Procesos de oxidación selectiva catalizados por oxidoperoxidocomplejos de molibdeno usando criterios de química sostenible

UNIVERSIDAD DE SEVILLA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÁNICA Procesos de oxidación selectiva catalizados por oxidoperoxidocomplejos de molibdeno usando criterios de química sostenible DOCTORANDO CARLOS JESÚS CARRASCO CARRASCO Sevilla, 2017 Procesos de oxidación selectiva catalizados por oxidoperoxidocomplejos de molibdeno usando criterios de química sostenible por Carlos Jesús Carrasco Carrasco Trabajo presentado para aspirar al Título de Doctor por la Universidad de Sevilla FDO: Carlos Jesús Carrasco Carrasco Los directores: FDO.: Francisco Montilla Ramos FDO.: Agustín Galindo del Pozo Profesor Titular de Universidad Catedrático de Universidad AGRADECIMIENTOS Muchos años han pasado desde mis inicios en el grupo de investigación FQM223. He dedicado un gran número de horas tanto dentro como fuera del laboratorio. Las aptitudes y actitudes adquiridas no se pueden expresar y todo el tiempo invertido en ello no se puede olvidar. Quiero agradecer a los directores de este trabajo, Drs. Francisco Javier Montilla Ramos y Agustín Galindo del Pozo, su constante apoyo, enseñanza y dedicación. Este agradecimiento me gustaría hacerlo extensivo a los restantes compañeros de grupo, Drs. Antonio Pastor Navarro y María del Mar Conejo Argandoña, que siempre me han ofrecido útiles consejos en relación a mi tesis doctoral. A todos mis compañeros de laboratorio, Drs. Matthew Herbert y Raquel Moyano, los graduados Elena Borrego Blanco, Miguel Ángel Gaona Fernández y Antonio Iglesias Nicasio, los pre-graduados Ana Luque Gómez, Sergio Vicente Valderrama, Ana Mª Montes Mari y Cristina Sumariva Villegas, les agradezco su ayuda, sus risas, sus fantásticos momentos y el compartir conmigo de forma agradable el trabajo en el laboratorio. Y por supuesto, a todos los compañeros que han hecho posible mi investigación y por consiguiente, la obtención de todos los resultados experimentales. Al equipo de RMN, Miguel Ángel Rodríguez Carvajal, Manuel Angulo Álvarez, Belén Fernández Alfaro, Miguel Ángel Garrido Blanco y Encarnación Zafra Rodríguez por acompañarme, animarme y aconsejarme en los innumerables análisis realizados en el CITIUS; al equipo de microanálisis, de espectrometría de masas y de caracterización funcional, por el esfuerzo y la rapidez con la que me entregaban los resultados y al Dr. Eleuterio Álvarez González, difracción de Rayos X de monocristal, quien con su rápida capacidad de resolución de estructuras me animaba a seguir con la investigación. Por cada nuevo compuesto cristalino obtenido, mis ánimos se incrementaban y mis ganas de obtener más resultados aumentaban. Os agradezco todo vuestro apoyo. Quiero dar las gracias a los compañeros de departamento que me han animado todo lo posible y, en particular, a quienes han compartido el máster conmigo casi en su totalidad y han realizado multitud de trabajos a mi lado: los licenciados Juan Francisco Blández Barradas y Elena Mª Jiménez Barrera; al Dr José Antonio Navío, por sus grandísimos momentos alimenticios, compartiendo su comida casera conmigo y sus charlas magistrales; y a mis dos compañeros y amigos, Mario Marín Gómez y Raquel Jiménez Rama, pertenecientes al grupo de investigación dirigido por una de las personas que mejor me han cuidado en el departamento de química Inorgánica, mi queridísima Dra. Mª Carmen Nicasio. Mario y Raquel han compartido el mayor número de horas conmigo, han aguantado y sufrido tanto con mis monólogos, mis quejas y mi pequeña hiperactividad, que merecen una medalla por ello. No puedo terminar sin mencionar a Mª del Carmen Jiménez Bautista, Noelia Sexto de los Santos y Mª del Carmen de los Santos Sales, por todos los desayunos compartidos, me ayudasteis a continuar día a día. Quiero agradecer también a otros compañeros interdepartamentales, los cuales han estado desde principio de la carrera y con quienes he convivido a lo largo de mi investigación. Nos hemos separado poco a poco, pero han estado ahí. En especial, quiero dedicar unas palabras al Ldo. Alejandro González Benjumea. Has estado siempre en todos los momentos más oportunos, en los momentos de estrés y en los momentos de tranquilidad. Te he visto como un compañero de clase o prácticas, un alumno de artes marciales y sobretodo, como te veo ahora, un amigo. Hemos compartido multitud de conversaciones en nuestros cortos coffee breaks y quiero mostrar mi agradecimiento por todo lo que me has contribuido como compañero y como amigo. Y por supuesto, agradezco especialmente el apoyo prestado a aquellas personas que han compartido conmigo toda mi vida, mi familia, sin la cual probablemente no estaría aquí. Cada sufrimiento, primero con la licenciatura, luego con el máster, y posteriormente el doctorado. Me habéis apoyado como siempre habéis hecho, a vuestra manera, pero tan intensa que me ayudaría a superar cualquier obstáculo. Gracias. La realización de esta Tesis Doctoral ha sido posible gracias a un contrato en el marco del proyecto CTQ2010-15515 (Ministerio de Educación, Ciencia e Innovación) y a la concesión de una beca de Excelencia de la Junta de Andalucía asociada al proyecto de investigación de excelencia P11-FQM-7079. i Índice Lista de abreviaturas utilizadas......................................................................................... 1 Resumen y objetivos ......................................................................................................... 5 1 Introducción ............................................................................................................ 11 1.1 Líquidos iónicos en química sostenible .......................................................... 12 1.1.1 Líquidos iónicos (RT-ILs) y algunas aplicaciones ..................................... 12 1.1.2 Líquidos iónicos quirales (LIQs) ................................................................ 14 1.1.3 Líquidos iónicos soportados (SILPs) .......................................................... 16 1.2 Reacciones de oxidación catalizadas por oxidoperoxidocomplejos de molibdeno(VI) ............................................................................................................ 21 1.2.1 Epoxidación de olefinas.............................................................................. 21 1.2.1.1 Oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno en procesos de epoxidación de olefinas: antecedentes y empleo de medios no convencionales. ................... 22 1.2.1.2 Síntesis de β-alcoxialcoholes a partir de epóxidos. Antecedentes. .... 29 1.2.2 Polioxometalatos de molibdeno.................................................................. 31 1.2.3 Oxidación selectiva de sulfuros y sulfoxidación asimétrica ....................... 34 1.2.3.1 Oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno en la oxidación selectiva de sulfuros 35 1.2.3.2 Oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno en sulfoxidación asimétrica 39 1.3 Reacciones de transferencia de átomos de oxígeno (OAT) catalizadas por oxidocomplejos de molibdeno .................................................................................... 43 1.3.1 Procesos de desoxigenación de epóxidos usando oxidocomplejos de molibdeno ............................................................................................................... 45 2 Resultados y Discusión. .......................................................................................... 51 2.1 Formación de β-alcoxialcoholes con oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno en disolventes convencionales y líquidos iónicos (LIs). ............................................ 51 2.1.1 Oxidación de ciclohexeno con peróxido de hidrógeno en presencia de alcoholes catalizada por complejos de molibdeno. ................................................ 51 2.1.2 Síntesis y caracterización estructural de los complejos [C4mim]4[Mo8O26] y [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2(µ-O)]. .............................................................................. 61 2.1.2.1 Octamolibdato de 1-metil-3-butilimidazolio, [C4mim]4[Mo8O26]. .... 61 2.1.2.2 Tetraperoxidodimolibdato de 2,4,6-trimetilpiridinio, [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2(µ-O)]. .......................................................................... 64 2.2 Oxidación selectiva de sulfuros en líquidos iónicos con oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno .................................................................. 69 2.2.1 Procesos catalíticos en la oxidación de sulfuros ......................................... 69 2.2.1.1 Influencia del disolvente, el oxidante y el catalizador en las reacciones de sulfoxidación .................................................................................................. 69 2.2.1.2 Influencia de la relación sustrato/oxidante en la sulfoxidación catalizada por oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno ................................... 74 2.2.1.3 Oxidación selectiva de sulfuros a sulfonas ......................................... 75 2.2.1.4 Oxidación selectiva de sulfuros a sulfóxidos ..................................... 77 2.2.1.5 Reciclado del catalizador .................................................................... 79 2.2.2 Reacción estequiométrica entre el complejo de molibdeno y el difenil sulfuro 80 2.2.3 Estudios de rayos X: caracterización estructural de distintos complejos de tipo octamolibdato .................................................................................................. 82 Lista de abreviaturas 4 Abreviaturas empleadas en los espectros de RMN s singlete d doblete t triplete c cuartete q quintete a ancho sx sextete m multiplete hep heptete oct octete 5 Resumen y objetivos La presente Tesis Doctoral pretende efectuar una contribución en el área de la Química Verde a través del estudio y desarrollo de nuevos sistemas catalíticos que sean activos en diversas reacciones de oxidación selectiva de substratos orgánicos (olefinas, sulfuros, etc.), llevadas a cabo siguiendo los criterios de la química sostenible. Con este fin, se ha seleccionado un sistema catalítico basado en oxidoperoxidocomplejos de molibdeno, que es simple, efectivo y económico. Además, el reactivo oxidante empleado, peróxido de hidrógeno, es abundante, barato y está catalogado como oxidante verde al no producir residuos perjudiciales para el medioambiente. Por otro lado, cuando ha sido posible, las reacciones se han realizado en disolventes no convencionales (green solvents), fundamentalmente líquidos iónicos, LIs, tanto en su empleo como simples disolventes como soportados en materiales sólidos porosos (SILPs). Finalmente, en todos los casos, se han planteado la separación y el reciclado del catalizador, que es una de las condiciones básicas para que un proceso alternativo sea económico y aceptable desde el punto de vista del desarrollo sostenible. En este contexto se plantearon inicialmente una serie de objetivos generales para el presente proyecto de Tesis, que se pueden esquematizar en los siguientes puntos:  Estudiar las reacciones de epoxidación de olefinas, catalizadas por complejos de molibdeno, y la funcionalización de los correspondientes epóxidos a través de reacciones de apertura del anillo.  Investigar las reacciones de oxidación selectiva de sulfuros orgánicos, catalizadas por complejos de molibdeno, y extender el estudio a los sulfuros proquirales, tanto en disolventes convencionales como en líquidos iónicos y en líquidos iónicos soportados en materiales sólidos porosos (SILPs).  Analizar el comportamiento de los oxidocomplejos de molibdeno con ligandos acilpirazolonato como catalizadores de diversos procesos químicos. 6 Relación completa de los compuestos preparados en la presente Memoria: [H(3,5-Me2pz)]4[Mo8O26(3,5-Me2pz)2]·2(3,5-Me2pz) [H(3-Mepz)]4[Mo8O26(3-Mepz)2]·2H2O [MeAlamim]I [MeAlamim]PF6 H[(R,R)-LiPr] H[(S,S)-LtBu] Na[(S,S)-LiPr] ImCl@SBA-15 MoO5@ImCl@SBA-15 MoO5@SBA-15 [Bu4N]2[Mo6O19] [MoO(O2)(QHe)2] [MoO(O2)(QnPe)2] [MoO(O2)(QCy)2] Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)] [C4mim]4[Mo8O26] Na[MoO(O2)2(H2O)]2(μ-LiPr)] [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2(µ-O)] [Hpz]4[Mo8O22(O2)4(pz)2]·3H2O 7 Durante la realización de la Tesis se han publicado los siguientes artículos:  Molybdenum-catalysed oxidation of cyclohexene with hydrogen peroxide in the presence of alcohols and X-ray structures of octamolybdate [C4mim]4[Mo8O26] and tetraperoxodimolybdate [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2(µ-O)] complexes. Carrasco, C. J.; Montilla, F.; Álvarez, E.; Herbert, M.; Galindo, A. Polyhedron 2013, 54, 123–130.  Experimental and theoretical insights into the oxodiperoxomolybdenumcatalysed sulphide oxidation using hydrogen peroxide in ionic liquids. Carrasco, C. J.; Montilla, F.; Alvarez, E.; Mealli, C.; Manca, G.; Galindo, A. Dalton Trans. 2014, 43, 13711–13730.  Oxodiperoxomolybdenum complex immobilized onto ionic liquid modified SBA-15 as an effective catalysis for sulfide oxidation to sulfoxides using hydrogen peroxide. Carrasco, C. J.; Montilla, F.; Bobadilla, L.; Ivanova, S.; Odriozola, J. A.; Galindo, A. Catal. Today 2014, 255, 102–108.  Molybdenum-catalyzed asymmetric sulfoxidation with hydrogen peroxide and subsequent kinetic resolution, using an imidazolium-based dicarboxylate compound as chiral inductor. Carrasco, C. J.; Montilla, F.; Galindo, A. Catal. Commun. 2016, 84, 134–136. 1 Introducción Introducción 11 1 Introducción Los conceptos de Química Sostenible junto con el similar, pero algo diferente, de Química Verde, se han convertido en la actualidad para la comunidad científica en conceptos que deben ser considerados y aplicados en cualquier proceso químico. La OCDE (Organización de Cooperación y Desarrollo Económico) declara que "la química sostenible es un concepto científico que busca mejorar la eficiencia con la que los recursos naturales se utilizan para satisfacer las necesidades humanas de productos y servicios químicos. La química sostenible abarca el diseño, la producción y el uso de productos y procesos químicos eficientes, eficaces, seguros y más benignos con el medio ambiente".1 La química sostenible establece que la razón costo/beneficio de cada proceso químico tiene que considerar el riesgo sostenible asociado, minimizando el riesgo se pretende reducir la contaminación ambiental y asegurar una buena calidad de vida y un crecimiento económico.2 La Química Verde, sin embargo, es la investigación para el desarrollo de procesos químicos más beneficiosos con el medio ambiente, con el fin de prevenir la contaminación y conservar la salud humana. Anastas y Warner, considerados los padres de esta disciplina, definieron la Química Verde como "la utilización de un conjunto de principios que reducen o eliminan el uso o la generación de sustancias peligrosas en el diseño, la fabricación y la aplicación de productos químicos".3 Esta definición se desarrolló en los bien conocidos 12 principios de la Química Verde, que fueron ampliados posteriormente por Wirterton.4 En la presente Tesis Doctoral se ha pretendido aplicar estos principios de la química verde, en la medida de lo posible, al estudio de las reacciones de oxidación selectiva de distintos sustratos orgánicos usando complejos de molibdeno como catalizadores. Así, las reacciones de oxidación investigadas se encuentran catalizadas (9º principio), se ha reducido el número de etapas en el proceso catalítico de la reacción (8º principio), se han empleado cuando ha sido posible disolventes no convencionales (5º principio) y se ha hecho uso de un oxidante benigno como el peróxido de hidrógeno que no genera sustancias tóxicas o perjudiciales para el medioambiente (3er y 4º principio). Introducción 12 1.1 Líquidos iónicos en química sostenible Como bien es sabido, la producción desmesurada de residuos en los procesos industriales es uno de los problemas ambientales más preocupantes que existen hoy en día en distintas áreas de la química. El desarrollo de nuevas metodologías sintéticas, que eliminen o en su defecto reduzcan estos residuos, es como se acaba de comentar uno de los objetivos de la llamada Química Verde o “Green Chemistry”.3,5–7 Dentro de los residuos obtenidos cabe diferenciar entre aquellos que se originan junto con los productos deseados que se quieren obtener en un determinado proceso químico, como son los productos secundarios o los indeseados,8 y aquellos que no se recuperan de forma eficiente, como por ejemplo los disolventes orgánicos volátiles utilizados en el proceso. El impacto ambiental que tienen estos últimos es considerable. Se ha estimado que en torno al 85% del total de la masa de los productos químicos involucrados en la industria farmacéutica son disolventes y que la eficacia de su reciclado está comprendida en un rango del 50-80%.9 Por ello, el rediseño y la sustitución progresiva de aquellos procesos que utilizan disolventes orgánicos por procesos menos contaminantes debe ser otro objetivo básico que se plantee la química hoy en día.10 Entre las posibles soluciones al problema de la creación de residuos debido a los disolventes orgánicos se encuentran las reacciones que minimicen la utilización de estos disolventes. Ello puede conseguirse bien mediante la utilización de disolventes no convencionales (como los líquidos iónicos a temperatura ambiente (RT-ILs), los líquidos iónicos quirales (LIQ) o los líquidos iónicos soportados (SILPs)) o bien a través de reacciones realizadas en ausencia de disolvente. Dado que la presente Tesis se han empleado los LIs como disolventes no convencionales describiremos a continuación algunas características generales de los mismos para las tres tipologías: RT-ILs, LIQs y SILPs. 