Ανάπτυξη και μελέτη νέων οργανοκαταλυτικών πράσινων αντιδράσεων

Abstract

Organocatalysis is a rapidly developing field of catalysis that enables the discovery of new synthetic pathways. In recent years, efforts have intensified toward the use of mild, more environmentally friendly methods, as well as the use of light in photochemical reactions, with the aim of promoting Green Chemistry. In the first chapter of this thesis, Organocatalysis is introduced, with a particular focus on halogen-bond catalysis. The second chapter introduces Photochemistry, placing greater emphasis on compounds that function as photoacids or as photoinduced acid generators. The third chapter introduces carbocatalysis, highlighting the catalytic properties of graphene acid. The aim of the present thesis (fourth chapter) was the development of three different protocols for the synthesis of bis(indolyl)methanes, the development of an organocatalytic protocol for the synthesis of acetals via halogen bonding, the development of an organocatalytic protocol for the Diels–Alder reaction between anthracene and maleimides, the development of a photochemical protocol for the Michael addition of indoles to α,β-unsaturated ketones, as well as the development of a photocatalytic protocol for the hydroacylation of unactivated olefins.The fifth chapter presents in detail the development of three different protocols for the synthesis of bis(indolyl)methanes (BIMs): A) A mild, economical, environmentally friendly, and organocatalytic protocol for the Friedel–Crafts-type reaction between indoles and aldehydes, using N heterocyclic iodo(az)olium salts (NHISs) as halogen bond catalysts, leading to the formation of BIMs, B) a versatile, economical, and sustainable protocol for the preparation of valuable bis(indolyl)methanes via a metal free, visible light mediated Friedel–Crafts arylation, exploiting the behavior of arylazosulfones as photoacid generators (PAGs) and C) an environmentally friendly and efficient protocol for the synthesis of BIMs using graphene acid (GA) as an effective, metal free carbocatalyst in low loading. The sixth chapter presents the development of a mild, economical, and efficient protocol for the reaction between aldehydes and alcohols to form acetals, using N heterocyclic iodo(az)olium salts (NHISs) as halogen bond catalysts. The seventh chapter presents the development of a mild, cost effective, and organocatalytic protocol for the Diels–Alder reaction between anthracene and maleimides, using NHISs as halogen bond catalysts. The eighth chapter presents the development of a mild and simple photochemical protocol for the reaction between indoles and α,β unsaturated ketones to produce β indolyl ketones, in the presence of an arylazosulfone as a photoinduced acid generator. The ninth chapter describes my participation in additional projects, involving the use of arylazosulfones as photoacids, in collaboration with the research group of Professor Stefano Protti at the University of Pavia in Italy. The tenth chapter presents the development of a protocol for the esterification of carboxylic acids using arylazosulfones as photoacids. The eleventh chapter presents the development of a mild, economical, and photocatalytic protocol for the hydroacylation of unactivated olefins, employing naphthoylidenebenzimidazole (NBI) as a catalyst and blue LED lamps as the irradiation source. The final chapter of this thesis includes all experimental procedures followed and the characterization of all isolated compounds.

