Alcossicarbonilazioni di alchini

La sezione introduce la scoperta fondamentale di Otto Roelen presso la Rührchemie AG. Durante le sue ricerche sul meccanismo di reazione del processo Fischer-Tropsch, un processo cobalto-catalizzato per la sintesi di idrocarburi da monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H₂), Roelen fece una scoperta inaspettata: l'addizione di etene alla miscela di gas di sintesi (CO e H₂) portava alla formazione di propanale con rese elevate. Questo evento segna l'inizio dello studio delle reazioni di carbonilazione. Il testo sottolinea l'importanza di questa scoperta, che ha aperto la strada a nuove ricerche e applicazioni nel campo della chimica organica. Si evidenzia il ruolo dei catalizzatori a base di metalli di transizione, quali cobalto, nichel, palladio, rodio e platino, nel facilitare il decorso di queste reazioni. Le prime reazioni di carbonilazione su substrati insaturi, come alcheni e alchini, risalgono agli anni '30 del Novecento, mostrando una rapida evoluzione del campo.

La sezione descrive in dettaglio il ruolo cruciale del monossido di carbonio (CO) nelle reazioni di carbonilazione. Il CO viene presentato come un ottimo building block, un elemento fondamentale per la sintesi di una vasta gamma di composti chimici, tra cui aldeidi, acidi carbossilici ed esteri. La reazione prevede l'introduzione di una molecola di CO in vari substrati, tra cui alcoli, alcheni, alchini, ammine e composti aromatici. Tuttavia, il documento evidenzia le sfide associate all'utilizzo degli alchini come substrati, a causa della loro bassa reattività. Questa bassa reattività ha portato allo sviluppo del processo Reppe, che richiede condizioni operative molto severe, con temperature superiori ai 200°C. La sezione prosegue poi analizzando diversi complessi metallo-carbonilici, evidenziando l'efficacia del Ni(CO)₄ in termini di velocità di reazione e chemoselettività, rispetto ad altri complessi come Fe(CO)₅, H₂Fe(CO)₄, e HCo(CO)₄. Viene menzionato l'acetilene come substrato alchinico ampiamente utilizzato, anche se la sua importanza è diminuita negli ultimi tempi a causa di costi e problemi di sicurezza.

Questa parte approfondisce la storia dell'utilizzo dell'acetilene nelle reazioni di carbonilazione. Il testo evidenzia che l'acetilene, prima di essere soppiantato dall'etilene, era la materia prima principale nella chimica organica industriale. La sua importanza è diminuita notevolmente a causa dei costi elevati e dei problemi di sicurezza legati alla sua produzione e manipolazione. Le olefine, in generale, sono diventate un'alternativa più conveniente e sicura, fungendo da feedstock per molti processi industriali. Il documento spiega come le reazioni di carbonilazione di alchini possano trovare applicazione nella trasformazione di substrati alchinici a catena più lunga, ottenuti dal cracking della nafta. Un esempio è il propino, utilizzato per la produzione di acido metacrilico e dei suoi esteri. La sezione chiarisce quindi il passaggio da un substrato tradizionale, l'acetilene, a nuovi substrati più efficienti ed economici, sottolineando l'adattamento dei processi di carbonilazione alle esigenze dell'industria chimica moderna.

La sezione inizia sottolineando l'importanza di un sistema catalitico efficiente per la buona riuscita di un processo di carbonilazione. Si evidenzia la costante ricerca di processi catalitici innovativi che siano a basso costo, puliti e che garantiscano alte rese. L'uso dei metalli di transizione in chimica organica viene descritto come un elemento chiave nello sviluppo della chimica nella seconda metà del secolo scorso. La tendenza è stata quella di studiare e sviluppare nuovi sistemi catalitici meno pericolosi, più longevi e in grado di operare in condizioni più blande, rispetto ai processi tradizionali che richiedevano condizioni operative molto severe. Il testo cita come esempio le modifiche apportate al processo Reppe da parte di Wilkinson, Heck e Tsuji, che hanno introdotto l'uso di leganti fosfinici in reazioni catalizzate da palladio e rodio. Queste modifiche hanno consentito di operare a condizioni più blande, ottenendo efficienze superiori rispetto al processo Reppe originale. Vengono menzionati alcuni esempi di catalizzatori efficienti e stabili per reazioni di carbonilazione, come [PdCl₂(PPh₃)₂] e [RhCl(PPh₃)₂CO].

Nonostante i progressi significativi nell'ambito della catalisi omogenea, il documento segnala che in America e Europa orientale sono ancora operativi processi per la produzione di acidi ed esteri acrilici da acetilene, catalizzati da Ni(CO)₄. La BASF, ad esempio, utilizza un precursore del nichel tetracarbonile, NiBr₂, attivato con un promotore a base di rame (CuI), per la produzione di acidi acrilici da acetilene a una temperatura di 180-205 °C e a una pressione di 55 atm. Questo evidenzia la coesistenza di processi tradizionali, pur con le loro limitazioni in termini di sicurezza e condizioni operative, con le nuove tecnologie più efficienti. L'utilizzo di questi nuovi sistemi catalitici ha reso le reazioni di carbonilazione un metodo sintetico versatile, pulito ed efficiente, permettendo di operare a basse temperature (inferiori a 100 °C), pressioni vicine a quella atmosferica e con quantità minime di catalizzatore, rispetto ai metodi precedenti.

