Catalisador e processo de produção de cicloalcanóis e/ou cicloalcanonas

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0500863-8 B1
  • Data do depósito:
  • 23/03/2005
  • Data da publicação:
  • 19/12/2000
  • Data da concessão:
  • 30/11/2010
Inventores:
  • Classificação:
  • B01J 31/16
    Catalisadores compreendendo hidretos, complexos de coordena??o ou compostos orgânicos; / contendo complexos de coordena??o;
    ;
    C07C 29/48
    Prepara??o de compostos tendo grupos hidroxila ou O-metal ligados a ?tomo de carbono n?o pertecentes a anel arom?tico de seis membros; / por rea??es de oxida??o com forma??o de grupos hidroxila;
    ;
    C07C 45/28
    Prepara??o de compostos tendo C O ligados somente a ?tomos de carbono ou de hidrog?nio; Prepara??o de quelatos desses compostos; / por oxida??o; / de fra??es CHx ;
    ;

"CATALISADOR E PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CICLOALCANÓIS E/OU CICLOALCANONAS". A presente invenção tem como objeto principal um catalisador que possui analogia funcional ao citocromo P-450. Mais especificamente, o catalisador é composto por um complexo de ferro e/ou manganês, sendo que o dito complexo apresenta ligantes não-porfirínicos.

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Documento



Relatório Descritivo

Catalisador e Processo de Produção de Cicloalcanóis e/ou

ClCLOALCANONAS.

Campo da Invenção

A presente invenção está relacionada a um catalisador e a processos de produção de cicloalcanóis e/ou cicloalcanonas, em especial cicloexanol e/ou cicloexanona a partir de uma reação que utiliza o referido catalisador.

Antecedentes da Invenção

O derivado de petróleo cicloexano é uma significante matriz comercial para a manufatura do ácido adípico, matéria-prima para o Nylon-6 e para o Nylon-66 (Fox, B. G.; Surerus, K. K.; Münck, E.; Lipscomb, J. D., J. Biol. Chem., 263, 10553-10556 (1988); Wallar, B. J.; Lipscomb, J. D., Chem. Rev., 96, 26252657 (1996); Bois, J. D.; Mizoguchi, T. J.; Lippard, S. J., Coord. Chem. Rev., 200-202, 443-485 (2000); Feig, A. L.; Lippard, S. J„ Chem. Rev., 94, 759-805 (1994); Schuchardt, U.; Carvalho, W. A.;Spinacé, E. V., Synlett, 10, 713-718 (1993)). Há basicamente dois processos de obtenção do ácido adípico a partir do cicloexano: um constituído de duas etapas e outro de apenas uma etapa. A conversão direta de cicloexano em ácido adípico não é uma alternativa economicamente viável, visto que o rendimento do processo é insatisfatório (Groggins, P. H., Unit Processes in Organic Synthesis, 5o edição, 1958, McGraw-HilI Book Company, Inc). Portanto, o processo em duas etapas é mais importante comercialmente. Neste processo o cicloexano é, numa primeira etapa, oxidado a cicloexanol e cicloexanona, e estes produtos são então subseqüentemente oxidados a ácido adípico. Apesar deste processo ser um dos maiores existentes, a baixa conversão de cicloexano, cerca de 4%, torna a pesquisa do desenho de novos processos oxidantes de extrema importância econômica. A alta tonelagem produzida anualmente de cicloexanol e

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cicloexanona (cerca de 100.000 toneladas em todo o mundo) mostra a importância comercial destes produtos.

A primeira etapa do processo é feita em fase líquida com ar como oxidante sob pressão de 3,5 - 5 atm. A reação pode ser feita em presença do 5 catalisador naftenato de cobalto, onde a temperatura deve ficar entre 120 e 130°C, ou na ausência do mesmo com a temperatura na faixa de 145 a 150°C. Uma importante característica do processo é a relativamente baixa conversão por etapa, de cerca de 15% da carga de cicloexano. Os intermediários cicloexanol e cicloexanona são obtidos como resíduo após a destilação do 10 cicloexano não convertido. Esta etapa do processo apresenta de 60-75% de seletividade em cicloexanol e cicloexanona em relação aos outros produtos formados. Estes intermediários são submetidos, sem nenhuma purificação prévia, à segunda etapa do processo onde ocorre a conversão em ácido adípico com rendimento de 80-85%, o que mostra que outros produtos obtidos 15 da oxidação do cicloexano foram capazes de se oxidar e formar o ácido adípico (Groggins, P. H., Unit Processes in Organic Synthesis, 5o edição, 1958, McGraw-HilI Book Company, Inc).

De acordo com a literatura, sintetizada no esquema abaixo, o cicloexano é primeiro oxidado a cicloexilidroperóxido numa reação radicalar e este é então 20 decomposto na presença do complexo do metal de transição dando cicloexanol e cicloexanona.


