Green Chemistry
5.3 Erbio (III) triflato come catalizzatore acido di Lewis
Come già accennato in precedenza, anche i triflati dei lantanidi (III) si sono rivelati essere ottimi catalizzatori acidi di Lewis. La loro acidità è stata valutata grazie all’utilizzo della spettrometria di massa e da questi studi è risultato che l’Erbio (III) è uno dei cationi più attivi;175 i suoi valori di pkh e di WERC sono, infatti, 7.9 e 1.4 x 108 rispettivamente, in
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perfetto accordo con gli studi di Kobayashi,3 effettuati sulla catalisi acida dei triflati. Tuttavia, l’erbio (III) triflato è stato inspiegabilmente trascurato finora, nonostante alcuni suoi ottimi risultati in reazioni riportate in letteratura.176
Tutto ciò ha portato il nostro gruppo di ricerca a studiare la sua attività come catalizzatore acido di Lewis.
L’Er(OTf)3 può essere riutilizzato senza significativa perdita di attività. Dopo il work-up,
la fase acquosa può essere svaporata a pressione ridotta per fornire il sale di Er(III), che può essere riutilizzato dopo anidrificazione per tutta la notte su P2O5.
Le condizioni sono praticamente neutre: una soluzione 0.1 M di Er(OTf)3 in acqua è solo
debolmente acida (pH 5.9), e lo strato acquoso dopo il work-up risulta essere anche meno acido (pH 6.6).
Per queste caratteristiche, è stato utilizzato come efficiente catalizzatore per le deprotezioni di acetali e chetali 177 (Schema 5.3.1).
OEt
EtO O
Er(OTf)3
Schema 5.3.1
Il triflato di Erbio (III) è risultato anche essere un ottimo catalizzatore nelle acilazioni di alcoli e fenoli e nelle peracetilazioni di carboidrati,178 permettendo in tutti casi una reazione rapida e quantitativa in acetonitrile anidro come solvente di reazione; è rilevante considerare che negli alcoli terziari non si osserva produzione di sottoprodotti di reazione e buone rese sono state ottenute anche in molecole funzionalizzate con doppi e tripli legami o con altri gruppi acetili; molecole chirali come il (+)-mentolo o il colesterolo sono stati protetti con lo stesso metodo con ritenzione di configurazione.
In questo meccanismo il triflato di erbio, comportandosi da acido di Lewis, attrae gli elettroni del gruppo carbonilico dell’anidride acetica, con conseguente attivazione del carbonio del carbonile, che si carica positivamente. Il nucleofilo attacca il carbonio carbonilico con formazione di un intermedio instabile e successiva formazione del prodotto acetilato (Schema 5.3.2).
5. Catalisi organometallica 93 O O O H3CO OCH3 Er ROH O O O H3CO OCH3 H R O Er + O OR H3CO O OH H3CO + R = gruppo alchilico o arilico
Schema 5.3.2
Una delle applicazioni sintetiche più interessanti del triflato di Erbio (III) è quella che interessa la chimica degli epossidi: è stato dimostrato, infatti, che esso interviene nel meccanismo di apertura dell’anello epossidico quando questo viene fatto reagire con un nucleofilo, e che ne catalizza il riarrangiamento a composti carbonilici e la trasformazione a diossolani (Schema 5.3.3): 179 O R' "R H O R' "R H Er a b Er(OTf)3 R' R " O O O R H R ' O R" O R" H Schema 5.3.3
Infine, il triflato di Erbio è stato anche utilizzato come catalizzatore per cicloaddizioni 1,3- dipolari di nitroni con alcheni in liquidi ionici, che portano all’ottenimento delle corrispondenti isossazolidine 180. In particolare, un rapporto nitrone/alchene/Er(OTf)3 di
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1:20:0.2 comporta la completa conversione a cicloaddotto in 3 ore a temperatura ambiente. Effettuando un confronto con le condizioni convenzionali presenti in letteratura 181 si è visto che le reazioni di cicloaddizione condotte in liquidi ionici risultano essere molto più veloci e selettive. Tali reazioni, sebbene con rese moderate, avvengono anche con vinil nucleobasi e conducono ad isossazolidinil nucleosidi, importanti dal punto di vista farmaceutico.
6. Organocatalisi
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6. Organocatalisi
6.1 Aspetti generali
Da alcuni decenni la catalisi asimmetrica, nell’ambito della chimica organica moderna, riveste un ruolo di primo piano sia in ambito accademico che industriale. Economicità, eco-sostenibilità ed efficacia del processo sono solo alcuni dei fattori che caratterizzano tale catalisi, giustificandone il vasto utilizzo in numerosi settori della chimica di sintesi. Inoltre, la crescente richiesta del mercato mondiale per prodotti enantiomericamente puri in campo farmaceutico, in agricoltura e nella chimica di prodotti naturali, rende i processi catalitici enantioselettivi molto interessanti.
