Synthesis and properties of d6 metal complexes of bidentate and tridentate ‘super donor’ ligands

La polyvalence de la réaction de couplage-croisé C-N a été explorée pour la synthèse de deux nouvelles classes de ligands: (i) des ligands bidentates neutres de type N^N et (ii) des ligands tridentates neutres de type N^N^N. Ces classes de ligands contiennent des N-hétérocycles aromatiques saturés qui sont couplés avec hexahydropyrimidopyrimidine (hpp). Les ligands forment de cycles à six chaînons sur la coordination du centre Ru(II). Ce fait est avantageux pour améliorer les propriétés photophysiques des complexes de polypyridyl de Ru(II). Les complexes de Ru(II) avec des ligands bidentés ont des émissions qui dépendent de la basicité relative des N-hétérocycles. Bien que ces complexes sont électrochimiquement et photophysiquement attrayant, le problème de la stereopurité ne peut être évité. Une conception soigneuse du type de ligand nous permet de synthétiser un ligand bis-bidentate qui est utile pour surmonter le problème de stereopurité. En raison de la spécialité du ligand bis-bidentate, son complexe diruthénium(II,II) présente une grande diastéréosélectivité sans séparation chirale. Alors que l'unité de hpp agit comme un nucléophile dans le mécanisme de C-N réaction de couplage croisé, il peut également agir en tant que groupe partant, lorsqu'il est activé avec un complexe de monoruthenium. Les complexes achiraux de Ru(II) avec les ligands tridentés présentent des meilleures propriétés photophysiques en comparason avec les prototypes [Ru(tpy)2]2+ (tpy = 2,2′: 6′, 2′′-terpyridine). L’introduction de deux unités de hpp dans les ligands tridentates rend le complexe de Ru(II) en tant que ‘absorbeur noir’ et comme ‘NIR émetteur’ (NIR = de l’anglais, Near Infra-Red). Cet effet est une conséquence d'une meilleure géométrie de coordination octaédrique autour de l'ion Ru(II) et de la forte donation sigma des unités hpp. Les complexes du Re(I) avec des ligands tridentates présentent un comportement redox intéressant et ils émettent dans le bleu. L'oxydation quasi-réversible du métal est contrôlée par la donation sigma des fragments hpp, tandis que la réduction du ligand est régie par la nature électronique du motif N-hétérocycle central du ligand lui-même. Cette thèse presente également l'auto-assemblage des métal-chromophores comme ‘métallo-ligands’ pour former des espèces supramoléculaires discretes utilisant des complexes neutres. Les synthèses et propriétés des métaux-chromophores précités et les supramolécules sont discutées.

Synthesis of transition metal N-heterocyclic carbene complexes and applications in catalysis

Les ligands de carbènes N-hétérocycliques (NHC) qui possèdent une symétrie C1 attirent beaucoup l’attention dans la littérature. Le présent projet de recherche propose de synthétiser une nouvelle série de ligands NHC C1-symétriques avec deux groupements N-alkyles qui exploitent un relais chiral. Un protocole modulaire et efficace pour la synthèse des sels d’imidazolium chiraux qui servent comme préligands pour les NHC a été développé. Quelques-uns de ces nouveaux ligands ont été installés sur le cuivre et de l’or, créant de nouveaux complexes chiraux. Les nouveaux complexes à base de cuivre ont été évalués comme catalyseurs pour le couplage oxydatif de 2-naphthols. Les ligands C1-symmétriques ont fourni des meilleurs rendements que les ligands C2-symmétriques. Au cours de l’optimisation, des additifs ont été évalués; les additifs à base de pyridine ont fourni des énantiosélectivités modérées tandis que les additifs à base de malonate ont donné des meilleurs rendements de la réaction de couplage oxydatif. Ultérieurement, les additifs à base de malonate ont été appliqués envers l’hétérocouplage de 2-naphthols. Le partenaire de couplage qui est riche en électrons est normalement en grand excès à cause de sa tendance à dégrader. Avec le bénéfice de l’additif, les deux partenaires de couplage peuvent être utilisés dans des quantités équivalentes. La découverte de l’effet des additifs a permis le développement d’un protocole général pour l’hétérocouplage de 2-naphthols.

