Glicerol como solvente verde em eficiente obtenção de beta-hidroxiésteres

Glycerol as green solvent for efficient obtention of beta -hydroxyesters

β-ketoesters; β-hydroxyesters; glycerol

NOTA TÉCNICA

Glicerol como solvente verde em eficiente obtenção de beta-hidroxiésteres

Glycerol as green solvent for efficient obtention of beta -hydroxyesters

Simone Santos de Sousa Oliveira^I; Sorele Batista Fiaux^I; Igor Ramon Lomba Barreto^I; Estela Maris Freitas Muri^I; Maria da Conceição Klaus V. Ramos^II; Francisco Radler de Aquino Neto^II; Luiza Rosária Sousa Dias^I,*

^IFaculdade de Farmácia, Universidade Federal Fluminense, Rua Mário Viana, 523, Santa Rosa, 24241-000 Niterói - RJ, Brasil

^IIInstituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Centro de Tecnologia, Bloco A, Cidade Universitária, 21949-909 Rio de Janeiro - RJ, Brasil

ABSTRACT

In this work, we report a new method for obtaining racemic β-hydroxyesters by reduction of β-ketoesters. The use of glycerol as a reactional medium in selective reduction of β-ketoesters into the corresponding alcohols was shown to be a viable and more efficient alternative compared with the conventional methodology, taking into account green chemistry prerogatives.

Keywords: β-ketoesters; β-hydroxyesters; glycerol.

INTRODUÇÃO

Compostos β-hidroxiésteres (RC(OH)CH₂CO₂R') são importantes blocos de construção de outras moléculas orgânicas,^1-5 sendo a redução da carbonila cetônica de β-cetoésteres uma das principais formas de obtenção desses compostos. Dentre os procedimentos sintéticos que podem ser utilizados para redução do grupamento carbonila, frequentemente, utilizam-se hidretos metálicos. Destes, são indicados especialmente os boroidretos, devido ao baixo custo e simplicidade de uso, sendo geralmente utilizado como meio de redução um solvente orgânico de média polaridade, como o metanol.^6-10

O boroidreto de sódio (NaBH₄) é o reagente mais utilizado, devido à seletividade de reação na carbonila cetônica.^11,12 Entretanto, a seletividade desse reagente em compostos cetoésteres parece ser dependente das condições reacionais, havendo a possibilidade de redução da carbonila e da carboxila, quando da utilização de metanol como meio reacional.^13,14

A pesquisa em Química Verde tem ampliado a busca por processos que contribuam com a sustentabilidade do meio ambiente. Este conceito, introduzido nos EUA na década de 90, propõe novas abordagens para a síntese, processamento e aplicação de substâncias químicas com objetivo de prevenir ou reduzir a poluição causada por essas atividades.^15-21

A utilização do glicerol como solvente em sínteses se enquadra no conceito de Química Verde e tem despertado a atenção de pesquisadores. Esse álcool triidroxilado apresenta boa compatibilidade com compostos orgânicos, alto ponto de ebulição, e consequentemente baixas volatilidade e agressividade ao meio ambiente. Assemelha-se a outros solventes orgânicos polares (DMSO e DMF) quanto à capacidade de dissolver compostos orgânicos que são pouco miscíveis em água e facilitar a dissolução de sais inorgânicos.^15,16,22,23 As características do glicerol proporcionam sua utilização como Solvente Verde em reações de síntese química, atendendo no mínimo a três princípios estabelecidos no conceito de Química Verde: síntese química mais segura, solvente seguro, e utilização de matéria-prima renovável.^18-20,22,24

Além dessas vantajosas características, o glicerol tem sido produzido em grande escala como o principal coproduto da transesterificação usada na produção do biodiesel.^16-20 Atualmente, a produção do glicerol mais que dobrou em comparação à obtida em 2005²¹ e com tendência a aumentar, devido ao incentivo mundial dado à utilização do biodiesel.²⁵ Esse aumento de produção ocasiona problemas ambientais e econômicos, e tem proporcionado a redução no preço do glicerol.^21,22 Por todos esses fatores, tem aumentado o interesse e a importância do estudo e desenvolvimento de novas tecnologias de utilização dessa matéria prima.^16-22,24-28

Nesse sentido, apresentamos aqui uma metodologia de síntese de β-hidroxiésteres por redução química de β-cetoésteres com NaBH₄ (Esquema 1), empregando o glicerol como Solvente Verde em comparação a metodologia convencional que utiliza metanol.

