Conociendo mejor a los catalizadores de paladio

Un equipo de químicos de la industria y el mundo académico ha dado un paso atrás del ajetreo y bullicio habitual de la síntesis de nuevas moléculas, para investigar qué les ocurre a los catalizadores de paladio habituales durante la catálisis. El pensamiento tradicional ha sido que una sal precursora de Pd(II) se reduce a una especie catalíticamente activa de Pd(0) cuando se introduce un ligando. Sin embargo, los químicos nunca han tenido toda la información sobre este mecanismo de reducción, y algunos científicos se han dado cuenta de que, bajo ciertas condiciones, una especie de Pd(I) puede verse involucrada en la formación del catalizador activo Pd(0).

Los investigadores liderados por Franziska Schoenebeck, profesora de química en la universidad RWTH de Aachen, y Thomas J. Colacot, director global de I+D de la firma experta en catálisis Johnson Matthey, han llevado a cabo un estudio sistemático, tanto experimental como computacional, para entender mejor cómo funciona realmente este proceso. Durante su realización, descubrieron que comenzar con un precatalizador dímero puente de Pd(I) proporciona velocidades de reacción más rápidas y mejores rendimientos que comenzar con una sal Pd(II) para generar catalizador Pd(0), como se hace de manera común en aminaciones Buchwald-Hartwig, acoplamientos cruzados Suzuki-Miyaura, y otras reacciones catalizadas por paladio. Colacot presentó estos nuevos hallazgos el domingo durante un simposio de la División de Química Orgánica en la reunión nacional de ACS en San Francisco. 

Aunque otros investigadores han estudiado anteriormente la adición de ligandos de fosfina a una sal de bromuro de Pd(II) y determinaron cómo se forma un dímero Pd(I) unido con un puente de bromuro, faltaba una explicación completa de todos los participantes moleculares, dijo Colacot. Schoenebeck, Colacot y sus compañeros determinaron cómo la relación de precursor de bromuro Pd(II) al ligando de fosfina, así como el orden en el que el ligando y otros reactivos son añadidos, dicta si el precatalizador Pd(I) se forma antes que el catalizador Pd(0) o no. En el proceso, los investigadores encontraron una especie clave intermedia que había permanecido oculta, y que era visible solamente cuando las reacciones tenían lugar en una escala de gramos. Esta nueva especie, un dímero Pd(II)Br3, resulta ser el eje vertebrador en la formación del precatalizador Pd(I).

En última instancia, los investigadores descubrieron que comenzar con el precatalizador Pd(I) preformado proporciona mejores resultados que comenzar con la sal de bromuro Pd(II) y añadiendo el ligando de fosfina (J. Am. Chem. Soc. 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b01110). “Esto implica que se re requiere de una precisión absoluta en el proceso de catálisis para conseguir resultados óptimos,” dijo Colacot.

Los nuevos resultados  “son muy sorprendentes para mí, especialmente dado que nuestros esfuerzos en el estudio de un complejo de Pd(I) mostraron que se trataba de catalizadores muy pobres,” dijo el profesor de química de la universidad de Stanford Barry M. Trost. “Este artículo demuestra que las asombrosas sutilezas de las estructuras exactas de la catálisis activa puede abrir nuevas ventanas en los procesos de catálisis por paladio.”

Los nuevos hallazgos ya tienen a Bruce H. Lipshutz de la universidad de California, Santa Barbara, y su grupo pensando sobre nuevas formas de mejorar su química de reacción catalizada por paladio. El simposio donde Colacot hizo su presentación fue en honor de Lipshutz como receptor del Premio Herbert C. Brown de 2017 a la Investigación Creativa en Métodos Sintéticos.

El informe de Schoenebeck y Colacot “es de obligada lectura,” dijo Lipshutz. “Es un excelente ejemplo de colaboración entre grupos académicos e industriales que crea un tremendo valor para la comunidad de catálisis.”

Colacot dijo que el precatalizador de Pd(I) está disponible comercialmente y se vende en cantidades de kilogramos. Además, el grupo de Schoenebeck está probando otros precatalizadores de Pd(I) basados en la nueva información y estarán pronto disponibles.

Traducción al español producida por Adrián Muñoz Mateo de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.