La síntesis de catalizadores organometálicos, que a menudo implica reactivos sensibles y productos complejos e inestables, puede ser un desafío. La relativa debilidad de los enlaces entre los centros metálicos y los grupos de coordinación implica que los ligandos acuoso y dioxígeno pueden interrumpir la estructura molecular deseada, lo que frecuentemente requiere condiciones de trabajo sin oxígeno ni agua. Tras la síntesis y la caracterización, es necesario encontrar las condiciones óptimas para estos catalizadores. Metales costosos e insostenibles como el rodio, el iridio y el paladio suelen formar los centros de los catalizadores, por lo que su consumo debe minimizarse. En este trabajo, se analiza la relevancia de Easy DOE para la optimización y el análisis de tres catalizadores de iridio en dos grupos de variables.
El primer conjunto de condiciones informa cuáles son las mejores condiciones de trabajo de los catalizadores y ayuda a delinear sus capacidades. Las variables que se prueban son el sustituyente del catalizador (éter corona, metoxietilo o metilo), el sustrato, la adición de sales de sodio o litio y la adición de agua. El segundo conjunto de condiciones forma una evaluación de respeto al medio ambiente, haciendo un guiño a los criterios de Anastas y Warner para la química verde. Las variables que se prueban son el disolvente (disolventes tradicionales como el diclorometano frente a opciones más ecológicas como el acetonitrilo), la presión de hidrógeno y la sensibilidad al oxígeno. Se emplea Easy DOE para diseñar estas ejecuciones, reduciendo la entrada necesaria para obtener datos significativos. Juntos, estos dos conjuntos de condiciones dan una imagen del entorno químico que mejor se adapta a los catalizadores, así como la forma de ajustar esta química para el más verde.
Hola. Me llamo JR Cobb. Trabajo como becario en JMP y también como asistente de investigación de pregrado en la UNC Chapel Hill. Hoy les contaré cómo hemos usado Graph Builder en JMP para caracterizar las capacidades de hidrogenación de este complejo de iridio en particular, como parte del objetivo general de mi grupo de investigación: explorar la catálisis controlada por cationes, es decir, sin la presencia de litio. Este catalizador es catalíticamente inactivo. Si añadimos un equivalente de litio, obtenemos un complejo catalíticamente activo que puede realizar diversas transformaciones.
Anteriormente, se había demostrado que este catalizador sintetizaba alquenos. Pero en este trabajo en particular, exploraremos cómo varía el rendimiento de la hidrogenación al modular diferentes variables. En primer lugar, necesitamos comprender por qué se hidrogena. La verdadera respuesta radica en que añadir hidrógeno a través de un doble enlace es muy prometedor para introducir nuevos grupos funcionales que hacen que las moléculas sean mucho más interesantes. Por ejemplo, este sistema pi entre un carbono y un nitrógeno se llama nitrilo.
Si lo hidrogenamos, obtenemos una amina. De forma similar, podemos reducir una cetona a un alcohol y una amina a otra. La hidrogenación permite realizar numerosas transformaciones. Produce moléculas más funcionales o con una funcionalidad diferente a la que tendrían de otra manera, que es, por supuesto, lo que buscamos en química.
En este trabajo en particular, exploraremos la hidrogenación de alquenos, y el objetivo es que esta hidrogenación sea selectiva. Esta vía roja a la derecha muestra una hidrogenación completa y no selectiva. Esto significa que esta molécula, que contiene tanto un nitrilo como una cetona, se está reduciendo completamente.
Obtenemos una amina y un alcohol. Pero lo que preferiríamos, y esto se relaciona con el diseño del catalizador y las condiciones de la reacción, es reducir solo uno de estos bots, ya que eso nos da más control sobre las transformaciones que podemos realizar. Por ejemplo, queremos reducir solo el nitrilo o solo el alcohol, pero no ambos.
En este trabajo, también exploraremos maneras de asegurar que nuestra hidrogenación sea selectiva para los alquenos que queremos reducir y no para otras moléculas. Esto resume la visión y cómo logramos establecer estas hidrogenaciones. Así pues, de nuevo, aquí está nuestro complejo catalíticamente inactivo, y no queremos que se produzca ninguna reacción. Este es un ejemplo con una cetona alfa beta insaturada. No queremos catálisis sin añadir litio a la solución.
