Diseño de nuevas rutas sintéticas de compuestos nitroaromáticos. Reactividad electroquímica y química en líquidos iónicos

Resumen

La reacción de Substitución Nucleófila Aromática, SNAr (reacción en la que un compuesto aromático deficiente en electrones con un buen grupo saliente, ArX, reacciona con un nucleófilo, Nu¿ , dando lugar a la formación de un compuesto intermedio aniónico, ¿-complejo, que ¿en determinadas condiciones experimentales- evoluciona hacia el producto de substitución, ArNu, con la correspondiente pérdida del grupo saliente, X¿) es una reacción de gran interés mecanistico y sintético. [1] Nuestro grupo de investigación, en los inicios de este siglo demostró la eficacia de la Electroquímica tanto en la determinación unívoca de los mecanismos de la reacción SNAr de substitución de heteroátomo (proceso NASX) y de hidrógeno (proceso NASH) como en la síntesis de los productos de substitución (NASX y NASH) con rendimientos próximos al 100%. [2] Los reactivos fueron derivados del nitrobenceno, 1,3-dinitrobenceno y 1,3,5- trinitrobenceno y los nucleófilos usados: ión hidruro, ión cianuro, aminas, cetonas y carbaniones entre otros. Iniciamos la investigación con la utilización de líquidos iónicos a temperatura ambiente (RTILs) como disolventes en medidas electroquímicas (pudiendo así eliminar el electrolito de fondo de las disoluciones de trabajo) de la reacción SNAr. La razón principal es que conocíamos bien el comportamiento de dicha reacción tanto en el mecanismo como en la síntesis para varios sustratos y nucleófilos en el medio habitual electroquímico. Previamente al uso de los RTILs en la aproximación electroquímica de la reacción SNAr ha sido necesario conocer el comportamiento de sondas electroquímicas redox (4-nitrotolueno, 1,3-dinitrobenceno, tetrakis(dimetilamino)etileno, 1,3,5-trinitrobenceno, 2,4,6-trinitroanisol, ferroceno, tetratiofulvaleno, tris-4-tolilamina, tris-4-bromofenilamina y N,N,N¿,N¿-tetrametil-para-fenilenodiamina) en los mismos. Utilizando la voltametría cíclica se han determinado la ventana de uso de estos disolventes y el comportamiento de las distintas sondas utilizadas. Se han podido determinar sus potenciales estándar y compararlo con los correspondientes en el medio disolvente/electrolito de fondo y se ha observado que el valor de dicho potencial está correlacionado con el efecto de solvatación de los aniones y cationes de los diferentes RTLI¿s utilizados (1-butil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato (BMIMBF4), 1-butil-3-metilimidazolio hexafluorofosfato (BMIMPF6), 1-butil-3metilimidazolio bis(trifluorometilsulfonil)amida (BMIMTSFI) y 1-butil-3-metilimidazolio acetato (BMIMAcO)). El conjunto de los resultados ha sido publicado en Electrochimica Acta. [3] En este punto, conocido el comportamiento de las sondas electroquímicas en los RTIL¿s estábamos en condiciones de abordar el estudio electroquímico de las reacciones SNAr en ese medio. Para proceder a un estudio sistemático se comienza con el comportamiento electroquímico de ¿-complejos. Demostramos que un ¿H-complejo (sal de tetrametilamonio del anión 1-amino-3-hidro-2,4-dinitrociclohexadienilo) sigue un proceso NASH (oxidación bielectrónica y perdida de un protón) mientras que un ¿X-complejo (sal de potasio del anión 1,1-dimetoxi-2,4,6-trinitrociclohexadienilo) sigue un proceso NASX (oxidación monoelectrónica y perdida de un radical), estos dos procesos análogos a los descritos en medios clásicos disolvente/electrolito de fondo. Se comprobó además la estabilidad de estos complejos, mientras que los ¿H-complejos eran estables el tiempo de voltametria cíclica, los ¿X-complejos se descomponía en el RTIL¿s, dependiendo de su naturaleza, entre un 10 y un 45%. [4] Finalmente, se han obtenido productos de substitución en RTLI¿s utilizando tanto nucleófilos cargados como los iones metoxi, iones cianuro y carbaniones de diferentes cetonas como nucleófilos neutros como las aminas primarias con rendimientos iguales o ligeramente superiores que los obtenidos medios clásicos disolvente/electrolito de fondo. [4] En nuestro interés de conocer el comportamiento de los RTIL¿s, para profundizar en el estudio de propiedades de los mismos, en particular abordé la capacidad de formación de puentes de hidrógeno entre la celulosa y diferentes aniones de los RTIL¿s. Pasamos a continuación a estudiar en el medio electroquímico habitual, disolvente/electrolito de fondo, la reacción SNAr con los reactivos nitroaromáticos habituales en nuestro laboratorio pero utilizando nucleófilos neutros de fosforo (trimetilfofina, trietillfosfina, trifenilfosfina, difenilfosfina, trimetilfosfito, trietilfosfito, dimetilfosfito, dietilfosfito y oxido de difenilfosfina). El interés era doble, obtener los productos de substitución de alto interés [6] y aislar ¿si fuera posible- los primeros intermedios formados, complejos zwiteriónicos. La presencia de estos complejos zwiteriónicos se ha postulado al utilizar como nucleófilo neutro aminas [2] pero no se han podido separar del medio de reacción. Se han obtenido productos de substitución nitrofoforados con rendimientos moderados a elevados (procesos NASH de 10 a 80%, procesos NASX de 90 a 100%). Además la presencia de intermedios zwiteriónicos se ha demostrado indirectamente al aceptar mecanismos tipo Arbuzov¿s. [6] Este trabajo experimental ha dado lugar a una publicación enviada a revisión. [7] Finalmente, en el tiempo experimental final de mi Tesis doctoral he iniciado estudios de la reacción SNAr utilizando como reactivos heterociclos. Unos heterociclos especiales como las porfirinas. La razón es que durante mis estudios de licenciatura realizé mi trabajo de fin de carrera con este tipo de compuestos: electroquímica de porfirinas. [8] Muy pocos trabajos abordan las reacciones SNAr en porfirinas. [9] Empezamos intentando reproducir estos resultados, y forzar la oxidación de los ¿-complejos formados por métodos químicos y electroquímicos. Los resultados iniciales han sido esperanzadores (se obtiene en el caso de la reacción de 5,10,15,20-tetrakis(2-nitrofenil) porfirinato de zinc (II) con el nucleófilo 2-butanona producto de substitución con un rendimiento de 22%), constituyendo un buen inicio para una futura investigación. [10]