imobilizaÇÃo de organocatalizadores em materiais ... · covalent organic frameworks (ou cofs) ......

Departamento de Química

IMOBILIZAÇÃO DE ORGANOCATALIZADORES EM MATERIAIS

NANOESTRUTURADOS DO TIPO COF (COVALENTE ORGANIC

FRAMEWORK) E SUA APLICAÇÃO NA SÍNTESE ASSIMÉTRICA

Aluno: Bruno Xavier Ferreira

Orientadora: Camilla Djenne Buarque

Introdução

A) Organocatálise

A organocatálise refere-se ao uso de moléculas orgânicas de baixo peso molecular

como catalisadores que tenham a capacidade de promover transformações orgânicas sem que

na sua estrutura esteja presente átomos metálicos. Tem se apresentado como uma poderosa

ferramenta na síntese orgânica emergindo como o terceiro pilar na catalise assimétrica¹.

Essa área apresenta um crescimento exponencial tanto de publicações quanto em

grupos de pesquisa. Isso pode ser atribuído ao fato das moléculas orgânicas usadas como

catalisadores apresentarem características como a não sensibilidade à luz e a umidade, serem

encontradas comercialmente disponíveis como materiais biológicos, normalmente de baixo

custo, além de não exigirem procedimentos experimentos ou de manipulação específicos e de

serem não tóxicos, tornando a organocatálise como um campo experimental com benefícios

econômicos e apto na síntese de compostos de interesse biológico².

As reações catalisadas via enamina e imínio, também conhecidas como aminocatálise,

têm ganhado importante atenção devido a sua versatilidade em catalisar diversas reações

promovendo a formação de ligações C-C e C-N como são reações do tipo Michael, Diels-

Alder, Mannich, aldol, etc3-5 levando a obtenção de produtos com elevados excessos

enantioméricos e altos rendimentos.

Os trabalhos feitos por List e colaboradores em torno ao organocatalisador de L-

prolina (1) e de MacMillan e colaboradores no desenho do catalisador de segunda geração

imidazolidinona (2) na ativação de cetonas e aldeídos (Esquema 1), permitiram explorar mais

a fundo os modos de ativação via enamina e via imina respectivamente, de compostos

carbonílicos. Ambos os modos de ativação estão baseados na formação de intermediários

covalentes gerados pela condensação entre as aminas cíclicas quirais com o grupo carbonila6-

7.


Esquema 1. i) Reação aldólica intermolecular catalisada por prolina. ii) Reação Diels-Alder catalisada por

imidazolidinona

Como observado anteriormente, tanto a organocatálise como a síntese orgânica em si

oferecem uma grande versatilidade entre outras coisas, na concepção de novos conceitos tanto

teóricos como experimentais que nos permitam avançar cada vez mais em determinado campo

ou em vários paralelamente. Como por exemplo, o uso de macromoléculas como são os

covalent organic frameworks (ou COFs) que vêm sendo estudados como potenciais materiais

nanoestruturados para aplicações tecnológicas, assim como seu uso como substratos para

catálise heterogênea.

B) Covalent Organic Frameworks

COFs são uma classe de macromoléculas porosas e cristalinas com uma rede de blocos

bem definidos formados por ligações covalentes do tipo C-C, C-B, C-N, etc8. Parâmetros

como a composição do COF assim como a porosidade e a área superficial podem ser

controlados mediante o pré-desenho a traves dos blocos de montagem9,10. Entre as principais

aplicações dos COFs encontramos o armazenamento de gases11, catálise12 e sistemas

fotovoltaicos13.

Uma vantagem oferecida por este tipo de estruturas é a possibilidade de

funcionalização. Nesse sentido, um estudo realizado por Xu e colaboradores visando o uso de

COFs como plataformas para catálise heterogênea, tornou-se o primeiro exemplo encontrado

na literatura no emprego desse tipo de materiais para imobilizar organocatalisadores dentro

dos poros do material. Os bons resultados obtidos pelo grupo na obtenção de produtos da

adição de Michael com altos excessos enantioméricos e conversão, despertam o interesse para

a utilização desse tipo de estrutura na imobilização de diferentes organocatalisadores14.

