Computational studies on organocatalysis
- Autores: Chunhui Liu
- Directores de la Tesis: Feliu Maseras Cuní (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2013
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Josep Bonjoch Sesé (presid.), Maria Besora Bonet (secret.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Durant molt temps, catàlisi homogènia ha estat gairebé sinònim amb catàlisi amb met¬alls de transició, amb un petit espai reservat a la biocatàlisi. Les coses han canviat molt en els últims anys. Des d'aproximadament l'any 2000, l'organocatàlisi, on el catalitzador és una molècula orgànica petita, sovint amb propietats quirals, ha crescut ràpidament fins a esdevenir un dels camps més importants de la química orgànica. A mesura que el camp de la investigació s'expandeix, el coneixement mecanístic esdevé més crítica per entendre les subtileses de la reacció i ajudar en el desenvolupament de processos més eficients. La química teòrica, amb la seva capacitat per localitzar els intermedis i estats de transició, pot ser molt útil en aquesta direcció. Aquesta tesi tracta de l'estudi com¬putacional del mecanisme de tres reaccions organocatalítiques representatives. 1. Hidroxialquilació Friedel-Crafts asimètrica d'indoles catalitzada per àcids de Brønsted quirals La catàlisi per àcids de Brønsted quirals és una àrea de ràpid creixement en organocatàlisi. L'aigua és una de les molècules més simples que pot actuar com a àcid de Brønsted. La coordinació de les molècules d'aigua a la funció carbonil en reaccions de Diels¬Alder i reordenaments de Claisen resulta en un increment de la velocitat de reacció. Carmona i col•laboradors van utilitzar una molècula d'aigua unida a un fragment d'iridi quiral com a catalitzador àcid de Brønsted per produir una reacció Friedel¬Crafts (FC) entre acetat de 3,3,3-trifluoromethylpyruvat i indole a baixa temperatura. Basant¬se en els seus resultats experimentals, hem dut a terme un estudi computacional en el mecanisme d'aquesta reacció i avaluat el paper catalític del complex de l'aigua amb iridi en aquesta reacció. La primera etapa de la reacció és la formació d'un enllaç C¬C juntament amb la transferència d'un protó de la molècula d'aigua al substrat, el segon pas és la l'etapa determinant, consistent en la transferència d'un protó de l'indole cap al grup OH provinent de la molècula d'aigua. El paper catalític del complex metàl.lic és la modulació de les propietats àcid / base de l'aigua coordinada, ja que la molècula d'aigua actua com a donador i acceptor de protons en les diferents etapes. Hem estat també capaços d'explicar l'origen de la l'estereoselectivitat del procés, que és el resultat d'una combinació subtil de les interaccions no covalents, tant atractives com repulsives, entre el catalitzador i el substrat. 2. Mecanisme de la síntesi enantioselectiva d'una cetona de Wieland-Miescher La cetona Wieland¬Miescher (WM) és un intermedi clau per a moltes reaccions. La preparació eficaç dels compostos de tipus cetona Wieland¬Miescher amb alta enantioselectivitat és per tant un desafiament en química orgànica. En un intent d'abordar aquest problema, el grup de Bonjoch ha dut a terme una síntesi enantioselectiva d'alta eficiència d'una cetona WM utilitzant N¬Ts¬(Sa)¬binam¬L¬prolinamida com a organocatalitzador, sota condicions lliures de dissolvent amb l'assistència d'àcid benzoic. El pas clau és una reacció d'anul • lació de Robinson, el procés requereix un 1% en mols de trietilamina com a base per a la reacció de Michael inicial i un 1% en mols de N¬Ts¬(Sa)¬Binam¬L¬prolinamida i 2,5% en mols d'àcid benzoic per a la reacció aldòlica intramolecular. Es va estudiar el mecanisme de la reacció aldòlica intramolecular en col • laboració amb el grup experimental. Hem estat capaços d'aclarir el mecanisme de la reacció amb prolinamida. Segueix les tendències generals del mecanisme amb prolina, amb l'important matís que la presència d'un àcid carboxílic com a co¬catalitzador és necessària en els passos inicials de la reacció, en particular per a la formació del intermedi imini. En contrast, l'àcid carboxílic no té cap efecte sobre la enantioselectivitat, perquè surt del sistema després de la formació de l'enamina, i està absent en l'estat de transició que condueix a la formació d'enllaços C¬C, on es decideix la enantioselectivitat de la reacció. L'origen de l'enantioselectivitat de la reacció també s'ha aclarit. Es basa en la rigidesa del catalitzador, que té dos punts d'ancoratge per al substrat, el doble enllaç C = N format a l'intermedi enamina, i els enllaços d'hidrogen NH ... O entre el catalitzador i el substrat. El substrat s'ha de distorsionar per unir¬se adequadament a aquest punts d'ancoratge, i aquesta distorsió és menor per a l'estat de transició que condueix a l'enantiòmer afavorit. 