PARTE EXPERIMENTAL

Foram realizadas reações de redução com os seguintes β-cetoésteres: 3-oxobutanoato de etila (1), Aldrich: 99%, densidade (d) = 1,030 g/mL; 3-oxopentanoato de etila (2), Aldrich: 97%, d = 1,012 g/mL; 3-oxopentanoato de metila (3), Aldrich: 98%, d = 1,037 g/mL; 3-oxohexanoato de etila (4), Aldrich: 98%, d = 0,989 g/mL; 4-cloro-3-oxobutanoato de metila (5), Aldrich: 97%, d = 1,305 g/mL; 4,4,4-tricloro-3-oxobutanoato de etila (6), Aldrich: 95%, d = 1,389 g/mL; 4,4,4-trifluoro-3-oxobutanoato de etila (7), Aldrich: 99%, d = 1,259 g/mL; 3-(4-clorofenil)-3-oxopropanoato de metila (8), Aldrich: 95%, d = 1,255 g/mL.

A formação dos produtos foi acompanhada por cromatografia em camada fina (CCF) utilizando placas de sílica gel e a mistura n-hexano e acetato de etila (7:3 v/v) como eluente. As substâncias foram visualizadas sob a luz de lâmpada de ultravioleta (254-365 nm) e exposição ao vapor de iodo.

Na caracterização estrutural dos compostos foram utilizados: aparelho Moran Ultra (Oxford Instruments) de 300 MHz para ressonância magnética nuclear de hidrogênio (RMN¹H) (Laremn-IQ-UFF), utilizando-se clorofórmio deuterado (CDCl₃) como solvente; espectrômetro Perkin-Elmer 1420, empregando-se pastilhas de KBr, para espectrofotometria de infravermelho (IV) e cromatografia gasosa de alta resolução realizada no LPCC-LADETEC/IQ-UFRJ em cromatógrafo a gás Hewlett Packard modelo HP-5890 (Chemstation), com detecção por ionização de chama utilizando 1,0 µL de volume de amostra. O software utilizado para integração e registro do cromatograma foi o Agillent Chemstation Plus (versão A.08 de 2001).

Para a amostra de 3-oxobutanoato de etila (1) e de seus produtos de redução, foi empregada coluna capilar BGB-176B (25 m x 0,25 mm x 0,25 µm), com isoterma de 90 ºC, T_inj = 250 ºC, T_det = 250 ºC (DIC). Produtos de redução dos 3-oxopentanoato de etila e 3-oxopentanoato de metila (2 e 3, respectivamente), foram separados com o emprego da mesma coluna. A temperatura da coluna, inicialmente a 40 ºC, foi elevada a uma taxa de 5 ºC/min até 150 ºC, t_CH4 = 51 cm/s, taxa de divisão de fluxo 1:20, fluxo coluna 1,35 mL/min., T_inj = 250 ºC, T_det = 250 ºC (DIC). Para 3-oxohexanoato de etila (4) e 3-(4-clorofenil)-3-oxopropanoato de metila (8) e seus respectivos produtos de redução, foi utilizada a coluna HP-CHIRAL 10B (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm). Para o 3-(4-clorofenil)-3-oxopropanoato de metila (8) e seus respectivos produtos, a temperatura da coluna foi mantida, inicialmente por 10 min, a 150 ºC, e elevada a uma taxa de 1,5 ºC/min até 190 ºC, t_CH4 = 61,7 cm/s, taxa de divisão de fluxo 1:20, fluxo coluna 2,39 mL/min, T_inj = 250 ºC, T_det = 270 ºC (DIC). Produtos de redução 4-cloro-3-oxobutanoato de metila (5) foram separados com o emprego da coluna Lipodex E (25 m x 0,25 mm). A temperatura da coluna, inicialmente à 70 ºC, foi elevada a uma taxa de 5 ºC/min até 130 ºC (5 min), t_CH4 = 51,1 cm/s, taxa de divisão de fluxo 1:100, fluxo coluna 2,57 mL/min., T_inj = 250 ºC, T_det = 270 ºC (DIC). Para o 4,4,4-tricloro-3-oxobutanoato de etila (6) e seus produtos de redução também foi utilizada a coluna Lipodex E (25 m x 0,25 mm). A temperatura da coluna, inicialmente à 70 ºC, foi elevada a uma taxa de 5 ºC/min até 170 ºC (2 min), t_CH4 = 50,5 cm/s, fluxo coluna 2,58 mL/min., split 1:20; T_inj = 250 ºC, T_det = 250 ºC (DIC). Para 4,4,4-trifluoro-3-oxobutanoato de etila (7) e produtos de redução, foi utilizada a coluna BGB-176 (25 m x 0,25 mm x 0,25 µm) com isoterma de 120 ºC (5 min), t_CH4 = 50,1 cm/s, taxa de divisão de fluxo 1:100, fluxo coluna 1,06 mL/min., T_inj = 250 ºC, T_det = 250 ºC (DIC) .

