Molecular modeling of asymmetric induction in heterogeneously catalyzed hydrogenation of the C=O bond

Modifiering av metallytor med starkt adsorberade kirala organiska molekyler är eventuellt den mest relevanta teknik man vet i dag för att skapa kirala ytor. Den kan utnyttjas i katalytisk produktion av enantiomeriskt rena kirala föreningar som behövs t.ex. som läkemedel och aromkemikalier. Trots många fördelar av asymmetrisk heterogen katalys jämfört med andra sätt för att få kirala föreningar, har den ändå inte blivit ett allmänt verktyg för storskaliga tillämpningar. Detta beror t.ex. på brist på djupare kunskaper i katalytiska reaktionsmekanismer och ursprunget för asymmetrisk induktion. I denna studie användes molekylmodelleringstekniker för att studera asymmetriska, heterogena katalytiska system, speciellt hydrering av prokirala karbonylföreningar till motsvarande kirala alkoholer på cinchona-alkaloidmodifierade Pt-katalysatorer. 1-Fenyl-1,2-propandion (PPD) och några andra föreningar, som innehåller en prokiral C=O-grupp, användes som reaktanter. Konformationer av reaktanter och cinchona-alkaloider (som kallas modifierare) samt vätebundna 1:1-komplex mellan dem studerades i gas- och lösningsfas med metoder som baserar sig på vågfunktionsteori och täthetsfunktionalteori (DFT). För beräkningen av protonaffiniteter användes också högst noggranna kombinationsmetoder såsom G2(MP2). Den relativa populationen av modifierarnas konformationer varierade som funktion av modifieraren, dess protonering och lösningsmedlet. Flera reaktant–modifierareinteraktionsgeometrier beaktades. Slutsatserna på riktning av stereoselektivitet baserade sig på den relativa termodynamiska stabiliteten av de diastereomeriska reaktant–modifierare-komplexen samt energierna hos π- och π*-orbitalerna i den reaktiva karbonylgruppen. Adsorption och reaktioner på Pt(111)-ytan betraktades med DFT. Regioselektivitet i hydreringen av PPD och 2,3-hexandion kunde förklaras med molekyl–yta-interaktioner. Storleken och formen av klustret använt för att beskriva Pt-ytan inverkade inte bara på adsorptionsenergierna utan också på de relativa stabiliteterna av olika adsorptionsstrukturer av en molekyl. Populationerna av modifierarnas konformationer i gas- och lösningsfas korrelerade inte med populationerna på Pt-ytan eller med enantioselektiviteten i hydreringen av PPD på Pt–cinchona-katalysatorer. Vissa modifierares konformationer och reaktant–modifierare-interaktionsgeometrier var stabila bara på metallytan. Teoretiskt beräknade potentialenergiprofiler för hydrering av kirala α-hydroxiketoner på Pt implicerade preferens för parvis additionsmekanism för väte och selektiviteter i harmoni med experimenten. De uppnådda resultaten ökar uppfattningen om kirala heterogena katalytiska system och kunde därför utnyttjas i utvecklingen av nya, mera aktiva och selektiva kirala katalysatorer.

Isomerism and C-H, C-C, O-O, C-O bond activation studies by transition metals

Aquesta tesi és el reflex que de la cooperació entre grups experimentals i grups teòrics s'aconsegueix l'assoliment d'objectius inassolibles de forma individual. A partir de la DFT s'expliquen processos inorgànics i organometàl·lics de gran valor biològic i/o industrial. La tesi està enfocada especialment a l'estudi de complexos mononuclears i binuclears de coure, on té lloc l'activació d'enllaços C-H, C-C, i O-O. L'estudi de complexos octaèdrics de ruteni ha permès dur a terme extensos estudis isomèrics i racionalitzar les propietats espectroscòpiques dels mateixos. A més a més, estudis més puntuals respecte clusters de coure, l'estudi de la reacció de Pawson-Khand, l'estudi d'enllaços Pt-Pt en complexos trimèrics de platí, a més a més de l'estudi de la isomeria de complexos de Ni i Pt.

