BRPI0905520B1 - Processo de síntese de aldeídos derivados de monoterpenos paramentênicos através da reação de hidroformilação, produto e uso - Google Patents

Abstract

PROCESSO DE SÍNTESE DE ALDEÍDOS DERIVADOS DE MONOTERPENOS PARA- MENTÊNICOS ATRAVES DA REAÇÃO DE HIDROFORMILAÇÃO, PRODUTO E USO. A presente invenção propõe um método de síntese de aldeidos derivados de monoterpenos para- mentênicos, u-terpineno, terpinoleno, -terpineno, através da reação de hidroformilação, na presença de precursores catalíticos de ródio e do ligante volumoso tris-(o-tercbutilfenil)fosfito, P (θ-oA tABuPh)~ 3~ em solventes aromáticos. O processo ora proposto permitiu excelentes rendimentos para os aldeidos derivados desses monoterpenos para-mentênicos. Obteve-se a conversão completa do 244>-terpineno em produtos hidroformilados, altas taxas de conversão e de seletividade para a hidroformilação do terpinoleno e -terpineno e a síntese de um ingrediente inédito de fragrância obtido pela hidroformilação da dupla ligação de maior impedimento estérico do -terpineno. Todos esses aldeidos apresentam agradáveis propriedades organolépticas e são substâncias de grande interesse para a indústria da química fina.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção propõe um novo processo de síntese de aldeídos derivados de monoterpenos para-mentênicos, a-terpineno, terpinoleno e y-terpineno, através da reação de hidroformilação, assim como a utilização dessas substâncias como componentes de fragrâncias. O aldeído derivado do y-terpineno é um componente inédito de fragrância e, as demais substâncias obtidas, já se encontram descritas na literatura.

O processo ora proposto é realizado mediante a hidroformilação dos monoterpenos para-mentênicos, olefinas estericamente impedidas, na presença de precursores catalíticos de ródio e do ligante volumoso tris-(o- tercbutilfenil)fosfito, P(O-o-lBuPh)3, em solventes aromáticos. O aspecto inovador desse processo consiste na síntese em alto rendimento dos aldeídos derivados dos monoterpenos para-mentênicos, a-terpineno, terpinoleno e y- terpineno. Além disso, o aldeído obtido pela hidroformilação da dupla ligação de maior impedimento estérico do y-terpineno é um ingrediente inédito de fragrância. Todas essas substâncias apresentam agradáveis aromas com notas amadeiradas e podem ser incorporadas em composições de fragrâncias e perfumes sintéticos.

ESTADO DA TÉCNICA

O sucesso da hidroformilação desses monoterpenos para-mentênicos pode ser atribuído às propriedades especiais do ligante P(O-o-‘BuPh)3. Esse ligante é menos básico e apresenta um grande ângulo de cone de 175°, o que desfavorece a coordenação de um segundo ligante ao centro metálico. Consequentemente, a desativação do catalisador é inibida, diferentemente do que acontece quando são utilizados catalisadores de complexos de ródio modificados com ligantes menos volumosos (menores ângulos de cone) e mais básicos, por exemplo, a trifenilfosfina - PPhs.

A obtenção de derivados funcionalizados a partir de monoterpenos de origem natural é de grande relevância, com aplicabilidade em cosméticos, fármacos, perfumes, fungicidas, como aromatizantes e flavorizantes, não limitantes, em química fina. Portanto, busca-se desenvolver novas tecnologias para a valorização das matérias-primas de origem natural, empregando processos mais competitivos que os atualmente utilizados e/ou propondo novas rotas de síntese de produtos com propriedades organolépticas interessantes. Essas olefinas de origem natural são bastante abundantes em países tropicais, como o Brasil, e são substratos de baixo custo, renováveis em curto período de tempo, o que os qualifica como matéria-prima atraente tanto do ponto de vista econômico quanto do ambiental.

