Em qualquer um dos casos, as informações são obtidas em tempo real sem interferir na condição de reação. A espectroscopia Raman provou ser útil na investigação de reações de hidroformilação heterogêneas.

Os reatores químicos EasyMax estão disponíveis com recipientes de pressão que variam de 50 mL a 100 mL de tamanho. O recipiente de 50 mL lidará com pressões até 200 bar; o recipiente de 100 mL acomodará pressões de 60 bar ou 100 bar. Esses recipientes de pressão elevada permitem medir processos catalíticos, como reações de hidrogenação e hidroformilações. O EasyMax oferece um controle automatizado sem paralelo das condições de reação e é ideal para síntese química, caracterização e análise de parâmetros. A tecnologia espectroscópica molecular in-situ ReactIR e ReactRaman integra-se perfeitamente aos recipientes de alta pressão EasyMax. O software iC gerencia automaticamente a temperatura, a pressão, a mistura e a taxa de dosagem do reator, bem como controla as medições 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 Shows Active Catalyst Species and Tracks Key Intermediates Providing Kinetic and Mechanistic Information

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, 10-14n.

As medições de ReactIR foram realizadas sobre a hidroformilação de 1-deceno por um catalisador de ródio com a molécula de difosfito, BiPhePhos, como ligante. As medições de IR in-situ da transformação do composto Rh precursor, Rh(acac)(CO)₂ para o catalisador ativado HRh(BiPhePhos)(CO)₂, eram de interesse especial. Esse último complexo foi identificado como o principal intermediário catalisador à medida que a hidroformilação continuou, e a degradação do catalisador por oxidação não foi observada uma vez que as ligações P=O não estavam presentes nos espectros IR. Os autores relatam que a frequência de inversão indica que a hidroformilação catalisada Rh-BiPhePhos é a primeira ordem com relação à concentração de 1-deceno e que a etapa que determina a taxa é a coordenação de olefínicos.

O complexo Rh precursor exibiu grupos Rh-CO em 2085 cm^-1 e 2014 cm^-1 e esses grupos desaparecem quando BiPhePhos é introduzido, indicando a substituição de CO pelo ligante difosfito. Depois da introdução de H₂, as vibrações de CO em 2077 e 2017 são observadas de maneira consistente com as atribuições de literatura para o complexo Rh-hydridodicarbonyl. Quando o olefínico é injetado, o grupo C=C em 1643 cm^-1 é observado. Este desaparece à medida que a hidroformilação continua simultaneamente à formação do grupo C=O undecanal intenso em 1729 cm^-1. A taxa normalizada desses grupos fornece a medição de conversão de 1-deceno e o cálculo do número de inversão. 

ReactIR Provides Insight into Reaction Pathways, Catalyst Selectivity and Activity

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

Os autores relatam que a hidroformilação de butadieno para adipaldeído por meio da catálise de organo-ródio é uma opção para a produção de compostos C₆, como ácido adípico e hexametilenodiamina. Por esse motivo, eles procuram melhorar a geração de adipaldeído obtendo insight sobre os caminhos de reação e para determinar como as condições de reação afetam a atividade e a seletividade. Os complexos Rh com oito ligantes diferentes foram sistematicamente investigados usando dados adquiridos de medições de IR in-situ. Eles relatam que para a hidroformilação de butadieno a 80 °C e pressão de gás de síntese de 14 bar (CO/H₂ molar = 1), a proporção de ligante/Rh, a concentração de ródio, a concentração de butadieno e a pressão de gás de síntese não afetam a seletividade do adipaldeído. No entanto, eles descobriram que a seletividade depende muito do tipo de ligante empregado e do ângulo do ligante. Com base nos dados de ReactIR, eles propõem que uma seletividade mais baixa pode resultar da formação do complexo η³-crotil de ródio estável com os vários complexos de Rh.

ReactIR Provides Insight into Catalyst Species, Activity and Stability

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

Os autores relatam o desenvolvimento de catalisadores de cobalto para hidroformilação de alquenos para formar aldeídos que são quase tão ativos quanto os catalisadores caros baseados em ródio. Esses catalisadores novos de hidrido-carbonilo de bifosfina de cobalto(II) catiônico são centenas de vezes mais ativos do que os catalisadores de cobalto neutros originais, HCo(CO)₄ e HCo(CO)₃(PR₃) e operam em condições mais amenas, como pressões mais baixas. Eles relatam que para alquenos lineares simples, esses catalisadores têm regioseletividade linear-a-ramificada (L:B) baixa, mas seletividade L:B alta para alquenos internos com ramificações de alquil. Além disso, descobriram que os novos catalisadores são resistentes à degradação e têm vida útil longa.

As medições de IR in-situ sob condições de reação reais revelam a presença de várias espécies de catalisadores catiônicos ativos e fornecem um insight da estabilidade do catalisador como uma função de tempo. As medições de ReactIR mostram poucas alterações na região de carbonilo dos espectros entre 33 e 96 horas. A solução catalisadora resultante foi testada e descobriu-se que ela é tão eficiente para a hidroformilação de hexeno quanto uma amostra precursora de catalisador novo.