Palladium-Catalyzed Decarboxylative and Decarbonylative Transformations in the Synthesis of Fine and Commodity Chemicals

Decarboxylation and decarbonylation are important reactions in synthetic organic chemistry, transforming readily available carboxylic acids and their derivatives into various products through loss of carbon dioxide or carbon monoxide. In the past few decades, palladium-catalyzed decarboxylative and decarbonylative reactions experienced tremendous growth due to the excellent catalytic activity of palladium. Development of new reactions in this category for fine and commodity chemical synthesis continues to draw attention from the chemistry community.

The Stoltz laboratory has established a palladium-catalyzed enantioselective decarboxylative allylic alkylation of β-keto esters for the synthesis of α-quaternary ketones since 2005. Recently, we extended this chemistry to lactams due to the ubiquity and importance of nitrogen-containing heterocycles. A wide variety of α-quaternary and tetrasubstituted α-tertiary lactams were obtained in excellent yields and exceptional enantioselectivities using our palladium-catalyzed decarboxylative allylic alkylation chemistry. Enantioenriched α-quaternary carbonyl compounds are versatile building blocks that can be further elaborated to intercept synthetic intermediates en route to many classical natural products. Thus our chemistry enables catalytic asymmetric formal synthesis of these complex molecules.

In addition to fine chemicals, we became interested in commodity chemical synthesis using renewable feedstocks. In collaboration with the Grubbs group, we developed a palladium-catalyzed decarbonylative dehydration reaction that converts abundant and inexpensive fatty acids into value-added linear alpha olefins. The chemistry proceeds under relatively mild conditions, requires very low catalyst loading, tolerates a variety of functional groups, and is easily performed on a large scale. An additional advantage of this chemistry is that it provides access to expensive odd-numbered alpha olefins.

Finally, combining features of both projects, we applied a small-scale decarbonylative dehydration reaction to the synthesis of α-vinyl carbonyl compounds. Direct α-vinylation is challenging, and asymmetric vinylations are rare. Taking advantage of our decarbonylative dehydration chemistry, we were able to transform enantioenriched δ-oxocarboxylic acids into quaternary α-vinyl carbonyl compounds in good yields with complete retention of stereochemistry. Our explorations culminated in the catalytic enantioselective total synthesis of (–)-aspewentin B, a terpenoid natural product featuring a quaternary α-vinyl ketone. Both decarboxylative and decarbonylative chemistries found application in the late stage of the total synthesis.

Conversão do metanol em olefinas catalisada por zeólitas com diferentes características ácidas e estruturais

A reação de transformação de metanol em olefinas leves foi investigada sobre as peneiras moleculares HZSM-5, HFER, SAPO-34 e HMCM-22. A caracterização físico-química das amostras foi realizada através das técnicas de FRX, DRX, fisissorção de nitrogênio, MEV, espectrometria no IV com adsorção de piridina e TPD de NH3. O desempenho catalítico das mesmas foi comparado em condições de isoconversão inicial de 755%. Verificou-se que as características ácidas e estruturais exerceram forte influência sobre o desempenho catalítico quanto à atividade, estabilidade e seletividade aos produtos da reação. A amostra mais estável foi a HZSM-5 que apresentou maior densidade de sítios fortes e uma estrutura porosa que permite uma circulação tridimensional das moléculas. Já a menos estável, SAPO-34, apresentou a menor concentração de sítios ácidos fortes dentre os materiais estudados e uma estrutura com cavidades com aberturas estreitas (4Å) que oferecem restrições ao acesso dos reagentes aos sítios ácidos do catalisador. Quanto à seletividade a olefinas, a primeira foi mais seletiva a propeno e a segunda, a eteno. A ferrierita não se mostrou seletiva às olefinas leves tendo apresentado, no entanto, comportamento promissor quanto a formação de DME a partir do metanol. Já a HMCM-22 foi seletiva às olefinas leves e aos hidrocarbonetos com 4, 5 e 6 ou mais átomos de carbono. A influência da temperatura no desempenho catalítico foi investigada variando-se a temperatura de reação (300, 400 e 500C). Verificou-se que para a HZSM-5 e HMCM-22, perda da atividade catalítica foi intensificada a partir de 400C. Quanto à seletividade a olefinas leves, apenas a SAPO-34 não se mostrou sensível a variações na temperatura, efeito este que foi nitidamente observado nos outros três catalisadores: um aumento na temperatura promoveu um aumento na seletividade a olefinas leves no caso da HZSM-5 e da HMCM-22 e queda nesse valor para a HFER

