Investigation of additive effects in enantioselective copper-catalysed C-H insertion and aromatic addition reactions of α-diazocarbonyl compounds

Significant enhancements in enantioselectivities and reaction efficiencies in asymmetric copper-catalysed C-H insertion and aromatic addition reactions of α-diazocarbonyl compounds in the presence of various group I salts are reported. For the first time in carbenoid chemistry, evidence for the critical role of the metal cation is described.

Development of a Phase Separation Strategy in Macrocyclization Reactions

La réaction de macrocyclisation est une transformation fondamentale en chimie organique de synthèse. Le principal défi associcé à la formation de macrocycles est la compétition inhérente avec la réaction d’oligomérisation qui mène à la formation de sousproduits indésirables. De plus, l’utilisation de conditions de dilutions élevées qui sont nécessaires afin d’obtenir une cyclisation “sélective”, sont souvent décourageantes pour les applications à l’échelle industrielle. Malgré cet intérêt pour les macrocycles, la recherche visant à développer des stratégies environnementalement bénignes, qui permettent d’utiliser des concentrations normales pour leur synthèse, sont encore rares. Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle approche générale visant à améliorer l’efficacité des réactions de macrocyclisation en utilisant le contrôle des effets de dilution. Une stratégie de “séparation de phase” qui permet de réaliser des réactions à des concentrations plus élevées a été developpée. Elle se base sur un mélange de solvant aggrégé contrôlé par les propriétés du poly(éthylène glycol) (PEG). Des études de tension de surface, spectroscopie UV et tagging chimique ont été réalisées afin d’élucider le mécanisme de “séparation de phase”. Il est proposé que celui-ci fonctionne par diffusion lente du substrat organique vers la phase ou le catalyseur est actif. La nature du polymère co-solvant joue donc un rôle crutial dans le contrôle de l’aggrégation et de la catalyse La stratégie de “séparation de phase” a initiallement été étudiée en utilisant le couplage oxidatif d’alcynes de type Glaser-Hay co-catalysé par un complexe de cuivre et de nickel puis a été transposée à la chimie en flux continu. Elle fut ensuite appliquée à la cycloaddition d’alcynes et d’azotures catalysée par un complexe de cuivre en “batch” ainsi qu’en flux continu.

Halogen-Kupfer-Austausch mit Kupferhypersilanid und Organylhalogeniden

Die Reaktion von Kupfertris(trimathylsilyl)silan (= Hypersilylkupfer, CuHyp) mit Iodoorganylverbindungen sollte analog zum Ullmann-Protokoll zum Halogen-Nukleophil-Austausch führen. Tatsächlich beobachteten wir zumeist die Bildung von Cuprio-Organylen, isolierbar in Form von mehrkernigen Neutralkomplexen aus dem Produkt und weiteren Äquivalenten von Hypersilylkupfer. Nach Zugabe von (weichen) Basen wie Trimethylphosphan kam es zur Auflösung dieser Komplexe und zur Bildung der erwarteten Silylorganyle. Von der systematischen Variation der eingesetzten Arene, Alkene und Alkine sowie ihrer Liganden versprachen wir uns tiefere Einsicht in die mechanistischen Zusammenhänge. Neben dem üblichen Halogen-Kupfer-Autausch konnten wir bei orthosubstituierten, bzw. zusätzlich tetramethylsubstituierten Diiodarenen einen einfachen Iod-Siyl-Autausch beobachten (vermutlich über Arinzwischenstufen), für Alkinedukte sogar eine doppelte Silylierung. Tatsächlich zeigen quantenchemische Berechnungen für CuHyp-Iodoorganyl-Systeme eine klare Präferenz von ullmannartigen Verläufen; andererseits führte Basenzugabe erst nachträglich zur Bildung von Ullmann-Produkten über die Auflösung der primären Komplexe. Innerhalb der üblicherweise gebildeten mehrkernigen Komplexe kommen Bindungen durch die Wechselwirkung unbesetzter σ*-Molekülorbitalee am Kupferzentrum von CuHyp und elektronenreichen bindenden Orbitalen in den Kupferorganyleinheiten zustande. Freie Elektronenpaare am Phosphor bei PMe3 könnten analog die Auflösung der Neutralkomplexe und die Bildung von vierkernigen Kupfer(III)-Intermediaten zwischen den Kupferorganyleinheiten und Iodsilan in der Lösung bewirken, die aufgrund ihrer strukturellen und energetischen Besonderheiten zu den erwarteten Ullmann-Produkten weiterreagieren würden. Die beobachteten Primärreaktionen verliefen dann offensichtlich über vergleichbare, aber unterschiedlich strukturierte Intermediate, vermutlich aufgrund der Tatsache, dass das eingesetzte CuHyp als Trimer vorliegt. Diese Annahme wird durch die direkte Silylierung von Iodalkinen gestützt, deren Dreifachbindungen möglicherweise als interne Base die trimeren in monomere CuHyp-Einheiten überführen. In eine ähnliche Richtung wäre die jüngst berichtete direkte Silylierung von Allylen bei Anwesenheit von elektronenreichen CN-Gruppen zu deuten.