Obtenção dos compostos β -hidroxiésteres (1a - 8a)

Método A: Mistura reacional de β-cetoéster correspondente (7,92 mM), NaBH₄ (7,92 mM) e metanol (10 mL), mantida em banho de gelo à temperatura de 0 ºC e sob agitação magnética constante.

Método B: Mistura reacional de β-cetoéster correspondente (7,92 mM), NaBH₄ (7,92 mM) e glicerol (10 mL), mantida à temperatura ambiente e sob agitação magnética constante.

Em ambos os métodos, o término da reação foi acompanhado por CCF e após acidificação do meio com solução de ácido clorídrico (10 % v/v), efetuou-se o isolamento reacional.

O isolamento reacional pode ser realizado por extração com solventes orgânicos imiscíveis no meio reacional, como diclorometano ou acetato de etila (4 x 20 mL), sendo o acetato de etila menos agressivo ao ambiente e mais adequado aos preceitos da química verde.²⁹ A fase orgânica foi lavada com solução saturada de NaCl e depois seca com MgSO₄ anidro, filtrada e o solvente evaporado, inicialmente em evaporador rotatório e depois em sistema de alto vácuo, com pressão variável.

ª Dados do composto b-cetoéster correspondente.

3-hidroxibutanoato de etila (1a).³⁰ Líquido incolor. IV (KBr, cm^-1): 3440 (C-OH), 1730 (C=O). RMN¹H (500 MHz) CDCl₃/TMS (δppm): 1,22 [3H, CH₃-CH-OH]; 1,26[3H, O-CH₂-CH₃]; 2,44 [2H, CHOH-CH₂-C=O]; 4,14-4,21 [3H, CH₃-CH-OH, O-CH₂-CH₃]. CG (tr): 3,8 e 3,9; 3,6 ª.

3-hidroxipentanoato de etila (2a).³⁰ Líquido oleoso incolor. IV (KBr, cm^-1): 3443 (C-OH), 1732 (C=O). RMN¹H (500 MHz) CDCl₃/TMS (δppm): 0,94 [3H, CH₃-CH₂-CH-OH]; 1,25 [3H, O-CH₂-CH₃]; 1,50 [2H, CH₃-CH₂-CH-OH]; 2,43 [2H, CH₂-C=O]; 3,91 [1H, CH₃-CH₂-CH-OH]; 4,15 [2H, O-CH₂-CH₃]. CG (tr): 12,6 e 12,8; 12,3 ª.

3-hidroxipentanoato de metila (3a).³⁰ Líquido oleoso incolor. IV (KBr, cm^-1): 3450 (C-OH), 1645 (C=O). RMN¹H (500 MHz) CDCl₃/TMS (δppm): 0,96 [3H, CH₃-CH₂-CH-OH]; 1,58 [2H, CH₃-CH₂-CH-OH]; 2,48 [2H, CH₂-C=O]; 3,71 [3H, O-CH₃]; 3,94 [1H, CH₃-CH₂-CH-OH]. CG (tr): 10,8 e 11,2; 10,5 ª.