Design and Synthesis of Donor-Acceptor Low Band Gap Copolymers for Photoconductive and Non-linear Optical Applications

The main focus of the present study was to develop ideal low band gap D-A copolymers for photoconducting and non-linear optical applications. This chapter summarizes the overall research work done. Designed copolymers were synthesized via direct arylation or Suzuki coupling reactions. Copolymers were characterized by theoretical and experimental methods. The suitability of these copolymers in photoconducting and optical limiting devices has been investigated.The results suggest that the copolymers investigated in the present study have a good non-linear optical response and are comparable to or even better than the D-A copolymers reported in the literature and hence could be chosen as ideal candidates with potential applications for non-linear optics. The results also show that the structures of the polymers have great impact on NLO properties. Copolymers studied here exhibits good optical limiting property at 532 nm wavelength due to two-photon absorption (TPA) process. The results revealed that the two copolymers, (P(EDOT-BTSe) and P(PH-TZ)) exhibited strong two-photon absorption and superior optical power limiting properties, which are much better than that of others.

Synthese von Azobenzolderivaten zur Darstellung photoschaltbarer, selbstorganisierter Monolagen

Im Vordergrund dieser Arbeit stehen die Synthesen des Azobenzol-4-trichlorsilans sowie des Bis(4-azobenzol)disulfids, ausgehend von einfachen und kommerziell erhältlichen Verbindungen. Moleküle, aus denen sich diese Verbindungen synthetisieren lassen, sind die Iodderivate des Azobenzols, welche über die Kondensation von Benzolaminen (Anilinen) und Nitrosobenzolen dargestellt wurden, aber auch über die altbewährte Azokupplung. Insgesamt wurden 19 neue Azobenzolderivate, das neue [(4-Aminophenyl)ethinyl]ferrocen und das neue Bis[4-(4'-bromazobenzol)]disulfid synthetisiert und charakterisiert. Außerdem wurden 13 neue Kristallstrukturen erzeugt. Mit den synthetisierten Molekülen wurden Substrat-Adsorbat-Systeme gebildet. Als Substrate wurden oberflächenoxidiertes Silizium und Gold gewählt. Die Präparation dieser sogennanten selbstorganisierten Monolagen (SAMs) bzw. der kovalent gebundenen Monolagen im Falle der Trichlorsilylderivate (CAMs) wurde eingehend studiert. Das Azobenzol wurde als photoschaltbare Einheit gewählt, da es bereits Kern zahlreicher Untersuchungen war und als solcher als guter und zuverlässiger Baustein für reversible photoschaltbare Systeme etabliert ist. Zur Charakterisierung Schichten und zur Untersuchung ihres photoresponsiven Verhaltens sowie sowie zur Untersuchung der Schichtbildung selbst wurden mehrere physikalische Messmethoden angewandt. Die Schichtbildung wurde mit SHG (optische Frequenzverdopplung) verfolgt, die fertigen Schichten wurden mit XPS (Röntgen-Photonen-Spektroskopie) und NEXAFS (Nahkanten-Röntgen-Absorptions-Feinstruktur) untersucht, um Orientierung und Ordnung der Moleküle in der Schicht zu ermitteln. Das Schaltverhalten wurde mit Ellipsometrie und durch Messungen des Wasserkontaktwinkels beobachtet. Durch Variation der Endgruppe des Azobenzols ist es möglich, die Oberflächeneigenschaften einstellen gezielt zu können, wie Hydrophobie, Hydrophilie, Komplexierungsverhalten oder elektrische Schaltbarkeit. Dies gelingt durch Gruppen wie N,N-Dimethylamino-, Methoxy-, Ethoxy-, Octyloxy-, Dodecyloxy-, Benzyloxy-, Methyl-, Trifluormethyl-, Pyridyl-, Phenylethinyl- und Ferrocenyl-Restgruppen, um nur eine Auswahl zu nennen. Einerseits wurde Silizium als Substrat gewählt, da es wegen seiner Verwendung in der Halbleiterindustrie ein nicht uninteressantes Substrat darstell und die Möglichkeiten der kovalenten Anbindung von Trichlorsilanen aber auch Trialkoxysilanen auch gut untersucht ist. Andererseits wurden auch Untersuchungen mit Gold als Substrat angestellt, bei dem Thiole und Disulfide die bevorzugten Ankergruppen bilden. Während sich auf Gold sogenannte SAMs bilden, verleiht die kovalente Siloxanbindung den CAMs auf Silizium eine besondere Stabilität.