N-H...S=C hydrogen bond in O-alkyl N-methoxycarbonyl thiocarbamates, ROC(S)N(H)C(O)O)CH(3) (R = CH(3)(-), CH(3)CH(2)-)

Pure O-methyl N-methoxycarbonyl thiocarbamate CH(3)OC(S)N(H)C(O)OCH(3) (I) and O-ethyl N-methoxycarbonyl thiocarbamate, CH(3)CH(2)OC(S)N(H)C(O)OCH(3) (II), are quantitatively prepared by the addition reaction between the CH(3)OC(O)NCS and the corresponding alcohols. The compounds are characterized by multinuclear ((1)H and (13)C) and bi-dimensional ((13)C HSQC) NMR, GC-MS and FTIR spectroscopy techniques. Structural and conformational properties are analyzed using a combined approach involving crystallographic data, vibration spectra and theoretical calculations. The low-temperature (150 K) crystal structure of II was determined by X-ray diffraction methods. The substance crystallizes in the monoclinic space group P2(1)/n with a = 4.088(1)angstrom. b = 22.346(1)angstrom, c = 8.284(1)angstrom, beta = 100.687(3)degrees and Z = 4 molecules per unit cell. The conformation adopted by the thiocarbamate group -OC(S)N(H)- is syn (C=S double bond in synperiplanar orientation with respect to the N-H single bond), while the methoxycarbonyl C=O double bond is in antiperiplanar orientation with respect to the N-H bond. The non-H atoms in II are essentially coplanar and the molecules are arranged in the crystal lattice as centro-symmetric dimeric units held by N-H center dot center dot center dot S=C hydrogen bonds Id(N center dot center dot center dot S) = 3.387(1)angstrom, <(N-H center dot center dot center dot S) = 166.4(2)degrees]. Furthermore, the effect of the it electronic resonance in the structural and vibrational properties is also discussed. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Development of tandem C-H borylation/functionalization procedures for late stage functionalization of compounds

The development of procedures for the iridium catalyzed C-H borylation of 1-aryl pyrazolopyrimidines and 1-aryl indazoles is reported. Investigation on the activity of the catalyst revealed the combination of an iridium (I) precursor and tetramethylphenantroline as the best catalytic system. Moreover, the procedures are regioselective resulting in the selective borylation of different C-H bonds within the substrates. The application of C-H borylation to late stage functionalization is demonstrated: a biologically active compound in AstraZeneca's project underwent tandem borylation/oxidation reaction, in order to obtain a functionalized product containing an OH group.

Unusual 1H NMR chemical shifts support (His) Cɛ1—H⋅⋅⋅O⩵C H-bond: Proposal for reaction-driven ring flip mechanism in serine protease catalysis

13C-selective NMR, combined with inhibitor perturbation experiments, shows that the Cɛ1—H proton of the catalytic histidine in resting α-lytic protease and subtilisin BPN′ resonates, when protonated, at 9.22 ppm and 9.18 ppm, respectively, which is outside the normal range for such protons and ≈0.6 to 0.8 ppm further downfield than previously reported. They also show that the previous α-lytic protease assignments [Markley, J. L., Neves, D. E., Westler, W. M., Ibanez, I. B., Porubcan, M. A. & Baillargeon, M. W. (1980) Front. Protein Chem. 10, 31–61] were to signals from inactive or denatured protein. Simulations of linewidth vs. pH demonstrate that the true signal is more difficult to detect than corresponding signals from inactive derivatives, owing to higher imidazole pKa values and larger chemical shift differences between protonated and neutral forms. A compilation and analysis of available NMR data indicates that the true Cɛ1—H signals from other serine proteases are similarly displaced downfield, with past assignments to more upfield signals probably in error. The downfield displacement of these proton resonances is shown to be consistent with an H-bond involving the histidine Cɛ1—H as donor, confirming the original hypothesis of Derewenda et al. [Derewenda, Z. S., Derewenda, U. & Kobos, P. M. (1994) J. Mol. Biol. 241, 83–93], which was based on an analysis of literature x-ray crystal structures of serine hydrolases. The invariability of this H-bond among enzymes containing Asp-His-Ser triads indicates functional importance. Here, we propose that it enables a reaction-driven imidazole ring flip mechanism, overcoming a major dilemma inherent in all previous mechanisms, namely how these enzymes catalyze both the formation and productive breakdown of tetrahedral intermediates.

