Transition Metal-Mediated Selective Functionalizations of Bio-Derived Building Blocks
Doktorsavhandling, 2021

In order to transition to a more sustainable chemical industry, it is necessary to replace the fossil starting materials that are largely used today with renewable ones. Starting materials available from abundant natural sources, or which can be efficiently produced via a biotransformation, are of high interest in this regard. The building blocks obtained from nature often differ from those derived from petroleum, both in composition and structure, and when the raw materials change, the chemistry we use needs to follow. Developing new ways to selectively modify these bio-derived starting materials is therefore of great importance. In this thesis, new methods for the selective functionalization of bio-derivable molecules are presented, with focus on materials available in bulk or which can be harnessed from a biotransformation. The goal is to produce new classes of chemicals which can be useful in various applications and to use the synthetic handles present in the starting materials to efficiently introduce a high degree of complexity.

The first part of this thesis concerns the iron-mediated nucleophilic addition to cationic iron carbonyl dienyl complexes. The scope of this reaction was expanded to include the selective C- or O-addition of phenols. Phenolic molecules are interesting as green building blocks, as they can be obtained in large quantities from lignin byproducts of the pulp and paper industry. In addition, azulenes were also shown to be competent nucleophiles in the addition reaction, where the azulene scope included guaiazulene, available from natural sources, and derivatives thereof. Azulenes have sparked a large recent interest due to their potential for applications in optoelectronic devices such as solar cells.

The second method investigated in this thesis is the palladium-catalyzed selective modification of a chiral building block obtained via a biotransformation of benzoic acid. Palladium-catalyzed Heck-type arylation showed an interesting synergy with the biocatalytically derived dihydroxylated cyclohexadienes, reacting with high selectivity and achieving a transfer of valuable steric information installed in the biotransformation to the newly formed C-C bond. This palladium-catalyzed transformation was also modelled using DFT calculations. Furthermore, if an ortho-iodo benzaldehyde is used as the aryl halide coupling partner, the arylation triggers a domino reaction, forming a chiral tetrahydrofluorenone. This domino reaction installs a high degree of complexity in a single synthetic step and represents an unprecedented acylation-terminated Heck-type reaction.

Heck reaction

domino reactions

microbial arene oxidation

chirality transfer

palladium

green chemistry

azulenes

phenols

metal carbonyl

renewable resources

iron

HA1, Hörsalsvägen 4
Opponent: Sascha Ott, Uppsala universitet, Sverige

Författare

Petter Dunås

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi, Fysikalisk kemi

Selective Iron-Mediated C- and O-Addition of Phenolic Nucleophiles to a Cyclohexadiene Scaffold Using Renewable Precursors

ACS Sustainable Chemistry & Engineering,; Vol. 7(2019)p. 7155-7162

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Azulene functionalization by iron-mediated addition to a cyclohexadiene scaffold

Journal of Organic Chemistry,; Vol. 85(2020)p. 13453-16465

Artikel i vetenskaplig tidskrift

P. Dunås, A. J. Paterson, G. Kociok-Köhn, M. Rahm, S. E. Lewis, N. Kann. Palladium Catalyzed Stereoselective Domino Arylation-Acylation: An Entry to Chiral Hydrofluorenone Scaffolds

Organisk kemi handlar om att bryta och skapa kemiska bindningar på ett förutsägbart sätt. Med rätt metoder kan en specifik molekyl byggas upp med full precision. För att skapa nya molekyler har en organisk kemist ett stort antal verktyg i form av reaktioner, som kan användas för att omvandla startmaterialen till den önskade strukturen. För en effektiv kemisk omvandling måste både startmaterial och reaktioner väljas med omsorg. Idag är de flesta startmaterial som används baserade på fossila råvaror, men för att nå en hållbar kemiindustri är en övergång till förnyelsebara startmaterial nödvändig. Startmaterial från förnyelsebara källor har en annan sammansättning än fossila råvaror, så därför är det av stor vikt att utveckla och anpassa kemiska reaktioner så att de kan utnyttja de nya råvarorna så effektivt som möjligt. För att det ska vara hållbart att producera kemikalier från biomassa så är det viktigt att också biomassan kommer från en hållbar källa. Exempel på startmaterial som kan vara intressanta är molekyler som kan produceras från skogsråvara, eller som går att framställa effektivt med hjälp av en industriell jäsningsprocess.

I den här avhandlingen beskriver jag utvecklingen av två typer av reaktioner. Utvecklingen av dessa reaktioner har inte bara resulterat i nya sätta att modifiera dessa förnyelsebara startmaterial, utan också lett till flera nya typer av reaktioner och kemikalier som kan vara intressanta i framtida tillämpningar.

Den första reaktionen använder järn, en av de mest hållbara metallerna vi har, för att koppla ihop organiska molekyler. Här har vi konstaterat att under rätt förhållanden kan kopplingar till fenoler skapas med denna metod. Fenoler är en klass av molekyler som bygger upp lignin, en biprodukt från pappersindustrin som produceras i stora mängder. Genom att modifiera reaktionsförhållanden kan fenolerna även med hög precision styras att bilda antingen en ny kol-kolbindning eller en ny kol-syrebindning. Samma typ av reaktion har också kunnat användas för att modifiera azulener, en klass av molekyler som är intressanta för tillämpningar som till exempel solceller. Vissa azulener förekommer också naturligt i till exempel kamomill, och dessa visade sig ge mycket goda resultat i reaktionen.

Den andra reaktionen använder ett startmaterial framställt genom biokatalys, med hjälp av levande bakterier som kan skapa en komplex produkt från ett enkelt och billigt startmaterial. Dessa produkter visade sig interagera på ett intressant sätt i en palladiumkatalyserad Heckreaktion. Trots sin komplexa struktur och många möjliga reaktionsvägar gav reaktionen en hög selektivitet. Med rätt typ av reagens startades en så kallad dominoreaktion, där flera reaktioner följer efter varandra. Med denna metod kan molekyler med mycket komplex struktur byggas upp från enkla startmaterial, på ett effektivt sätt i få reaktionssteg.

Jag hoppas att dessa nya metoder kan underlätta användandet av förnyelsebara startmaterial inom organisk kemi. Jag hoppas också att de nya kemikalierna och reaktionerna kan bli ett värdefullt tillägg i den verktygslåda som organiska kemister har tillgänglig för att skapa nya molekyler.

Katalytiska metoder för förädling utav molekyler ifrån biomassa

Formas, 2016-01-01 -- 2018-12-31.

Katalytiska metoder för förädling utav molekyler ifrån biomassa

Formas, 2016-01-01 -- 2018-12-31.

Järn- och enzymbaserade kemiska verktyg för förädling av molekyler ifrån biomassa

Vetenskapsrådet (VR), 2016-01-01 -- 2019-12-31.

Infrastruktur

Chalmers infrastruktur för masspektrometri

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

Ämneskategorier

Teoretisk kemi

Organisk kemi

ISBN

978-91-7905-430-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4897

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

HA1, Hörsalsvägen 4

Online

Opponent: Sascha Ott, Uppsala universitet, Sverige

Mer information

Senast uppdaterat

2021-01-18