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Sistemas baseados em ferro como catalisador têm sido propostos para a oxidação seletiva de cicloexano, dentre eles um dos mais estudados é o sistema Gif desenvolvido por Barton e colaboradores em 1983 (Barton, D. H. R.; Doller, D., Acc. Chem. Res., 25, 504-512 (1992). Barton, D. H. R.; Csuhai, 5    E.; Doller, D.; Ozbalik, N.; Balavoine, G., Proc. Natl. Acad. Sei., 87, 3401-3404

(1990). Barton, D. H. R.; Beck, A. H.; Taylor, D., Tetrahedron, 51, 5245-5254 (1995)). A família Gif consiste em diferentes sistemas que utilizam ferro como catalisador, peróxido de hidrogênio ou dioxigênio como agente oxidante, em solução de piridina-ácido acético. Neste sistema um complexo binuclear com 10 os ligantes piridina e o ácido acético em ponte, é formado in situ.

Os catalisadores de Gif funcionalizam hidrocarbonetos dando preferencialmente cetonas, com a produção de álcoois em menor quantidade. Acredita-se que a espécie ativa seja a forma Fe(V)=0 que é formada no meio reacional conforme mostra o esquema abaixo:

15

Fe(III) + H202 Fe(II) + K02


}


Fe(V)=0 +H20


Uma outra classe de catalisadores empregados na oxidação de hidrocarbonetos são os que mimetizam sistemas biológicos como o citocromo 20    P-450 e a Metano Monooxigenase (MMO), por exemplo. Estes sistemas

contêm o ferro no seu sítio ativo, e este metal é capaz de ativar o dioxigênio formando espécies ativas capazes de oxigenar os mais diversos hidrocarbonetos.

As enzimas da família do citocromo P-450 ocorrem em 25 microorganismos, plantas, insetos, peixes e mamíferos. Em mamíferos, o fígado é o tecido mais enriquecido, mas também podem ser encontradas no intestino, rins, adrenais, cérebro, pulmões, placenta, pâncreas, esôfago, estômago, etc. Citocromo P-450 é capaz de hidroxilar seletivamente hidrocarbonetos saturados, estando envolvida no metabolismo de drogas, bem

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como na biossíntese de esteróis ou lipídios e na degradação de xenobióticos [Schliting, I. et ai Science, 287, 1615-1622(2000)].

A citocromo P-450 tem atraído particular atenção, devido sua extrema habilidade de oxidação, sendo mediadoras da hidroxilação de alifáticos e 5 aromáticos [Manchester, J. /.; Dinnocenzo, J. P.; Higgins, J.; Jones, J. P., J. Am. Chem. Soc., 119, 5069-5070 (1997)].

Estas enzimas conduzem reações de oxidação via monooxigenase dependentes do grupamento heme. O grupamento heme presente na citocromo P-450 também é encontrado na hemoglobina, na catalase, na 10 peroxidase, na clorofila e em citocromos a, b e c. O grupamento heme é formado de uma estrutura anelar complexa denominada de protoporfirina, tendo um átomo de ferro no seu centro. A protoporfirina, por sua vez, é constituída de um tetrapirrol cíclico, formado a partir da glicina. No centro desta estrutura anelar está um átomo de ferro, que apresenta seis ligações 15 coordenadas. Das seis ligações, quatro estão no plano equatorial, ligadas a porfirina. As outras duas estão axiais ao plano da porfirina, através dos átomos de nitrogênio de seus anéis pirrólicos. O átomo de ferro, localizado no centro da estrutura anelar, pode estar no estado férrico (Fe3+), ou no estado ferroso


20


Uma quinta ligação é feita com o grupo tiolato (S-) da cisteína da cadeia

polipeptídica, prendendo assim o grupo heme na apoproteína. Uma vez que o enxofre da cisteína é bastante eletrofílico, o ferro se mantém normalmente no seu estado férrico (Fe3+). Uma sexta ligação é formada com uma molécula de água, como demonstrado na estrutura abaixo. [Lee, K. Ah; Nam, W. , J. Am. Chem. Soc., 119, 282-289(1997)].

A citocromo P-450 é uma Fe(lll)-porfirina, que via oxidação por dioxigênio, forma uma espécie oxo (Fev=0) capaz de transferir oxigênio ao 5 substrato.

Este processo de transferência de oxigênio (e elétrons) envolve diversas etapas, conforme representado no esquema abaixo. A ligação do substrato orgânico com a enzima ocorre por substituição da molécula de água em um sítio hidrofóbico. Em seguida, ocorre a redução por um elétron gerando um 10 complexo Fe111 que permite a ligação do O2 formando um complexo citocromo P-450-dioxigênio (FeMI/02'). Após uma segunda redução por um elétron, a ligação O - O é enfraquecida e rompe levando um átomo à formação de água. O resultado é um complexo reativo que pode ser formulado com os estados de oxidação Fev=0 ou Felv-0-. Esta espécie, fortemente eletrolítica, transfere 15 oxigênio para o substrato (nucleofílico) levando ao produto (SubO) regenerando a espécie Fe3+.

