Specifically functionalized dendrimers for catalysis in special media

Abstract

La recerca presentada representa una exploració exhaustiva dels dendrímers de fosforhidrazone (PPH), endinsant-se en la seva síntesi, funcionalització i aplicacions catalítiques, amb un enfocament específic en els fenols para-substituïts per a la funcionalització de superfícies. El procés de síntesi implica una meticulosa seqüència de reacció de dos passos, iniciant-se amb àtoms de fòsfor clorat al nucli i progressant a través de la substitució amb 4-hidroxibenzaldehíd, culminant finalment en la generació de dendrímers mitjançant la condensació amb MMHP(S)Cl2. Per possibilitar la introducció posterior de metalls, es van sintetitzar diferents derivats fenòlics, juntament amb una molècula model dissenyada per emular la reactivitat de la iminofosfina abordant les preocupacions d'oxidació de fosfina. La síntesi de fenols bidentats es va descriure detalladament, posant èmfasi en els reptes i les optimitzacions realitzades, amb un focus particular en l'escalabilitat dels procediments. La recerca també explora la modificació de les superfícies dels dendrímers per millorar la solubilitat, amb un èmfasi específic en la integració de ligands perfluorats. Malgrat els reptes en el rendiment global, es van considerar vies sintètiques alternatives, resultant en la síntesi exitosa de fenols funcionalitzats en la posició para amb cadenes alquilopoliuorades de longituds variables. Passant a la caracterització dels dendrímers PPH, l'estudi comença amb la preparació de diclorur de (1-metilhidrazinil)fosfonotioic (MMHP(S)Cl2). Es van sintetitzar molècules models per simular les superfícies dels dendrímers PPH, avançant a generacions més altes de dendrímers. Es van destacar les característiques distintives dels dendrímers PPH, incloent-ne la seva identificació a través de 31P-RMN. Un repte significatiu en aquesta fase va implicar assegurar l'escalabilitat de la síntesi dels dendrímers PPH, que es va superar amb èxit. La recerca després desplaça el seu focus a la funcionalització precisa dels dendrímers PPH amb substituents fenòlics prèviament sintetitzats. L'objectiu era minimitzar la substitució di-simètrica durant la difuncionalització precisa de la funció P(S)Cl2. La síntesi del catalitzador va implicar ligands amb complexació de metalls per a la seva estabilitat. Tant els dendrímers PPH difuncionalitzats de manera precisa com de manera estocàstica es van escalonar amb èxit a l'escala de grams. En el segment final, la recerca es plongeix en l'activitat catalítica dels catalitzadors dendrímers en diverses reaccions de copulació, tant en dissolvents orgànics com no convencionals. Es van explorar les reaccions de copulació creuada de Stille, Heck i Suzuki. El catalitzador dendrímic va exhibir una activitat elevada en el copulació creuada de Stille, mostrant un efecte multivalent positiu i un efecte dendrític de generació. Malgrat la insolubilitat en scCO2, el catalitzador va demostrar activitat per al copulació creuada de Stille en condicions heterogènies, destacant un efecte dendrític de generació positiu. A més, el catalitzador dendrímic va mostrar activitat per al copulació creuada de Heck en un sistema bifàsic fluoro/orgànic. L'estudi també aborda els reptes associats amb la recuperació del catalitzador en dissolvents orgànics i no convencionals. Les comparacions entre dendrímers difuncionalitzats de manera precisa i estocàstica subratllen efectes multivalents positius i efectes dendrítics de generació en reaccions específiques. Notablement, es va demostrar una major activitat dels dendrímers substituïts de manera precisa des de la generació 1 fins a la 3 en comparació amb homòlegs substituïts de manera estocàstica en el copulació creuada de Stille. En resum, aquesta recerca proporciona un examen a fons de la síntesi, funcionalització i aplicacions catalítiques dels dendrímers, oferint idees valuoses i suggerint vies per a futurs refinaments en processos catalítics sostenibles.

