Proceso Wacker
Reacción química
Reacción neta en el proceso Wacker

El proceso Wacker o proceso Hoechst-Wacker (llamado así por las empresas químicas del mismo nombre) se refiere a la oxidación de etileno a acetaldehído en presencia de cloruro de paladio (II) y cloruro de cobre (II) como catalizador . [1] Esta reacción química fue una de las primeras catálisis homogéneas con química de organopaladio aplicada a escala industrial. [2]

Historia

La reacción de Wacker fue descrita por primera vez por Smidt et al. [3] [4] [5]

El desarrollo del proceso químico ahora conocido como el proceso Wacker comenzó en 1956 en Wacker Chemie . [6] En ese momento, muchos compuestos industriales se producían a partir de acetileno , derivado del carburo de calcio , una tecnología costosa y perjudicial para el medio ambiente. La construcción de una nueva refinería de petróleo en Colonia por Esso cerca de un sitio de Wacker, combinada con la comprensión de que el etileno sería una materia prima más barata, impulsó a Wacker a investigar sus usos potenciales. Como parte del esfuerzo de investigación resultante, una reacción de etileno y oxígeno sobre paladio sobre carbono en una búsqueda de óxido de etileno dio inesperadamente evidencia de la formación de acetaldehído (simplemente basada en el olor). Más investigaciones sobre esta conversión de etileno a acetaldehído dieron como resultado una patente de 1957 que describe una reacción en fase gaseosa utilizando un catalizador heterogéneo. [7] Mientras tanto, Hoechst AG se unió a la carrera y después de una solicitud de patente obligó a Wacker a una sociedad llamada Aldehyd GmbH . El proceso heterogéneo fracasó debido a la inactivación del catalizador y fue reemplazado por el sistema homogéneo a base de agua, para el que se puso en funcionamiento una planta piloto en 1958. Los problemas con la solución agresiva del catalizador se resolvieron adoptando titanio (recientemente disponible para uso industrial) como material de construcción para reactores y bombas. Las plantas de producción entraron en funcionamiento en 1960.

Mecanismo de reacción

El mecanismo de reacción del proceso industrial Wacker (oxidación de olefinas mediante cloruro de paladio(II)) ha recibido mucha atención durante varias décadas. Algunos aspectos del mecanismo aún son motivo de debate. A continuación se describe una formulación moderna:

Ciclo catalítico para el proceso Wacker. [8]

La reacción estequiométrica inicial fue reportada por primera vez por Phillips. [9] [10] La reacción neta también puede describirse de la siguiente manera:

[PdCl 4 ] 2 − + C 2 H 4 + H 2 O → CH 3 CHO + Pd + 2 HCl + 2 Cl −

A esta conversión le siguen reacciones que regeneran el catalizador Pd(II):

Pd + 2 CuCl 2 + 2 Cl − → [PdCl 4 ] 2− + 2 CuCl
2CuCl+ ⁠1/2O2 + 2 HCl → 2 CuCl2 + H2O

Solo se consumen el alqueno y el oxígeno. Sin cloruro de cobre(II) como agente oxidante , el metal Pd(0) (resultante de la eliminación del Pd(II) con hidruro beta en el paso final) precipitaría, deteniendo la reacción después de un ciclo. Esta reacción estequiométrica se descubrió en 1894. El aire, el oxígeno puro o varios otros reactivos pueden oxidar la mezcla resultante de cloruro de CuCl de nuevo a CuCl 2 , lo que permite que el ciclo continúe.

