The Hydroformylation Reaction: from Covalent to Supramolecular Approaches and Operando Kinetic Studies

Abstract

S’ha estudiat la hidrofomilació d΄al·lens 1,1΄-disubstituïts catalitzada per rodi, emprant lligands de tipus bisfosfit amb un centre de regulació allunyat del centre catalític. L'ús de sals de metalls alcalins de BArF com a agents de regulació va fer augmentar la formació d'aldehids β,γ-insaturats (fins a un 60%), demostrant el principi de regulació supramolecular del sistema catalític. La hidroformilació d'octens terminals i interns catalitzada amb cobalt i en presència de Xantphos com lligand ha donat lloc a una alta selectivitat en la formació d'aldehids. El control de la regioselectividad mitjançant la temperatura de la reacció i la proporció constant entre els diferents regioisòmers dels aldehids ens ha portat a postular un procés tàndem d'isomerització-hidroformilació en les condicions optimitzades de reacció. A més, s'ha dut a terme la hidroformilació d'una mescla d'octens, obtenint-se els aldehids amb alta selectivitat i baixa incidència de reaccions secundàries, la qual cosa fa que sigui una ruta plausible a escala industrial. A més, l'ús de lligands regulats supramolecularment amb un centre de regulació allunyat del centre catalític, va permetre la hidroformilació enantioselectiva de aril vinil èters, amb un gran activitat catalítica, regioselectivitat i ràtio enantiomèric (fins a un 88% conversió, >99:1 b/l ràtio, 97:3 er). Estudis de complexació van revelar la formació d'espècies catalítiques inactives i la variació en la distribució de les espècies catalíticamente actives en funció de l'agent de regulació emprat. Finalment es van realitzar estudis cinètics sobre la reacció d'hidroformilació enantioselectiva de l'acetat de vinil emprant lligands bisfosfit regulats mitjançant interaccions supramoleculars. L'ús de l'Anàlisi de Normalització de Temps Variable va permetre esbrinar el pas limitant de la reacció, situant-lo en el començament del cicle catalític. Aquest mètode ha permès obtenir els perfils de reacció en absència dels períodes d'inducció de formació del catalitzador observats durant la reacció.

Se ha descrito la hidroformilación de alenos 1,1΄-disustitutidos catalizada por rodio empleando ligandos de tipo bisfosfito con un centro de regulación alejado del centro catalítico. El uso de sales de BArF de metales alcalinos como agentes de regulación aumentó la formación de aldehídos β,γ-insaturados (hasta un 60%), demostrando el principio de regulación supramolecular del sistema catalítico. La hidroformilación de octenos terminales e internos catalizada con cobalto y en presencia de Xantphos como ligando ha dado lugar a una alta selectividad en la formación de aldehídos. El control de la regioselectividad mediante la temperatura de la reacción y la proporción constante entre los diferentes regioisómeros de los aldehídos nos ha llevado a postular un proceso tándem de isomerización-hidroformilación bajo las condiciones optimizadas de reacción. Además, se ha llevado a cabo la hidroformilación de una mezcla de octenos, obteniéndose los aldehídos con alta selectividad y baja incidencia de reacciones secundarias, lo que la hace una ruta plausible a escala industrial. Además, el uso de ligandos regulados supramolecularmente con un centro de regulación alejado del centro catalítico permitió la hidroformilación enantioselectiva de aril vinil éteres, con una gran actividad catalítica, regioselectividad y ratio enantiomérico (hasta un 88% conversión, >99:1 b/l ratio, 97:3 er). Estudios de complejación revelaron la formación de especies catalíticas inactivas y la variación en la distribución de las especies catalíticamente activas en función del agente de regulación usado. Finalmente se realizaron estudios cinéticos sobre la reacción de hidroformilación enantioselectiva del acetato de vinilo empleando ligandos bisfosfito regulados mediante interacciones supramoleculares. El uso del Análisis de Normalización de Tiempo Variable permitió establecer el paso limitante de la reacción, situándolo en el comienzo del ciclo catalítico y ha permitido la obtención de los perfiles de reacción en ausencia de los periodos de inducción de formación el catalizador observados durante la reacción.

The rhodium-catalyzed hydroformylation of 1,1΄-disubstituted allenes was described employing bisphosphite ligands with a distal regulation site. The use of alkali metal BArF salts as regulation agents enhanced the formation of β,γ-unsaturated aldehydes (up to a 60% increase), proving the supramolecular regulation principle of the catalytic system. Cobalt-catalyzed hydroformylation of terminal and internal octenes in presence of Xantphos as ligand have displayed a high selectivity towards the formation of aldehydes. The control of the regioselectivity by the reaction temperature and the constant ratio in the different regioisomers led us to hypothesize that a tandem isomerization-hydroformylation transformation was taking place under optimized conditions. Furthermore, the hydroformylation of a mixture of octene isomers was reported with excellent aldehyde selectivity and diminished formation of side-products. Overall, the methodology may be suitable for industrial application. Moreover, the use of supramolecularly regulated ligands with distal regulation site enabled the rhodium-catalyzed enantioselective hydroformylation of aryl vinyl ethers, with high catalytic activity, regioselectivity and enantiomeric ratio (up to 88% conv, >99:1 b/l ratio and 97:3 er). Complexation studies revealed the formation of inactive catalytic species and a variation in the distribution of catalytic species based on the regulation agent used. Finally, kinetic studies of the rhodium-catalyzed enantioselective hydroformylation of vinyl acetate with a supramolecularly regulated bisphosphite complex were performed. The use of Variable Time Normalization Analysis allowed for the elucidation of the rate-determining step early in the catalytic cycle. Real kinetic profiles in the absence of catalyst induction periods observed during the reaction were also obtained.