Em uma busca realizada nos bancos de patentes, em relação às aplicações dos monoterpenos para-mentênicos e seus derivados, foram encontradas algumas patentes, que são mencionadas a seguir: a) Uso de nitrilas para-mentênicas em perfumes ou como ingrediente aromático de desodorantes, xampus, detergentes, cosméticos, loções corporais, dentre outros. Essas nitrilas baseiam-se no esqueleto carbônico 1-metil-4-isopropilciclohexano e podem ser preparadas pela síntese- oxo (Menthene Nitriles and Use as Perfume Chemicals, US 4336204, 1982). b) Fragrância aplicada na composição de produtos desodorizantes usados para o controle do mau cheiro em cozinhas, contendo pelo menos um dos quatro componentes seguintes: decil aldeído ou decana, alil amil glicolato, c/s-3-hexenil acetato, óxido rosa, terpinoleno, 2,4-dimetil-3- ciclohexeno-1-carbaldeído (Fragrance Compositions that Reduce or Eliminate Malodor, Related Methods and Related Cleaning Compositions, US 0183653, 2006). c) Produção de fragrâncias utilizadas em cosméticos à base de compostos terpenóides (terpenos e seus derivados oxigenados) e sais de ácido malônico. As substâncias terpenóides são responsáveis por 90% em peso da referida fragrância (Terpenoid Fragrance Components Stabilized with Malonic Acid, US 0202689, 2004). d) Composição de desinfetante para inibição do crescimento de microorganismos, tendo como ingredientes ativos em sua formulação um sal de haleto de cetil piridínio e compostos terpênicos (monocíclicos, bicíclicos e acíclicos), bem como seus derivados oxigenados (aldeídos, álcoois, cetonas, e outros). Essa composição desinfetante pode ser utilizada na formulação de solução anti-séptica, loção, spray, pomada, e outras formas de medicamentos e desinfetantes (Disinfecting Compositions, US 3595975, 1971). e) Método de produção de fungicidas baseados em compostos di- 1-para-mentênicos, metabissulfitos, propionatos e sorbatos (Fungicides, US 5057326, 1991). f) Mistura de solventes contendo monoterpenos (componente minoritário) e diterpenos (componente majoritário), que exibe propriedades de solventes similares às dos monoterpenos; entretanto, a mistura proposta é menos inflamável (Terpenes-Based Solvents, US 5847247, 1998). g) Fragrância composta por uma mistura de monoterpenos, que apresenta atividade repelente efetiva contra insetos, mais especificamente, baratas (Insect Repellents, US 0213822, 2004). h) Preparação de um agente anti-inflamatório ou anti-irritante composto por 0,01-1% de y-terpineno e fração de oc-terpineno, usado no tratamento de distúrbios inflamatórios na composição de xampus, sabonetes líquidos, cremes, e outros (Topical Antinflammatory Preparations of y- Terpinene, US 0148907, 2006).