Tendo em vista essas possíveis aplicações, trabalhou-se para obter o TPB-DMTP-COF

(3) (Esquema 2), iniciando pela obtenção dos blocos de montagem 2,5-diformil-1,4-

dimetóxibenzeno (DMTA) (4), 2,5- dipropargil-1,4-dimetóxibenzeno (BPTA) (5) e 1,3,5-

tris(4-aminofenil)benzeno (TAPB) (6).

1

1

2

2


Esquema 2. Reação para a obtenção do TPB-DMTP-COF

Materiais e métodos

A. Síntese do 2,5-dibromo-p-dimetoxibenzeno (8)

Em um balão de 125 mL adicionou-se 36,2 mmol de p-dimetoxibenzeno (p-DMB) (7,

Esquema 3) e 1,90 mmol de ferro juntamente com 30 mL de tetracloreto de carbono (CCl4),

sendo deixada essa mistura sob agitação. Em seguida, adicionou-se lentamente uma solução

de 0,31 mmol de bromo (Br2) em 10 mL de CCl4. Depois da adição deixou-se a reação sob

agitação a temperatura ambiente por 16 horas.

Ao término desse período, o meio reacional foi diluído com 100 mL de clorofórmio

(CHCl3), sendo em seguida lavada sucessivamente com soluções aquosas de bissulfito de

sódio (NaHSO3) saturada (3x80 mL) e de hidróxido de sódio (NaOH) 1 mol L-1 (2x50 mL), e

por fim mais três lavagens com 50 mL utilizando água destilada.

Durante as lavagens observou-se uma mudança de cor da fase orgânica. Após a primeira,

que utilizou NaHSO3, a solução passou de laranja para amarela, já com a segunda, houve a

mudança para uma solução translucida. Ao fim das lavagens, a fase orgânica foi seca com

sulfato de sódio anidro (Na2SO4), e posteriormente evaporada, utilizando o rotaevaporador e o

sistema de alto vácuo, obtendo-se um sólido branco, onde esse produto foi analisado pela

técnica de Ressonância Magnética Nuclear do átomo de Hidrogênio (RMN ¹H).

4 5

3

6


B. Rota sintética 1 para obtenção do DMTA (4)

Inicialmente realizou-se a secagem dos solventes tetraidrofurano (THF) e

dimetilformamida (DMF), para isso deixando-os por 18 horas em contato com sódio metálico

e depois destilando-os, e por fim deixando-os armazenados em um recipiente com peneira

molecular ativada.

Em seguida, preparou-se uma solução de 8 em THF seco, para isso utilizou-se 0,507

mmol do reagente e 2 mL do solvente, sob atmosfera de nitrogênio e a -78 ºC. A essa solução

adicionou-se 2,5 mmol de n-butil lítio (n-BuLi), deixando o meio sob agitação por duas horas.

Após esse período foi adicionado 0,254 mmol de DMF anidro, deixando sobre agitação por

mais 30 minutos a -78ºC, depois deixou-se atingir a temperatura ambiente.

Após esse tempo, adicionou-se 2 mL de água destilada e 0,7 mL de uma solução de HCl

(2 mol L-1). A solução resultante foi extraída com acetato de etila (3x10 mL), em seguida a

fase orgânica foi seca com sulfato de sódio anidro e o solvente orgânico evaporado no

rotaevaporador e no alto vácuo, obtendo-se um óleo amarelo com cheiro doce, que foi

analisado por RMN ¹H e Cromatografia Gasosa acoplada ao Espectrômetro de Massas (CG-

MS).

C. Síntese do 1,4-bis(clorometil)-2,5-dimetoxibenzeno (9)

Montou-se um sistema para a produção de ácido clorídrico (HCl) gasoso que é borbulhado

no meio reacional. O sistema consiste de três balões conectados, onde o balão do meio serve

como uma segurança para a não inserção em excesso de HCl no meio reacional. No primeiro

balão, realizou-se a reação para a produção do HCl, adicionou-se 0,77 mol de cloreto de sódio

(NaCl) e 135 mL de uma solução de ácido sulfúrico em água destilada (4:5), colocando esse

balão sobre aquecimento em uma manta, onde observou-se o rápido desprendimento de HCl

gasoso.