3-hidroxihexanoato de etila (4a).³⁰ Líquido oleoso incolor. IV (KBr, cm^-1): 3433 (C-OH), 1732 (C=O). RMN¹H (500 MHz) CDCl₃/TMS (δppm): 0,90 [3H, CH₃(CH₂)₂CH-OH]; 1,22[3H, O-CH₂CH₃]; 1,54 [2H, CH₃-CH₂-CH₂CH-OH]; 1,71 [2H, CH₃-CH₂-CH₂CH-OH]; 2,50 [2H,CH₂-C=O]; 3,90 [1H, CH₃(CH₂)₂-CH-OH]; 4,15 [2H, O-CH₂- CH₃]. CG (tr): 16,2 e 16,6.

4-cloro-3-hidroxibutanoato de metila (5a).³⁰ Líquido oleoso incolor. IV (KBr, cm^-1): 3415 (C-OH), 1732 (C=O). RMN¹H (500 MHz) CDCl₃/TMS (δppm): 2,63 [2H, CH₂-C=O]; 3,59 [2H, Cl-CH₂-CH-OH]; 3,71 [3H, O-CH₃]; 4,25 [1H, Cl-CH₂-CH-OH]. CG (tr): 10,7 e 10,9; 9,7 ^a.

4,4,4-tricloro-3-hidroxibutanoato de etila (6a).³⁰ Líquido oleoso amarelado. IV (KBr, cm^-1): 3430 (C-OH), 1731 (C=O). RMN¹H (500 MHz) CDCl₃/TMS (δppm): 2,63 [2H, CH₂-C=O]; 3,59 [2H, Cl-CH₂-CH-OH]; 3,71 [3H, O-CH₃]; 4,25 [1H, Cl-CH₂-CH-OH]. CG (tr): 16,3 e 16,4; 10,9 ^a.

4,4,4-trifluoro-3-hidroxibutanoato de etila (7a).³⁰ Líquido oleoso amarelado. IV (KBr, cm^-1): 3430 (C-OH), 1725 (C=O). RMN¹H (500 MHz) CDCl₃/TMS (δppm): 1,30[3H, O-CH₂-CH₃]; 2,70 [2H, CF₃-CHOH-CH₂-C=O]; 3,77 [2H, O-CH₂-CH₃]; 4,22 [1H, CF₃-CH-OH]. CG (tr): 2,1 e 2,2; 1,8 ^a.

3-(4-clorofenil)-3-hidroxipropanoato de metila (8a).³⁰ Sólido branco. IV (KBr, cm^-1): 3450 (C-OH), 1732 (C=O). RMN¹H (500 MHz) CDCl₃/TMS (δppm): 2,71 [2H, CH₂-C=O]; 3,73 [3H, O-CH₃]; 5,11 [1H, CH-OH]; 7,33 [4H, pCl-C₆H₄-CH-OH]. CG (tr): 23,5 e 23,7; 4,3 ^a.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Foi realizada a redução de oito β-cetoésteres (1-8) pelo procedimento reacional clássico (método A), utilizando metanol como meio reacional, e por metodologia que utilizou glicerol como meio reacional (método B).

No procedimento reacional clássico a redução dos oito β-cetoésteres foi conduzida em temperatura de 0 ºC e agitação magnética constante, visando conseguir a redução seletiva da carbonila cetônica.^12-14 Entretanto, com a metodologia que utilizou glicerol como meio reacional foi possível conseguir a redução seletiva da carbonila cetônica dos β-cetoésteres sem a necessidade de processar as reações em temperatura reduzida.²² Desse modo, esta metodologia também cumpre com outro quesito da Química Verde, que é a realização de reações em temperatura ambiente.^15,18-20

A eficácia das reações realizadas foi observada pela caracterização estrutural dos produtos b-hidroxiésteres obtidos (1a - 8a). Na espectroscopia de infravermelho (IV) foram visualizados sinais, bem definidos, relativos ao grupamento hidroxila (γ 3390 - 3455 cm^-1) e à carbonila do grupo éster (γ 1645 - 1735 cm^-1), além de ausência de sinais relativos à carbonila cetônica. Deslocamento químico na região entre 3,90 - 5,11 ppm foram relacionados ao hidrogênio metínico [CH(OH)] e auxiliaram a caracterização desses compostos (1a-8a) por RMN¹H. Nos cromatogramas obtidos em cromatografia gasosa (CG) foram visualizados picos referentes às misturas racêmicas.

