Novel Strategies for the Photocatalytic Functionalization of Arenes and Double Bonds
- Autores: Noelia Salaverri Mora
- Directores de la Tesis: Leyre Marzo Puerta (dir. tes.), José Julián Alemán Lara (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2023
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 311
- Títulos paralelos:
- Nuevas estrategias para la funcionalización fotocatalítica de arenos y dobles enlaces
- Tribunal Calificador de la Tesis: Louis Fensterbank (presid.), Ramón Gómez Arrayás (secret.), Estíbaliz Merino Marcos (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Orgánica por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
Durante las dos últimas décadas, la fotocatálisis ha tenido un papel fundamental en el desarrollo de nuevas metodologías sintéticas en Química Orgánica debido a la generación de intermedios radicalarios bajo unas condiciones de reacción suaves y eficientes para dar lugar a reactividades únicas. Estos procesos se basan en la capacidad que tienen diversos colorantes orgánicos o complejos organometálicos para absorber luz visible (400-700 nm) y alcanzar su estado excitado desde donde pueden interaccionar con otros sustratos, co-catalizadores o reactivos presentes en el medio de reacción a través de procesos de transferencia electrónica o de transferencia de energía. La fotocatálisis ha permitido la activación y formación de nuevos enlaces previamente inaccesibles a través de metodologías sintéticas convencionales alcanzándose así una mayor diversidad y complejidad estructural. Además, estas transformaciones normalmente se llevan a cabo utilizando cargas catalíticas muy bajas y empleando en ocasiones luz solar, dando lugar a procesos sostenibles para el medio ambiente.
En esta tesis doctoral se han desarrollado diferentes estrategias fotocatalíticas basadas en procesos redox o de transferencia de energía para llevar a cabo la funcionalización de arenos y dobles enlaces. Además, en uno de los capítulos se ha desarrollado un proceso enantioselectivo, lo cual constituye uno de los mayores retos dentro del campo de la fotocatálisis debido a la dificultad de controlar la estereoselectividad en transformaciones que involucran intermedios radicalarios altamente reactivos. Dado el carácter multidisciplinar de nuestro grupo de investigación, en otro de los capítulos se ha llevado a cabo la aplicación de un nuevo fotocatalizador heterogéneo en síntesis orgánica. De esta forma, en el capítulo 1 se han recopilado los diferentes modos de activación en fotocatálisis, las diferentes estrategias para llevar a cabo procesos enantioselectivos y los antecedentes de nuestro grupo de investigación en fotocatálisis homogénea y heterogénea.
En cuanto a los procesos fotocatalíticos de transferencia de energía, en el capítulo 2 hemos llevado a cabo una nueva reacción de cicloadición [2+2] seguida de la apertura del ciclobutano resultante mediante un proceso de rearomatización entre azaarenos sustituidos con grupos atractores de electrones en la posición metilénica y dobles enlaces. Esta metodología nos ha permitido llevar a cabo la funcionalización de estirenos, dienos, alquenos sustituidos con heteroarilos y derivados de productos naturales con quinolinas, isoquinolina, pirazinas y quinoxalinas dando lugar a una nueva librería de compuestos bioactivos.
Por otro lado, los capítulos 3 y 4 se enmarcan dentro de los procesos fotocatalíticos de transferencia electrónica. Uno de los procesos únicos que se pueden lograr empleando fotocatálisis es la isomerización de cicloalcanoles en cetonas lineales alifáticas. De esta forma, en el capítulo 3 se ha llevado a cabo la apertura de cicloalcanoles mediante un proceso oxidativo acoplado a un proceso de transferencia de protón utilizando un fotocatalizador y una base para generar un radical alcoxilo que evoluciona a la formación de un radical alquilo en posición remota de la cetona resultante. En la primera parte de este capítulo, se ha llevado a cabo la adición radicalaria tipo Giese en aceptores Michael dando lugar a la formación de enlaces C-C. En la segunda parte, se ha logrado llevar a cabo la adición radicalaria enantioselectiva a dobles enlaces sustituidos con 2-acil imidazoles mediante la coordinación de este grupo con un complejo de rodio (III) que presenta una quiralidad centrada en el metal. Este método ha permitido la síntesis de dicetonas con diferentes cadenas alquílicas que presentan un estereocentro en la posición ß.
A pesar de que en el capítulo 3 se desarrolla la generación y manipulación de radicales C(sp3), las especies radicalarias C(sp2) de tipo arílico suponen un reto totalmente diferente debido a su elevada inestabilidad. Además, los potenciales de reducción de los precursores halogenados (Ar-I, Ar-Br, Ar-Cl) son extremadamente negativos, lo que supone un desafío adicional. Sin embargo, aunque se han desarrollado sistemas fotocatalíticos homogéneos eficientes en la generación de radicales arilo, estos solo han sido atrapados intermolecularmente con cantidades superestequiométricas de reactivo para la formación de enlaces C-H, C-C, C-B, C-S y C-P mientras que intramolecularmente solo se ha logrado la formación de enlaces C-C. Por lo tanto, en la primera parte del capítulo 4 se ha desarrollado un método fotocatalítico para la síntesis de heterociclos de azufre, silicio y fósforo mediante la generación del radical arilo seguido de un proceso de sustitución homolítica intramolecular (SHi) en el heteroátomo. Así, se ha logrado reemplazar la utilización de hidruros de estaño, altamente tóxicos y previamente empleados para llevar a cabo esta reacción, por unas condiciones suaves y más sostenibles. Por otro lado, la generación de radicales arilo y su funcionalización ha sido mucho menos estudiado en el campo de la fotocatálisis heterogénea. Dada la experiencia de nuestro grupo de investigación en reacciones fotocatalíticas empleando materiales orgánicos porosos, en la segunda parte se propone la aplicación de un nuevo fotocatalizador orgánico heterogéneo que contiene unidades de triazina y fenantrolina (Phen-CTF), con unas excelentes propiedades reductoras en el estado excitado, en la reducción de haluros de arilo y la posterior formación de enlaces C-H, C-C, C-B y C-P incluyendo la deshalogenación de contaminantes aromáticos halogenados. Teniendo en cuenta la menor actividad fotocatalítica de sus análogos CTF-4, que contiene unidades de bifenilo en lugar de fenantrolina, y Phen-Tz-COF, conectado mediante enlaces tipo imina, se ha determinado que las excelentes propiedades redox del fotocatalizador provienen tanto del alto contenido de átomos de N así como de la eficiente separación de cargas en su estructura.
