Συνθετικές μεθοδολογίες μετατροπής καρβονυλικών ενώσεων σε 1,3-N-ετεροκυκλικές ενώσεις και trans-4,5-διαμινοκυκλοπεντενόνες καταλυόμενες από χρυσό

Abstract

The present doctoral dissertation includes new, efficient, and sustainable catalytic methodologies for the selective synthesis of 1,3-N-five-membered and six-membered heterocyclic compounds, as well as trans-4,5-diaminocyclopent-2-enones in the presence of gold catalysts. In the First Chapter is described the ability of small-sized gold nanoparticles (<5 nm) supported on TiO2 to catalyze the selective synthesis of the 1,3-N-five membered heterocycles such as 2-substituted benzimidazoles and 2-substituted imidazolines. The synthesis of the 2-substituted benzimidazoles was performed in the presence of 60 mg of Au/TiO2 (1 wt.% Au, 2 – 3 nm AuNPs) in 3 mL of CHCl3:MeOH (3:1) and constant temperature of 25 °C from o-phenylenediamine and various aldehydes, such as aromatic, hetero-aromatic, polycyclic, aliphatic etc. After short reaction time 37 benzimidazole derivatives were successfully obtained with isolated yields ranging from 51% to 99%. The synthesis of the 2-substituted imidazolines was performed in the presence of Au/TiO2 in 3 mL of EtOH solvent at 80 °C. After 18 hours, 12 imidazoline derivatives were successfully obtained with isolated yields ranging from 46% to 79%. To date, no comprehensive heterogeneous methodology has been developed for the selective synthesis of both 2-substituted benzimidazoles and 2-substituted imidazolines. The methodologies developed overcome the problems that arise during the condensation reaction of aldehydes with diamines, such as poor selectivity of reactions, the appearance of by-products or intermediates in high yields, low yields of the desired products and their difficult isolation. Chapter 2 presents the selective synthesis of 2-substituted tetrahydropyrimidines and their hydrochloride salts, i.e. compounds bearing the characteristic 1,3-N-six-membered heterocyclic core. Their synthesis was carried out in the presence of 60 mg Au / TiO2 (1 wt.% Au, 2 - 3 nm AuNPs) in 3 mL EtOH or in 3 mL of CHCl3:MeOH (3:1) from 1,3-propanodiamine and various aldehydes as starting materials. Under optimal conditions 18 tetrahydropyrimidine hydrochlorides were successfully synthesized after 18 h at 80 °C with up to 75% yields. So far, this approach was unknown in the literature and presents significant advantages over previously known literature references. The addition of a chlorinated solvent to an alcoholic solution resulted to the synthesis of more stable and easily isolated hydrochloride salts. The presence of Au / TiO2 in the solvent-dependent synthesis of tetrahydropyrimidine derivatives or their hydrochlorides underlines the bifunctional of Au NPs, providing a useful synthetic application of this catalytic protocol. Chapter 3 presents the catalytic efficiency of HAuCl4 and H4SiW12O40 in the transformation of furfural to trans-4,5-diaminocyclopent-2-enones (trans-DACPs) in the presence of secondary amines and primary aromatic amines with pKb > 9. The reactions took place in MeCN at 25 °C where the presence of both catalytic systems facilitated the access to a library of trans-DACPs using low catalyst loading % without need of additional reagents, in short times and at good to high isolated yields. The above catalytic protocols have an extensive range of substrates and represent the first examples based on the acidic nature of gold catalysts and polyoxometallates as effective methods to produce the cyclopent-2-enone framework under mild conditions.