1.1.1 Líquidos iónicos (RT-ILs) y algunas aplicaciones Aunque se conocen desde hace tiempo, ha sido en los últimos años cuando se ha observado un creciente y significativo interés acerca de los líquidos iónicos a temperatura ambiente (RT-ILs),11,12 especialmente aquellos basados en el catión 1-N- Introducción 13 alquil-3-metilimidazolio.13–18 Los LIs son compuestos iónicos con un punto de fusión por debajo de los 100 ºC y, en particular, los denominados RT-ILs (Room Temperature Ionic Liquids) son sales cuyo estado de agregación es líquido a la temperatura ambiente. Esta propiedad los convierte en compuestos potencialmente útiles como disolventes. En particular, los que se han investigado como disolventes para procesos químicos se encuentran típicamente constituidos por un catión orgánico (alquilimidazolio, N-alquilpiridinio, tetraalquilamonio, tetraalquilfosfonio, etc.) y un anión inorgánico (por ejemplo, [PF6]-, [BF4]-, [(CF3SO2)2N]-, [CF3SO3]-, [CH3CO2]-, [CF3CO2]-, [NO3]-, [Al2Cl7]-, etc.)19,20 (Figura 1.1). Figura 1.1. Cationes (superior) y aniones (inferior) normalmente utilizados en los líquidos iónicos. Estos LIs tienen propiedades intrínsecamente útiles, tales como estabilidad térmica, alta conductividad iónica, presión de vapor despreciable y una gran ventana electroquímica. Dependiendo de la naturaleza del anión y del grupo alquilo del catión, los RT-ILs pueden solubilizar compuestos carbonílicos, alcoholes, haluros de alquilo, CO2 supercrítico (scCO2), y también complejos de metales de transición (propiedad que aprovecharemos en esta memoria). Además, pueden tener baja miscibilidad con éteres dialquílicos (permitiendo su uso como medio para extraer los productos en el tratamiento posterior a la reacción catalítica), alcanos, agua y pueden llegar a ser insolubles en scCO2.13,14,21–24 Por estas razones, los RT-ILs pueden usarse como un medio de reacción reciclable y alternativo para los procesos químicos. Así, se han publicado varios ejemplos de su utilidad en biocatálisis25–27 y en diversos procesos Introducción 21 1.2 Reacciones de oxidación catalizadas por oxidoperoxidocomplejos de molibdeno(VI) Las reacciones de oxidación juegan un papel fundamental en la industria química donde una variedad de productos químicos e intermedios útiles, tales como dioles, epóxidos, alcoholes y derivados carbonílicos, se obtienen mediante este tipo de reacción. Uno de los inconvenientes de estos procesos es la producción de residuos ya que en algunos casos las reacciones se llevan a cabo de forma estequiométrica y utilizan oxidantes con baja economía atómica o que generan subproductos nocivos para el medio ambiente. La alternativa es la implementación de los criterios de la Química Verde en estos procesos, tanto a nivel industrial como a escala de laboratorio. Ello implicaría la substitución de las reacciones estequiométricas por procesos catalizados por complejos metálicos y el empleo de oxidantes que no sean perjudiciales al medio ambiente como el oxígeno,97 el peróxido de hidrógeno98 y los alquilhidroperóxidos (como el TBHP). Por estas razones hay una fuerte demanda para desarrollar nuevos catalizadores que sean altamente activos y selectivos en las reacciones de oxidación utilizando oxidantes verdes, lo que representa un campo de investigación de gran importancia en la actualidad.99,100 De todos los procesos de oxidación, en los siguientes apartados se tratarán los antecedentes de aquellos específicamente relacionados con los resultados que se presentan en esta memoria: las reacciones de epoxidación de olefinas, la oxidación de sulfuros y la reacción de desoxigenación de epóxidos como ejemplo de una reacción de transferencia de átomo de oxígeno (OAT). Para estas transformaciones existen una gran variedad de sistemas catalíticos que emplean compuestos de diversos metales como precursores catalíticos. Se prestará especial atención a aquellos sistemas en los que se usan complejos de molibdeno como las especies catalíticamente activas. 1.2.1 Epoxidación de olefinas La epoxidación catalizada de olefinas utilizando O2 como oxidante es un proceso posible, pero solo se realiza a escala significativa para el caso del etileno.101 La epoxidación de olefinas más pesadas se consigue generalmente mediante el uso de Introducción 22 reactivos de naturaleza peroxídica en cantidades estequiométricas, por ejemplo usando el ácido peracético o el ácido m-cloro-perbenzoico.102,103 La epoxidación se puede conseguir de manera catalítica empleando compuestos metálicos en alto estado de oxidación (como por ejemplo derivados de Ti,104–106 V,107 W,108–110 Re111–118 y Mo119,120), con el empleo de oxidantes más benignos desde el punto de vista medioambiental como el peróxido de hidrógeno e hidroperóxidos orgánicos.100,121–125 En estos sistemas las conversiones y selectividades dependen mucho de factores como la temperatura, el pH y la polaridad del medio de reacción, además evidentemente de la naturaleza del catalizador. La bibliografía relativa a la epoxidación de olefinas es muy extensa por lo que se ha considerado necesario restringir para que esta introducción sea breve a los aspectos íntimamente relacionados con los resultados de esta memoria. Por ello, se comentarán los antecedentes relacionados exclusivamente con los oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno. 1.2.1.1 Oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno en procesos de epoxidación de olefinas: antecedentes y empleo de medios no convencionales. Los complejos de molibdeno en alto estado de oxidación son catalizadores activos para la epoxidación de olefinas en presencia de reactivos peroxídicos como peróxido de hidrógeno o hidroperóxidos de alquilo. Durante las últimas décadas, los sistemas con grupos óxido, peróxido, alcóxido, acetato, acetilacetonato o halogenuros han sido investigados, aunque la constitución química de las especies activas ha seguido siendo en ciertos casos objeto de especulación. La epoxidación de olefinas realizada por oxidantes de tipo peróxido se ha llevado a cabo empleando diversos precursores, como por ejemplo [Mo(CO)6], [(η5-C5H5)MoO2Cl], [MoO2Cl2], [MoO2(acac)2], y diversos compuestos tipo clúster de molibdeno o incluso molibdeno metálico.124,126–129 Conviene hacer notar que una gran parte de los sistemas descritos en la bibliografía para la reacción de epoxidación de olefinas, catalizada por complejos de molibdeno, emplean alquilhidroperóxidos, y en particular terc-butilhidroperóxido (TBHP), como oxidante terminal. Como ejemplo significativo, Thiel y colaboradores consiguieron buenas conversiones en la reacción de epoxidación de una amplia variedad de olefinas cíclicas, lineales y funcionalizadas mediante el uso de un catalizador de Introducción 23 molibdeno y TBHP como oxidante.130 El sistema permite buenas selectividades hacia epóxido, sin observarse procesos de apertura del epóxido para dar el diol o el correspondiente terc-butil éster. En la presente discusión no se tratará con más detalle este tipo de reacciones que usan hidroperóxidos orgánicos, centrando la atención en los procesos que emplean H2O2 como un oxidante menos contaminante. A pesar de que han sido investigados multitud de complejos de molibdeno, la familia de compuestos de tipo oxidodiperóxido, [MoO(O2)2Ln], presentan un especial interés tanto desde un punto de vista económico (son mucho más baratos que los derivados de renio), como por su simplicidad. De hecho, el acuocomplejo [MoO(O2)2(H2O)n] (Esquema 1.3) en disolución acuosa, utilizado ampliamente en esta memoria, se prepara sin ninguna complejidad sintética mediante la reacción simple entre el óxido de molibdeno(VI) y el peróxido de hidrogeno acuoso.119 Esquema 1.3. Reacción de formación del acuocomplejo [MoO(O2)2(H2O)n]. El primer ejemplo de un oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno empleado en la oxidación de olefinas se debe al grupo de trabajo de Mimoun, quien describe en 1969 la epoxidación de ciclohexeno de manera estequiométrica con el derivado [Mo(O)(O2)2(HMPA)] (HMPA = hexametilfosforamida) (Esquema 1.4).120,131 La adición al sistema de H2O2 como oxidante terminal permite regenerar el oxidodiperoxidocomplejo de partida de manera que se consigue cerrar el ciclo catalítico. Esquema 1.4. Epoxidación estequiométrica de olefinas con el complejo [Mo(O)(O2)2(HMPA)]. Uno de los sistemas más eficientes hasta la fecha en epoxidación ha sido descrito por Bhattacharyya y colaboradores, empleando oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno,132–135 con ligandos bidentados de tipo N-, O-donadores (por ejemplo, PMePh3[MoO(O2)2(PyCO)] donde PyCO es el ligando bidentado piridina-2- Introducción 24 carboxilato) y bicarbonato de sodio como co-catalizador. El sistema muestra una actividad catalítica excepcional en la reacción de epoxidación de una gran variedad de substratos olefínicos. Los autores atribuyen la alta actividad a la presencia del bicarbonato sódico que en la reacción con el H2O2 forma el monoperoxidocarbonato, HCO4-. La reacción con esta especie podría facilitar la fácil regeneración de los ligandos peróxido en el complejo metálico. La capacidad del hidrogenocarbonato de sodio para efectuar la epoxidación por sí solo es conocida,136,137 pero en este caso es probable que su participación sea exclusivamente la de facilitar la regeneración del catalizador. Un problema en el diseño de catalizadores basados en oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno es la capacidad que muestran para oxidar catalíticamente muchas clases de compuestos, incluyendo algunos ligandos. Por ejemplo, los de tipo fosfano que se oxidan a sus correspondientes óxidos, de manera simultánea a la oxidación del pretendido sustrato, lo que impediría su uso en estos procesos catalíticos. Jiménez y su grupo demostraron la eficacia en la epoxidación de olefinas de un rango de oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno con varios óxidos de fosfano como ligandos (por ejemplo, [MoO(O2)2(R3PO)(L)] donde R es Me, Et, nPr, nBu o Ph y L puede ser MeOH, H2O, Ph3PO o nBu3PO).138 Observaron que los complejos que contenían óxidos de trialquil o trifenilfosfano como ligandos eran capaces de epoxidar olefinas en medios poco polares (diclorometano o cloroformo) de una manera estequiométrica y, en conjunto con oxidantes terminales como TBHP o H2O2, de forma catalítica. En un sistema bifásico empleando H2O2 acuoso como oxidante y un óxido de fosfano como surfactante, las conversiones fueron altas pero sólo para un rango limitado de sustratos y empleando temperaturas altas (40-70 ºC). En los últimos años se ha introducido la utilización de líquidos iónicos como medio de reacción en el estudio de las reacciones de epoxidación que emplean catalizadores de molibdeno. Hasta la fecha no son muchas las contribuciones realizadas y, en particular, el grupo de Romão ha investigado el proceso de epoxidación con TBHP en diversos LIs utilizando como catalizadores a ciclopentadienilcomplejos de molibdeno ([Mo(η5-C5R5)(CO)3X] con X = Me, Cl y R = H, Me)139 o a diversos dioxidoderivados de molibdeno (por ejemplo, [MoO2X2(p-tolil-(CH3-DAB))] donde X = Cl, Me y el ligando p-tolil-(CH3-DAB) es el N,N-p-tolil-2,3-dimetil-1,4diazobutadieno].140 Se ha demostrado que es posible el reciclado del conjunto LI/catalizador en este tipo de sistemas, aunque en algunos casos la selectividad no es muy alta debido a la apertura del epóxido. Introducción 25 Nuestro grupo de investigación ha realizado una contribución significativa en este campo a lo largo de los últimos años, introduciendo por vez primera en la bibliografía el empleo de líquidos iónicos como disolventes en el proceso de epoxidación de olefinas catalizado por oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno(VI). Así, la epoxidación de cis-cicloocteno con UHP (aducto del peróxido de hidrógeno con la urea) en [C4min]PF6 (líquido iónico que actúa como disolvente) presenta conversiones del 97 % cuando se usan (NH4)2Mo2O7 and MoO3 como precursores del catalizador. La especie catalíticamente activa, que se forma in situ, es el derivado [Mo(O)(O2)(H2O)n] (Esquema 1.5). El rendimiento elevado de la reacción es debido a la solubilidad de todos los reactivos (cis-cicloocteno, UHP y catalizador) en el LI.141–143 El uso de UHP en la epoxidación es crucial ya que el empleo de peróxido de hidrógeno acuoso en esta reacción no conduce al epóxido. La presencia de agua en el medio junto con el carácter ácido de la especie de molibdeno(VI) favorece la hidrólisis del epóxido al correspondiente diol. Esquema 1.5. Epoxidación de cis-cicloocteno en un líquido iónico usando UHP como oxidante y catalizada por [MoO(O2)2(H2O)n]. O [MoO(O2)2(H2O)n] / UHP [C4min]PF6 Una estrategia para disminuir la formación del diol por hidrólisis del epóxido en la epoxidación de olefinas sería el empleo de bases nitrogenadas de tipo pirazol, ya que otras bases nitrogenadas como las piridinas tienden a oxidarse en estas condiciones y pierden su eficacia como ligandos. Las bases nitrogenadas de tipo pirazol reaccionan con el complejo [MoO(O2)2(H2O)n] produciéndose el intercambio por las moléculas de agua y generando complejos como los que se muestran en la Figura 1.5. El uso de estos ligandos resistentes a la oxidación produce un aumento de la selectividad al epóxido en la reacción. Ello es debido a una disminución de la acidez del complejo por coordinación de la base nitrogenada, que bloquea además las posiciones de coordinación del centro metálico, produciendo una mejora de la actividad catalítica.144– 146 A partir del precursor simple [MoO(O2)2(H2O)n] se han sintetizado una variedad de complejos que contienen coordinados ligandos de diversas naturalezas: mono- (a) y bidentada (b) (Figura 1.5) y clústers de tipo polióxidoy polioxidoperoxidomolibdatos. Introducción 26 Sin embargo la baja solubilidad de un buen número de estos compuestos, en particular los que contienen ligandos bidentados, puede representar una barrera en su uso en reacciones de oxidación catalizadas en fase homogénea. Figura 1.5. Oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno. (a) (b) La modificación de la estructura del LI también contribuye a la mejora del proceso de epoxidación. Incrementando la longitud de la cadena alquílica del catión imidazolio en los LIs, se reduce su solubilidad en agua y, por lo tanto, la concentración de agua en el medio de reacción. Al limitar la disponibilidad de agua, se reduce moderadamente la velocidad de la reacción de hidrólisis obteniendo así un aumento considerable de la selectividad. Además, los líquidos iónicos empleados también son disolventes eficaces de los oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno, facilitando así su aplicación en catálisis homogénea. De entre los experimentos realizados, cuando se combinan bases N-heterocíclicas como aditivo y hexafluorofosfatos de 1-N-alquil-3metilimidazolio [Cnmim]PF6 como medio de reacción, se observó que las conversiones a epóxido en la reacción de epoxidación de cis-cicloocteno era completa usando 3,5dimetilpirazol (3,5-diMe2pz) en [C12mim]PF6 y 2 horas de reacción. En condiciones de reacción similares, el uso de un disolvente con una constante dieléctrica mayor como es el cloroformo, conducía a conversiones más bajas (23%). Una oxidación similar usando un LI con cadena alquílica menor como el [C8mim]PF6 en lugar de [C12mim]PF6 como disolvente de reacción, reducía la conversión de un 99% a un 84%. Para este último, la inmovilización del catalizador resultante en el LI permitió un reciclado muy eficaz y después de diez ciclos no se pudo observar una disminución significativa del rendimiento. Sin embargo, aunque se probó que el sistema era muy eficiente para la epoxidación de sustratos activados tales como cis-cicloocteno, su uso en otro tipo de sustratos no produce tan buenos resultados.146 Por otro lado, en fechas más recientes se ha descrito un estudio que analiza la epoxidación de cicloocteno usando dioxidotiocianatocomplejos de molibdeno como Introducción 27 catalizadores de la reacción.147 En el mismo año, Wang y colaboradores utilizan el sistema de Bhattacharyya antes comentado y son capaces de epoxidar una mezcla de metil oleato y metil linoleato en diversos LIs. El sistema puede ser reciclado al menos en cinco ocasiones sin pérdida de la selectividad y con una ligera disminución de la conversión.148 Los procesos de heterogeneización usando catalizadores homogéneos han sido considerados muy útiles tanto a escala industrial como de laboratorio y pueden considerarse métodos no convencionales ya que son ventajosos con respecto a los sistemas homogéneos convencionales debido a la buena dispersión de los reactivos en los sitios activos de los soportes, a la selectividad asociada y a su fácil reciclado gracias a la inmovilización del catalizador en el soporte sólido.149–153 La inmovilización del catalizador puede lograrse de varias maneras; o bien mediante la formación de un enlace covalente entre el soporte y el catalizador, por adsorción o formación de pares de iones o bien por tratamientos de encapsulación. Una de las estrategias más importantes era la transformación de materiales inorgánicos, es decir, la conversión de óxidos (SiO2, Al2O3, etc.) en materiales híbridos orgánicos e inorgánicos mediante la modificación de su superficie.150,152 La heterogeneización de soportes inorgánicos con alta área superficial mesoporosa es particularmente beneficiosa, ya que proporcionan propiedades texturales bien definidas que se encuentran limitadas en materiales amorfos debido a la ausencia de poros de estos últimos. En la mayoría de estas estructuras, las modificaciones superficiales se realizan por modificación superficial del soporte a partir de grupos funcionales orgánicos que son introducidos por interacción covalente con los grupos funcionales de la superficie porosa (grupos –OH para el caso de las sílicas). Los procesos de heterogeneización de catalizadores homogéneos de molibdeno en las reacciones de epoxidación de olefinas han sido investigados recientemente por Thiel y colaboradores.154 Un ejemplo de este tipo de procesos es la heterogeneización de un oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno, obtenido a partir de la reacción de la especie [MoO(O2)2(DMF)2] con el ligando bidentado (3-trietoxisililpropil)[3-(2-piridil)-1pirazolil]acetamida (TPPA) sobre los poros de una sílica mesoporosa de tipo MCM-41 (Ruta 2 en el Esquema 1.6).155 Este material híbrido se probó como catalizador en la reacción de epoxidación de cis-cicloocteno con hidroperóxido de terc-butilo (TBHP) como oxidante terminal a 61ºC. Todos los ensayos mostraron buenas actividades, y altas selectividades (casi 100%) al epóxido de cicloocteno. Estos resultados fueron análogos Introducción 28 a los descritos para los sistema homogéneos, previamente publicados por los mismos autores.130,156 Esquema 1.6. Esquemas de formación de un catalizador heterogéneo de oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno en un soporte mesoporoso de tipo MCM-41. Por otro lado, en un intento de mejorar el sistema catalítico anterior, los autores prepararon un catalizador híbrido mesomórfico orgánico-inorgánico por cocondensación del ligando (3-trimetoxisililpropil)[3-(2-piridil)-1-pirazolil]acetamida (TMPPA) y un ortosilicato de tetraetilo (TEOS) en presencia de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) como molde. El catalizador se completa a través del tratamiento del soporte híbrido con [MoO(O2)2(DMF)2] como se muestra en la Ruta 2 del Esquema 1.6.157 Este nuevo material híbrido se comporta como un catalizador Introducción 29 altamente activo y selectivo en la epoxidación de cis-cicloocteno con TBHP y mostró una excelente estabilidad frente a la pérdida del fragmento [MoO(O2)2]. 