Diazafluoren-9-yliden als Bindungsmotiv für Metallfragmente in kreuzkonjugierten π-Systemen

In der vorliegenden Dissertation wurden kreuzkonjugierte organische Verbindungen basierend auf Diazafluorenmethyliden- sowie Dipyridylmethyliden-Bausteinen synthetisiert, die zum einen photoredoxaktive Metallfragmente komplexieren können und zum anderen erweiterte π-konjugierte Pfade auf der Grundlage von Alkineinheiten ermöglichen. Das kreuzkonjugierte Motiv wurde über die Kupplung von Alkineinheiten an halogenierte Methyliden-Einheiten, den so genannten Dibromolefinen, zugänglich gemacht. Zur Synthese von Dibromolefinen wurden verschiedene Methoden untersucht. Literaturbekannte Methoden wie die Wittig-Reaktion und ihre Modifikationen sowie die Corey-Fuchs-Reaktion konnten für die Diazafluoreneinheit nicht erfolgreich angewendet werden. Bei einer mikrowellenunterstützten Reaktion konnte sowohl ausgehend von Diazafluoren-9-on als auch von Di-2-pyridylketon eine Dibromolefinierung (55 % und 65 %) erreicht werden. Die Eignung der Mikrowellenstrahlung für Dibromolefinierungsreaktionen nach Corey und Fuchs wurde weiterhin an verschiedenen Aldehyden und Ketonen untersucht. In den meisten Fällen konnten gute bis sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Durch die erfolgreiche Synthese von Dibromolefinen über Mikrowellensynthese wurde die Realisierung von diversen π-konjugierten Systemen möglich. Dies erfolgte exemplarisch durch die Kupplung der Alkine 5-Ethinyl-2,2’-bipyridin, 1-(Ferrocenylethinyl)-4-(ethinyl)benzol, Tri(tolyl)propin sowie der TIPS- und TMS-Acetylene. Neben der Vielfalt an Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Dipyridyl- und Diazafluorenbausteinen zeigte sich zudem, dass sogar räumlich anspruchsvolle Verbindungen wie die geminale angeordneten voluminösen Tri(tolyl)propinyl-Substituenten an der Doppelbindung erfolgreich synthetisiert werden können. Die Koordinationseigenschaften der neu synthetisierten Verbindungen konnten durch Umsetzungen der Diazafluoren- und Dipyridylverbindungen mit PdCl2 und [RuCl2(bpy)2] erfolgreich gezeigt werden. Im Hinblick auf die Herstellung von Funktionsmaterialien eignen sich die Endiin-Strukturmotive aufgrund von diversen Variationsmöglichkeiten wie Koordination von Übergangsmetallen sowie Funktionalisierung der Peripherie gut. Dadurch können die elektronischen Eigenschaften wie die Absorption oder elektrochemische Potentiale der Verbindungen modifiziert werden. Die UV/Vis-Spektren der neu synthetisierten Verbindungen zeigen, dass Absorptionen in längerwelligen Bereichen durch Verlängerung des Konjugationspfades gesteuert werden können. Zudem lassen sich weitere photophysikalische Eigenschaften wie MC-, LC-, LMCT- oder MLCT-Übergänge durch Koordination von Metallen generieren. Die elektrochemischen Potentiale der Dipyridyl- und Diazafluorenbausteine konnten durch Anbindung von verschiedenen Substituenten beeinflusst werden. Es zeigte sich, dass sich die Reduktionswellen im Vergleich zu denen der Ketone zu niedrigeren Potentialen verschieben, wenn Alkine an die Dipyridylmethyliden- und Diazafluorenmethyliden-Bausteine geknüpft wurden. Zudem konnte beobachtet werden, dass die Signale nicht immer reversibel sind. Insbesondere die Dipyridylverbindungen zeichneten sich durch irreversible Reduktionswellen aus. Die Realisierung von π-konjugierten Systemen gelang auch mit cyclischen kohlenstoffbasierten Verbindungen. Über das separat synthetisierte 2,2’-Diethinyltolan konnte eine cyclische Verbindung, ein dehydroannulen-radialenisches System, erfolgreich hergestellt werden. Die Koordination von redoxaktiven Metallzentren wie [Ru(bpy)2] konnte für diese Verbindung ebenfalls erfolgreich gezeigt werden. Die elektronische Wechselwirkung zwischen dem Metallzentrum und dem dehydroannulenischen System könnte sowohl über theoretische Methoden (zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie) als auch experimentell wie z. B. über transiente Absorptionsspektroskopie untersucht werden. Diese zukünftig durchzuführenden Untersuchungen können Aufschluss über die Ladungstransferraten und -dauer geben. Im Hinblick auf die Realisierung von Modellverbindungen für molekulare Drähte wurden lineare Systeme basierend auf der Diazafluoreneinheit synthetisiert. Zur Synthese von derartigen Systemen war es zunächst notwendig, die Dibromolefine unsymmetrisch zu alkinylieren. Die unsymmetrische Substitution gestaltete sich als Herausforderung, da eine Einfachkupplung mit einem Acetylen nicht möglich war. In den meisten Fällen wurden zweifach substituierte Spezies mit den identischen Alkinen erhalten. Die besten Ausbeuten konnten durch die konsekutive Zugabe von TIPS-Acetylen und darauffolgend TMS-Acetylen in die Reaktionsmischung erhalten werden. Offenbar spielt der räumliche Anspruch des Erstsubstituenten in diesem Zusammenhang eine Rolle. Die selektive Entschützung der unterschiedlich silylierten Verbindungen erfolgte mit K2CO3 in MeOH/THF (1:1). Die oxidative Homokupplungsreaktion erfolgte ohne Isolierung der entschützten Spezies, da diese instabil ist und zur Polymerisation neigt. Aufgrund der Instabilität der entschützten Spezies sowie möglichen Nebenreaktionen waren die Ausbeuten sowohl bei der TIPS-geschützten Verbindung als auch bei der TTP-geschützten Verbindung gering. Versuche, lineare Systeme von dipyridylbasierten Verbindungen zu erhalten, schlugen fehl. Die π-konjugierten Systeme lassen aufgrund der effektiven Überlappung der beteiligten π-Orbitale hohe Ladungsträgermobilitäten vermuten. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten Verbindungen könnten mit Schwefelverbindungen die Anbindung an Elektroden zulassen, worüber die Leitfähigkeiten der Verbindungen gemessen werden könnten.

