Estudio de la deshidrogenación de alcoholes catalizada por sulfuro de molibdeno para la síntesis de benzimidazoles

Abstract

[ES] El desarrollo de nuevas metodologías sintéticas que permitan la preparación de compuestos de elevado valor añadido en la industria de un modo mucho más sostenible desde el punto de vista ambiental, con control de la reactividad, y que logren complejidad molecular con altos niveles de eficiencia, es de vital importancia en la química sintética moderna. Este trabajo de final de máster se centra en el diseño de nuevas metodologías catalíticas para la obtención de benzimidazoles funcionalizados, que son compuestos heterocíclicos ampliamente utilizados en la industria farmacéutica, así como en otros campos de interés científico, entre los que se incluyen su uso como ligandos orgánicos para formar complejos de coordinación, en la preparación de colorantes, y en el diseño de materiales funcionales. Más concretamente, en este trabajo se ha investigado la preparación de benzimidazoles por reacción de nitroanilinas o dinitroarenos con alcoholes mediante rutas sintéticas que involucran procesos de hidrogenación, deshidrogenación y reacciones de autotransferencia de hidrógeno. La clave del éxito para el desarrollo de estas metodologías sintéticas reside en la utilización de un catalizador de sulfuro de molibdeno preparado a partir de unidades clúster moleculares que poseen actividad intrínseca. En una primera aproximación, se ha demostrado que en presencia del catalizador de sulfuro de molibdeno y mediante la utilización de un exceso adecuado del alcohol es posible llevar a cabo la síntesis de benzimidazoles en ausencia de hidrógeno molecular, el cual es generado in-situ por deshidrogenación del alcohol (a aldehído) y consumido en el paso de reducción del (di)nitroareno, siguiendo así un mecanismo de autotransferencia de hidrógeno catalizado por el catalizador de sulfuro de molibdeno. Por otro lado, con el fin de aumentar la eficiencia atómica del proceso catalítico, también se ha investigado la posibilidad de llevar a cabo esta reacción bajo condiciones hidrogenantes (es decir, en presencia de hidrógeno), y se ha demostrado que, a pesar de que la reacción de deshidrogenación del alcohol se encuentra desfavorecida bajo estas condiciones, el catalizador de sulfuro de molibdeno es capaz de catalizar esta reacción de forma eficiente dando lugar a la formación de los compuestos benzimidazoles deseados en rendimientos elevados. Esta metodología sintética se ha aplicado en la preparación de una amplia variedad de benzimidazoles, y se ha demostrado que el catalizador de sulfuro de molibdeno puede ser reutilizado de manera sucesiva.

[EN] The development of new synthetic methodologies that allow for preparing high value compounds in industry through more sustainable protocols, with a controlled reactivity while achieving molecular complexity with high efficiency levels, is of vital importance in modern synthetic chemistry. This master's final project focuses on the design of new catalytic methodologies for obtaining functionalized benzimidazoles, which are heterocyclic compounds widely used in the pharmaceutical industry, as well as in other fields of scientific interest, including their use as organic ligands to form coordination complexes, in the preparation of dyes, and in the design of functional materials. More specifically, in this work the preparation of benzimidazoles by reaction of nitroanilines or dinitroarenes with alcohols through synthetic routes that involve hydrogenation, dehydrogenation and hydrogen auto-transfer reactions has been investigated. The key to success for the development of these synthetic methodologies lies in the use of a molybdenum sulfide catalyst prepared from molecular cluster units that possess intrinsic activity. In a first approximation, it has been demonstrated that in the presence of the molybdenum sulfide catalyst and by using a suitable excess of alcohol it is possible to carry out the synthesis of benzimidazoles in the absence of molecular hydrogen. In this process, hydrogen is in-situ generated by the dehydrogenation of the alcohol (to aldehyde) and consumed for reduction of the (di)nitroarene, thus following a hydrogen auto-transfer mechanism catalysed by the molybdenum sulfide catalyst. On the other hand, in order to increase the atom-efficiency of the catalytic process, the title reaction has been investigated under hydrogenative conditions (i.e. in the presence of hydrogen). Interestingly, although the alcohol dehydrogenation could be inhibited under these hydrogenative conditions, the molybdenum sulfide catalyst is able to efficiently catalyse this reaction affording the desired benzimidazole compounds in high yields. This synthetic methodology has been applied in the preparation of a wide variety of benzimidazoles, and it has been shown that the molybdenum sulfide catalyst can be successfully reused.