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Scattolin, Elena (2009) Polynuclear carbene complex catalysts for Fine Chemistry applications. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

This PhD project is focused on the synthesis, characterisation of copper(I) and silver(I) complexes with policarbenic ligands and their application in catalysis for C-C and C-heteroatom bond forming reactions.
We developed an alternative synthetic pathway for copper(I) complexes in collaboration with the group of Prof. Santini of the University of Camerino. This methodic led to the preparation of the copper(I) complex 2c, which has a trinuclear structure in which every copper atom is coordinated to two imidazolin-2-ylidene rings, belonging to two tricarbenic units.
Complex 2c is prepared by a transmetallation reaction starting from the iso-structural silver complex 2b; the new procedure is more low-yielding than the classical free-carbene route but leads to higher purity products.
Complex 2c has the same structure of complex 1c which was prepared before the beginning of this thesys. This complex was prepared following the classical free-carbene route and it differs from 2c only for the nature of the substituent on the wingtip nitrogen atoms.
The scope of this synthetic procedure was subsequently investigated using other triscarbene silver complexes prepared by Santini as well as biscarbene silver complexes prepared following a literature procedure.
Up to now we have been able to isolate the dinuclear copper complex 8c using complex 9b while further improvements are still in progress for the synthesis of 3c and 4c.
Copper and silver complexes have been tested in carbene and nitrene transfer reactions, C-N and C-O coupling reactions (Ullmann reaction) and C-C coupling reactions (Sonogashira reaction).
Complex 1c exhibits an uncommon behaviour in Ullmann coupling. Commonly in this reaction aryl halides with electron donating substituents are less reactive than aryl halides bearing electron-withdrawing groups. In the case of complex 1c however, aryl halides bearing weakly electron-donating groups, such as methyl, give actually lower yields than aryl halides bearing strongly electron donating groups such as methoxy.
In order to better understand the catalytic behaviour of complex 1c several tests have been run with complex 2c and with a reference monocarbenic copper(I) complex previously synthesized by Nolan.
Complex IPrCuCl has been employed in the arylation of pyrazole, imidazole and 4-cresol and has shown an excellent catalytic activity even with aryl chlorides, in particular for the coupling reaction of 4-cresol.
Complex 2c has been employed in the arylation of imidazole with aryl halides and has shown a good reactivity in this reaction. Both complexes 2c and IPrCuCl follows the classical trend as iodoanisole gives a yield lower than iodotoluene.
The catalytic activity of complexes 1c, 2c and IPrCuCl has been also studied in the Sonogashira coupling of aryl halides and alkynes. IPrCuCl did not catalyse such reaction, but complexes 1c and 2c exhibit good activity with aryl iodides. Complex 1c gives quantitative yields with iodoacetophenone and also with iodotoluene while with the less reactive iodoanisole we obtain a yield of 54%.
Silver-NHC complexes were tested in this reaction too; the best result was obtained with complex 6b in DMF; the other complexes give poor or no yield. Quite unexpectedly, by changing the solvent also the selectivity of the catalyst changes; running the reaction in DMSO the aryl-aryl coupling product was preferentially formed instead of the Sonogashira product.
Some copper and silver complexes were employed also in carbene and nitrene tranfer reactions with respectively EDA and PhI=NTs as carbene and nitrene sources.
Complex 8c has revealed a high catalytic activity and chemoselectivity in the cyclopropanation of styrene with ethyl diazoacetate and also a certain activity in the carbene insertion into the a-CH bond of THF. In nitrene transfer reaction complexes 1c and 8c exhibit high activity in the aziridination of styrene and complex 1c also gave a yield of 30% in the amination of toluene with PhI=NTs, whereas the best catalyst report to date for this reaction, which is a perbrominated trispyrazolylborate copper(I) complex, gives a yield of 60%.
Silver-NHC complexes 6b and 7b were insoluble in dichloromethane, which was the solvent used for these reactions. In order to avoid solubility problems we tried to use the ionic liquid butyltrimethylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide as solvent, since complexes 6b and 7b were soluble in it, but unluckily these complexes were found to be inactive in carbene-transfer reactions.