Figura 1: Sistema para o borbulhamento de HCl gasoso na reação

No balão três, adicionou-se 0,750 mol de 7 em 700 mL de uma solução de 1,4-dioxano e

HCl concentrado (6:1), sendo mantida sobre agitação a temperatura ambiente. O HCl gasoso


foi borbulhado no balão 3 através de uma mangueira com adaptação de uma pipeta pasteur de

vidro.

Após dez minutos do início do desprendimento do gás no balão um, gotejou-se lentamente

2,00 mol de formaldeído, sendo deixado sobre agitação por 3 horas a temperatura ambiente.

Depois, adicionou-se lentamente 450 mL de HCl concentrado e a solução foi deixada em

agitação por 2 dias para garantir a máxima formação de precipitado. Após esse tempo foi

filtrado ao vácuo um sólido branco e lavado sucessivamente com água destilada gelada.

Finalmente o sólido foi recristalizado dissolvendo-o com o mínimo de acetona quente e

logo colocado no freezer para sua respectiva precipitação. Os cristais obtidos foram lavados

com acetona gelada e colocado para secar no alto vácuo. O produto foi analisado por RMN

¹H.

D. Rota sintética 2 para obtenção do DMTA (4)

A um balão de 500 ml foi adicionado 0,100 mol de 9, dissolvendo-o em 200 mL de

CHCl3. Com essa solução sob agitação, adicionou-se ao balão 0,21 mol de

hexametilenotetramina (HMTA), deixando a solução em refluxo por 12 horas. Após esse

tempo, deixou-se a solução atingir a temperatura ambiente e evaporou-se o solvente no

rotaevaporador. O sólido resultante foi solubilizado em 320 mL de uma solução de ácido

acético em água (1:1), depois deixado em refluxo por 12 horas.

Ao fim das 12 horas, adicionou-se lentamente 25 mL de HCl concentrado, e deixou-se a

reação sobre refluxo a 120 ºC por 8 horas. Com término desse período, deixou-se o sistema

atingir a temperatura ambiente, em seguida foi deixado no freezer por 2 dias, onde observou-

se a formação de um precipitado amarelo claro, o qual foi filtrado a vácuo e lavado com água

e etanol gelados, em seguida secos no sistema de alto vácuo. O produto obtido foi

caracterizado por RMN ¹H.

E. Síntese do 2,5- diformil-p-hidroxibenzeno (10)

Adicionou-se 0,154 mmol de 4 e 1,5 mL de ácido acético a um balão de 5 mL e colocou-

se sobre agitação. Depois adicionou-se 1,3 mmol de ácido bromídrico 48% (HBr), colocando

a solução sob agitação por 20 horas sobre atmosfera de nitrogênio. Ao término desse período,

adicionou-se 5 mL de água destilada ao meio reacional, em seguida extraiu-se com dietileter

(2x10 mL), finalmente a fase orgânica foi seca com sulfato de sódio anidro e evaporado

utilizando o rotaevaporador e o sistema de alto vácuo, obtendo-se um óleo amarelo, sendo

este analisado por CG-MS.

F. Síntese do BPTA (5) utilizando THF

Em um balão flambado de 25 mL de duas bocas adicionou-se 0,506 mmol de 10 e 3,04

mmol de carbonato de potássio (K2CO3) e 7 mL de THF, depois montou-se o sistema de

refluxo e vedou-se o mesmo. Com o sistema fechado adicionou-se 3,04 mmol de brometo de

propargila, em seguida, trocando a atmosfera pela atmosfera de nitrogênio e coloca-se o


sistema em refluxo, a 70ºC, por 20 horas. Ao término desse período, o produto foi extraído

com uma solução aquosa de NaOH 10%.

G. Síntese do BPTA (5) utilizando acetonitrila

Em um balão flambado de 25 mL de duas bocas adicionou-se 0,506 mmol de 10 e 3,04

mmol de carbonato de potássio (K2CO3) e 7 mL de acetonitrila, depois montou-se o sistema

de refluxo e vedou-se o mesmo. Com o sistema fechado adicionou-se 3,04 mmol de brometo

de propargila, em seguida, trocando a atmosfera pela atmosfera de nitrogênio e coloca-se o

sistema em refluxo, a 90ºC, por 3 horas. Ao término desse período, o produto foi extraído

com uma solução aquosa de NaOH 10%, obtendo-se um rendimento de 89%. O produto

obtido foi analisado por RMN ¹H.

