Estudio de sistemas catalíticos basados en cobre para reacciones de transferencia de grupos carbeno y de adición radicalaria

• Autores: Ana Pereira Pérez
• Directores de la Tesis: Tomás Rodríguez Belderraín (dir. tes.), Pedro José Pérez Romero (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2015
• Idioma: español
• Número de páginas: 289
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel González Díaz (presid.), Elena Fernández Gutiérrez (secret.), Martin Albrecht (voc.)
• Materias:
  • Química
    • Química inorgánica
    • Química orgánica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
• Resumen
  • español

    En esta Memoria se describe la actividad catalítica de complejos de cobre (I) y (II) en reacciones de transferencia de grupos carbeno y de adición radicalaria. Esta Tesis Doctoral se divide en tres Capítulos. El primero de ellos está dedicado a la detección de intermedios metalocarbénicos en reacciones de transferencia de carbenos, procedentes de diazocompuestos, usando el complejo TpNlsCu(THF) como precursor catalítico. Además, se ha realizado un estudio cinético mediante la medición de la evolución de N2 en la reacción de transferencia de carbeno al enlace O-H del agua. El segundo Capítulo se centra en el estudio de las reacciones de epoxidación de aldehidos y cetonas vía iluro de azufre usando complejos del tipo TpxCuL como catalizadores. La existencia de un sulfuro como co-catalizador genera un iluro de azufre a partir de un diazocompuesto. El tercer y último Capítulo consta de dos partes: i) estudio de la capacidad catalítica de diferentes complejos de Cu(l) con ligandos tripodales de tipo carbeno N-heterocíclicos en reacciones ATRA; ii) síntesis de estructuras de tipo 2-azabiciclo[3.3.1]nonanos empleando tricloroacetamidas como material de partida mediante reacciones ATRC, catalizadas por complejos de cobre de tipo TpxCuL. Para el desarrollo de este segundo apartado se ha contado con la colaboración del grupo del Prof. Bonjoch de la Universidad de Barcelona, proporcionando los materiales de partida. Capítulo I. Detección de Especies Metalo car bénicas en Reacciones de Funcionalización de Enlaces X II con Complejos TpxCuL como Catalizadores. Durante las últimas dos décadas, nuestro grupo de investigación ha estudiado la actividad catalítica de los complejos de cobre (I) con ligandos hidrotrispirazolilborato, TpxCuL, en reacciones de transferencia de carbeno, procedentes de diazocompuestos, tales como las reacciones de adición a dobles y triples enlaces o inserción X-H. A pesar de los numerosos sistemas catalíticos estudiados para este tipo de trasformación, no se había detectado y/o aislado ninguna especie metalo carbónica presente en el medio de reacción. En las investigaciones desarrolladas en este Trabajo se ha podido detectar varios aductos de diazocompuesto de fórmula TpxCu[T]1�N2C(Ph)(C02Et)] con ligandos Tpx de naturaleza electrónica y estérica diferentes, así como las correspondientes especies metalo carbónicas, TpxCu=C(Ph)(C02Et), mediante la reacción de los correspondientes complejos TpxCuL con 2-fenildiazoacetato de etilo, PhEDA. Asimismo, se ha encontrado una buena correlación entre los valores de v(CO) para los distintos complejos de cobre, TpxCu(CO), y el desplazamiento químico de los carbonos carbónicos de las especies TpxCu=13C(Ph)(C02Et). Dichas especies