Ainda, no estado da técnica, são encontrados alguns processos para a transformação dos monoterpenos para-mentênicos em seus respectivos aldeídos e métodos de hidroformilação de olefinas similares àquelas presentes no processo ora proposto, relatados a seguir: i) Síntese da mistura contendo dois aldeídos derivados do a- terpineno, através da reação desse substrato e do gás de síntese (CO e H2), na presença de complexos de ródio modificados com fosfinas terciárias, usados como catalisadores, temperatura entre 70 e 160°C e pressão entre 100 a 400 bar. A mistura aldeídica pode ser utilizada diretamente na composição de perfumes (Mixture of Aldehydes Resulting from Hydroformylation of α- Terpinene, US 4283561, 1981). j) Processo de preparação de aldeídos derivados de compostos monoterpênicos, monocíclicos ou bicíclicos, com pelo menos uma dupla ligação, tais como limoneno, canfeno, β-pineno, α-terpineno, e outros, através da reação de hidroformilação, na presença de catalisadores de complexos de ródio e fosfinas terciárias, temperatura entre 70 e 160°C e pressão entre 100 a 400 bar. A mistura pode ser utilizada como fragrância (Production of Aldehydes, US 4334100, 1982). k) Método de produção do aldeído derivado do terpinoleno na presença de complexos de ródio modificados por ligantes organofosforados, gás de síntese (CO e H2), solvente orgânico, temperatura entre 100 a 180°C e pressão entre 15 a 35 MPa. Essa mesma patente descreve um segundo método de síntese do aldeído derivado do terpinoleno, mas empregando como substrato de partida o limoneno. Nesse segundo método, a hidroformilação é realizada na temperatura entre 80 a 140°C, pressão entre 1 a 4 MPa, na presença de um sistema heterogêneo, usando uma solução aquosa com complexos de metais de transição do grupo VIII e ligantes fosforados, seguido pela separação da fase orgânica. O aldeído produzido pode ser utilizado como fragrância e em perfumes (Production of Terpinolene Aldehyde for Use in Perfumes and Flavours Involves Reacting Terpinolene with Synthesis Gas at Elevated Temperature and Pressure in Presence of a Rhodium- Organophosphorus Complex, PL 150119, 1990). l) Processo de preparação de aldeídos derivados de olefinas com 2 a 20 átomos de carbono (tais como, buteno, diciclopentadieno, limoneno, terpineno, ácido oléico, dentre outros) com gás de síntese (CO e H2), em sistema bifásico, com temperatura entre 20 e 160°C e pressão entre 0,1 e 10 MPa. A fase aquosa contém catalisadores de complexos de ródio modificados com fosfinas carboxiladas ou sulfonadas. O ultrasom é usado para a separação das fases (Process for the Production of Aldehydes, US 4616096, 1986). m) Síntese de aldeídos com alto rendimento a partir de olefinas internas, na presença de gás de síntese (CO e H2), catalisadores de ródio modificados por tricicloalquil fosfinas, ligantes altamente impedidos estericamente, sob condições brandas de reação (Rhodium Catalized Hydroformylation of Internal Olefins, US 4625068, 1986). n) Método de preparação de aldeídos não lineares derivados de olefinas internas, em condições usuais de hidroformilação, utilizando catalisadores de complexos de ródio modificados com ligantes fosfitos monocíclicos (Hydroformylation Process, US 4482749, 1984).

No estado da arte são encontrados alguns métodos para a transformação de monoterpenos para-mentênicos em produtos de interesse da química fina e outros terpenos com estruturas semelhantes àquelas do processo ora proposto, citados a seguir. Entretanto, a maioria desses trabalhos não descreve a síntese dos aldeídos desejados com alto rendimento, não sendo, portanto, comparáveis com o método descrito na invenção ora proposta. a) Hidroformilação do a-terpineno, sob condições brandas de reação, na presença de grande excesso de PPh3 e complexos de ródio, com alta seletividade combinada para os dois aldeídos principais e estagnação da reação em 80% de conversão. Foi observada uma baixa reatividade do terpinoleno e y-terpineno, em condições usuais de hidroformilação, utilizando catalisadores de complexos de ródio modificados com PPh3, (Barros, H.V.J.; da Silva, J.G.; Guimarães, C.C.; dos Santos, E.N.; Gusevskaya, E.V.; Organometallics, 2008, 27, 4523-4531). b) Obtenção do aldeído derivado do terpinoleno, com baixo rendimento, na presença de complexos de ródio modificados com PPh3, gás de síntese (CO e H2) na proporção equimolar, e benzeno como solvente (Chaichat, J.C.; Garry, R.Ph.; Lecomte, E.; Michet, A.; Flavour and Fragrance Journal, 1991, 6, 179-182). c) Hidroformilação de olefinas estericamente impedidas, tais como 2-careno, 3-careno e a-pineno, com boa quimio e regiosseletividade para o aldeído principal, sob condições relativamente brandas de reação, usando como catalisador complexos de ródio modificados com o ligante volumoso P(O- o-l-BuPh)3 (da Silva, J.G.; Barros, H.V.J.; Balanta, A.; Bolanos, A.; Novoa, M.L.; Reyes, M.; Contreras, R.; Bayón, J.C.; Gusevskaya, E.V.; dos Santos, E.N.; Applied Catalysis A: General, 2007, 326, 219-226). d) Hidroformilação de olefinas pouco reativas em condições brandas de reação e na presença de catalisadores de ródio modificados com os fosfitos volumosos fr/s-(o-tercbutilfenil)fosfito e fr/s-(hexafluorisopropil)fosfito (Van Leeuwen, P.W.N.M.; Roobeek, C.F.; Journal of Organometallics Chemistry, 1983, 258, 343-350).

