Los catalizadores de manganeso reutilizables y económicos permiten la alquilación eficiente de cetonas con alcoholes

Cuando se sintetizan nuevos compuestos, es ventajoso tener reactivos que estén ampliamente disponibles y un método simple que produzca un alto rendimiento de productos con poco desperdicio (subproductos indeseables). En este sentido, la alquilación de alcoholes a través de un método conocido como «préstamo de hidrógeno» (BH) puede transformar los alcoholes en una diversa gama de productos, con agua como único subproducto.

La reacción se centra en un catalizador y comienza con un catalizador que elimina los átomos de hidrógeno del alcohol para oxidarlo en un compuesto de carbonilo. Este intermedio altamente reactivo luego sufre una reacción de condensación con diferentes compuestos orgánicos para producir agua y recibe el hidrógeno del catalizador para formar el producto final.

Por lo tanto, al «tomar prestados» átomos de hidrógeno, los grupos alquilo del alcohol pueden transferirse fácilmente a una nueva molécula orgánica que contiene diferentes sustituyentes. Se han realizado esfuerzos para hacer que esta reacción funcione con catalizadores de manganeso (Mn) biocompatibles y económicos. Sin embargo, los catalizadores de Mn actualmente disponibles requieren la adición de bases fuertes, lo que genera más desechos y complica el proceso de regeneración del catalizador.

Ahora, en un nuevo estudio publicado en catálisis ACS, investigadores del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) han sintetizado un catalizador de manganeso reutilizable que puede llevar a cabo reacciones de alquilación de alcoholes de manera eficiente sin necesidad de una base. El equipo de investigación, dirigido por el profesor asistente Yusuke Kita, había estado experimentando previamente con catalizadores de rutenio de metales preciosos para llevar a cabo la alquilación de alcoholes mediante el método BH.

Encontraron que la adición de óxido de magnesio (MgO) al catalizador mejoró su capacidad de hidrogenación. Preguntándose si el MgO tendría el mismo efecto en los catalizadores a base de Mn, co-depositaron óxido de Mn (MnO_X) y nanopartículas de MgO sobre un óxido de aluminio (Al₂O₃) apoyo.

Para su deleite, el nuevo catalizador facilitó con éxito la reacción de alquilación de una amplia variedad de cetonas con alcoholes, alcanzando rendimientos del 50 al 92 %. Además, a diferencia de los catalizadores de Mn convencionales, era capaz de alquilar sustratos que contenían cetonas, como los grupos ciano, que de otro modo reaccionarían con el agua en presencia de una base.

Lo que es más importante, dado que la reacción no produjo ningún subproducto además del agua, el catalizador podría regenerarse fácilmente con un método de filtración simple. «El presente catalizador no requirió la adición de bases fuertes homogéneas que normalmente son indispensables para estas reacciones y requieren un gran consumo de energía para la separación, el reciclaje y el tratamiento de desechos», dice el Dr. Kita.

El equipo atribuyó la alta actividad catalítica observada al estrecho contacto entre el MnO_X y las nanopartículas de MgO. Utilizando la espectroscopia infrarroja transformada de Fourier, un método que puede identificar compuestos químicos midiendo la cantidad de luz que absorben, los investigadores identificaron, por primera vez, una especie de hidruro de manganeso (Mn-H) en la superficie del catalizador, lo que sugiere que el MgO facilita la transferencia eficiente de hidrógeno.

«La catálisis se debe a partículas de MgO que coexisten con el MnO_X especies en el Al₂O₃ soporte y la donación de electrones de MgO a MnO_X mejora la reactividad de las especies de Mn−H», explica el Dr. Kita.

Como catalizador rentable y fácilmente reutilizable, Mn-MgO/Al₂O₃ podría, por lo tanto, acelerar la adopción de reacciones de alquilación a través de BH y ayudar a producir diversos compuestos orgánicos de una manera respetuosa con el medio ambiente.