Synthèse de motifs biarylés : fonctionnalisation directe catalysée par des métaux de transition d’espèces aromatiques non activées

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire.

Carbon-carbon bond formation : from transition metal catalysis to base-promoted homolytic aromatic substitution

Cette thèse de doctorat porte sur la catalyse à partir de métaux de transition et sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base visant à former de nouvelles liaisons C–C, et à ainsi concevoir de nouvelles structures chimiques. Au cours des vingt dernières années, des nombreux efforts ont été réalisés afin de développer des méthodologies pour la fonctionnalisation de liens C–H, qui soient efficaces et sélectives, et ce à faible coût et en produisant le minimum de déchets. Le chapitre d'introduction donnera un aperçu de la fonctionnalisation directe de liens C–H sur des centres sp2 et sp3. Il sera également discuté dans cette partie de certains aspects de la chimie radicalaire reliés a ce sujet. Les travaux sur la fonctionnalisation d’imidazo[1,5-a]pyridines catalysée par des compleces de ruthénium seront présentés dans le chapitre 2. Malgré l'intérêt des imidazo[1,5-a]azines en chimie médicinale, ces composés n’ont reçu que peu d'attention dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C–H. L'étendue de la réaction et l'influence des effets stériques et électroniques seront détaillés. Les cyclopropanes représentent les 10ème cycles carbonés les plus rencontrés dans les petites molécules d’intérêt pharmacologique. Ce sont aussi des intermédiaires de synthèse de choix pour la création de complexité chimique. Malgré de grands progrès dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C(sp3)–H, l'étude des cyclopropanes comme substrats dans les transformations directes est relativement nouvelle. Le chapitre trois présentera l'arylation intramoléculaire directe de cyclopropanes. Cette réaction est réalisée en présence de palladium, en quantité catalytique, en combinaison avec des sels d’argent. Des études mécanistiques ont réfuté la formation d'un énolate de palladium et suggéreraient plutôt une étape de métallation - déprotonation concertée. En outre, les cycles de type benzoazepinone à sept chaînons ont été synthétisés par l'intermédiaire d'une séquence d'activation de cyclopropane/ouverture/cyclisation. Une arylation directe intermoléculaire des cyclopropanes a été réalisée en présence d'un auxiliaire de type picolinamide (Chapitre 4). Les deux derniers chapitres de ce mémoire de thèse décriront nos études sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base. Le mécanisme de la réaction de cyclisation intramoléculaire d'halogénures d'aryle, réalisée en présence de tert-butylate de potassium, a été élucidé et se produit via une voie radicalaire (Chapitre 5). La transformation, exempte de métaux de transition, ne nécessite que la présence d’une base et de pyridine comme solvant. Cette réaction radicalaire a été étendue à la cyclisation d'iodures d'alkyle non activés en présence d'un catalyseur à base de nickel et de bis(trimethylsilyl)amidure de sodium comme base (Chapitre 6). Des études de RMN DOSY ont démontré une association entre le catalyseur, la base et le matériel de départ.

