Indice Riassunto

I

Indice

Riassunto

Capitolo 1 : Introduzione e scopo di questo lavoro di Tesi

1.1 Catalizzatori supportati per reazioni di coupling: cenni sugli scopi

ed i metodi di preparazione

1.2

Catalizzatori bimetallici supportati

8

1.3 Preparazione di catalizzatori mediante Metal Vapour Synthesis

e loro impieghi

10

1.4

Capitolo 2

Studio sull‟impiego di sistemi Pd-Cu/supporto

come catalizzatore per reazioni tipo Sonogashira

2.1

Premesse

2.1.1

Breve introduzione sulle alchinilazioni tipo Sonogashira,

con particolare attenzione all‟impiego di catalizzatori eterogenei

2.1.2 Prove preliminari sulle possibilità di impiego del

Pd

/PvPy come catalizzatore per reazioni tipo Sonogashira 30

2.2

Lavoro effettuato

2.2.1 Preparazione di sistemi Pd-Cu/supporto mediante MVS

2.2.2 Primi studi sulle reazioni tipo Sonogashira: scelta del

catalizzatore e ottimizzazione delle condizioni con ioduri arilici 37

II

2.2.4 Leaching e riciclabilità del sistema Pd-Cu/PvPy (9d)

2.2.5 Campo di impiego del Pd-Cu/PvPy (9d) in reazioni tipo

Sonogashira

Capitolo 3:

Studio preliminare sull‟impiego di sistemi

Pd-Cu/supporto preparati “via” MVS come catalizzatori per reazioni

tipo Glaser

3.1

Introduzione sull‟ omocoupling ossidativo di 1-alchini 64

3.2 Lavoro effettuato

3.2.1 Individuazione di convenienti condizioni per l‟omocoupling

ossidativo al fenilacetilene (7a) promosso da Pd-Cu/PVPy (9d) 69

3.2.2

Leaching

del

sistema

Pd-Cu/PvPy

(9d)

durante

l‟omocoupling ossidativo tipo Glaser condotto nelle nostre

condizioni 81

3.2.3 Campo di impiego del Pd-Cu/PvPy nella reazione tipo

Glaser 82

Conclusioni

Ringraziamenti

Capitolo 4: parte sperimentale

4.1 Indicazioni generali

4.2 Preparazione dei catalizzatori eterogenei

4.2.1 Preparazione di sistemi Pd-Cu

/supporto contenenti

l‟1% w/w di Pd e lo 0,23% w/w di Cu (9b-d) 89

4.2.2 Preparazione del Cu

/PVPy contenente l‟1% w/w

III

4.2.3 Preparazione del Pd/γ-Al

O

(2% w/w) 91

4.3 Studio sulle reazioni tipo Sonogashira

4.3.1 Procedura generale per le reazioni tipo Sonogashira

con ioduri effettuata in H

O 91

4.3.2 Procedura generale per le reazioni tipo Sonogashira

su ioduri effettuata in solventi organici 92

4.3.3 Procedura generale per le reazioni tipo Sonogashira

su ioduri effettuata in assenza di solventi 92

4.3.4 Procedure generali per le reazioni tipo Sonogashira

su bromuri 93

4.3.5 Isolamento e caratterizzazione dei composti

 1,2-Difenilacetilene, 8a 93

IV

 1’-Fenil-2-(3”,4”-diclorofenil)acetilene, 8o 98

 Eptinilbenzene, 8p 99

 4-((Triisopropilsilil)etinil)benzoato di etile, 8q 99

 4-((4-Metossifenil)etinil)anilina, 8r 100

4.3.6 Procedura per la determinazione del leaching durante

le reazioni tipo Sonogashira 100

4.3.7 Prove di riciclo di 9d nelle reazioni tipo

Sonogashira (Tabella

11) 101

4.3.8 Procedura per il confronto tra catalizzatori

4.4 Studio sulle reazioni tipo

Glaser

4.4.1 Procedura generale per le reazioni di

omocoupling ossidativo 101

4.4.2 Isolamento e caratterizzazione dei composti

 1,3-Difenilbutadiino, 11a 102  Bis(3,4-diclorofenil)1,3-butadiino, 11b 102  Bis(2’-amminofenil)butadiino, 11f 103  Tetradeca-6,8-diino, 11c 103  Bis(4-metilfenil)butadiino, 11d 104  Bis(4-metossifenil)butadiino, 11e 104