Estudios mecanicistas históricos

Los primeros estudios mecanicistas de la década de 1960 aclararon varios puntos clave: [11] [8]

  1. No se observaron efectos de intercambio H/D en esta reacción. Los experimentos que utilizan C 2 D 4 en agua generan CD 3 CDO, y los experimentos con C 2 H 4 en D 2 O generan CH 3 CHO. Por lo tanto, la tautomerización ceto-enólica no es un paso mecanístico posible.
  2. Efecto isotópico cinético insignificante con reactivos completamente deuterados ( ⁠kH ​/k D⁠ =1,07). Por lo tanto, se infiere que la transferencia de hidruro no determina la velocidad .
  3. Efecto isotópico competitivo significativo con C 2 H 2 D 2 , ( ⁠kH ​/k D⁠ = ~1,9), sugiere que el paso de determinación de la velocidad debe ser previo a la formación de acetaldehído.
  4. Las altas concentraciones de cloruro y cloruro de cobre (II) favorecen la formación de un nuevo producto, la clorhidrina .

Muchos estudios mecanicistas sobre el proceso Wacker se han centrado en la vía de formación del enlace CO, el paso de hidroxipallatación . Henry dedujo que el hidróxido coordinado ataca al ligando de etileno, una vía interna (sin-). [12] Más tarde, los estudios estereoquímicos de Stille y colaboradores [13] [14] [15] apoyan una vía de antiadición, por la que el hidróxido libre ataca al ligando de etileno. Las condiciones para los experimentos de Stille difieren significativamente de las condiciones del proceso industrial. Otros estudios que utilizaron condiciones industriales normales de Wacker (excepto con altas concentraciones de cloruro y cloruro de cobre) también produjeron productos que inferían que el ataque nucleofílico era una reacción de antiadición. [16]

Se realizaron estudios cinéticos en alcoholes alílicos sustituidos isotópicamente en condiciones industriales estándar (con bajas concentraciones de cloruro) para investigar los mecanismos de reacción. [17] [18] Esos resultados mostraron que el ataque nucleofílico es un proceso lento, mientras que los mecanismos propuestos para explicar los estudios estereoquímicos anteriores asumieron que el ataque nucleofílico era un proceso rápido.

Estudios estereoquímicos posteriores indicaron que ambas vías ocurren y dependen de las concentraciones de cloruro. [19] [20] Sin embargo, estos estudios también son controvertidos ya que los alcoholes alílicos pueden ser sensibles a las reacciones de isomerización y se pueden formar diferentes estereoisómeros a partir de esas reacciones y no a partir del proceso Wacker estándar.

En resumen, la evidencia experimental parece apoyar que la sin-adición ocurre bajo concentraciones de reacción de cloruro bajas (< 1 mol / L , condiciones de proceso industrial), mientras que la anti-adición ocurre bajo concentraciones de reacción de cloruro altas (> 3 mol/L), probablemente debido a que los iones de cloruro saturan el catalizador e inhiben el mecanismo de esfera interna. Sin embargo, la vía exacta y la razón de este cambio de vías aún se desconocen.

Para complicar aún más el mecanismo del proceso Wacker, surgen preguntas sobre el papel del cloruro de cobre. La mayoría de las teorías asumieron que el cobre no desempeña un papel en los mecanismos de oxidación de olefinas. Sin embargo, los experimentos de Stangl y Jira [21] encontraron que la formación de clorhidrina dependía de las concentraciones de cloruro de cobre. El trabajo de Hosokawa y colaboradores [22] produjo un producto cristalizado que contenía cloruro de cobre, lo que indica que puede tener un papel no inocente en la oxidación de olefinas. Finalmente, un estudio ab initio de Comas-Vives, et al. [23] que no involucraba ningún cocatalizador de cobre encontró que la antiadición era la vía preferida. Esta vía fue confirmada más tarde por experimentos sin cobre de Anderson y Sigman. [24] Se encontró una ley de velocidad cinética diferente sin dependencia de protones en condiciones sin cobre, lo que indica la posibilidad de que incluso pequeñas cantidades de cocatalizadores de cobre puedan tener papeles no inocentes en esta química. Aunque estos trabajos complican la imagen del mecanismo del proceso Wacker, probablemente se debería inferir que esta química y otras relacionadas pueden ser sensibles a las condiciones de reacción y que pueden estar en juego múltiples vías de reacción diferentes.