Another issue of this PhD project consists in the application as catalysts for ligand-free Sonogashira coupling reactions of copper species supported on inorganic supports such as silica, alumina and silica-alumina. These catalysts were prepared by Dr. Ravasio of ISTN-CNR of Milan trough chemisorption-hydrolysis method. The reaction examined was the coupling of phenyl acetylene with various aryl halides. We found that switching from silica to alumina-supported materials and also to the fully reduced material (Cu/Al) significantly increased the catalytic efficiency of the catalyst allowing to obtain an almost quantitative yield in the coupling of iodoacetophenone.
Whereas deactivated aryl iodides turned out to be much more active in the presence of the pre-reduced Cu/Al; reactions with aryl bromides or chlorides gave poor yields with all the catalysts. Furthermore, determination of the conversion curve made it clear that exists an induction period, apparent from the sigmoidal shape of the curve, which suggests that CuO/Al acts in fact as a precatalyst generating the true catalytically active species in situ.
In conclusion, the synthesis of new copper(I)-NHC complexes was quite complicated, however the synthetic pathway developed in collaboration with Santini and coworkers seems to be promisingly. We managed to isolate and characterisate two copper(I) complexes (2c and 8c) and we also obtain several tricarbenic trinuclear silver(I) complexes.
Most of the complex prepared were tested as catalysts in C-C and C-Heteroatom forming reaction giving in some case significant results, to cite some: arylation of 4-cresol with chloroacetophenone catalysed by IPrCuCl and aziridination of styrene catalysed by complexes 1c and 8c.

Abstract (italian)

Questo progetto di Dottorato riguarda la sintesi e la caratterizzazione di complessi di rame(I) e argento(I) con leganti policarbenici e il loro impiego come catalizzatori in reazioni di formazione di nuovi legami C-C e C-eteroatomo.
É stata messa a punto una metodologia alternativa per la sintesi di complessi di rame(I) in collaborazione col gruppo del Prof. Santini dell’Università di Camerino. Questa metodica ha permesso di ottenere il complesso trinucleare di rame 2c, che ha una struttura trinucleare in cui ogni atomo di rame è coordinato a due anelli imidazolinidenici appartenenti a due unità tricarbeniche diverse.
Il complesso 2c è stato preparato tramite una reazione di transmetallazione a partire dal complesso di argento 2b che è isostrutturale a 2c. La nuova procedura consente di ottenere 2c in basse rese tuttavia consente di ottenere dei complessi con purezza maggiore rispetto alla procedura classica.
Il complesso 2c ha la stessa struttura del complesso 1c che è stato sintetizzato precedentemente all’inizio di questo progetto. Questo complesso è stato preparato seguendo la procedura classica di deprotonazione e differisce da 2c per la variata natura dei sostituenti agli atomi di azoto.
L’applicabilità di questa procedura è stata poi investigate utilizzando altri complessi tricarbenici di argento preparati da Santini e anche ad alcuni complessi dicarbenici di argento preparati seguendo procedure di letteratura.
Ad oggi è stato possibile isolare il complesso dinucleare di rame 8c utilizzando il complesso 9b come precursore, altri tentativi sono tuttora in corso per la sintesi dei complessi 3c e 4c.
I complessi di rame e argento sono stati utilizzati nelle reazioni di trasferimento di carbeni e nitreni, nelle reazioni di coupling C-N e C-O (reazione di Ullmann) e di coupling C-C (reazione di Sonogashira ). Il complesso 1c mostra di avere un comportamento anomalo nella reazione di Ullmann. solitamente in queste reazioni gli alogenuri arilici con sostituenti elettron donatori sono meno reattivi di alogenuri arilici con sostituenti elettron attrattori. Nel caso del complesso 1c tuttavia, alogenuri arilici con sostituenti debolmente elettron donatori come il metile danno rese inferiori rispetto ad alogenuri arilici con sostituenti elettron donatori come il metossi.
Per comprendere il comportamento del complesso 1c sono state condotte alcune reazioni di coupling col complesso 2c e on un complesso monocarbenico di rame(I) di riferimento che è stato sintetizzato da Nolan.
Il complesso IPrCuCl è stato utilizzato come catalizzatore nelle reazioni di arilazione di imidazolo, pirazolo e 4-cresolo e ha mostrato di essere un buon catalizzatore, in particolare per il coupling di cloruri arilici.
