2-Aminobenzimidazole Organocatalyzed Asymmetric Amination of Cyclic 1,3-Dicarbonyl Compounds

The use of a trans-cyclohexanediamine benzimidazole derivative as a hydrogen-bond catalyst for the electrophilic amination of cyclic 1,3-dicarbonyl compounds is herein presented. High yields and enantioselectivities varying from moderate to excellent are generally obtained using mild reaction conditions and as low as 1 mol% of catalyst loading.

Solvent-Induced Reversal of Enantioselectivity in the Synthesis of Succinimides by the Addition of Aldehydes to Maleimides Catalysed by Carbamate-Monoprotected 1,2-Diamines

A simple change in the polarity of the solvent allows both enantiomers of substituted succinimides to be obtained in the enantioselective conjugate addition reaction of aldehydes, mainly α,α-disubstituted, to maleimides catalysed by chiral carbamate-monoprotected trans-cyclohexane-1,2-diamines. Using a single enantiomer of the organocatalyst, both enantiomers of the resulting Michael adducts are obtained in high yields by simply changing the reaction solvent from aqueous DMF (up to 84 % ee) to chloroform (up to 86 % ee). Theoretical calculations are used to explain this uncommon reversal of the enantioselectivity; two transition state orientations of different polarities are differently favoured in polar or nonpolar solvents.

Organocatalytic Asymmetric α-Chlorination of 1,3-Dicarbonyl Compounds Catalyzed by 2-Aminobenzimidazole Derivatives

Bifunctional chiral 2-aminobenzimidazole derivatives 1 and 2 catalyze the enantioselective stereodivergent α-chlorination of β-ketoesters and 1,3-diketone derivatives with up to 50% ee using N-chlorosuccinimide (NCS) or 2,3,4,4,5,6-hexachloro-2,5-cyclohexadien-1-one as electrophilic chlorine sources.

Cross-dehydrogenative coupling reaction using copper oxide impregnated on magnetite in deep eutectic solvents

The synthesis of different tetrahydroisoquinolines using choline chloride : ethylene glycol as a deep eutectic solvent (DES) and copper(II) oxide impregnated on magnetite as a catalyst has been accomplished successfully. The copper catalyst amount is the lowest loading ever reported. The presence of DES showed to be essential since the reaction in the absence of this medium did not proceed. A direct proportional relationship was found between the conductivity of DES medium and the yield obtained. The DES and the catalyst could be reused up to ten times without any detrimental effect on the yield of the reaction, with the aerobic conditions making the protocol highly sustainable, where the only waste is water.

Pursuing Chemical Efficiency by Using Supported Organocatalysts for Asymmetric Reactions under Aqueous Conditions

Over the past decade, a great effort has been made by the chemical community to improve the efficiency of organic transformations and allow sustainable processes. Merging the use of supported and recyclable organocatalysts and aqueous conditions for the asymmetric synthesis of valuable molecules, has led to outstanding contributions in the area of green chemistry. Recent progresses in the field include the implementation of these methodologies in the large scale production of chiral molecules using automated flow chemistry.

Bio-renewable enantioselective aldol reaction in natural deep eutectic solvents

Among the deep eutectic solvents (DES), natural deep eutectic solvents (NADES) formed by D-glucose and racemic malic acid are suitable media to perform the enantioselective L-proline catalyzed intermolecular aldol reaction, creating simultaneously and selectively a C–C bond and a new stereocenter. The scope of the reaction was found to be broad, with products being obtained with good levels of diastereo- and enantioselectivities. Furthermore, when the reaction was performed at a large scale, the catalyst together with the reaction media can be recovered by simple water extraction and reused at least three times affording similar results. Therefore, the use of NADES as reaction media to carry out a VOC-free selective process has been demonstrated for the first time. The process is clean, cheap, simple and scalable and meets most of the criteria to be considered as a sustainable and bio-renewable process, with the reaction media and catalyst arising directly from Nature.

Estudio de complejos metal-carbeno mesoiónicos como catalizadores en condiciones medioambientalmente sostenibles