Imidazolium-Based Organic Structure Directing Agents for the Synthesis of Microporous Materials

The central theme of this thesis is the use of imidazolium-based organic structure directing agents (OSDAs) in microporous materials synthesis. Imidazoliums are advantageous OSDAs as they are relatively inexpensive and simple to prepare, show robust stability under microporous material synthesis conditions, have led to a wide range of products, and have many permutations in structure that can be explored. The work I present involves the use of mono-, di-, and triquaternary imidazolium-based OSDAs in a wide variety of microporous material syntheses. Much of this work was motivated by successful computational predictions (Chapter 2) that led me to continue to explore these types of OSDAs. Some of the important discoveries with these OSDAs include the following: 1) Experimental evaluation and confirmation of a computational method that predicted a new OSDA for pure-silica STW, a desired framework containing helical pores that was previously very difficult to synthesize. 2) Discovery of a number of new imidazolium OSDAs to synthesize zeolite RTH, a zeolite desired for both the methanol-to-olefins reaction as well as NOX reduction in exhaust gases. This discovery enables the use of RTH for many additional investigations as the previous OSDA used to make this framework was difficult to synthesize, such that no large scale preparations would be practical. 3) The synthesis of pure-silica RTH by topotactic condensation from a layered precursor (denoted CIT-10), that can also be pillared to make a new framework material with an expanded pore system, denoted CIT-11, that can be calcined to form a new microporous material, denoted CIT-12. CIT-10 is also interesting since it is the first layered material to contain 8 membered rings through the layers, making it potentially useful in separations if delamination methods can be developed. 4) The synthesis of a new microporous material, denoted CIT-7 (framework code CSV) that contains a 2-dimensional system of 8 and 10 membered rings with a large cage at channel intersections. This material is especially important since it can be synthesized as a pure-silica framework under low-water, fluoride-mediated synthesis conditions, and as an aluminosilicate material under hydroxide mediated conditions. 5) The synthesis of high-silica heulandite (HEU) by topotactic condensation as well as direct synthesis, demonstrating new, more hydrothermally stable compositions of a previously known framework. 6) The synthesis of germanosilicate and aluminophosphate LTA using a triquaternary OSDA. All of these materials show the diverse range of products that can be formed from OSDAs that can be prepared by straightforward syntheses and have made many of these materials accessible for the first time under facile zeolite synthesis conditions.

Copolimerização de 1,3-butadieno e alfa-olefinas com catalisadores à base de versatato de neodímio

Nesta Dissertação, foram realizadas reações de copolimerização de 1,3-butadieno com diferentes alfa-olefinas (1-hexeno, 1-octeno e 1-dodeceno) utilizando-se um sistema catalítico do tipo Ziegler-Natta ternário constituído por versatato de neodímio, hidreto de diisobutilalumínio e cloreto de t-butila. O sistema catalítico também foi avaliado em reações de homopolimerização com cada alfa-olefina. As condições reacionais, tanto da síntese do catalisador como das reações de polimerização, foram mantidas constantes. Foi estudada a influência de diferentes teores de cada alfa-olefina (1, 3, 5, 10, 20 e 30 % em relação ao 1,3-butadieno) sobre a conversão da polimerização, a microestrutura, a massa molar, as propriedades viscosimétricas e a estabilidade térmica dos polímeros obtidos. Foi avaliada, ainda, a influência do tamanho da cadeia da alfa-olefina sobre as características da polimerização. Os polímeros foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), cromatografia por exclusão de tamanho (SEC), viscosimetria capilar e termogravimetria (TG). A microestrutura dos polímeros, praticamente, não variou com a adição das alfa-olefinas. A massa molar numérica média (Mn) não sofreu alterações significativas, enquanto que a massa molar ponderal média (Mw) apresentou tendência ao aumento, quanto maior foi a incorporação de comonômero. A viscosidade intrínseca não apresentou uma tendência com a adição da alfa-olefina na reação, permanecendo na faixa de 2,015 a 3,557 dL/g. A estabilidade térmica do copolímero mostrou uma tendência a aumentar com a incorporação das alfa-olefinas

