sistemas catalíticos activos en la preparación de compuestos heterocíclicos de interés tesis doctoral

241 Pages·2015·9.07 MB·Spanish

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA
FACULTAD DE CIENCIAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÁNICA Y QUÍMICA TÉCNICA

SISTEMAS CATALÍTICOS ACTIVOS EN LA
PREPARACIÓN DE COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS
DE INTERÉS

TESIS DOCTORAL

JACINTO VELASCO REBOLLEDO
INGENIERO QUÍMICO

DIRECTORES:
Elena Pérez Mayoral
Elena Soriano Santamaría
Antonio J. López Peinado
AÑO 2015
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Agradecimientos

No me puedo olvidar de las personas que integran el equipo del
departamento de Química Inorgánica y Química Técnica, cuya calidad humana y
profesional, es incalculable. En este apartado quisiera menciona al Prof. Antonio
López Peinado por darme la oportunidad de iniciar un proyecto en el
Departamento. Me gustaría hacer un especial agradecimiento a la Prof. Elena
Pérez Mayoral, su soporte, conocimiento y apoyo durante este tiempo ha sido
esencial en el éxito de este trabajo. De igual modo no puedo olvidarme de la Dra.
Elena Soriano Santamaría cuya paciencia y dedicación han sido clave en la
resolución de esta tesis.
También quisiera agradecer a la Prof. Maria Luisa Rojas Cervantes por la
gran ayuda prestada en la caracterización de algunos materiales empleados en esta
tesis doctoral; a Dra. Vanesa Calvino Casilda, y especialmente al Prof. Miguel
Ángel Bañares, por abrirme las puertas de su laboratorio para hacer el seguimiento
de algunas reacciones mediante Espectroscopía Raman.
Me gustaría hacer extensivo mi agradecimiento a todo el personal de la
UNED y compañeros por su ayuda durante estos años.
Quisiera dedicar este trabajo a mis padres Jacinto y Natividad, por
enseñarme la importancia de la constancia para lograr objetivos en la vida y por
inculcarme la pasión por la innovación. Gracias por el apoyo incondicional en
todo momento.
De modo especial, también quiero dedicar y dar las gracias a mi mujer
Esther, que durante estos años me ha estado ayudando y dando aliento en
momentos complicados, pero ante todo, por su paciencia y compresión en este
“mi sueño” de hacer una Tesis Doctoral.

Jacinto Velasco Rebolledo
Noviembre 2015

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INDICE
1.- INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 23
1.1.- Química Verde .................................................................................................................................. 23
1.2- Importancia y tipos de catálisis ........................................................................................................ 25
1.3.- Química Fina: síntesis de sistemas heterocíclicos .......................................................................... 27
1.4.- Sistemas catalíticos porosos en la síntesis de compuestos heterocíclicos ..................................... 30
1.4.1.- Arcillas como catalizadores heterogéneos .................................................................................. 38
1.4.1.1.- Minerales del grupo de la esmectita ........................................................................................ 43
1.4.1.2.- Aplicaciones catalíticas de las arcillas ..................................................................................... 47
1.4.2.- Sílices mesoporosas funcionalizadas con líquidos iónicos ......................................................... 52
1.4.2.1.- Líquidos iónicos: un tipo especial de catalizadores bifuncionales .......................................... 52
1.4.2.1.1.- Composición y propiedades de los líquidos iónicos ........................................ 53
1.4.2.1.2.- Síntesis de líquidos iónicos .............................................................................. 59
1.4.2.1.3.- Líquidos iónicos como catalizadores ............................................................... 61
1.4.2.1.4.- Líquidos iónicos en procesos industriales........................................................ 64
1.4.2.2.- Sílices mesoporosas funcionalizadas con LIs .......................................................................... 65
1.5.- Sistemas heterocíclicos de interés ................................................................................................... 70
1.5.1.- Alquilación de pirazol ................................................................................................................ 71
1.5.2.- Síntesis de cromenos .................................................................................................................. 73
1.5.3.- Síntesis de 2-amino-4H-cromenos a través de reacciones multicomponente ............................. 75
1.6.- Química computacional ................................................................................................................... 77
1.6.1.- Superficies de Energía Potencial (SEP) ...................................................................................... 78
1.6.2.- Métodos de cálculo ..................................................................................................................... 79
1.6.2.1.- Métodos de Mecánica Molecular (MM) .................................................................................. 79
1.6.2.2.- Métodos de Mecánica Cuántica ............................................................................................... 82
1.6.2.2.1. Métodos ab initio .............................................................................................. 83
1.6.2.2.2. Métodos semiempíricos (SE) ............................................................................ 84
1.6.2.2.3. Métodos basados en la teoría del funcional de la densidad ............................... 85
1.6.3.- Conjunto de funciones de base ................................................................................................... 87
2.- OBJETIVOS ............................................................................................................ 91
3.-RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................. 95

