Development of Organocatalytic stereoselective SN1 type reactions

The proposal in my thesis has been the study of Stereoselective α-alkylation through SN1 type reaction. SN1 type reaction involves a stabilized and reactive carbocation intermediate By taking advantages of stability of particular carbocations, the use of carbocations in selective reactions has been important. In this work has been necessary to know the stability and reactivity of carbocations. And the work of Mayr group has helped to rationalize the behaviour and reactivity between the carbocations and nucleophiles by the use of Mayr’s scale of reactivity. The use of alcohols to performed the stable and reactive carbocations have been the key in my thesis. The direct nucleophilic substitution of alcohols has been a crucial scope in the field of organic synthesis, because offer a wide range of intermediates for the synthesis of natural products and pharmaceutics synthesis. In particular the catalytic nucleophilic direct substitution of alcohols represents a novel methodology for the preparation of a variety of derivatives, and water only as the sub-product in the reaction. The stereochemical control of the transformation C-H bond into stereogenic C-C bond adjacent to carbonyl functionalized has been studied for asymmetric catalysis. And the field of organocatalysis has introduced the use of small organic molecule as catalyst for stereoselective transformations. Merging these two concepts Organocatalysis and Mayr’s scale, my thesis has developed a new approach for the α-alkylation of aldehydes and ketones through SN1 type reaction.

Oxidative properties of the Iron - Thymine-1-acetic acid - Hydrogen peroxide catalytic system

The oxidation of alcohols and olefins is a pivotal reaction in organic synthesis. However, traditional oxidants are toxic and they often release a considerable amounts of by-products. Here, two IronIII-based systems are shown as oxidative catalyst, working in mild conditions with hydrogen peroxide as primary oxidant. An efficient catalytic system for the selective oxidation of several alcohols to their corresponding aldehydes and ketones was developed and characterized, [Fe(phen)2Cl2]NO3 (phen=1,10-Phenantroline). It was demonstrated that the adoption of a buffered aqueous solution is of crucial importance to ensure both considerable activity and selectivity.The Iron - Thymine-1-acetic acid in-situ complex was studied as catalyst in alcohol oxidations and C-H oxidative functionalization, involving hydrogen peroxide as primary oxidant in mild reaction conditions. The catalytic ability in alcohol oxidations was investigated by Density Functional Theory calculations, however the catalyst still has uncertain structure. The system shows satisfactory activity in alcohol oxidation and aliphatic rings functionalization. The Fe-THA system was studied in cyclohexene oxidation and oxidative halogenations. Halide salts such as NBu4X and NH4X were introduced in the catalytic system as halogens source to obtain cyclohexene derivatives such as halohydrins, important synthetic intermediates.The purpose of this dissertation is to contribute in testing new catalytic systems for alcohol oxidations and C-H functionalization. In particular, most of the efforts in this work focus on studying the Iron - Thymine-1-acetic acid (THA) systems as non-heme oxidative model, which present: •an iron metal centre(s) as a coordinative active site, •hydrogen peroxide as a primary oxidant, •THA as an eco-friendly, biocompatible, low cost coordinating ligand.

Sintesi di molecole biologicamente attive con tecniche chemoenzimatiche:beta-lattami, profeni e alfa-amminoacidi non naturali

