Development of Aerobic Oxidative N-Heterocyclic Carbene Catalysis via Multistep Electron Transfer and its Application

Doctoral thesis, 2019

Att konstruera molekyler på ett kontrollerbart sätt är en av den organiska kemins huvuduppgift. Genom att kontrollera molekylens struktur styr man dess funktion. Det är alltså molekylens struktur som avgör om den kan användas för att bota huvudvärk eller som solskyddsmedel. För att konstruera dessa molekyler använder sig kemister av olika reaktioner för att antingen koppla samman små molekyler till större eller för att förändra strukturen av en redan befintlig molekyl. Dessa reaktioner utgör kemistens verktygslåda.

Målet för denna avhandling har varit att utveckla nya reaktioner för att konstruera molekyler. I designen av dessa har vi tagit hänsyn till två kriterier. Innebär den nya reaktionen ett mer hållbart alternativ till existerande metoder eller ger den nya reaktionen tillgång till molekylära strukturer som är svåra att konstruera på andra vis. Att utveckla mer hållbara kemiska reaktioner är oerhört viktigt för att minska den kemiska industrins miljöavtryck. Vi har fokuserat på en typ av reaktioner som kallas för oxidationsreaktioner, en reaktionstyp som kännetecknas av användandet av giftiga reagens och bildandet av stora mängder avfall.

Vår strategi har varit att använda den syrgas som finns i luften omkring oss för att ersätta konventionella oxidanter. Syrgas har många fördelaktiga egenskaper så som låg giftighet, god tillgång, hög effektivitet och att det enda avfall som bildas är vatten. Tyvärr är syrgas inte särskilt reaktivt vid rumstemperatur. Så för att effektivt kunna använda syrgas som oxidationsmedel har vi använt en aktiveringsstrategi som kallas elektronöverförings förmedlare (electron transfer mediators). Denna strategi har kombinerats med en typ av katalysatorer som kallas för N-heterocykliska karbener. Genom att kombinera dessa två strategier har vi utvecklat reaktioner som möjliggör aerobisk oxidation av aldehyder till flera olika föreningar så som estrar, imider och dihydropyranoner. I vissa fall har vi även kunnat syntetisera industriellt viktiga molekyler, så som solskyddsmedlen amiloxate och octinoxate. Dessa reaktioner kännetecknas av milda förhållanden och en tydligt minskad andel avfall.

Slutligen presenteras en metod för att omvandla de dihydropyranoner vi konstruerat till en klass molekyler som kallas for 5-oxo-hexanoater och 5-oxo-hexanamider. Det är svårt att konstruera dessa typer av molekyler med andra metoder, vilket visar att dihydropyranoner kan fungera som värdefulla byggstenar för vidare syntes. Vi har även undersökt hur reaktionen sker genom att studera hur reaktionshastigheten varierar med olika reaktionsförhållanden, så kallade kinetiska experiment, och genom teoretiska beräkningar.

Sammanfattningsvis har vi visat att det är möjligt att använda syrgas som oxidant i reaktioner som katalyseras av N-heterocykliska karbener. Strategin har visat sig vara relativt generell och har använts i flera olika reaktioner. Att använda syrgas som oxidant har lett till att mängden avfall i dessa reaktioner minskar rejält.