Geração de carbenos n-heterocíclicos (nhcs) em soluções aquosas com micelas constituídas por surfactantes zwiteriônicos que contêm anel imidazólio

Abstract

Carbenos N-heterocíclicos (NHCs) mostraram-se importantes nucleófilos estáveis em síntese orgânicas, sendo amplamente aplicado no campo dos organometálicos. No entanto, estudos relacionados a geração de NHCs livres (sem metais) com propriedades surfactantes, bem como a sua aplicação como organocatalisadores, são bastantes escassos. Nesta tese investigou-se a formação de NHCs em micelas do tipo ImS3-n (n = 10, 12, 14, 16) em meio aquoso. Esses são surfactantes zwitteriônicos que contêm na porção hidrofóbica uma cadeia alquílica linear e na porção hidrofílica um grupo sulfonato, aniônico, e um grupo imidazólio, capaz de formar NHCs transientes. Os experimentos foram conduzidos pela avaliação da cinética de incorporação de deutério (D) no carbono C(2) do núcleo imidazólio dos referidos surfactantes por meio do desaparecimento do sinal C(2)?H na região de 8,75 - 9,10 ppm em D2O via RMN de 1H. Essa reação ocorre por meio da desprotonação do C(2)?H, com formação do respectivo NHC que é então rapidamente protonado pelo D2O. A velocidade de incorporação é dependente do tipo de ânion do sal de sódio (NaX) presente no meio: X = Cl-, Br-, NO3-, BF4-, SCN- e ClO4-. Para o ImS3-12 na presença do ânion Cl-, o coeficiente de incorporação é cerca de 12 e 14 vezes maior do que aqueles observados na presença de ClO4- e SCN-, respectivamente. Já para o análogo não surfactante ImS3-1, nenhum efeito salino foi observado. Esses resultados podem ser compreendidos por meio do fenômeno da pequena atração de íons hidróxido à superfície micelar (efeito que comparativamente acelera a formação de NHC) e a ligação preferencial de íons grandes, como ClO4- e SCN-, na superfície micelar, reduzindo a concentração da base específica responsável pela desprotonação do C(2)?H. O fenômeno da incorporação de D no carbono C(2) também foi avaliado em condições acima e abaixo da CMC para o surfactante ImS3-10, sendo constatado que acima da CMC a incorporação é acelerada. Ainda, foi observado a influência do número de carbonos da cadeia alquílica dos surfactantes da série ImS3-n e os resultados foram comparados ao análogo ImS3-1. Constatou-se que quanto maior número carbono da cadeia alquílica maior é a influência no deslocamento químico de RMN de 1H no próton C(2)?H. De maneira importante, constatou-se que na forma micelizada, os núcleos imidazólicos são cerca de 1 a 2 unidades de pKa menores (pKa 21,3 ? 21,9) do que o esperado. Esses NHCs, apesar de exibirem tempos de vida muito curtos, atuam como organocatalisadores na reação de oxidação seletiva do 4-nitrobenzaldeído (4NB) a ácido 4-nitrocarboxílico (4NBAc). Já na ausência de micelas de ImS3-n ou na presença de outros surfactantes (CTAB, SDS e SB3-12) ocorre apenas a reação de Cannizzaro. Assim, pela primeira vez demonstrou-se que os efeitos micelares levam a formação mais rápida de NHCs reativos, abrindo a possibilidade para diversos outros trabalhos envolvendo catálise por esse tipo de molécula.

Abstract: N-heterocyclic carbenes (NHCs) have proven to be important stable nucleophiles in organic synthesis, being widely applied in organometallics. However, studies related to the generation of free NHCs (without metals) with surfactant properties, as well as their application as organocatalysts, are quite scarce. In this work, the formation of NHCs in ImS3-n (n = 10, 12, 14, 16) micelles in aqueous medium was investigated. These are zwitterionic surfactants that contain a linear alkyl chain in the hydrophobic portion and a sulfonate group, anionic, and an imidazolium group hydrophilic portion, capable of forming transient NHCs. The experiments were conducted by evaluating the kinetics of deuterium (D) incorporation at the C(2) carbon of the imidazolium core of the surfactants through the disappearance of the C(2)?H signal in the 8.75 - 9.10 ppm region in D2O via 1H NMR. This reaction occurs through the deprotonation of C(2)?H, with the formation of the respective NHC, which is then rapidly protonated by D2O. The incorporation rate depends on the type of sodium salt anion (NaX) present in the medium: X = Cl-, Br-, NO3-, BF4-, SCN-, and ClO4-. For ImS3-12 in the presence of the Cl- anion, the incorporation coefficient is about 12 to 14 times greater than that observed in the presence of ClO4- and SCN-, respectively. No saline effect was observed for the non-surfactant analog ImS3-1. These results can be understood through the phenomenon of weak hydroxide attraction to the micellar surface (which comparatively accelerates NHC formation) and the preferential binding of large ions, such as ClO4- and SCN-, to the micellar surface, reducing the concentration of the specific base responsible for the deprotonation of C(2)?H. The phenomenon of D incorporation at the C(2) carbon was also evaluated under conditions above and below the CMC for the ImS3-10 surfactant, and it was found that above the CMC, incorporation is accelerated. Furthermore, the influence of the number of carbon atoms in the alkyl chain of the ImS3-n surfactant series was observed, and the results were compared to the ImS3-1 analog. It was found that the greater the number of carbon atoms in the alkyl chain, the greater the influence of the anion on the chemical shift of 1H NMR in the C(2)?H proton. Importantly, it was found that in the micellar form, the imidazolium cores are approximately 1 to 2 pKa units more acidic (pKa 21.3 - 21.9) than expected. These NHCs, despite exhibiting very short lifetimes, act as organocatalysts in the selective oxidation reaction of 4-nitrobenzaldehyde (4NB) to 4-nitrocarboxylic acid (4NBAc). However, In the absence of ImS3-n micelles or in the presence of other surfactants (CTAB, SDS, and SB3-12), only the Cannizzaro reaction occurs. Thus, for the first time, it was demonstrated that micellar effects lead to the faster formation of reactive NHCs, opening possibilities for various other studies involving catalysis by this type of molecule.