Otro paso clave en el proceso Wacker es la migración del hidrógeno del oxígeno al cloruro y la formación del doble enlace CO. En general, se cree que este paso se produce a través de una denominada eliminación de β-hidruro con un estado de transición cíclico de cuatro miembros :

Eliminación de hidruros de Wacker
Eliminación de hidruros de Wacker

Los estudios in silico [25] [26] [27] sostienen que el estado de transición para este paso de reacción es desfavorable y que está en juego un mecanismo alternativo de reacción de eliminación reductiva . Es probable que los pasos de reacción propuestos estén asistidos por una molécula de agua en solución que actúa como catalizador.

Estado de transición alternativo del proceso Wacker
Estado de transición alternativo del proceso Wacker

Proceso industrial

Se comercializan dos rutas para la producción de acetaldehído: el proceso de una etapa y el proceso de dos etapas.

Proceso de una sola etapa

El eteno y el oxígeno pasan co-corrientemente en una torre de reacción a aproximadamente 130 °C y 400 kPa. [28] El catalizador es una solución acuosa de PdCl2 y CuCl2 . El acetaldehído se purifica por destilación extractiva seguida de destilación fraccionada . La destilación extractiva con agua elimina los extremos ligeros que tienen puntos de ebullición más bajos que el acetaldehído ( clorometano , cloroetano y dióxido de carbono ) en la parte superior, mientras que el agua y los subproductos de mayor punto de ebullición, como el ácido acético , el crotonaldehído o los acetaldehídos clorados, se retiran junto con el acetaldehído en la parte inferior. [28] Debido a la naturaleza corrosiva del catalizador, el reactor está revestido con material cerámico a prueba de ácidos y los tubos están hechos de titanio .

Proceso de dos etapas

En el proceso de dos etapas, la reacción y la oxidación se llevan a cabo por separado en reactores tubulares. A diferencia del proceso de una etapa, se puede utilizar aire en lugar de oxígeno. El etileno pasa a través del reactor junto con el catalizador a 105–110 °C y 900–1000 kPa. [28] La solución de catalizador que contiene acetaldehído se separa por destilación flash . El catalizador se oxida en el reactor de oxidación a 1000 kPa utilizando aire como medio oxidante. La solución de catalizador oxidada se separa y se envía de vuelta al reactor. El oxígeno del aire se utiliza completamente y el aire de escape circula como gas inerte. La mezcla de acetaldehído y vapor de agua se preconcentra al 60–90% de acetaldehído utilizando el calor de la reacción y el agua descargada se devuelve a la torre flash para mantener la concentración del catalizador. A continuación, se realiza una destilación en dos etapas del acetaldehído crudo. En la primera etapa, se separan las sustancias de bajo punto de ebullición, como el clorometano , el cloroetano y el dióxido de carbono . En la segunda etapa, se eliminan el agua y los subproductos de mayor punto de ebullición, como los acetaldehídos clorados y el ácido acético , y se obtiene acetaldehído en forma pura en la cabeza. [28] Debido a la naturaleza corrosiva del catalizador, los equipos en contacto con él están revestidos con titanio .

En los procesos de una y dos etapas, el rendimiento de acetaldehído es de aproximadamente el 95% [28] y los costos de producción son prácticamente los mismos. La ventaja de utilizar gases diluidos en el método de dos etapas se ve compensada por los mayores costos de inversión. Ambos métodos producen hidrocarburos clorados, acetaldehídos clorados y ácido acético como subproductos. En general, la elección del método está determinada por las condiciones de la materia prima y la energía, así como por la disponibilidad de oxígeno a un precio razonable. En general, 100 partes de eteno dan:

  • 95 partes de acetaldehído
  • 1,9 partes de aldehídos clorados
  • 1,1 partes de eteno sin convertir
  • 0,8 partes de dióxido de carbono
  • 0,7 partes de ácido acético
  • 0,1 partes de clorometano
  • 0,1 partes de cloruro de etilo
  • 0,3 partes de etano, metano, crotonaldehído

y otros productos secundarios menores

  • Diagrama de flujo que muestra el diagrama de flujo del proceso para el proceso Wacker de una etapa para la fabricación de acetaldehído.
    Diagrama de flujo que muestra el diagrama de flujo del proceso para el proceso Wacker de una etapa para la fabricación de acetaldehído.
  • Diagrama de flujo que muestra el diagrama de flujo del proceso para el proceso Wacker de dos etapas para la fabricación de acetaldehído.
    Diagrama de flujo que muestra el diagrama de flujo del proceso para el proceso Wacker de dos etapas para la fabricación de acetaldehído.

