Lewis Acid-Lewis Base Mediated Metal-Free Hydrogen Activation and Catalytic Hydrogenation

Organocatalysis, the use of organic molecules as catalysts, is attracting increasing attention as one of the most modern and rapidly growing areas of organic chemistry, with countless research groups in both academia and the pharmaceutical industry around the world working on this subject. The literature review of this thesis mainly focuses on metal-free systems for hydrogen activation and organocatalytic reduction. Since these research topics are relatively new, the literature review also highlights the basic principles of the use of Lewis acid-Lewis base pairs, which do not react irreversibly with each other, as a trap for small molecules. The experimental section progresses from the first observation of the facile heterolytical cleavage of hydrogen gas by amines and B(C6F5)3 to highly active non-metal catalysts for both enantioselective and racemic hydrogenation of unsaturated nitrogen-containing compounds. Moreover, detailed studies of structure-reactivity relationships of these systems by X-ray, neutron diffraction, NMR methods and quantum chemical calculations were performed to gain further insight into the mechanism of hydrogen activation and hydrogenation by boron-nitrogen compounds.

Organokatalyysi, eli pienten orgaanisten molekyylien käyttö katalyytteinä, herättää yhä enemmän kiinnostusta ja on yksi nopeimmin kasvavista modernin orgaanisen kemian tutkimusaloista. Tutkimusta tehdään kansainvälisesti lukuisissa ryhmissä, niin akateemisessa maailmassa kuin lääketeollisuudessa. Tämän väitöskirjan kirjallisuuskatsaus käsittelee metallittomia menetelmiä vedyn aktivoinnissa sekä organokatalyyttistä pelkistystä. Koska nämä tutkimusaiheet ovat suhteellisen uusia, kirjallisuustarkastelu sisältää myös pääperiaatteet reversiibelisti reagoivien Lewis happo- Lewis emäs-parien käytöstä pienten molekyylien loukkuina. Kokeellisessa osassa esitellään kaasumaisen vedyn heterolyyttinen pilkkominen amiineilla ja B(C6F5)3:lla, erittäin aktiivisia metallittomia katalyyttejä sekä enantioselektiivisten ja raseemisten tyydyttymättömien typpiyhdisteiden vedytys. Näiden menetelmien reaktiivisuuden riippuvuutta rakenteista tutkittiin yksityiskohtaisesti röntgendiffraktiolla, neutronidiffraktiolla, NMR-spektroskopialla ja kvanttikemiallisten laskujen avulla. Näin saatiin tarkempi kuva reaktiomekanismeista vedynaktivoinnissa ja pelkistyksissä boori-typpi yhdisteillä.