Metallo-organic domino reactions: C-H versus C-C bond breaking

HL and MeL are prepared by condensing benzil dihydrazone with 2-formylpyridine and 2-acetylpyridine, respectively, in 1:2 molar proportions. While in a reaction with [Ru-(C6H6)Cl-2](2), HL yields the cation [Ru(C6H6){5,6-diphenyl-3-(pyridin-2-yl)- 1,2,4-triazine}Cl](+), MeL gives the cation [Ru(C6H6)(MeL)Cl](+). Both the cations are isolated as their hexafluorophosphate salts and characterised by X-ray crystallography. In the case of HL, double domino electrocyclic/elimination reactions are found to occur. The electrocyclic reaction occurs in a C=N-N=C-C=N fragment of HL and the elimination reaction involves breaking of a C-H bond of HL. Density functional calculations on model complexes indicate that the identified electrocyclic reaction is thermochemically as well as kinetically feasible for both HL and MeL in the gas phase. For a double domino reaction, similar to that operative in HL, to occur for MeL, breaking of a C-C bond would be required in the elimination step. Our model calculations show the energy barrier for this elimination step to be much higher (329.1 kJ mol(-1)) for MeL than that for HL (96.3 kJ mol(-1)). Thus, the domino reaction takes place for HL and not for MeL. This accounts for the observed stability of [Ru(C6H6)-(MeL)Cl](+) under the reaction conditions employed.

Fundamental Pd0/PdII redox steps in cross-coupling reactions:homogeneous, hybrid homogeneous-heterogeneous to heterogeneous mechanistic pathways for C-C couplings

C–C bond-forming, cross-coupling reactions of organohalides with nucleophilic compounds, catalysed by palladium, are amongst the most important chemical reactions available to the synthetic chemist. The intimate mechanisms of these reactions, involving Pd0/PdII redox steps, have been of great historical interest and continue to be so. The myriad of possible mechanisms is reviewed in this chapter. The interplay of mononuclear Pd species with higher order Pd species, e.g. nanoclusters/nanoparticles are considered as being equally important in cross-coupling reaction mechanisms. A focus is placed on trichotomic behaviour of cross-coupling catalytic manifolds, from homogeneous to hybrid homogeneous–heterogeneous to truly heterogeneous behaviour. For the latter, surface chemistry and metal atom leaching (and various experimental techniques) are broadly discussed. It is now clear that mechanism for general cross‐coupling reactions, that is as presented to undergraduate students studying Chemistry degrees across the world, is undoubtedly more complex than first thought. New opportunities for catalyst design have therefore emerged in the area of Pd nanoparticles and nanocatalysis, with some wonderful applications especially in chemical biology, providing a snapshot of what the future might hold.

Electrochemically promoted carbon-halide bond cleavage in 4-nitrobenzyl halides

This manuscript reports the study of the carbon-halide bond cleavage in 4-nitrobenzyl halides, taking special attention to the iodide and fluoride derivatives. The electrochemical reduction mechanism has been disclosed for both compounds by terms of cyclic voltammetry and controlled potential electrolysis. In the case of 4-nitrobenzyl iodide, a first one electron irreversible wave leads to the corresponding 4-nitrobenzyl radical and iodide. However, in the case of 4-nitrobenzyl fluoride, a first one-electron reversible wave appears at –1.02 vs. SCE followed by one electron irreversible wave. In this second electron transfer process, the cleavage of the C-F bond is taking place, so the bond cleavage reaction occurs at the dianion level. To disclose and understand the electrochemical reduction mechanisms that allows to obtain important thermodynamic and kinetic data that would help in the understanding of C-X bond cleavage. This type of bond dissociation reactions are involved in the metabolism pathways of the human body.

Inserção C-H de carbenóides de ródio em água e reutilização do catalisador

A five-session laboratory experiment is described for the synthesis of a beta-lactam via Rh(II) catalysed intramolecular C-H insertion of a alpha-diazo-alpha-ethoxycarbonylacetamide. The metallo-carbene, responsible for the C-H bond activation, was generated from the diazo substrate and the catalyst Rh2(OAc)4. The high stability and solubility of the catalyst and the exclusive C-H insertion of the Rh-carbene allows the synthesis of this important heterocycle in water and the catalyst reutilization.

