La reazione di Kolbe-Schmitt, detta anche reazione di Kolbe, fu sviluppata nel 1860 dal chimico tedesco Adolph Wilhelm Hermann Kolbe e nel 1885 il chimico tedesco Rudolf Schmitt ne migliorò la resa. La reazione di Kolbe-Schmidt prevede la preparazione dell’acido orto – o para -idrossibenzoico a partire da biossido di carbonio e fenolato di sodio o potassio ed è utile nella preparazione di acidi aromatici.
Si è trovato che il fenolato di sodio contribuisce sempre alla formazione dell’acido orto -idrossibenzoico, mentre il fenolato di potassio spesso dà luogo alla produzione di acido para-idrossibenzoico. La reazione di Kolbe-Schmitt è una reazione di carbossilazione che avviene in una soluzione alcalina alla pressione di 100 atm e alla temperatura di 125 °C. Le drastiche condizioni di reazione sono dovute alla elevata stabilità termodinamica del biossido di carbonio.
La reazione di Kolbe-Schmitt costituisce la strategia sintetica più importante per l’ottenimento su scala industriale dell’acido salicilico e dei suoi derivati utilizzati nella sintesi di coloranti, insetticidi e prodotti farmaceutici e, in particolare, l’aspirina costituita da acido acetilsalicilico. Tra gli utilizzi della reazione di Kolbe-Schmitt vi è la sintesi, oltre all’acido salicilico, anche dell’acido 2,6-diidrossibenzoico noto come acido γ-resorcilico e dell’acido p-amminosalicilico usati come intermedi per medicinali, erbicidi e prodotti chimici industriali
Meccanismo della reazione di Kolbe-Schmitt
Nel primo stadio della reazione il fenolo o un suo derivato, a causa dell’ambiente basico, viene deprotonato con formazione dello ione fenossido che è stabilizzato da strutture di risonanza in cui la carica negativa oltre che sull’ossigeno è delocalizzata nell’anello benzenico in posizione orto e para.
formazione del fenossido
Lo ione fenossido è più reattivo del fenolo nei confronti della reazione di sostituzione elettrofila aromatica e dà luogo, nel secondo stadio della reazione, a una addizione nucleofila con l’anidride carbonica, che è un elettrofilo debole. L’aumento della densità elettronica sul carbonio 2 e sul carbonio 4 nello ione fenossido consente a entrambi gli atomi di carbonio di agire come nucleofili e attaccare l’atomo di carbonio dell’anidride carbonica.
meccanismo
L‘attacco che può avvenire sia dalla posizione orto che para, il che spiega la formazione di due possibili prodotti, porta alla formazione di un intermedio in cui è presente uno ione carbossilato in posizione orto o para.
L’aggiunta di acido solforico porta alla protonazione sia del fenossido che dell’anione carbossilato con formazione dell’acido 2-idrossibenzoico noto come acido salicilico e dell’acido 4-idrossibenzoico che fanno parte degli acidi idrossibenzoici (HBA) detti anche acidi fenolici. Se la temperatura supera i 140° C il prodotto principale è l’acido 4-idrossibenzoico
Reazione di Kolbe-Schmitt enzimatica
Le reazioni catalizzate da parte degli enzimi sono diventate significative per l’ottenimento di composti a valore aggiunto poiché consentono la produzione selettiva dei composti desiderati grazie ad attività enzimatiche specifiche della reazione e del substrato.
La reazione di Kolbe-Schmitt genera sottoprodotti che devono essere successivamente separati e richiede elevate pressione e temperatura e pertanto la ricerca si è indirizzata alla carbossilazione selettiva ed ecologica dei composti fenolici potrebbe essere possibile in condizioni ambientali favorevoli catalizzata da enzimi.
reazione enzimatica
In particolare, le decarbossilasi presenti nei microrganismi catalizzano la reazione inversa, la carbossilazione regio-specifica, senza coenzimi o ATP, e possono essere utilizzate nella carbossilazione diretta di composti specifici in soluzioni contenenti carbonato acido di potassio KHCO3 o carbonato acido di sodio NaHCO3. La salicilato decarbossilasi è una delle principali decarbossilasi reversibili, che catalizza la sintesi dell’acido salicilico a partire dal fenolo, mediante la reazione di Kolbe-Schmitt per via enzimatica.
Le decarbossilasi degli acidi carbossilici aromatici vengono utilizzate per catalizzare la decarbossilazione degli acidi carbossilici e la carbossilazione reversibile degli aromatici in fase acquosa a pressione atmosferica, evitando le severe condizioni di reazione della sintesi tradizionale. Tuttavia, la resa della reazione, anche in condizioni ottimali, è inferiore al 50% a causa dell’equilibrio termodinamico della reazione.
Tuttavia l’utilizzo di sali di ammonio quaternari nel sistema di reazione che agiscono da agenti precipitanti con formazione di sali di ammonio quaternario dei prodotti dell’acido carbossilico costituisce la forza trainante per lo spostamento dell’equilibrio della reazione, con conseguente elevata resa di carbossilazione che può arrivare fino al 97%.