Abordagens sustentáveis para a síntese de ligandos N-heterocíclicos, síntese de complexos organometálicos e avaliação catalítica

Abstract

A sustentabilidade tem sido alvo de preocupação e interesse crescente na nossa sociedade. O desenvolvimento sustentável, introduzido em 1987, é definido como a capacidade de satisfazer as necessidades do presente, sem comprometer a capacidade das gerações futuras de satisfazer as suas próprias necessidades. A química tem um papel fundamental na inovação sustentável. Nesse sentido surgiu a química verde, a invenção, desenvolvimento e aplicação de produtos químicos e processos, para reduzir ou eliminar o uso e a formação de substâncias perigosas. A procura da inovação sustentável levou os químicos orgânicos a considerarem métodos versáteis e eficazes para promover reações químicas e desenvolver novos produtos. A irradiação micro-ondas, a ativação mecânica e a irradiação ultrassom, entre outras vantagens, permitem uma diminuição do tempo de reação, do solvente e reações mais seletivas. Isto, aliado ao desenvolvimento de processos catalíticos mais eficazes, constitui a base para o desenvolvimento sustentável de processos e produtos químicos.O objetivo principal deste estudo é desenvolver processos sustentáveis de preparação de catalisadores derivados de N-heterocíclos (porfirinas, C-escorpionatos e carbenos N-heterocíclicos), com o intuito de, numa estratégia bottom-up, tornar as reações catalíticas em que se utilizam mais sustentáveis. O estudo e desenvolvimento de novos procedimentos para a síntese de macrociclos tetrapirrólicos constitui a primeira parte do trabalho descrito nesta dissertação. O processo desenvolvido para a síntese de porfirinas em dois passos sob ação mecânica, permitiu a redução dos tempos de reação para apenas uma hora e a substituição de oxidantes e solventes nocivos por opções ambientalmente mais adequadas. A síntese de di-hidroporfirinas, por hidrogenação de porfirinas utilizando como agente redutor diimida, gerada in situ a partir de hidrato de hidrazina sob ação mecânica, permitiu obter estes compostos com elevado rendimento e sustentabilidade, evidenciado pelos valores das métricas de química verde calculados para este processo. As metaloporfirinas destacam-se pela sua aplicação como catalisadores em diversos tipos de reações químicas. Neste contexto, foram desenvolvidas duas metodologias sintéticas para obtenção de metaloporfirinas. A metodologia para a síntese de metaloporfirinas hidrofóbicas permite a preparação destes compostos a partir apenas da porfirina e do sal metálico correspondente com elevado rendimento. O método para a síntese de metaloporfirinas com caráter hidrofílico, permite obter estes compostos utilizando quantidades estequiométricas das correspondentes porfirinas e do sal metálico em 1 mL de água sob irradiação ultrassom. Ambos os processos apresentam um considerável aumento da sustentabilidade, quantificada através do cálculo da economia atómica, Fator E e EcoScale, quando comparados com métodos previamente descritos.Na segunda parte desta dissertação apresenta-se a síntese de uma nova família de C-escorpionatos, o desenvolvimento da metodologia de preparação do pró-ligando, do catalisador e a sua aplicação na reação de ciclo-adição azida-alcino catalisada por cobre sob ação mecânica. Os C-escorpionatos com um grupo oxima no carbono metínico foram obtidos por reação de nitroso-alcenos, gerados in situ a partir de α-halogenooximas com pirazoles sob ação mecânica, na ausência de solvente. Estes foram complexados com quantidades estequiométricas de sal metálico sob ação mecânica sem solvente. Os C-escorpionatos de cobre(II) assim obtidos foram utilizados como catalisadores na reação de ciclo-adição azida-alcino. Esta reação, ícone da click chemistry, foi realizada sob ação mecânica, sem solvente, tendo-se obtido melhores rendimentos na síntese de triazoles com o C-escorpionato derivado do [(1-hidroximino)metil]tris(1H-pirazol-1-il)metano. O processo global, desde a síntese do pró-ligando até à reação de ciclo-adição é realizado na ausência de solvente e, sempre que possível, sem excesso de reagentes, formando-se produtos secundários com baixo peso molecular, tal como o brometo de sódio, características que vão ao encontro dos ideais da química verde, o que se evidencia nos valores das métricas de sustentabilidade obtidos.Na última parte é apresentada a síntese de diversos carbenos N-heterocíclicos simétricos e assimétricos e os estudos exploratórios da síntese de complexos de manganês. Foi desenvolvida a síntese de carbenos N-heterocíclicos sem solvente com parâmetros de sustentabilidade otimizados. A síntese de carbenos N-heterocíclicos assimétricos, muito menos explorados como pró-ligandos, foi conseguida utilizando os correspondentes imidazoles N-substituídos numa estratégia sem solvente sob irradiação de ultrassons. Apesar dos moderados rendimentos obtidos, a metodologia aumenta a disponibilidade destes ligandos para a preparação de novos catalisadores.

