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Glicerol como solvente verde em eficiente obtenção de beta-hidroxiésteres

Glycerol as green solvent for efficient obtention of beta -hydroxyesters

Resumo

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.

β-ketoesters; β-hydroxyesters; glycerol


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 OliveiraI; Sorele Batista FiauxI; Igor Ramon Lomba BarretoI; Estela Maris Freitas MuriI; Maria da Conceição Klaus V. RamosII; Francisco Radler de Aquino NetoII; Luiza Rosária Sousa DiasI,* * e-mail: ldias@vm.uff.br

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, Tinj = 250 ºC, Tdet = 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, tCH4 = 51 cm/s, taxa de divisão de fluxo 1:20, fluxo coluna 1,35 mL/min., Tinj = 250 ºC, Tdet = 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, tCH4 = 61,7 cm/s, taxa de divisão de fluxo 1:20, fluxo coluna 2,39 mL/min, Tinj = 250 ºC, Tdet = 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), tCH4 = 51,1 cm/s, taxa de divisão de fluxo 1:100, fluxo coluna 2,57 mL/min., Tinj = 250 ºC, Tdet = 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), tCH4 = 50,5 cm/s, fluxo coluna 2,58 mL/min., split 1:20; Tinj = 250 ºC, Tdet = 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), tCH4 = 50,1 cm/s, taxa de divisão de fluxo 1:100, fluxo coluna 1,06 mL/min., Tinj = 250 ºC, Tdet = 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]

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    e-mail:
  • Datas de Publicação

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

    Histórico

    • Recebido
      26 Jun 2013
    • Aceito
      19 Nov 2013
    Sociedade Brasileira de Química Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), CP6154, 13083-0970 - Campinas - SP - Brazil
    E-mail: quimicanova@sbq.org.br