Sistemes organocatalítics dinàmics autoassemblats en un metall

Abstract

Aquesta Tesi Doctoral es centra en el desenvolupament de sistemes organocatalítics dinàmics autoassemblats en un metall. En aquests catalitzadors el metall té una funció purament estructural i la catàlisi ve donada per efecte cooperatiu dels grups funcionals presents en els lligands. Les sals metàl·liques estudiades van ser de zinc i coure ja que generen complexos tetraèdrics i permeten que els lligands romanguin pròxims. Els lligands elegits contenen una piridina o bipiridina amb funcions catalítiques diferents (prolinamida o tiourea). La senzillesa d’aquests lligands ens ha permès dissenyar i provar quimioteques de lligands piridina/bipiridina ràpidament.

En primer lloc, es va estudiar un sistema bifuncional format in situ per lligands basats en piridines autoassemblats a clorur de zinc. Aquesta xarxa catalítica va donar alts rendiments i elevades estereoselectivitats en la reacció aldòlica. A més, es va comprovar que l’addició d’aigua és crucial per la dissolució del conjunt d’espècies i també per obtenir millors estereoselectivitats. Per mitjà de tècniques espectroscòpiques es va observar que es tracta d’un sistema dinàmic, és a dir, en el sistema catalític coexisteixen diferents espècies en equilibri ràpid.

Seguidament es van estudiar diferents sals de Cu(II), sent el sulfat de coure la sal més eficaç per tenir un sistema més actiu. En aquest sistema es va observar que el lligand tiourea reduïa el Cu(II) a Cu(I). La xarxa catalítica es va estudiar per espectroscòpia de RMN i EPR, i també per espectrometria de masses. Totes les dades espectroscòpiques i espectromètriques demostren que l’espècie responsable de la catàlisi és la formada per sulfat de Cu(I), un lligand prolinamida i un lligand tiourea però també hi ha altres espècies en equilibri. Aquest sistema també es va assajar en la reacció aldòlica i va donar alts rendiments i elevades estereoselectivitats a temperatura ambient, necessitant només 1% mol de sal de coure i 20% mol de cada un dels lligands.

Finalment, es va desenvolupar un nou sistema catalític dinàmic basat en lligands tipus bipiridina. Aquests lligands són bidentats quelants i presenten un fort caràcter coordinant amb el metall; això ens permet tenir sistemes menys làbils i que el bescanvi sigui més lent. En aquest cas es va utilitzar el trifluoroacetat de zinc com a punt d’autoassemblatge dels lligands. Aquesta xarxa catalítica va ser estudiada per RMN i UV-Vis i es va demostrar que el catalitzador bifuncional autoassemblat al metall és l’espècie predominant en aquestes condicions. Aquest conjunt d’espècies va donar molt bons rendiments i excel·lents estereoselectivitats en la reacció aldòlica, baixant la càrrega de catalitzador a un 5-10% mol en temps de reacció més curts. L’addició d’una quantitat controlada d’aigua també és crucial per tal d’augmentar l’estereoselectivitat de la reacció.

Com a conclusió general, s’ha demostrat la prova de concepte que és possible generar organocatalitzadors asimètrics eficients mitjançant autoassemblatge a centres metàl·lics. Aquests catalitzadors formen una xarxa de diverses espècies en equilibri ràpid, per la qual cosa és més adient parlar de sistema catalític. La comprensió dels aspectes fisicoquímics relacionats amb aquests equilibris és clau per a poder optimitzar la catàlisi.

In this thesis, I developed dynamic metal-templated organocatalytic systems for the asymmetric aldol reaction. Herein, ligands and metal salts were simply mixed together to generate efficient organocatalytic asymmetric networks in situ. In these entities, the catalytic function is carried out by the cooperative action of the ligands, and the metal centre participates as an assembly point, providing the correct geometry for catalysis.

First, a bifunctional organocatalytic system consisting of simple pyridine ligands containing separate catalytic functionalities was assembled using ZnCl2. This metal-templated catalyst furnished high yields and stereoselectivities towards the aldol reaction. The addition of controlled amounts of water turned out to be crucial to dissolve the species and achieve optimal results.

Then, the study of metal-templated dynamic organocatalytic systems led to the identification of CuSO4 as the most efficient template to assemble monofunctional prolinamide- and thiourea- modified pyridine ligands. The cooperative effects achieved with such a simple network delivered high reaction rates and stereoselectivities at room temperature in the asymmetric aldol reaction, requiring only 1 mol% of copper salt.

Finally, we described the design and synthesis of a dynamic organocatalytic system of unprecedented functional ligands based on a bipyridine scaffold. This dynamic network turned out to be much more efficient due to decreased ligand exchange rate. This allowed reducing the catalyst loading and shortening reaction times while increasing yield and stereoselectivity.

In conclusion, we described three efficient metal-templated dynamic organocatalytic systems suitable for the asymmetric aldol reaction. This approach has proven to be efficient for the first time.