18 F-Click-Radiomarkierung polymerer Trägersysteme zur ex vivo- und in vivo-Evaluierung

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein leistungsstarkes, nicht-invasives, bildgebendes Verfahren in der Nuklearmedizin und hat darüber hinaus zunehmende Bedeutung in der Arzneistoffentwicklung. Zur Verbesserung des therapeutischen Index von niedermolekularen Pharmaka werden vermehrt Wirkstofftransportsysteme eingesetzt. Eine Klasse dieser Wirkstofftransportsysteme sind Liposomen. Die Weiterentwicklung der klassischen Liposomen sind sogenannte „Stealth“-Liposomen, die eine Polyethylenglykol (PEG)-Korona zur Herabsetzung der Erkennung und Ausscheidung tragen. Zur (Weiter-)Entwicklung und deren in vivo-Evaluierung bietet die PET die Möglichkeit, die Auswirkungen von strukturellen Anpassungen auf die pharmakokinetischen Eigenschaften solcher Transportsysteme zu untersuchen. Zur Evaluierung neuartiger, cholesterolverankerter, linear-hyperverzweigter Polyglycerole (Ch-PEG-hbPG) als sterisch stabilisierende Polymere in Liposomen wurden diese im Rahmen dieser Arbeit mit der prosthetischen Gruppe 18F-TEG-N3 über kupferkatalysierte Alkin-Azid Cycloaddition (CuAAC) in sehr hohen Ausbeuten radiomarkiert. Zum systematischen Vergleich des in vivo-Verhaltens wurde ebenfalls ein cholesterolbasiertes lineares PEG (Ch-PEG) mit CuAAC nahezu quantitativ radiomarkiert. Als drittes Element wurde die Direktmarkierung von Cholesterol mit [18F]F- entwickelt. Diese drei Verbindungen wurden zuerst separat als Einzelkomponenten und anschließend, in Liposomen formuliert, in Tierstudien an Mäusen hinsichtlich ihrer initialen Pharmakokinetik und Biodistribution untersucht. Dabei zeigte sich ein ähnliches Verhalten der neuartigen Ch-PEG-hbPG-Derivate zu den bekannten Ch-PEG, mit dem Vorteil der Multifunktionalität an den hyperverzweigten Strukturen. Die liposomalen Strukturen mit der neuartigen sterischen Stabilisierung wiesen eine erhöhte Blutzirkulationszeit und vorteilhafte Blut-zu-Leber- und Blut-zu-Lunge-Verhältnisse im Vergleich zu den linear stabilisierten Analoga auf.rnEine weitere Klasse von Wirkstofftransportsystemen sind polymere Trägersysteme wie pHPMA. Alkinfunktionalisierte Polymere konnten in zwei verschiedenen Größen (~12 und 60 kDa) mittels CuAAC in sehr hohen Ausbeuten mit der prosthetischen Gruppe 18F-TEG-N3 radiomarkiert werden. Bicyclononinderivate der gleichen Größen konnten ohne Kupferkatalyse über ringspannungsvermittelte Alkin-Azid-Cycloaddition (SPAAC) mikrowellengestützt markiert werden und stehen somit zur in vivo-Untersuchung hinsichtlich des Einflusses der Markierungsart zur Verfügung.