1.2.1.2 Síntesis de β-alcoxialcoholes a partir de epóxidos. Antecedentes. Los epóxidos son intermedios de interés en síntesis orgánica y una de las reacciones más comunes y de gran utilidad sintética es la reacción de apertura del anillo. La interacción de un epóxido con una variedad de nucleófilos permite generar compuestos bifuncionales a través de esta reacción.158 En general, los nucleófilos que contienen oxígeno se comportan como reactivos nucleofílicos pobres y, por esta razón, las reacciones suelen necesitar la presencia de un catalizador. En particular, se han descrito en la bibliografía distintos catalizadores efectivos para la reacción de apertura del anillo de epóxido con alcoholes (Esquema 1.7),159–164, aunque continúa siendo un reto en la actualidad la búsqueda de procesos estereoselectivos.158,165–171 Esquema 1.7. Reacción general de apertura del anillo de epóxido con alcoholes. La naturaleza del catalizador usado en la reacción de apertura del anillo es muy diversa y engloba tanto a bases como a ácidos de Lewis clásicos y a complejos metálicos con elementos de los bloques p, d y f (por ejemplo Er(III),172 Cu(II) y Sn(II),173,174 In(III),175,176 Sn(IV),177 Cr(II) y Cr(III),178 Al(III)179 y Co(III)180). En este apartado, por cuestiones de espacio, se discutirán tan sólo aquellos ejemplos donde la especie catalíticamente activa esté directamente relacionada con las investigaciones que se exponen en la presente memoria. De entre los ejemplos de apertura del epóxido por alcoholes catalizada por complejos metálicos, se quiere señalar la actividad catalítica que presenta el compuesto [MoO2Cl2] (Esquema 1.8). La alcoholisis del óxido de estireno se lleva a cabo en 2h con rendimientos comprendidos en el rango 79-95%, mientras que la reacción de metanolisis puede aplicarse a una gran diversidad de epóxidos.181 Introducción 36 molibdeno de formulación general [MoO(O2)2(L)2] se utilizan como catalizadores efectivos para la oxidación de sulfuros cuando esta se lleva a cabo con H2O2.228,258–260 Di Furia y Módena utilizaron los complejos de tipo [MoO(O2)2(L)] (por ejemplo, [MoO(O2)2(HMPT)]131 y [MoO(O2)2(HBPT)]261,262) como catalizadores para la oxidación selectiva de (p-ClC6H4)SCH3 al sulfóxido correspondiente.261 Las oxidaciones catalíticas se llevaron a cabo en un sistema bifásico de dicloroetano y H2O2 acuoso a 40 ºC. En 1988, el mismo grupo de Di Furia también exploró la posibilidad de usar complejos aniónicos con ligandos bidentados, sintetizados por vez primera por Mares,263,264 Figura 1.7, para la oxidación estequiométrica de sulfuros y sulfóxidos.248 Ambos complejos son activos en la oxidación de diversos sulfuros en 1,2-dicloroetano con rendimientos cuantitativos al sulfóxido a 40 ºC. Figura 1.7. Oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno(VI) sintetizados por Mares y utilizados en la oxidación de sulfuros por Di Furia. Las velocidades de oxidación en esta reacción aumentan con el carácter nucleofílico de los sustratos, es decir, nBu2S > PhMeS > Ph2S, lo que está de acuerdo con un proceso de oxidación que procede a través del ataque nucleofílico de los sustratos sulfuro a los ligandos peróxido del complejo de molibdeno. También se pudo confirmar que la naturaleza aniónica de los peroxidocomplejos de molibdeno reduce su capacidad como oxidantes electrófilos, en comparación con las peroxidoespecies neutras. Así, por ejemplo, el complejo [MoO(O2)2(HMPT)] es aproximadamente 1000 veces más reactivo que los catalizadores aniónicos de la Figura 1.7. Bhattacharyya y su grupo estudiaron, a partir de 2005, la actividad catalítica de oxidoperoxidocomplejos con el ligando 8-quinolinol (QOH)230,265 (Figura 1.8.(a)) tales como [MoO(O2)(QO)2] y Ph4P[MoO(O2)2(QO)] y con ligandos oxima (Figura 1.8.(b)) como Ph4P[MoO(O2)2(HPEOH)],238 en la oxidación de sulfuros con H2O2 como Introducción 37 oxidante en CH3CN a reflujo. Utilizando el catalizador Ph4P[MoO(O2)2(HPEOH)] en la oxidación de EtMeS, se obtuvo el sulfóxido correspondiente como producto principal con un rendimiento del 96% en 1 h. En la mismas condiciones de reacción, el Me2S y el BnEtS se convierten rápidamente en las respectivas sulfonas.238 De forma similar, usando el complejo [MoO(O2)(QO)2] la oxidación del sulfuro de dimetilo con H2O2 producía la dimetilsulfona con rendimientos del 85%. El uso de O2 en lugar de H2O2 dio como resultado la formación selectiva de DMSO sólo con un rendimiento del 21%.265 El empleo del catalizador aniónico Ph4P[MoO(O2)2(QO)] presentó una menor actividad catalítica.230 Figura 1.8. 8-Quinolinol (QOH) y el precursor del ligando oxima utilizados por Bhattacharyya en la oxidación de olefinas y sulfuros. QOH (a) HPEOH (b) En 2012, Bagherzadeh y su grupo utilizaron un oxidodiperoxidocomplejo con un ligando tridentado de tipo base de Schiff (L = benzoilsalicidenhidracina) como catalizador para la oxidación de diversos tipos de sustratos, como ArRS, Ar2S, Bn2S, PhBnS y R2S, con el uso de UHP como oxidante (Figura 1.9(a)).232 Se obtuvieron buenos rendimientos de los correspondientes sulfóxidos en el rango 79-100%. Estos valores dependen de la naturaleza del sustituyente del sulfuro, observándose la conversión más baja, 79%, para el dioctil sulfuro. Por último, en 2014 se evaluó la actividad catalítica del complejo [MoO(O2)(phox)2] (Figura 1.9(b)) en la oxidación de varios sulfuros (ArRS, Ar2S, y R2S) con TBHP acuoso al 70% en CH3CN a temperatura ambiente.236 Se observó la oxidación selectiva de los sulfuros a los sulfóxidos con rendimientos altos (66-99%) en 30 minutos. En el caso del PhMeS, el empleo de dos o tres equivalentes de TBHP no disminuía la selectividad hacia el sulfóxido, mientras que el uso de UHP en condiciones idénticas de reacción produce una conversión completa en 5 min, pero con una menor selectividad al sulfóxido (78%). Introducción 38 Figura 1.9. Esquemas de los complejos (a) [MoO(O2)(L)(CH3OH)]232 y (b) [MoO(O2)(phox)2],266 utilizados como catalizadores en la oxidación de distintos sulfuros. (a) (b) En el apartado de los procesos en los que se realiza la heterogeneización del catalizador, Raghavan y su grupo publicaron la síntesis hidrotermal de un material de molibdeno adsorbido en sílica con relaciones Si/Mo (molar) entre 80-300.267 Se encontró que este material actúa como catalizador activo en la oxidación quimioselectiva de diversos sulfuros a los correspondientes sulfóxidos con H2O2 al 30% sin que se produzca la generación de sulfonas. Cass, Batigalhia y colaboradores investigaron igualmente este proceso utilizando los complejos [MoO(O2)2(py-O)(H2O)] y [MoO(O2)2(pz)(H2O)] adsorbidos sobre sílica.231 Se observa la oxidación quimioselectiva a los sulfóxidos con buenos rendimientos y una selectividad que estaba influenciada por la naturaleza del disolvente. El complejo [MoO(O2)2(pz)(H2O)] soportado reacciona dos veces más rápido que el derivado [MoO(O2)2(py-O)(H2O)], sin embargo con una menor selectividad al sulfóxido. Curiosamente, los complejos no soportados favorecen la sobreoxidación a la sulfona. En lo que se refiere a los complejos inmovilizados en un líquido iónico soportado podemos citar la contribución del grupo de investigación de Tarkhanova. En 2016 este grupo desarrolló la síntesis y el análisis comparativo de las propiedades catalíticas de materiales con molibdeno, que contienen derivados de imidazolio inmovilizados sobre soportes minerales de tipo sílica (Esquema 1.11), para la oxidación de sulfuros en un medio hidrocarbonado.268 Se utilizó oxígeno atmosférico para la oxidación de Et2S que es menos estable y se utilizó peróxido de hidrógeno para la oxidación PhMeS, más difícil de oxidar, con resultados casi cuantitativos. Introducción 39 Esquema 1.11. Síntesis de materiales con Mo inmovilizado sobre LI soportados en sílica. 1.2.3.2 Oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno en sulfoxidación asimétrica Los sulfóxidos enantioméricamente puros han demostrado ser auxiliares o intermedios quirales muy eficientes en varias transformaciones asimétricas.193 Asimismo, los sulfóxidos ópticamente activos también se usan en la industria farmacéutica. El fármaco más vendido en el mundo a finales de la década de 1990 fue el sulfóxido racémico Omeprazol, utilizado como inhibidor de la bomba de protones gástricos para tratar la inflamación inducida por el ácido y las úlceras del estómago y duodeno. Sus efectos antisecretor y clínico se mejoraron aún más mediante el uso de (S)-omeprazol (esomeprazol) ópticamente puro.269 La producción a gran escala de esomeprazol se logra ahora con éxito mediante la oxidación asimétrica del mismo sulfuro intermedio que se utiliza en la producción de omeprazol.270 Las rutas principales para obtener sulfóxidos quirales son: la resolución cinética de una mezcla racémica de sulfóxido, la modificación química del precursor de sulfóxido diastereoquímicamente puro y la sulfoxidación enantioselectiva de sulfuros proquirales. Excluyendo los procesos enzimáticos, esta última opción es la más atractiva y se han descrito en la bibliografía para este proceso catalizadores activos con complejos metálicos271–273 y sistemas sin presencia de metales.274 Particularmente, se ha demostrado la actividad catalítica de los complejos de metales de transición con titanio,270,275–280 vanadio,191,281–287 manganeso288,289 y hierro.290–293 Los complejos de molibdeno como catalizadores de la sulfoxidación enantioselectiva también se han explorado, pero siempre con resultados inferiores a los de los complejos de titanio o Introducción 40 vanadio.227,228,294–298 La búsqueda de otros sistemas catalíticos que sean complejos metálicos fácilmente accesibles, sencillos y robustos, seguros desde un punto de vista medioambiental, eficientes y compatibles con un oxidante "verde" fácilmente disponible, como el peróxido de hidrógeno acuoso, es de especial interés en sulfoxidación asimétrica.272 En 1995, Carofiglio investigó la oxidación enantioselectiva de los sulfuros con peróxido de hidrógeno acuoso en presencia de cantidades catalíticas de Na2MoO4 y de β-ciclodextrinas (β-CDs) funcionalizadas como ligandos quirales (Figura 1.10(a)) o catalizadores de molibdeno con un ligando bidentado de tipo etilendiamina derivado también de una β-ciclodextrina (Figura 1.10(b)) en la oxidación de tioanisol.228 En estas condiciones se forma un oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno(VI) que actúa como especie activa. En todos los casos se obtuvieron de buenos a excelentes rendimientos (62-98%) de PhMeSO a 20 ºC después de 2 h. Las enantioselectividades estaban en el intervalo de 17-60% (enantiómero R) dependiendo de la naturaleza del ligando y de las condiciones experimentales optimizadas empleando para ello como disolvente un sistema bifásico agua-dicloroetano para evitar la oxidación racémica por el oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno que también está presente en la mezcla de reacción. La disolución acuosa en metanol del catalizador con el ligando de la Figura 1.10(a) mostró el rendimiento más alto (98%) con un exceso enantiomérico del 60% al sulfóxido (R). Bajo las mismas condiciones, el uso de una CD no funcionalizada conduce a la formación de sulfóxido racémico. Años más tarde, Osborn y su grupo294 trabajaron en la síntesis de dioxidocomplejos de molibdeno con ligandos quirales de tipo 1-piridin-2-ilmentol a partir de los correspondientes dioxidocomplejos metálicos con acetilacetonato, [MoO2(acac)2]. Los resultados observados mostraban que estas especies eran activas en la epoxidación de olefinas terminales (20% de conversión y un 25% ee) con tBuOOH y en la oxidación de PhMeS con conversiones similares, selectividades al sulfóxido altas (90%) y excesos enantioméricos de hasta 18% usando H2O2 como oxidante. En 2006, la utilización de los complejos preparados a partir de [Mo(acac)2] y ácidos bis-hidroxámicos (Figura 1.10(c)) y el empleo de tritilhidroperóxidos (CPh3OOH) como oxidante proporcionaron los sulfóxidos con buenos rendimientos (66-99%) y excesos enantioméricos entre 54-86%. Un aumento en la cantidad de oxidante y en el tiempo de reacción dieron lugar a una mejora considerable de la enantioselectividad (92-99% ee), como resultado de la resolución cinética.299 Introducción 41 Posteriormente, se utilizaron complejos de molibdeno con ligandos derivados de ciclodextrinas (Figura 1.10(d)) para oxidar alquilarilsulfuros con peróxido de hidrógeno observándose enantioselectividades modestas (35-65% ee).295 También se introdujo el uso de ligandos bidentados de tipo 1,1’-bi-2-naftol (Figura 1.10(e)), [MoO2(BINOL)(THF)2], originándose altos rendimientos a sulfóxido (87%) con TBHP en cloroformo a bajas temperaturas (-30 ºC) y en cortos tiempos de reacción (6-15 min), pero con ee menores del 5%.237 Finalmente, el empleo de complejos de molibdeno con ligandos tridentados como los representados en los apartados f y g de la Figura 1.10 produjo conversiones del 80% y excesos enantioméricos al (S)-sulfóxido del 55298 y 13%,300 respectivamente. Figura 1.10. Algunos ligandos utilizados para las reacciones de sulfoxidación asimétrica catalizadas por complejos de molibdeno. (a) (b) R = p-isopropilfenilo (c) (d) (e) (f) Introducción 42 (g) Introducción 43 1.3 Reacciones de transferencia de átomos de oxígeno (OAT) catalizadas por oxidocomplejos de molibdeno Las reacciones de transferencia de átomos de oxígeno (oxygen atom transfer, OAT, frecuentemente abreviada como oxo-transfer) responden a la reacción general recogida en el Esquema 1.12. Para que esta reacción se produzca es necesario: (a) que los reactivos XO/X sean dadores/aceptores de átomos de oxígeno; (b) que la oxidación o reducción del centro metálico M, donde el estado de oxidación cambia de z a z+2 o viceversa, resulte exclusivamente de la transferencia de un átomo de oxígeno; y (c) que el oxígeno transferible o transferido (x = 0-3) sea de tipo óxido y esté directamente coordinado al metal M en modo terminal o puente. El número de co-ligandos (y) no tiene que ser necesariamente constante en el reactivo o en el producto y XO en la reacción inversa puede encontrarse coordinado al centro metálico M. El requisito (b) se extiende fácilmente a los casos polinucleares, en los que debe haber una oxidación/reducción neta del conjunto de átomos de M. Una situación frecuentemente encontrada en estos casos es aquella en la que el producto final es una especie µ-oxido binuclear en la que el estado de oxidación de M se ha incrementado en una unidad. Todas las reacciones de transferencia de grupos oxido (reacción inversa del Esquema 1.12) implican la participación de una especie oxidometálica que contenga al menos un ligando oxido terminal. Esquema 1.12. Reacción de transferencia de un átomo de oxígeno. La primera revisión sobre reacciones OAT se debe a Holm y a pesar de que aparece en 1987 se trata de una revisión muy completa, que constituye todavía una referencia básica, y que se ha convertido en la actualidad en un artículo clásico en el tema.301 En este artículo se destaca la importancia del molibdeno en las reacciones OAT tanto por el número de reacciones OAT conocidas para el mismo como por el número de sistemas catalíticos estudiados basados en este elemento. Se establece en el artículo de Holm cuatro tipos de reacciones OAT para el molibdeno, en función del estado de oxidación del metal: Introducción 44 (a) Reacciones de Mo(II)  Mo(IV) y Mo(III)  Mo(V) (b) Reacciones de Mo(VI)  Mo(IV) (c) Reacciones de Mo(IV)  Mo(VI) (d) Reacciones de Mo(V)  Mo(VI) El molibdeno forma un conjunto muy extenso de isopoliy heteropolianiones,302 siendo los aniones de tipo oxidomolibdato(VI) los responsables de la solubilidad de este elemento en el medio acuoso.303 Este hecho es la causa de que sea el elemento de transición más abundante en el agua de mar y forme parte de enzimas implicadas en reacciones OAT. Es por ello que el estudio de las reacciones OAT ha atraído una considerable atención en los últimos años debido a su importancia en diversos procesos biológicos enzimáticos (oxidotransferasas, reductasas, oxidasas, etc).304–306 Las estructuras cristalinas de algunas de estas enzimas han sido determinadas a lo largo de los años.307–310 En todos los casos, el sitio activo contiene un centro metálico mononuclear coordinado por uno o dos átomos de oxígeno, así como por las funcionalidades de ligandos ditioleno (ligandos divalentes insaturados coordinados al átomo metálico por dos átomos de azufre) de uno o más ligandos pterina adicionales. El fragmento de ditioleno parece que tiene la función de modular los potenciales redox del centro metálico para la consecución de una reactividad óptima en la reacción OAT.311,312 Debido a su relevancia tanto desde el punto de vista biológico como de su posible aplicación industrial, se han investigado extensamente las reacciones OAT que implican oxidocomplejos de molibdeno en alto estado de oxidación.313,314 Entre los oxidocomplejos estudiados en reacciones OAT podemos destacar aquellos que contienen ligandos ditiocarbamato,315,316 enoditiolato,317–322 e hidrotris(pirazolil)borato.323–325. En estos sistemas la reactividad OAT se ha investigado frente a una amplia variedad de sustratos modelo. De entre ellos el más simple y el más empleado es la utilización de un fosfano terciario que presenta como ventaja su solubilidad en disolventes orgánicos y la capacidad de modular su reactividad mediante los sustituyentes unidos al fósforo.326 Y como ejemplo de este tipo de transformaciones, la primera reacción de transferencia de un ligando oxido en un compuesto de molibdeno fue estudiada por Barral y su grupo en 1972. En este estudio el complejo [MoO2(S2CNtBu2)2] reacciona con PPh3 para obtener el derivado [MoO(S2CNtBu2)2] y O=PPh3. Cuando se acopla con la oxidación en presencia de aire de la especie Introducción 45 monoóxido para obtener la especie dióxido, se consigue un ciclo catalítico para la oxidación del trifenilfosfano al óxido de trifenilfosfano.327 De este tipo de reacción se han descrito innumerables ejemplos en la bibliografía, pero dado que en esta memoria se presentan resultados relacionados con un tipo concreto de reacción de oxo-transfer, la desoxigenación de epóxidos, a continuación se presentarán brevemente los antecedentes más significativos de este proceso. 