Foram observados nos cromatogramas dos produtos resultantes da redução por metodologia convencional (Método A) picos atribuídos a subprodutos, além daqueles relativos à mistura racêmica, nas reações com os seguintes b-cetoésteres: 3-oxopentanoato de metila (3), 3-oxohexanoato de etila (4), 4-cloro-3-oxobutanoato de metila (5), 4,4,4-tricloro-3-oxobutanoato de etila (6) e 4,4,4-trifluoro-3-oxobutanoato de etila (7). Esses subprodutos não tiveram a estrutura molecular elucidada devido à pequena quantidade obtida. Poder-se-ia supor que possam ser produtos de redução de uma carbonila e uma carboxila, uma vez que em metanol a seletividade do reagente NaBH₄ é dependente do tempo de reação e do controle de baixa temperatura.^13,14 Por outro lado, no caso de 4, 6 e 7, estes também poderiam ser produtos de reações de transesterificação do grupamento éster etílico com metanol, apesar dessa hipótese ser minimizada pelas condições reacionais utilizadas, sem catalisador ou aquecimento.³¹

A metodologia que utilizou o glicerol (método B) apresentou maior eficiência em comparação à metodologia convencional (método A). Os cromatogramas dos produtos resultantes da redução pelo método B não mostraram a presença de subprodutos, e a obtenção de sete dentre os oito b-hidroxiésteres estudados foi conseguida com maior rendimento químico (Tabela 1). O composto b-hidroxiéster (1a) além de ser obtido com maior rendimento químico também necessitou de menor tempo reacional (Tabela 1). Assim, o método B atende a outros dois princípios da Química Verde,^18-20 além dos inicialmente previstos relacionados à substituição do metanol (síntese e solvente mais seguros e uso de matéria prima renovável), que são a realização das reações em temperatura ambiente e com menor geração de resíduos, pela ausência de subprodutos e aumento de rendimentos químicos.

CONCLUSÕES

A comunidade científica tem procurado introduzir novas metodologias na síntese de compostos orgânicos com objetivo de atender aos requisitos da Química Verde. Nessa mesma sintonia, mostramos neste trabalho o uso de glicerol como Solvente Verde na obtenção de oito compostos β-hidroxiésteres racêmicos (1a-8a), utilizados como precursores sintéticos de vários compostos orgânicos.

A utilização de glicerol como meio reacional na reação de redução seletiva de compostos β-cetoésteres aos álcoois correspondentes mostrou ser uma alternativa não apenas viável, mas também mais eficiente e ecologicamente preferível, além de ser mais uma forma de utilização deste subproduto da produção de biodiesel.

MATERIAL SUPLEMENTAR

Comparação dos cromatogramas de CG referentes à redução dos β-cetoésteres (3-7) por metodologia convencional (metanol) e por metodologia em glicerol estão disponíveis em http://quimicanova.sbq.org.br, na forma de arquivo PDF, com acesso livre.

AGRADECIMENTOS

A PROPPi-UFF, pela concessão de bolsa à I. R. L. Barreto (PIBInova-AGIR) e auxílio a pesquisa (FOPESQ), e a CAPES/REUNI pela bolsa concedida à S. S. S. Oliveira.

Recebido em 26/06/2013; aceito em 19/11/2013; publicado na web em 03/02/2014

Material Suplementar

O material suplementar está disponivél em pdf: [Material Suplementar]