Il progetto di ricerca di questa tesi è stato focalizzato sulla sintesi di tre classi di molecole: β-lattami, Profeni e α-amminonitrili, utilizzando moderne tecniche di sintesi organica, metodologie ecosostenibili e strategie biocatalitiche. I profeni sono una categoria di antiinfiammatori molto diffusa e in particolare abbiamo sviluppato e ottimizzato una procedura in due step per ottenere (S)-Profeni da 2-arilpropanali raceme. Il primo step consiste in una bioriduzione delle aldeidi per dare i relativi (S)-2-Aril Propanoli tramite un processo DKR mediato dall’enzima Horse Liver Alcohol Dehydrogenase. Il secondo, l’ossidazione a (S)-Profeni, è promossa da NaClO2 e TEMPO come catalizzatore. Con lo scopo di migliorare il processo, in collaborazione con il gruppo di ricerca di Francesca Paradisi all’University College Dublino abbiamo immobilizzato l’enzima HLADH, ottenendo buone rese e una migliore enantioselettività. Abbiamo inoltre proposto un interessante approccio enzimatico per l’ossidazione degli (S)-2-Aril Propanoli utilizzando una laccasi da Trametes Versicolor. L’anello β-lattamico è un eterociclo molto importante, noto per essere un interessante farmacoforo. Abbiamo sintetizzato nuovi N-metiltio beta-lattami, che hanno mostrato un’attività antibatterica molto interessante contro ceppi resistenti di Staphilococcus Aureus prelevati da pazienti affetti da fibrosis cistica. Abbiamo poi coniugato gruppi polifenolici a questi nuovi β-lattami ottenendo molecule antiossidanti e antibatteriche, cioè con attività duale. Abbiamo poi sintetizzato un nuovo ibrido retinoide-betalattame che ha indotto differenziazione si cellule di neuroblastoma. Abbiamo poi sfruttato la reazione di aperture dell’anello monobattamico tramite enzimi idrolitici, con lo scopo di ottenere β-amminoacidi chirali desimmetrizzati come il monoestere dell’acido β–amminoglutammico. Per quando riguarda gli α-amminonitrili, è stato sviluppato un protocollo di Strecker. Le reazioni sono state molto efficienti utilizzando come fonte di cianuro l’acetone cianidrina in acqua, utilizzando differenti aldeidi e chetoni, ammine primarie e secondarie. Per mettere a punto una versione asimmetrica del protocollo, abbiamo usato ammine chirali con lo scopo di ottenere nuovi α-amminonitrili chirali.

Sintesi di leganti ciclopentadienonici e piridilimidazolici per complessi metallici. Metodo classico e microonde a confronto

In questo elaborato è stata messa a punto una procedura sintetica, semplice e veloce che sfrutta la tecnica microonde per la sintesi di tetraarilciclopentadienoni variamente sostituiti mediante una condensazione bis-aldolica tra 1,3 difenilacetone con dichetoni aromatici variamente sostituiti. Questa nuova tecnica consente di ottenere tetraarilciclopentadienoni con rese da basse a buone in 25 minuti a 70°C. La stessa procedura sintetica è stata valutata per ottenere leganti piridilimidazolici, usando come fonte di azoto NH4OAc. Basse rese e la formazione di svariati sottoprodotti ha diretto lo studio verso un approccio classico per la sintesi di questi sistemi. I leganti piridilimidazolici sono stati poi impiegati per la sintesi di complessi di Zn(II) luminescenti, i quali sono stati caratterizzati anche da un punto di vista fotofisico.

Chemical transformations of the pyrene K-region for functional materials

In dieser Arbeit wurde eine neue Methode zur asymmetrischen Substitution der K-Regionen von Pyren entwickelt, auf welcher das Design und die Synthese von neuartigen, Pyren-basierten funktionalen Materialien beruht. Eine Vielzahl von Substitutionsmustern konnte erfolgreich realisiert werden um die Eigenschaften entsprechend dem Verwendungszweck anzupassen. Der polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff (PAK) Pyren setzt sich aus vier Benzolringen in Form einer planaren Raute mit zwei gegenüberliegenden K-Regionen zusammen. Der synthetische Schlüsselschritt dieser Arbeit ist die chemische Transformation der einen K-Region zu einem α-Diketon und der darauffolgenden selektiven Bromierung der zweiten K-Region. Dieser asymmetrisch funktionalisierte Baustein zeichnet sich durch zwei funktionelle Gruppen mit orthogonaler Reaktivität aus und erweitert dadurch das Arsenal der etablierten Pyren Chemie um eine vielseitig einsetzbare Methode. Aufbauend auf diesem synthetischen Zugang wurden fünf wesentliche Konzepte auf dem Weg zu neuen, von Pyren abgeleiteten Materialen verfolgt: (i) Asymmterische Substitution mit elektronenziehenden versus -schiebenden Gruppen. (ii) Darstellung von Pyrenocyaninen durch Anbindung von Pyren mit einer der K-Regionen an das Phthalocyanin Gerüst zur Ausdehnung des π-Systems. (iii) Einführung von Thiophen an die K-Region um halbleitende Eigenschaften zu erhalten. (iv) Symmetrische Annullierung von PAKs wie Benzodithiophen und Phenanthren an beide K Regionen für cove-reiche und dadurch nicht-planare Strukturen. (v) Verwendung des K-Region-funktionalisierten Pyrens als Synthesebaustein für das Peri-Pentacen. Neben der Synthese wurde die Selbstorganisation in der Festphase und an der flüssig/fest Grenzfläche mittels zweidimensionaler Weitwinkel-Röntgenstreuung (2D WAXS) bzw. Rastertunnelmikroskopie (STM) untersucht. Die halbleitenden Eigenschaften wurden in organischen Feld-Effekt Transistoren (OFETs) charakterisiert.

