Activation of Elemental Sulfur via Multicomponent Reactions for more Sustainable Organocatalysts and Sulfur-containing Polymers
Creators: name: Nickisch, Roman
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Thiourea
organocatalysis
elemental sulfur
isocyanide
isothiocyanate
polythiosemicarbzide
membrane
tetraarylethylene
hydrogen bonding
multicomponent reaction

description: Eine nachhaltigere Synthese für nicht sterisch anspruchsvolle aliphatische Isocyanide, die p-Toluolsulfonsäurechlorid (p-TsCl) als Dehydratisierungsreagenz verwendet, wurde eingeführt. Dieses Reagenz ist im Vergleich zu klassischen Dehydratisierungsreagenzien, wie Phosphoroxychlorid, weniger toxisch und leichter handhabbar. Zudem ist p-TsCl ein Abfallprodukt aus der industriellen Saccharinsynthese. Dieses Syntheseprotokoll wurde verwendet, um 11 Isocyanide aus den jeweiligen Mono-und Di-N-formamiden in moderater bis exzellenter Ausbeute (bis zu 98%) herzustellen. Durch einfaches Extrahieren als einzigen Aufarbeitungsschritt wurde der E-Faktor im Vergleich zu gängigen Syntheseprotokollen deutlich reduziert. Mit dem optimierten Zugang zu Isocyaniden konnte die Multikomponentenreaktion (MCR) zur Bildung von Thioharnstoffen aus Isocyaniden, Aminen und elementarem Schwefel für einen nachhaltigeren Zugang zu Thioharnstoff-basierten Organokatalysatoren verwendet werden. Durch die Reaktivität von mit Basen aktiviertem Schwefel können so Thioharnstoffe hergestellt werden, wobei typischerweise verwendete, giftige Chemikalien, wie Thiophosgenderivate oder Kohlenstoffdisulfid, vermieden werden. Des Weiteren ist die Verwendung von elementarem Schwefel wünschenswert, da er ein Abfallprodukt der Ölindustrie ist und die Lagerung des jährlichen Überschusses an Schwefel zu Sicherheits- und Umweltproblemen führt. Eine weitreichende Untersuchung der Aktivierungsmotive, die zu katalytisch aktiven Thioharnstoffen führen, zeigte, dass häufig verwendete elektronenarme aromatische Reste über die Isocyanidkomponente in der MCR eingeführt werden müssen. Zwei neuartige Aktivierungsmotive, genauer der Isophthalsäureester- und der p-(Alkyl)sulfonylphenylrest, die eine ähnliche katalytische Aktivität wie der weitläufig verwendete 3,5-Bis(trifluoromethyl)phenylrest in einer Ugi- und einer Ringöffnungsreaktion von Carbonaten aufwiesen, wurde aufgezeigt. Die neuen Aktivierungsgruppen haben des Weiteren das Potential die Löslichkeit der, in gängigen organischen Lösemitteln oft schwerlöslichen, Thioharnstoffkatalysatoren anzupassen. Zusammenfassend bietet der in dieser Arbeit vorgestellte Syntheseweg mittels MCR von elementarem Schwefel einen nachhaltigeren Zugang zu katalytisch aktiven Thioharnstoffen. Der Transfer solcher katalytisch aktiven Thioureagruppen in ein Polymergerüsts mittels Stufenwachstums- (Polykondensation und Poly-Thiol-En Reaktion) und lebender Polymerisation (Ringöffnungsmetathese Polymerisation (ROMP)) wurde weiterführend untersucht, um recycelbare Organokatalysatoren zu erhalten. Die ROMP erwies sich als der vielversprechendste Ansatz, da fast vollständiger Umsatz eines Thioharnstoffnorbornens nach nur zwei Stunden bei 44 °C erreicht wurde. Darüber hinaus zeigte der Ansatz das größte Potential für eine Anpassung der Löslichkeit der erhaltenen Polymere. Mittels eines co-ROMP-Ansatzes des Thioharnstoffnorbornens und Norbornen oder Cycloocten konnte ein weiterer Paramater zur Steuerung der Löslichkeit eingeführt werden, wobei zudem ein schneller Umsatz des Thioharnstoffmonomers erreicht wurde (vollständiger Umsatz nach einer Stunde). Nichtsdestotrotz konnte kein adäquates Aufreinigungsprotokoll etabliert werden, dass die