Molecular computations for reactions and phase transitions: applications to protein stabilization, hydrates and catalysis

In this work we have made significant contributions in three different areas of interest: therapeutic protein stabilization, thermodynamics of natural gas clathrate-hydrates, and zeolite catalysis. In all three fields, using our various computational techniques, we have been able to elucidate phenomena that are difficult or impossible to explain experimentally. More specifically, in mixed solvent systems for proteins we developed a statistical-mechanical method to model the thermodynamic effects of additives in molecular-level detail. It was the first method demonstrated to have truly predictive (no adjustable parameters) capability for real protein systems. We also describe a novel mechanism that slows protein association reactions, called the “gap effect.” We developed a comprehensive picture of methioine oxidation by hydrogen peroxide that allows for accurate prediction of protein oxidation and provides a rationale for developing strategies to control oxidation. The method of solvent accessible area (SAA) was shown not to correlate well with oxidation rates. A new property, averaged two-shell water coordination number (2SWCN) was identified and shown to correlate well with oxidation rates. Reference parameters for the van der Waals Platteeuw model of clathrate-hydrates were found for structure I and structure II. These reference parameters are independent of the potential form (unlike the commonly used parameters) and have been validated by calculating phase behavior and structural transitions for mixed hydrate systems. These calculations are validated with experimental data for both structures and for systems that undergo transitions from one structure to another. This is the first method of calculating hydrate thermodynamics to demonstrate predictive capability for phase equilibria, structural changes, and occupancy in pure and mixed hydrate systems. We have computed a new mechanism for the methanol coupling reaction to form ethanol and water in the zeolite chabazite. The mechanism at 400°C proceeds via stable intermediates of water, methane, and protonated formaldehyde.

