N-Heterocyclic Carbene Catalysis in Organic Synthesis - A Green Chemistry Approach
Doktorsavhandling, 2018
The twelve principles of green chemistry were created as a response to the multiple environmental issues caused by the release of waste from the chemical industry. The principles acts as a guide in the development of sustainable chemical processes for the syntheses of important molecules needed to sustain our living standards. This thesis will focus on the most important principle, catalysis, which can aid in making reactions more efficient and atomeconomic, hence reducing the formation of chemical waste. One type of catalyst is the N-heterocyclic carbene (NHC), a type of organocatalyst that has become an attractive tool for the synthesis of various interesting compounds. Two different methods of using NHC catalysis are presented.
The first method uses an imidazolium-based ionic liquid as an NHC-precatalyst for the synthesis of oxo triphenylhexanoates (OTHOs) in a highly stereo- and regioselective manner. The scope of the reaction is broad, with multiple functional groups tolerated. With this method, the selective modification of complex polyols, such as carbohydrates is possible. The reaction operates under mild conditions, can be performed in a one-pot multicomponent reaction without the use of protecting groups, and omits the use of solvent-demanding chromatography by a simple filtration work-up procedure.
The second method employs oxidative NHC catalysis for the synthesis of various α,β unsaturated esters, lactones, and acylated N-heterocyclic compounds such as indoles and oxazolidinones. An aerobic protocol was developed with the help of electron transfer mediators (ETMs) enabling the use of molecular oxygen as the terminal oxidant. This aerobic protocol allows for the substitution of a high molecular weight oxidant frequently associated with oxidative NHC catalysis. The developed method facilitates scale-up reactions and reduction of the chemical waste generated. The obtained products were also applied in further functionalization towards commercially interesting compounds.
This thesis demonstrates the use of catalysis for the development of reactions that are atomeconomic, energy efficient and avoid the creation of chemical waste. Moreover, with NHC catalysis readily available reagents could be utilized as starting materials, thus avoiding hazardous substrates. By the guidance of the principles of green chemistry more sustainable and benign reactions can be designed.
The first method uses an imidazolium-based ionic liquid as an NHC-precatalyst for the synthesis of oxo triphenylhexanoates (OTHOs) in a highly stereo- and regioselective manner. The scope of the reaction is broad, with multiple functional groups tolerated. With this method, the selective modification of complex polyols, such as carbohydrates is possible. The reaction operates under mild conditions, can be performed in a one-pot multicomponent reaction without the use of protecting groups, and omits the use of solvent-demanding chromatography by a simple filtration work-up procedure.
The second method employs oxidative NHC catalysis for the synthesis of various α,β unsaturated esters, lactones, and acylated N-heterocyclic compounds such as indoles and oxazolidinones. An aerobic protocol was developed with the help of electron transfer mediators (ETMs) enabling the use of molecular oxygen as the terminal oxidant. This aerobic protocol allows for the substitution of a high molecular weight oxidant frequently associated with oxidative NHC catalysis. The developed method facilitates scale-up reactions and reduction of the chemical waste generated. The obtained products were also applied in further functionalization towards commercially interesting compounds.
This thesis demonstrates the use of catalysis for the development of reactions that are atomeconomic, energy efficient and avoid the creation of chemical waste. Moreover, with NHC catalysis readily available reagents could be utilized as starting materials, thus avoiding hazardous substrates. By the guidance of the principles of green chemistry more sustainable and benign reactions can be designed.
aerobic oxidation
ionic liquid
sustainability
NHC catalysis
oxidative NHC catalysis
green chemistry
OTHO
Organocatalysis
KA-salen, Kemigården 4
Opponent: Professor Ramon Rios, University of Southampton, UK
Författare
Linda Ta
Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi
Oxidative organocatalytic chemoselective: N -acylation of heterocycles with aromatic and conjugated aldehydes
Chemical Communications,; Vol. 54(2018)p. 531-534
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Attractive aerobic access to the α,β-unsaturated acyl azolium intermediate: oxidative NHC catalysis via multistep electron transfer
Green Chemistry,; Vol. 18(2016)p. 686-690
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Direct Highly Regioselective Functionalization of Carbohydrates: A Three-Component Reaction Combining the Dissolving and Catalytic Efficiency of Ionic Liquids
European Journal of Organic Chemistry,; Vol. 2016(2016)p. 3339-3343
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Ionic Liquids as Carbene Catalyst Precursors in the One-Pot Four-Component Assembly of Oxo Triphenylhexanoates (OTHOs)
Catalysts,; Vol. 5(2015)p. 2052-2067
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Ionic Liquids as Precatalysts in the Highly Stereoselective Conjugate Addition of α,β-Unsaturated Aldehydes to Chalcones
Chemistry - A European Journal,; Vol. 20(2014)p. 13889-13893
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
Linda Ta, Anton Axelsson, Henrik Sundén, N-acylation of oxazolidinones via aerobic oxidative NHC catalysis
För att kunna bidra till ett hållbart samhälle och minska på det kemiska avfallet från industrin måste gamla resursintensiva processer ersättas med nya hållbara. Med detta som utgångspunkt har fältet grön kemi skapats. Grön kemi bygger på tolv principer som fungerar som en hållbarhetsguide för utveckling av kemiska processer och syntes av molekyler till bland annat material och läkemedel. En av principerna är användningen av katalys som kan förhindra bildningen av kemiskt avfall och är en av de viktigaste metoderna för att kunna bygga molekyler på ett effektivt och hållbart sätt. Typiskt för en katalysator är att den skyndar på en reaktion utan att själv förbrukas. Traditionellt har metallbaserade katalysatorer använts, de kräver dock miljöpåfrestande gruvindustri och är mindre robusta. På senare tid har därför användningen av små organiska molekyler som katalysatorer fungerat som ett hållbart alternativ till metallkatalysatorer. Dessa små organiska katalysatorer ingår numera i ett fält som kallas organokatalys.