Caracterização de compostos aromáticos em gasolina comercial

A contaminação do ar e do meio ambiente por combustíveis derivados de petróleo tem sido objeto de crescente pesquisa no Brasil. Dentre os tipos de poluição ao meio ambiente, a poluição atmosférica é a que causa mais incômodo à população. Esta exerce efeitos sobre a saúde humana, causando desde simples irritações até câncer de pulmão. Dos poluentes mais perigosos encontrados nesses ambientes, são destaques os hidrocarbonetos e os compostos monoaromáticos como o benzeno, tolueno e xilenos (BTX), presentes nesses combustíveis, que são extremamente tóxicos à saúde humana. Para controle desses compostos orgânicos voláteis, é necessário quantificá-los e compará-los aos valores limites de tolerância legislados no Brasil. A utilização da técnica de cromatografia gasosa e da técnica de espectroscopia por infravermelho permite realizar essa tarefa de maneira relativamente simples e rápida. Portanto o objetivo deste trabalho foi apresentar a composição química de amostras de gasolina do tipo C comercializadas nos postos revendedores da Região Metropolitana do Estado do Rio de Janeiro. Foram feitas análises quantitativas dos principais grupos químicos (parafínicos, olefínicos, naftênicos e aromáticos) e etanol por Cromatografia Gasosa de Alta Resolução e da composição de benzeno, tolueno e xileno (BTX) pela técnica de absorção no infravermelho. Os resultados foram comparados com os limites dados pela especificação da ANP (Portaria n 309) para a qualidade da gasolina, com o objetivo de se verificar se estão em conformidade com este agente regulamentador. Os resultados mostraram que todos os teores encontrados de olefínicos e aromáticos foram abaixo do limite especificado. Alguns postos apresentaram os teores de benzeno acima do limite especificado, indicando um nível de ação por parte da ANP principalmente pela ação tóxica do benzeno

Late Transition Metals Supported by Aryl Ethers and Phenoxides Bearing Pendant Phosphines: Mechanistic Insights Relevant to Ether C-O Bond Cleavage

Terphenyl diphosphines bearing pendant ethers were prepared to provide mechanistic insight into the mechanism of activation of aryl C–O bonds with Group 9 and Group 10 transition metals. Chapters 2 and 3 of this dissertation describe the reactivity of compounds supported by the model phosphine and extension of this chemistry to heterogenous C–O bond activation.

Chapter 2 describes the synthesis and reactivity of aryl-methyl and aryl-aryl model systems. The metallation of these compounds with Ni, Pd, Pt, Co, Rh, and Ir is described. Intramolecular bond activation pathways are described. In the case of the aryl-methyl ether, aryl C–O bond activation was observed only for Ni, Rh, and Ir.

Chapter 3 outlines the reactivity of heterogenous Rh and Ir catalysts for aryl ether C–O bond cleavage. Using Rh/C and an organometallic Ir precursor, aryl ethers were treated with H2 and heat to afford products of hydrogenolysis and hydrogenation. Conditions were modified to optimize the yield of hydrogenolysis product. Hydrogenation could not be fully suppressed in these systems.

Appendix A describes initial investigations of bisphenoxyiminoquinoline dichromium compounds for selective C2H4 oligomerization to afford α-olefins. The synthesis of monometallic and bimetallic Cr complexes is described. These compounds are compared to literature examples and found to be less active and non-selective for production of α-olefins.

Appendix B describes the coordination chemistry of terphenyl diphosphines, terphenyl bisphosphinophenols, and biphenyl phosphinophenols proligands with molybdenum, cobalt, and nickel. Since their synthesis, terphenyl diphosphine molybdenum compounds have been reported to be good catalysts for the dehydrogenation of ammonia borane. Biphenyl phosphinophenols are demonstrated provide both phosphine and arene donors to transition metals while maintaining a sterically accessible coordination sphere. Such ligands may be promising in the context of the activation of other small molecules.

Appendix C contains relevant NMR spectra for the compounds presented in the preceding sections.