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3.1.- Estudio de una nueva familia de arcillas de carácter básico activas en la alquilación
de pirazol. ............................................................................................................................................ 95
3.1.1. Síntetizar y caracterizar una nueva serie de saponitas básicas. ........................................... 95
3.1.1.1.- Análisis químico y formula estructural.................................................................................... 95
3.1.1.2.- Propiedades texturales de las saponitas ................................................................................... 98
3.1.1.3. Difracción de rayos X ............................................................................................................... 99
Tabla 8. Distancia interplanar en las SAPs sintetizadas. ..................................................................... 101
3.1.2.- Actividad Catalítica .................................................................................................................. 101
3.1.2.1.- Efecto de los agentes alquilantes ........................................................................................... 103
3.1.2.3.- Efecto del disolvente ............................................................................................................. 107
3.1.2.4.- Efecto de la temperatura ........................................................................................................ 108
3.1.2.5.- Reutilización del catalizador ................................................................................................. 110
3.2.- Estudio de una nueva familia de sílices mesoporosas funcionalizadas con anillos de
imidazolio activas en la preparación de cromenos .............................................................................. 111
3.2.1.- Estudio de la actividad catalítica de LIs, en fase homogénea, en la síntesis de cromenos a
través de RMC ..................................................................................................................................... 111
3.2.2.- Estudio computacional de la síntesis de cromenos catalizadas por LIs en fase homogénea ..... 117
3.2.2.1.- Tautomería ceto-enólica del reactivo CAE ............................................................................ 117
3.2.2.2.- Mecanismo de reacción ......................................................................................................... 121
3.2.2.2.1- Mecanismo en ausencia de LI ............................................................................................. 123
3.2.2.2.2.- Mecanismo en presencia de LI ........................................................................................... 129
3.2.3.- Monitorización in situ, en tiempo real, de la formación de cromenos mediante
Espectroscopia Raman ......................................................................................................................... 141
3.2.4.- Síntesis, caracterización y actividad catalítica de sílices mesoporosas funcionalizadas
con líquidos iónicos ............................................................................................................................. 146
3.2.4.1.- Síntesis y caracterización de la sílice mesoporosa ................................................................. 146
3.2.4.2.- Actividad catalítica de SBA-15/Si-LI-X ............................................................................... 149
4.- PARTE EXPERIMENTAL .................................................................................. 153
4.1.- Saponitas como catalizadores ........................................................................................................ 153
4.1.1.- Preparación de saponitas pilareadas ......................................................................................... 153
4.1.1.1.- Pilarización de SA ................................................................................................................. 153
4.1.2.- Caracterización de las saponitas ............................................................................................... 154
4.1.2.1.- Adsorción física de N ........................................................................................................... 154
2
4.1.2.2.- Difracción de rayos X (DRX) ................................................................................................ 154
4.1.2.2.- Espectrometría de Emisión Óptica de Plasma por Acoplamiento Inductivo (ICP-OES)....... 154
4.1.3.- Actividad Catalítica .................................................................................................................. 154
4.1.3.1.- Reactivos Empleados ............................................................................................................. 154
4.1.3.2.- Evaluación de la actividad catalítica...................................................................................... 155
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4.2.- LIs como catalizadores homogéneos ............................................................................................. 156
4.2.1.- Reactivos empleados ................................................................................................................ 156
4.2.2.- Síntesis de 3-n-propansulfonato de 1-butilimizadolio (LI-118) ............................................... 156
4.2.3.- Síntesis de 2-amino-4-(1-ciano-2-carboxietil)-4H-cromeno-3-carboxilato de etilo (115)........ 157
4.2.3.- Monitorización in situ en tiempo real medianteEspectroscopia de Raman .............................. 157
4.3.- Sílices mesoporosas funcionalizadas con LIs ............................................................................... 158
4.3.1.- Reactivos empleados ................................................................................................................ 158
4.3.2.- Síntesis de cloruro de 1-metil-3-(3-(trimetoxisilil)propil)-1H-imidazolio (Si-LI-Cl) .............. 158
4.3.3.- Síntesis de hidróxido de 1-metil-3-(3-(trimetoxisilil)propil)-1H-imidazolio (Si-LI-OH) ........ 159
4.3.4.- Síntesis de trifluorometanosulfonato de 1-metil-3-(3-(trimetoxisilil)propil)-1H-
imidazolio (Si-LI-TFO) ....................................................................................................................... 159
4.3.5.- Síntesis de SBA-15/Si-LI-X ..................................................................................................... 160
4.4.- Estudios computacionales .............................................................................................................. 160
5.- CONCLUSIONES ................................................................................................. 163
6.- BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 167
ADDENDA
ANEXO I: ARTÍCULOS PUBLICADOS RELACIONADOS CON LA TESIS.
ANEXO II. COORDENADAS CARTESIANAS DE LAS ESTRUCTURAS
OPTIMIZADAS

