Theoretical Study on Pd-catalyzed Cross-Coupling Reactions.

Abstract

D’ençà el seu descobriment, fa ja prop de tres dècades, les reaccions d’acoblament creuat C-C catalitzades per Pd han esdevingut una de les transformacions més poderoses dins la química organometàl·lica. De fet, tres dels desenvolupadors de les reaccions d’acoblament més emprades (reaccions de Heck, Suzuki i Negishi) van ésser guardonats l'any 2010 amb el premi Nobel de Química. El mecanisme general de les reaccions d'acoblament creuat C-C consisteix en tres etapes: addició oxidant, transmetal·lació, i eliminació reductiva. La millora d’una reacció comporta el coneixement profund del seu mecanisme de reacció, o el que és el mateix, la comprenssió del seu funcionament a nivell molecular. Així doncs, aquesta tesi doctoral s'ha centrat en l’estudi del mecanisme de reacció de diferents reaccions d’acoblament creuat C-C catalitzades per Pd: la reacció de Negishi, la reacció de Sonogashira en la seva variant sense coure, i una versió enantioselectiva de la reacció de Suzuki-Miyaura. Tots aquests estudis s'han dut a terme mitjançant càlculs mecano-quàntics i en estreta col·laboració amb grups experimentals de prestigi mundial. En el cas de la reacció de Negishi, s'ha investigat el procés de transmetal·lació amb ZnMeCl i ZnMe2 amb l'objectiu de proporcionar una visió detallada dels respectius mecanismes de reacció. Concretament, per a la transmetal·lació amb ZnMeCl, els càlculs teòrics han mostrat les elevades probabilitats que existeixen de generar-se nous intermedis que donarien lloc a productes d'homo-acoblament no desitjats. Per altra banda, per a la transmetal·lació amb ZnMe2, els resultats teòrics han demostrat l'existència d'intermedis catiònics a priori inesperats. A més, s'han identificat altres mecanismes de transmetal·lació competitius que fins ara no s'havien proposat mai. En resum, en aquest estudi s'ha obtingut una visió detallada dels mecanismes de reacció involucrats en aquestes reaccions. Per a la reacció de Sonogashira sense coure, s'han investigat els dos mecanismes de reacció proposats en la literatura. Els resultats teòrics han permès descartar un d'aquests mecanismes (carbopal·ladació) i han demostrat que l'altre (desprotonació) és factible. A més, l'anàlisi dels mecanístic ha portat a la proposta d'un nou mecanisme de reacció (iònic). Aquest mecanisme consisteix en la desprotonació de l'alquí i la posterior reacció d'aquesta espècie amb el catalitzador de Pd. L'efecte dels substituents en l'alquí en aquests mecanismes de reacció també s'ha analitzat. En termes generals, aquest estudi mecanistic ha revelat que, de la mateixa manera que en altres reaccions d'acoblament, hi ha varis mecanismes competitius i que el canvi de les condicions de reacció (solvent, lligands, substrat, base) pot afavorir un o altre. Finalment, s'ha investigat el mecanisme de reacció per un acoblament assimètric de Suzuki-Miyaura catalitzat per un complex de Pd bis-hidrazona. Els resultats derivats d'aquest estudi han revelat que el mecanisme de transmetal·lació difereix del camí general proposat a la literatura: en aquest cas dos etapes addicionals són necessàries. Aquesta modificació es pot atribuir a la capacitat del lligand bis-hidrazona de dissociar un dels àtoms de N directament coordinat al catalitzador de Pd (comportament hemilàbil). Pel que fa referència a l'estereoquímica de la reacció, els càlculs realitzats fins ara no han pogut donar una explicació clara de les enantioselectivitats observades experimentalment. En resum, els resultsats teòrics obtinguts en aquesta tesi han demostrat que els càculs teòrics són una eina de gran ajut per a l’elucidació i/o proposta de mecanismes de reacció d'aquest tipus de processos.

Since its discovery, nearly three decades ago, the Pd-catalyzed cross-coupling reactions have become one of the most powerful transformations in organometallic chemistry. In fact, three of the developers of the most widely used cross-coupling reactions were awarded in 2010 with the Nobel Prize in Chemistry. The general reaction mechanism for C-C cross-coupling consists in three main steps: oxidative addition, transmetalation, and reductive elimination. The reaction improvement entails a deep knowledge of their complete mechanism, or what is the same thing, how they work at the molecular level. Thus, this thesis has been focused on studying the reaction mechanism for different Pd-catalyzed cross-coupling reactions: the Negishi reaction, the copper-free Sonogashira reaction, and an enantioselective version of the Suzuki-Miyaura reaction. All these studies have been carried out by means of quantum-mechanics calculations and in close collaboration with top experimental groups worldwide. In the case of the Negishi reaction, the transmetalation process with ZnMeCl and ZnMe2 reagents has been investigated in order to provide a detailed picture of their reaction mechanisms. In particular, for the transmetalation with ZnMeCl, calculations have pointed out the many chances for the generation of new intermediates that would eventually give rise to homocoupling side products. On the other hand, for the transmetalation with ZnMe2, the theoretical results have proved the existence of previously unexpected cationic intermediates. Moreover, additional competitive transmetalation pathways for this reaction, some of which had not been invoked before, have been also identified. Overall, in this study a general picture of the reaction mechanisms involved in these reactions has been obtained. For the copper-free Sonogashira reaction, the two reaction mechanisms proposed in the literature have been evaluated. Theoretical results, have been able to discard one of those mechanisms (carbopalladation), whereas the other one (deprotonation) has been found to be feasible. Furthermore, the mechanistic analysis have conducted to the proposal of a new reaction mechanism (ionic). This mechanism involves the deprotonation of the alkyne and the subsequent reaction of this species with the Pd catalyst. The effect of the alkyne's substituents on these reaction mechanisms has been also analyzed. Overall, the mechanistic study reported in this thesis has revealed that, just like in other cross-coupling reaction, there are several competing reaction pathways and a change on the reaction conditions (e.g. solvent, ligands, substrate, base) might favor one over the other ones. Finally, the theoretical investigation on the reaction mechanism for an asymmetric Suzuki-Miyaura coupling catalyzed by a bis-hydrazone Pd catalyst has been carried out. The results derived from this study have revealed that the transmetalation mechanism differs from the common reaction pathway proposed in the literature: the transmetalation process requires two additional steps. This modification can be attributed to the relative ability of the bis-hydrazone ligand, which can easily dissociate one of the N atoms directly coordinated to Pd catalyst (hemilabile behavior). As far as the stereochemistry of the reaction is concerned, calculations so far do not provide a clear explanation for the high enantioselectivities observed in the experiments. In summary, the theoretical results derived from this thesis have demonstrated that theoretical calculations are a very useful tool for elucidating and/or proposing reaction mechanisms for these type of processes.