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Anteriormente ao desenvolvimento do ciclo catalítico da citocromo P-450 descrito acima [Faber, K. Biotransformation in Organic Chemistry, 2a edição, 5 Berlin Heidelberg: Spring-Verlag, 101-218 (1995)], outros ciclos foram propostos e a partir destas propostas mecanísticas, foram desenvolvidas pesquisas sobre formas de utilização da Fem-porfirina não ancorada em proteína, especificamente na utilização da mesma como catalisador seletivo. No entanto, a utilização de enzimas como catalisadores apresenta algumas 10 dificuldades, como purificação do catalisador e a separação dos produtos.

Graves e Nemo (1983) [Graves, J. T.; Nemo, T. £., J. Am. Chem. Soc., 105, 5791-5796 (1996)] constataram que os complexos Felll-porfirina poderíam ser convertidos a espécies oxo-correspondentes, pelo tratamento com oxidantes.


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Muitos complexos metal-porfirina têm sido sintetizados na tentativa de reproduzir as funções do citocromo P-450 [Groves, J. T.; Myers, R. S., J. Am. Chem. Soc., 105, 5791-5796 (1983), Dalton et al,Topic in Catai, 5, 75-91 (1998), Cunningham et al, J. Mol. Catai A: Chemical, 185, 25-31 (2002), 5 Maraval, V., Ancel, J. £.; Meunier, B., J. Catai, 206, 349-357 (2002)] e observou-se que o modo de operação dos complexos metálicos usados como catalisadores é extraordinariamente semelhante ao das enzimas.

Uma outra classe de compostos que vem sendo utilizados na tentativa de obter um composto análogo ao citocromo P-450 são os complexos com 10 bases de Schiff como ligantes, tais como os derivados do N,N’(salicilaldeído)etilenodiamina, conhecidos como Salen. Segundo Katsuki [Katsuki, T., J. Mol. Catai A: Chemical, 113, 87-107 (1996)]: os complexos de Salen , ao contrário de porfirinas, permitem a presença de centros quirais, nas posições mais próximas ao metal.

15    Tanto os complexos de metal-porfirina quanto os complexos de metal-

salen têm sido sintetizados na tentativa de reproduzir as funções do citocromo P-450 [Samsel, E. G., Srinivasam, K.; Kochi, J. K, J. Am. Chem. Soc., 107, 7606-7617 (1985), Koola, J. D., Kochi, J. K, Inorg. Chem., 26, 908-916 (1987), Gomes, M. F. T.; Antunes, O. A. C„ Catai Lett., 42, 213-215 (1996), Méou, A., 20 Garcia, M. A; Brun, P., J. Mol. Catai A: Chemical, 138, 221-226 (1999)].

A literatura patentária também possui informação sobre o assunto. A patente européia EP 1 165 481 intitulada “Hydrocarbon, alcohol and/or ketone oxidation method” descreve um processo para a oxidação das referidas substâncias na presença de catalisadores que podem ser compostos de 25 manganês ou cromo solúveis. No entanto, o objetivo da oxidação é transformar as referidas substâncias em ácidos carboxílicos.

A patente EP 0 659 726 intitulada “Process for preparing alkanones and alkanols” descreve um processo para a produção de alcanonas e alcanóis na presença de um catalisador metálico imobilizado em um veículo inorgânico. No 30 entanto o catalisador necessita ser suportado em um veículo inorgânico,


diminuindo a área de contato do catalisador e conseqüentemente reduzindo o índice de rendimento e eficiência da reação.

A patente EP 0 367 326 intitulada “Process for preparing a cycloalkanone and/or cycloalkanol” descreve um processo de produção de cicloalcanóis e cicloalcanonas por oxidação de um cicloalcano utilizando um catalizador organometálico suportado em um material carreador. No entanto, os ligantes do complexo organometálico são porfirínicos. Adicionalmente, é necessário suportar o catalisador em um suporte, o que diminui a área de contato do catalisador, reduzindo assim o rendimento e eficiência da reação.

Embora exista toda essa produção intelectual, nunca antes fora descrito os catalisadores da presente invenção, que são complexos de ferro e/ou manganês com o ligante N,N’(salicilaldeído)etilenodiamina, que proporcionam excelentes opções para a produção de cicloalcanóis e/ou cicloalcanonas.