Isolation der hergestellten Polymere erlaubte. Im Allgemeinen konnte durch die Evaluierung aller drei Ansätze gezeigt werden, dass über den ROMP-Ansatz die gewünschten polymeren Organokatalysatoren erhalten werden könnten, wenn die Löslichkeitsproblematik in der Aufarbeitung adressiert wird. Mechanistische Untersuchungen der oben erwähnten MCR zwischen Isocyaniden, Aminen und Schwefel führten zu der Etablierung einer nachhaltigeren Isothiocyanatsynthese, welches das Schlüsselintermediat dieser Reaktion darstellte. Durch die Nutzung von tertiären Aminen, Amidinen und Guanidinen als Aminkomponente wurde der aktivierte, elementare Schwefel mit dem Isocyanid zum Isothiocyanat statt dem Thioharnstoff umgesetzt. Mit diesem Protokoll konnten 20 Mono- und Diisothiocyanate in moderater bis exzellenter Ausbeute (34-95%) hergestellt werden. Die breite Anwendung des Syntheseprotokolls wurde durch die Umsetzung von aliphatischen, zyklischen, benzylischen und aromatischen Isothiocyanaten unterstrichen. Ein Vergleich der E-Faktoren von typischen Syntheserouten zeigte die Vorteile dieser Methode (Einfachheit, Minimierung von Abfall). Zudem konnten Lösungsmittel, wie DMSO, die für das Lösen von Basen-aktiviertem Schwefel unabdingbar sind, durch nachhaltigere Lösungsmittel, wie Cyrene™ oder GBL, ersetz werden, während die Aufarbeitungsmethode im Sinne der Nachhaltigkeit optimiert wurde. Weitere mechanistische Untersuchungen zu der basischen Aktivierung von Schwefel mit carbenartigen funktionellen Gruppen, wie Isocyaniden, führte zum Erhalt einer neuen Synthese von tetrasubstituierten Arylolefinen startend von Tosylhydrazonen. Der hypothetische Reaktionsmechanismus wurde postuliert, ausgehend von einer Carbenbildung unter Stickstoffextrusion mit nachfolgendem Barton-Kellogg-ähnlichem Reaktionsverlauf. Die optimierte Reaktion führte zu einem einfachen Syntheseprotokoll für Tetraarylethylene in exzellenten Ausbeuten, beispielhaft gezeigt an zwei Tosylhydrazonen. Darüber hinaus wurden weitere Testexperimente vorgeschlagen und konkret diskutiert, die den vorgeschlagenen Reaktionsmechanismus bestätigen könnten. Durch die Verwendung von Hydrazin als Aminkomponente in der MCR mit Isocyaniden und elementarem Schwefel konnte die Anwendungsbreite der Reaktion erweitert und Thiosemicarbazide erhalten werden. Über eine Polykondensation von Dithiosemicarbaziden und Aryldialdehyden wurden 13 neuartige (co-)poly(thiosemicarbazon)e hergestellt und vollständig über NMR, IR, SEC, DSC und TGA Analysen charakterisiert. Die Polymere zeigten Molekulargewichte bis zu 38 kDa und Zersetzungstemperatur ab ca. 200 °C. Generell zeigten sie keinen Tg, sofern nicht ein gewisser Anteil an sterisch anspruchsvollen Thiosemicarbazidresten verwendet wurde, der wiederum zu hohen Tgs führte (162-182 °C). Die Anwendung dieser Polymere als komplexierender Ligand für Metalle wurde anhand von Membranen gezeigt, die über den Anti-Lösungsmittel induzierte Phasenseperationsprozess (non-solvent induced phase separation, NIPS) hergestellt wurde. Für die Herstellung via NIPS wurden DMSO und NMP als Lösungsmittel verwendet und die Membranen zeigten Permeabilitäten im Bereich der Ultrafiltration bis zur Umkehrosmose (32-0.3 Lm-2h-1bar-1). Hochmolekulare Makromoleküle, wie Bovines Serumalbumin (BSA), wurden komplett zurückgehalten. Salze oder Mikroschadstoffe wurden nicht zurückgehalten, vermutlich durch Defekte in den Membranen. Komplexierung von Kupfer und Silber wurde in einem Batch-Absorptionsexperiment gezeigt und ein dynamisches dead-end set-up wurde durchgeführt, um zu zeigen, dass Silberionen auch in einem Wasserfluss zurückgehalten werden können.