Development and evaluation of innovative catalytic systems in organic chemistry
Authors: Τζουράς Νικόλαος 
Published: July 2023

Οι αξιοσημείωτες ιδιότητες των μετάλλων μετάπτωσης μπορούν να ενισχυθούν και να ελεγχθούν με κατάλληλα σχεδιασμένους υποκαταστάτες, όπως οι φωσφίνες και τα Ν-ετεροκυκλικά καρβένια (NHCs), και αυτή ήταν μια βασική ανακάλυψη για την σημαντική επιτυχία της κατάλυσης με μέταλλα μεταπτώσεως. Η δυναμική των NHCs ως προς τις ιδιότητές τους ως υπακαταστάτες έχει διερευνηθεί διεξοδικά. Αναμφίβολα, οι πιο επιτυχημένες και ευρέως γνωστές εφαρμογές τους είναι στη μετάθεση ολεφινών με καταλύτες βασισμένους σε ρουθήνιο και στις αντιδράσεις διασταυρούμενης σύζευξης που καταλύονται από σύμπλοκα παλλαδίου, αν και τα σύμπλοκά τους με άλλα μέταλλα μετάπτωσης έχουν επίσης ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως αποτελεσματικοί καταλύτες σε ένα συνεχώς αυξανόμενο πλήθος οργανικών μετασχηματισμών. Σε αυτήν τη διατριβή, η κύρια εστίαση είναι στην κατάλυση με Au(I) και πιο συγκεκριμένα στην ανάπτυξη βιώσιμων και απλών συνθετικών οδών προς τους (προ-)καταλύτες τύπου Au(I)-NHC και στην επίδειξη της χρήσης τους σε οργανομεταλλική σύνθεση σχετική με την κατάλυση, μηχανιστικές μελέτες σε καταλυτικούς κύκλους και στον σχεδιασμό καινοτόμων καταλυτικών συστημάτων για τη σύνθεση χρήσιμων οργανικών μορίων. Σε όλο το εύρος της διατριβής, τονίζεται η σημασία που έχει η συνθετική πρόσβαση σε καταλυτικά σύμπλοκα, μία υποεκτιμημένη πτυχή της κατάλυσης. Αυτή η πτυχή συμπεριλαμβάνει την εγκατάσταση των NHCs σε κέντρα Au(I) και επίσης την παραγωγοποίηση των συμπλόκων [AuCl(NHC)] που προκύπτουν, με σκοπό την εκμετάλλευση του ανιοντικού υποκαταστάτη. Η ταυτότητα του ανιοντικού υποκαταστάτη υπαγορεύει τις εφαρμογές τέτοιων συμπλόκων, που κυμαίνονται από κατάλυση/μηχανιστικές μελέτες και φωτοχημικές εφαρμογές έως βιολογικές εφαρμογές. Στο Κεφάλαιο 1, παρέχεται μια γενική εισαγωγή σχετικά με τις συνθετικές μεθόδους προς τα σύμπλοκα Au(I)-NHC. Παρουσιάζεται η ποικιλία των μεθόδων για το σχηματισμό δεσμών Au(I)-NHC και περιγράφεται επίσης η ανάπτυξη της «μεθόδου ασθενούς βάσης» που αποτελεί την πιο ευέλικτη σχετική μέθοδο. Επιπλέον, δίνεται ο ορισμός των «χρυσών συνθόνων» και παρουσιάζονται τα πιο ιστορικά σημαντικά σύμπλοκα αυτού του τύπου που σχετίζονται με την κατάλυση. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η συμβολή μας στην καθιέρωση και τη μηχανιστική κατανόηση της μεθόδου ασθενούς βάσης. Πειραματικές και θεωρητικές μελέτες για τη μεταλλείωση των αλάτων αζολίου οδηγούν στην πρόταση ενός μηχανισμού που μοιάζει με συντονισμένη μεταλλείωση-αποπρωτονίωση (CMD), στον οποίο η ενδιάμεση ένωση που αποτελείται από ένα ανιόν με κέντρο το μέταλλο και το κατιόν αζολίου, φαίνεται να είναι σημαντική. Αυτή η μελέτη ρίχνει φως στις μηχανιστικές αρχές που σχετίζονται με την ικανότητα των ασθενών βάσεων να δημιουργούν δεσμούς μετάλλου-NHC. Επιπλέον, περιγράφεται διεξοδικά η εφαρμογή της μεθόδου ασθενούς βάσης σε σύνθεση μεγάλης κλίμακας των συμπλόκων τύπου [AuCl(NHC)]. Στο Κεφάλαιο 3, περιγράφεται η ανάπτυξη μιας απλής και βιώσιμης μεθόδου για σύνθεση οργανομεταλλικών συμπλόκων άρυλο-χρυσού (Au(I)-Aryl). Αυτά τα σύμπλοκα, που σχετίζονται με την κατάλυση, προσεγγίζονται χρησιμοποιώντας την αντίδραση τρανσμεταλλείωσης υποβοηθούμενης από βάση, με αντιδραστήρια αρυλοβορονικών οξέων (και αντίστοιχων εστέρων) σε αειφόρους διαλύτες. Αυτή