4.4.3 Procedura per la determinazione del leaching durante le

reazioni tipo Glaser 104

V

RIASSUNTO

La possibilità di impiegare, in reazioni catalizzate di formazione di legami C-C e C-eteroatomo, sistemi catalitici eterogenei, a basso rilascio di metallo e possibilmente riciclabili è attualmente considerata di grande rilievo scientifico ed estremamente attraente, talvolta determinante, da un punto di vista industriale; in questo contesto è oggi ritenuto di grande interesse, e intensamente studiato e applicato, l‟uso di catalizzatori costituiti da nanoparticolati metallici supportati, mentre stanno trovando le loro prime, ma notevolmente promettenti, applicazioni anche sistemi bimetallici, nonché sistemi nanoparticellari monometallici supportati ottenuti attraverso la particolare tecnica denominata Metal Vapour Synthesis (MVS).

D‟altra parte il triplo legame C-C rappresenta una delle più conosciute e versatili funzionalità in chimica organica. Composti con uno o più tripli legami sono noti da almeno un secolo come componenti di prodotti naturali, e nelle ultime due decadi sono studiati come importanti strumenti nell‟area dei conduttori ottici non lineari ed organici; composti acetilenici naturali, o loro derivati e analoghi sintetici, sono ampiamente utilizzati per le loro importanti attività biologiche e in altre utili applicazioni. Pertanto sono da considerare di notevole interesse studi volti ad individuare condizioni sempre più semplici, efficienti e industrialmente accettabili, o semplicemente alternative, per la sintesi di derivati acetilenici.

VI

Questo lavoro di Tesi è stato appunto effettuato nell‟ambito di un programma di ricerca volto a individuare nuovi sistemi catalitici supportati in grado di promuovere reazioni di formazione di legami C-C efficientemente, con bassi carichi di metallo e in condizioni il più possibile semplici e „green‟. Tale programma è condotto in collaborazione con l‟Advanced Catalysts, uno spin-off del nostro Dipartimento.

In questo contesto, suo principale obiettivo è stato proprio quello di studiare e confrontare le potenzialità come catalizzatori per reazioni di coupling coinvolgenti alchini liberi, quali le alchinilazioni tipo Sonogashira e le dimerizzazioni ossidative tipo Glaser, di nuovi sistemi bimetallici Pd-Cu costituiti da nanoparticelle ottenute „via‟ Metal Vapour Synthesis e supportate su semplici matrici commerciali di diversa natura, quali la polivinilpiridina (PVPy), la γ-allumina ed il carbone. Infatti reazioni di questo tipo, nelle condizioni più usuali, vengono promosse con sistemi Pd/Cu (Sonogashira) oppure sia a base di Cu che di Pd (Glaser).

In primo luogo sono stati quindi preparati „via‟ MVS i tre sistemi Pd-Cu/C (9b), Pd-Cu/γ -Al2O3 (9c) e Pd-Cu/PvPy (9d),

contenenti quantità note di palladio e di rame, poi si è proceduto con lo studio del loro comportamento come catalizzatori dei due tipi di reazioni sopra citati.

Per quanto riguarda le reazioni tipo Sonogashira, è da premettere che precedenti prove effettuate usando come catalizzatore Pd/PVPy (9a), anch‟esso preparato via MVS, avevano dato luogo a risultati di fatto insoddisfacenti, e proprio anche per questo era stato deciso di saggiare in questa reazione analoghi sistemi bimetallici Pd-Cu. Invece i risultati ottenuti con i sistemi 9b-d sono stati decisamente più interessanti.