Stille reactions of 2,3-bis(stannyl)butenoates: an unexpected regioselectivity

The palladium-catalyzed cross-coupling reaction of methyl (Z)-2,3-bis(tributylstannyl)butenoate with aryl iodides is regioselective, leading to 2-aryl-3-stannylated products; this selectivity is the opposite to that observed in the reaction between halides and 3,4-bis(stannyl)furan-2(5H)-one. Since the resulting butenoates can be converted into the corresponding furanones, the method provides useful flexibility in the preparation of functionalized butenoates and furanones.

Protonation of phenylboronic acid: comparison of G3B3 and G2MP2 methods

G3B3 and G2MP2 calculations using Gaussian 03 have been carried out to investigate the protonation preferences for phenylboronic acid. All nine heavy atoms have been protonated in turn. With both methodologies, the two lowest protonation energies are obtained with the proton located either at the ipso carbon atom or at a hydroxyl oxygen atom. Within the G3B3 formalism, the lowest-energy configuration by 4.3 kcal . mol(-1) is found when the proton is located at the ipso carbon, rather than at the electronegative oxygen atom. In the resulting structure, the phenyl ring has lost a significant amount of aromaticity. By contrast, calculations with G2MP2 show that protonation at the hydroxyl oxygen atom is favored by 7.7 kcal . mol(-1). Calculations using the polarizable continuum model (PCM) solvent method also give preference to protonation at the oxygen atom when water is used as the solvent. The preference for protonation at the ipso carbon found by the more accurate G3B3 method is unexpected and its implications in Suzuki coupling are discussed. (C) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

A novel heteroditopic terpyridine-pincer ligand as building block for mono- and heterometallic Pd(II) and Ru(II) complexes

A palladium-catalyzed Stille coupling reaction was employed as a versatile method for the synthesis of a novel terpyridine-pincer (3, TPBr) bridging ligand, 4'-{4-BrC6H2(CH2NMe2)(2)-3,5}-2,2':6',2 ''-terpyridine. Mononuclear species [PdX(TP)] (X = Br, Cl), [Ru(TPBr)(tpy)](PF6)(2), and [Ru(TPBr)(2)](PF6)(2), synthesized by selective metalation of the NCNBr-pincer moiety or complexation of the terpyridine of the bifunctional ligand TPBr, were used as building blocks for the preparation of heterodi- and trimetallic complexes [Ru(TPPdCl)(tpy)](PF6)(2) (7) and [Ru(TPPdCl)(2)]-(PF6)(2) (8). The molecular structures in the solid state of [PdBr(TP)] (4a) and [Ru(TPBr)(2)](PF6)(2) (6) have been determined by single-crystal X-ray analysis. Electrochemical behavior and photophysical properties of the mono-and heterometallic complexes are described. All the above di- and trimetallic Ru complexes exhibit absorption bands attributable to (MLCT)-M-1 (Ru -> tpy) transitions. For the heteroleptic complexes, the transitions involving the unsubstituted tpy ligand are at a lower energy than the tpy moiety of the TPBr ligand. The absorption bands observed in the electronic spectra for TPBr and [PdCl(TP)] have been assigned with the aid of TD-DFT calculations. All complexes display weak emission both at room temperature and in a butyronitrile glass at 77 K. The considerable red shift of the emission maxima relative to the signal of the reference compound [Ru(tpy)(2)](2+) indicates stabilization of the luminescent (MLCT)-M-3 state. For the mono- and heterometallic complexes, electrochemical and spectroscopic studies (electronic absorption and emission spectra and luminescence lifetimes recorded at room temperature and 77 K in nitrile solvents), together with the information gained from IR spectroelectrochemical studies of the dimetallic complex [Ru(TPPdSCN)(tpy)](PF6)(2), are indicative of charge redistribution through the bridging ligand TPBr. The results are in line with a weak coupling between the {Ru(tpy)(2)} chromophoric unit and the (non)metalated NCN-pincer moiety.

