N-Heterocyclic carbene complexes of silver, rhodium and iron: structures, dynamics and catalysis

The research performed in the framework of this Master Thesis has been directly inspired by the recent work of an organometallic research group led by Professor Maria Cristina Cassani on a topic related to the structures, dynamics and catalytic activity of N-heterocyclic carbene-amide rhodium(I) complexes1. A series of [BocNHCH2CH2ImR]X (R = Me, X = I, 1a’; R = Bz, X = Br, 1b’; R = trityl, X = Cl, 1c’) amide-functionalized imidazolium salts bearing increasingly bulky N-alkyl substituents were synthetized and characterized. Subsequently, these organic precursors were employed in the synthesis of silver(I) complexes as intermediate compounds on a way to rhodium(I) complexes [Rh(NBD)X(NHC)] (NHC = 1-(2-NHBoc-ethyl)-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl, R = Me (3a’), R = Bz (3b’), R = trityl (3c’); X = I, R = Me (4a’)). VT NMR studies of these complexes revealed a restricted rotation barriers about the metal-carbene bond. However, while the rotation barriers calculated for the complexes in which R = Me, Bz (3a’,b’ and 4a) matched the experimental values, this was not true in the trityl case 3c’, where the experimental value was very similar to that obtained for compound 3b’ and much smaller with respect to the calculated one. In addition, the energy barrier derived for 3c’ from line shape simulation showed a strong dependence on the temperature, while the barriers measured for 3a’,b’ did not show this effect. In view of these results and in order to establish the reasons for the previously found inconsistency between calculated and experimental thermodynamic data, the first objective of this master thesis was the preparation of a series of rhodium(I) complexes [Rh(NBD)X(NHC)] (NHC = 1-benzyl-3-R-imidazolin-2-ylidene; X = Cl, R = Me, Bz, trityl, tBu), containing the benzyl substituent as a chiral probe, followed by full characterization. The second objective of this work was to investigate the catalytic activity of the new rhodium compounds in the hydrosilylation of terminal alkynes for comparison purposes with the reported complexes. Another purpose of this work was to employ the prepared N-heterocyclic ligands in the synthesis of iron(II)-NHC complexes.

Complessi carbenici N-eterociclici di rutenio: catalizzatori omogenei in reazioni di idrogenazione e deidrogenazione

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto di ricerca volto alla sintesi di nuovi complessi di metalli di transizione per lo sviluppo di catalizzatori bifunzionali metallo-legante da impiegare in reazioni di catalisi omogenea, in particolare in reazioni redox quali idrogenazione e deidrogenazione attraverso il trasferimento di idrogeno. Il mio progetto ha riguardato la messa a punto della sintesi di complessi di Ru(0) che combinano leganti ciclopentadienonici e carbeni N-eterociclici e la sintesi dei corrispondenti complessi cationici per protonazione. Inoltre, è stato sintetizzato e caratterizzato un nuovo complesso cationico attraverso la metilazione del corrispettivo complesso neutro. I complessi sintetizzati sono stati utilizzati come precursori di catalizzatori nella riduzione tramite trasferimento di idrogeno del 4-fluoroacetofenone, valutandone l’attività catalitica in relazione a leganti, additivi e controioni. Allo scopo di delineare qualche ipotesi sul meccanismo di reazione sono stati effettuati diversi studi sulla reattività dei complessi impiegati in catalisi, in particolare usando la piridina come agente di “trapping”. Infine, è stato condotto uno studio preliminare dell’attività catalitica dei complessi sintetizzati nell’ossidazione di benzilalcol a benzaldeide. The present work is part of a research project that involves the study of new ruthenium-based transition metal complexes in order to develop new metal-ligand bifunctional catalysts to employ in homogeneous catalytic systems, in particular in redox reactions such as hydrogenation and dehydrogenation through hydrogen transfer. My project is focused on the optimization of the synthesis of Ru(0) complexes that combines different ligands as tetraphenylcyclopentadienone and N-heterocyclic carbenes and the synthesis of the corresponding cationic complexes by protonation. Furthermore, it is reported the synthesis and characterization of a new cationic complex obtained by methylation of the corresponding neutral complex. All the prepared complexes were employed as catalyst precursors in the transfer hydrogenation of 4-fluoroacetophenone and their performances were investigated in relation to the type of ligands, additives and counterions. The reactivity of these ruthenium complexes was also investigated with the aim of delineate some hypothesis on the reaction mechanism, in particular employing pyridine as a trapping agent. Finally, preliminary studies on the oxidation of benzyl alcohol have been carried out.