Med inspiration av grön kemi beskriver jag i den här avhandlingen utvecklingen av två organokatalyserade metoder. Katalysatorerna består av N-heterocykliska karbener och med hjälp av dessa, kan vi använda lättillgängliga och förnyelsebara kemikalier som startmaterial för syntes av komplexa organiska molekyler.
Den första metoden beskriver användningen av karbener från joniska lösningsmedel som katalysatorer, för syntes av en molekyl vi har valt att kalla OTHO, efter det kemiska namnet oxotrifenylhexanoat. Grunden för detta projekt har varit en multikomponentsreaktion, där flera kemiska bindningar kan skapas i en enda process. Detta tillvägagångsätt sparar resurser eftersom det bland annat minskar mängden lösningsmedel som används i synteserna.
Den andra metoden beskriver hur vi kan utnyttja syret i luften som råmaterial i kemisk syntes. Syre, som finns närvarande i vår omvärld, är relativt oreaktivt, vilket gör det svårt att utnyttja direkt i syntetisk kemi. Genom användning av katalysatorer kan man göra syret mer reaktivt och styra dess reaktivitet och på det sättet minska användning av oxidanter som tillsätts i stora mängder. Med denna metod har vi både kunnat tillverka intressanta biologiskt aktiva och komplexa molekyler som kan användas som byggnadsstenar för vidare syntes.
Sammanfattningsvis har vi visat att organokatalyserade reaktioner kan bidra till att ersätta existerande metoder med mer effektiva och atomekonomiska processer och därmed förhindra bildningen av kemiskt avfall.
Med inspiration av grön kemi beskriver jag i den här avhandlingen utvecklingen av två organokatalyserade metoder. Katalysatorerna består av N-heterocykliska karbener och med hjälp av dessa, kan vi använda lättillgängliga och förnyelsebara kemikalier som startmaterial för syntes av komplexa organiska molekyler.
Den första metoden beskriver användningen av karbener från joniska lösningsmedel som katalysatorer, för syntes av en molekyl vi har valt att kalla OTHO, efter det kemiska namnet oxotrifenylhexanoat. Grunden för detta projekt har varit en multikomponentsreaktion, där flera kemiska bindningar kan skapas i en enda process. Detta tillvägagångsätt sparar resurser eftersom det bland annat minskar mängden lösningsmedel som används i synteserna.
Den andra metoden beskriver hur vi kan utnyttja syret i luften som råmaterial i kemisk syntes. Syre, som finns närvarande i vår omvärld, är relativt oreaktivt, vilket gör det svårt att utnyttja direkt i syntetisk kemi. Genom användning av katalysatorer kan man göra syret mer reaktivt och styra dess reaktivitet och på det sättet minska användning av oxidanter som tillsätts i stora mängder. Med denna metod har vi både kunnat tillverka intressanta biologiskt aktiva och komplexa molekyler som kan användas som byggnadsstenar för vidare syntes.
Sammanfattningsvis har vi visat att organokatalyserade reaktioner kan bidra till att ersätta existerande metoder med mer effektiva och atomekonomiska processer och därmed förhindra bildningen av kemiskt avfall.
Drivkrafter
Hållbar utveckling
Ämneskategorier
Kemiska processer
Biokatalys och enzymteknik
Organisk kemi
Fundament
Grundläggande vetenskaper
ISBN
978-91-7597-745-4
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4426
Utgivare
Chalmers
KA-salen, Kemigården 4
Opponent: Professor Ramon Rios, University of Southampton, UK