Sustainability has been a subject of concern and growing interest in our society. Sustainable development was introduced in 1987 and defined as the ability to meet the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs. Chemistry plays a key role in sustainable innovation. In this context, green chemistry, the invention, development and application of chemical products and processes, to reduce or eliminate the use and generation of hazardous substances emerged. The quest to promote sustainable innovation led organic chemists to consider versatile and effective methods to promote chemical reactions and develop new products. Microwave irradiation, mechanical activation and ultrasound irradiation, among other advantages, allow a decrease in reaction time, solvent and more selective reactions. This, together with the development of more efficient catalytic processes, creates the basis for the sustainable development of chemical processes and products.The main objective of this study is to develop sustainable processes for the preparation of catalysts derived from N-heterocycles (porphyrins, C-scorpionates and N-heterocyclic carbenes) to, in a bottom-up strategy, make the catalytic reactions in which they are used more sustainable.The study and development of new synthetic procedures for the synthesis of tetrapyrrolic macrocycles constitute the first part of the research described in this thesis. The process developed for the synthesis of porphyrins in two steps under mechanical action allowed the reduction of reaction times to just one hour and the replacement of harmful oxidants and solvents. The synthesis of dihydroporphyrins by hydrogenation of porphyrins using diimide as the reducing agent, generated in situ from hydrazine hydrate under mechanical action, allowed the preparation of a family of these compounds with high yield and sustainability, evidenced by the values of the green chemistry metrics calculated for this process.The metalloporphyrins stand out for their application as catalysts in different types of chemical reactions. In this context, two synthetic methodologies were developed to obtain metalloporphyrins. The methodology developed for the synthesis of hydrophobic metalloporphyrins allows the preparation of these compounds simply from the porphyrin and the corresponding metal salt, with high yield. The method developed for the synthesis of hydrophilic metalloporphyrins allows obtaining these compounds using stoichiometric amounts of the corresponding porphyrins and the metallic salt in 1 mL of water under ultrasound irradiation. Both processes show a considerable increase in sustainability, when compared to previously described methods, quantified by calculating the atomic economy, E-Factor and EcoScale.The second part of this thesis presents the synthesis of a new family of C-scorpionates, the development of the methodology for preparing the pro-ligand and the catalyst and their application as catalysts in the azide-alkyne cycloaddition reaction catalyzed by copper under mechanical action. The C-scorpionate with an oxime group on the methine carbon were obtained by reacting nitrosoalkenes, generated in situ from α-halooximes, with pyrazoles under mechanical action, in the absence of solvent. These were complexed with stoichiometric amounts of metal salt under mechanical action without solvent. The copper(II) C-scorpionates obtained were used as catalysts in the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition reaction. This reaction, icon of click chemistry, was carried out under mechanical action without solvent. Higher yields in the synthesis of triazoles were obtained when the C-scorpionate obtained from the [(1-hydroxymino)methyl]tris(1H-pyrazol-1-yl)methane was used. The overall process, from the synthesis of the pro-ligand to the cycloaddition reaction, was carried out in the absence of solvent and whenever possible without excess of reagents, forming secondary products with low molecular weight, such as sodium bromide, characteristics that meet the ideal of green chemistry, shown in the values of the sustainability metrics obtained.In the last part of the thesis, the synthesis of several symmetric and asymmetric N-heterocyclic carbenes and exploratory studies of the synthesis of their manganese complexes is presented. Solventless synthesis of N-heterocyclic carbene with optimized sustainability parameters was developed. The synthesis of asymmetric N-heterocyclic carbenes, much less explored as pro-ligands, was achieved using the corresponding N-substituted imidazoles in a solvent-free strategy under ultrasound irradiation. Despite the moderate yields obtained, the methodology increases the availability of these ligands for the preparation of new catalysts.