Isoxazolidines and oxazines: preliminary studies for the synthesis of N,O-heterocyclic systems via an organocatalyzed 1,3-Dipolar Cycloaddiction and a tandem reaction mediated by TEMPO salts

This thesis is the result of the study of two reactions leading to the formation of important heterocyclic compounds of potential pharmaceutical interest. The first study concerns the reaction of (1,3)-dipolar cycloaddition between nitrones and activated olefins by hydrogen bond catalysis of thioureas derivatives leading to the formation of a five-membered cyclic adducts, an interesting and strategic synthetic intermediate, for the synthesis of benzoazepine. The second project wants to explore the direct oxidative C(sp3)-H α-alkylation of simple amides with subsequent addition of an olefin and cyclization in order to obtain the corresponding oxazine. Both reactions are still under development.

Near-Optimum Coding for q-ary Symmetric Channel with Application to Space Communications

Questa Tesi aspira a mostrare un codice a livello di pacchetto, che abbia performance molto vicine a quello ottimo, per progetti di comunicazioni Satellitari. L’altro scopo di questa Tesi è quello di capire se rimane ancora molto più difficile maneggiare direttamente gli errori piuttosto che le erasures. Le applicazioni per comunicazioni satellitari ora come ora usano tutte packet erasure coding per codificare e decodificare l’informazione. La struttura dell’erasure decoding è molto semplice, perché abbiamo solamente bisogno di un Cyclic Redundancy Check (CRC) per realizzarla. Il problema nasce quando abbiamo pacchetti di dimensioni medie o piccole (per esempio più piccole di 100 bits) perché in queste situazioni il costo del CRC risulta essere troppo dispendioso. La soluzione la possiamo trovare utilizzando il Vector Symbol Decoding (VSD) per raggiungere le stesse performance degli erasure codes, ma senza la necessità di usare il CRC. Per prima cosa viene fatta una breve introduzione su come è nata e su come si è evoluta la codifica a livello di pacchetto. In seguito è stato introdotto il canale q-ary Symmetric Channel (qSC), con sia la derivazione della sua capacità che quella del suo Random Coding Bound (RCB). VSD è stato poi proposto con la speranza di superare in prestazioni il Verification Based Decoding (VBD) su il canale qSC. Infine, le effettive performance del VSD sono state stimate via simulazioni numeriche. I possibili miglioramenti delle performance, per quanto riguarda il VBD sono state discusse, come anche le possibili applicazioni future. Inoltre abbiamo anche risposto alla domande se è ancora così tanto più difficile maneggiare gli errori piuttosto che le erasure.

Chargaff symmetric stochastic processes

Scopo della modellizzazione delle stringhe di DNA è la formulazione di modelli matematici che generano sequenze di basi azotate compatibili con il genoma esistente. In questa tesi si prendono in esame quei modelli matematici che conservano un'importante proprietà, scoperta nel 1952 dal biochimico Erwin Chargaff, chiamata oggi "seconda regola di Chargaff". I modelli matematici che tengono conto delle simmetrie di Chargaff si dividono principalmente in due filoni: uno la ritiene un risultato dell'evoluzione sul genoma, mentre l'altro la ipotizza peculiare di un genoma primitivo e non intaccata dalle modifiche apportate dall'evoluzione. Questa tesi si propone di analizzare un modello del secondo tipo. In particolare ci siamo ispirati al modello definito da da Sobottka e Hart. Dopo un'analisi critica e lo studio del lavoro degli autori, abbiamo esteso il modello ad un più ampio insieme di casi. Abbiamo utilizzato processi stocastici come Bernoulli-scheme e catene di Markov per costruire una possibile generalizzazione della struttura proposta nell'articolo, analizzando le condizioni che implicano la validità della regola di Chargaff. I modelli esaminati sono costituiti da semplici processi stazionari o concatenazioni di processi stazionari. Nel primo capitolo vengono introdotte alcune nozioni di biologia. Nel secondo si fa una descrizione critica e prospettica del modello proposto da Sobottka e Hart, introducendo le definizioni formali per il caso generale presentato nel terzo capitolo, dove si sviluppa l'apparato teorico del modello generale.