• 1. Peçanha, E. P.; Barreiro, E. J.; Fraga, C. A. M.; Quim. Nova 1997,20,435.
• 2. Silva, F. C.; Tese de doutorado, Universidade Federal Fluminense, Brasil, 2007.
• 3. Melo, J. O. F.; Donnici, C. L.; Augusti, R.; Ferreira, V. F.; Souza, M. C. B. V; Ferreira, M. L. G.; Cunha, A. C.; Quim. Nova 2006,29,569.
• 4. Antunes, O. A. C.; Quim. Nova 2005,28,S64.
• 5. Ye, H.; Yu, C.; Zhong, W.; Synthesis 2012,44,51.
• 6. Alves, P. B.; Victor, M. M.; Quim. Nova 2010,33,2274.
• 7. Ribeiro, J. B.; Ramos, A. S.; Fiaux, S. B.; Leite, S. G. F; Cruz, R. A.; Ramos, M. C. K. V.; Aquino Neto, F. R.; Antunes, O. A. C.; Tetrahedron: Asymmetry 2009,20,2263.
• 8. Ramos, A. S.; Tese de doutorado, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasil, 2009.
• 9. Nakamura, K.; Fujii, M.; Ida, Y.; Tetrahedron: Asymmetry 2001,12,3147.
• 10. Dahl, A. C.; Madsen, J. O.; Tetrahedron: Asymmetry 1998,9,4395.
• 11. Omori, A. T.; Portas, V. B.; Oliveira, C. S.; Quim. Nova 2012,35,435.
• 12. Charruthers, W.; Some Modern Methods of Organic Synthesis, 3^th ed., Cambridge University Press: New York, 1986.
• 13. Kim, J.; de Castro, K. A.; Lim, M.; Rhee, H.; Tetrahedron 2010,66,3995.
• 14. Dede, R.; Michaelis, L.; Fuentes, D.; Yawer, M. A.; Hussain, I.; Fischer, C.; Langer, P.; Tetrahedron 2007,63,12547.
• 15. Gu, Y.; Jérôme, F.; Green Chem. 2010,12,1127.
• 16. Ganesan, S. S.; Rajendran, N.; Sundarakumar, S. I.; Ganesan, A.; Pemiah, B.; Synthesis 2013,45,1564.
• 17. Mota, C. J. A.; Da Silva, C. X. A.; Gonçalves, V. L. C.; Quim. Nova 2009,32,639.
• 18. CGEE-Centro de Gestão e Estudos Estratégicos - Quimica verde no Brasil: 2010-2030. Ed. rev. e atual. 2010,438.
• 19. Deligeorgiev T.; Gadjev N.; Vasilev A.; Kaloyanova S.; Vaquero J. J.; Alvarez-Builla J.; Mini-Rev. Org. Chem. 2010,7,44.
• 20. Clark, J. H.; Luque, R.; Matharu, A. S.; Chemical and Biomolecular Engineering 2012,3,183.
• 21. Da Silva, E.; Dayoub, W.; Duguet, N.; Métay, E.; Popowycz F.; Lemaire, M.; C. R. Chimie 2013,16,343.
• 22. Wolfson, A.; Dlugy, C.; Organic Communications 2009,2,34.
• 23. Rodrigues, J. A. R.; Quim. Nova 2011,34,1242.
• 24. Wolfson, A.; Snezhko, A.; Meyouhas, T.; Tavor, D.; Green Chem. Lett. Rev 2012,5,7.
• 25. Beatriz, A.; Araújo, Y. J. K.; Lima, D. P.; Quim. Nova 2011,34,306.
• 26. Díaz-Álvarez, A. E.; Cadierno, V.; Appl. Sci. 2013,3,55.
• 27. Safaei, H. R.; Shekouhy, M.; Shafiee, V.; Davoodi, M.; J. Mol. Liq. 2013,180,139.
• 28. Bachhav, H. M.; Bhagat, S. B.; Telvekar, V. N.; Tetrahedron Lett. 2011,52,5697.
• 29. Taygerly, J. P.; Miller, L. M.; Yee, A.; Peterson, E. A.; Green Chem. 2012,14,3020.
• ³⁰
  CAS number registry: 5405-41-4 (1a), CAS 54074-85-0 (2a), CAS 56009-31-5 (3a), CAS 2305-25-1 (4a), CAS 10488-68-3 (5a), CAS 19486-93-2 (6a), CAS 372-30-5 (7a), CAS 193465-78-0 (8a)
• 31. Otera, J.; Chem. Rev. 1993,93,1449.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  05 Maio 2014
• Data do Fascículo
  Jun 2014

Histórico

• Recebido
  26 Jun 2013
• Aceito
  19 Nov 2013