Estudos sobre a atividade catalítica de complexos Fe[sub]3[/sub]O[sub]4[/sub]@SiO[sub]2[/sub]-1N-EDTA-Ln[sup]3+[/sup] na síntese de [i]N[/i]-acil-hidrazonas

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Química Orgânica

Autores

Pinheiro, S.M. (UFPB) ; dos Santos Filho, J.M. (UFPE) ; de Resende Filho, J.B.M. (IFPB) ; S. M. Falcão, N.K. (UFPB) ; Pires, G.P. (UFPB) ; de Vasconcelos, L.F.S. (UFPB) ; Teotonio, E.E.S. (UFPB) ; Vale, J.A. (UFPB)

Resumo

Complexos covalentes entre nanopartículas magnéticas (NPM) e compostos de lantanídeos que exibem centros catalíticos ativos e eficientes têm sido empregados em diversas estratégias sintéticas. As nanopartículas magnéticas (Fe₃O₄@SiO₂) ligadas à porção catalítica levam a catalisadores heterogêneos cuja recuperação ocorre facilmente por separação magnética e sua reciclagem se dá por processos simples. Sendo os íons lantanídeo(III)-Ln³⁺ catalisadores de Lewis para um amplo espectro de transformações químicas, uma série de complexos Fe₃O₄@SiO₂-1N-EDTA-Ln³⁺ foi planejada e estudada para a síntese estereosseletiva de N-acil- hidrazonas sob condições brandas.

Palavras chaves

Nanopartículas magnéticas; N-Acil-hidrazonas; Lantanídeos

Introdução

Nos últimos anos, o uso de nanopartículas magnéticas (MNP) como suporte para catalisadores heterogêneos tem crescido consideravelmente. Esses materiais apresentam muitas vantagens em comparação tanto com os catalisadores homogêneos quanto com os catalisadores heterogêneos convencionais, como, por exemplo: 1) recuperação mais efetiva por separação magnética; 2) menor perda de catalisador; 3) facilidade de purificação; 4) aumento da área superficial e da eficiência catalítica; 5) implementação de metodologias verdes (ROSSI et al., 2014). Diversos sistemas catalíticos ligados a NPM têm sido desenvolvidos e, recentemente, o grupo do Laboratório de Síntese Orgânica e Biocatálise-LASOB da UFPB investigou a atividade catalítica de nanopartículas magnéticas do tipo 3-trimetoxisililpropilamina- Fe₃O₄@SiO₂ ligadas covalentemente a íons lantanídeo(III) complexados ao EDTA, as quais atuam como catalisadores de Lewis na condensação de Knoevenagel entre malononitrilas e compostos carbonílicos (RESENDE FILHO et al., 2016). Em parceria com o Laboratório de Planejamento e Síntese Aplicados à Química Medicinal- SintMed^® da UFPE, estudos para o desenvolvimento de catalisadores similares com aplicação à síntese de N-acil-hidrazonas foram desenhados e executados com base no trabalho de DOS SANTOS FILHO (2014), que aplicou pela primeira vez CeCl₃ na obtenção estereosseletiva de derivados N-acil-hidrazônicos apresentando diversidade estrutural marcante. Embora seja bem conhecido que íons lantanídeo trivalentes desempenham importante papel na catálise de diferentes tipos de reações orgânicas, poucos estudos são encontrados na literatura descrevendo seu papel como catalisadores heterogêneos suportados em NPM. A fim de definir os efeitos catalíticos dos lantanídeos sobre a reação de condensação entre aril-hidrazidas e diversos aldeídos e cetonas, realizou-se a síntese de complexos Fe₃O₄@SiO₂-1N-EDTA- Ln³⁺, empregando-se uma série representativa de oito íons Ln³⁺ (La³⁺, Ce³⁺, Sm³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺, Tb³⁺, Er³⁺ e Yb³⁺) complexados ao EDTA e ancorados à NPM Fe₃O₄@SiO₂. Diversos experimentos foram conduzidos, tendo como substratos de referência a benzo-hidrazida e a vanilina, definindo as condições gerais para o desenvolvimento de catalisadores eficientes na síntese de N'-(4-hidroxi-3-metoxibenzilideno)-benzo-hidrazida. O efeito catalítico foi comparado com o andamento da reação na ausência de qualquer catalisador, na presença da NPM Fe₃O₄@SiO₂-1N-EDTA e na presença do complexo representativo Na[Eu(EDTA)(H₂O)₃] no intuito de estabelecer seus efeitos individuais sobre o processo. Além disso, a influência do raio iônico dos lantanídeos foi investigada, estabelecendo quais íons apresentaram melhores resultados na obtenção dos produtos desejados. Todos os experimentos foram realizados a 75 °C em etanol como solvente.