Nanostructured copper thin film used for catalysis

Catalytic properties of copper thin films deposited in small channels and cavities were tested using Raman microscopy and mass spectroscopy (MS) techniques, mainly. The catalytic surface conditions were addressed visually and chemically by optical microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. The experimental conditions of present work induced copper oxidation; eventually a number of carbon species and graphite remained on the catalytic surface. Quartz crystal microbalance and mass spectroscopy data support both adsorption and catalysis phenomena. MS showed CO2 formation during n-hexane heating process but not to 2-propanol, probably due to redox reactions. XPS of copper surface present in the cavity after catalysis tests detected Cu2O and a range of possible carbon species. The adsorption and catalytic performance of copper films deposited in cavities and microchannels were quite similar. A simple miniaturized device for microanalysis was proposed. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effects of acid treatments of carbon on N2O and NO reduction by carbon-supported copper catalysts

The influences of HCl, HNO3 and HF treatments of carbon on N2O and NO reduction with 20 wt% Cu-loaded activated carbon were studied. The order of activity in both N2O and NO is as follows: Cu20/AC-HNO3>Cu20/AC>Cu20/AC-HF>Cu20/AC-HCl. The same sequence was also observed for the amount of CO2 evolved during TPD experiments of supports acid for the catalyst dispersion. On the other hand, N2O exhibited a higher reaction rate than NO and a higher sensitivity to acid treatments, and the presence of gas-phase O-2 had opposite effects in N2O and NO reduction. The key role of carbon surface chemistry is examined to rationalize these findings and the relevant mechanistic and practical implications are discussed. The effects of oxygen surface groups on the pore structure of supports and catalysts are also analyzed, (C) 2000 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Copper Bis(oxazoline) Encapsulated in Zeolites and Its Application as Heterogeneous Catalysts for the Cyclopropanation of Styrene

A copper C(2)-symmetric bis(oxazoline), CuBox, was introduced in two forms of commercial Y zeolite: a sodium form (NaY) and an ultrastable form (NaUSY). CuBox was introduced by first partially exchanging the sodium cations of both zeolites for copper and then by refluxing the obtained materials with a solution of bis(oxazoline) (Box). Two different loadings were prepared for each form of zeolite. The materials were characterized by copper ICP-AES, elemental analysis, XPS, FTIR, TG, and nitrogen adsorption isotherms at -196 degrees C. Evidence for Box ligand location in the supercages of NaY and NaUSY zeolites and its coordination to the exchanged copper(II) was obtained by the several techniques used. The materials were all active in the cyclopropanation of styrene with ethyldiazoacetate at room temperature and diastereoselective toward trans cydopropanes. Although the materials containing Box showed low enantioselectivities, their catalytic activities were higher than the parent copper exchanged zeolites, and did not decrease with reuse, at least during three consecutive cycles.

Copper(II) aza-bis(oxazoline) complex immobilized onto ITQ-2 and MCM-22 based materials as heterogeneous catalysts for the cyclopropanation of styrene

A copper(II) chiral aza-bis(oxazoline) homogeneous catalyst (CuazaBox) was anchored onto the external surface of MCM-22 and ITQ-2 structures, as well as encapsulated into hierarchical MCM-22. The transition metal complex loading onto the porous solids was determined by ICP-AES and the materials were also characterized by elemental analysis (C, N, H, S), FTIR, XPS, TG and low temperature N-2 adsorption isotherms. The materials were tested as heterogeneous catalysts in the benchmark reaction of cyclopropanation of styrene to check the effect of the immobilization procedure on the catalytic parameters, as well as on their reutilization in several catalytic cycles. Catalyst CuazaBox anchored onto the external surface of MCM-22 and ITQ-2 materials were more active and enantioselective in the cyclopropanation of styrene than the corresponding homogeneous phase reaction run under similar experimental conditions. This is due to the propylation of the acidic aza-Box nitrogen. HMCM-22 was nevertheless the best heterogeneous catalyst. Encapsulation of CuazaBox on post-synthesis modified MCM-22 materials led to low activities and enantioselectivities. But reversal on the stereochemical course of the reaction was observed, probably due to confinement effect. (C) 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