1.3.1 Procesos de desoxigenación de epóxidos usando oxidocomplejos de molibdeno Los procesos de desoxigenación de epóxidos hasta las correspondientes olefinas tienen un elevado interés desde el punto de vista de la síntesis orgánica ya que constituyen una ruta sintética novedosa. Las primeras referencias sobre este proceso son reacciones estequiométricas con sales metálicas, que actúan como reductores del epóxido.328 Entre ellas podemos citar el empleo de sales de Cr(II)328 para esta reacción y los trabajos de Sharpless y McMurry con haluros de W392 y Ti,329 respectivamente. A continuación, como en otros apartados de esta introducción, centraremos la atención en aquellos resultados obtenidos con sistemas de molibdeno. En 1978, Green obtiene los metalocenos de formulación [M(C5H5)2] (M = Mo, W) mediante fotólisis, termólisis o reducción de los precursores apropiados. Estas especies de tipo metaloceno son activas en la desoxigenación de distintos epóxidos obteniéndose buenos rendimientos de las correspondientes olefinas de acuerdo con el Esquema 1.13.330 En el esquema se propone como intermedio del proceso de desoxigenación del epóxido una especie de tipo metalaoxaetano. Esta propuesta se ha visto confirmada por los estudios teóricos de Blomberg y Bäckvall en los que se concluye que el proceso de desoxigenación está favorecido para el caso del molibdeno.331 En 1981, Schwartz y Hayasi describieron la reacción estequiométrica entre diversos epóxidos y complejos de tipo β-dicetonato de vanadio(II) y molibdeno(II). La estereoespecificidad de la reacción era variable y dependía del tamaño de los sustituyentes del anillo oxirano y de la naturaleza del ligando β-dicetonato. Años más tarde, Moloy observó la eficiencia del complejo de molibdeno(IV) [MoO(Et2NCS2)2] en la desoxigenación estequiométrica selectiva de Resultados y Discusión. 52 Esquema 2.1. Reacción general de la formación directa de β-alcoxialcohol a partir de ciclohexeno, junto con los productos secundarios de la misma. MoO3 / H2O2 (aq) + O OR OH + OH OH (R = Me, Et, iPr) ROH Las reacciones se llevaron a cabo a pequeña escala y, de forma genérica, 1 mmol de substrato se hace reaccionar con 1.5 equivalentes de oxidante, fundamentalmente peróxido de hidrógeno acuoso, en 2 ml de disolvente y en presencia del catalizador de molibdeno. Esta mezcla se introduce en una ampolla de vidrio que actúa como reactor. El precursor del catalizador empleado en la mayoría de los ensayos es una disolución de trióxido de molibdeno comercial, MoO3, en peróxido de hidrógeno acuoso al 30 %. La preparación de esta disolución, que ha sido descrita con anterioridad en distintas publicaciones de nuestro grupo de investigación,141–143 se realiza mediante el calentamiento de una suspensión de MoO3 en un exceso de peróxido de hidrógeno acuoso (30%) obteniéndose una disolución del producto de color amarillo. En esta disolución, el complejo de molibdeno que se forma es de tipo oxidodiperóxido y, por simplicidad, en este trabajo nos referiremos a él como [MoO(O2)2(H2O)n]. En el procedimiento catalítico estándar se utiliza una cantidad de catalizador de 2.5 % molar por átomo de molibdeno con respecto a la cantidad del substrato olefínico. En distintos ensayos se analizó el comportamiento de algunos aditivos, ligandos N-dadores que actúan como bases, en la eficiencia de la reacción. Las condiciones de reacción son similares a las empleadas previamente en procesos de oxidación de diversos substratos orgánicos catalizados por oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno y optimizadas con anterioridad en nuestro grupo de trabajo.141–143 La temperatura de reacción es de 60 ºC y el tiempo de reacción se fija en 18 horas. Estas condiciones estándar se han modificado en algunos casos con objeto de obtener mayor información del proceso. Al transcurrir el tiempo de reacción establecido, los productos de la mezcla de reacción se extrajeron con Et2O (6 x 3 ml) y el resultado de la extracción se analizó por cromatografía de gases (usando como patrón interno 50 µL de n-octano). Los rendimientos de los posibles productos obtenidos en la reacción, así como la cantidad de reactivo de partida sin reaccionar se calcularon a partir del correspondiente cromatograma, tal y como se describe de forma general en la parte experimental. En la Figura 2.1 se puede observar Resultados y Discusión. 53 un cromatograma representativo de la reacción de oxidación en presencia de isopropanol, donde aparecen todos los productos a distintos tiempos de retención. La secuencia de los mismos está de acuerdo con las características polares de la columna capilar utilizada en el cromatógrafo. El empleo de una columna quiral permite la separación de los enantiómeros del trans-2-isopropoxiciclohexanol y del transciclohexano-1,2-diol, que, al ser una reacción no enantioselectiva, aparecen evidentemente como mezcla racémica. Figura 2.1 Cromatograma de la mezcla de la reacción del ciclohexeno con peróxido de hidrógeno en presencia de isopropanol, donde aparecen secuencialmente: ciclohexeno (3.3 min), n-octano (3.58 min), trans-2-isopropoxiciclohexanol (7.5 min) y trans-ciclohexano-1,2-diol (9 min). En la Tabla 2.1 se incluye una selección de los resultados obtenidos en la reacción de oxidación de ciclohexeno en presencia de metanol. El estudio de la tabla revela que la especie de molibdeno, [MoO(O2)2(H2O)n], actúa como un catalizador eficiente no solo en la reacción de epoxidación del ciclohexeno, sino también en la posterior reacción de apertura del anillo de epóxido, ya que los rendimientos de óxido Resultados y Discusión. 54 de ciclohexano son muy bajos en todos los casos donde se utiliza el peróxido de hidrógeno acuoso (por debajo del 5 %). Este hecho había sido observado con anterioridad en nuestro grupo de trabajo en la investigación de las reacciones de epoxidación de olefinas.141–143 En estos estudios se observa que la epoxidación en medio acuoso (sin ligandos que disminuyan la acidez de Lewis del catalizador de molibdeno) produce casi exclusivamente el diol por reacción de hidrólisis del correspondiente epóxido. Así por ejemplo, la entrada 1 de la Tabla 2.1 nos indica que la reacción en acetona con adición de pequeñas cantidades de agua conduce casi exclusivamente al trans-ciclohexano-1,2-diol, aunque en dicho disolvente la reacción es lenta con una conversión de tan sólo el 17 % tras 18 h de reacción. Cuando el disolvente acetona se sustituye por metanol, se observa una gran mejora en la velocidad de la reacción lo que conlleva un aumento de la conversión hasta un 65 % en 18 horas, con una selectividad del 87 % hacia la formación del trans-2-metoxiciclohexanol (entrada 2) debida a la apertura alcoholítica del epóxido. La cantidad de agua que aporta el peróxido de hidrógeno comercial como oxidante es pequeña con respecto al disolvente, de ahí la baja selectividad hacia el diol. La conversión es completa tras 66 horas de reacción (entrada 3). Es evidente, a la luz de estos resultados, que es posible la transformación completa del ciclohexeno de partida, pero que en la reacción coexisten dos procesos competitivos en lo que se refiere a la apertura del epóxido catalizada por el complejo de molibdeno que actúa como centro ácido de Lewis. El primero sería la apertura del epóxido por simple hidrólisis, que conduce al trans-ciclohexano-1,2-diol, y el segundo sería la apertura del epóxido con metanol, que produce el trans-2-metoxiciclohexanol. Con la intención de disminuir la hidrólisis del epóxido y aumentar la selectividad al producto deseado, trans-2-metoxiciclohexanol, se utilizaron diversas estrategias. Primero, se decidió emplear un oxidante no acuoso, como es el caso del aducto de la urea con el peróxido de hidrógeno (UHP) y, segundo, proceder al secado de la mezcla de reacción mediante el tratamiento de la misma con sulfato de sodio anhidro. En ambos casos (entradas 4 y 5), no se observan mejoras en la selectividad hacia el trans-2metoxiciclohexanol, y la hidrólisis del epóxido sigue compitiendo con la apertura del mismo por el metanol. Resultados y Discusión. 55 Tabla 2.1. Oxidación de ciclohexeno con peróxido de hidrógeno en presencia de metanol catalizada por complejos de molibdeno.a Entrada Disolvente Oxidante Aditivo Conversión (%) Selectividad a epóxido (%) Selectividad a diol (%) Selectividad a βalcoxialcohol (%) 1 Acetona H2O2 (30%) H2Ob 17 5 95 - 2 MeOH H2O2 (30%) - 65 1 12 87 3 MeOHc H2O2 (30%) - 100 1 22 77 4 MeOHc UHP - 60 11 14 75 5 MeOHd H2O2 (30%) - 79 1 14 85 6 MeOH H2O2 (30%) py 39 3 9 88 7 MeOH H2O2 (30%) pz 89 1 14 85 8 MeOH H2O2 (30%) 3-Mepz 88 0 21 79 9 MeOH H2O2 (30%) 3,5-Me2pz e 75 1 12 87 10 MeOH H2O2 (30%) 4-Brpz e 77 1 15 84 11 MeOH H2O2 (30%) 3,5-(CF3)2pz e 71 1 15 84 12 MeOHf H2O2 (30%) - 34 0 0 100 a Condiciones de reacción: 0.025 mmol de disolución acuosa de [Mo(O)(O2)2(H2O)n], 1.0 mmol de ciclohexeno, 2.0 ml de disolvente, 1.5 mmol de oxidante. T = 60 ºC, t = 18 h. Tras la extracción con Et2O (6 x 3 ml), los rendimientos y selectividades se calculan por GC (50 µl de n-octano como patrón interno). b Se adicionan 10 mmol H2O. c Tiempo de reacción = 66 h. d Se adiciona un exceso de Na2SO4 anhidro. e 0.1 mmol de aditivo. f Se usan 5 ml de metanol. Resultados y Discusión. 56 Una alternativa más simple para inhibir la hidrólisis sería el empleo de aditivos que actúen como especies básicas con capacidad de coordinación al centro metálico como por ejemplo el uso de bases nitrogenadas.345,346 De esta forma se disminuye el carácter ácido del centro metálico y se bloquea el acceso del epóxido al mismo inhibiendo así el mecanismo de apertura hidrolítica.347 Además, cabe destacar que la adición de estas bases también proporcionan una mejora en el proceso de epoxidación, es decir, se mejora la eficiencia del catalizador.144–146,348–350 A este respecto, nuestro grupo ha demostrado con anterioridad la utilidad de la adición de piridinas funcionalizadas con cadenas de polidimetilsiloxano en la epoxidación selectiva del ciclohexeno catalizada por complejos de molibdeno.141–143 Con el fin de modificar las propiedades electrónicas del centro metálico se emplearon distintos ligandos N-donadores como aditivos: piridina345 y ligandos derivados de pirazol con diferentes grupos sustituyentes y con diversas características electrónicas (aceptora y donadora). En general, como se observa en las entradas 6-11 de la Tabla 2.1, las conversiones y las selectividades hacia el trans-2-metoxiciclohexanol fueron análogas a las obtenidas en los ensayos llevados a cabo en ausencia de los aditivos, de modo que no se pudo lograr la completa inhibición de la formación del trans-ciclohexano-1,2-diol por hidrólisis del epóxido, por lo que tampoco a través de este procedimiento se consigue reducir de forma significativa esta reacción indeseada. Los mejores resultados en cuanto a una selectividad completa hacia el trans-2-metoxiciclohexanol se encuentran descritos en la entrada 12 de la Tabla 2.1 y provienen de la realización de la reacción con una mayor cantidad de disolvente (5 ml de metanol). Con este incremento de la proporción de metanol con respecto al agua del medio es posible controlar la selectividad al producto deseado, pero esta estrategia tiene como inconveniente un descenso significativo en la conversión de la reacción (34% de conversión en 18 horas). Este resultado pone de manifiesto que la selectividad al trans-2-metoxiciclohexanol puede controlarse mediante la relación metanol-agua en el medio, aunque a costa de un descenso en la conversión del proceso. Una vez obtenidas las mejores condiciones para la obtención selectiva del trans2-metoxiciclohexanol en la reacción modelo de oxidación del ciclohexeno en presencia de metanol, se procedió a investigar la reacción en presencia de otros alcoholes alifáticos bajo las mismas condiciones experimentales, cuyos resultados se muestran en la Tabla 2.2. Resultados y Discusión. 57 Tabla 2.2. Oxidación de ciclohexeno con peróxido de hidrógeno en presencia de diversos alcoholes catalizada por complejos de molibdeno. a Entrada Disolvente Oxidante Conversión (%) Selectividad a epóxido (%) Selectividad a transciclohexano-1,2-diol (%) Selectividad a trans-2alcoxiciclohexanol (%) 1 EtOHb H2O2 79 2 38 60 2 EtOHc H2O2 63 1 34 65 3 EtOH UHP 35 15 26 59 4 EtOHd H2O2 70 2 37 61 5 iPrOH H2O2 70 1 66 33 6 tBuOH H2O2 55 1 99 0 a Condiciones de reacción: [Mo] = 0.025 mmol, 1.0 mmol de ciclohexeno, 2.0 ml de disolvente, 1.5 mmol de peróxido de hidrógeno al 30%. T = 60 ºC, t = 18 h. Tras la extracción con Et2O (6 x 3 ml), los rendimientos y selectividades se calculan por GC (50 l de n-octano como patrón interno).b Tiempo de reacción = 66 h. c Se adiciona un exceso de Na2SO4 anhidro. d Se adicionan 2 eq de 3,5-Me2pz. Resultados y Discusión. 58 Como se puede observar en la Tabla 2.2, la oxidación de ciclohexeno realizada en presencia de etanol procede de manera más lenta que usando metanol como disolvente con un máximo de 79% de conversión tras 66 horas de reacción (entrada 1). En esas condiciones se observa un 60% de selectividad hacia el trans-2-etoxiciclohexanol. También con el etanol se consideraron las mismas estrategias, ya explicadas anteriormente con metanol, para disminuir la producción del trans-ciclohexano-1,2-diol. De nuevo, se hizo uso del proceso de secado de la mezcla EtOH-H2O2 con Na2SO4 anhidro, de la utilización del aducto urea-peróxido de hidrógeno (UHP), y de la adición de ligandos N-donadores para aumentar la selectividad del producto deseado trans-2-etoxiciclohexanol (entradas 2-4, Tabla 2.2). Desafortunadamente, con ninguno de los métodos aplicados se produjo una mejora significativa del proceso. La selectividad hacia el -alcoxiciclohexanol decrece drásticamente para los alcoholes isopropílico y terc-butílico (entradas 5 y 6, respectivamente), alcanzando valores prácticamente nulos para la reacción llevada a cabo en presencia de terc-butanol. Como resumen puede concluirse que la formación de los -alcoxialcoholes sigue el siguiente orden de reactividad: Me > Et > iPr > tBu, que coincide con el aumento del volumen de los grupos R del alcohol. Este comportamiento ya había sido observado previamente en la reacción análoga catalizada por un derivado de wolframio, H2WO4,182 donde en el caso particular de la reacción con tBuOH no se produjo la formación del esperado trans-2-terc-butoxiciclohexanol. Este hecho no es sorprendente ya que el grupo terc-butilo, con mayor impedimento estérico, hace inviable el ataque nucleófilo al epóxido, impidiéndose así la formación del 2-terc-butoxiciclohexanol. Los resultados obtenidos en la obtención de β-alcoxiciclohexanol utilizando la especie [MoO(O2)2(H2O)n] como catalizador nos animaron a la búsqueda de otros sistemas catalíticos basados en oxidoperoxidocomplejos de molibdeno. Los estudios se centraron en derivados de tipo polioxomolibdato, que en presencia de peróxido de hidrógeno originan las correspondientes oxidoperoxidoespecies. Las aplicaciones en catálisis de los polioxometalatos son bien conocidas,351–356 particularmente las aplicaciones de los polioxomolibdatos como catalizadores efectivos en diferentes procesos de oxidación.183,188,357 Concretamente se investigaron tres especies, el derivado [Bu4N]2[Mo6O19], previamente descrito en la bibliografía,358 y los dos nuevos derivados [C4mim]4[Mo8O26] y [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2(µ-O)], cuya síntesis y caracterización será Resultados y Discusión. 59 detallada en el siguiente apartado. Un resumen de los resultados obtenidos en la reacción de formación de trans-2-metoxiciclohexanol se recoge en la Tabla 2.3. Por regla general, las conversiones y las selectividades al producto deseado, trans-2-metoxiciclohexanol, fueron del mismo orden de magnitud que las observadas cuando se emplea [MoO(O2)2(H2O)n] como catalizador. Sin embargo, merece la pena destacar que, como puede observarse en la entrada 2 de la Tabla 2.3, cuando se emplea como catalizador el octamolibdato de 1-metil-3-butilimidazolio el incremento tanto en la carga del catalizador como en la cantidad de metanol en la mezcla de disolvente, proporcionan la máxima selectividad a trans-2-metoxiciclohexanol, 99 % en 18 horas, con una conversión prácticamente completa (99 %). Este hecho constituye el mejor resultado de este estudio y, a su vez, mejora de forma importante los resultados publicados anteriormente con catalizadores de wolframio (H2WO4), con rendimientos del 70, 41 y 21% a los correspondientes 2-alcoxialcoholes con MeOH, EtOH e iPrOH respectivamente182 o con complejos de rutenio con rendimientos a trans-2metoxiciclohexanol de no más del 12%,359 e igualmente es superior a los resultados observados en otros sistemas no catalizados por metales con conversiones del 70% al mismo producto usando como catalizador sistemas BF3·H2O2.360,361 Resultados y Discusión. 60 Tabla 2.3. Oxidación de ciclohexeno con peróxido de hidrógeno en presencia de metanol catalizada por complejos de molibdeno. a Entrada Catalizador Conversión (%) Selectividad a epóxido (%) Selectividad a diol (%) Selectividad a alcoxialcohol (%) 1 [C4min]4[Mo8O26] 55 3 12 85 2b [C4min]4[Mo8O26] 99 1 0 99 3 [Bu4N]2[Mo6O19] 67 1 13 86 4 [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2 (µ-O)] 54 0 10 90 a Condiciones de reacción: [Mo]: 0.025 mmol, 1.0 mmol de ciclohexeno, 2.0 ml de metanol, 1.5 mmol H2O2 al 30%. T = 60 ºC, t = 18 h. Tras la extracción con Et2O (6 x 3 ml), los rendimientos y las selectividades se calculan por GC (50 l de n-octano como patrón interno). b [Mo]: 0.136 mmol y 5.0 ml de metanol. Resultados y Discusión. 61 2.1.2 Síntesis y caracterización estructural de los complejos [C4mim]4[Mo8O26] y [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2(µ-O)]. En este apartado se describe la síntesis y la caracterización, tanto espectroscópica como estructural, de los nuevos derivados de molibdeno que se han empleado como catalizadores en la reacción de oxidación de ciclohexeno en presencia de alcoholes (apartado 2.1.1): los complejos [C4mim]4[Mo8O26] y [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2(µ-O)]. 2.1.2.1 Octamolibdato de 1-metil-3-butilimidazolio, [C4mim]4[Mo8O26]. La adición de una disolución acuosa de [C4min]Cl, preparado tal y como se describe en la parte experimental de esta memoria, sobre una disolución acuosa de octamolibdato de amonio, preparada a partir de la acidificación con ácido clorhídrico de una disolución acuosa de heptamolibdato de amonio, produce la precipitación de un sólido de color blanco con buenos rendimientos (Esquema 2.2). Este sólido se separa por filtración y puede ser purificado por recristalización desde disoluciones concentradas de acetonitrilo o dimetilsulfóxido, de las que se obtiene en forma de monocristales incoloros de gran tamaño, que son estables al aire. Sobre la base de los datos analíticos y espectroscópicos, este complejo se identifica como el octamolibdato de 1-metil-3-butilimidazolio, [C4mim]4[Mo8O26]. Esquema 2.2. Preparación del octamolibdato de 1-metil-3-butilimidazolio, [C4mim]4[Mo8O26]. Resultados y Discusión. 