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή περιλαμβάνει νέες, αποτελεσματικές και «βιώσιμες» καταλυτικές μεθοδολογίες για την εκλεκτική σύνθεση 1,3-Ν-πενταμελών και εξαμελών ετεροκυκλικών ενώσεων, καθώς και των trans-4,5-διαμινοκυκλοπεντ-2-ενονών παρουσία καταλυτών του χρυσού. Στο 1ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η ικανότητα των νανοσωματιδίων χρυσού μικρού μεγέθους (< 5 nm) υποστηριγμένα σε TiO2 να καταλύουν την εκλεκτική σύνθεση των 2-υποκατεστημένων βενζιμιδαζολίων και ιμιδαζολινών, δηλαδή ενώσεων που φέρουν το χαρακτηριστικό 1,3-Ν-πενταμελές ετεροκυκλικό σκελετό. Η σύνθεση των 2-υποκατεστημένων βενζιμιδαζολίων πραγματοποιήθηκε παρουσία 60 mg Au/TiO2 (1 wt.% Au, 2 – 3 nm AuNPs) σε 3 mL του μίγματος διαλυτών CHCl3:MeOH (3:1) και σταθερή θερμοκρασία στους 25 °C από πρώτες ύλες την ο-φαινυλενοδιαμίνη και τις διάφορες αλδεΰδες, όπως αρωματικές, ετερο-αρωματικές, πολυ-κυκλικές, αλειφατικές κ.λπ. Έπειτα από 2 ώρες παραλήφθηκαν επιτυχώς 36 βενζιμιδαζολικά παράγωγα με τις αποδόσεις των προϊόντων που απομονώθηκαν να κυμαίνονται από 51% έως 99%. Η σύνθεση των 2-υποκατεστημένων ιμιδαζολινών πραγματοποιήθηκε παρουσία του Au/TiO2 σε 3 mL διαλύτη EtOH στους 80 °C έπειτα από 18 ώρες αντίδρασης με τις αποδόσεις των προϊόντων που απομονώθηκαν να κυμαίνονται από 46% έως 79%. Μέχρι στιγμής καμία ολοκληρωμένη ετερογενής μεθοδολογία δεν είχε αναπτυχθεί για την εκλεκτική σύνθεση των 2-υποκατεστημένων βενζιμιδαζολίων και ιμιδαζολινών. Οι μεθοδολογίες που αναπτύχθηκαν ξεπερνούν τα προβλήματα που εμφανίζονται κατά την αντίδραση συμπύκνωσης των αλδεϋδών με τις διαμίνες, όπως η φτωχή εκλεκτικότητα των αντιδράσεων, η εμφάνιση παραπροϊόντων και των ενδιαμέσων ιμινών σε υψηλά ποσοστά, οι χαμηλές αποδόσεις των επιθυμητών προϊόντων αλλά και η δύσκολη απομόνωσή τους. Στο 2ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η εκλεκτική σύνθεση των 2-υποκατεστημένων τετραϋδροπυριμιδινών και των υδροχλωρικών αλάτων τους, δηλαδή ενώσεων που φέρουν το χαρακτηριστικό 1,3-Ν-εξαμελές ετεροκυκλικό δακτύλιο. Η σύνθεσή τους πραγματοποιήθηκε παρουσία 60 mg Au/TiO2 (1 wt.% Au, 2 – 3 nm AuNPs) σε 3 mL EtOH ή σε 3 mL του μίγματος διαλυτών CHCl3:MeOH (3:1) από πρώτες ύλες την 1,3-προπανοδιαμίνη και τις διάφορες αλδεΰδες. Έπειτα από 18 h αντίδρασης στους 80 °C παραλήφθηκαν επιτυχώς 18 1,4,5,6-τετραϋδροπυριμιδινικά υδροχλωρικά άλατα με τις αποδόσεις τους να ξεπερνούν το 75%. Η συγκεκριμένη προσέγγιση ήταν άγνωστη στη βιβλιογραφία και παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των γνωστών μέχρι στιγμής βιβλιογραφικών αναφορών. Η χρήση χλωριωμένων διαλυτών οδήγησε στον εκλεκτικό σχηματισμό των υδροχλωρικών αλάτων των τετραϋδροπυριμιδινών, τα οποία είναι πολύ πιο σταθερά και απομονώνονται αρκετά εύκολα. Η παρουσία Au/TiO2 στην εξαρτώμενη από τον διαλύτη σύνθεση των τετραϋδροπυριμιδινικών παραγώγων ή των υδροχλωρικών αλάτων τους υπογραμμίζει το διττό ρόλο των AuNPs, παρέχοντας μια χρήσιμη συνθετική εφαρμογή του συγκεκριμένου καταλυτικού πρωτοκόλλου. Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η καταλυτική αποτελεσματικότητα του HAuCl4 αλλά και του H4SiW12O40 στο μετασχηματισμό της 2-φουρφουραλδεΰδης προς τις trans-4,5-διαμινοκυκλοπεντ-2-εν-1-όνες (trans-DACPs) παρουσία δευτεροταγών αμινών και πρωτοταγών αρωματικών αμινών με pKb > 9. Οι αντιδράσεις έλαβαν χώρα σε διαλύτη MeCN στους 25 °C, όπου η παρουσία και των δύο καταλυτικών συστημάτων διευκόλυνε την πρόσβαση σε μία βιβλιοθήκη trans-DACPs με τη χρήση χαμηλών ποσοστών καταλυτών χωρίς την προσθήκη πρόσθετων αντιδραστηρίων, σε σύντομους χρόνους αντίδρασης και σε καλές έως υψηλές αποδόσεις. Τα παραπάνω καταλυτικά πρωτόκολλα βρήκαν εφαρμογή σε πληθώρα υποστρωμάτων υπό ήπιες συνθήκες και αντιπροσωπεύουν τα πρώτα παραδείγματα που βασίζονται την όξινη φύση των καταλυτών χρυσού και των πολυοξομεταλλικών πλειάδων.