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ABREVIATURAS
Å: Angström
AAE: Acetilacetato de etilo
ACN: Acetonitrilo
AcOEt: Acetato de etilo
ADN: Ácido desoxirribonucleico
AE: Acrilato de etilo
ARN: Ácido ribonucleico
au: Atomic units
B: Espacio interlaminar
BJH: Método de Barret-Joyner-Halenda
CAE: Cianoacetato de etilo
CG: Cromatografía de gases
D: Láminas separadas a una distancia
DABCO: 1,4-diazabiciclo-[2.2.2]octano
d : Diámetro de microporo determinado por el método BJH
BJH
DFT: Density Functional Theory
DHPMs: Dihidropirimidinas
DMF: N,N- dimetilformamida
d : Diámetro de microporo
mic
E: Energía
eV: Electrón-Voltio
G: Energía libre de Gibbs
GTO: Gaussian-Type Orbitals
h: Horas
HF: Hartree-Fock

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HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital
ICP-OES: Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy
IERM: Imagen Espectroscópica por Resomancia Magnética
IRC: Intrinsic Reaction Coordinate
IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry
LD: Lidocaina docusato
LIs: Líquidos iónicos
LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital
MCM-41:Mobile Composition of Matter 41
min: Minutos
MM: Mecánica Molecular
MOFs: Metal Organic Frameworks
MW: Microondas
P. F.: Punto de fusión
P.E. : Punto de ebulición
P: Pilares
QV: Química Verde
RMC: Reacciones multicomponente
SA: Saponita
SAP: Saponita pilareada
SAP-An: Saponita pilareada impregnada con acetato de cesio
SAP-Cn: Saponita pilareada impregnada con carbonato de cesio
SBA-15: Santa Barbara Amorphous Nº 15
SBA-DABCO: Sílice mesoporosa básica funcionalizada con cloruro de n-propil-4-aza-
1-azoniabiciclo[2.2.2]octano
S : Área específica BET
BET
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