Copper-containing nitrite reductase from Pseudomonas chlororaphis DSM 50135

Eur. J. Biochem. 271, 2361–2369 (2004)

Tetranuclear COPPER(II) complexes with macrocyclic and open-chain disiloxane ligands as catalyst precursors for hydrocarboxylation and oxidation of alkanes and 1-phenylethanol

Two new tetranuclear complexes [Cu-4(mu-O)(L-1)-Cl-4] and [Cu-4(mu(4)-O)(L-2)(2)Cl-4] (2), where H2L1 is a macrocyclic ligand resulting from [2+2] condensation of 2,6-diformy1-4-methylphanol (DFF) and 1,3-bis(aminopropy1)tetramethyldisiloxane, and HL2 is a 1:2 condensation product: of DFF with trimethylsilyl p-aminobenzoate, have been prepared. The structures of the products were established by Xray diffraction. The complexes have been characterised by FTIR, UV/Vis spectroscopy, ES1 mass-spectrometry and magnetic susceptibility measurements. The latter revealed that the letrftriuclear complexes can be descr bed as two ferromagnetically coupled dinuclear units, in which the two copper(II) ions interact antiferromacinetically. The ccimpi.iunds act as homogeneous catalyst precursors for a number of single-pot reactions, including (I) hydrocarbaxylation, with CO, H2O and K2S2O8, of a variety of linear and cyclic (n = 5-8) alkanes into the corresponding Cn+1 carboxylic acids, (ii) peroxidative oxidation of cyclohexane, and (iii) solvent-free microwave-assisted oxidation of 1-phenyletha.nol.

Mediated catalysis of Paracoccus pantotrophus cytochrome c peroxidase by P. pantotrophus pseudoazurin: kinetics of intermolecular electron transfer

J Biol Inorg Chem (2007) 12:691–698 DOI 10.1007/s00775-007-0219-9

Secondary effects of catalytic diesel particulate filters: copper-induced formation of PCDD/Fs.

Potential risks of a secondary formation of polychlorinated dibenzodioxins/furans (PCDD/Fs) were assessed for two cordierite-based, wall-through diesel particulate filters (DPFs) for which soot combustion was either catalyzed with an iron- or a copper-based fuel additive. A heavy duty diesel engine was used as test platform, applying the eight-stage ISO 8178/4 C1 cycle. DPF applications neither affected the engine performance, nor did they increase NO, NO2, CO, and CO2 emissions. The latter is a metric for fuel consumption. THC emissions decreased by about 40% when deploying DPFs. PCDD/F emissions, with a focus on tetra- to octachlorinated congeners, were compared under standard and worst case conditions (enhanced chlorine uptake). The iron-catalyzed DPF neither increased PCDD/F emissions, nor did it change the congener pattern, even when traces of chlorine became available. In case of copper, PCDD/F emissions increased by up to 3 orders of magnitude from 22 to 200 to 12 700 pg I-TEQ/L with fuels of < 2, 14, and 110 microg/g chlorine, respectively. Mainly lower chlorinated DD/Fs were formed. Based on these substantial effects on PCDD/F emissions, the copper-catalyzed DPF system was not approved for workplace applications, whereas the iron system fulfilled all the specifications of the Swiss procedures for DPF approval (VERT).

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.

Copper(II) complexes of embelin and 2-aminobenzimidazole encapsulated in zeolite Y-potential as catalysts

Copper(II) complexes of two biologically important ligands, viz., embelin (2,5-dihydroxy-3-undecyl-2,5-cyclohexadien 1,4-dione) and 2-aminobenzimidazole were entrapped in the cages of zeolite Y by the flexible ligand method. The capability of these compounds in catalyzing the reduction of oxygen (industrially known as deoxo reaction) was explored and the results indicate an enhancement of the catalytic properties from that of the simple copper ion exchanged zeolite. These point to the ability of the ligands in enhancing the oxygen binding capability of the metal ion. Elemental analyses, Fourier transform infrared (FTIR), diffuse reflectance and EPR spectral studies, magnetic susceptibility measurements, TG, surface area analyses and powder X-ray diffraction studies were used in understanding the presence, composition and structure of the complexes inside the cages. The study also reveals the increased thermal and mechanical stability of the complexes as a result of encapsulation.