Development of Aerobic Oxidative N-Heterocyclic Carbene Catalysis via Multistep Electron Transfer and its Application
Doktorsavhandling, 2019

Oxidation reactions are ubiquitous in synthetic chemistry, but generally suffer from formation of large amounts of potentially toxic byproducts. Aerial oxygen represents an ideal oxidant since it is inexpensive, non-toxic and only forms water as a byproduct. However, aerobic oxidations are characterized by high activation barriers leading to formation of kinetic side products. A common way to circumvent this is by introducing electron transfer mediators (ETMs) to achieve kinetically useful reactions.

N-heterocyclic carbenes (NHCs) are an important group of organocatalysts that have been used in a wide range of both redox neutral and oxidative transformations. In this thesis, an ETM strategy is used to enable aerobic NHC catalysis. The developed protocol has been employed in aerobic acylations of a wide range of alcohols and oxazolidinones. A method for telescoped carbonation and acylation of the biobased feedstock glycerol has also been developed. The aerobic system was also extended to both the racemic and asymmetric synthesis of dihydropyranones.

Lastly, the obtained dihydropyranones were used to achieve the formal addition of acetone to unactivated Michael acceptors. The method furnishes 5-oxohexanoates and 5-oxohexanamides in good to excellent yields and proceeds through a ring-opening and retro-Claisen fragmentation sequence. The mechanism has been investigated using both kinetic and density functional theory methods, and a dual role of the catalyst is proposed.

To summarize, the combination of ETMs and NHC catalysis enable the use of aerial oxygen as the terminal oxidant in distinct reaction pathways, with water as the only byproduct.

dihydropyranone

Michael addition

kinetics.

aerobic oxidation

acylation

N-heterocyclic carbene

green chemistry

Organocatalysis

electron transfer mediator

asymmetric synthesis

sal SB-H6, Sven Hultins Gata 6, Göteborg
Opponent: Professor dr. Kirsten Zeitler, Leipzigs universitet, Tyskland.

Författare

Anton Axelsson

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi, Organisk kemi

Organocatalytic valorisation of glycerol via a dual NHC-catalysed telescoped reaction

Green Chemistry,; Vol. 19(2017)p. 2477-2481

Artikel i vetenskaplig tidskrift

N-Acylation of Oxazolidinones via Aerobic Oxidative NHC Catalysis

Journal of Organic Chemistry,; Vol. 83(2018)p. 12261-12268

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Asymmetric aerobic oxidative NHC-catalysed synthesis of dihydropyranones utilising a system of electron transfer mediators

Chemical Communications,; Vol. 52(2016)p. 11571-11574

Artikel i vetenskaplig tidskrift

A. Axelsson, E. Hammarvid, M. Rahm, H. Sundén – Formal addition of acetone to unactivated Michael acceptors via ring-opening and retro-Claisen fragmentation of dihydropyranones

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.

Ämneskategorier

Oorganisk kemi

Kemi

Organisk kemi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

ISBN

978-91-7905-231-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4698

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

sal SB-H6, Sven Hultins Gata 6, Göteborg

Opponent: Professor dr. Kirsten Zeitler, Leipzigs universitet, Tyskland.

Mer information

Senast uppdaterat

2019-12-18