El trabajo que se presenta en esta memoria se centra en la modificación de la superficie de una familia de dendrímeros de tipo polifosforhidrazona (PPH) con grupos que facilitan la complejación de metales y otros que puedan modular la solubilidad de las especies finales en medios especiales. El proceso de síntesis de estas macromoléculas implica una secuencia consecutiva de dos etapas de reacción; la primera consiste en la sustitución los átomos de cloro unidos a átomos de fósforo que conforman el núcleo con 4-hidroxibenzaldehído, y la segunda se basa en una posterior condensación de los aldehídos superficiales con NH2NH(CH3)P(S)Cl2 creando una primera ramificación. La repetición de dichas etapas permite la creación de los dendrímeros. En este trabajo se han sintetizado estos dendrímeros hasta la tercera generación a escala de multigramo. El objetivo central de este trabajo se centró en la sustitución de los dos átomos de cloro de cada rama del dendrímero con funciones diferentes. Por un lado, y con el fin de introducir átomos metálicos en la superficie, se preparó un fenol para-sustituido con un grupo iminofosfina. A su vez, y como molécula modelo para nuestros ensayos de sustitución, también se preparó un fenol conteniendo un grupo imino similar, sin la fosfina, para evitar la oxidación. Por otro lado, se prepararon dos fenoles con cadenas largas polifluoradas, con el fin de conseguir macromoléculas finales solubles en CO2 supercrítico y en disolventes perfluorados, medios en los que se quería hacer estudios de actividad catalítica de los dendrímeros finales. La optimización de la sustitución de los átomos de cloro de superficie de los dendrímeros de forma precisa por ambos tipos de fenoles, consiguiendo ramas asimétricamente sustituidas, se llevó a cabo inicialmente sobre una molécula modelo, y se extendió a los dendrímeros hasta la tercera generación. El seguimiento de la reacción se realizó a través de 31P-RMN, pudiéndose detectar las señales de las ramas asimétricamente funcionalizadas, así como de las que tenían sustituciones simétricas, siendo estas muy poco abundantes tras la optimización (T, tiempo de reacción, orden de los reactivos, entre otros factores) de los procesos de sustitución. También se prepararon tres familias de dendrímeros en los que la sustitución se realizó de forma estocástica, aleatoria, para ver, si el esfuerzo realizado en el control de la disustitución asimétrica tenía algún efecto en catálisis, al compararlo con dendrímeros sustituidos por igual número de grupos, pero de forma aleatoria. Se prepararon los dendrímeros funcionalizados con Pd(0), coordinado por los ligandos de tipo iminofosfina de la superficie, de todos los dendrímeros y se ensayaron en reacciones de acoplamiento C-C de tipo Stille, Heck y Suzuki, tanto en disolventes orgánicos como en otros no tan convencionales. Concretamente se ensayó una reacción de Stille en THF observando que los dendrímeros eran activos como catalizadores, y además, comparados con el complejo libre, mostraban un efecto dendrítico positivo, aumentando también la generación. Se pudo comprobar que además los dendrímeros obtenidos por difuncionalización de forma precisa mostraban en todos los casos mayor actividad que los obtenidos de forma aleatoria. Esta reacción también se probó en CO2 supercrítico, observándose que se llevaba a cabo en fase heterogénea y con actividad menor que en disolventes orgánicos, pero también mostrando efecto dendrítico positivo. Por último, se observó también actividad de los dendrímeros en una reacción de Heck en medio bifásico fluorado/orgánico. En algunos casos también se consiguió recuperar el catalizador y reutilizarlo. En resumen, los resultados más interesantes muestran cómo el proceso de síntesis controlada de la sustitución de la superficie tiene un efecto muy significativo en la actividad de los catalizadores finales.

The work presented in this report focuses on the modification of the surface of a family of dendrimers of the phosphorhydrazone (PPH) type with groups that facilitate the complexation of metals and others that can modulate the solubility of the final species in special media. The synthetic process of these macromolecules involves a consecutive sequence of two reaction steps; the first consists of the substitution of the chlorine atoms linked to phosphorus atoms that form the nucleus with 4-hydroxybenzaldehyde, and the second is based on a subsequent condensation of the surface aldehydes with NH2NH(CH3)P(S)Cl2, creating a first branching point. The repetition of these stages allows the creation of dendrimers. In this work, these dendrimers have been synthesized up to the third generation on a multigram scale. The central objective of this work focused on the replacement of the two chlorine atoms of each branch of the dendrimer with different functions. On the one hand, and to introduce metal atoms on the surface, a para-substituted phenol with an iminophosphine group was prepared. At the same time, and as a model molecule for our substitution tests, a phenol containing a similar imino group was also prepared, without the phosphine, to avoid oxidation. On the other hand, two phenols with long polyfluorinated chains were prepared to obtain final macromolecules soluble in supercritical CO2 and in perfluorinated solvents, media in which we wanted to carry out studies of the catalytic activity of the final dendrimers. The optimization of the substitution of the surface chlorine atoms of the dendrimers in a precise way by both types of phenols, achieving asymmetrically substituted branches, was initially carried out on a model molecule, and was extended to the dendrimers up to the third generation. The monitoring of the reaction was carried out through 31P-NMR, being able to detect the signals of the asymmetrically functionalized branches as well as those with symmetric substitutions, these being very low in abundance after optimization (T, reaction time, order of the reagents, among other factors) of the substitution processes. Three families of dendrimers were also prepared in which the substitution was carried out in a stochastic, random manner, to see if the effort made to control the asymmetric disubstitution had any effect on catalysis, when compared with dendrimers substituted by the same number of groups. but randomly. Dendrimers functionalized with Pd(0), coordinated by iminophosphine-type ligands on the surface, were prepared from all dendrimers and tested in Stille, Heck and Suzuki type C-C coupling reactions, both in organic and non-organic solvents, no conventional ones. Specifically, a Stille reaction was tested in THF, observing that the dendrimers were active as catalysts, and in addition, compared to the free complex, they showed a positive dendritic effect, also increasing with the generation. It was also possible to verify that the dendrimers obtained by precise difunctionalization showed in all cases greater activity than those obtained randomly. This reaction was also tested in supercritical CO2, observing that it was carried out in a heterogeneous phase and with lower activity than in organic solvents, but also showing a positive dendritic effect. Finally, dendrimer activity was also observed in a Heck reaction in a biphasic fluorinated/organic medium. In some cases, it was also possible to recover the catalyst and reuse it. In summary, in this work several dendrimers have been synthesized containing metal catalysts and polyfluorinated chains on their surface that have been tested in catalysis. The most interesting results show how the controlled synthesis process of surface substitution has a very significant effect on the activity of the final catalysts.