Fino a poco tempo fa i catalizzatori impiegati per la sintesi stereoselettiva di molecole organiche potevano essere suddivisi essenzialmente in due categorie generali: complessi di metalli di transizione ed enzimi. Recentemente invece, ha avuto un enorme sviluppo un nuovo tipo di approccio catalitico basato sulla catalisi organica, l’organocatalisi, e quindi sull’utilizzo di organocatalizzatori.
L’organocatalisi è un tipo di catalisi che sfrutta piccole molecole organiche per accelerare processi chimici.
Prima del 1998, la catalisi asimmetrica veniva applicata utilizzando quasi esclusivamente complessi chirali di metalli di transizione, e ciò permetteva di realizzare un gran numero di ossidazioni, riduzioni, inserzioni su legami sigma, attivazione di legami p-greco e reazioni catalizzate da acidi di Lewis. L’inconveniente relativo al loro utilizzo però risiedeva nella tossicità dei metalli in questione, nel loro alto costo e nella loro sensibilità all’aria e all’umidità.
L’organocatalisi rappresenta un modo complementare per realizzare sintesi asimmetriche. I principali vantaggi dei catalizzatori organici derivano da tre fattori. Intanto le molecole organiche sono generalmente insensibili all’aria e all’umidità contenute nell’atmosfera, per cui non è necessario utilizzare speciali apparecchiature per condurre le reazioni o solventi e reagenti ultra dry. In secondo luogo, una grande varietà di reagenti organici, amminoacidi, carboidrati e idrossiacidi, sono disponibili da fonti naturali come singoli enantiomeri. Infine, piccole molecole organiche sono generalmente non tossiche. Un ulteriore vantaggio
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è la possibilità di seguire procedure sperimentali più semplici e di ridurre gli inquinanti negli scarichi.
Alcuni critici suggeriscono che il basso numero di turnover può limitare il potenziale uso degli organocatalizzatori per applicazioni a livello industriale. In un qualsiasi processo catalitico su larga scala però, le principali considerazioni riguardano i costi e la sicurezza. Poiché gli organocatalizzatori sono più economici dei catalizzatori basati su metalli, essi possono essere usati in maggiore quantità rispetto ai catalizzatori metallici, a parità di prezzo. Inoltre è noto che nei processi di produzione la rimozione di catalizzatori tossici presenti come impurezze negli scarichi ha spesso un maggiore impatto economico rispetto al numero di turnover del catalizzatore. Gli organocatalizzatori sono tipicamente meno tossici dei catalizzatori metallici e sono tollerati in gran quantità negli scarichi, dai quali comunque possono essere facilmente recuperati 182.
L’organocatalisi può essere distinta in “catalisi covalente” e “catalisi non covalente”. Fanno parte della catalisi covalente quei processi che coinvolgono la formazione di addotti covalenti tra il catalizzatore e i substrati nel ciclo catalitico, mentre appartengono alla catalisi non covalente quei processi basati su interazioni non covalenti, come legami a idrogeno o formazione di coppie ioniche.
La formazione di addotti substrato-catalizzatore può avvenire attraverso interazioni acido di Lewis-base di Lewis in un singolo step oppure attraverso reazioni a più stadi (multi-step reaction), come ad esempio la formazione di enammine da aldeidi ed ammine secondarie (Figura 6.1.1) 183.
Organocatalisi
A. Catalisi Covalente B. Catalisi Non Covalente
-catalisi nucleofilica, reazione di traferimento del gruppo acilico attraverso basi di Lewis, ammine e fosfoni
- catalisi mediante ammine di reazioni aldoliche,addizioni di
Michael, e relative trasformazioni
intermedi acil ammonio/fosfonio
- attivazione di composti carbonilici verso cicloaddizioni tramite legami a idrogeno di cationi amidinio, uree, dioli, ecc.
- catalisi a trasferimento di fase, formazione di coppie ioniche chirali
esempi: esempi: R' XR3 O X=N, P R R' O H H X X
6. Organocatalisi
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intermedi enammine e ione imminio N CO2H H N CR2 N O PhH2C O N reagente
reagente: enolati, nitronati, ecc. N
Figura 6.1.1
Sostanzialmente esistono quattro categorie di catalizzatori organici: basi di Lewis, acidi di Lewis, basi di Bronsted ed acidi di Bronsted. Questi catalizzatori svolgono la loro funzione fornendo o rimuovendo elettroni o protoni da un substrato o da uno stato di transizione. L’organocatalisi è governata soprattutto da catalizzatori basi di Lewis, come ad esempio ammine e carbeni, mentre gli acidi di Lewis, come i composti carbonilici, vengono utilizzati raramente 184. In questo capitolo l’attenzione sarà rivolta ad un particolare tipo di organocatalisi, quella dello ione imminio, che rientra nella particolare categoria della catalisi covalente mediante l’uso di basi di Lewis.