La reacción de Koch es una reacción orgánica para la síntesis de ácidos carboxílicos terciarios a partir de alcoholes o alquenos . La reacción es un fuertemente ácido - catalizada de carbonilación usando monóxido de carbono , y típicamente se produce a altas presiones que van desde 50 a 5.000 k Pa , a menudo requieren temperaturas de varios cientos de grados más alta que la temperatura ambiente. Generalmente, la reacción se lleva a cabo con ácidos minerales fuertes como ácido sulfúrico , HF o BF 3 . [1]Las operaciones a gran escala para la industria química fina producen casi 150.000 toneladas de ácidos de Koch y sus derivados anualmente [2], pero también generan una gran cantidad de desechos, lo que motiva los intentos continuos de utilizar metales, ácidos sólidos y otros catalizadores novedosos para permitir el uso de condiciones de reacción más suaves. El ácido fórmico , que se descompone fácilmente en monóxido de carbono en presencia de ácidos o calor relativamente bajo, se usa a menudo en lugar del monóxido de carbono directamente; este procedimiento se desarrolló poco después de la reacción de Koch y se conoce más comúnmente como la reacción de Koch-Haaf . Esta variación permite reacciones a una temperatura y presión ambiente casi estándar . Algunos ácidos de Koch comúnmente producidos industrialmente incluyen ácido piválico , ácido 2,2-dimetilbutírico y ácido 2,2-dimetilpentanoico.
Mecanismo
Cuando se utilizan catalizadores ácidos estándar como el ácido sulfúrico o una mezcla de BF 3 y HF , el mecanismo [3] comienza por la protonación del alqueno , seguido del ataque del monóxido de carbono del carbocatión resultante . El siguiente catión acilio se hidroliza luego al ácido carboxílico terciario . Si el sustrato es un alcohol, se protona y posteriormente se elimina , generando un carbocatión que se convierte en un catión acilio por el monóxido de carbono y luego se hidroliza . La formación de carbocatión terciario se favorece típicamente termodinámicamente cuando se consideran cambios de hidruro o alquilo en el carbocatión.
Uso y variaciones del catalizador
La aplicación industrial a gran escala de la reacción de Koch utilizando ácidos minerales fuertes se complica por la corrosión del equipo , los procedimientos de separación de productos y la dificultad para gestionar grandes cantidades de ácido residual . Se han investigado varias resinas ácidas [4] [5] y líquidos iónicos ácidos [6] para descubrir si los ácidos de Koch pueden sintetizarse en entornos más suaves. Aunque el uso de líquidos iónicos ácidos para la reacción de Koch requiere temperaturas y presiones relativamente altas (8 MPa y 430 K en un estudio de 2006 [6] ), las soluciones iónicas ácidas en sí pueden reutilizarse con solo una disminución muy leve en el rendimiento, y el Las reacciones se pueden llevar a cabo de forma bifásica para asegurar una fácil separación de los productos. También se ha investigado un gran número de cationes de carbonilo de catalizadores de metales de transición para su uso en reacciones similares a Koch: catalizadores de cationes de carbonilo de Cu (I), [7] Au (I) [8] y Pd (I) [9] disueltos en sulfúrico El ácido puede permitir que la reacción progrese a temperatura ambiente y presión atmosférica. El uso de un catalizador de tetracarbonilo de níquel con CO y agua como nucleófilo se conoce como carbonilación de Reppe , y existen muchas variaciones en este tipo de carbonilación mediada por metales que se usa en la industria, particularmente las que usan Monsanto y los procesos Cativa , que convierten el metanol a ácido acético usando catalizadores ácidos y monóxido de carbono en presencia de catalizadores metálicos .
Reacciones secundarias
Las reacciones de Koch pueden involucrar una gran cantidad de productos secundarios, aunque generalmente son posibles altos rendimientos (Koch y Haaf informaron rendimientos de más del 80% para varios alcoholes en su artículo de 1958). Se observan reordenamientos de carbocation , eterización (en caso de que se use un alcohol como sustrato, en lugar de un alqueno) y, ocasionalmente, los ácidos carboxílicos C N + 1 del sustrato debido a la fragmentación y dimerización de los iones de carbenio derivados del monóxido de carbono, especialmente desde cada paso de la reacción es reversible. [10] También se sabe que los ácidos alquilsulfúricos son posibles productos secundarios, pero generalmente se eliminan por el exceso de ácido sulfúrico utilizado.
Aplicaciones
Las reacciones de tipo Koch-Haaf ven un uso extensivo en el diseño racional de fármacos [11] [12] como una forma conveniente de generar ácidos carboxílicos terciarios cruciales. Empresas como Shell y ExxonMobil producen ácido piválico a partir de isobuteno utilizando la reacción de Koch, [2] así como varios otros ácidos carboxílicos ramificados. Sin embargo, las reacciones de Koch-Haaf también se utilizan para el interrogatorio de varios otros temas. Dado que los reactivos se encuentran en diferentes fases, la reacción de Koch se ha utilizado para estudiar la cinética de reacción de los sistemas gas-líquido-líquido [13] , así como para cuestionar el uso de resinas ácidas sólidas y líquidos iónicos ácidos para reducir los desechos de subproductos peligrosos .
Referencias
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