Synthèse diastéréosélective et énantiosélective de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués à l’aide de carbénoïdes gem-dizinciques

Les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés sont des composés intéressants dans de nombreux domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse, tout d’abord diastéréosélective puis énantiosélective de ces composés. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’utilisation de la zinciocyclopropanation pour l’obtention de ces dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitutés. Cette méthode consiste en l’utilisation d’un carbénoïde gem-dizincique pour effectuer une réaction de type Simmons-Smith. Cette stratégie a l’avantage d’être diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur qu’est l’oxygène allylique basique. Lors de cette réaction, l’existence d’une réaction compétitive avec un réactif monozincique diminuait l’utilité de la zinciocyclopropanation. L’issue de la réaction s’est avérée dépendre fortement de la nature du carbénoïde utilisé, de la température réactionnelle et de la présence de ZnI2 dans le milieu. L’étude par GCMS de nombreuses conditions pour la formation des différents carbénoïdes a permis d’identifier les paramètres clés conduisant à la zinciocyclopropanation. Ces découvertes ont notamment permis d’étendre la réaction de zinciocyclopropanation aux alcools allyliques portant un seul groupement directeur (ie. non dérivé du 1,4-buténediol). Dans ces conditions, la réaction s’est avérée extrêmement diastéréosélective favorisant la formation du zinciocyclopropane dont l’atome de zinc est dans une configuration cis avec le groupement directeur. Afin de fonctionnaliser les zinciocyclopropanes ainsi obtenus, plusieurs réactions de fonctionnalisation in situ ont été développées. Chacune de ces méthodes a montré une conservation totale de la diastéréosélectivité obtenue lors de la réaction de zinciocyclopropanation. La versatilité de la zinciocyclopropanation a donc été démontrée. Avec une méthode diastéréosélective efficace pour la formation de zinciocyclopropanes à partir d’alcools allyliques ne portant qu’un seul groupement directeur, il est devenu possible d’envisager le développement énantiosélectif de la réaction. L’utilisation d’un dioxaborolane énantiopur a permis la zinciocyclopropanation avec de très bons excès énantiomères de divers alcools allyliques chiraux. La présence sur la même molécule d’un lien C–Zn nucléophile est d’un atome de bore électrophile a conduit à un échange bore-zinc in situ, formant un cyclopropylborinate énantioenrichi. La formation de ce composé bicyclique a permis d’obtenir une diastéréosélectivité parfaite. De nombreux alcools allyliques ont pu ainsi être convertis en cyclopropylborinates. Une réaction de Suzuki subséquente a permis la formation de dérivés cyclopropaniques 1,2,3-trisubstitués avec de très bons excès énantiomères et une excellente diastéréosélectivité. Les cyclopropylborinates obtenus à l’issue de la zinciocyclopropanation énantiosélective se sont avérés être des unités très versatiles puisque de nombreuses méthodes ont pu être développés pour leur fonctionnalisation.

C---H local modes in cyclobutene, part I: FTIR studies, 600 to 10000 cm–1

The vibrational structure of C---H stretching states in gas-phase cyclobutene was studied using FTIR spectroscopy in the range 700–9000 cm−1. The structure was modelled using two effective vibrational Hamiltonians, one for each type of C---H bond present, consisting of local mode basis functions subject to coupling with symmetrically equivalent bonds and to Fermi resonances with suitable low frequency vibrations. Best-fit model parameters were determined using least-squares routines and the model predictions are compared to the observed band positions and intensities. Some discussion is given of the relevance of the observed couplings to intramolecular vibrational redistribution (IVR) which results in the observation of statistical behaviour in cyclobutene isomerization induced by excitation of C---H stretching overtones in the visible region.