68 Figura 2.7 Organización 3D en la estructura cristalina del complejo [Htmpy]2[{MoO(O2)2}2(µ-O)] donde se resaltan los enlaces de hidrógeno entre los cationes 2,4,6-trimetilpiridinio y los aniones [{MoO(O2)2}2(µ-O)]2-. Resultados y Discusión. 69 2.2 Oxidación selectiva de sulfuros en líquidos iónicos con oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno La reacción de epoxidación de olefinas usando oxidoperoxidocomplejos de molibdeno en LIs ha sido extensamente estudiada en nuestro grupo de investigación.141– 146 Como continuación natural a ese trabajo, se extendieron estos estudios a la reacción de oxidación de sulfuros orgánicos. Como se ha comentado en el apartado de Introducción, la oxidación de sulfuros orgánicos a sus correspondientes sulfóxidos y/o sulfonas presentan un gran interés dado que estos intermedios son altamente importantes en la preparación de una gama de compuestos química y biológicamente activos. Por ello, este tipo de transformaciones han sido consideradas reacciones potencialmente interesantes desde un punto de vista comercial y beneficiosas para la síntesis orgánica.190–194,197,371 Esta transformación se consigue generalmente mediante el uso de cantidades estequiométricas de reactivos orgánicos e inorgánicos,213 la mayoría de los cuales no son adecuados para la síntesis a gran escala y que pueden generar grandes volúmenes de desechos tóxicos. El desarrollo y la investigación de procesos catalíticos usando oxidantes benignos desde el punto de vista medioambiental, así como catalizadores y disolventes adecuados, se ha convertido en uno de los objetivos más interesantes de la química verde moderna.5,214 Adicionalmente, el proceso de desulfuración de combustibles y el tratamiento de la enorme cantidad de subproductos nocivos debido a las reacciones de oxidación han aumentado el interés desde el punto de vista medioambiental de este tipo de reacciones.212,372–375 2.2.1 Procesos catalíticos en la oxidación de sulfuros 2.2.1.1 Influencia del disolvente, el oxidante y el catalizador en las reacciones de sulfoxidación Para abordar el estudio de las reacciones de sulfoxidación catalizadas por complejos de molibdeno se investigó, en primer lugar, la oxidación de difenil sulfuro (Ph2S) como reacción modelo. Este sulfuro tiene menor tendencia a la sulfoxidación si Resultados y Discusión. 70 lo comparamos con sulfuros dialquil sustituidos o alquil aril sustituidos (como el tioanisol, que generalmente se emplea como sulfuro modelo). Esto es debido a que la nucleofilia del átomo de azufre en los sulfuros se incrementa a medida que aumenta el número de grupos donadores de electrones y por lo tanto, su reactividad. En general, la oxidación de sulfuros con sustituyentes donadores de electrones aporta mejores rendimientos que otros sulfuros con grupos aceptores o poco donadores de electrones como se observará posteriormente en los ensayos catalíticos. Para empezar, se utilizó el trióxido de molibdeno(VI), MoO3, como precursor del catalizador de tipo oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno, por su fácil disponibilidad comercial. Las reacciones se llevaron a cabo a una escala de 1 mmol empleando una disolución de MoO3 (2.5% mmol) en peróxido de hidrógeno acuoso.142 Tal como se ha comentado con anterioridad, en estas condiciones se obtiene una disolución acuosa de una especie de tipo oxidodiperóxido de molibdeno(VI) de formulación [MoO(O2)2(H2O)n]. Los estudios se realizaron utilizando diferentes disolventes orgánicos convencionales así como diferentes líquidos iónicos del tipo alquil metil imidazolio. Una selección de los resultados obtenidos en este apartado se muestra en la Tabla 2.4. Las reacciones se realizaron utilizando las siguientes condiciones de reacción: el micro-reactor se carga con 2 ml de disolvente y con una proporción de 1:3:0.025 de la mezcla difenil sulfuro: oxidante: catalizador. Las descripciones detalladas de los procedimientos experimentales se pueden encontrar en la sección experimental, y las condiciones de reacción adicionales se mostrarán en los pies de texto de las correspondientes tablas. Como puede observarse en la Tabla 2.4, la oxidación de sulfuro es fuertemente dependiente del disolvente y del oxidante utilizado. La única combinación de disolvente/oxidante que origina buenas conversiones del sulfuro fue la del líquido iónico [C4mim]PF6 junto con el peróxido de hidrógeno como oxidante. Resultados y Discusión. 71 Tabla 2.4. Oxidación de Ph2S catalizada por [MoO(O2)2(H2O)n] bajo distintas condiciones de reacción.a Entrada Disolvente [Ox] t (h) Conversión (%) Selectividad a sulfóxido (%) Selectividad a sulfona (%) 1c H2O H2O2 18 25 86 14 2c Cl3CH H2O2 18 6 100 0 3c DMSO H2O2 18 10 100 0 4c [C4mim]PF6 H2O2 18 100 0 100 5c [C4mim]PF6 H2O2 1 100 0 100 6c,e [C4mim]PF6 H2O2 1 90 65 35 7c [C4mim]BF4 H2O2 1 98 0 100 8c [C8mim]PF6 H2O2 1 97 0 100 9c [C4mim]NTf2 H2O2 1 100 0 100 10f [C4mim]PF6 H2O2 1 0 0 0 11c [C4mim]PF6 TBHP 1 72 100 0 12c [C4mim]PF6 LiClO4 18 0 0 0 13d [C4mim]PF6 H2O2 1 100 0 100 14b,c [C4mim]PF6 H2O2 1 85 59 41 15b,d [C4mim]PF6 H2O2 1 84 81 19 a Condiciones de reacción: [Mo] = 0.025 mmol, Ph2S 1.0 mmol, disolvente 2.0 ml, oxidante 3 mmol. T = 20 ºC. Después de la extracción con Et2O (4 x 5 ml), los rendimientos y las selectividades se calcularon por GC (50 l de dodecano como patrón interno). (Abreviaturas: DMSO = dimetil sulfóxido, TBHP = terc-butil hidroperóxido, 3-Mepz = 3-metilpirazol). b Catalizador 0.0025 mmol.c [Mo] = [MoO(O2)2(H2O)n]. d [Mo] = [MoO(O2)2(3-Mepz)2]. e T = 0 ºC, f Sin catalizador. Resultados y Discusión. 72 Los disolventes convencionales H2O, Cl3CH y DMSO (entradas 1-3) proporcionaron, en general, bajos rendimientos del producto oxidado después de 18 h de reacción a 20 ºC. Es muy probable que un factor importante que limita la conversión en estos casos fuera la incapacidad de estos disolventes para disolver todos los componentes de la reacción, es decir, el catalizador de molibdeno y el H2O2 son insolubles en Cl3CH, mientras que el difenil sulfuro es insoluble en agua. Por el contrario, en el líquido iónico [C4mim]PF6 se observó que tras 18 horas de reacción la reacción era completa (entrada 4, Tabla 2.4), de acuerdo con la capacidad del líquido iónico para disolver todos los componentes de la reacción. El exceso de oxidante en la reacción (1:3; [S]/[Ox]) hace que la reacción sea selectiva a la formación de la sulfona. Los buenos resultados en cuanto a conversión del sulfóxido y selectividad total a la sulfona se mantienen incluso disminuyendo el tiempo de reacción a una hora (entrada 5, Tabla 2.4). En cambio, una disminución de la temperatura de la reacción a 0ºC dio lugar a un claro descenso en la eficacia de la reacción, ya que se observaron conversiones del 90% y selectividades a sulfóxido del 65% a una hora de reacción (entrada 6, Tabla 2.4). Por lo tanto, las condiciones de reacción se optimizaron a una temperatura de 20 ºC y un tiempo de reacción de 1 h. El uso de otros líquidos iónicos derivados de imidazolio, como [C4mim]BF4, [C8mim]PF6 y [C4mim]NTf2 da lugar igualmente a rendimientos casi cuantitativos de la sulfona (entradas 7-9, Tabla 2.4). La oxidación se da claramente a través de un mecanismo catalizado por el complejo metálico ya que no se observó conversión tras una hora a 20 ºC en ausencia de la especie de molibdeno (entrada 10, Tabla 2.4). Este resultado es análogo a lo descrito en la bibliografía para la reacción de oxidación de Ph2S con H2O2 en ausencia de un catalizador metálico en [C4mim]BF4 (24 h de reacción245) o en un disolvente orgánico (32 h de reacción217). El uso de otros oxidantes alternativos al H2O2, como son el TBHP o el LiClO4, entradas 11 y 12, respectivamente, dio lugar a un fuerte descenso en la eficacia de la reacción. Concretamente, la actividad catalítica disminuía notablemente cuando se utilizaba como oxidante TBHP, sin embargo, vale la pena mencionar que la reacción procedió selectivamente al sulfóxido. En el caso de la sal de perclorato, su insolubilidad parece afectar negativamente a la reacción, haciendo que el sulfuro no reaccione. Distintos derivados de pirazol han sido utilizados como ligandos de los oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno con el fin de aumentar la actividad catalítica en las reacciones de oxidación.228,376 Por ejemplo, se ha demostrado en nuestro grupo de Resultados y Discusión. 73 investigación que el complejo [MoO(O2)2(3-Mepz)2] actúa como un catalizador más efectivo que el acuocomplejo [MoO(O2)2(H2O)n] en reacciones de epoxidación de olefinas usando como disolvente el líquido iónico [C4mim]PF6.145,146 De acuerdo con esto, se investigó la influencia de este tipo de derivado de pirazol en la reacción de oxidación de difenil sulfuro en [C4mim]PF6 usando el derivado [MoO(O2)2(3-Mepz)2] como catalizador (entrada 13, Tabla 2.4). Los datos de conversión y selectividad hacia la sulfona indicaron que, al igual que ocurre con el catalizador [MoO(O2)2(H2O)n], en estas condiciones la reacción se da también de manera selectiva hacia la formación de la sulfona, lo que impide realizar una comparación de la actividad de ambos sistemas. Para poder realizar esta comparativa, se realizó un estudio adicional usando una relación de sustrato/catalizador inferior, de manera que en estas condiciones, las diferencias en los rendimientos máximos alcanzables para los sistemas probados fueran más evidentes. Cuando la reacción se lleva a cabo empleando sólo el 0.25% molar de complejo de Mo, las conversiones de sulfuro utilizando el acuocomplejo de molibdeno, [MoO(O2)2(H2O)n] (entrada 14, Tabla 2.4) y las del complejo de molibdeno con base nitrogenada [MoO(O2)2(3-Mepz)2] (entrada 15, Tabla 2.4) fueron similares; sin embargo, se observaron claramente diferencias en las proporciones de sulfóxido/sulfona, lo que indica que la presencia del ligando pirazol en el catalizador inhibía la oxidación del sulfóxido a la sulfona. Por ello, el complejo [MoO(O2)2(H2O)n] es el catalizador adecuado si lo que se pretende es obtener una oxidación completa a sulfona. Por el contrario, como se verá más adelante, en los estudios encaminados a la obtención selectiva del sulfóxido, parece razonable la elección del complejo [MoO(O2)2(3-Mepz)2] como catalizador de la reacción. La disminución de la acidez de Lewis del centro de molibdeno por coordinación del ligando 3-Mepz disminuye la electrofilia del ligando peróxido, por lo que la oxidación del substrato es más difícil. Esto se ha confirmado mediante un estudio teórico de tipo DFT realizado de forma independiente pero simultánea a nuestro trabajo. En dicho estudio se ha investigado el ciclo catalítico completo de sulfoxidación para compuestos de tipo [MoO(O2)2(L)] con peróxido de hidrógeno como oxidante. La barrera más alta de los dos perfiles catalíticos analizados fue la etapa de transferencia del grupo óxido, en la que se produjo el ataque nucleófilo del sulfuro al grupo peróxido (mecanismo de tipo Sharpless, Esquema 2.5) o del ligando hidroperóxido (mecanismo de tipo Thiel).296 Aunque el mecanismo de tipo Thiel no puede descartarse definitivamente, varios datos computacionales indican que un mecanismo de tipo Sharpless es el más favorable. Resultados y Discusión. 74 Esquema 2.5. Mecanismo simplificado de la oxidación de sulfuros con H2O2 usando un oxidoperoxidocomplejo de molibdeno(VI) como catalizador en presencia de H2O2. 2.2.1.2 Influencia de la relación sustrato/oxidante en la sulfoxidación catalizada por oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno Tal y como se muestra en la Figura 2.8, la selectividad hacia sulfóxido/sulfona de la reacción de oxidación del difenil sulfuro en [C4mim]PF6, usando H2O2 como oxidante terminal y [MoO(O2)2(H2O)n] como catalizador, depende fuertemente de la relación sulfuro/oxidante. Las condiciones de reacción de este estudio son las indicadas en la entrada 4 de la Tabla 2.4. La reacción condujo selectivamente a la sulfona cuando se aplica una relación de sustrato/oxidante de 1:3, como se explicó en el apartado anterior. Al bajar a una relación 1:2, la conversión y selectividad a sulfona seguían siendo altos, sin embargo se observó ya una mayor cantidad de sulfóxido. Por otro lado, cuando se usaron cantidades subestequiométricas de oxidante respecto al sulfuro Resultados y Discusión. 75 claramente se observó una disminución en la conversión del sulfuro, pero un aumento en la selectividad a sulfóxido, de tal forma que para una relación 1:0.45, la reacción puede considerarse casi selectiva hacia la formación de sulfóxido. Por ello, con el fin de obtener la oxidación completa a sulfona, las condiciones óptimas sería usando una proporción 1:3, mientras que para obtener el sulfóxido como producto principal sería necesario una proporción 1:1 sustrato: oxidante. Figura 2.8 Oxidación de Ph2S con H2O2 catalizada por molibdeno en [C4mim]PF6 bajo diferentes proporciones sustrato/oxidante. 2.2.1.3 Oxidación selectiva de sulfuros a sulfonas Una vez optimizadas las condiciones de reacción en la reacción modelo de oxidación del difenil sulfuro en [C4mim]PF6, usando H2O2 como oxidante terminal y [MoO(O2)2(H2O)n] como catalizador, se extendieron los estudios a la oxidación selectiva de otros sulfuros a sulfona. Las condiciones de reacción de este estudio son las indicadas en la entrada 4 de la Tabla 2.4. Tal y como se muestra en la Tabla 2.5, los sulfuros alquil aril sustituidos (entradas 1-5, Tabla 2.5) y los dialquil sulfuros como el tetrahidrotiofeno (entrada 6, Tabla 2.5) dieron lugar a la oxidación completa del sulfuro hacia la sulfona correspondiente. Como se ha indicado anteriormente, los sulfuros con sustituyentes de tipo alquilo son más ricos en electrones y por ello más fácilmente oxidados que los sulfuros con sustituyentes de tipo arilo. La naturaleza electrónica del sustituyente en la posición para del grupo fenilo de los sulfuros derivados de tioanisol (entradas 2-4) no Resultados y Discusión. 76 parece tener ningún efecto sobre la conversión a sulfona bajo estas condiciones de reacción. Tabla 2.5. Oxidación de distintos sulfuros (R1R2S) a sulfonas en [C4mim]PF6 usando [MoO(O2)2(H2O)n] como catalizador.a Entrada R1 R2 Conversión (%) Selectividad a sulfona (%) 1 Ph Me 100 100 2 p-Me-C6H4 Me 100 100 3 p-Cl-C6H4 Me 100 100 4 p-Br-C6H4 Me 100 100 5 Ph Et 100 100 6 Tetrahidrotiofeno 100 100 7 Dibenzotiofeno 100 100 8 Benzotiofenob 67 100 9 Tiofeno 0 0 a Condiciones de reacción: [MoO(O2)2(H2O)n] = 0.025 mmol, 1.0 mmol sustrato, 2.0 ml [C4min]PF6, 3 mmol de peróxido de hidrógeno acuoso al 30 %. T = 20 ºC, t = 18 h. Después de la extracción con Et2O (4 x 5 mL), los rendimientos y selectividades se calculan por GC (50 l de dodecano como patrón interno). b Conversión completa a 60 ºC. El sistema catalítico también se mostró adecuado para la oxidación de derivados de tiofeno. La eliminación en el petróleo de compuestos que contienen azufre es un proceso de gran interés. De hecho, la oxidación de derivados de tiofeno como dibenzotiofeno (DBT) o benzotiofeno (BT), seguido de la extracción de los productos oxidados se ha mostrado como uno de los mejores métodos disponibles para la eliminación de azufre en el petróleo.212,226,372–375 En este sentido, varios equipos de investigación han estudiado la oxidación de sulfuros en líquidos iónicos, que fueron utilizados tanto como medio de reacción como agentes de extracción, ya que disuelven las sulfonas formadas.242,373–375 Como ejemplo significativo, Li y su grupo de investigación describieron un sistema para la eliminación de dibenzotiofeno en aceites consistente en una extracción simple líquido-líquido y una posterior desulfuración oxidativa con H2O2 al 30%, catalizada por una mezcla de Na2MoO4 2H2O y (NH4)6Mo7O24 4H2O en tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazolio, [C4mim]BF4.226 El procedimiento que se presenta en este trabajo experimental permite una oxidación catalítica relativamente fácil de DBT a sulfona con rendimientos cuantitativos en condiciones suaves (entrada 7, Tabla 2.5). En cambio, el BT se mostró más resistente a la oxidación que el BDT, dado que en este caso la reacción es incompleta (entrada 8, Resultados y Discusión. 77 Tabla 2.5), lo que está de acuerdo con lo observado previamente en la bibliografía.377 Sin embargo, mediante la realización de la reacción a una temperatura más elevada (60 ºC), esta oxidación se pudo controlar y se obtuvo selectivamente de nuevo la sulfona. Finalmente, el tiofeno no mostró evidencia de oxidación (entrada 9, Tabla 2.5) como consecuencia de su aromaticidad. 2.2.1.4 Oxidación selectiva de sulfuros a sulfóxidos De acuerdo con las conclusiones obtenidas a partir de nuestros estudios descritos anteriormente sobre la influencia del disolvente, el oxidante, la relación de sustrato: oxidante y el catalizador, las condiciones de reacción optimizadas para la oxidación de sulfuro a sulfóxido se llevaron a cabo utilizando [MoO(O2)2(3-Mepz)2] como catalizador, con una proporción de 1:1:0.025 de los reactivos [sulfuro:H2O2:catalizador], en el líquido iónico [C4mim]PF6, manteniendo una temperatura de 20 ºC durante 1 h de reacción. Para generalizar el procedimiento desarrollado, se analizaron diferentes sulfuros con diferentes grupos funcionales, cuyos resultados se muestran en la Tabla 2.6. Adicionalmente, con objeto de establecer comparaciones, en la tabla también se incluyen los resultados obtenidos usando el complejo [MoO(O2)2(H2O)n]. En general, se obtuvieron buenas actividades catalíticas y selectividades a los sulfóxidos correspondientes con sustituyentes de tipo alquil/arilo (entradas 1-7, Tabla 2.6). Tal y como cabía esperar, en todos los casos, la selectividad a sulfóxido fue más alta con el catalizador [MoO(O2)2(3-Mepz)2] que con [MoO(O2)2(H2O)n]. Para este último caso, la sulfona se identificó siempre como producto minoritario. La naturaleza electrónica del sustituyente en la posición para de los sulfuros aril sustituidos no parece tener ningún efecto significativo sobre la conversión a sulfóxido bajo estas condiciones de reacción. Finalmente, en las reacciones con BT y DBT, la oxidación dio lugar a la sulfona casi exclusivamente y, en consecuencia, valores de selectividad a sulfóxido muy bajos. Este resultado era de esperar ya que los derivados de tiofeno son mucho menos reactivos que los sulfóxidos correspondientes, como consecuencia de su aromaticidad. Resultados y Discusión. 