PROBLEMAS DO ESTADO DA TÉCNICA

Ressalta-se que, em ambos os estados da técnica e da arte, não existem descrições sobre a obtenção dos aldeídos derivados dos monoterpenos para-mentênicos catalisada por complexos de ródio modificados por ligantes fosfitos. Também não há descrição da síntese do aldeído derivado da funcionalização da dupla ligação estericamente mais impedida do y- terpineno (Estrutura 9 da Figura 4), obtido pelo método ora proposto. O ligante PPh3 é mais comumente empregado como ligante modificador de catalisadores de ródio, em reações de hidroformilação, por ser mais barato. Entretanto, apenas o a-terpineno, um monoterpeno com duplas ligações endocíclicas conjugadas, foi efetivamente hidroformilado pelo sistema catalítico Rh/PPh3, em condições brandas de reação, mas sem atingir uma conversão completa da reação. Já o terpinoleno e o y-terpineno, monoterpenos que apresentam uma dupla ligação endocíclica, apresentaram baixa reatividade na presença dos catalisadores de ródio modificados com PPh3 e nas mesmas condições reacionais.

VANTAGENS DA TECNOLOGIA

Assim, os aspectos inovadores da presente invenção são: (i) processo de obtenção de ingredientes de fragrâncias derivados dos monoterpenos para-mentênicos, mais especificamente, a-terpineno, terpinoleno e y-terpineno, catalisado por complexos de ródio modificados pelo ligante volumoso, R(O-o-‘BuPh)3; (ii) síntese de um componente de fragrância inédito, aldeído de maior impedimento estérico derivado do y-terpineno (Estrutura 9 da Figura 4); (iii) utilização da catálise organometálica. Portanto, a síntese não envolve o emprego de reagentes em elevadas quantidades em relação ao substrato e não implica em custos elevados; (iv) alta seletividade e alto rendimento do método; (v) vantagem, em relação ao uso do ligante PPh3, em condições brandas, em que se obtém um melhor rendimento e seletividade dos produtos desejados em um menor intervalo de tempo de reação; (vi) matéria-prima de origem natural abundante, renovável e de baixo custo.

LISTA DAS FIGURAS

A Figura 1 mostra as estruturas dos monoterpenos para-mentênicos: a- terpineno (1), terpinoleno (2) e y-terpineno (3).

A Figura 2 mostra as transformações do a-terpineno (1) na reação de hidroformilação.

A Figura 3 mostra as transformações do terpinoleno (2) na reação de hidroformilação.

A Figura 4 mostra as transformações do y-terpineno (3) na reação de hidroformilação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

O elevado valor agregado dos derivados funcionalizados dos monoterpenos mostra o importante papel dos mesmos no setor da química fina. Alguns desses compostos não existem em quantidades significativas na natureza, sendo, assim, necessária a sua preparação por processos industriais. Dessa maneira, avanços nesse setor são de grande relevância prática.