Chemoenzymatic synthesis of boron-containing chiral amines and amides

The first application of lipases as catalysts to obtain optically active boron-containing amines and amides is described. We studied several reaction conditions to achieve the kinetic resolution of boron-containing amines via enantioselective acylation mediated by Candida antarctica lipase B (CAL-B). Excellent enantioselectivity (E>200) and high enantiomeric excess (up to >99%) of both the remaining amines and amides were obtained. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

First stereocontrolled acetylation of a hydroxypropargylpiperidone by lipase CALB

Hydroxypropargylpiperidones rac-1-3 were efficiently obtained by a one-pot three-component coupling reaction; enantioenriched propargylpiperidones were then obtained by a kinetic resolution process using the lipase from Candida antarctica. Lipase CALB has been shown to efficiently catalyse the stereocontrolled acetylation of hydroxypropargylpiperidones rac-3 by promoting stereodiscrimination at the carbinolic centre. The enzymatic catalytic processes allow the separation of the (S,R)- and (S,S)-3 diastereoisomers into the corresponding acetates produced as a (R,S)- and (R,R)-6 diastereoisomeric pair. The CALB was able to discriminate the stereogenic centre of the secondary (R)-enantiomer of rac-3 according to the Kaslauzkas rule. The remote stereogenic centre was not discriminated by the lipase. The functionalised enantioenriched diastereoisomers obtained are important building blocks in organic synthesis. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Lipase-Catalyzed Highly Enantioselective Kinetic Resolution of Boron-Containing Chiral Alcohols

The first application of enzymes as catalysts to obtain optically pure boron compounds is described. The kinetic resolution of boron-containing chiral alcohols via enantioselective transesterification catalyzed by lipases was studied. Aromatic, allylic, and aliphatic secondary alcohols containing a boronate ester or boronic acid group were resolved by lipase from Candida antartica (CALB), and excellent E values (E > 200) and high enantiomeric excesses (up to >99%) of both remaining substrates and acetylated product were obtained.

Microwave-assisted solid-phase peptide synthesis at 60 degrees C: alternative conditions with low enantiomerization

Several conditions have been used in the coupling reaction of stepwise SPPS at elevated temperature (SPPS-ET), but we have elected the following as our first choice: 2.5-fold molar excess of 0.04-0.08 M Boc or Fmoc-amino acid derivative, equimolar amount of DIC/HOBt (1:1)or TBTU/DIPEA(1:3), 25% DMSO/toluene, 60 degrees C, conventional heating. In this study, aimed to further examine enantiomerization under such condition and study the applicability of our protocols to microwave-SPPS, peptides containing L-Ser, L-His, L-Cys and/or L-Met were manually synthesized traditionally, at 60 degrees C using conventional heating and at 60 degrees C using microwave heating. Detailed assessment of all crude peptides (in their intact and/or fully hydrolyzed forms) revealed that, except for the microwave-assisted coupling of L-Cys, all other reactions occurred with low levels of amino acid enantiomerization (<2%). Therefore, herein we (i) provide new evidences that our protocols for SPPS at 60 degrees C using conventional heating are suitable for routine use, (ii) demonstrate their appropriateness for microwave-assisted SPPS by Boc and Fmoc chemistries, (iii) disclose advantages and limitations of the three synthetic approaches employed. Thus, this study complements our past research on SPPS-ET and suggests alternative conditions for microwave-assisted SPPS. Copyright (C) 2009 European Peptide Society and John Wiley & Sons, Ltd.

A convenient synthetic route for alkynylselenides from alkynyl bromides and diaryl diselenides employing copper(I)/imidazole as novel catalyst system

A mild, convenient, and effective strategy is developed for the synthesis of alkynyl selenides from alkynyl bromides and respective diselenides using Cul/imidazole as a novel catalyst system with Mg as additive. The Procedure affords the title compounds in moderate to good yield (51-89%). The main advantages of the protocol include the use of inexpensive copper catalyst, a novel Cu(I)/imidazole combination, and good yield of the products. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Solid-phase peptide synthesis in highly loaded conditions

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)