84 Figura 2.11 Estructura del anión del complejo [H(3,5-Me2pz)]4[Mo8O26(3,5-Me2pz)2]·2(3,5-Me2pz).* Los complejos [H(3-Mepz)]4[Mo8O26(3-Mepz)2]·2H2O, Figura 2.10, y [H(3,5-Me2pz)]4[Mo8O26(3,5-Me2pz)2]·2(3,5-Me2pz), Figura 2.11, son isoestructurales, aunque no isomorfos, con respecto a los derivados de pirazol. Los catorce enlaces terminales O=Mo de ambos compuestos muestran distancias de enlace en el rango de 1.65 a 1.72 Å, lo que se compara bien con respecto a los encontrados para los derivados de pirazol con un rango entre 1.69 a 1.72 Å. La misma coincidencia ocurre en las longitudes de enlace Mo-O para los átomos de oxígeno de los oxido puentes. Las longitudes de enlace Mo-N de 2.216(4) y 2.23(2) Å (para los complejos de 3-Mepz y 3,5-Me2pz, respectivamente) son ligeramente más cortas que las que se encuentran para los análogos de molibdeno con pirazoles coordinados (2.243(4) y 2.262(3) Å). El empaquetamiento del cristal en ambos compuestos está dominado por interacciones de tipo enlace de hidrógeno. Por ejemplo, dos de los cationes metilpirazolio en [H(3-Mepz)]4[Mo8O26(3-Mepz)2]·2H2O están implicados en enlaces de hidrógeno fuertes con las moléculas de agua de solvatación (N-H ···O, 2.657(5) y 2.697(5) Å), así como por enlaces de hidrógeno con ligandos óxido (O-H····O, con rango de 2.80-2.97 Å). Los otros dos cationes de 3-metilpirazolio forman enlaces de hidrógeno exclusivamente con átomos de oxígeno del anión octamolibdato (N-H····O, con rango de 2.70-2.84 Å). La red de enlace de hidrógeno se completa por interacciones intramoleculares N-H····O entre el metilpirazol coordinado al Mo y un ligando oxido terminal (N-H····O, 2.790(5) y 2.820(5) Å). Resultados y Discusión. 85 Figura 2.12 Estructura del anión del complejo [Hpz]4[Mo8O22(O2)4(pz)2]·3H2O. Pocos complejos de tipo peroxidooctamolibdato han sido caracterizados estructuralmente, entre ellos por ejemplo [H(3,5-Me2pz)]4[Mo8O22(O2)4(3,5Me2pz)2]·2H2O y [NH4]4[Mo8O2(O2)2(H2O)2]4H2O.144,404,405 Por ello, cabe destacar el aislamiento y la caracterización del oxidoperoxidocomplejo de molibdeno [Hpz]4[Mo8O22(O2)4(pz)2]·3H2O, Figura 2.12, como un nuevo ejemplo de este tipo de compuestos. Este derivado es isomorfo al [H(3,5-Me2pz)]4[Mo8O22(O2)4(3,5Me2pz)2]·2H2O, el cual ha sido descrito anteriormente en nuestro grupo,144 y se caracteriza por tener un entorno octaédrico distorsionado para cada uno de los átomo de molibdeno en el anión octamolibdato. Su parte aniónica está constituida por dos unidades simétricas relacionadas [Mo4O11(O2)2(pz)]2con cinco enlaces O=Mo terminales en un rango de 1.68-1.70 Å, seis grupos oxido puente (con modos de coordinación κ2-, κ3-, κ4-, y un rango de 1.77-2.44 Å para la distancia de enlace), dos grupos peróxido (1.099(9) y 1.317(7) Å para la longitud de enlace O-O) y un ligando pirazol coordinado a dos átomos de Mo (distancias de enlace Mo-N de 2.209(4) y 2.216(4) Å). El empaquetamiento del cristal está también dominado por interacciones de tipo enlace de hidrógeno, observándose que los cationes pirazolios interaccionan fuertemente con los ligandos óxido terminales (N-H····O, con rango de 2.62-2.73 Å) y/o con las moléculas de agua de solvatación (O-H····O, con rango entre 2.76 - 3.14 Å). Resultados y Discusión. 87 2.3 Oxidación asimétrica de sulfuros catalizados por oxidodiperóxido compuestos de molibdeno Una vez estudiada la reacción de sulfoxidación en LIs usando un oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno como catalizador, se planteó la posibilidad de realizar esta reacción en condiciones asimétricas. Como ha quedado expuesto en la introducción, los sulfóxidos son intermedios clave en la preparación de una gama de compuestos química y biológicamente activos.192,193,197 En particular, los sulfóxidos enantioméricamente puros han demostrado ser auxiliares quirales muy eficaces para distintas transformaciones asimétricas,193 así como han sido ampliamente utilizados en la industria farmacéutica. Las rutas principales para la obtención de sulfóxidos quirales están basadas en la resolución cinética de una mezcla racémica del sulfóxido; la modificación química de precursores de sulfóxido diastereoquímicamente puros o mediante la sulfoxidación enantioselectiva de sulfuros proquirales. En este apartado de la memoria se describen los resultados experimentales encaminados en la búsqueda de un nuevo procedimiento de sulfoxidación enantioselectiva basado en la utilización de derivados quirales como aditivos. De esta manera, este objetivo se ha abordado en primer lugar, usando un líquido iónico quiral como inductor asimétrico y, posteriormente, usando aditivos quirales que puedan enlazarse al centro metálico de manera que puedan transmitir la quiralidad y hagan el proceso asimétrico. Como se verá a continuación, ambos procedimientos se han basado en el uso de inductores de la quiralidad derivados de aminoácidos ópticamente activos, lo que resulta una forma accesible y barata de inducción de la quiralidad. 2.3.1 Oxidación asimétrica de sulfuros con oxidoperoxidocomplejos de molibdeno(VI) usando líquidos iónicos quirales Dados los buenos resultados obtenidos en la reacción de sulfoxidación, se planteó, en primera aproximación para la consecución de la reacción de oxidación en condiciones asimétricas, el uso de LIQs de tipo imidazolio derivados de aminoácidos naturales. La síntesis de estos líquidos iónicos y de los derivados quirales imidazoliomonocarboxilato ha sido desarrollada desde hace tiempo a través de reacciones en Resultados y Discusión 88 múltiples etapas.406 Para la síntesis de los derivados quirales utilizados en este trabajo no han sido necesarios tantas etapas de reacción. La sal de imidazolio se obtuvo a través de una condensación del aminoácido quiral con amoniaco, glioxal y formaldehido a 50 ºC en reflujo durante varias horas tal y como se detalla en la parte experimental. El tratamiento del derivado de imidazol resultante a partir de la condensación de los correspondientes reactivos con exceso de IMe origina tanto la cuaternización del nitrógeno imidazólico como la esterificación del carboxilato, obteniendo así el correspondiente derivado de imidazolio tal y como se muestra en el Esquema 2.8. La reacción de formación del LIQ a partir del derivado protonado de imidazoliomonocarboxilato proporciona muy bajos rendimientos. Esto es debido a la menor reactividad de los ácidos carboxílicos en las reacciones de esterificación con IMe. Para evitar esto se procedió a la formación de la sal sódica del imidazolio-monocarboxilato usando un equivalente de NaOH ya que los carboxilatos son más reactivos. Una vez obtenida la sal de imidazolio, se procedió al intercambio del yoduro por el anión hexafluorofosfato para evitar la oxidación del ioduro en presencia de H2O2. Además, el yoduro cataliza la desproporción del H2O2 consumiendo así el oxidante de la reacción de sulfoxidación. El intercambio aniónico se realizó usando una sal de plata, ya que con una sal de potasio o el ácido hexafluorofosfórico, la reacción de intercambio no es completa y repercute en el rendimiento de la reacción. Esquema 2.8. Reacción general de formación del líquido iónico quiral. Se han realizado numerosos intentos de obtención de distintos LIQs usando diversos aminoácidos tales como L-alanina, L-valina y L-fenilalanina, sin embargo fue el derivado con la L-alanina el que permitió obtener un derivado con buenos Resultados y Discusión. 89 rendimientos. El LIQ, representado en esta memoria como [MeAlamim]PF6, ha sido caracterizado mediante análisis de IR, RMN de 1H y 13C{1H} (Figura 2.13), así como por su análisis elemental. Los datos de IR muestran la presencia del grupo éster a 1745 cm-1 para la sal de yoduro del LIQ y 1749 cm-1 para [MeAlamim]PF6 frente al intervalo 1550-1610 cm-1 observado en la sal sódica del imidazolio-monocarboxilato de partida. Para la sal [MeAlamim]PF6 se observan las señales correspondientes a C-H del imidazolio en el intervalo de IR de 2400-3200 cm-1. Figura 2.13 Espectros de IR y de RMN de 1H y 13C{1H} en CD3OD del LIQ [MeAlamim]PF6. Resultados y Discusión 90 Por otro lado, los espectros de RMN de 1H y 13C{1H} muestran las señales correspondientes a la presencia de una estructura derivada de la L-alanina. En el RMN de protón aparecen señales a 1.85 (doblete) y a 5.37 ppm (cuartete) para el grupo R del aminoácido (R = CH3) y el protón central (CH) de la molécula, respectivamente, mientras que para los mismos grupos se observan señales singletes a 17.8 y 58.9 ppm en el RMN de 13C{1H}. Por otro lado, las señales que proporcionan la indicación de la formación del LIQ, son los singletes correspondientes a los grupos metilo del éster (COOCH3) y del imidazolio (NCH3) que resuenan a 3.82 y 3.97 ppm en el espectro de RMN de protón y a 53.9 ppm y 36.7 ppm en el de 13C{1H}, respectivamente. Finalmente, los resultados de análisis elemental confirman la formulación propuesta para estos dos LIQs [MeAlamim]I y [MeAlamim]PF6. En un principio se utilizó el LIQ como disolvente y se observó que el uso del mismo era inviable debido tanto a los bajos rendimientos del producto como a los bajos excesos enantioméricos obtenidos en la sulfoxidación enantioselectiva. Por este motivo, se optó por usar el LIQ como co-disolvente, empleando 10 equivalentes con respecto al catalizador de molibdeno en la reacción de oxidación del sulfuro proquiral PhMeS con peróxido de hidrógeno acuoso al 30%. La Tabla 2.7 recoge los resultados más relevantes. Resultados y Discusión. 91 Tabla 2.7. Oxidación de PhMeS en LIQ usando el acuocomplejo de molibdeno [MoO(O2)2(H2O)n] como catalizador.a Entrada HLR Conversión (%)b Selectividad a sulfóxido (%)b Selectividad a sulfona (%)b ee (%)c 1 [MeAlamim]PF6 d 96 94 6 0.3 2 (1º ciclo) [MeAlamim]PF6 94 98 2 0.6 3 (2º ciclo) [MeAlamim]PF6 92 97 3 0.3 4 (3er ciclo) [MeAlamim]PF6 92 96 4 0.9 a Condiciones de reacción: [MoO(O2)2(H2O)n] = 0.025 mmol, 0.25 mmol de LI quiral, 1.0 mmol de PhMeS, 1.0 ml de [C4mim]PF6 como disolvente, H2O2 (30% ac) de oxidante con una relación [oxidante]:[sulfuro] de 1:1, tiempo de reacción = 1h y T = 25 ºC. b Determinado por GC (50 μl de dodecano como patrón interno). c Determinado por HPLC con una columna Chiralpak IA, flujo de 1.0 ml/min, AcOEt/heptano = 6/4 (v/v). d Usando 1mL de [MeAlamim]PF6 como disolvente. Como se puede observar, la reacción de oxidación de sulfuros se da con altas conversiones y selectividades a sulfóxido tanto cuando el líquido iónico quiral actúa como disolvente único (entrada 1, Tabla 2.7) como cuando actúa como co-disolvente junto al LI no quiral [C4mim]PF6 (entradas 2-4), incluso cuando se recicla el sistema catalítico usando el modelo de reciclado de oxidación de sulfuros que se expone en la parte experimental. Sin embargo, los excesos enantioméricos del sulfóxido resultante fueron despreciables. La nula inducción asimétrica observada hace indicar que probablemente no se produce la necesaria interacción entre la molécula de disolvente quiral y el centro metálico del complejo activo que permita la transferencia de quiralidad en el proceso de catálisis. 2.3.2 Oxidación asimétrica de sulfuros usando derivados de imidazoliodicarboxilato como ligandos inductores de la quiralidad Tal y como ha quedado puesto de manifiesto en la sección anterior, el uso de LIQ no resulta una buena estrategia para la inducción asimétrica en procesos de oxidación de sulfuros catalizados por oxidoperoxidocomplejos de molibdeno debido, probablemente, a la falta de interacción entre la molécula de disolvente y el centro metálico del complejo activo en el proceso de catálisis. Por tanto, se hace necesaria la utilización de inductores de la quiralidad que interaccionen con el centro metálico de Resultados y Discusión 92 manera que puedan producir una transferencia efectiva de la quiralidad. En este sentido, una buena estrategia consiste en utilizar inductores de la quiralidad que puedan actuar como ligandos del centro metálico del catalizador. Siguiendo esta estrategia, se han preparado una serie de compuestos de tipo imidazolio-dicarboxilato derivados de aminoácidos ópticamente activos que han sido utilizados como precursores de ligandos coordinantes, y por tanto pueden transferir la quiralidad a la especie de molibdeno de tipo oxidodiperóxido, que actúa como catalizador en el proceso de sulfoxidación. 2.3.2.1 Síntesis y caracterización de los derivados imidazolio-dicarboxilato basados en α-aminoácidos quirales; H[LR] En el transcurso de nuestros estudios, se sintetizaron una serie de ácidos dicarboxílicos quirales y zwiteriónicos basados en imidazolios derivados de -aminoácidos naturales de fórmula general H[(S,S)-LR] donde R = Me; iPr; CH2Ph; iBu y (S)-sec-Bu y un derivado no quiral (R = H) tal y como se muestran en el Esquema 2.9. La preparación se llevó a cabo, de acuerdo con la síntesis de Debus-Radziszewski, por condensación de 2 equivalentes del correspondiente aminoácido con glioxal y p-formaldehído en agua a 90 ºC durante cuatro horas siguiendo los procedimientos descritos en la literatura,407,408 aunque con algunas modificaciones tal y como se describe en la parte experimental. Se sintetizaron a su vez dos nuevos derivados, H[(S,S)-LtBu] y H[(R,R)-LiPr], que se obtienen también fácilmente en su forma enantioméricamente pura por el mismo procedimiento utilizando el correspondiente aminoácido no proteinogénico (Esquema 2.9). Esquema 2.9. Esquema de formación de distintos derivados de ácidos dicarboxílicos zwiteriónicos basados en imidazolios. Los derivados de imidazolio-dicarboxilato, tanto el derivado no quiral HLH como los compuestos de fórmula H[(S,S)-LR] donde R = Me; iPr; CH2Ph; iBu y (S)-secBu, presentan propiedades espectroscópicas (IR y RMN de 1H y 13C{1H}) que coinciden Resultados y Discusión. 93 con los datos descritos en la bibliografía.407,408 Los nuevos derivados, H[(S,S)-LtBu] y H[(R,R)-LiPr] se caracterizaron a través de sus espectros de IR, de RMN de 1H y 13C{1H}, por espectroscopía de masas de alta resolución y por medidas del poder rotatorio específico. Los datos espectroscópicos y analíticos obtenidos están de acuerdo con la formulación propuesta. El compuesto H[(R,R)-LiPr] presenta datos espectroscópicos idénticos a los de su enantiómero H[(S,S)-LiPr], ya descrito en la bibliografía,408 por lo que se muestran en las Figura 2.14 y Figura 2.15 y no se discutirán en detalle. Los espectros de IR de los dos compuestos (Figura 2.14) muestran las bandas características de los grupos COOH y COOque aparecen a 1686 cm-1 y 1553 cm-1, respectivamente, y que se asignan a la vibración de tensión (C=O) del grupo carboxílico y a la vibración de tensión asimétrica(COO) del carboxilato. En general, estos valores son muy similares para el conjunto de compuestos HLR ya que la naturaleza electrónica o estérica del grupo R afecta poco a la posición de dichas bandas. Figura 2.14 Espectros de IR de los compuestos H[(S,S)-LtBu] y H[(R,R)-LiPr]. Resultados y Discusión 100 encontrar las mejores condiciones de reacción se utilizó la oxidación del PhMeS utilizando H2O2 acuoso como oxidante como reacción modelo para los estudios previos, en presencia del compuesto H[(S,S)-LiPr]. Las reacciones se llevaron a cabo a escala pequeña, de 1 mmol de sustrato empleando como precursor del catalizador el oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno [MoO(O2)2(H2O)n], que se obtiene in situ a partir de una mezcla de MoO3 (2.5% mmol) en exceso de peróxido de hidrógeno acuoso, preparado como se ha descrito previamente en esta memoria,142 y que genera el catalizador activo en la reacción de sulfoxidación asimétrica cuando se mezcla con el precursor del ligando quiral, H[(S,S)-LiPr] y bromuro de tetrafenilfosfonio, [PPh4]Br, en unas proporciones 2:1:1. La Tabla 2.8 muestra los resultados seleccionados de las reacciones llevadas a cabo en un microrreactor con 1 ml de disolvente y una proporción 1: 1: 0.025 de metil fenil sulfuro: oxidante: catalizador. Inicialmente, se realizaron varios ensayos con distintos disolventes a 0 ºC con el fin de evaluar su efecto sobre la enantioselectividad del proceso. El líquido iónico [C4mim]PF6 ha sido utilizado con éxito en la reacción de oxidación de sulfuros con oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno y fue el primer disolvente en ser evaluado (entrada 1, Tabla 2.8). Tal y como ya ha sido puesto de manifiesto en el apartado 2.2.1 de la presente memoria, el LI [C4mim]PF6 resulta ser un disolvente óptimo para la sulfoxidación selectiva de sulfuros cuando se combinaba con H2O2 acuoso como oxidante y varios oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno simples, incluyendo el [MoO(O2)2(H2O)n] como catalizador. Sin embargo, a pesar de que, tal y como era previsible, la reacción era selectiva hacia la formación del metil fenil sulfóxido, sólo se observó un 0.5% de exceso enantiomérico, lo que indica que la inducción asimétrica en este disolvente era insignificante. También se obtuvieron excesos enantioméricos insignificantes con otros disolventes convencionales, tales como el tolueno (entrada 2), el MeOH (entrada 3), el DMF (entrada 4) o el acetonitrilo, MeCN (entrada 5). La baja conversión e irrelevante enantioselectividad observada en tolueno se puede atribuir presumiblemente a la baja solubilidad que presenta la especie de molibdeno en el mismo. En disolventes polares con carácter coordinante, tales como MeOH, DMF o acetonitrilo, la enantioselectividad casi nula puede explicarse por la formación de oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno(VI) con fórmula general [MoO(O2)2(disolvente)n] donde n puede ser 1 o 2,296 en el que las moléculas de disolvente se coordinan con el centro metálico y compiten con el ligando asimétrico [(S,S)-LiPr]- por las vacantes de coordinación del Resultados y Discusión. 