A invenção ora descrita propõe um novo processo de síntese de aldeídos derivados dos monoterpenos para-mentênicos, a-terpineno, terpinoleno e y-terpineno, e um ingrediente inédito de fragrância derivado do y- terpineno (Estrutura 9 da Figura 4). As demais substâncias obtidas já se encontram descritas na literatura. Os aromas agradáveis desses ingredientes os tornam potencialmente importantes para serem aplicados nas indústrias de fragrâncias, de perfumes e de cosméticos.

Dessa forma, foi desenvolvido um eficiente processo de síntese de aldeídos derivados dos monoterpenos para-mentênicos, a-terpineno, terpinoleno e y-terpineno, e um novo ingrediente de fragrância derivado do y- terpineno (Estrutura 9 da Figura 4). Assim, os aldeídos derivados de monoterpenos para-mentênicos foram obtidos através da reação de hidroformilação, na presença de catalisadores de complexos de ródio modificados com o ligante volumoso, tris- (o-tercbutilfenil)fosfito, P(O-o-tBuPh)3, solvente orgânico e condições brandas de reação, com altos rendimentos.

O processo ora proposto pode ser melhor compreendido com os exemplos a seguir, não limitantes:

Exemplo 1

Em uma autoclave de aço inoxidável de 100 ml_, com amostrador para acompanhamento periódico da reação e agitação magnética constante, sob atmosfera inerte de argônio ou nitrogênio, foi preparada uma solução contendo tolueno (15,0 ml_), a-terpineno (3,0 mmol), [Rh(COD)(OAc)]2 (7,5 x 10'6 a 3,0 x 10’6 mol), P(O-o-lBuPh)3 (7,5 x 10'5 a 1,8 x 10’4 mol), com pressão total de 80 atm (CO/H2=1/1; 1/2; 1/3; 3/1; 2/1; 3/2 ou 2/3) e a 80°C. Após o término da reação, a autoclave foi resfriada à temperatura ambiente e, posteriormente, despressurizada lentamente em capela com exaustor, para a retirada do CO/H2. A conversão do a-terpineno foi de 96%, em 7 horas de reação, com seletividade combinada de 89% para os dois aldeídos formados (Estruturas 4 e 5 da Figura 2).

Exemplo 2

Em uma autoclave de aço inoxidável de 100 ml_, com amostrador para acompanhamento periódico da reação e agitação magnética constante, sob atmosfera inerte de argônio ou nitrogênio, foi preparada uma solução contendo tolueno (15,0 mL), terpinoleno (3,0 mmol), [Rh(COD)(OMe)]2 (7,5 x 10’6a 3,0 x 10’6 mol), P(O-o-lBuPh)3 (7,5 x 10'5 a 1,8 x 10’4 mol), com pressão total de 60 atm (CO/H2=1/1; 1/2; 1/3; 3/1; 2/1; 3/2 ou 2/3) e a 80°C. Após o término da reação, a autoclave foi resfriada à temperatura ambiente e, posteriormente, despressurizada lentamente em capela com exaustor, para a retirada do CO/H2. A conversão do terpinoleno foi de 95% em 18 horas de reação, com seletividade combinada de 90% para os produtos principais. O aldeído formado pela hidroformilação direta da dupla ligação do terpinoleno corresponde a 56% do balanço de massa e carga (Estrutura 6 da Figura 3). Os outros aldeídos formados são derivados da isomerização do terpinoleno em limoneno, a-terpineno e y-terpineno, respectivamente (Estruturas 7a, 7b, 4 e 8 da Figura 3).

