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Aug 30, 2023

Síntese catalítica de fenóis com óxido nitroso

Natureza volume 604, páginas

Nature volume 604, páginas 677–683 (2022) Cite este artigo

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Uma correção do autor para este artigo foi publicada em 21 de julho de 2022

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O desenvolvimento de processos químicos catalíticos que possibilitem a revalorização do óxido nitroso (N2O) é uma estratégia atraente para aliviar a ameaça ambiental representada por suas emissões1,2,3,4,5,6. Tradicionalmente, o N2O tem sido considerado uma molécula inerte, intratável para químicos orgânicos como um oxidante ou reagente de transferência de átomo de O, devido às duras condições exigidas para sua ativação (>150 °C, 50‒200 bar)7,8,9, 10,11. Aqui, relatamos uma inserção de N2O em uma ligação Ni‒C sob condições amenas (temperatura ambiente, 1,5–2 bar N2O), fornecendo assim fenóis valiosos e liberando N2 benigno. Esta etapa de formação de ligação C‒O organometálica fundamentalmente distinta difere das estratégias atuais baseadas na eliminação redutiva e permite uma abordagem catalítica alternativa para a conversão de haletos de arila em fenóis. O processo foi tornado catalítico por meio de ligantes à base de bipiridina para o centro de Ni. O método é robusto, leve e altamente seletivo, capaz de acomodar funcionalidades sensíveis a bases, bem como permitir a síntese de fenóis a partir de haletos de arila densamente funcionalizados. Embora este protocolo não forneça uma solução para a mitigação das emissões de N2O, ele representa um plano de reatividade para a leve revalorização do N2O abundante como fonte de O.

A crescente emissão de gases de efeito estufa representa uma ameaça ambiental global, e estratégias para lidar com essa questão têm sido foco de intensas pesquisas nos últimos tempos1,2. Do ponto de vista da sustentabilidade, é altamente desejável o desenvolvimento de processos químicos que se estendam além das degradações tradicionais e reaproveitem esses subprodutos gasosos como síntons úteis para produzir matérias-primas químicas valiosas. Enquanto a revalorização do CO2 ou CH4 como fontes de carbono para a síntese orgânica por meio de estratégias catalíticas tem recebido muita atenção12,13, muito menos interesse tem sido dado à transformação química de outro importante contribuinte para o aquecimento global: o N2O. Relatórios governamentais e evidências científicas recentes alertam para as consequências decorrentes da presença crescente desse gás subvalorizado na atmosfera3,4,5. O N2O apresenta um potencial de aquecimento global >300 vezes superior ao do CO2, com um tempo médio de decomposição na atmosfera >100 anos6. As atividades humanas aceleraram as emissões, com uma taxa estimada de aumento de N2O de 2% por década. No entanto, uma análise detalhada através das lentes da síntese sustentável apresenta uma oportunidade única para a revalorização do N2O, pois representa uma excelente fonte de átomos de O: é prontamente disponível, não é tóxico (gás hilariante) e libera N2 benigno como subproduto na remoção de O. Por outro lado, o N2O é um gás inerte, cuja ativação requer altas temperaturas (140–350 °C) e pressões (50–200 bar), resultando em aplicações limitadas como oxidante para síntese orgânica7,8,14. No entanto, a estrutura do N2O cativou os químicos, que estudaram detalhadamente os modos de coordenação e sua reatividade em uma infinidade de complexos metálicos9. No entanto, poucos relatos enfocaram sua ativação para a formação de ligações C‒O10,15 (provavelmente entre as ligações mais valiosas na síntese orgânica), pois permitiria o acesso a álcoois, éteres, epóxidos altamente cobiçados e assim por diante. Ainda assim, esses poucos exemplos contam com a tradicional reatividade metal-oxo, que requer altas temperaturas (100–200 °C) e pressões (10 bar)11 ou longos tempos de reação (1 tonelada por semana)16 (Fig. 1a). Em um relatório inovador17, um resultado fundamentalmente diferente foi observado: na exposição a uma atmosfera de N2O, o átomo de O poderia ser inserido em uma ligação Hf‒Ph do complexo 1 forjando o Hf‒O‒Ph desejado (2) com extrusão de N2. No entanto, surgiram problemas de regiosseletividade, pois o átomo de O foi transferido competitivamente para o ligante hidreto, produzindo também um complexo Hf‒O‒H (3). Estudos mecanísticos sobre a etapa de inserção de O em várias ligações M‒C(sp2) usando N2O, peróxidos ou oxigênio sugerem que um mecanismo organometálico do tipo Baeyer-Villiger (OMBV) está operando, pelo qual o carbono aniônico migra para o átomo de O coordenado, forjando a ligação M‒O‒C18,19,20,21,22,23. Com base nessa reatividade, buscamos liberar o potencial do N2O como fonte de átomo de O em uma síntese catalítica fundamentalmente diferente de fenóis. Na síntese canônica de fenol catalisada por metais de transição a partir de haletos de arila24,25,26,27,28, a etapa de formação de ligação C(sp2)‒O prossegue através da troca de ligantes bem estabelecida com uma fonte nucleofílica de O. Na eliminação redutiva com o grupo arila, a ligação C(sp2)‒O desejada é formada enquanto o centro metálico é duplamente reduzido (Fig. 1b, à esquerda). A fonte de O, nesses casos, geralmente é H2O ou um nucleófilo baseado em O prótico em combinação com uma base que leva ao fenol correspondente29. No ciclo catalítico alternativo aqui proposto, a etapa fundamental para a formação da ligação C(sp2)‒O capitaliza o mecanismo do tipo OMBV: na coordenação do N2O ao centro metálico, o O eletrofílico é eventualmente inserido na ligação M‒C, com formação concomitante de N2 (Fig. 1b, direita). Em contraste com a síntese tradicional de fenóis, após a formação da ligação C‒O, o estado de oxidação do centro metálico permanece intacto, exigindo assim um redutor externo para fechar o ciclo. Para orquestrar esse processo redutivo, concentramos nossa atenção no Ni e em sua capacidade demonstrada de manobrar entre diferentes estados de oxidação por meio da transferência de um único elétron30,31,32. Aqui demonstramos que uma abordagem guiada mecanisticamente para a ativação de N2O com complexos organometálicos resulta no desenvolvimento de uma síntese catalítica suave e seletiva de fenóis de alto valor a partir de haletos de arila usando N2O como uma fonte eletrofílica de O33. As condições amenas (25 °C e 1,5–2 atm) permitem a acomodação de uma variedade de grupos funcionais, incluindo porções sensíveis à base, proporcionando assim uma estratégia ortogonal às tecnologias atuais (Fig. 1c).