101 metal, lo que limita la formación del catalizador activo de molibdeno responsable del proceso asimétrico. Tabla 2.8. Oxidación enantioselectiva de PhMeS con H2O2 para dar el (R)- sulfóxidod con el sistema [MoO(O2)2(H2O)n]/H[(S,S)-LiPr]/[PPh4]Br.a Entrada. Disolvente Conv. (%)b Selectividad a sulfóxido (%)b Selectividad a sulfona (%)b ee (%)c 1 [C4mim]PF6 100 100 0 0.5 2 Tolueno 20 81 19 1.5 3 MeOH 97 97 3 1.0 4 DMF 54 95 5 1.0 5 CH3CN 96 98 2 <2.0 6 Cl2CH2 93 95 5 32.0 7 1,2-dicloroetano 88 93 7 18.0 8 Cl3CH 87 97 3 38.0 9e Cl3CH 94 94 6 10.0 10f Cl3CH 37 97 3 26.0 11g Cl3CH 3 100 0 0.5 12h Cl3CH 14 100 0 0.0 13i Cl3CH 100 97 3 5.0 14j Cl3CH 83 96 4 33.0 15k Cl3CH 38 100 0 1.0 16l Cl3CH 89 97 3 24.5 17m Cl3CH 94 95 5 40.0 18n Cl3CH 39 100 0 1.0 19o Cl3CH 96 93 7 2.0 20p Cl3CH 93 93 7 42.0 a Condiciones de reacción: catalizador 0.025 mmol de [MoO(O2)2(H2O)n], PhMeS 1.0 mmol, 0.0125 mmol de H[(S,S)-LiPr], 0.0125 mmol de [PPh4]Br, disolvente 1.0 ml, oxidante: H2O2 (30% ac), relación [oxidante]:[sulfuro] de 1:1, tiempo de reacción = 1h y T = 0 ºC. b Determinado por GC (50 μl de dodecano como patrón interno). c Determinado por HPLC con una columna Chiralpak IA, flujo de 1.0 ml/min, AcOEt/heptano = 6/4 (v/v). d La configuración absoluta se determina comparando los órdenes de elución del HPLC y las señales de las rotaciones específicas con los descritos en la literatura. e T = 25 ºC. f T = -30 ºC. g sin catalizador. h oxidante: TBHP, i catalizador: [MoO(O2)2(pz)2], j catalizador: [MoO(O2)2(DMF)2], k sin [PPh4]Br, l 0.025 mmol de [NBu4]Br en vez de [PPh4]Br, m 0.05 mmol [PPh4]Br, n 0.025 mmol de L-valina como aditivo junto al [Mo], o 0.025 mmol de L-valina y de [PPh4]Br, p catalizador sólido propuesto: Na{[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)} y 0.05 mmol [PPh4]Br. A partir de los diferentes disolventes evaluados, los disolvente clorados, tales como Cl2CH2, 1,2-dicloroetano y Cl3CH (entradas 6-8 de la Tabla 2.8) mostraron ser los más eficientes, produciendo un 32%, 18% y 38% de exceso enantiomérico, respectivamente. El uso de estos disolventes polares no coordinantes facilita la coordinación del ligando [(S,S)-LiPr]- al centro metálico, produciendo la especie oxidodiperóxido de molibdeno responsable del proceso asimétrico. A raíz de estos resultados, el Cl3CH fue elegido como disolvente óptimo de reacción para la mejora de las condiciones de reacción. La temperatura de la reacción también se comprobó que es Resultados y Discusión 102 un parámetro crucial que afecta a la actividad catalítica en la reacción de sulfoxidación asimétrica. El aumento de la temperatura de 0 ºC a 25 °C redujo la inducción asimétrica, proporcionando el sulfóxido quiral con un 10% de exceso enantiomérico (entrada 9). Por otro lado, la reducción de la temperatura de reacción a -30 °C no proporcionó un beneficio adicional (entrada 10, Tabla 2.8), ya que también proporcionaba peor enantioselectividad (26%) y significativamente peor conversión (37%) con respecto a la reacción realizada a 0 ºC. La oxidación del metil fenil sulfuro procede claramente a través de un mecanismo catalizado por el metal (Mo) ya que se observó que la conversión era casi nula después de una hora de reacción a 0 ºC en ausencia del complejo de molibdeno (entrada 11). Igualmente, el uso del H2O2 como oxidante de la reacción es crucial, ya que cuando se utilizan otro tipo de oxidantes típicamente utilizados en reacciones de oxidación de sulfuros catalizadas por complejos de molibdeno, como el TBHP, se observa que, en las mismas condiciones, se produce una reducción notable en la actividad catalítica del sistema (entrada 12), mereciendo la pena mencionar que la reacción procede de forma selectiva para la formación del sulfóxido como una mezcla racémica. La presencia de ligandos fuertemente donadores también afecta negativamente a la enantioselectividad. Por ejemplo, el uso del complejo [MoO(O2)2(pz)2], con reconocida actividad catalítica en reacciones de oxidación,144–146 demostró ser un precursor del catalizador óptimo para la sulfoxidación selectiva de metil fenil sulfuro (entrada 13, Tabla 2.8), sin embargo, a pesar de que la reacción era selectiva a la formación del sulfóxido correspondiente, sólo se observó un 5% de exceso enantiomérico. Como se describió anteriormente en el caso de reacciones hechas en disolventes polares, la reducción de la enantioselectividad se explica por la fuerte coordinación del ligando N-donador al centro metálico que bloquea el acceso del ligando asimétrico [(S,S)-LiPr]- a la esfera de coordinación del metal. Cuando se usa como precursor metálico un oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno como el [MoO(O2)2(DMF)2]423 (entrada 14), se observa que los resultados son casi idénticos a los obtenidos con el [MoO(O2)2(H2O)n], lo cual es lógico ya que el DMF, al igual que el H2O, al tratarse de un ligando O-donador, compite en menor medida con el ligando quiral, manteniéndose buenos excesos enantioméricos. La ventaja que tiene el uso del precursor [MoO(O2)2(DMF)2] es que al tratarse de un compuesto sólido resulta más fácil de manipular y controlar que las disoluciones acuosas de [MoO(O2)2(H2O)n], las cuales, además, introducen una cantidad adicional de H2O2 que resulta difícil de Resultados y Discusión. 103 cuantificar como se explica en el apartado 3.3 relativo a la síntesis y valoración de una disolución acuosa de oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno, [MoO(O2)2(H2O)n]. El uso de una sal de fosfonio cuaternaria, como el [PPh4]Br, permite mejorar la actividad del catalizador en la sulfoxidación asimétrica. El catión cuaternario de fosfonio actúa como contraión de la especie aniónica de oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno formada por la reacción entre el acuocomplejo de molibdeno y el derivado H[(S,S)-LiPr], que ayuda a aumentar la solubilidad del catalizador de molibdeno en el medio de reacción. En todas las reacciones descritas anteriormente (entradas 1-14, Tabla 2.8) se utilizaron 0.5 equivalentes de [PPh4]Br con respecto al molibdeno (o un equivalente de fosfonio con respecto al ácido dicarboxílico), observándose el color amarillo característico de las especies oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno(VI) disueltas en la mezcla de reacción catalítica. Por el contrario, no se observó coloración de la fase clorada, Cl3CH, cuando la reacción se realizaba en ausencia de [PPh4]Br, lo que sugiere una transferencia limitada del catalizador de molibdeno desde la solución acuosa. En este último caso, se observó una peor conversión del sulfuro (37%) (entrada 15) con respecto a las reacciones realizadas utilizando la sal de fosfonio como aditivo de la reacción. Se utilizó también como aditivo (entrada 16) una sal de amonio cuaternaria, como es el [NBu4]Br. En este caso, la reacción dio lugar a una conversión similar a la del sulfuro (89%) y a una selectividad hacia el sulfóxido alta (97%), pero una enantioselectividad peor (24.5%) que la reacción análoga utilizando la sal de fosfonio como aditivo (entrada 8). Por último, un exceso de la sal cuaternaria (2 equivalentes respecto a Mo) también mostró una ligera mejoría en la eficiencia catalítica (entrada 17, Tabla 2.8), ya que se observó un aumento tanto en la conversión del sulfuro (94%) como de la enantioselectividad (40%). Por lo tanto, la sal cuaternaria también parece actuar como eficiente catalizador de transferencia de fase (PTC) acelerando la reacción entre los reactivos disueltos en H2O (por ejemplo, el H2O2) y los disueltos en el cloroformo (por ejemplo, el sulfuro orgánico). Por último, también se llevaron a cabo varios experimentos de control utilizando el aminoácido L-valina como ligando quiral. Un número de oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno(VI) con composición [MoO(O2)2(α-AA)(H2O)], donde α-AA hace referencia a un α-aminoácido natural, entre los que se incluye la L-valina, han sido ya descritos.424,425 En estos complejos, el α-aminoácido se coordina al centro metálico en forma zwitteriónica a través de un oxígeno del grupo carboxilato. Sin embargo, tal y como se muestra en la entrada 18 de la Tabla 2.8, la oxidación del PhMeS en presencia Resultados y Discusión 104 del complejo quiral derivado de [MoO(O2)2(H2O)n] y L-valina usando las condiciones de reacción optimizadas, proporcionó el sulfóxido con bajo rendimiento y bajo exceso enantiomérico. Un resultado negativo similar también se observó cuando esta última reacción se realizó en presencia de un equivalente de [PPh4]Br (entrada 19). Las enantioselectividades insignificantes observadas en estos últimos experimentos fueron indicativos de que en estos sistemas la L-valina se comporta como un ligando inadecuado para la transferencia de quiralidad desde el catalizador quiral metálico. Por último, se realizó un ensayo de sulfoxidación enantioselectiva de PhMeS (entrada 20, Tabla 2.8) que discutiremos en el siguiente apartado relativo a la naturaleza del catalizador activo. 2.3.2.3 Naturaleza del catalizador activo. Caracterización de la especie Na{[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)} Para obtener toda la información posible acerca de la naturaleza de la estructura del catalizador activo en la reacción de sulfoxidación asimétrica, se realizó la reacción estequiométrica 2:1 de una disolución acuosa de molibdeno, [MoO(O2)2(H2O)n] con la sal sódica Na[(S,S)-LiPr] (ver parte experimental) aislándose un sólido pulverulento de color amarillo. Este sólido se caracterizó por los distintos métodos espectroscópicos (IR, RMN y masas) y por análisis elemental de C, N e H. En el espectro de infrarrojos del sólido obtenido (Figura 2.18) se observaron las bandas características del grupo óxido a 962 cm-1, (Mo=O), de los grupos peróxidos a 861 cm-1, (O-O), las correspondientes a la tensión C-H de imidazol sobre 3100 cm-1 y una banda ancha por encima de los 3400 cm-1 que se asigna a la vibración de tensión de O-H. Por otro lado, se observó la banda característica ancha e intensa, centrada a 1611 cm-1, asignada a la tensión C-O antisimétrica del grupo carboxilato, y la banda centrada a 1344 cm-1 asignada a la tensión C-O simétrica (∆ν = 267 cm-1). Existe una relación entre los modos de coordinación del ligando carboxilato y la diferencia de energía entre la tensión antisimétrica y la tensión simétrica del C-O del grupo carboxilato (Δν = νasim - νsim).426 Los órdenes de enlace C-O se ven afectados por la coordinación del grupo carboxilato al metal, ello habitualmente produce un aumento del valor de la νasim y una disminución de νsim, haciendo mayor la diferencia de energía (Δν).427 Cuando la diferencia de energía (Δν) es mayor de 200 cm-1 se propone un modo de coordinación Resultados y Discusión. 105 monodentado para el ligando carboxilato, mientras que si está entre 100 y 200 cm-1 se trata habitualmente de carboxilatos puente, y si es menor de 100 cm-1, el comportamiento sería bidentado. En el caso de este complejo, la diferencia de energía (Δν) es mayor de 200 cm-1, por lo que puede proponerse que la coordinación del grupo carboxilato con el molibdeno es monodentada. Figura 2.18 Espectro de IR del complejo Na{[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)}. Los espectros de RMN de 1H y 13C{1H} (Figura 2.19) nos proporcionan información acerca de la existencia del anión [(S,S)-LiPr]- coordinado. Las señales observadas en ambos espectros son análogas a las descritas para el compuesto Na[(S,S)- LiPr] y no requieren comentarios adicionales. Resultados y Discusión 106 Figura 2.19 Espectros de RMN de 1H y de 13C{1H} del complejo Na{[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)} en D2O. El análisis elemental está también de acuerdo con la estructura propuesta cuando se calcula para una molécula de complejo Na{[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)} con dos moléculas de agua y los espectros de espectrometría de masas confirman la presencia del derivado de Na[(S,S)-LiPr]. A pesar de todos los datos obtenidos, se decidió investigar la posible estructura del complejo mediante cálculos DFT de tipo LANL2DZ//6-31G(d,p) llevados a cabo de forma independiente pero simultánea a este trabajo. Tras analizar teóricamente diversos compuestos modelo, se consiguió obtener la geometría optimizada del complejo aniónico {[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)}- (Figura 2.20), que presenta un ligando puente -1O,1O’-LiPr entre dos unidades de Resultados y Discusión. 107 oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno. La buena concordancia obtenida en la comparación del espectro de IR teórico para dicho anión con el espectro de IR experimental del sólido pulverulento obtenido tras la reacción 2:1 de [MoO(O2)2(H2O)n] con Na[(S,S)-LiPr] (Figura 2.21) confirma la propuesta estructural, que está igualmente de acuerdo con los datos de RMN obtenidos. Figura 2.20 Estructura optimizada del anión {[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)}-. Figura 2.21 Comparación del espectro de IR del complejo Na{[MoO(O2)2(H2O)]2(µLiPr)} (experimental) con el espectro de IR teórico del anión {[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)}-. Para confirmar definitivamente la propuesta de que el complejo Na{[MoO(O2)2(H2O)]2(µ-LiPr)} es el precursor de la especie catalíticamente activa, se decidió comprobar la actividad de este sólido pulverulento en la reacción de Resultados y Discusión 108 sulfoxidación investigada en el apartado anterior, bajo las mismas condiciones de reacción (entrada 20, Tabla 2.8). Los valores de conversión (93%) y ee (42%) obtenidos fueron similares a los obtenidos en la entrada 17, correspondientes al ensayo in situ del sistema [MoO(O2)2(H2O)n]/H[(S,S)-LiPr]/[PPh4]Br. Estos resultados apoyan, junto con los datos experimentales y teóricos ya comentados, la naturaleza del precursor de la especie catalíticamente activa en la reacción de sulfoxidación. 2.3.2.4 Influencia de la relación sustrato/oxidante en la sulfoxidación asimétrica. La cantidad de H2O2 empleada en todos los ensayos recogidos en la Tabla 2.8 fue de un equivalente por mol de sustrato debido a que el uso de una cantidad superior de oxidante llevaría a la sobreoxidación del sulfuro a la correspondiente sulfona. Con objeto de analizar el posible aumento del exceso enantiomérico a través de una resolución cinética se utilizaron diferentes proporciones oxidante: sustrato bajo las condiciones experimentales optimizadas (entrada 17, Tabla 2.8). Los resultados obtenidos se resumen en la Figura 2.22, donde se observa que a medida que aumentamos la relación oxidante sustrato hasta un valor de 1, se produce un aumento progresivo tanto de los rendimientos a sulfóxido y como del ee. Sin embargo, al continuar aumentando la relación hasta un máximo de 1.6, se observa una disminución de los rendimientos a sulfóxido a cambio de un incremento del ee indicando que un exceso del oxidante mejoraba el exceso enantiomérico del sulfóxido. Por lo tanto, se puede concluir que el sulfuro se transformaba más rápidamente en (R)-sulfóxido mientras que el (S)-sulfóxido se oxidaba más rápidamente a sulfona que el enantiómero R. Estos resultados están de acuerdo con un proceso a través de dos reacciones competitivas: la oxidación asimétrica del sulfuro y la resolución cinética posterior del sulfóxido resultante (Esquema 2.11). Resultados y Discusión. 109 Figura 2.22 Rendimientos de sulfóxido y sulfona y enantioselectividad de sulfóxido vs la relación oxidante: sustrato en la oxidación enantioselectiva de PhMeS. Catalizador: [MoO(O2)2(H2O)n]/H[(S,S)-LiPr]/[PPh4]Br, CH3Cl como disolvente, a 0 °C, y un 2.5% molar de [Mo] por mol de sulfuro. Esquema 2.11. Diagrama esquemático mostrando los caminos sucesivos de la oxidación catalítica de PhMeS. La relación de (R)-metil fenil sulfóxido y (S)-metil fenil sulfóxido, es decir, la pureza óptica del sulfóxido (ee) depende de cuatro constantes de velocidad, kR, kS, kR’ y kS’, ya que la sobreoxidación del sulfóxido a la sulfona no se puede ignorar. De este modo, las constantes de velocidad que rigen la enantioselectividad de la reacción deben seguir el orden de kR > kS y kS’ > kR’. En las primeras etapas de la reacción, la pureza óptica del sulfóxido viene dada principalmente por la relación de las constantes de velocidad de la primera etapa de la reacción (kR/kS). La segunda etapa de oxidación da Resultados y Discusión 116 (b) Produce el (R)-sulfóxido Barrera de 37.9 kcal/mol Produce el (S)-sulfóxido Barrera de 37.6 kcal/mol Resultados y Discusión. 117 2.4 Oxidación de sulfuros en líquidos iónicos soportados (SILP) usando oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno Tal y como se ha indicado en la introducción de la memoria, una variante de los sistemas bifásicos para la catálisis homogénea es el proceso de heterogeneización de catalizadores homogéneos a partir de catalizadores con líquidos iónicos soportados sobre soportes inorgánicos (SILP).80,81,429–431 En estos sistemas un líquido iónico funcionalizado se inmoviliza en la superficie mesoporosa, generalmente mediante unión covalente y un complejo de metal de transición o bien se disuelve en la película delgada de líquido iónico de la superficie del soporte o bien se enlaza químicamente al líquido iónico. El sistema resultante es un sólido que contiene las especies activas y se comporta como un catalizador homogéneo, combinando así las características de los sistemas homogéneos con las ventajas de la catálisis heterogénea. Siguiendo nuestra reciente investigación sobre la oxidación catalizada en medios no convencionales432–435 y los conocimientos adquiridos sobre la oxidación de sulfuros catalizada por oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno en LIs convencionales, se decidió abordar el estudio de esta misma reacción, pero utilizando un sistema basado en un SILP. Para ello, se escogió como sólido soporte a una sílica mesoporosa de tipo SBA-15, que se puede funcionalizar con un LI de tipo imidazolio (ImCl). En el SILP resultante, que representaremos como ImCl@SBA-15, se inmovilizará una disolución acuosa de oxidodiperóxido complejo de molibdeno [MoO(O2)2(H2O)n] por disolución en la monocapa de LI del SILP produciendo un material que notaremos como MoO5@ImCl@SBA-15. 2.4.1 Síntesis y caracterización de los materiales SILP con oxidodiperoxidocomplejos de molibdeno inmovilizados El líquido iónico soportado ImCl@SBA-15 se preparó haciendo reaccionar el cloruro de 1-metil-3-(3-(trietoxisilil)propil)-1H-imidazol-3-io (ImCl)81,436–438 con una sílice modificada (SBA-15)87 de acuerdo con los detalles experimentales descritos en el apartado correspondiente. A continuación, el material se trató con una disolución acuosa de [MoO(O2)2(H2O)n], preparada como se ha descrito anteriormente en la presente Resultados y Discusión 118 memoria,142 dando lugar a un sólido pulverulento homogéneo de color amarillo claro y que representaremos como MoO5@ImCl@SBA-15 (Esquema 2.12). El SILP ImCl@SBA-15 y el material sólido MoO5@ImCl@SBA-15, que emplearemos como catalizador, se han caracterizado mediante diferentes técnicas espectroscópicas (IR y RMN), por difracción de rayos X de polvo, así como por microanálisis, análisis termogravimétricos y por análisis de las propiedades texturales. Esquema 2.12. Formación del SILP: MoO5@ImCl@SBA-15. Los espectros de IR de los materiales sólidos preparados se muestran en la Figura 2.25. La comparación de los espectros de IR del SILP ImCl@SBA-15 y del material MoO5@ImCl@SBA-15 con los espectros conocidos del líquido iónico ImCl y de la SBA-15 (ν(OH), 3450 y ν(SiO) 1050-940 cm-1) nos permite concluir que el líquido iónico ImCl se encuentra unido covalentemente y las características mesoporosas del material se mantienen inalteradas. Figura 2.25 Espectros de IR de los sólidos preparados. SBA-15 Resultados y Discusión. 