La sezione descrive il sistema catalitico sviluppato da E. Drent alla Shell negli anni '90, un sistema omogeneo preparato in situ, composto da palladio acetato (Pd(OAc)₂), 2-piridildifenilfosfina (PPh₂Py) e acido metansolfonico (CH₃SO₃H). Questo nuovo sistema catalitico ha rappresentato una svolta nel campo, ottenendo risultati sorprendenti nella metossicarbonilazione del propino per la sintesi di metil metacrilato (MMA), con una regioselettività verso il prodotto ramificato del 99% e una velocità di reazione molto elevata (50.000 TON/). Sono stati condotti studi sulla struttura del legante, in particolare sulla posizione dell'eteroatomo e la presenza di sostituenti sull'anello piridinico. Si è osservata una minore efficienza catalitica e selettività usando 3-PPh₂Py o 4-PPh₂Py, quest'ultima con attività simile alla trifenilfosfina. Il ruolo fondamentale del legante fosfinico e la straordinaria efficienza del sistema sono attribuiti alla presenza dell'atomo di azoto sull'anello piridinico. La sostituzione di trifenilfosfina con 2-piridildifenilfosfina porta a un aumento dell'attività catalitica e della selettività. Infine, vengono proposti leganti alternativi con eteroatomi diversi dalla piridina, confermando l'importanza dell'eteroatomo per aumentare l'efficienza catalitica.

Questa sezione delinea l'obiettivo principale del lavoro di tesi: espandere l'utilizzo delle reazioni di carbonilazione di alchini terminali per la sintesi di fine chemicals. In particolare, si punta a sfruttare l'efficienza del sistema catalitico proposto da E. Drent, composto da Pd(OAc)₂, PPh₂Py e CH₃SO₃H, per ottenere composti carbonilici con elevata regioselettività verso l'isomero ramificato. Il documento introduce due target specifici: il metil 2-fenossiacrilato e il metil 2-(idrossimetil)acrilato, interessanti intermedi per la sintesi di agrochemicals e altri prodotti della chimica fine. L'utilizzo del sistema catalitico di Drent, già dimostrato efficace in studi precedenti, è giustificato dalla sua capacità di ottenere composti carbonilici con elevata regioselettività. La metodologia prevede la variazione di un solo parametro per ogni reazione, mantenendo costante il resto delle condizioni sperimentali, per un'analisi accurata dell'effetto di ciascun parametro sulla reazione.

La sezione approfondisce lo studio della reazione di carbonilazione dell'alcol propargilico in metanolo, utilizzando il sistema catalitico di Drent. L'obiettivo è la sintesi del metil 2-(idrossimetil)acrilato. I risultati delle prove preliminari, condotte con un rapporto Pd/substrato elevato (250) e tempi di reazione prolungati (20h), mostrano una conversione del substrato dell'82%, ma il prodotto principale non è quello atteso, bensì il suo metil etere (metil 2-(metossimetil)acrilato), ottenuto con una resa del 77%. Riducendo il tempo di reazione a 3 ore, si ottiene prevalentemente il prodotto desiderato, confermando l'ipotesi che la formazione dell'etere sia una reazione successiva. Ulteriori esperimenti, con un rapporto substrato/Pd di 1000 e tempo di reazione di 3 ore, mostrano una bassa conversione (10%), ma la selettività rimane orientata verso la formazione del metil etere. Si osserva la formazione di palladio black a 70°C, indicando una limitata stabilità del catalizzatore a questa temperatura. Esperimenti a 50°C mostrano un'attività catalitica limitata a circa 250-300 cicli.

La scarsa stabilità del catalizzatore e la formazione di palladio metallico vengono attribuite alla presenza di ossido nella fosfina commerciale. Dopo la purificazione della fosfina, si conducono ulteriori prove mantenendo costanti i rapporti catalitici e variando la temperatura. La variazione di temperatura non porta a cambiamenti significativi in termini di conversione e selettività. Si ipotizza che l'acido in eccesso velocizzi la reazione, dando inizialmente il prodotto desiderato e successivamente il prodotto eterificato. Esperimenti con un eccesso di acido mostrano un aumento della conversione, ma anche una maggiore formazione del prodotto eterificato. Infine, viene studiato l'effetto del solvente. Si osservano risultati migliori con solventi clorurati come il diclorometano (DCM) e il 1,2-dicloroetano (DCE), quest'ultimo mostrando una conversione del 90%, superiore al 75% ottenuto in DCM. Il metanolo, oltre ad essere solvente, agisce come coreagente. L'NMP, invece, si rivela un solvente inadeguato. In conclusione, lo studio evidenzia la sensibilità della reazione al solvente e alle condizioni di reazione, ottimizzando i parametri per ottenere i prodotti desiderati.