H. Síntese do 1,3,5-tri(nitrofenil)benzeno (12)

A um balão de 25 mL de duas bocas flambado, adicionou-se 3 mmol de 4-

nitroacetofenona e 10 mL de n-butanol, então montou-se o sistema de refluxo e vedando-se

bem o sistema modificou-se atmosfera para uma de nitrogênio. Depois, adicionou-se 9 mmol

de tetracloreto de silício (SiCl4) (11, Esquema 5) lentamente e colocou-se o sistema em

refluxo a 130 ºC por 24 horas.

Com o término desse período, deixou-se a solução atingir a temperatura ambiente, em

seguida neutralizou-se o meio com 20 mL de NH4 saturado, deixando sobre agitação por 10

minutos. Em seguida o precipitado foi filtrado e seco com água destilada e etanol. Finalmente

o produto foi purificado com uma coluna de sílica gel. O produto foi caracterizado por CG-

MS.

I. Síntese do 1,3,5-tris(4-aminofenil)benzeno (TAPB) (6)

A um balão de 25 mL adicionou-se 0,76 mmol do 12 e 11,4 mmol de cloreto de estanho

(II), além de 7 mL de ácido acético e 1,2 mL de ácido clorídrico, colocando o sistema sobre

agitação e refluxo por 18 horas. Ao fim desse período, o meio reacional foi vertido em béquer

de 100 mL com 20 mL de uma solução aquosa NaOH 20%, ficando sob agitação por 5

minutos. Após esse tempo, o precipitado foi filtrado a vácuo com água destilada e seco no alto

vácuo a 100 ºC. O produto obtido foi caracterizado por RMN ¹H.

Resultados e Discussões

Iniciou-se a síntese dos blocos pelo 4, visto que ele é uma das etapas intermediárias

para a obtenção de 5, foi realizada duas rotas sintéticas para a sua obtenção. A primeira rota

(Esquema 3) foi iniciada pela síntese do 2,5-dibromo-1,4-dimetóxibenzeno (8) através da

bromação do p-dimetóxibezeno (7), obtendo 8 com 68% de rendimento. Em seguida, o

produto dibromado foi tratado com n-BuLi/TMEDA e DMF anidro para a formação de 4,


porém obteve-se dois produtos, o monoformilado e o diformilado (DMTA), sendo o último o

minoritário.

i) Br2, Fe, t.a., 16h.

ii) a. n-BuLi, -78ºC, 2 h; b. DMF, -78ºC, 30 minutos, HCl (2 mol L-1)

Esquema 3. Primeira rota sintética para a obtenção do DMTA

Ao se analisar o espectro de RMN ¹H do composto 8, anexo 1, pode-se identificar os

dois sinais, na forma de singleto, esperados para essa molécula, o primeiro em 7,12 ppm com

integração dois sendo identificado como referente aos hidrogênios ligados diretamente ao anel

aromático. Já o segundo, em 3,86 ppm que apresenta integração seis, podem ser atribuídos

grupos metóxi de 8.

O espectro de RMN ¹H de 4, anexo 2, indicou a presença de dois produtos, sendo um

deles a molécula alvo (4), e o outro um subproduto que seria a molécula alvo com apenas um

grupo formil. Como a molécula 4 apresenta uma simetria podemos identificar dois sinais que

marcam a sua formação, o primeiro em 10,44 ppm um singleto com integração dois, referente

aos dois hidrogênios do grupo carbonila, e o segundo em 3,90 ppm, também um singleto,

porém com integração seis, referentes aos hidrogênios dos grupos metóxi.

Já o subproduto como não possui essa simetria, apresentou três sinais característicos,

todos na forma de singletos, o primeiro em 10,50 ppm, com integração um referente ao

hidrogênio da carbonila. O segundo em 3,95 ppm, com integração três, referente aos

hidrogênios ligados ao oxigênio mais próximo do grupo carbonila e o terceiro em 3,85 ppm,

também com integração três, referente aos hidrogênios do outro carbono ligado ao oxigênio.

Os sinais da região entre 6,7 e 7,7 ppm são referentes aos hidrogênios aromáticos das duas

moléculas, porém foi possível atribuí-los aos seus hidrogênios correspondentes.