119 ImCl@SBA-15 MoO5@ImCl@SBA-15 Las técnicas espectroscópicas de RMN en estado sólido de 1H, de 13C{1H}, así como de otros núcleos como el 29Si, son una herramienta adecuada para la caracterización de los materiales sólidos inorgánicos preparados. Así por ejemplo, ha sido posible mediante la utilización de estas técnicas determinar el grado de anclaje del LI a la superficie de la SBA-15 para formar el derivado ImCl@SBA-15, así como de las modificaciones de éste cuando interacciona con el oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno. Tanto en la Figura 2.26 como en la Figura 2.27 se muestran los espectros de RMN de sólido de 1H y de 13C{1H} del SILP preparado y del material MoO5@ImCl@SBA-15, y éstos se comparan con los correspondientes a los materiales de partida, SBA-15 y ImCl. Resultados y Discusión 120 Figura 2.26 RMN de 1H de los sólidos sintetizados y su comparación con el del líquido iónico, ImCl. La unión del líquido iónico ImCl a la SBA-15 sólida se confirma claramente por la desaparición casi completa de las señales de trietoxisililo, que pueden observarse tanto en el RMN de 1H (señales triplete a 1.17 ppm y cuartete a 3.80 ppm en el ImCl) como en el RMN de 13C{1H} (señales singlete a 18.4 ppm y 58.2 ppm en el ImCl). El resto de señales correspondientes al líquido iónico están presentes en los sólidos esencialmente sin desplazamientos con respecto al derivado ImCl tanto en el espectro de RMN de 1H como en el de 13C{1H}. La excepción sería la señal atribuida al átomo de hidrógeno del anillo de imidazolio unido al carbono entre dos átomos de nitrógeno adyacentes (singlete a 9.76 ppm), que se desplaza considerablemente hacia campo alto en el RMN de 1H (Figura 2.26). Este átomo de hidrógeno, que posee cierto carácter ácido, es el primero en ser alterado por las interacciones electrostáticas con las cargas negativas de la superficie de la SBA-15. Esta misma observación ha sido descrita anteriormente en líquidos iónicos soportados en zeolitas.439 Resultados y Discusión. 121 Figura 2.27 RMN de 13C{1H} de los sólidos sintetizados y su comparación con el del líquido iónico, ImCl. Los espectros de RMN de 29Si de los sólidos mesoporosos sintetizados también se registraron y una comparación de éstos con el correspondiente a la SBA-15 (Figura 2.28) muestra la presencia de tres señales singlete anchas a desplazamientos -91.2, - 100.4 y -109.4 ppm, que se corresponden con fragmentos [=Si(OH)2] (Q2), [Si(OH)] (Q3) y [Si-O-SiQ respectivamente.87,155 Cuando el líquido iónico está presente, se observa la aparición de tres nuevas señales singlete también anchas a desplazamientos -50.2, -58.3 y -66.0 ppm, que se identificaron como señales correspondientes a los fragmentos [-Si(OR)2R' (T1), [=Si(OR)R'] (T2) y [Si-R'] (T3), respectivamente, lo que permitió confirmar el anclaje del líquido iónico en la superficie de la SBA-15. Además, se observa un cambio en la relación Q4/Q3 lo que indica que el anclaje se produce a través de grupos silanol (Si-OH) libres. La presencia del catalizador de molibdeno en el sólido MoO5@ImCl@SBA-15 no origina modificaciones en el espectro de RMN de 29Si. El análisis por RMN de los sólidos preparados demostró de forma inequívoca el anclaje de los líquidos iónicos a la superficie de la sílica mesoporosa y la conservación del enlace químico después de la adición del catalizador. Resultados y Discusión 122 Figura 2.28 Espectros de RMN de 29Si de los sólidos sintetizados. Las propiedades estructurales de los sólidos sintetizados fueron evaluadas mediante la técnica de difracción de rayos X en polvo. La sílica mesoporosa de partida SBA-15 presentó el patrón típico de dispersión de rayos X de bajo y alto ángulo (SAXS) para una estructura mesoporosa ordenada (Figura 2.29). Se observaron tres picos bien resueltos indexados como son el (100), el (110) y el (200) atribuidos a la simetría hexagonal bidimensional P6mm. El anclaje del líquido iónico y la posterior impregnación del oxidodiperoxidocomplejo de molibdeno [MoO(O2)2(H2O)n] no alteró la estructura de la SBA-15 y se observó el mismo patrón de difracción (SAXS) para los tres casos. Sin embargo, se pudo percibir un ligero cambio a grados más bajos debido, posiblemente a alguna pérdida del orden mesoporoso. Resultados y Discusión. 123 Figura 2.29 Dispersión de rayos X de bajo (arriba) y alto ángulo (abajo) de las muestras sólidas preparadas. Las propiedades texturales de los sólidos se resumen en la Tabla 2.12. Todos los sólidos presentan isotermas tipo IV típicas de sólidos mesoporosos (ver Anexo). El tipo de histéresis H2 indica la presencia de poros uniformes de tipo “cuello de botella”. La presencia del líquido iónico en la superficie de la sílice origina una disminución drástica del área superficial específica debido a la ocupación de los poros y consecuente disminución del volumen de poro. Al mismo tiempo, el aumento del tamaño de los poros indica un anclaje preferencial del líquido iónico en los poros de menor tamaño. Resultados y Discusión 124 Tabla 2.12. Propiedades texturales seleccionadas para los sólidos preparados. Muestra Área superficial específica, m2/g Tamaño de poro, nm Volumen de poro, cm3 SBA-15 733 4.8 0.88 ImCl@SBA-15 101 6.4 0.16 MoO5@ImCl@SBA-15 83 6.6 0.14 La estabilidad térmica de los materiales, ImCl@SBA-15 y MoO5@ImCl@SBA-15 se analizó mediante análisis termogravimétrico (TGA) tal como se muestra en la Figura 2.30. La pérdida de peso inicial a baja temperatura (<100 ºC) se debe a la eliminación de los disolventes que se encontraban fisisorbidos. La eliminación del líquido iónico comienza en torno a los 250 ºC y se completa en tres etapas a 700 ºC acompañada de una liberación de calor. El TGA permitió estimar la cantidad de LI en un 27% en peso. La adición del complejo de molibdeno no cambia significativamente el perfil térmico de la ImCl@SBA-15, aunque se observó un desplazamiento a una temperatura más baja de la eliminación de líquido iónico lo que se atribuye a un aumento en la velocidad de oxidación debida a la presencia del complejo de molibdeno. Figura 2.30 Análisis termogravimétrico de las muestras SBA-15, ImCl@SBA-15, MoO5@ImCl@SBA-15. SBA-15 Resultados y Discusión. 125 ImCl@SBA-15 MoO5@ImCl@SBA-15 Como conclusión puede indicarse que todas las técnicas de caracterización utilizadas muestran la conservación de la estructura de la SBA-15 durante el anclaje del líquido iónico y la inmovilización del catalizador. El material final resultante hereda una estructura porosa bien ordenada para la SBA-15 y una estabilidad térmica bastante buena para el líquido iónico, lo que proporciona un material sólido bastante estable. El estudio de la actividad catalítica de este material se describe en el siguiente apartado. Resultados y Discusión 132 Figura 2.34 Reciclado del sistema MoO5@ImCl@SBA-15 para dos ciclos en la reacción de sulfoxidación de PhMeS en CH2Cl2 y THF como disolvente. Resultados y Discusión. 133 2.5 Reactividad de oxidoperoxidocomplejos de molibdeno con ligandos acilpirazolonato Las acilpirazolonas son un tipo particular de β-dicetonas que contienen un pirazol fusionado a un brazo quelante (Esquema 2.14), cuya síntesis se basa en el procedimiento original descrito por Jensen en 1959 para la preparación de las 1-fenil-3metil-4-acilpirazol-5-onas (HQR).446 Las acilpirazolonas son excelentes precursores de los ligandos acilpirazolonatos, ligandos bidentados monoaniónicos O,O’-donadores que se obtienen por simple desprotonación, y para los cuales se conocen complejos para la gran mayoría de los elementos metálicos.447,448 Los primeros complejos de molibdeno que aparecen en la literatura responden a la fórmula [Mo(O)2(QR)2]449 y, aunque aparecen algunas otras referencias dispersas sobre complejos de molibdeno,449–452 el desarrollo de los complejos Mo-acilpirazolonato se debe a la colaboración de nuestro grupo de investigación con el grupo de trabajo del profesor Claudio Pettinari (Universidad de Camerino, Italia). Como resultado de esta colaboración, con anterioridad a esta memoria se sintetizaron y caracterizaron una variedad de oxidocomplejos de molibdeno de tipo [Mo(O)2(QR)2] y Ph4P[MoO(O2)2(QR)2].334,453 Sobre la base de estos precedentes, nuestra contribución a esta colaboración ha sido la síntesis de nuevos derivados con esta formulación y especialmente el estudio de su actividad catalítica. Esquema 2.14. Estructura y nomenclatura de las acilpirazolonas. Resultados y Discusión 134 2.5.1 Síntesis, caracterización y estructuras de los complejos [MoO(O2)(QR)2] y Ph4P[MoO(O2)2(QR)] El tratamiento de una solución acuosa del complejo [MoO(O2)2(H2O)n] con 2 equivalentes de acilpirazolona HQR [HQR = 3-metil-1-fenil-4-alquilcarbonil-5pirazolona, donde R = ciclohexilo (HQCy), hexilo (HQHe) y neopentilo (HQnPe)] producen una disolución de color amarillo de la que es posible aislar, tras el adecuado tratamiento, sólidos pulverulentos de color amarillo con buenos rendimientos. Estos compuestos son estables al aire y son poco solubles en disolventes de baja polaridad. Como se ha demostrado con anterioridad, el ligando acuo del complejo [MoO(O2)2(H2O)n] se desplaza con facilidad por ligandos de tipo No O-dador y en este caso se produce la fácil substitución de los mismos por dos ligandos acilpirazolonato. Los datos de análisis elemental están de acuerdo con la formulación [MoO(O2)(QR)2] [R = ciclohexilo (Cy), hexilo (He), y neopentilo (nPe)] (Esquema 2.15). Esquema 2.15. Formación de los oxidoperoxidocomplejos [MoO(O2)(QR)2]. Por otro lado, el tratamiento de una solución acuosa del complejo [MoO(O2)2(H2O)n] con una mezcla de sólo 1 equivalente de acilpirazolona HQnPe y 1 equivalente de [PPh4]Br, disueltos en EtOH, produce una disolución de color marrón de la que, después del adecuado tratamiento, es posible aislar un sólido pulverulento de color amarillo anaranjado con buenos rendimientos. Igualmente, el compuesto es estable al aire y es soluble sólo en disolventes de alta polaridad. En este caso, los dos ligandos acuo son desplazados por un solo ligando acilpirazolonato y los datos de análisis elemental están de acuerdo con la formulación Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)] (Esquema 2.16). Resultados y Discusión. 135 Esquema 2.16. Formación del oxidodiperoxidocomplejo Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)2]. La presencia del ligando acilpirazolonato coordinado se puede confirmar en estos derivados por la existencia en los respectivos espectros de IR (Figura 2.35) de varias bandas intensas que aparecen en el rango de 1675-1500 cm-1 y que se pueden atribuir a las tensiones ν(C-O), ν(C-N), y ν(C-C) de dicho ligando.448 La absorción más característica corresponde a las bandas ν(C-O), que suele aparecer entre 1600 y 1635 cm-1, y que se observa, por ejemplo, a 1604, 1608 y 1611 cm-1 para los derivados [MoO(O2)(QnPe)2], [MoO(O2)(QHe)2] y Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)], respectivamente. Esta absorción aparece a una frecuencia más alta en el compuesto libre HQR (por ejemplo, a 1632 cm-1 para HQHe) lo que está de acuerdo con la coordinación del ligando al centro de molibdeno. Además de las absorciones correspondientes a los ligandos acilpirazolonato, los espectros de IR de estos compuestos son relativamente similares y contienen, entre otras, las bandas de vibración de tensión correspondientes a los grupos oxido y peróxido: ν(Mo=O) (en el rango 960–978 cm–1), ν(O–O) (dos bandas, entre 860–875 y 870–884 cm–1 respectivamente), νas[Mo-(O-O)] (650-660 cm–1), y νs[Mo-(OO)] (572–585 cm–1), en las zonas esperadas para estos ligandos.454 Resultados y Discusión 136 Figura 2.35 Espectros de IR de los complejos [MoO(O2)(QnPe)2] y Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)]. Los espectros de RMN de 1H y 13C{1H} de los compuestos de molibdeno muestran las señales correspondientes a los ligandos acilpirazolonatos y están de acuerdo con las formulaciones propuestas [MoO(O2)(QR)2] y Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)]. Estas son las correspondientes al esqueleto común Q (dos fragmentos no equivalentes de 3-metil-1-fenil-4-alquilcarbonil-5-pirazolonato para el caso de los oxidoperóxido y un fragmento para el oxidodiperóxido) y las señales características del sustituyente R en el ligando QR. A modo de ejemplo, el grupo metilo en el carbono 3 muestra singletes tanto en los espectros de RMN de 1H como en 13C{1H} (Figura 2.36) centrados en torno a 2.40-2.60 ppm y 13-18 ppm, respectivamente. El substituyente fenilo unido al átomo N1 da lugar en el espectro de RMN de 1H a un patrón de multipletes en el rango de 7.05-8.15 ppm, que suele ser difícil de analizar debido en un caso a los dos acilpirazolonatos no equivalentes que solapan sus señales entre sí, [MoO(O2)(QR)2], y Resultados y Discusión. 137 para el otro, Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)], debido al solapamiento con las señales de los grupos fenilo del catión [PPh4]+. En el espectro de RMN de 13C{1H} se observan para el grupo fenilo el conjunto típico de cuatro señales en el rango de 100-140 ppm (átomos de carbono ipso, orto, meta y para) para el oxidodiperoxido y el doble de señales para el oxidoperoxido debido a los ligandos no equivalentes, [MoO(O2)(QR)2]. Por otro lado, el esqueleto común Q origina singletes en los espectros de RMN de 13C{1H} para los tres átomos de carbono del anillo de pirazol y el átomo de carbono del grupo acilo. Los átomos de carbono del pirazol aparecen en los intervalos de 105-120 ppm (C-CO-R), 145-150 (CH3-C-pz), y 125-165 ppm (HO-C-pz), mientras que las señales del átomo de carbono del grupo acilo aparecen en el rango de 194-197 ppm. Todos estos datos espectroscópicos se hallan en buena concordancia con los descritos para otros derivados en la literatura y con los obtenidos previamente por nuestro grupo de investigación para otros complejos similares.455–459 Figura 2.36 Espectros de RMN de 1H como en 13C{1H} de los complejos [MoO(O2)(QnPe)2] y Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)]. Resultados y Discusión 138 Una vez confirmada la formulación de los derivados [MoO(O2)(QR)2] y Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)] es necesario realizar una propuesta estructural para dichos complejos que sea acorde con los datos espectroscópicos. En el caso del derivado aniónico, dada la naturaleza asimétrica del ligando bidentado de tipo LX, son posibles dos estructuras, que se representan en el Esquema 2.17. En un metal con configuración d0 que contiene un ligando oxido donador , se puede justificar sobre la base de la disponibilidad de orbitales d y de consideraciones puramente electrónicas que la coordinación de un segundo ligando donador  se produce preferencialmente en la posición cis con respecto al primero. De forma similar, puede racionalizarse de forma cualitativa que la coordinación preferencial del átomo donador de tipo X (C-O-Mo) se dará en una posición cis con respecto a la agrupación oxido. Ello nos daría la estructura (a) del Esquema 2.17 como la más favorable, desde el punto de vista electrónico. Esta Resultados y Discusión. 139 justificación cualitativa se ha visto confirmada mediante cálculos teóricos realizados de forma independiente a este trabajo y con la determinación estructural mediante difracción de rayos X del complejo Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)]. Esquema 2.17. Posibles estructuras del derivado Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)]. (a) (b) En el caso de los complejos [MoO(O2)(QR)2] son posibles las cuatro estructuras que se recogen en el Esquema 2.18. Sobre la base del razonamiento cualitativo anterior, la coordinación preferencial del átomo donador de tipo X (C-O-Mo) se dará en una posición cis con respecto a la agrupación oxido y por consiguiente las estructuras III y IV (Esquema 2.18) podrían descartarse. Sin embargo, no es posible discriminar entre las estructuras I y II y pudiera darse que en algún caso se den ambas ya que en algunos espectros de RMN se han distinguido cantidades menores de una especie isómera con la mayoritaria. Con objeto de dilucidar las estructuras de los complejos [MoO(O2)(QR)2] (R = nPe, He) y Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)] se determinaron las mismas por difracción de rayos X y los resultados se muestran en la Figura 2.37 y en la Figura 2.38, respectivamente. Una selección de los datos estructurales de estos derivados se incluye en el Anexo. Resultados y Discusión 140 Esquema 2.18. Estructuras posibles del derivado [MoO(O2)(QR)2]. Figura 2.37 Estructura molecular de los complejos [MoO(O2)(QR)2] (R = nPe, He). Resultados y Discusión. 141 Figura 2.38 Estructura del anión del complejo Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)2]. Los tres complejos presentan una estructura octaédrica distorsionada en la que los ligandos acilpirazolonato se encuentran coordinados al centro metálico a través de dos átomos de oxígeno. En los complejos [MoO(O2)(QR)2] los átomos de oxígeno del carbonilo del grupo acilo de cada ligando acilpirazolonato (átomos O2 y O7 en [MoO(O2)(QHe)2]) ocupan la posición trans con respecto al grupo oxido (O3 para QHe) y con respecto al grupo peróxido (O4-O5 para QHe), mientras que los átomos de oxígeno de los grupo hidroxilo del pirazol (O1 y O6) se encuentran en posiciones mutuamente trans. Esta disposición está de acuerdo con la propuesta I del Esquema 2.18. En el caso del complejo Ph4P[MoO(O2)2(QnPe)2], el átomo de oxígeno del carbonilo del grupo acilo (O2) ocupa la posición trans con respecto grupo oxido (O3), lo que estaría de acuerdo con la propuesta (a) del Esquema 2.17. Las distancias de enlace de los grupos oxido, Mo=O (1.68-1.71 Å), y peróxido, Mo(O-O) (1.83-1.92 Å), se encuentran en los rangos típicos de dichas distancias de enlace. Lo mismo ocurre con las distancias de enlace entre el centro de Mo y los átomos de oxígeno de los ligandos acilpirazolonato, que son del mismo orden de magnitud que las encontradas en otros complejos de formulación similar.449,460 Las longitudes de enlace Mo-O en posición trans al grupo óxido reflejan claramente la influencia trans de dicho grupo. Además, las distorsiones típicas de un octaedro ideal de un sistema d0 con un grupo óxido Mo=O se manifiestan en un ángulo entre los grupos oxido y peróxido (O-Mo-(O-O) mayor de 90° (efecto “paraguas”).460– 463 Por otra parte, y para finalizar esta discusión estructural, centrando la atención en el