Al añadir litio, queremos observar solo la reducción de este doble enlace, dejando intacto este doble enlace carbono-oxígeno. Esta tabla resume brevemente las condiciones de reacción utilizadas.
Se utilizó una variante más pequeña de experimentación de alto rendimiento, con 18 viales a la vez. En ella, se cargó el catalizador, el activador de litio (si se utiliza), una solución de sustrato, un inhibidor para prevenir la polimerización y un estándar interno en un vial de cromatografía de gases. Este se hidrogenó a 10 bares de hidrógeno durante una hora. Posteriormente, se monitorizó el progreso de la reacción y los resultados mediante espectroscopía de protones, HSTC y RM.
El problema radica en que queremos comprender mucho sobre el funcionamiento de este catalizador. Solo sabíamos que este catalizador podía hidrogenar estireno. Esa era la única base con la que contábamos. Teníamos muchas preguntas sobre su rendimiento. Esto significa que tuvimos que realizar mucha experimentación.
Queríamos determinar el impacto de los grupos electrónicos donantes y retractores en los sustratos. ¿Cómo afecta la sustitución de un sustrato al rendimiento obtenido? ¿Afecta la geometría del sustrato al rendimiento? Teníamos todas estas preguntas que queríamos responder, y esto, naturalmente, nos obligó a usar la visualización. Obtuvimos más de 70 filas de datos, cada una de las cuales corresponde a un espectro de RMN.
Si bien este espectro, ya sea de protones unidimensionales o de control de calidad bidimensional (QC) nos proporciona mucha información, incluso una vez compilados los resultados en una tabla grande, resulta muy difícil analizarlo y comprender realmente el tipo de hidrogenación que este catalizador es capaz de realizar. Aquí es donde empleamos con frecuencia Graph Builder.
Queríamos crear visualizaciones que nos ayudaran a comprender estos datos sin tener que analizarlos espectro por espectro. Este es un ejemplo inicial complejo, pero bueno, de centralización de todos nuestros datos de rendimiento. Lo ideal era una conversión muy alta del alqueno al alcano correspondiente. Esto se aplica básicamente a cada ejecución que realizamos en este trabajo en particular.
Inmediatamente, obtenemos algunas ideas. En primer lugar, el tamaño del círculo se relaciona con la temperatura a la que realizamos la hidrogenación. Los círculos pequeños representan la temperatura ambiente y los más grandes, 60 grados Celsius. El color del círculo se relaciona con el activador utilizado. Este color azul corresponde a una sal llamada BARF de litio, de la que hablaré más adelante, y podemos continuar a partir de ahí.
El morado, el verde, el rojo y el azul indican que se añadieron sales diferentes o que no se añadió ninguna. Inmediatamente, observamos que este sustrato de ortovinilanisol presentó una hidrogenación muy alta a temperatura ambiente. Sabemos de inmediato que los derivados del anisol se hidrogenarán favorablemente con este catalizador.
De manera similar, a 60 °C, con la adición de litio BARF, observamos que los alakeanos cíclicos tienen una alta propensión a la hidrogenación. Sin embargo, algunos sustratos más voluminosos, como el tetrafeniletileno y el tetrametiletileno, presentan una hidrogenación muy difícil. No importa si se realiza en caliente o en frío, ni si se añade litio.
Esto nos ayudó a definir qué tipos de sustratos deberíamos elegir, pero esta tabla aún es confusa. Sigue siendo difícil extraer los impactos de cada variable en el rendimiento de hidrogenación. Sin embargo, sabiendo que ese derivado de anisol tenía un rendimiento de hidrogenación bastante alto, quisimos investigar otros derivados del estireno.