3. Mechanisme de la reacció de cicloaddició [4+2] catalitzada per derivats quirals de l'àcid fosfòric Els compostos heterocíclics amb àtoms de nitrogen i oxigen són abundants en la naturalesa i exhibeixen una àmplia gamma de propietats biològiques interessants, incloent comportament antihipertensiu i anti¬isquèmic. Els grups piranobenzopirà i furanobenzopirà, amb tres anells fusionats, són particularment interessants. Un enfocament atractiu per a la síntesi d'aquests compostos és una cicloaddició [4 +2] entre una hidroxibenzaldimina i un furà. Aquesta reacció és catalitzada per derivats d'àcid fosfòric. Hem analitzat en detall els resultats contradictoris publicats recentment pels grups de Fochi i Rueping. Fochi i col • laboradors van publicar el 2010 la síntesi de furanobenzopirans fusionats en cis mitjançant la cicloaddició [4 +2] amb demanda electrònica inversa (IED) de ?¬hidroxibenzaldimines amb 2,3¬dihidro¬2H-furà (DHF) catalitzada per derivats d'àcid fosfòric amb (S)¬BINOL. En el mateix any, Rueping i Lin van publicar la síntesi de furanobenzopirans fusionats en trans a partir dels mateixos reactius però amb un catalitzador del tipus (S)¬BINOL derivat de la N-triflilfosforamida. Els mateixos reactius i catalitzadors lleugerament diferents produeixen diferents diastereòmers del producte. L'estat de transició per a l'atac del furà a l'adducte entre hidroxibenzldimina i catalitzador controla la selectivitat del procés. Els enllaços d'hidrogen juguen un paper crític en l'estructura de l'estat de transició, però la seva força no decideix la selectivitat. Els estats de transició d'energia més baixa tenen un enllaç d'hidrogen, mentre que alguns estats de transició d'energia més alta en tenen dos de força similar. La selectivitat està controlada per interaccions atractives anell¬anell entre catalitzador i substrats. Els estats de transició d'energia afavorits tenen més interaccions, o les tenen amb distàncies més curtes (i per tant, probablement més fortes). La diferència entre el derivat de l'àcid fosfòric amb (S)¬BINOL (sistema de Fochi), que porta a un furanobenzopirà fusionat en cis, i el derivat de N¬triflylfosphoramida amb S)¬BINOL (sistema de Rueping), que porta a un furanobenzopirà fusionat en trans, va poder ser reproduida i explicada. La presència del substituent triflil sobre l'àtom de nitrogen del sistema de Rueping limita les possibles orientacions de l'àtom d'hidrogen sobre el mateix centre, i com a resultat impedeix l'orientació òptima de l'anell de furà clau per estabilitzar l'estat de transició que condueix al producte fusionat en cis. Com a resultat, el catalitzador de Rueping porta al producte fusionat en trans. Aquest impediment no existeix en el sistema de Fochi, que per això dóna lloc al producte fusionat en cis. 4. Observacions generals Hem estudiat tres processos organocatalíticas diferents que condueixen a productes quirals amb mètodes del funcional de la densitat (DFT) i amb mètodes híbrids funcional de la densitat / mecànica molecular (DFT / MM), i hem estat capaços d'obtenir un acord raonable amb els resultats experimentals, i de donar explicacions qualitatives per l'origen de l'enantioselectivitat en cadascun dels casos. L'estudi computacional de l'organocatàlisi enantioselectiva s'assembla molt a la de la catàlisi enantioselectiva amb metalls de transició, però hi ha alguns matisos significatius. En primer lloc, la descripció electrònica del sistema organocatalític és, en principi, més fàcil, tot i que la introducció de les correccions de dispersió és obligatori, com en qualsevol procés en què les interaccions estèriques poden tenir un paper important. En segon lloc, els problemes relacionats amb la complexitat isomèrica i conformacional són molt més crítics en organocatàlisi. La densitat dels isòmers conformacionals d'energia baixa és molt més gran, i això planteja una complicació en l'esforç que ha de ser fet per obtenir barreres d'energia quantitativament precises. El conjunt del treball d'aquesta tesi es confirma poder de la química computacional per a l'estudi de l'organocatàlisi quiral. També dóna una idea dels diferents mecanismes pels quals la enantioselectivitat es pot transmetre en organocatàlisi: des de les interaccions estèriques habituals entre catalitzador i el substrat, fins al paper clau de la rigidesa catalitzador observada en el sistema prolinamida. El camp de l'organocatàlisi enantioselectiva computacional està tot just començant, i podem esperar nous resultats interessants en el futur pròxim.
