Valorisation of Renewable Building Blocks via Transition Metal Catalysis – Glycerol- and Amino Acid Derived Compounds in Hydrogen Borrowing and RuAAC Reactions
Doktorsavhandling, 2017

To a large extent, organic building blocks are today obtained from petroleum-based products. From an environmental point of view, biomass-derived compounds are more sustainable alternatives to such oil-derived molecules. The 12 principles of green chemistry describe how chemical processes can be improved in terms of sustainability. With some of these principles as guidelines, this thesis considers the upgrading of renewable glycerol- and amino acid-derived compounds using two different atom economic catalytic reactions: the hydrogen borrowing reaction, and the ruthenium-catalysed azide-alkyne cycloaddition (RuAAC) reaction. First, the glycerol derivatives solketal and 1,3-propanediol were investigated as starting materials in organic transformations using hydrogen borrowing methodology. Solketal was aminated with a set of secondary amines as well as sterically hindered primary amines, yielding the corresponding amino glycerol derivatives in good to excellent yields, using [Ru(p-cymene)Cl2]2 as the catalyst. Deprotection of the acetal gave the free amino diol, and this reaction sequence was used to synthesise the antitussive agent dropropizine in two steps from solketal. Furthermore, the iridium-catalysed α-alkylation of acetophenone with 1,3-propanediol was investigated. A mixture of products was obtained in moderate yields when using [Ir(cod)Cl]2 as the catalyst, while the selectivity could be improved by instead utilising an iridium-carbene complex as the catalyst. Hydrogen transfer methodology was also employed in the synthesis of chromanone scaffolds from 2’-hydroxyacetophenone and an alcohol. Brief mechanistic insight was gained considering the two reaction types via deuterium-labelling experiments and computational techniques, respectively. In addition, chiral triazole δ-amino acids were constructed via a RuAAC reaction for the construction of foldamers. Eight chiral triazoles were synthesized in good yields. Computational conformational studies revealed that the synthesised monomers had several low energy conformations that could be part of a well-defined three-dimensional foldameric structure. Finally, the RuAAC reaction was used in combination with a hydrogen borrowing cyclisation reaction for the construction of 1,5-fused triazole piperazines from a simple amino acid derived azide. A set of 14 different triazoles were synthesised in moderate to excellent yields, and 7 of these triazoles were successfully cyclised to give the desired 1,5-fused triazoles in two steps.

amination

alkylation

RuAAC

1 3-propanediol

renewable precursors

hydrogen borrowing

1 2 3-triazole

solketal

glycerol

amino acid-derived azide

KB-salen, Kemigården 4
Opponent: Førsteamanuensis Annette Bayer, Department of Chemistry, UiT The Arctic University of Norway, Tromsø

Författare

Anna Said Stålsmeden

Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi, Organisk kemi

Glycerol Upgrading via Hydrogen Borrowing: Direct Ruthenium- Catalyzed Amination of the Glycerol Derivative Solketal

ACS Sustainable Chemistry & Engineering,; Vol. 4(2016)p. 5730-5736

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Said Stålsmeden, A., Runemark, A., Lorenzini, F., Marr, A. C., Norrby, P-O., Kann, N., Direct Catalytic C-C Bond Formation Using a Renewable Precursor: Iridium-Catalyzed Alkylation of Acetophenone with 1,3-Propanediol

Said Stålsmeden, A., Johansson, J. R., Thunberg, L., Beke-Somfai, T., Kann, N., Towards Complex Triazole Amino Acids: Synthesis and Structural Properties of Chiral 1,5-Disubstituted 1,2,3-Triazole Dipeptide Derivatives

Said Stålsmeden, A., Runemark, A., Johansson, J. R., Norrby P-O., Kann, N., Synthesis of 1,5-Fused 1,2,3-Triazole Piperazines via a RuAAC – Hydrogen Borrowing Route

Organisk kemi handlar till stor del om att bygga nya molekyler genom att skapa nya bindningar. Många organiska byggstenar kommer idag från den petrokemiska industrin. Förnyelsebara råvaror såsom växter, grödor och träd är också uppbyggda av organiska molekyler, men har en annorlunda sammansättning. Detta innebär att modifieringen av förnyelsebara råmaterial kräver andra typer av kemiska processer än oljebaserade material.

I den här avhandlingen har vi inriktat oss på att utveckla och modifiera kemiska reaktioner för att använda förnyelsebara råvaror. Vi har förädlat molekyler som till exempel erhålls som slaggprodukter vid biobränsleproduktion, med hjälp av katalytiska processer som enbart kräver små mängder tillsatser och där merparten av atomerna i startmaterialen återfinns i produkterna. Detta minimerar mängden avfall och gör processerna atomekonomiska.

Mer specifikt har två olika glycerol-derivat använts för att bilda nya molekyler med hjälp av hydrogen borrowing-katalys, en metod som möjliggör skapandet av nya bindningar direkt från hydroxyl-grupper med vatten som enda biprodukt, något som med traditionella metoder kräver flera reaktionssteg och ofta genererar mycket avfall. Samma typ av kemiska reaktioner har också använts vid bildandet av kromanoner, substanser som är av intresse inom läkemedelsindustrin. Dessutom har rutenium-katalyserad azid-alkyn-cykloaddition (RuAAC) använts för att från aminosyra-derivat tillverka cykliska kväveinnehållande molekyler – triazoler – som kan användas för att bilda peptidlika strukturer. De två reaktionerna har också kombinerats för att snabbt bilda mer komplexa polycykliska strukturer.

Sammanfattningsvis har vi visat att det med hjälp av metallkatalyserade reaktioner är möjligt att bilda nya små funktionella molekyler från glycerol- och aminosyra-derivat på ett effektivt och atomekonomiskt sätt.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Ämneskategorier

Organisk kemi

ISBN

978-91-7597-582-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4263

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KB-salen, Kemigården 4

Opponent: Førsteamanuensis Annette Bayer, Department of Chemistry, UiT The Arctic University of Norway, Tromsø