Los carbenos, conocidos como intermedios lábiles de reacción debido a su alta reactividad, son un grupo de compuestos con propiedades muy interesantes. Su uso está extendido en química organometálica, puesto que la mayoría de aplicaciones de estas especies implican su coordinación con metales de transición para formar complejos metal-carbeno. Existen diferentes tipos que de complejos en base a su configuración electrónica y los sustituyentes presentes en la molécula. Uno de los grupos de carbenos con mayor interés en catálisis organometálica son los complejos derivados de carbenos N-heterocíclicos (NHC). Entre ellos se encuentran los carbenos normales (nNHC), los anormales (aNHC) y los mesoiónicos (MIC). Cada uno de estos tipos presenta propiedades físicas y químicas diferentes, debido a la diferente disposición de los heteroátomos y el modo de enlace en la estructura. Los complejos metal-carbeno mesoiónicos están empezando a usarse en catálisis homogénea por su facilidad de formación y su alta estabilidad en condiciones normales de reacción. Además, se ha probado su utilidad como catalizadores de reacciones orgánicas en medios no convencionales, tales como el agua. Entre los medios no convencionales que pueden ser utilizados para llevar a cabo reacciones en condiciones más benignas para el medio ambiente, se encuentran los disolventes eutécticos (DES). Estos disolventes son formados a partir de la mezcla de dos sólidos, una sal cuaternaria (HBA) y una especie donante de hidrógenos (HBD), que dan lugar una disolución líquida a temperatura ambiente. Las propiedades de esta mezcla eutéctica se pueden ajustar en función de la relación HBA/HBD, con el fin de adaptarse a diferentes tipos de reacciones orgánicas. En este trabajo se estudia la reacción de Suzuki-Miyaura, un acoplamiento cruzado de dos especies orgánicas, tanto en agua como en un líquido eutéctico usando un complejo derivado de una carbeno mesoiónico, obteniéndose un mejor rendimiento de la reacción en el disolvente eutéctico. Además, el uso de un DES como medio de reacción permitiría recuperar el catalizador utilizado en la reacción, de modo que se reduciría el número de residuos generados en el proceso.

Sistemas supramoleculares autoensamblados con proyección a la Química Sustentable y sus aplicaciones en síntesis y reacciones de transferencia de electrones.

Este proyecto combina una serie de líneas de trabajo que, en esencia, estudian interacciones moleculares débiles y propiedades fisicoquímicas de diversos solutos en distintos medios. En todos los casos se procura comprender los factores que determinan la interacción de un soluto con su medio ya sea homogéneo o heterogéneo y aplicar estos conocimientos a diversos procesos, fundamentalmente en medios supramoleculares auto-organizados. Los medios supramoleculares que se estudian son: micelas inversas con agua u otros solventes polares sustitutos confinados en su corazón polar y vesículas. En este proyecto se desarrollan métodos que optimizan la detección de diferentes tipos de interacciones no-covalentes con distintas moléculas pruebas en los diferentes medios y, a partir de esto obtener aplicaciones diversas. Se trata de comprender los factores que determinan la solubilización, ubicación y/o reactividad de las moléculas pruebas en diferentes sitios del medio supramolecular y de esta manera obtener información acerca de las diferentes interacciones específicas en cada sitio del sistema supramolecular, lo cual es fundamental para el reconocimiento molecular ("inteligencia"). En definitiva estos estudios están orientados a: i) entender la adaptabilidad de nuevos sistemas supramoleculares para utilizar los resultados en el diseño de métodos de síntesis, electrosíntesis y catálisis dentro de los principios de la química sostenible o química verde y en la prevención a problemas de impacto ambiental tal como la remediación de aguas contaminadas por hidrocarburos y la degradación de pesticidas utilizando estrategias no convencionales; ii) la comprensión de fenómenos de transferencia de carga en sistemas auto-organizados y membranas biológicas; iii) el desarrollo de nuevos métodos de detección electroquímicos para compuestos de interés biológico, en medicina, alimentos y farmacología. También, dentro de los objetivos hay una componente muy fuerte de formación de recursos humanos como se aprecia en el número de becarios ya incorporados y a incorporar. La integración de estos conocimientos multidisciplinarios crea un ámbito sumamente beneficioso para la formación de doctorandos tan necesarios para el país ya que tendrán la oportunidad de participar en temas de investigación variados, relacionados con disciplinas diferentes, lo que sin duda será un valor añadido en su formación.

Host-guest chemistry of solid coordination frameworks (SCFs) based on Copper(II)-Pyridine Ligands

283 p.