Exemplo 3

Em uma autoclave de aço inoxidável de 100 ml_, com amostrador para acompanhamento periódico da reação e agitação magnética constante, sob atmosfera inerte de argônio ou nitrogênio, foi preparada uma solução contendo tolueno (15,0 ml_), y-terpineno (3,0 mmol), [Rh(COD)(OMe)]2 (7,5 x 10'6a 3,0 x 10‘6mol), P(O-o-‘BuPh)3 (7,5 x 10'5 a 1,8 x 10’4mol), com pressão total de 80 atm (CO/H2=1/1; 1/2; 1/3; 3/1; 2/1; 3/2 ou 2/3) a 80°C. Após o término da reação, a autoclave foi resfriada à temperatura ambiente e, posteriormente, despressurizada lentamente em capela, com exaustor, para a retirada do CO/H2. A conversão do y-terpineno foi de 93% em 32 horas de reação, com seletividade combinada de 76% para os produtos principais, sendo dois deles os aldeídos formados pela hidroformilação direta da dupla ligação de maior e menor impedimento estérico do y-terpineno e o outro aldeído derivado da isomerização do y-terpineno em a-terpineno (Estruturas 8, 9 e 4 da Figura 4, respectivamente). O aldeído formado pela hidroformilação da dupla ligação, estericamente mais impedida, do y-terpineno é um produto inédito de fragrância (Estrutura 9 da Figura 4). Os dados de CG-EM deste aldeído são: 6-isopropil-3-metilciclohex-3-eno-1-carbaldeído (óleo amarelo): EM (m/z/rel.int.): 166/8 (M+); 137/34 (M+ -CHO); 135/53; 107/71; 105/24; 95/48; 93/100; 91/45; 81/55; 79/27; 77/30; 67/37; 55/19.

Até o presente momento, os resultados obtidos através do método de síntese ora proposto são os melhores da hidroformilação dos monoterpenos para-mentênicos, a-terpineno, terpinoleno e y-terpineno. É a primeira vez que se obtém a conversão completa do a-terpineno em seus produtos 5 hidroformilados, uma alta taxa de conversão e seletividade dos produtos desejados do terpinoleno e y-terpineno e a síntese do novo componente de fragrância derivado da hidroformilação direta da dupla ligação estericamente mais impedida do y-terpineno (Estrutura 9 da Figura 4). Todos esses aldeídos obtidos pelo processo de produção, ora descrito, apresentam aromas 10 agradáveis e são substâncias de grande interesse da indústria da química fina.

Claims (7)

1. Processo de síntese de aldeídos derivados de monoterpenos através da reação de hidroformilação caracterizado pela hidroformilação dos monoterpenos para-mentênicos, a-terpineno, terpinoleno e y-terpineno, na presença de catalisadores de complexos de ródio [Rh(COD)(OMe)]2 ou [Rh(COD)(OAc)]2 modificados com o ligante volumoso tris-(o-tercbutilfenil)fosfito, P(O-o-tBuPh)3, solvente orgânico e condições brandas de reação, com a razão [substrato]/[Rh] entre 200 e 500, pressão total entre 40 e 100 atm, razão molar CO/H2= 1/1; 1/2; 1/3; 3/1; 2/1; 3/2 ou 2/3 e temperatura entre 60 e 100°C.

2. Processo de síntese de aldeídos derivados de monoterpenos através da reação de hidroformilação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela concentração dos monoterpenos para-mentênicos estar entre 0,1 e 0,5 mol/L.

3. Processo de síntese de aldeídos derivados de monoterpenos através da reação de hidroformilação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela utilização do ligante volumoso tris-(o-tercbutilfenil)fosfito, P(O-o-tBuPh)3, compreender a razão [fosfito]/[Rh] entre 10 e 60.

4. Processo de síntese de aldeídos derivados de monoterpenos através da reação de hidroformilação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela utilização de solventes aromáticos, selecionados do grupo compreendendo tolueno, benzeno.

5. Aldeído derivado de hidroformilação de monoterpeno para-mentênico obtido conforme processo definido na reivindicação 1, caracterizado por apresentar a seguinte fórmula estrutural:

6. Uso dos aldeídos derivados de hidroformilação de monoterpenos para-mentênicos, obtidos conforme processo definido na reivindicação 1, caracterizado por ser em formulações de fragrâncias, perfumes sintéticos, cosméticos, produtos de higiene pessoal, desodorizador de ar.

7. Uso, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por ser como flavorizante e aromatizante de alimentos.