Screening of modular and readily available ligand libraries for c-x (x=h, c, n and o) bond forming reactions. The use of dft studies for catalysts optimization
- Autores: Jèssica Margalef Pallaès
- Directores de la Tesis: Montserrat Diéguez Fernández (dir. tes.), Oscar Pàmies (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eric Manoury (presid.), Xavier Verdaguer i Espaulella (secret.), Xavier Ribas Salamaña (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Química por la Universidad Rovira i Virgili
- Calificación: Sobresaliente Cum Laude
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
- Resumen
La necessitat de desenvolupar processos per a l’obtenció de compostos enantiomèricament purs, ha conduït a un important desenvolupament de la catàlisi asimètrica, sobretot utilitzant compostos organometàl•lics quirals. La modificació de les propietats dels lligands quirals és l’estratègia més utilitzada en l’optimització dels catalitzadors per tal d’aconseguir altes selectivitats i activitats per cada reacció en particular. Altres requisits perquè un lligand sigui d’interès industrial és que sigui fàcil de sintetitzar a partir de productes de partida fàcilment accessibles i que a més a més sigui estable i fàcil de manipular.En aquest context, aquesta tesis és centra en la síntesis de vàries famílies de lligands quirals que compleixin els requisits esmentats i en la seva aplicació a diferents reaccions asimètriques d’alt interès industrial: hidrogenació d’olefines funcionalitzades i no funcionalitzades cataitzada per Rh i Ir, reducció de cetones mitjançant transferència d’hidrogen catalitzada per Rh i Ru, reaccions de substitució alílica catalitzada per Pd i addició d'organoaluminats a aldehids catalitzada per Ni. En concret s’han sintetitzat diferents famílies fosfit/fosfinit-tioèter/selenoéter, fosfit-piridina, fosfit-triazol i lligands hidroxiamida i tioamida. A més a més s’han realitzat en alguns casos estudis DFT per tal de facilitar el procés d’optimització del lligand. Després de la introducció (capítol 1) i els objectius (capítol 2), al capítol 3 es presenten sis apartats on es discuteix la síntesi de vàries llibreries de lligands quirals i l’aplicació en reaccions d’hidrogenació d’olefines. La primera part inclou el treball titulat Rh-Catalyzed asymmetric hydrogenation of functionalized olefins using phosphite-thioether/selenoether ligands, on es descriu la síntesis i l’aplicació de lligands fosfit-tioèter/selenoèter, derivats de L-àcid tartàric o del D-manitol, en la reacció d’hidrogenació asimètrica, catalitzada per Rh, de diverses olefines funcionalitzades. L’alta modularitat d’aquests lligands ha permès obtenir altes enantioselectivitats, com per exemple en la hidrogenació d’enamides (enantioselectivitats de fins al 98%).
En la segona part es descriu el treball titulat Ir-Catalyzed asymmetric hydrogenation of olefins using phosphite-thioether/selenoether ligands. Aquest treball consisteix en la aplicació dels lligands fosfit-tioéter/selenoéter descrits a l’apartat anterior, en la reacció d’hidrogenació cataliitzada per Ir. Gràcies a l’alta modularitat d’aquesta família de lligands s’han pogut identificar sistemes catalítics capaços d’hidrogenar una gran varietat d’olefines tant mínimament funcionalitzades com funcionalitzades en bones activitats i enantioselectivitiats (fins a un excés enantiomèric del 99%).
La tercera part composta per l’article A theoretically-guided optimization of a new family of modular P,S-ligands for iridium-catalyzed hydrogenation of minimally functionalized olefins, descriu l’obtenció i l’ús dels compostos tioèter-fosfit i tioèter-fosfinit com a lligands en la hidrogenació asimètrica d’olefines no funcionalitzades catalitzada per iridi. A més a més s’ha realitzat un estudi DFT del estats de transició donats en aquesta reacció catalítica, per tal d’agilitzar el procés d’optimització de l’esquelet del lligand. Així doncs, s’han pogut obtenir excel•lents enantioselectivitats en la reducció d’una gran varietat d’olefines d’alt interès sintètic (excessos enantiomèrics fins a 99%). Finalment també s’han realitzat les reaccions en carbonat de polipropilè, el qual ha permès la recuperació del catalitzador.
La quarta part inclou el treball titulat Screening of an indene-based phosphite/phosphinite-thioether ligands in the asymmetric Ir-hydrogenation of minimally functionalized olefins. Els lligands presentats en aquesta secció han estat sintetitzats en només tres passos a partir de productes químics de fàcil disponibilitat. Es presenten també els resultats preliminars obtinguts de la seva aplicació a la hidrogenació catalitzada per Ir de tres tipus de substrats model.
La cinquena part inclou l’article titulat The application of pyranoside phosphite-pyridine ligands to enantioselective Ir-catalyzed hydrogenations of highly unfunctionalized olefins. En aquest article es discuteix la síntesis d’una família de lligands derivada de sucres i la seva aplicació en la hidrogenació de diferents substrats, en la qual es van obtenir excessos enantiomèrics de fins al 90%.