Transformação de metanol em olefinas leves catalisada por zeólitas HZSM-5

A reação de transformação de MeOH em olefinas leves foi investigada sobre zeólitas HZSM-5 com razões SiO2/Al2O3 (SAR) iguais a 30, 80 e 280. As propriedades ácidas e texturais da amostra com SAR 30 foram modificadas por impregnação com ácido fosfórico. A caracterização físico-química das amostras foi realizada empregando-se as técnicas de FRX, fisissorção de N2, DRX, DTP de NH3 e IV com adsorção de piridina. O desempenho catalítico das mesmas foi comparado tanto em condições reacionais similares (mesma T, pressão parcial de MeOH e WHSV) como em condições de isoconversão. Verificou-se, que quanto maior a SAR da zeólita, menor a densidade total e a força dos sítios ácidos presentes, sendo este efeito mais significativo para os sítios de Brönsted. O efeito do aumento da SAR favoreceu a estabilidade catalítica e a formação de olefinas leves, principalmente propeno. No caso das amostras contendo fósforo, foi observada uma redução linear na área específica BET e no volume de microporos com o aumento do teor de fósforo. Estes resultados, aliados aos obtidos por DRX, sugerem que a redução mais significativa na área específica e no volume de microporos pode ser associada à redução na cristalinidade e à formação de espécies amorfas contendo fósforo, que bloqueariam a estrutura porosa da zeólita. Não se observou alteração significativa na força dos sítios fracos, enquanto a força dos sítios fortes diminuiu significativamente. As amostras apresentando menor SAR e menor teor de fósforo foram mais ativas. Por outro lado, em condições de isoconversão de 916%, a amostra mais seletiva à formação de olefinas foi aquela com maior SAR. Dentre as amostras impregnadas, aquela contendo 4% de fósforo foi a mais seletiva a propeno, enquanto a que continha 6% foi mais seletiva a eteno. A amostra com SAR igual a 280 foi investigada variando-se a temperatura de reação (400, 500 e 540C) e a pressão parcial de metanol (0,038; 0,083 e 0,123 atm), através de um planejamento experimental do tipo Box-Benhnken (32). O rendimento otimizado em olefinas leves foi alcançado a 480C e 0,08 atm. O modelo proposto descreveu bem os dados experimentais e evidenciou a existência de uma faixa ótima de temperatura para maximização do rendimento em propeno e eteno, o qual foi também afetado pela pressão parcial de MeOH na faixa estudada. Palavras-chave: ZSM-5, olefinas, propeno, eteno, processo MTO, fósforo.

Recyclable heterogeneous Rh/SiO2 catalyst enhanced by organic PPh3 ligand

Heterogeneous PPh3-Rh/SiO2 catalysts for hydroformylation of olefins, prepared by direct doping of phosphine onto the heterogeneous Rh/SiO2 precursor, exhibited high activity and selectivity towards aldehydes, which originated from chemical coordination bond between the phosphine and Rh metal nantoparticles on the SiO2 support.

Effect of acid strength distribution on conversion of FCC gasoline over a ZSM-5 zeolite catalyst

Acid strength distribution and the distribution of aromatics formed in the FCC gasoline conversion reaction on a ZSM-5 zeolite with different Na contents have been studied. With increasing Na content in the ZSM-5 zeolite, the acid sites determined by NH3-TPD technique, especially the strong acid sites, clearly decrease. When used as catalyst for the aromatization reaction, the transformation of olefins in the FCC gasoline into aromatics is governed directly by the strong acid sites on the ZSM-5 catalyst. Only under the conditions that a ZSM-5 catalyst possesses suitable strong acid sites is reaction temperature favorable for the aromatics formed.

The effect of acidity on olefin aromatization over potassium modified ZSM-5 catalysts

The transformation of olefin to aromatics over ZSM-5 catalysts with different K-loadings has been investigated both in a continuous flow fixed-bed reactor and in a pulse microreactor. Investigation of variation of olefin aromatization activity with K-loadings shows that strong acid sites are indispensable for the converting of olefin to aromatics. As intermediates of olefin aromatization process, butadiene and cyclopentene not only show much higher aromatization activity than mono-olefins, but also can be transformed into aromatics over relatively weak acid sites of K/ZSM-5. A proposal is put forward, stating that among all the steps experienced in olefins aromatization, the formation of diene or cycloolfin from mono-olefins through hydrogen transfer is the key step and can be catalyzed by strong acid sites.