Multifrequency VLBA observations of two compact symmetric objects

In this thesis the results of the multifrequency VLBA observations of the GPS 1944+5448 and the HFP J0111+3906 are presented. They are compact objects smaller than about 100 pc, completely embedded in the host galaxy. The availability of multi-epoch VLBI observations spanning more than 10 years, allowed us to compute the hot spot advance speed in order to obtain the kinematic age of both sources. Both radio sources are young, in agreement with the idea that they are in an early evolutionary stage. The spectral analysis of each source component, such as the lobes, the hot spots, the core and the jets, making a comparison with the theoretical ones is described. In addition the physical parameters derived from VLBA images as the magnetic field, the luminosity, the energy and the ambient medium density of both sources are discussed.

Synthesis and metal complexes of C2 symmetric ligands obtained from (R)-(+)-Betti and dialdehydes for asymmetric induction reactions

The aim of this master’s research thesis was the employment of an enantiopure 1,3-aminoalcohol, the 1-(α-aminobenzyl)-2-naphthol, known as Betti base, for the synthesis of some novel compounds which show a C2 symmetry. Some of these compounds, after derivatization, were used as ligands in association with transition metals to prepare some catalysts for enantioselective catalytic reactions. Some aminoalcohol (Salan-type) derivatives of these compounds were obtained upon reduction and in some cases it was possible to obtain complexes with transition metals such as Mn, Ni, Co and Cu. Furthermore a novel 6-membered analogue bisoxazoline ligand, 2,6-bis((R)-1-Phenyl-1H-naphtho[1,2-e][1,3]oxazin-3-yl)pyridine, was obtained and from it two Cu-complexes were prepared. The metal complexes were employed in some reactions to test the asymmetric induction, which was in some cases up to discrete values.

Nuovi coniugati fra acido azelaico ed azaeterocicli: sintesi e valutazione dell'attività biologica

The well-known antiproliferative properties of the 9-hydroxystearic acid (9-HSA) on human colon cancer cells (HT-29 cell line) have inspired this thesis work in order to obtain new derivatives maintaining the C1-C8 chain of the HSA linked to an heterocyclic moiety at the C-9 carbon atom and to investigate their biological activity. First, thiazoles, thiadiazoles and benzothiazoles, that are compounds of interest in many fields for their biological activities, have been introduced through an amide bond starting from their 2-amino precursors. The products have been obtained by treatment with methyl 9-chloro-9-oxononanoate according to a Schotten-Baumann type reaction. The acylation reaction occurred at the endocyclic nitrogen atom of the heterocycle, as ascertained through NOESY-1D experiment. After, methyl 9-chloro-9-oxononanoate was reacted with indole, N-methylindole, and triptamine giving a serie of new indole derivatives. Finally, the biological activity of some compounds has been tested through assays on HT-29 cancer cells and bacterial and fungal microorganisms; docking calculations have also been performed to evaluate the possible interactions with the active site of histone deacetylase, which are molecular targets of the 9-HSA.