η μεθοδος οδηγεί σε μια άνευ προηγουμένου ποικιλία τέτοιων συμπλόκων υπό ήπιες συνθήκες. Ένα επιλεγμένο σύμπλοκο συντίθεται σε κλίμακα πολλών γραμμαρίων και χρησιμοποιείται ως μία νέα «χρυσή συνθόνη», παρέχοντας πρόσβαση σε καταλυτικά ενεργά σύμπλοκα χρυσού, μεταξύ άλλων. Επιπλέον, παρουσιάζεται η χρήση των Au(I)-Aryls για την μεταλλείωση C-H δεσμών τελικών αλκυνίων και συγκρίνεται με την ανάλογη αντίδραση μεταξύ των τελικών αλκυνίων και των διπυρηνικών παραγώγων των Au(I)-Aryls, οδηγώντας σε σημαντικές πληροφορίες που αφορούν τη διμεταλλική κατάλυση με χρυσό. Τέλος, αναδεικνύεται η εφαρμογή των Au(I)-Aryls στη διμεταλλική κατάλυση με χρυσό. Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται η ανάπτυξη μιας βιώσιμης συνθετικής μεθόδου προς τα σύμπλοκα τύπου Carbene-Metal-Amide (CMA) με μέταλλα όπως Au, Ag και Cu. Αυτή η μέθοδος μεταλλείωσης N-H δεσμών παρέχει πρόσβαση σε διάφορα CMAs με εφαρμογές στην φωτοχημεία και στην (φωτο)κατάλυση. Επιπλέον, παρέχει μια απλή οδό για την εφαρμογή των CMAs στην διμεταλλική κατάλυση με μέταλλα όπως Au, Ag και Cu, οδηγώντας σε αποτελεσματικά συστήματα υδροφαινοξυλίωσης και υδροκαρβοξυλίωσης αλκυνίων. Στο Κεφάλαιο 5, η σύνθεση των CMAs βελτιώνεται περαιτέρω, εστιάζοντας στην εξάλειψη των τοξικών οργανικών διαλυτών από τη συνθετική διαδικασία. Επιπλέον, παρουσιάζεται μια εφαρμογή βιοδραστικών CMAs με βάση την β-καρβολίνη πέρα από τη φωτοχημεία και την κατάλυση, καθώς εξετάζονται ως πιθανοί αντικαρκινικοί παράγοντες. Στο Κεφάλαιο 6, τα σύμπλοκα από τα προηγούμενα κεφάλαια χρησιμοποιούνται ως προ-καταλύτες στην υδροφθορίωση αλκυνίων με υδροφθορικό οξύ. Η ανάπτυξη αυτού του καινοτόμου καταλυτικού συστήματος οδήγησε σε σημαντικές μηχανιστικές πληροφορίες σχετικά με την επίδραση του νερού και των ισχυρών δεσμών υδρογόνου στην κατάλυση χρυσού. Ένας νέος καταλυτικός κύκλος για υδροφθορίωση αλκυνίων προτείνεται με βάση αυτό το μοναδικό σύστημα. Στο Κεφάλαιο 7, περιγράφεται η ανάπτυξη καταλυτικών συστημάτων που δεν απαιτούν παραγωγοποίηση ή ενεργοποίηση συμπλόκων τύπου [AuCl(L)] (L = βοηθητικός υποκαταστάτης). Παρά τον αδρανή του χαρακτήρα, ο δεσμός Au-Cl, ο οποίος είναι πανταχού παρόν στα πιο ευρέως διαθέσιμα σύμπλοκα χρυσού, μπορεί να συμμετέχει σε δεσμούς υδρογόνου. Αυτό το χαρακτηριστικό παρέχει δυνατότητα ενεργοποίησης και σε αυτό το κεφάλαιο εκμεταλλευόμαστε την εξαιρετική ικανότητα δότη δεσμού υδρογόννου της εξαφθοροϊσοπροπανόλης (HFIP) για την επίτευξη αυτού του στόχου. Η ανάπτυξη κυκλοϊσομεριώσεων καταλυόμενων από χρυσό σε HFIP, παρέχει ένα απλό εργαλείο για την κατασκευή και την παραγωγοποίηση διαφόρων οργανικών μορίων, ενώ οι μηχανιστικές μελέτες που πραγματοποιούνται, παρέχουν σαφή στοιχεία για την αλληλεπίδραση τύπου δεσμού υδρογόνου που επιτρέπει την κατάλυση.Εν κατακλείδι, η παρούσα διατριβή αναδεικνύει τη σημασία της κατανόησης και της απλοποίησης της οργανομεταλλικής σύνθεσης στη χημεία του χρυσού, καθώς και της εφαρμογής καινοτόμων σχεδιασμών στην ομογενή κατάλυση. Οι συνθετικές μέθοδοι που αναπτύχθηκαν έχουν ήδη αντίκτυπο στον τομέα της χημείας του χρυσού, ενώ η χρήση διαφόρων συμπλόκων ως (προ-)καταλυτών, συνθόνων και εργαλείων για μηχανιστικές μελέτες, όπως φαίνεται στα καταλυτικά συστήματα που αναπτύχθηκαν στην παρούσα εργασία, αναμένεται να έχει διαρκή αντίκτυπο στον τομέα της κατάλυσης χρυσού στην οργανική σύνθεση, τόσο σε επίπεδο ακαδημαϊκής έρευνας όσο και στη βιομηχανία.