Sumário da Invenção

É um objeto da presente invenção apresentar um catalisador que possui analogia funcional com o sítio ativo do citocromo P-450. Mais especificamente, o catalisador é composto por complexos de ferro e/ou manganês, sendo que o dito complexo apresenta ligantes não-porfirínicos, em especial o ligante é o ligante de Salen.

É um adicional objeto da presente invenção um processo de produção de cicloalcanóis e/ou ciclocalcanonas. Mais especificamente, o processo de produção de cicloalcanóis e/ou cicloalcanonas é catalisado por um catalisador que possui analogia funcional com o sítio ativo do citocromo P-450.

Descrição das Figuras

A Figura 1 mostra um cromatograma típico para a reação estudada.

A Figuras 2 mostra um espectro de infravermelho do complexo [Fe(Salen)CI].H20.

A figura 3 mostra um espectro de Mõssbauer do complexo [Fe(Salen)CI].H20.

A figura 4 mostra um Voltamograma Cíclico do complexo [Fe(Salen)CI].H20 sob as seguintes condições;

•    Eletrodo de referência: Ag/AgCI.

•    Eletrodo de trabalho e auxiliar: placa de platina (1 cm2)

•    Eletrólito suporte: Perclorato de tetrabutilamônio

•    Solvente: Acetonitrila

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção tem como objeto principal um catalisador que possui analogia funcional ao citocromo P-450. Mais especificamente, o catalisador é composto por um complexo de ferro ou manganês, sendo que o dito complexo apresenta ligantes não-porfirínicos, e possui estrutura correspondente a fórmula I abaixo:


(I)

Onde M é um metal, preferencialmente ferro ou manganês e R-i, R2, R3, R4, R5, Rç, R7, Rs são escolhidos independentemente do grupo que compreende H e radicais alquil, alquenil e/ou alquinil, opcionalmente substituídos que forneçam ao composto a atividade catalítica em processos de produção de cicloalcanóis e/ou cicloalcanonas.

A utilização de complexos de ferro(lll) e manganês(lll) no presente processo, para a oxidação de cicloexanol, pressupõe a analogia funcional deste complexo ao citocromo P-450.


O exemplo a seguir descreve um meio de executar a reação de oxidação do cicloexano em cicloexanol e cicloexanona. Portanto, tal exemplo deve ser considerado apenas como ilustrativo, não limitando o escopo da invenção.

5    Exemplo 1

Foram utilizados, neste exemplo complexos mononucleares de ferro(lll) e/ou de manganês(lll)    coordenados com o ligante

N,N’(salicilaldeído)etilenodiamina (Salen) e o íon cloreto. As especificações da reação são descritas pela Tabela 1 abaixo;

10

Tabela 1

Catalisadores

[Fe"'(Salen)CI].H20

[Mn'"(Salen)Cn.2H20

Concentração do Catalisador

7x10-4 mol. 1-1

Solvente

Acetonitrila Álcool ter-butílico

Volume de Solvente

17,0 ml

Oxidante

H202 (30 % em água) t-BuOOH (70 % em água)

Volume do Oxidante

H202 : 1,24 ml t-BuOOH : 2,21 ml

Volume de Cicloexano

1,7 ml

Tempo de Reação

2 h 24 h

Temperatura

Ambiente

Pressão de Argônio

1 atm

O presente exemplo mostra a influência do tempo e o uso do solvente e do oxidante mais adequados para a reação. A Tabela 2 abaixo descreve as 15 condições em que as reações foram realizadas, seguida da Tabela 3 que apresenta os resultados das reações da Tabela 2.

Tabela 2

Exp

Catalisador

Oxidante

Tempo

Solvente

1

[Fe(Salen)CI].H20

H202

24

t-BuOH

2

[Fe(Salen)CI].H20

t-BuOOH

24

t-BuOH

3

[Fe(Salen)CI].H20

H202

2

t-BuOH

4

[Fe(Salen)CI].H20

t-BuOOH

2

t-BuOH

5

[Fe(Salen)CI].H20

H202

24

CH3CN

6

[Fe(Salen)CI].H20

t-BuOOH

24

ch3cn

7

[Fe(Salen)CI].H20

H202

2

ch3cn

8

[Fe(Salen)CI].H20

t-BuOOH

2

ch3cn

9

[Mn(Salen)CI].2H20

H202

24

ch3cn

10

[Mn(Salen)CI].2H20

t-BuOOH

24

ch3cn

11

[Mn(Salen)CI].2H20

H202

2

ch3cn

12

[Mn(Salen)CI].2H20

t-BuOOH

2

ch3cn

13

[Mn(Salen)CI].2H20

H202

24

ch3cn

14

[Mn(Salen)CI].2H20

t-BuOOH

24

ch3cn

15

[Mn(Salen)CI].2H20

H202

2

ch3cn

16

[Mn(Salen)CI].2H20

t-BuOOH

2

ch3cn