Bidentate N-heterocyclic carbene complex of Manganese as catalyst for hydrosilylation and hydroboration of double and triple bonds

Scopo del presente lavoro di tesi è la sintesi di un complesso di manganese contenente un legante bis N-eterociclico e la sua applicazione come catalizzatore nelle reazioni di idrosililazione e idroborazione di doppi e tripli legami. I composti organici sililati e borilati sono importanti prodotti intermedi in diversi settori della chimica fine grazie alla loro stabilità e alla loro capacità di essere ampiamente funzionalizzati. Idroborazione e idrosililazione, grazie allo sviluppo di catalizzatori appositi, permettono di ottenere questi composti riducendo coprodotti, sottoprodotti e condizioni operative estreme. Generalmente i catalizzatori impiegati industrialmente contengono metalli di transizione costosi, rari e non biocompatibili. Per questo motivo negli ultimi anni la ricerca si è concentrata sullo sviluppo di nuovi catalizzatori a base di metalli della prima serie di transizione tra cui il manganese, noto per essere abbondante sulla crosta terrestre, economico e biocompatibile. I composti N-eterociclici (NHC) sono una classe di leganti tra le più utilizzate poiché oltre a una grossa variabilità di caratteristiche steriche ed elettroniche, consentono di stabilizzare la specie metallica. I complessi N-eterociclici di manganese sono stati scarsamente applicati nelle reazioni di idroborazione e idrosililazione. Per questo motivo, il gruppo dove ho svolto il mio tirocinio si è dedicato a questo tipo di ricerca, sintetizzando e testando un complesso bis-NHC di manganese nell’idrosililazione di carbonili e solfossidi. Il mio lavoro si inserisce all’interno di questo ampio progetto, applicando nuovamente lo stesso complesso su una serie di substrati e reazioni differenti. In particolare, l’idrosililazione è stata applicata su alchini, alcheni e su carbonili (in questo caso attivando il complesso con la luce visibile). Inoltre, si è testata l’attività catalitica del complesso nell’idroborazione di alchini.

Evaluation of most promising options for the C1 to C2-coupling: alternative formate coupling

This thesis work contains an overview of potential alternative options to couple formate produced from CO2 with other coupling partners than formate itself. Ultimately, the intent is to produce high value chemicals from CO2 at a high selectivity and conversion, whilst keeping the required utility of electrons in the electrochemical CO2 conversion at a minimum. To select and find new coupling partners, a framework was developed upon which a broad variety of candidates were assessed and ranked. A multi-stage process was used to select first potential classes of molecules. For each class, a variety of commercially available compounds was analysed in depth for its potential suitability in the reaction with the active carbonite intermediate. This analysis has shown that a wide variety of factors come into play and especially the reactivity of the hydride catalyst poses a mayor challenge. The three major potential classes of compounds suitable for the coupling are carbon oxides (CO2 & CO), and aldehydes. As a second step the remaining options were ranked to identify which compound to test first. In this ranking the reactants sustainability, ease of commercial operation and commercial attractiveness of the compound were considered. The highest-ranking compounds that proposed the highest potential are CO2, benzaldehyde and para-formaldehyde. In proof-of-principle experiments CO2 could successfully be incorporated in the form of carbonate, oxalate and potentially formate. The overall incorporation efficiency based on the hydride consumption was shown to be 50%. It is suggested to continue this work with mechanistic studies to understand the reaction in detail as, based on further gained knowledge, the reaction can then be optimized towards optimal CO2 incorporation in the form of oxalate.

Diagnosing criticality in symmetric and chiral clock models

Quantum clock models are statistical mechanical spin models which may be regarded as a sort of bridge between the one-dimensional quantum Ising model and the one-dimensional quantum XY model. This thesis aims to provide an exhaustive review of these models using both analytical and numerical techniques. We present some important duality transformations which allow us to recast clock models into different forms, involving for example parafermions and lattice gauge theories. Thus, the notion of topological order enters into the game opening new scenarios for possible applications, like topological quantum computing. The second part of this thesis is devoted to the numerical analysis of clock models. We explore their phase diagram under different setups, with and without chirality, starting with a transverse field and then adding a longitudinal field as well. The most important observables we take into account for diagnosing criticality are the energy gap, the magnetisation, the entanglement entropy and the correlation functions.