Material e métodos

A síntese do catalisador Fe₃O₄@SiO₂-1N-EDTA- Tb³⁺ foi realizada de acordo com a metodologia desenvolvida no LASORB (PIRES et al., 2016), enquanto Na[Eu(EDTA)(H₂O) ₃] foi obtido pela metodologia de WANG et al. (2004). A vanilina usada nos experimentos, bem como o benzoato de metila, a hidrazina hidrato e todos os solventes foram obtidos da Sigma-Aldrich. A benzo- hidrazida foi sintetizada a partir do benzoato de metila por reação com hidrazina hidrato e purificada por cromatografia em coluna, usando-se sílica flash SiliaFlash^® F60 (40-63 µm) como fase estacionária e acetato de etila como eluente. Todas as reações foram monitoradas por cromatografia em camada delgada (CCD), realizada sobre placas de vidro recobertas com sílica gel 60 PF254 com gesso, sendo todos os compostos detectados por luz ultravioleta (254 nm). Os espectros de ressonância magnética nuclear foram realizados em equipamento VARIAN Mercury 200 MHz. Pontos de fusão foram medidos em aparelho Fisatom Mod431 e não foram corrigidos. A metodologia de síntese de N'-(4-hidroxi-3-metoxibenzilideno)-benzo-hidrazida catalisada por foi realizada a 75 °C em etanol. Todas as reações foram realizadas com 1 mmol de benzo-hidrazida e 1 mmol de vanilina em 0,5 mL de EtOH na presença de 10 mol% de dos catalisadores como concentração de referência.

Resultado e discussão

Na Tabela 1 encontram-se os resultados obtidos para a síntese da N- acil-hidrazona de referência. Inicialmente, observou-se que a velocidade de reação e o rendimento do produto isolado são essencialmente os mesmos na ausência de catalisador (Entrada 1) e na presença da NPM sem lantanídeos complexados (Entrada 2). Já no caso do complexo Na[Eu(EDTA)(H₂O) ₃], a presença do íon Eu³⁺ complexado com EDTA- H₂O promoveu uma redução significativa na velocidade de reação com bom rendimento (Entrada 3). Entretanto, os dados oriundos da catálise promovida pela série Fe₃O₄@SiO₂-1N-EDTA-Ln³⁺ se mostraram excelentes (Entradas 4-11). Com tempos reacionais variando de 5 a 10 minutos e rendimentos excelentes, esses resultados confirmaram o papel fundamental que os complexos de lantanídeo ligados a NPM exercem no processo de catálise. O perfil catalítico dos lantanídeos foi completamente determinado usando-se oito elementos da família. Em todos os casos, o rendimento do produto se manteve regular, enquanto uma variação interessante no comportamento das velocidades de reação foi observada. Catalisadores com Ln³⁺ que apresentam raios de fronteira, i. e., La³⁺, Ce³⁺, (Tabela 1, Entradas 5-6), Er³⁺ e Yb³⁺ (Tabela 1, Entradas 10-11) forneceram reações mais lentas. Por outro lado, íons com raios intermediários, especificamente Eu³⁺, Sm³⁺, Gd³⁺ e Tb³⁺ forneceram reações mais rápidas (Tabela 1, Entradas 4, 7-9). Esse comportamento pode ser visto de forma mais clara na Figura 1. Esse comportamento possivelmente se deve ao fato de que íons com raios menores possuem esferas de coordenação mais limitadas e ocupadas pelo EDTA, enquanto íons de maiores raios iônicos se encontram com suas esferas de coordenação ocupadas por moléculas de água. Nos casos intermediários, as esferas de coordenação possuem maior habilidade de se ligar aos substratos, promovendo catálise mais eficiente.

Conclusões

Neste trabalho, estabeleceram-se os parâmetros para a síntese de N-acil- hidrazonas catalisada por Fe3O4@SiO2-1N-EDTA-Ln3+. Os resultados obtidos mostraram que os catalisadores foram extremamente eficientes, sobretudo nos casos em que os íons lantanídeos apresentaram raios iônicos intermediários. Esse comportamento provavelmente se deve às esferas de coordenação de cada íon e sua habilidade de interagir com os reagentes.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pela CAPES e CNPq. Os autores são gratos à equipe da Unidade da Central do Instituto de Pesquisa em Fármaco da UFPB pelas análises de RMN.

Referências

DOS SANTOS FILHO, J. M. Mild, Stereoselective, and Highly Efficient Synthesis of N-Acylhydrazones Mediated by CeCl3.7H2O in a Broad Range of Solvents. Eur. J. Org. Chem., v. 29, p. 6411-6417, 2014.

PIRES, G. P. et al. Luminescent and magnetic materials with a high content of Eu3+-EDTA complexes, Dalton Trans., v. 45, p. 10960-10968, 2016.

RESENDE FILHO, J. B. M. et al. Knoevenagel Condensation of Aldehydes and Ketones with Malononitrile Catalyzed by Amine Compounds-Tethered Fe3O4@SiO2 Nanoparticles, Catal. Lett., v. 147, p. 167-180, 2016.

ROSSI, L. M. et al. Magnetic nanomaterials in catalysis: advanced catalysts for magnetic separation and beyond. Green Chem., v. 16, p. 2906-2933, 2014.

WANG, J. et al. Researches on crystal and molecular structures of nine-coordination mononuclear [EuIII(Edta)(H2O)3]⋅3.5H2O and binuclear K4[Eu 2 III (HTtha)2]⋅13.5H2O, Russian J. Coord. Chem., v. 30, p. 850-858, 2004.