Più in particolare, una lunga serie di prove effettuate su composti modello (fenilacetilene, 7a, come alchino e iodobenzene, 6a, 4-iodotoluene, 6b, o 4-iodoanisolo, 6c, come alogenuri) ha permesso

VII

di accertare che, fra i tre sistemi bimetallici saggiati, 9d è il più efficiente nel promuovere l‟alchinilazione di iodoareni, permettendo di condurre convenientemente tale reazione in condizioni piuttosto semplici e pratiche (e.g, solo acqua come solvente, ambiente aerobico, bassi carichi di metalli: 0.10 moli% di Pd, 0.037 di Cu). E‟ da rilevare che la presenza di aria durante le reazioni è risultata addirittura in grado di esaltare l‟attività di 9d. Nelle condizioni così ottimizzate è stata poi fatta reagire un‟ampia serie di iodo(etero)areni e 1-alchini, sia elettronricchi che elettronpoveri o stericamente impediti, ottenendo comunque rese da buone ad eccellenti nei corrispondenti diariletini. Risultati particolarmente buoni sono stati ottenuti usando come accettori ioduri eteroarilici, sia elettronricchi che elettronpoveri. Una resa decisamente più moderata (47%) è stata invece ottenuta alchinilando 6a con un alchino terminale alifatico, l‟1-eptino.

Per le alchinilazioni di bromuri arilici è stato necessario individuare condizioni diverse, che prevedono un processo domino „one pot‟ in due stadi di tipo Halex-Sonogashira, realizzato grazie all‟aggiunta, in opportune condizioni pazientemente messe a punto, di KI alla miscela di reazione. Anche in questo caso sono risultati sufficienti bassi carichi di metalli e la presenza di aria non disturba, ma facilita le reazioni. In queste condizioni ottimizzate l‟alchinilazione del bromobenzene (6e) con il fenilacetilene (7a) ha fornito una resa moderata (50%), ma con aloareni di diverso tipo sono stati ottenuti risultati decisamente migliori. In particolare è risultato che 9d, così come per gli ioduri e almeno nelle condizioni utilizzate, sembra particolarmente efficiente nel promuovere alchinilazioni di bromuri eteroarilici, sia elettronricchi che elettronpoveri.

E‟ stato inoltre accertato che nelle nostre condizioni ottimizzate la lisciviazione del Pd da 9d è estremamente bassa (inferiore allo 0.2%), mentre quella del rame è un po‟ più alta (intorno al 3%). Purtroppo, nonostante questi comunque bassi valori di leaching, non è stato possibile riciclare il catalizzatore più di una volta senza diminuirne drasticamente l‟efficienza sia in termini di resa che di tempi di reazione.

VIII

Infine, un diretto confronto a parità di condizioni nella stessa alchinilazione ha permesso di accertare che l‟impiego di 9d in reazioni tipo Sonogashira può essere prospettato come, se non competitivo, almeno alternativo a quello di usuali catalizzatori supportati commerciali comunemente utilizzati in questo tipo di reazioni (Pd EnCat 40, Pd/C e Pd/γ -Al2O3), sia in termini di rese che di leaching.

Per quanto riguarda le dimerizzazioni ossidative di 1-alchini tipo Glaser è stata necessaria una lunga e faticosa messa a punto delle condizioni, dalla quale è in primo luogo emerso che anche in questo caso il sistema bimetallico più efficiente, fra quelli studiati, è 9d. Grazie ad esso è stato infatti possibile realizzare una efficiente e inusuale procedura con cui è possibile preparare convenientemente butadiini disostituiti con i carichi di metalli largamente più bassi finora mai usati a questo scopo, almeno a nostra conoscenza (0.15 moli di Pd, 0.055 di Cu). In particolare, tale procedura richiede l‟impiego di 1,4-diazabiciclo[2,2,2]-ottano (DABCO) come base e della contemporanea presenza di aria e di KI, oltre che di 9d e di DMF/H2O (4:1) come solvente. Per il ruolo del KI e dell‟aria in questa

reazione è stata formulata un‟ipotesi meccanicistica.

In queste condizioni sono stati fatti reagire ariletini di varia natura, sia elettronricchi che elettronpoveri o orto-sostituiti, con risultati comunque buoni. La casistica portata a termine è ancora limitata e dovrà essere approfondita, ma è sufficiente ad affermare che questa procedura ha anche caratteri di generalità. Risultati più modesti sono stati ottenuti con 1-alchini alifatici, e quindi attualmente sono in corso prove volte ad ottimizzare le condizioni anche con questo tipo di substrati.

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