Synthetic studies towards a new fulvestrant analogue

A study towards the synthesis of a new fulvestrant analogue with improved bioavailability was carried out. In this work a twelve-step synthetic route starting from β-estradiol was optimized and a palladium (Pd)-catalyzed endo-selective Heck reaction for the functionalization of an advanced intermediate was investigated.

Microwave-Assisted Phospha-Michael Reactions with Internal Alkenes

The atom efficient phospha-Michael reaction between bis 4-methylphenyl phosphine oxide and several activated internal alkenes has been shown to occur under microwave irradiation without added solvent or catalyst. The alkenes used for this study were ethyl 4-nitrocinnamate, two chalcones ((E)-3-(4-methoxy-phenyl)-1-(4- nitrophenyl)-prop-2-en-1-one and (E)-1-(4-methoxyphenyl)-3-(3-nitro-phenyl)-prop-2- en-1-one), and 2-phenylmethylene-propanedinitrile. In the case of ethyl 4-nitrocinnamate, reaction with bis 4-methylphenyl phosphine oxide for sixty minutes at 130 °C yielded the desired phospha-Michael product in a 55% yield after purification. Varying the location of the nitro group on the phenyl rings of the chalcones did not seem to have a large effect on their reactivity. By NMR, both chalcones seemed to react to the same extent when the reaction times and temperatures were held constant. Interestingly, a phospha-Michael reaction was observed at a reaction temperature of 65°C for experiments involving 2- phenyl-methylene-propanedinitrile while the other substrates required a reaction temperature of 130 °C. Similar experiments were carried out with bis mesityl phosphine oxide and two internal alkenes: 2-phenylmethylene-propanedinitrile and ethyl-2-cyano-3- methyl-2-butenoate. These experiments did not yield any of the predicted phospha- Michael products, which suggest steric limitations to the Michael donor for this reaction.

Double-level “orthogonal” dynamic combinatorial libraries on transition metal template

Dynamic combinatorial libraries are mixtures of compounds that exist in a dynamic equilibrium and can be driven to compositional self adaptation via selective binding of a specific assembly of certain components to a molecular target. We present here an extension of this initial concept to dynamic libraries that consists of two levels, the first formed by the coordination of terpyridine-based ligands to the transition metal template, and the second, by the imine formation with the aldehyde substituents on the terpyridine moieties. Dialdehyde 7 has been synthesized, converted into a variety of ligands, oxime ethers L11–L33 and acyl hydrazones L44–L77, and subsequently into corresponding cobalt complexes. A typical complex, Co(L22)22+ is shown to engage in rapid exchange with a competing ligand L11 and with another complex, Co(L22)22+ in 30% acetonitrile/water at pH 7.0 and 25°C. The exchange in the corresponding Co(III) complexes is shown to be much slower. Imine exchange in the acyl hydrazone complexes (L44–L77) is strongly controlled by pH and temperature. The two types of exchange, ligand and imine, can thus be used as independent equilibrium processes controlled by different types of external intervention, i.e., via oxidation/reduction of the metal template and/or change in the pH/temperature of the medium. The resulting double-level dynamic libraries are therefore named orthogonal, in similarity with the orthogonal protecting groups in organic synthesis. Sample libraries of this type have been synthesized and showed the complete expected set of components in electrospray ionization MS.

Surface geochemistry of the clay minerals

Clay minerals are layer type aluminosilicates that figure in terrestrial biogeochemical cycles, in the buffering capacity of the oceans, and in the containment of toxic waste materials. They are also used as lubricants in petroleum extraction and as industrial catalysts for the synthesis of many organic compounds. These applications derive fundamentally from the colloidal size and permanent structural charge of clay mineral particles, which endow them with significant surface reactivity. Unraveling the surface geochemistry of hydrated clay minerals is an abiding, if difficult, topic in earth sciences research. Recent experimental and computational studies that take advantage of new methodologies and basic insights derived from the study of concentrated ionic solutions have begun to clarify the structure of electrical double layers formed on hydrated clay mineral surfaces, particularly those in the interlayer region of swelling 2:1 layer type clay minerals. One emerging trend is that the coordination of interlayer cations with water molecules and clay mineral surface oxygens is governed largely by cation size and charge, similarly to a concentrated ionic solution, but the location of structural charge within a clay layer and the existence of hydrophobic patches on its surface provide important modulations. The larger the interlayer cation, the greater the influence of clay mineral structure and hydrophobicity on the configurations of adsorbed water molecules. This picture extends readily to hydrophobic molecules adsorbed within an interlayer region, with important implications for clay–hydrocarbon interactions and the design of catalysts for organic synthesis.