Por ejemplo, al añadir un grupo metilo al estireno, que es una molécula aquí en el centro, podemos obtener alfa-metilestireno. Este se llama carbono alfa, o podemos obtener trans-β-metilestireno añadiéndolo al otro lado de ese doble enlace. Teníamos curiosidad por el impacto que podría tener la geometría. Lo que observamos es que el estireno tiene altos rendimientos de hidrogenación porque este doble enlace en cuestión simplemente permanece sin ninguna interferencia estérica. En cambio, el alfa-metilestireno con este grupo metilo aquí fue muy difícil de hidrogenar y solo logramos rendimientos del 35 %. En cambio, si colocamos el grupo metilo al otro lado, obtuvimos rendimientos del 15 %.
Esto se acercaba cada vez más a lo observado en nuestros experimentos originales con estireno. También postulamos que, dado que un catión litio se une al macrociclo, podríamos obtener un grupo metoxi con carga relativamente negativa para coordinar ese litio y dirigir el doble enlace más cerca del centro de iridio.
Queríamos realizar un experimento con el grupo metoxi junto al grupo vinilo y el grupo metoxi frente a él. Observamos una diferencia considerable en el rendimiento del orto-vinil anisol frente al del paravinil anisol. Este estudio fue muy interesante sobre cómo la geometría del sustrato, con el mismo peso molecular en cada grupo, influía en el rendimiento.
De manera similar, hay dos maneras de aumentar la velocidad de hidrogenación. Se trata de calentar los componentes, lo cual está relacionado con los cuatro sustratos que trabajamos a temperatura elevada. Este fue el 2-ciclohexeno-1, que tiene un doble enlace y una cetona. Este fue nuestro estudio de selectividad, así como los mismos alquenos cíclicos que mencionamos anteriormente. Observamos que, salvo el tetrametileno, que aún tenía un rendimiento relativamente bajo en este púrpura, todos los demás presentaron rendimientos más altos a 60 °C.
Así aprendimos que las temperaturas más altas eran más favorables para la hidrogenación. Además, sabíamos que el litio BARF (abreviatura de este anión largo) se coordinaría con el macrociclo y generaría una mayor actividad. Pero nos intrigaba si un catión de dos o tres más podría unirse con mayor fuerza al macrociclo y aumentar aún más el rendimiento.
Desafortunadamente, al usar triflato de litio y triflimida de magnesio, no observamos una mejora significativa; la barra de litio que observamos fue mucho peor, siendo el triflato de litio tan perjudicial como no usar ningún activador. Finalmente, queríamos usar los parámetros de Steremal B1, que son las cuantificaciones del volumen estérico que empleamos para evaluar la densidad del entorno químico alrededor de un doble enlace.
En este caso, cuanto mayor sea el parámetro de escalera, más voluminosa será la olefina. Por lo tanto, postulamos que sería más difícil para este sustrato unirse al centro de iridio. Esto es prácticamente lo que observamos con parámetros sumativos más bajos de Steremal B1. Observamos mayores rendimientos de hidrogenación, especialmente con barras de litio a temperaturas más altas.
A medida que alcanzamos los seis altos para el parámetro Steremal B1, observamos un rendimiento muy bajo. Todo esto en conjunto se pudo visualizar mediante JMP, y aprendimos lecciones sobre el comportamiento de este catalizador y los esquemas de hidrogenación. También tenemos muchas perspectivas futuras. Podemos aplicar química combinatoria con DOE para crear nuevos catalizadores que antes no habíamos podido fabricar. Podemos realizar pruebas de cribado para comprender su rendimiento en la hidrogenación.
También podemos realizar análisis de componentes principales incorporando más variables numéricas continuas y aprovechando al máximo JMP para comprender cómo se comporta el catalizador de nuestro grupo en este nuevo campo de la hidrogenación, que no hemos explorado antes. JMP hará todo esto posible, y estamos muy entusiasmados.
Un breve agradecimiento al Grupo Miller de la UNC, laboratorio donde se llevó a cabo esta investigación, al Departamento de Química de la Universidad de Carolina del Norte y al Laboratorio de Espectrometría de Masas, donde se llevaron a cabo todas estas reacciones. Todo esto se realizó gracias a una subvención de la Fundación Nacional de Ciencias, y eso es lo que conseguí.
