Catálisis de transferencia de fase inducida y mejorada por ultrasonidos

Los ultrasonidos de alta potencia son bien conocidos por su contribución a diversas reacciones químicas. Es lo que se conoce como sonoquímica. Las reacciones heterogéneas – y especialmente las reacciones de transferencia de fase – son campos de aplicación con gran potencial para los ultrasonidos de potencia. Gracias a la energía mecánica y sonoquímica aplicada a los reactivos, se pueden iniciar reacciones, aumentar significativamente su velocidad y lograr mayores tasas de conversión, mayores rendimientos y mejores productos. La escalabilidad lineal de los ultrasonidos y la disponibilidad de equipos ultrasónicos industriales fiables hacen de esta técnica una solución interesante para la producción química.

Catálisis de transferencia de fase

La catálisis de transferencia de fase (PTC) es una forma especial de catálisis heterogénea y se conoce como una metodología práctica para la síntesis orgánica. El uso de un catalizador de transferencia de fase permite solubilizar reactivos iónicos, que suelen ser solubles en una fase acuosa, pero insolubles en una fase orgánica. Por tanto, la PTC es una solución alternativa para superar el problema de heterogeneidad en una reacción en la que la interacción entre dos sustancias situadas en distintas fases de una mezcla se ve impedida porque los reactivos no pueden entrar en contacto. (Esen et al. 2010) Las ventajas generales de la catálisis de transferencia de fase son el escaso esfuerzo de preparación, la sencillez de los procedimientos experimentales, las condiciones de reacción suaves, las altas velocidades de reacción, las elevadas selectividades, el uso de reactivos y disolventes económicos y respetuosos con el medio ambiente, como las sales de amonio cuaternario, y la posibilidad de realizar preparaciones a gran escala (Ooi et al. 2007).
Diversas reacciones líquido–líquido y líquido–sólido se han intensificado y se han vuelto selectivas mediante el uso de catalizadores simples de transferencia de fase (PT), como las sales de amonio cuaternario, el polietilenglicol-400, etc., que permiten transportar especies iónicas desde la fase acuosa hasta la fase orgánica. De este modo, se pueden superar los problemas asociados a la solubilidad extremadamente baja de los reactivos orgánicos en la fase acuosa. En las industrias de los plaguicidas y los productos farmacéuticos, la PTC se utiliza ampliamente y ha cambiado los fundamentos de la actividad industrial. (Sharma 2002)

Ultrasonidos de potencia

La aplicación de ultrasonidos de potencia es una herramienta bien conocida para crear emulsiones extremadamente finas. En química, estas emulsiones de tamaño extremadamente fino se utilizan para mejorar las reacciones químicas. Esto significa que el área de contacto interfacial entre dos o más líquidos inmiscibles aumenta enormemente, lo que permite que la reacción se desarrolle mejor, de forma más completa y/o más rápida.
En la catálisis de transferencia de fase – al igual que en otras reacciones químicas – se necesita suficiente energía cinética para iniciar la reacción.
Esto tiene diversos efectos positivos sobre la reacción química:

• Una reacción química que normalmente no se produciría debido a su baja energía cinética puede iniciarse mediante ultrasonidos.
• Las reacciones químicas pueden acelerarse mediante PTC asistida por ultrasonidos.
• Eliminación completa de la necesidad de un catalizador de transferencia de fase.
• Las materias primas pueden utilizarse de forma más eficiente.
• Se puede reducir la formación de subproductos.
• Sustitución de una base fuerte, peligrosa y costosa por una base inorgánica económica.

Gracias a estos efectos, la PTC es una metodología química de gran valor para la síntesis orgánica a partir de dos o más reactivos inmiscibles: la catálisis de transferencia de fase (PTC) permite utilizar las materias primas de los procesos químicos de forma más eficiente y producir de manera más rentable. La mejora de las reacciones químicas mediante PTC es una herramienta importante para la producción química que puede potenciarse enormemente mediante el uso de ultrasonidos.