representan los primeros ejemplos de intermedios inetalocarbénicos de Cu(I) detectados donde el centro metálico se encuentra unido a un ligando tridentado y presenta una geometría tetraèdrica. Para obtener mayor información acerca de los diferentes pasos de reacción, se han llevado a cabo estudios cinéticos mediante la medición de la evolución de N2 de la reacción de funcionalización del enlace O-H del H20 catalizada por el complejo TpMsCu(THF). Estos estudios mecanísticos han permitido confirmar que el aducto de diazocompuesto TpMsCu[r|5-N2C(Ph)(CC>2Et)] es un reservorio de la especie catalíticamente activa. Sobre la base de los datos experimentales, se ha realizado una propuesta mecanística para dicha transformación. Capítulo II. Reacciones de Epoxidación de Aldehidos vía lluro de Azufre Catalizadas por Complejos Tp*CuL. El uso de sistemas basados en cobre en reacciones de epoxidación vía iluro de azufre es muy limitado. Por ello, se decidió abordar el estudio de la capacidad catalítica de varios complejos TpxCuL en reacciones de epoxidación de aldehidos con iluros de azufre procedentes de la descomposición de un diazocompuesto. El complejo TpBr3Cu(NCMe) presentó la actividad catalítica más alta cuando se usó fenildiazometano como diazocompuesto y el dimetilsulfuro como co-catalizador. La capacidad del complejo TpMsCu para formar aductos estables ha permitido la caracterización de varios aductos de sulfuros orgánicos de fórmula TpMsCu(SR2). Finalmente, se han llevado a cabo la epoxidación catalítica generando in situ el fenildiazometano, consiguiéndose resultados superiores a los observados con Cu(acac)2 y comparables con los del sistema basado en Rli2(OAc)4. Capítulo III. Reacciones Radicalarias de Tipo ATRA y ATRC Catalizadas por Cobre. Los sistemas catalíticos basados en cobre con ligandos nitrogenados han resultado ser muy eficientes en las reacciones radicalarias por transferencia de átomo (ATRA). Por ello, en el presente estudio se decidió probar la capacidad catalítica de ios complejos de Cu(I) con ligandos tripodales que contienen unidades carbeno N- heterocíclicos en este tipo de reacciones. El complejo [TIMENtBuCu](PF6)] presentó una alta actividad catalítica en la reacción de tipo ATRA de 1-hexeno con CCI4 en presencia de AÍBN como agente reductor. Por otro lado, se ha abordado el estudio de la capacidad catalítica de diferentes complejos TpxCuL en la síntesis de compuestos de tipo 2-azabiciclo[3.3.1]nonanos, empleando tricloroacetamidas como material de partida mediante reacciones radicalarias ATRC. Los complejos Tp'BuCu(I) y TpíBuCu(II) permitieron alcanzar altos rendimientos en las reacciones ATRC empleando tricloroacetamidas activadas, esto es, con un sustituyente atractor de electrones en el alqueno. Sin embargo, estos mismos catalizadores no resultaron ser muy activos cuando se usaron tricloroacetamidas no activadas como material de partida. En el caso de estas últimas, para obtener rendimientos elevados, fue necesario Fcrnpla Hfi_Dnntnrafln emplear catalizadores del tipo [(TPMA)CuCl] y [(TPMA)CuCl]Cl. Los resultados obtenidos han mejorado significativamente aquellos en donde se usan organoestannanos como catalizadores en este tipo de transformaciones, con la consecuente desventaja que presenta el uso de éstos debido a problemas de toxicidad, coste y purificación de los productos obtenidos.