O produto da reação foi analisado através do CG-MS, anexo 3, onde no cromatograma

identificou-se dois picos, um com tempo de retenção de 17,52 minutos e o outro em 21,51

minutos. Ao se analisar os espectros de massas dos tempos de retenção observados, pode-se

atribuir o pico de 17,52 minutos a molécula monoformilado, o subproduto, e o espectro obtido

no tempo de 21,51 minutos ao composto diformilado, 4. Com isso, pode-se concluir que o

produto desejado se encontrava em menor quantidade em relação com o subproduto, então

decidiu-se procurar outra rota para a obtenção do composto desejado.

Desta forma, utilizou-se uma rota alternativa17, na qual foi obtido 1,4-bis(clorometil)-

2,5-dimetóxibenzeno (9), com 37% de rendimento, a partir de (7) nas condições reacionais

mostradas no Esquema 4. Sendo seguida de reação oxidativa para a formação de 4 com 45%

de rendimento. Depois, realizou-se uma outra etapa para reduzir os grupos metoxi para

hidroxi obtendo-se 2,5-diformil-1,4-diidroxitóxibenzeno (10), sobre as condições mostradas

no Esquema 4, com 65,8% de rendimento. Para a obtenção de 5, foi realizada uma reação de

8 7

4 68%


substituição nucleofílica entre 10 e bromopropargil. Esta reação foi testada em THF e

acetonitrila obtendo-se um melhor resultado com o segundo solvente.

iii) a. 1,4-dioxano, HCl; b.H2CO, HCl(gás), 3h; c. HCl (conc.), 48h, t.a.

iv) a. HMTA, CHCl3, refluxo, 24 h; b. H2O; CH3COOH, refluxo, 24 h.

v) 48% HBR aquoso, refluxo, 24 h.

vi) Bromopropargil, K2CO3, THF, 70ºC ou Bromopropargil, K2CO3, acetonitrila, 90ºC

Esquema 4. Rota sintética para a obtenção do DMTA e BPTA

O produto 9 foi analisado por RMN ¹H, anexo 4¸ têm-se três sinais, o primeiro, um

singleto em 6,93 ppm com integração dois, referente aos dois hidrogênios aromáticos. O

segundo, outro singleto em 4,64 ppm com integração quatro, atribuídos aos grupos. E o

terceiro, um singleto em 3,81 ppm com integração seis, referente aos hidrogênios dos grupos

metóxi. Onde o fato de só haver três sinais se deve a simetria da molécula.

O composto 4 sintetizado por essa rota apresentou um espectro de RMN ¹H mais

limpo, anexo 5, evidenciando que não houve a formação de subprodutos. Nele se identifica

três sinais na forma de singletos, sendo o primeiro 10,51 ppm com integração dois, sendo

estes atribuídos aos hidrogênios das carbonilas. O segundo, se encontra em 7,46 ppm que

correspondem aos hidrogênios aromáticos, com integração dois. O terceiro, que se encontra

em 3,95 ppm com integração seis, referentes aos hidrogênios ligados diretamente ao oxigênio.

A análise de RMN ¹H referente ao composto 10, anexo 6, apresentou também três

sinais na forma de singletos com integração 2, devido a simetria da molécula. Onde o

primeiro que se encontra em 10,23 ppm, que pode ser atribuído aos hidrogênios ligados aos

grupos carbonilas. O segundo, é encontrado em 9,96 ppm e pode ser atribuído aos hidrogênios

do grupo hidroxila. E o terceiro, pico se encontra em 7,24 ppm pode ser atribuído aos

hidrogênios aromáticos.

O composto 5 ao ser analisado por RMN ¹H, anexo 7, foram detectados quatro sinais

referentes aos hidrogênios da molécula, devido a simetria da molécula, onde eles se

encontram na forma de singletos. O primeiro se encontra em 10,53 ppm com integração dois,

referentes aos hidrogênios das carbonilas. Em 7,62 ppm se encontra o segundo sinal, que

apresenta integração 2, se refere aos hidrogênios aromáticos. Já em 4,88 ppm, têm-se outro

singleto, porém com integração 4, onde ele pode ser atribuído aos hidrogênios metílicos.