En la sisena part es discuteix el treball The development of readily accessible phoshite-triazole ligands and their application in the Ir-catalyzed hydrogenation of minimally functionalized olefins. En aquest treball es presenta la síntesis d’una nova familia de lligands fosfit-triazol, la qual s’ha dut a terme en pocs passos que comporten el fàcil aïllament del producte. S’ha fet una primera avaluació d’aquests lligands en la hidrogenació catalitzada per Ir de tres substrats model.
En el capítol 4 es presenta un sol treball titulat Highly versatile Ru- and Rh-catalysts for the asymmetric transfer hydrogenation of ketones. Application to tandem reactions. En aquest capítol es detalla la síntesis de dues famílies altament modulars de lligands hidroxiamida i tioamida derivats de D-manosa i aminoàcids. Aquests lligands han estat evaluats en la transferència d’hidrogen a cetones catalitzada per Ru i Rh. S’han pogut identificar dos sistemes catalítics capaços de reduir cetones d’una gran diversitat en excel•lents excessos enantiomèrics (95 - >99%). A més a més aquests catalitzadors privilegiats s’han utilitzat en reaccions tàndem que han permès l’obtenció estereoselectiva d’alcohols quirals a partir d’altres productes de partida d’alta disponibilitat (per exemple alcohols vinílics).
En el capítol 5 es presenten 5 apartats on s’apliquen vàries famílies de lligands P-S i P-N, la majoria d’elles sintetitzades al capítol 3, en reaccions de substitució al•lílica catalitzada per Pd. En el primer apartat s’inlou el treball titulat Asymmetric Pd-catalyzed allylic substitution reactions using phosphite-thioether/selenoether ligands, on s’ha aplicat la família dels lligands fosfit-tioèter/selenoèter en reaccions de substitució al•lílica catalitzades per Pd. Seleccionant els paràmetres estructurals adequats, s’han pogut identificar lligands capaços de proveir altes enantioselectivitats en l’alquilació de substrats amb diferents requeriments estèrics utilitzant una gran varietat de nucleòfils de C, N i O.
En el segon apartat es presenta l’extensió d’una família de lligands P-S derivats de carbohidrats, la qual va ser desenvolupada al nostre grup a l’any 2014 i va donar grans resultats en la reacció de substitució al•lílica. Així doncs s’ha ampliat aquest treball incloent-hi exemples de substitucions amb més substrats i nucleòfils de diferent natura, obtenint excessos enantiomèrics molt elevats (>99%). A més a més s’han realitzat estudis DFT i s’han sintetitzat i caracteritzat els intermedis al•lílics de Pd per tal d’entendre millor l’origen de l’enantioselectivitat d’aquests lligands privilegiats.
En el tercer apartat anomenat Asymmetric Pd-catalyzed allylic substitution reactions using indene-based phosphite/phosphinite-thioether ligands, s’han aplicat la família de lligands P-S derivats de l’indè a la susbtitució al•lílica de diferents substrats utilitzant varis nucleòfils (C, N i O). A més a més s’ha demostrat el valor sintètic d’aquest procés catalítics transformant seqüencialment els productes obtinguts en carbocicles biològicament actius. Una altre punt a destacar és que s’han pogut realitzar les reaccions catalítiques en un medi més benigne pel medi ambient (utilitzant carbonat de polipropilè) mantenint les altes enantioselectivitats.
En el quart apartat es presenta el treball titulat Application of pyranoside phosphite-pyridine ligands to enantioselective Pd-catalyzed allylic substitutions, en el qual es presenta l’aplicació de la lligandoteca de fosfits-piridina en l’alquilació al•lílica de diferents tipus de substrats. És interessant destacar que s’ha obtingut fins a un excés enantiomèric del 94% en la desasimetrització d’un meso-compost, mitjançant una substitució al•lílica intramolecular.
En el cinquè i últim apartat d’aquest capítol es presenta el treball tituat Screening a new readily available phosphite-triazole ligand library in asymmetric Pd-catalyzed allylic alkylation reactions. En aquest treball es mostren els resultats preliminars de l’aplicació dels lligands fosfit-triazola en l’alquilació al•lílica de tres substrats model amb diferents requeriments estèrics. Els excessos enantiomèrics obtinguts han estat de fins a un 91%.
Finalment, al capítol 6 es presenta un sol apartat titulat The first application of phosphite-thioether ligand family in the asymmetric Ni-catalyzed 1,2-addition of trialkylaluminum to aldehydes. En aquest treball es detallen els resultats preliminars de l’aplicació dels lligands fòsfit-tioèter basats en L-tartrat i D-manitol en l’adició de reactius alquilalumini a aldehids catalitzada per Ni. S’ha demostrat per primer cop que els lligands P-S poden induir enantioselectivitat en aquesta reacció, ja que s’ha obtingut un excés enantiomèric de fins al 82%.
