Sustainable catalytic systems development and applications in organic chemistry

Abstract

Sustainable chemistry advances catalytic transformations by enabling efficient and eco-friendly methods for synthesizing complex organic molecules. This thesis emphasizes on the development of selective catalytic systems that utilize abundant metals, renewable feedstocks, and/or non-toxic solvents to produce valuable compounds for diverse applications. Chapter 1 provides a brief introduction to the main themes explored in this dissertation, offering background for the research presented in subsequent chapters. In this context, the principles of Ullmann-type couplings are discussed, highlighting their role in the synthesis of benzoxanthene and benzo[4,5]imidazo[1,2-a]pyrimidine derivatives. Then, an overview of the involvement of carbenes in the synthesis of carbene-metal-amide catalysts is presented, including a detailed discussion of their applications in catalytic transformations, among others as organocatalysts for CO₂ capture in the synthesis of propargylic esters. Finally, the significance of sulfones in organic chemistry is outlined, together with an introduction to C–H activation and its applications in sulfone synthesis.In Chapter 2, a copper-catalyzed methodology for the synthesis of oxygen-containing polyaromatic molecules is presented. This approach involves the reaction of N-(substituted)-4,5-dibromo-1,8-naphthalimide derivatives with substituted phenols through an Ullmann reaction, followed by an intramolecular C–H arylation step. Notably, this protocol for synthesizing benzoxanthenes employs microwave irradiation, making the methodology both efficient and expedient. Detailed optimization experiments are discussed, followed by the evaluation against a series of substrates, leading to the synthesis of structurally and synthetically intriguing compounds that demonstrate the catalytic potential of the developed protocol. Finally, mechanistic investigations, including control experiments, kinetic isotope effect measurements, and DFT calculations, are presented providing insights into the reaction mechanism. In Chapter 3, a novel, copper-catalyzed protocol for the one-pot synthesis of benzo[4,5]imidazo[1,2-a]pyrimidine analogues is presented. This approach involves a double Ullmann reaction followed by a crucial N-alkylation step. The N-alkylation enhances product solubility, but also generates two regioisomeric products: the major product resulting from the alkylation of the exocyclic nitrogen, and the minor product from the alkylation of the nitrogen in the five-membered ring of 2-aminobenzimidazole. The reaction employs a low cost copper catalyst at very low catalyst loadings. Detailed optimization experiments are described, followed by an extensive study of various N-(substituted)-4,5-dibromo-1,8-naphthalimide and 2-aminobenzimidazole derivatives. A brief photophysical study is also presented, suggesting potential technological applications of the synthesized compounds. In Chapter 4, the design, synthesis, and comprehensive characterization of a new family of air-, light-, and moisture-stable Au-, Ag-, and Cu–NHC complexes bearing the 1H-benzotriazolyl anion as an amide donor are presented. These complexes are synthesized via a facile, sustainable, and straightforward protocol, employing commercially available starting materials under mild reaction conditions with green solvents, without requiring an inert atmosphere. Their molecular structures were determined through X-ray diffraction analysis, and their solution behavior was examined using NMR spectroscopy. The catalytic potential of these complexes was explored both in the intramolecular cyclization of propargylamides and the hydrosilylation of carbonyl compounds. In Chapter 5, a novel organocatalytic protocol for the multicomponent carboxylative coupling of terminal alkynes with organochlorides and CO₂ is described. This reaction utilizes an in situ generated polymeric NHC precursor supported on vinylic addition polynorbornene (VA-PNB). The supported catalyst offers advantages such as straightforward preparation of polymeric imidazolium salts and their easy regeneration for reuse. The protocol is user-friendly, efficient, and versatile, accommodating both electron-withdrawing and electron-donating aromatic substituents on terminal alkynes while using low catalyst loadings. In Chapter 6, a preliminary study towards a nickel-catalyzed decarboxylative protocol for synthesizing aryl sulfones is described, employing 1H-indole-3-carboxylic acid and 4-toluenesulfonyl chloride as substrates. The reaction uses the same nickel catalyst for the decarboxylation step, eliminating the need for additional catalysts, and selectively forms sulfones at the C3 position of indole. Optimization experiments yielded the desired product, 3-((4-methoxyphenyl)sulfonyl)-1H-indole, in low to moderate yields under microwave irradiation.