Sais de diazônio: síntese e eletrorredução

Sais de diazônio são um classe de compostos amplamente usados em química orgânica. Sua aplicação abrange uma gama de sínteses desde corantes até reações de hetero-acoplamento para produção de fármacos, mas pouco é conhecido de sua redução eletroquímica para fins sintéticos. As metodologias empregadas na redução de sais de diazônio geralmente envolvem o uso de metais ou compostos capazes de transferir elétrons como Pd, Cu ou tetratiafulvaleno. Neste trabalho é descrita a redução eletroquímica de dois sais de diazônio: tetrafluoroborato de 2-(2-propen-1-ilóxi)benzenodiazônio (1) e tetrafluoroborato de 2-(2-propen-1-iltio)benzenodiazônio (2) usando três eletrodos: Pt, Hg e pó de grafite. Quando foi feita a eletrólise de (1) utilizando cátodo de Hg vários produtos foram formados envolvendo uma reação de ciclização intramolecular, porém não conseguimos separá-los pelos métodos cromatográficos. A eletrólise de (2) em condições experimentais similares conduziu a uma mistura complexa de produtos provavelmente devido a uma interação do Hg com o átomo de enxofre do substrato e seus produtos de redução. Usando o cátodo de Pt e sal (1) a reação não foi eficiente pois ocorria uma queda brusca da corrente, provavelmente devido ao bloqueio da superfície do eletrodo. Concernente ao eletrodo de pó de grafite, apenas alguns experimentos preliminares foram feitos, portanto uma análise de seu desemprenho é prematura.

Síntese de óxidos metálicos binários suportados em carbono amorfo (printex 6L) para a produção eletroquímica de peróxido de hidrogênio (H2O2)

O presente trabalho visa o estudo da eletrossíntese de H2O2 a partir da reação de redução de oxigênio (RRO) utilizando carbono Printex 6L modificado com óxidos binários compostos de nióbio, molibdênio e paládio, síntetizados pelo método dos precursores poliméricos. A análise dos materiais preparados foi feita a partir de experimentos de análise termogravimétrica (do inglês, TGA), fluorescência de raios X (FRX) e também de difração de raios X (DRX). As temperaturas de síntese foram escolhidas a partir dos resultados de TGA e tendo como temperatura máxima de 400 °C. As análises dos espectros de emissão de FRX mostraram a eficiência na incorporação dos materiais na matriz de carbono. Experimentos de DRX mostraram a presença de fases cristalinas de MoO2 e Nb2 O5 e PdO, e em comparação aos resultados da técnica de voltametria cíclica, existem pares redox que podem ser associados as transições dos metais nos estados de oxidação de +4 e +5, para molibdênio e nióbio, respectivamente e do estado +2 para o paládio. Nos experimentos de voltametria de varredura linear pode-se observar a tendência de maior geração de H2O2 pelo material com teor de 1% NbMo quando comparado com o carbono Printex 6L, de modo que foram calculadas as eficiências de geração de H2O2 , obtendo um resultado de 55,5% para o modificador de 1% NbMo comparado com 47,4% para o Printex 6L, e também de número de elétrons envolvidos na reação com um valor de 2,9 para o material de 1% e 3,1 para o carbono Printex. As análises das curvas de Koutechy-Levich confirmam os resultados anteriores. Análises em condições reduzidas na síntese orgânica corroboraram a melhor eficiência do material de 1% para o material com nióbio e molibdênio e revelaram a também a melhora eletrocatalítica do carbono quando incorporado com óxidos mistos de nióbio e paládio, sendo o melhor resultado expresso no material contendo 5% de nióbio e paládio, na proporção molar de 95 para 5% de cada elemento, respectivamente.