Com a obtenção dos dois primeiros blocos de montagem do COF, as moléculas 4 e 5,

iniciou-se então a síntese do terceiro bloco. Para a produção de 6, seguiu-se as condições

expostas no Esquema 5, onde partiu-se da molécula da 4-nitroacetofenona (11), para obter a

1,3,5-tris(4-nitrofenil)-benzeno (12), seguido de sua redução para a obtenção de 6.

9 10 7

5

68% 65,8

% 45%

37%

4


Esquema 5. Rota sintética do 1,3,5-tris(4-aminofenil)benzeno (TAPB) (6)

Ao se analisar o espectro de massas e o cromatograma do produto da reação para a

síntese de 12, percebeu que houve a formação de um subproduto, uma chalcona (13), em

maior quantidade que o produto esperado, Esquema 6. No cromatograma, o subproduto 13,

se encontra no pico com tempo de retenção de 40,18 minutos e o produto 12, no tempo de

34,86 minutos. Então, realizou-se uma coluna de sílica flash para a separação dos produtos.

Esquema 6. Reação para a síntese do 1,3,5-tris(4-nitrofenil)-benzeno (12)

Com o composto 12 obtido, realizou-se a reação de redução dessa molécula e

conseguiu sintetizar o composto 6, ao se analisar o espectro de RMN ¹H dessa substância

identifica-se quatro sinais correspondentes a ela. O primeiro, é um singleto em 7,62 ppm com

integração três que pode ser atribuído aos hidrogênios dos carbonos do anel aromático central.

O segundo sinal, que se encontra em 7,56 ppm com integração seis na forma de dubleto, ele

pode ser atribuído aos hidrogênios dos carbonos dos anéis aromáticos laterais mais próximos

do carbono desse anel ligado ao anel central, ele se apresenta na forma de dubleto devido a

seu acoplamento com o hidrogênio do carbono do anel que se encontra adjacente a ele.

O terceiro sinal se apresenta também na forma de dupleto, devido ao mesmo

acoplamento descrito acima, com integração seis em 6,82 ppm, eles podem ser atribuídos aos

hidrogênios do carbono dos anéis aromáticos laterais que são adjacentes ao carbono desse

anel que se liga ao grupo amina. O quarto sinal é um singleto em 3,78 ppm com integração

seis, que é atribuído aos hidrogênios do grupo amina que se encontram ligados aos anéis

aromáticos laterais.

Conclusão

Com a consolidação da melhor rota para a síntese dos blocos de montagem para a

formação do TPB-DMTP-COF (3), pode-se agora iniciar a produção desse COF é iniciar

testes para seu uso como plataforma para catálise heterogênea imobilizando

11 12 6

13 11

12


organocatalisadores para serem testados em síntese assimétrica. As técnicas de RMN ¹H e

CG-MS se mostraram muito eficiente para a análise dos produtos obtidos.

Referências

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Interfaces 2016, 8, 1813.


Anexos

Anexo 1 – Espectro de RMN ¹H do 2,5-dibromo-p-dimetoxibenzeno (8)

Anexo 2 – Espectro de RMN ¹H do 2,5- diformil-p-dimetoxibenzeno (DMTA) (4) e

subproduto


Anexo 3 – Espectro de CG-MS do 2,5- diformil-p-dimetoxibenzeno (DMTA) (4) e

subproduto


Anexo 4 – Espectro de RMN ¹H do 1,4-bis(clorometil)-2,5-dimetoxibenzeno (9)

Anexo 5 – Espectro de RMN ¹H do DMTA (4)


Anexo 6 – Espectro de RMN ¹H do 2,5- diformil-p-hidroxibenzeno (10)

Anexo 7 – Espectro de RMN ¹H do BPTA (5)


Anexo 8 – Espectro de CG-MS do 1,3,5-tri(nitrofenil)benzeno (12)

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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

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149,13

167,00

57,06 84,10

70,05

85,99207,14103,98 279,10

120,96 190,98 266,93220,99 326,84 354,90 402,91 429,01295,57 477,14


Anexo 9 – Espectro de RMN ¹H do 1,3,5-tris(4-aminofenil)benzeno (TAPB) (6)

imobilizaÇÃo de organocatalizadores em materiais ... · covalent organic frameworks (ou cofs) ......

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