Il complesso 2c è stato impiegato nell’ arilazione di imidazolo con vari alogenuri arilici e ha dimostrato di avere una buona attività catalitica. IPrCuCl e 2c seguonol’andamento tipico di queste reazioni dato che la reazione con iodoanisolo da rese inferiori a quella con iodotoluene.
L’attività catalitica dei complessi 1c, 2c e IPrCuCl è stata studiata anche per la reazione di Sonogashira per l’arilazione di alchini. IPrCuCl non catalizza questa reazione mentre i complessi 1c e 2c mostrano una buona attività catalitica con gli ioduri arilici. Il complesso 1c da rese quantitative con iodoacetofenone e iodotoluene mentre col meno reattivo iodoanisolo da una resa del 54%.
Anche alcuni complessi di argento sono stati utilizzati in questa reazione, il risultato migliore è stato ottenuto col complesso 6b in DMF, gli altri complessi hanno dato rese basse o nulle. Sorprendentemente passando da DMF a DMSO cambia la selettività della reazione, infatti quando la reazione veniva condotta in DMSO si formava il prodotto di homocoupling dell’alogenuro arilico invece che l’arilalchino.
Alcuni complessi di rame e argento sono stati impiegati come catalizzatori anche in reazioni di trasferimento di carbeni e nitreni utilizzando rispettivamente EDA e PhI=NTs come fonti di carbene e nitrene.
Il complesso 8c si è rivelato cataliticamente attivo e selettivo nella reazione di ciclopropanazione di stirene con etildiazoacetato e ha dimostrato una certa attività catalitica anche nella reazione di funzionalizzazione di legame CH di THF. Nelle reazioni di trasferimento di nitreni i complessi 1c e 8c hanno dato rese elevate nella reazione di aziridinazione di stirene e il complesso 1c ha dato una resa del 30% nell’aminazione di toluene mentre il miglior catalizzatore per questa reazione (il complesso di rame con legante trispirazolilborato perbromato), ha dato una resa del 60%.
I complessi di argento 6b e 7b sono insolubili nei più comuni solventi organici, per questo motivo si è deciso di utilizzare come solvente un liquido ionico commerciale, il butiltrimetilammonio bis(trifluorometilsolfonil)immide, dato che i complessi 6b e 7b sono completamente solubili nello stesso. Tuttavia anche in queste condizioni tali complessi non sono risultati cataliticamente attivi.
Un’altra parte di questo progetto riguardava l’applicazione in catalisi di alcuni campioni di rame supportati su ossidi inorganici quali silice, allumina e silice-allumina. Questi catalizzatori sono stati preparati dal gruppo della Dottoressa Ravasio del ISTN-CNR di Milano attraverso il metodo di idrolisi-chemisorbimento. La reazione presa in esame è la reazione di Sonogashira
Dai risultati emerge che in generale i materiali supportati su allumina sono più reattivi rispetto a quelli supportati su silice e che il catalizzatore di rame metallico da rese più elevate rispetto al catalizzatore contenente rame ossido. Dalla forma sigmoidale della curva di reazione appare evidente la presenza di un periodo di induzione. Questo suggerisce che le specie di rame supportato agiscano in realtà come precatalizzatore e che la specie cataliticamente attiva si formi direttamente nell’ambiente di reazione.
Per concludere, la sintesi di nuovi complessi di rame con leganti carbenici è risultata complicata, tuttavia la nuova metodologia sviluppata in collaborazione con Santini sembra essere promettente. Due complessi policarbenici di rame sono stati ottenuti tramite questa metodologia (2c e 8c) e sono stati ottenuti anche alcuni complessi di argento.
I complessi ottenuti sono stati applicati in catalisi in reazioni di formazione di legami C-C e C-eteroatomo. Alcuni dei risultati ottenuti sono molto interessanti: l’arilazione di 4-cresolo con cloroacetofenone catalizzata da IPrCuCl e aziridinazione di stirene catalizzata dai complessi 1c e 8c.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Biffis, Andrea
Ph.D. course:Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > SCIENZE MOLECOLARI > SCIENZE CHIMICHE
Data di deposito della tesi:29 January 2009
Anno di Pubblicazione:02 February 2009
Key Words:Catalysis, copper, cross-coupling, silver, CH-activation, N-heterocyclic carbene.
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 03 - Scienze chimiche > CHIM/03 Chimica generale e inorganica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze Chimiche
Codice ID:1705
Depositato il:29 Jan 2009
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