  • English

    This Memoiy describes the use of copper(I) and copper(II) complexes as efficient catalysts for the carbene transfer and radical addition reactions. The Thesis is divided into three Chapters. The first one is concerned with the detection and characterization of copper-carbene and copper-diazo adducts as intermediates in carbene transfer reactions from diazocompounds using the complex TpMsCu(THF) as catalytic precursor. Besides, the data obtained from the kinetic studies of the carbene insertion reaction into O-H bond of water by the measurement of the evolution of dinitrogen have allowed us to make a mechanistic proposal. The second Chapter is focused on the epoxidation of aldehydes with diazocompounds via sulfur ylide catalyzed by TpxCuL complexes. The presence of an organic sulfide as co-catalyst generates a sulfur ylide from diazocompound. Finally, the third Chapter has two parts: i) the study of the catalytic capabilities of several Cu(I) complexes bearing strong electron donor tripodal N-heterocyclic carbene ligands in ATRA reactions; ii) the synthesis of 2- azabicyclo[3.3.1]nonanes using different trichloroacetamides as starting materials by copper-catalyzed ATRC reactions. These later results have been obtained during a collaboration with Prof. Bonjoch from Universidad de Barcelona, which has afforded the starting materials. Chapter I. Detection of Copper-Carbene Intermediates in the Eunctionalization of X-H Bonds using TpxCuL Complexes as Catalysts. During the last two decades, our research group lias reported the catalytic capabilities of Cu(I) complexes bearing hydrotrispyrazolylborate ligands, TpxCuL, in carbene transfer reactions from diazocompounds such as the addition to double and triple bonds or X-H insertion. In spite of the wide number of catalytic systems studied, none copper-carbene intermediate was ever detected or isolated in the reaction mixtures. In the work herein presented, the reaction of the corresponding copper complex TpxCuL and ethyl 2- phenyldiazoacetate (PhEDA) has allowed to detect several copper-diazo adducts of composition TpxCu[r]1- N2C(Ph)(C02Et)] and copper-carbene intermediates, TpxCu=C(Ph)(C02Et). Interestingly, a good correlation between the values of v(CO) of the TpxCu(CO) complexes and the chemical shift of the carbenic carbon in TpxCu=13C(Ph)(C02Et) has been found. These intermediates represent the first examples of Cu(I)-carbene of this type bearing tricoordinated ligands with a tetrahedral geometiy around the metal center. With the aim of gaining further information about the different steps in the catalytic cycle, we have carried out kinetic studies based on the measurement of the evolution of dinitrogen during the carbene insertion reaction into O-H bond of H20 catalyzed by the complex TpMsCu(THF). These studies have shown that the copper-diazo adduct TpMsCu[ri1-N2C(Ph)(C02Et)] constitutes a dormant species in this system, beg the reservoir of the available copper species in solution. A mechanistic proposal has been made for this transformation on the basis of the collected data. Chapter II. Epoxidation of Aldehydes via Sulfur Ylides Catalyzed by Tp'CuL Complexes. This Chapter describes the catalytic capabilities of several TpxCuL complexes in the reaction of phenyldiazomethane and aldehydes to form epoxides via sulfur ylide. The complex TpDr3Cu(NCMe) showed the highest activity under mild conditions and in remarkable short reaction times. The capability of the complex TpMsCu to form stable adducts has allowed the characterization of several copper-sulfide adducts of composition TpMsCu(SR2). Finally, the in situ generation of the diazo reagent from benzaldehyde tosylhydrazone salt has led to the conversion of benzaldehyde into stilbene oxide in very high yields, exceeding the results reported with Cu(acac)2 and similar to those with Rh2(OAc)4. Chapter III. Copper-catalyzed ATRA and ATRC Reactions. Copper-based catalytic systems with strong electron-donating multidentate nitrogen-based ligands have proven to be very efficient in ATRA reactions. With these precedents in mind, we decided to test in ATRA reactions other kind of Cu(I) complexes, containing polidentante N-heterocyclic carbene ligands. Complex [TIMENtBuCu](PF6)J showed a high catalytic activity in the ATRA reaction of 1-hexene with CCI4 in the presence of AIBN as reducing agent. On the other hand, we have carried out the synthesis of 2-azabicyclo[3.3.1]nonanes using different trichloroacetainides as starting material by copper-catalyzed ATRC reactions. Thus, high yields were obtained in the ATRC reactions of activated trichloroacetainides catalyzed by Tp/üuCu(NCMe) and TpiBuCuCl complexes. However, these catalysts provided poor results when non-activated trichloroacetamides were used. Therefore, we decided to employ [(TPMA)CuCl] and [(TPMA)CuCl]Cl complexes as catalysts for this kind of substrates, with significant yields enhancements. Indeed, our results have improved significantly those reported by Bonjoch and co-workers using BU3S11H and AIBN, avoiding the disadvantages of these compounds such us then high neurotoxicity, high cost and purification problems.