Towards green synthesis of organic carbonates: Utilization of CO2 as a chemical feedstock

Abstract

La present Tesi doctoral es basa en l'ús de diòxid de carboni tant com a matèria prima per a la síntesi de carbonats cíclics i policarbonats d'alt valor afegit, com a dissolvent alternatiu. S'ha estudiat el potencial de diferents sistemes catalítics metàl·lics, destacant l'alta activitat i selectivitat; l'ús de condicions suaus i catalitzadors favorables per el medi ambient i, també, l'aclariment del mecanisme de reacció centrant-se en el paper de cada component catalític. S'ha descrit l'alt potencial catalític dels complexes amb baixa toxicitat i gran abundància terrestre com per exemple, els complexos d' Al(III) i Fe(III) amb lligands tetradentats N2O2; i els complexes de Zn(II) i Fe(III) amb lligands tridentats NN'O. A més, en el transcurs d'aquesta Tesi es va aconseguir l'obtenció de carbonat de metil oleat, derivat d'olis naturals, mitjançant els complexes d'Al(III), Zn(II) i Fe(III). D'altra banda, es van trobar que els complexes de Fe(III) són actius tant per l'epoxidació d'olefines i la síntesi de carbonats orgànics. Així mateix, es va realitzar un estudi preliminar sobre la carboxilació oxidativa de l'estirè per a l'obtenció de carbonat d'estirè utilitzant scCO2 tant com a reactiu i solvent amb un complex de Fe(III) amb lligand tridentat NN'O.

La presente Tesis doctoral se centra en el uso de dióxido de carbono tanto como materia prima para la síntesis de carbonatos cíclicos y policarbonatos de alto valor añadido, como disolvente alternativo. Se ha estudiado el potencial catalítico de diferentes sistemas catalíticos metálicos, destacando la alta actividad y selectividad; el uso de condiciones suaves y catalizadores favorables para medio ambiente y, también, el esclarecimiento del mecanismo de reacción centrandose en el papel de cada componente catalítico. Se ha descrito el alto potencial catalítico de los complejos con baja toxicidad y gran abundancia terrestre como por ejemplo, los complejos de Al(III) y Fe(III) con ligandos tetradentados N2O2; y los complejos de Zn(II) y Fe(III) con ligandos tridentados NN'O. Además, en el transcurso de esta Tesis se logró la obtención de carbonato de metil oleato, derivado de aceites naturales, mediante los complejos de Al(III), Zn(II) y Fe(III). Por otra parte, se encontraron que los complejos de Fe(III) son activos tanto para la epoxidación de olefinas y la síntesis de carbonatos orgánicos. Asimismo, se realizó un estudio preliminar sobre la carboxilación oxidativa del estireno para la obtención de carbonato de estireno utilizando scCO2 tanto como reactivo y solvente con un complejo de Fe(III) con ligando tridentado NN'O.

This doctoral Thesis was focused on the use of carbon dioxide as both C1 building block for the synthesis of useful cyclic carbonates and polycarbonates and its uses as a plausible alternative solvent. We studied the catalytic potential of different metal-catalyzed systems, highlighting the high catalytic activity and selectivity; the use of mild conditions and environmentally friendly metal catalysts and also the elucidation of the possible reaction mechanism giving a plausible catalytic role of each component. It was described the high potential of a low-toxic and earth-abundant Al(III) and Fe(III) complexes bearing tetradentate N2O2-donor ligand whereas the high activity of Zn(II) and Fe(III) complexes bearing tridentate NN'O-donor ligands. An important and greener goal of this Thesis was the obtention of methyl oleate carbonate, derived from natural oils, with those metal earth abundant Al(III), Zn(II) and Fe(III) complexes. Moreover, iron complexes were found to be active both for olefin epoxidation and organic carbonate synthesis. A preliminary study of direct oxidative carboxylation of styrene towards styrene carbonate using scCO2 as both reactive and solvent with Fe(III) complex bearing NN'O-donor ligand was undertaken.