Η Οργανοκατάλυση αποτελεί έναν ταχέως αναπτυσσόμενο τομέα κατάλυσης, ο οποίος δίνει τη δυνατότητα εύρεσης νέων συνθετικών μονοπατιών. Τα τελευταία χρόνια, εντείνονται οι προσπάθειες για τη χρήση ήπιων, πιο οικολογικών μεθόδων, αλλά και για τη χρήση φωτός σε φωτοχημικές αντιδράσεις, με σκοπό την ανάδειξη της Πράσινης Χημείας. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής γίνεται μια εισαγωγή στην Οργανοκατάλυση, και πιο συγκεκριμένα στην κατάλυση μέσω δεσμού αλογόνου. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη Φωτοχημεία, δίνοντας μεγαλύτερη έμφαση σε ενώσεις που λειτουργούν ως Φωτοοξέα και τη φωτοεπαγώμενη παραγωγή οξέων. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή στην καρβοκατάλυση, δίνοντας έμφαση στις καταλυτικές ιδιότητες του οξέος του γραφενίου. Σκοπός της παρούσας διατριβής (τέταρτο κεφάλαιο) αποτέλεσε η ανάπτυξη τριών διαφορετικών πρωτοκόλλων για τη σύνθεση δις(ινδολυλο)μεθανίων, η ανάπτυξη ενός οργανοκαταλυτικού πρωτοκόλλου για τη σύνθεση ακεταλών μέσω δεσμού αλογόνου, η ανάπτυξη ενός οργανοκαταλυτικόυ πρωτοκόλλου για την αντίδραση Diels-Alder μεταξύ ανθρακενίου και μαλεïμιδίων, η ανάπτυξη ενός φωτοχημικού πρωτοκόλλου προσθήκης Michael ινδολιών σε α,β-ακόρεστες κετόνες, καθώς και η ανάπτυξη ενός φωτοκαταλυτικού πρωτοκόλλου για την υδροακυλίωση μη ενεργοποιημένων ολεφινών. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται λεπτομερώς η ανάπτυξη τριών διαφορετικών πρωτοκόλλων για τη σύνθεση δις(ινδολυλο)μεθανίων (BIMs): Α) Ενός ήπιου, οικονομικού, φιλικού προς το περιβάλλον και οργανοκαταλυτικού πρωτοκόλλου για την αντίδρασης τύπου Friedel-Crafts μεταξύ ινδολιών και αλδεϋδών, με την χρήση Ν-ετεροκυκλικών ιωδο(αζ)ολιακών αλάτων (NHISs) ως καταλύτες μέσω δεσμού αλογόνου, οδηγώντας στο σχηματισμό BIMs, Β) ενός ευέλικτου, οικονομικού και βιώσιμου πρωτόκολλου για την Παρασκευή πολύτιμων δις(ινδολυλο)μεθανίων μέσω αρυλίωσης τύπου Friedel-Crafts, με μεσολάβηση ορατού φωτός και χωρίς τη χρήση μετάλλων, εκμεταλλευόμενοι τη συμπεριφορά των αρυλαζοσουλφονών ως μόρια για τη φωτοεπαγώμενη παραγωγή οξέος (PAGs) και Γ) ενός φιλικού προς το περιβάλλον και αποτελεσματικού πρωτοκόλλου για τη σύνθεση των BIMs, χρησιμοποιώντας το οξύ του γραφενίου (GA) ως αποδοτικό, χωρίς μέταλλα, καρβοκαταλύτη, σε χαμηλή ποσότητα. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός ήπιου, οικονομικού και αποδοτικού πρωτοκόλλου για την αντίδραση μεταξύ αλδεϋδών με αλκοόλες για το σχηματισμό ακεταλών, με την χρήση Ν-ετεροκυκλικών ιωδο(αζ)ολιακών αλάτων (NHISs) ως καταλύτες μέσω δεσμού αλογόνου. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός ήπιου, οικονομικά αποδοτικού και οργανoκαταλυτικού πρωτοκόλλου για την αντίδραση Diels–Alder μεταξύ ανθρακενίου με μαλεïμίδια, με την χρήση Ν-ετεροκυκλικών ιωδο(αζ)ολιακών αλάτων (NHISs) ως καταλύτες μέσω δεσμού αλογόνου. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάπτυξη ένα ήπιου και απλού φωτοχημικού πρωτοκόλλου για την αντίδραση μεταξύ ινδολιών και α,β-ακόρεστων κετονών, με σκοπό την παραγωγή β-ινδολυλοκετονών, παρουσία μιας αρυλαζοσουλφόνης ως πρόδρομης ένωσης για τη φωτοεπαγώμενη παραγωγή οξέως. Στο ένατο κεφάλαιο αναφέρεται η συμμετοχή σε άλλα πρότζεκτ με τη χρήση των αρυλαζοσουλφονών ως φωτοοξέα σε συνεργασία με την ερευνητική ομάδα του Καθηγητή Stefano Protti από το Πανεπιστήμιο της Παβία στην Ιταλία. Στο δέκατο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου για την εστεροποίηση καρβοξυλικών οξέων με τη χρήση αρυλαζοσουλφονών ως φωτοοξέα. Στο ενδέκατο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός ήπιου, οικονομικού και φωτοκαταλυτικού πρωτόκολλου για την υδροακυλίωση μη ενεργοποιημένων ολεφινών, αξιοποιώντας το ναφθαλοϋλιδενοβενζιμιδαζόλιο (NBI) ως καταλύτη και μπλε LED λάμπες ως πηγή ακτινοβόλησης. Στο τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής περιγράφονται όλες οι πειραματικές πορείες που ακολουθήθηκαν και ο χαρακτηρισμός όλων των ενώσεων που απομονώθηκαν.