Η βιώσιμη χημεία προάγει τους καταλυτικούς μετασχηματισμούς, επιτρέποντας αποδοτικές και φιλικές προς το περιβάλλον μεθόδους για τη σύνθεση πολύπλοκων οργανικών μορίων. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην ανάπτυξη εκλεκτικών καταλυτικών συστημάτων που αξιοποιούν άφθονα μέταλλα, ανανεώσιμες πρώτες ύλες και μη τοξικούς διαλύτες για την παραγωγή πολύτιμων ενώσεων με ποικίλες εφαρμογές. Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται μια σύντομη εισαγωγή στις κύριες θεματικές που εξετάζονται στη διατριβή, παρέχοντας το απαραίτητο υπόβαθρο για την έρευνα που παρουσιάζεται στα επόμενα κεφάλαια. Στο πλαίσιο αυτό, συζητούνται οι αρχές των αντιδράσεων σύζευξης τύπου Ullmann, με έμφαση στον ρόλο τους στη σύνθεση παραγώγων βενζοξανθενίου και βενζοϊμιδαζο[1,2-a]πυριμιδίνης. Ακολουθεί επισκόπηση της συμμετοχής των καρβενίων στη σύνθεση καταλυτών τύπου καρβένιο-μέταλλο-αμίδιο, συμπεριλαμβανομένης αναλυτικής συζήτησης για τις εφαρμογές τους σε καταλυτικές μετατροπές και ως οργανικοί καταλύτες στη δέσμευση CO₂ για τη σύνθεση προπαργυλικών εστέρων. Τέλος, περιγράφεται η σημασία των σουλφονών στην οργανική χημεία, καθώς και μια εισαγωγή στην ενεργοποίηση δεσμού C–H και τις εφαρμογές της στη σύνθεση σουλφονών. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται ένα πρωτόκολλο για τη σύνθεση πολυαρωματικών ενώσεων με οξυγόνο καταλυμένη από χαλκό. Η προσέγγιση περιλαμβάνει την αντίδραση των παραγώγων N-(υποκατεστημένων)-4,5-διβρω-1,8-ναφθαλιμιδίων με υποκατεστημένα παράγωγα φαινολών μέσω αντίδρασης Ullmann, ακολουθούμενη από ενδομοριακής αριλίωση δεσμού C–H. Είναι σημαντικό ότι το πρωτόκολλο χρησιμοποιεί μικροκυματική ακτινοβολία, καθιστώντας τη μεθοδολογία αποδοτική και πρακτική λόγω εξοικονόμησης χρόνου. Παρουσιάζονται αναλυτικά πειράματα βελτιστοποίησης της αντίδρασης, ακολουθούμενα από την αξιολόγηση μιας σειράς υποστρωμάτων για την σύνθεση ενδιαφερόντων δομικά ενώσεων. Τέλος, παρουσιάζονται μηχανιστικά πειράματα που περιλαμβάνουν πειράματα ελέγχου, πειράματα μέτρησης κινητικών ισοτοπικών φαινομένων, καθώς και υπολογισμοί DFT, προκειμένου να διερευνηθεί ο μηχανισμός της αντίδρασης. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται ένα νέο πρωτόκολλο για τη σύνθεση παραγώγων βενζο[4,5]ιμιδαζο[1,2-a]πυριμιδινών καταλυμένο από χαλκό, σε ένα μόνο βήμα. Αυτή η προσέγγιση περιλαμβάνει μια διπλή αντίδραση Ullmann, ακολουθούμενη από ένα κρίσιμο βήμα N-αλκυλίωσης, το οποίο ενισχύει τη διαλυτότητα των προϊόντων και οδηγεί στη σύνθεση δύο ισομερών: το κύριο προϊόν από την αλκυλίωση του εξωτερικού