Catalizadores de base carbonosa para reacciones de oxidación y deshidratación de alcoholes

En las últimas décadas, el estudio y desarrollo de carbones activos como catalizadores o soportes catalíticos se ha incrementado enormemente debido a las ventajas derivadas de su elevada capacidad adsorbente, inercia y estabilidad química, una química superficial versátil y elevada resistencia mecánica. Además, su preparación a partir de residuos biomásicos supone un beneficio no sólo económico, sino también medioambiental, que puede resultar clave en el contexto energético e industrial actual. El objetivo de la tesis doctoral es la preparación y caracterización de catalizadores carbonosos obtenidos mediante activación química de residuos lignocelulósicos. Se ha activado un residuo biomásico como es el hueso de aceituna mediante impregnación con H3PO4 a diferentes relaciones de impregnación y temperaturas de activación. A pesar del proceso de lavado, una cantidad significativa de fósforo, permanece unida de forma estable a la superficie de los carbones obtenidos proporcionando una elevada concentración de grupos superficiales ácidos y una alta resistencia a la oxidación, lo que les confiere una particular química superficial. Este hecho, unido al notable desarrollo de la estructura porosa, con una contribución significativa de la microporosidad ancha y de la mesoporosidad, hace que estos carbones activos sean muy interesantes como sistemas catalíticos. En la presente tesis se ha estudiado la descomposición de alcoholes sobre los carbones activos ácidos. Los resultados mostraron que los carbones preparados son activos para la conversión catalítica de metanol y etanol, en aire, obteniéndose principalmente productos de deshidratación. Además, se han analizado las cinéticas de los resultados experimentales obtenidos, se han planteado modelos mecanísticos basados, inicialmente, en los ya propuestos en la bibliografía y se han formulado nuevos modelos, se ha estudiado la validez de éstos en base a la bondad de los ajustes y, finalmente, se obtuvieron las constantes cinéticas y termodinámicas para cada uno de los procesos. Por otro lado, estos carbones activados con ácido fosfórico se han usado como soporte de especies de óxido de vanadio. De esta manera se ha obtenido un catalizador VPO soportado en carbón activo y se ha estudiado su uso en las reacciones de oxidación parcial de propileno y la oxidación deshidrogenativa de propano (ODH). Además, se obtuvieron catalizadores másicos de VPO con morfología esférica y estructuras huecas tras una etapa de calcinación. Una de las principales características de estos sistemas catalíticos es la elevada área superficial, tanto de los óxidos soportados como másicos lo que los hace muy interesantes para aplicaciones catalíticas. La incorporación de vanadio al soporte de carbón activo disminuye la temperatura de oxidación de éste, pero, en cualquier caso, los catalizadores son estables en las condiciones de operación. Los datos de actividad fueron muy interesantes en el caso de la reacción de ODH de propano, que resultaron muy próximos a los valores más altos reportados para esta reacción, lo cual hace a estos catalizadores prometedores para su uso en reacciones de oxidación parcial de hidrocarburos, a la vez que abre una nueva posibilidad a los carbones activos como sistemas catalíticos en procesos de interés tecnológico.

Active site engineering for heterogeneous catalysis using emerging nano-structured materials

The growing concern about the depletion of oil has spurred worldwide interest in finding alternative feedstocks for important petrochemical commodities and fuels. On the one hand, the enormous re-serves found (208 trillion cubic feet proven1), environmental sustainability and lower overall costs point to natural gas as the primary source for energy and chemicals in the near future.2 Nowadays the transformation of methane into useful chemicals and liquid fuels is only feasible via synthesis gas, a mixture of molecular hydrogen and carbon monoxide, that is further transformed to methanol or to hydrocarbons under moderate reaction conditions (150-350 °C and 10-100 bar).3 For a major cost reduction and in order to valorize small natural gas sources, either more efficient "syngas to products" catalysts should be produced or the manner in which methane is initially activated should be changed, ideally by developing catalysts able to directly oxidize methane to interesting products such as methanol. On the other hand, from the point of view of CO2 emissions, the use of the re-maining fossil resources will further contribute to global warming. In this scenario, the development of efficient routes for the transformation of CO2 into useful chemicals and fuels would represent a considerable step forward towards sustainability. Indeed, the environmental and economic incen-tives to develop processes for the conversion of CO2 into fuels and chemicals are great. However, for such conversions to become economically feasible, considerable research is necessary. In this lecture we will summarize our recent efforts into the design of new catalytic systems, based on MOFs and COFs, to address these challenges. Examples include the development of new Fe based FTS catalysts, electrocatalysts for the selective conversion of CO2 into syngas, the development of efficient catalysts for the utilization of formic acid as hydrogen storage vector and the development of new enzyme inspired systems for the direct transformation of methane to methanol under mild reaction conditions. References (1) http://www.clearonmoney.com/dw/doku.php?id=public:natural_gas_reserves. (2) Derouane, E. G.; Parmon, V.; Lemos, F.; Ribeiro, F. R. Sustainable Strategies for the Up-grading of Natural Gas: Fundamentals, Challenges, and Opportunities; Springer, 2005. (3) Rofer-DePoorter, C. K. Chemical Reviews. ACS Publications 1981, pp 447–474.

Development of advanced catalytic systems for the selective hydrogenolysis of biomass-derived polyols

195 p.