Oxidación de Tsuji-Wacker

La aparición del proceso Wacker ha estimulado muchas investigaciones sobre la utilidad y aplicabilidad de las reacciones a olefinas terminales más complejas. La oxidación de Tsuji-Wacker es la transformación catalizada por paladio (II) de dichas olefinas en compuestos carbonílicos. Clement y Selwitz [29] fueron los primeros en descubrir que el uso de DMF acuoso como disolvente permitía la oxidación de 1-dodeceno a 2-dodecanona, lo que solucionaba el problema de insolubilidad de las olefinas de orden superior en agua. Fahey [30] observó que el uso de 3-metilsulfolano en lugar de DMF como disolvente aumentaba el rendimiento de la oxidación de 3,3-dimetilbut-1-eno. Dos años después, Tsuji [31] aplicó las condiciones de Selwitz para oxidaciones selectivas de olefinas terminales con múltiples grupos funcionales y demostró su utilidad en la síntesis de sustratos complejos. [32] Un mayor desarrollo de la reacción ha dado lugar a diversos sistemas catalíticos para abordar la selectividad de la reacción, así como a la introducción de oxidaciones intermoleculares e intramoleculares con nucleófilos no acuosos.

Regioselectividad

Adición de Markovnikov

La oxidación de Tsuji-Wacker oxida la olefina terminal a la metilcetona correspondiente bajo la condición del proceso Wacker. Casi idéntico al del proceso Wacker, el ciclo catalítico propuesto [33] (Figura 1) comienza con la complexación de PdCl 2 y dos aniones cloruro a PdCl 4 , que luego sufre un intercambio de ligando posterior de dos ligandos cloruro por agua y alqueno para formar el complejo Pd(Cl 2 )(H 2 O)(alqueno). Luego, una molécula de agua ataca a la olefina regioselectivamente a través de un mecanismo de esfera externa al estilo Markovnikov , para formar el complejo Pd(Cl 2 )(OH)(-CH 2 -CHOH-R) más estable termodinámicamente. La disociación de un ligando cloruro al complejo de paladio de tres coordenadas promueve la eliminación del β-hidruro, luego la inserción migratoria posterior del 1,2-hidruro genera el complejo Pd(Cl 2 )(OH)(-CHOHR-CH 3 ). Este sufre una eliminación de β-hidruro para liberar la cetona, y la posterior eliminación reductora produce HCl, agua y paladio(0). Finalmente, el paladio(0) se reoxida a PdCl 2 con dos equivalentes de Cu(II)Cl 2 , que a su vez puede ser reoxidado por O 2 .

La oxidación de olefinas terminales generalmente proporciona el producto cetona de Markovnikov, sin embargo, en casos donde el sustrato favorece al aldehído (discutido a continuación), se pueden utilizar diferentes ligandos para reforzar la regioselectividad de Markovnikov. El uso de esparteína como ligando (Figura 2, A) [34] favorece la nucleopaladación en el carbono terminal para minimizar la interacción estérica entre el complejo de paladio y el sustrato. El catalizador de paladio ligado a Quinox se utiliza para favorecer la formación de cetona cuando el sustrato contiene un grupo director (Figura 2, B). [35] Cuando dicho sustrato se une a Pd(Quinox)(OOtBu), este complejo se satura de manera coordinada, lo que evita la unión del grupo director y da como resultado la formación del producto de Markovnikov. La eficiencia de este ligando también se atribuye a su propiedad electrónica, donde el TBHP aniónico prefiere unirse en trans a la oxazolina y la olefina en trans a la quinolina. [36]

