Transformações Mecanoquímicas de Furanos: metodologias sustentáveis para a síntese de compostos de elevado valor acrescentado a partir de biomassa

Abstract

A indústria química tem um papel fundamental na vida humana. Desde o desenvolvimento de fármacos à preservação de alimentos, é evidente que esta ciência foi e é indispensável à melhoria da qualidade de vida de toda a população humana. Apenas nos anos setenta se começou a questionar o impacto que a produção, utilização e eliminação imprudente de produtos químicos poderia ter no meio ambiente e na saúde humana. As primeiras iniciativas ambientalistas pretendiam reduzir este impacto focando-se particularmente na remediação de problemas encontrados no final do processo químico (eliminação de resíduos, etc.), já a Química Verde, desde a sua definição por Paul Anastas e John Warner, propõem a reconsideração do processo químico no seu todo, com vista a minimizar/eliminar a utilização e produção de matérias-primas, produtos secundários e solventes tóxicos. Enquanto geração que presencia em primeira mão uma emergência climática, é crucial procurar implementar os princípios da QV na investigação química. Particularmente na área da Química Orgânica é necessário repensar as sínteses químicas de modo a minimizar o seu impacto ecológico. Técnicas como a mecanoquímica, i.e., ativação de reações químicas por ação mecânica, têm sido empregues, não só por permitir a não utilização de solventes como pelo aumento dos rendimentos e diminuição dos tempos de reação.Este trabalho centrou-se no estudo das reações hetero-Diels-Alder de nitroso-alquenos (heterodienos) com o furano e os seus derivados (dienófilos), por ação mecânica utilizando o moinho de bolas. Estes dienófilos foram escolhidos pela sua química diversa que permite que seja convertido numa gama variada de compostos de diversas classes com distintos grupos funcionais e por serem facilmente obtidos da biomassa. Os nitroso-alquenos são preparados in situ a partir da desidro-halogenação de oximas na presença de Na2CO3. Esta reatividade, um método inovador para a transformação dos furanos, foi estudada na mecanoquímica pela primeira vez. No Capítulo 2 descrevem-se os estudos realizados no âmbito da síntese de furo-oxazinas, via reação hetero-Diles-Alder, e a reatividade destes compostos na presença de DBU. Inicialmente, foram sintetizados os precursores: as α-bromo-oximas e os dienófilos. A reação da oxima de 2-bromo-1-(4-nitrofenil)etan-1-ona com o 2,5-dimetilfurano foi escolhida como reação modelo e parâmetros como o tempo, equivalentes de Na2CO3 e massa de oxima foram otimizados. A partir de 100 mg de oxima, 1 equivalente de Na2CO3 e 2 equivalentes de 2,5-dimetilfurano, foi possível obter a furo-oxazina correspondente em apenas 30 minutos, sem isolamento/purificação posterior e com rendimento de 97%. Ainda neste capítulo apresentam-se os resultados obtidos na extensão da reação otimizada a três outros nitroso-alquenos e a mais quatro dienófilos. Em todos os casos, a mecanoquímica é sinónimo de uma diminuição acentuada dos tempos de reação e um aumento geral dos rendimentos quando comparada com as reações realizadas em solução. Tudo isto traduz-se num aumento da sustentabilidade das reações. A reatividade de duas furo-oxazinas foi também explorada, obtendo-se a 6H-oxazina e a 2-acetilpiridina seletivamente, em apenas 30 minutos após tratamento com DBU. Foram ainda realizadas algumas tentativas de síntese destes dois últimos compostos partindo diretamente do nitroso-alqueno e do dienófilo, numa reação one-pot, no entanto em nenhum dos ensaios foi obtido o produto desejado.Por último, foi avaliada e quantificada a sustentabilidade da reação modelo e da mesma reação realizada em solução, e foram comparados os resultados. Para esta análise foram utilizadas quatro métricas da Química Verde: a Economia Atómica, o Fator-E, o EcoScale e a Estrela Verde. A Economia Atómica por apenas considerar a equação estequiométrica da reação foi idêntica para ambos os métodos. As restantes métricas evidenciaram claramente a aproximação das reações mecanoquímicas aos princípios da Química Verde.

The chemical industry plays a fundamental role in human life. From the development of pharmaceuticals to food preservation, it is evident that this science has been and continues to be indispensable for improving the quality of life of the entire human population. Only in the seventies did we begin to question the impact that the production, use, and careless disposal of chemicals could have on the environment and human health. The early environmental initiatives aimed to reduce this impact by focusing particularly on remediating problems found at the end of the chemical process (waste disposal, etc.), while Green Chemistry, since its definition by Paul Anastas and John Warner, proposes a reconsideration of the entire chemical process, with the aim of minimizing/eliminating the use and production of raw materials, by-products, and toxic solvents. As a generation witnessing a climate emergency firsthand, it is crucial to seek the implementation of the principles of Green Chemistry in chemical research. Particularly in the field of Organic Chemistry, it is necessary to rethink chemical syntheses to minimize their ecological impact. Techniques such as mechanochemistry, i.e., the activation of chemical reactions by mechanical action, have been employed, not due to the absence of solvents but also due to increased yields and reduced reaction times. The present work focuses on the study of hetero-Diels-Alder reactions of nitroso-alkenes (hetero-dienes) with furan and its derivatives (dienophiles) by mechanical action using a ball mill. These dienophiles were chosen for their diverse chemistry, which allows them to be converted into a wide range of compounds from various classes with different functional groups and because they are easily obtained from biomass. The nitroso-alkenes are prepared in situ from the dehydrohalogenation of oximes in the presence of Na2CO3. This reactivity, an innovative method for the transformation of furans, was studied in mechanochemistry for the first time.In Chapter 2, the studies conducted in the synthesis of furo-oxazines through the hetero-Diels-Alder reaction are described, as well as the reactivity of these compounds in the presence of DBU. Initially, the precursors were synthesized: α-bromo-oximes and dienophiles. The reaction of 2-bromo-1-(4-nitrophenyl)ethan-1-one oxime with 2,5-dimethylfuran was chosen as the model reaction, and parameters such as time, Na2CO3 equivalents, and oxime mass were optimized. Using 100 mg of oxime, 1 equivalent of Na2CO3, and 2 equivalents of 2,5-dimethylfuran, it was possible to obtain the corresponding furo-oxazine in just 30 minutes, without subsequent isolation/purification and with a yield of 97%. In this chapter, the results obtained in the extension of the optimized reaction to three other nitroso-alkenes and four more dienophiles are also presented. In all cases, mechanochemistry led to a significant reduction in reaction times and a general increase in yields compared to reactions carried out in solution. All of this translates to increased reaction sustainability. The reactivity of two furo-oxazines was also explored, obtaining 6H-oxazine and 2-acetylpyridine selectively, within just 30 minutes after treatment with DBU. Some attempts were made to synthesize these last two compounds directly from nitroso-alkene and dienophile in a one-pot reaction; however, the desired product was not obtained in any of the trials.Lastly, the sustainability of the model reaction was evaluated and quantified, and the results were compared to the same reaction carried out in solution. Four Green Chemistry metrics were used for this analysis: Atom Economy, E Factor, EcoScale, and Green Star. The Atom Economy, as it only considers the stoichiometric equation of the reaction, was identical for both methods. The other metrics clearly demonstrated the alignment of mechanochemical reactions with the principles of Green Chemistry.