αζώτου του 2-αμινοβενζιμιδαζόλης και το δευτερεύον από την αλκυλίωση του αζώτου στον πενταμελή δακτύλιο. Η αντίδραση χρησιμοποιεί χαμηλού κόστους καταλύτη χαλκού σε πολύ μικρές ποσότητες. Παρουσιάζονται αναλυτικά πειράματα βελτιστοποίησης, ακολουθούμενα από μελέτη διαφόρων υποστρωμάτων N-(υποκατεστημένων)-4,5-διβρω-1,8-ναφθαλιμιδίων και 2-αμινοβενζιμιδαζολών. Επίσης, συζητείται μια συνοπτική φωτoφυσική μελέτη των συντιθέμενων ενώσεων που υποδεικνύει πιθανές τεχνολογικές εφαρμογές τους. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται ο σχεδιασμός, η σύνθεση και ο εκτενής χαρακτηρισμός μιας νέας οικογένειας ενώσεων Au-, Ag- και Cu-NHC σταθερών στον αέρα, το φως και την υγρασία που φέρουν το ανιόν 1H-βενζοτριαζολυλίου ως δότη αμιδίου. Η σύνθεση των συμπλόκων είναι εύκολη και βιώσιμη, χρησιμοποιώντας εμπορικά διαθέσιμες πρώτες ύλες και «πράσινους» διαλύτες υπό ήπιες συνθήκες αντίδρασης χωρίς την ανάγκη αδρανούς ατμόσφαιρας. Οι δομές των καταλυτών καθορίστηκαν μέσω ανάλυσης ακτίνων-Χ και μελετήθηκε η συμπεριφορά τους σε διάλυμα μέσω φασματοσκοπίας NMR. Η καταλυτική δράση αυτών των ενώσεων μελετήθηκε στις αντιδράσεις ενδομοριακής κυκλοποίησης προπαργυλαμιδίων και στην υδροσιλυλίωση καρβονυλικών ενώσεων. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται ένα νέο οργανοκαταλυτικό πρωτόκολλο για τη σύνθεση προπαργυλικών εστέρων μέσω της αντίδρασης τερματικών αλκινιών με οργανοχλωρίδια και CO₂. Η αντίδραση καταλύεται από ένα in situ παραγόμενο πολυμερές πρόδρομο Ν-ετεροκυκλικό καρβένιο στηριγμένο σε ένα πολυβινυλικό πολυνορβορνένιο (VA-PNB). Η χρήση στηριγμένου καταλύτη προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα, όπως η εύκολη σύνθεση πολυμερικών Ν-ετεροκυκλικών αλάτων και η δυνατότητα αναγέννησής του για επαναχρησιμοποίηση. Το πρωτόκολλο είναι φιλικό προς τον χρήστη, αποδοτικό και ευέλικτο, επιτρέποντας τη χρήση τερματικών αλκινιών που φέρουν τόσο ηλεκτρονιοδοτικούς όσο και ηλεκτρονιοαρνητικούς υποκατάστατες. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται ένα νέο, καταλυόμενο από νικέλιο πρωτόκολλο για τη σύνθεση άρυλο σουλφονών, χρησιμοποιώντας 1H-ινδόλιο-3-καρβοξυλικό οξύ και 4-μεθοξυτοσυλο χλωρίδιο, ακολουθούμενο από αποκαρβοξυλίωση του υποστρώματος. Η αντίδραση χρησιμοποιεί τον ίδιο καταλύτη νικελίου για την αντίδραση αλλά και για την αποκαρβοξυλίωση, εξαλείφοντας την ανάγκη για επιπλέον προσθήκη καταλύτη. Οι αντιδράσεις βελτιστοποίησης οδήγησαν στην επιθυμητή ένωση, 3-((4-μεθοξυφαινυλ)σουλφονυλ)-1H-ινδόλιο, σε χαμηλές έως μέτριες αποδόσεις υπό μικροκυματική ακτινοβολία.