Adición anti-Markovnikov 

La selectividad de adición anti-Markovnikov al aldehído se puede lograr mediante la explotación de la estereoelectrónica inherente del sustrato. [37] La ​​colocación del grupo director en posición homo-alílica (es decir, Figura 3, A) [38] y alílica (es decir, Figura 3, B) [39] con respecto a la olefina terminal favorece el producto aldehído anti-Markovnikov, lo que sugiere que en el ciclo catalítico el grupo director se quela al complejo de paladio de modo que el agua ataca al carbono anti-Markovnikov para generar el paladaciclo más estable termodinámicamente. La selectividad anti-Markovnikov también se observa en sustratos de estirenilo (es decir, Figura 3, C), [40] presumiblemente a través del complejo η 4 -paladio-estireno después de que el agua ataca al anti-Markovnikov. En las revisiones de Namboothiri, [41] Feringa, [37] y Muzart se dan más ejemplos de oxidación de olefinas anti-Markovnikov Tsuji-Wacker controlada por sustrato. [42]

Grubbs y sus colaboradores allanaron el camino para la oxidación anti-Markovnikov de olefinas terminales no polarizadas estereoelectrónicamente , mediante el uso del sistema de paladio-nitrito (Figura 2, D). [43] En su sistema, la olefina terminal se oxidó al aldehído con alta selectividad a través de una vía de control del catalizador. El mecanismo está bajo investigación, sin embargo, la evidencia [41] sugiere que pasa por un radical nitrito que se añade al carbono terminal para generar el radical secundario más estable termodinámicamente. Grubbs amplió esta metodología a olefinas no polarizadas más complejas. [44] [45]

Alcance

Nucleófilos de oxígeno 

Las oxidaciones intermoleculares de olefinas con alcoholes como nucleófilos suelen generar cetales , mientras que las oxidaciones catalizadas por paladio de olefinas con ácidos carboxílicos como nucleófilos generan carboxilatos vinílicos o alílicos . En el caso de los dioles , sus reacciones con alquenos suelen generar cetales, mientras que las reacciones de olefinas que llevan grupos atractores de electrones tienden a formar acetales . [46]

Las oxidaciones intermoleculares de dienos catalizadas por paladio con ácidos carboxílicos y alcoholes como donantes dan productos de adición 1,4 . En el caso del ciclohexadieno (Figura 4, A), Backvall encontró que el resultado estereoquímico del producto dependía de la concentración de LiCl. [47] Esta reacción procede generando primero el complejo Pd(OAc)(benzoquinona)(alilo), a través de la antinucleopaladación del dieno con acetato como nucleófilo. La ausencia de LiCl induce una eliminación reductora de esfera interna para producir la estereoquímica trans-acetato para producir el aducto trans-1,4. La presencia de LiCl desplaza el acetato con cloruro debido a su mayor afinidad de unión, lo que fuerza un ataque de acetato de esfera externa contra el paladio y produce la estereoquímica cis-acetato para producir el aducto cis-1,4. Ciclación oxidativa intramolecular: el 2-(2-ciclohexenil)fenol se cicla al dihidrobenzofurano correspondiente (Figura 4, B); [48] el ácido 1-ciclohexadieno-acético en presencia de ácido acético se cicla al aducto de lactona-acetato 1,4 correspondiente (Figura 4, C), [49] con selectividad cis y trans controlada por la presencia de LiCl.

Nucleófilos de nitrógeno

Las aminaciones oxidativas de olefinas se llevan a cabo generalmente con amidas o imidas ; se cree que las aminas son protonadas por el medio ácido o se unen al centro metálico demasiado fuerte para permitir que se produzca la química catalítica . [46] Se ha descubierto que estos nucleófilos nitrogenados son competentes tanto en reacciones intermoleculares como intramoleculares; se muestran algunos ejemplos (Figura 5, A, [50] B [51] ).

Referencias

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