Ejemplos de reacciones de PTC promovidas por ultrasonidos

• Síntesis de nuevos derivados de N’-(4,6-disustituido-pirimidin-2-il)-N-(5-aril-2-furoil)tiourea utilizando PEG-400 bajo ultrasonidos. (Ken et al. 2005)
• La síntesis de ácido mandélico mediante PTC en un líquido iónico, asistida por ultrasonidos, muestra un aumento significativo de los rendimientos de reacción en condiciones ambientales. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) describen la C-alquilación del fenilacetonitrilo asistida por ultrasonidos en un medio sin disolventes. El efecto de los ultrasonidos para promover la reacción se atribuyó al área interfacial extremadamente grande entre las dos fases líquidas. La aplicación de ultrasonidos da lugar a una velocidad de reacción mucho mayor que la mezcla mecánica.
• La sonicación durante la reacción del tetracloruro de carbono con magnesio para generar diclorocarbeno da lugar a un mayor rendimiento de gem-diclorociclopropano en presencia de olefinas. (Lin et al. 2003)
• Los ultrasonidos aceleran la reacción de Cannizzaro del p-clorobenzaldehído en condiciones de transferencia de fase. De los tres catalizadores de transferencia de fase – cloruro de benciltrietilamonio (TEBA), Aliquat y 18-corona-6 – evaluados por Polácková et al. (1996), el TEBA resultó ser el más eficaz. El ferrocenocarbaldehído y el p-dimetilaminobenzaldehído produjeron, en condiciones similares, 1,5-diaril-1,4-pentadien-3-onas como producto principal.
• Lin-Xiao et al. (1987) demostraron que la combinación de ultrasonidos y PTC promueve eficazmente la generación de diclorocarbeno a partir de cloroformo en menos tiempo, con mayor rendimiento y con una menor cantidad de catalizador.
• Yang et al. (2012) investigaron la síntesis ecológica de 4-hidroxibenzoato de bencilo asistida por ultrasonidos utilizando dicloruro de 4,4′-bis(tributilamoniometil)-1,1′-bifenilo (QCl₂) como catalizador. Mediante el uso de QCl₂, desarrollaron una nueva catálisis de transferencia de fase con dos sitios activos. Esta catálisis de transferencia de fase sólido–líquido (SLPTC) se llevó a cabo como proceso por lotes con aplicación de ultrasonidos. Bajo sonicación intensa, el 33% del Q2+ añadido, que contenía un 45,2% de Q(Ph(OH)COO)₂ se transfirió a la fase orgánica para reaccionar con bromuro de bencilo, aumentando así la velocidad global de reacción. Se obtuvo una velocidad de reacción mejorada de 0,106 min^-1 bajo una irradiación ultrasónica de 300 W, mientras que, sin sonicación, se observó una velocidad de 0,0563 min^-1 . De este modo, se demostró el efecto sinérgico del catalizador de transferencia de fase con dos sitios activos y los ultrasonidos en la catálisis de transferencia de fase.

Mejora de la reacción asimétrica de transferencia de fase mediante ultrasonidos

Con el objetivo de establecer un método práctico para la síntesis asimétrica de a-aminoácidos y sus derivados, Maruoka y Ooi (2007) investigaron «si se podía aumentar la reactividad de las sales de amonio cuaternario quirales N-espiro y simplificar sus estructuras. Dado que la irradiación ultrasónica produce homogeneización, es decir, emulsiones muy finas, aumenta considerablemente el área interfacial en la que puede producirse la reacción, lo que podría acelerar sustancialmente las reacciones de transferencia de fase líquido–líquido. En efecto, la sonicación de la mezcla de reacción de 2, yoduro de metilo y la subunidad (S,S)-naphtyl (1 mol%) en tolueno/KOH acuoso al 50% a 0 degC durante 1 h dio lugar al producto de alquilación correspondiente con un rendimiento del 63% y un 88%ee; el rendimiento químico y la enantioselectividad fueron comparables a los de una reacción realizada mediante la simple agitación de la mezcla durante ocho horas (0 degC, 64%, 90%ee)». (Maruoka et al. 2007; p. 4229)

Otro tipo de reacción de catálisis asimétrica es la reacción de Michael. La adición de Michael del N-acetilaminomalonato de dietilo a la chalcona se ve favorecida por la aplicación de ultrasonidos, lo que da lugar a un aumento del rendimiento del 12% (del 72% obtenido en la reacción sin ultrasonidos al 82% bajo ultrasonidos). La reacción es seis veces más rápida bajo ultrasonidos de potencia que sin ultrasonidos. El exceso enantiomérico (ee) no cambió y fue del 40%ee en ambas reacciones – con y sin ultrasonidos –. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) demostraron que la reacción de Michael de chalconas como aceptores con diversos compuestos con metileno activo, como malonato de dietilo, nitrometano, ciclohexanona, acetoacetato de etilo y acetilacetona, como donantes, catalizada por KF/alúmina básica, produce aductos con alto rendimiento en menos tiempo bajo irradiación ultrasónica. En otro estudio, Li et al. (2002) demostraron la síntesis satisfactoria de chalconas asistida por ultrasonidos y catalizada por KF-Al₂O₃.
Las reacciones de PTC anteriores muestran solo una pequeña parte del potencial y las posibilidades de la irradiación ultrasónica.
Las pruebas y la evaluación de los ultrasonidos para determinar posibles mejoras en la PTC son muy sencillas. Los equipos ultrasónicos de laboratorio de Hielscher, como el UP200Ht (200 vatios) de Hielscher, y los sistemas de sobremesa, como el UIP1000hd (1000 vatios) permiten realizar los primeros ensayos. (Véanse las imágenes 1 y 2)

Producción eficiente para competir en el mercado químico

Al utilizar la catálisis de transferencia de fase con ultrasonidos, se beneficiará de una o varias de las siguientes ventajas:

• inicio de reacciones que de otro modo no serían viables
• aumento del rendimiento
• reducción del uso de disolventes caros, anhidros y apróticos
• reducción del tiempo de reacción
• temperaturas de reacción más bajas
• preparación simplificada
• uso de un metal alcalino en medio acuoso en lugar de alcóxidos de metales alcalinos, amiduro de sodio, hidruro de sodio o sodio metálico
• uso de materias primas más económicas, especialmente oxidantes
• modificación de la selectividad
• cambio de las proporciones de los productos (p. ej., O-/C-alquilación)
• aislamiento y purificación simplificados
• aumento del rendimiento mediante la supresión de reacciones secundarias
• escalado sencillo y lineal hasta el nivel de producción industrial, incluso con una capacidad de procesamiento muy elevada