Análise Conformacional e estudo das interações eletrônicas de algumas α-fenilseleno-α-dietóxifosforilacetofenonas para-substituídas

A presente Dissertação relata a síntese e o estudo conformacional das α-fenilseleno-α-dietóxifosforilacetofenonas para-substituídas p-X-Φ-C(O)CH[SeΦ][P(O)(OEt2] (X=OMe 1, Me 2, H 3, F 4, Cl 5, Br 6 e NO2 7) através da banda de estiramento da carbonila no infravermelho, em solventes de polaridade crescente apoiado por cálculos ab initio HF/6-3IG**. A comparação entre a freqüência e a intensidade relativa dos componentes do dubleto, para os derivados 6 e 7, e do singleto para os derivados 1-5, no solvente apolar tetracloreto de carbono, e dos componentes do dubleto, nos solventes de polaridade crescente (clorofórmio, diclorometano e acetonitrila), para os derivados 1-7, com os dados do cálculo ab initio de 3 (composto de referência), indicou que ambas as conformações estáveis (g1 e g2) apresentam a ligação C-Se na geometria anti-clinal (gauche) em relação à carbonila (C=O), enquanto que a ligação C-P assume uma geometria sin-periplanar (cis) em relação à carbonila. A análise dos contatos interatômicos de átomos relevante em comparação com a soma de seus raios de van der Waals, indicou que ambas as conformações g1 e g2 são fortemente estabilizadas pelo sinergismo das interações orbitalares e eletrostáticas π*(CO) / nSe e Oδ-[CO].....Pδ+[PO]. Analogamente, as interações mais fracas Oδ-[OR]..... Cδ+[CO], 0-Hδ+[SeΦ]....Oδ-[PO] e 0-Hδ+[ΦC(O)]....Oδ-[CO] estabilizam as conformações g1 e g2, aproximadamente na mesma extensão. No entanto, somente a conformação g1 é estabilizada pela interação eletrostática (ligação de hidrogênio) Hδ+[α-CH].....Oδ-[OR], enquanto que sómente a conformação g2 é desestabilizada pelo Efeito de Campo Repulsivo entre os dipolos Cδ+=.Oδ- e Pδ+-ORδ- Assim sendo, pode-se concluir que no dubleto de VCO no IV, o componente de maior freqüência e de menor intensidade corresponde à conformação menos estável g2 (do cálculo) enquanto que o componente de menor freqüência e mais intenso corresponde à conformação mais estável g1 (do cálculo). Estes dados estão de pleno acordo com os deslocamentos de freqüência mais negativos da carbonila (ΔVCO) do confôrmero mais estável g1 em relação ao menos estável g2.

Estudos visando à síntese de sesquiterpenos bacanos

Nesta tese, efetuamos estudos visando à síntese de sesquiterpenos bacanos, cuja etapa chave consistiu na construção do sistema cis-hidrindânico, através de reação de contração de anel de cis-octalinas e 2-octalonas mediada por trinitrato de tálio (TTN). Apenas as cis-octalinas como, por exemplo, o cis-4a-metil-l,2,3,4,4a,5,8,8a-octahidronaftaleno e o cis-4a, 7-dimetil-l,2,3,4,4a,5,8,8a-octa-hidronaftaleno, foram passíveis de reação de contração de anel em rendimentos satisfatórios; já a cis-5,10-dimetil-l(9)-octal-2-ona levou ao produto de contração em baixo rendimento. Tentamos utilizar a reação de cis-4a-metil-l,2,3,4,4a,5,8,8a-octa-hidronaftaleno com TTN na síntese da nor-baquenolida-A, porém não conseguimos completar a síntese desta, pois não foi possível efetuar a última etapa sintética, nas várias abordagens testadas. Grandes esforços também foram empregados na preparação diastereosseletiva da cis-5,10-dimetil-l(9)-octal-2-ona através de três abordagens diferentes que foram investigadas, sendo duas delas com êxito. Contudo, o baixo rendimento (38%) da etapa de contração de anel da cis-5,10-dimetil-l(9)-octal-2-ona não permitiu a continuação da rota sintética proposta para a baquenolida-A. Também realizamos a resolução cinética de três diferentes cis-octalóis que foram preparados através da reação de Diels-Alder seguida de redução diastereosseletiva - com a lipase Novozym 435, e os produtos resolvidos foram obtidos em excelentes rendimentos isolados (≥ 40% para cada enantiômero) e excelentes excessos enantioméricos (≥ 98%).