Indice Riassunto

I

Indice

Riassunto

IV

Capitolo 1 : Introduzione e scopo di questo lavoro di Tesi

1.1

Le reazioni di Suzuki e le alchinilazioni tipo-Sonogashira nel contesto delle reazioni di formazione di legami C-C promosse da metalli di 1 transizione

1.2

Catalizzatori omogenei e catalizzatori eterogenei 4

1.3

Metodi di preparazione, caratteristiche e problematiche dei Catalizzatori

Eterogenei 7

1.4

Preparazione di catalizzatori mediante Metal Vapour Synthesis: pregi e

lacune 10

1.5

Scopo e obbiettivi di questo lavoro di Tesi 15

Capitolo 2 : Studio sull’impiego del Pd

Vp

/PVPy (6) come

catalizzatore in reazioni di Suzuki

2.1

Introduzione sulla reazione di Suzuki e suoi principali tipi di catalizzatori

in essa impiegati precursori 18

2.2

Lavoro effettuato 24

2.1.1

Prove preliminari: identificazione della base e del solvente più adatti

al catalizzatore scelto 24

2.2.2

Ottimizzazione delle condizioni 28

2.2.3

Leaching e riciclabilità del catalizzatore 34

2.2.4

Confronto con altri catalizzatori 37

2.2.5

Campo di impiego del PdVp/PVPy (6) nella reazione di Suzuki 39

Capitolo 3 : Studio preliminare sulle possibilità di impiego del

Pd

Vp

/PVPy (6) in alchinilazioni tipo-Sonogashira

3.1

Evoluzione, problematiche e catalizzatori delle alchinilazioni di

II

3.1.1

La storia e il meccanismo 44

3.1.2

Come ovviare ai problemi causati dalla co-catalisi con CuI 47

3.1.3

Sonogashira “solventless”, “ligand-free”, in acqua e/o con catalizzatori

eterogenei: le versioni più moderne 50

3.2

Lavoro effettuato 55

Conclusioni

64

Ringraziamenti

66

4. Parte sperimentale

67

4.1

Informazioni generali

67

4.2

Preparazione dei catalizzatori eterogenei 68

Preparazione del PdVp/PVPy contenente l’ 1 % W/W di Pd (6) 68

a) sintesi del solvatato di Pd 68

b) determinazione del contenuto di Pd nel solvatato 69

c) deposizione sul supporto 69

Preparazione del Pd-AuVp/Al2O3 (0.6 % W/W Pd, 1 % W/W Au) 69

Preparazione del Pd/Al2O3 (2 % W/W) 70

4.3

Studio sulle reazioni di Suzuki 70

Procedura generale per le reazioni di Suzuki 70

4-Metilbifenile, 13a 71 Bifenile, 13b 71 4-Nitrobifenile, 13c 72 4-Metossibifenile, 13d 72 4-Clorobifenile, 13e 72 4-Fenil-benzoato di etile, 13f 72 4-Acetilbifenile, 13g 73 2-Feniltiofene, 13h 73 2-Metossibifenile, 13i 73

III 4-Metil-4’-metossibifenile, 13j 74 2,4’-Dimetossibifenile, 13k 74 2-Metil-2’-metossibifenile, 13n 74 4-Ammino-bifenile, 13o 75 3-Ammino-bifenile, 13p 75 4-Idrossi-bifenile, 13q 75 4-Fluorobifenile, 13l 76 4-Fluoro-4’-metossibifenile, 13m 76 4-Nitro-N,N-dimetilanilina, 16 76

Procedura generale per la determinazione della lisciviazione durante

le reazioni di Suzuki 76

Prove di riciclo di 6 (Tabella 7) 77

Prove di confronto fra catalizzatori 77

4.4

Studio sulle alchinilazioni tipo-Sonogashira 78

Procedura generale per le reazioni di alchinilazione in H2O 78

Procedura generale per le reazioni di alchinilazione in assenza di solvente 78

Procedura generale per le reazioni di alchinilazione in solventi organici 79

Spettri di massa dei principali sottoprodotti delle prove di alchinilazione 79

23a 79

23b 79

(Z)-24 80

(E)-24 80

25 80

Procedura per la determinazione del Pd perso da 6 durante le alchinilazioni 80

IV

Riassunto

Nell’ambito delle reazioni di formazione di legami C-C mediate da metalli di transizione, le reazioni di Suzuki e le alchinilazioni tipo-Sonogashira sono oggi considerate particolarmente interessanti ed importanti sotto molti punti di vista. D’altra parte la possibilità di impiegare in queste reazioni, così come in altri tipi di reazioni di cross-coupling, sistemi catalitici eterogenei, a basso rilascio di metallo e possibilmente riciclabili in luogo di più classici catalizzatori omogenei è attualmente ritenuta di grande rilievo scientifico ed estremamente attraente, talvolta determinante, da un punto di vista industriale.

Fra la grande varietà di catalizzatori eterogenei sviluppati negli ultimi anni, quelli ottenuti a partire da nanoparticolati metallici preparati “via” Metal Vapour Synthesis (MVS), nonostante le loro peculiari e promettenti caratteristiche, sono stati finora pochissimo saggiati in reazioni di cross-coupling. Infatti la loro capacità in queste reazioni sono state valutate, peraltro con successo, solo su due di essi e solo in alchenilazioni di Heck.

Questo lavoro di Tesi ha rappresentato appunto l’avvio di un ampio progetto di ricerca sulle potenzialità di nanoparticolati metallici supportati preparati mediante MVS come catalizzatori per reazioni di cross-coupling di particolare interesse, quali, soprattutto ma non solo, la alchenilazioni tipo-Sonogashira e le reazioni di Suzuki.

Più in particolare, nel corso di questo lavoro di Tesi è stato preso in esame il sistema PdVp/PVPy (6), che fa uso di un economico supporto commerciale, studiandone accuratamente le possibilità applicative nella reazione di Suzuki ed effettuando invece uno studio preliminare sulle sue potenzialità in alchinilazioni tipo-Sonogashira.

Per quanto riguarda le reazioni di Suzuki, in primo luogo sono state individuate semplici e convenienti condizioni in cui dosi molto basse di 6 (equivalenti a 0.15 moli % di Pd) riescono a promuovere efficientemente il cross-coupling fra l’acido fenilboronico (12a) e alcuni bromuri arilici modello, anche disattivati, verificando inoltre che le reazioni sono più veloci ed efficienti se effettuate all’aria anziché in ambiente inerte. Quindi è stato accertato che in queste

V

condizioni il catalizzatore studiato, 6, perde pochissimo Pd durante le reazioni (in ogni caso meno del 2 %) e che comunque è riciclabile almeno 5 volte senza significativi cali di attività.

Inoltre il comportamento di 6 in reazioni di Suzuki è stato confrontato con quello di altri catalizzatori eterogenei facilmente disponibili: Pd/C, Pd EnCatTM 40 e Pd/-Al2O3. Dai risultati di questo confronto risulta evidente che 6, rispetto agli altri

catalizzatori saggiati, è in grado di fornire rese più elevate e lisciviazioni minori. Il sistema monometallico 6 è risultato migliore anche di un sistema bimetallico, preparato anch’esso “via” MVS: Pd-AuVp/-Al2O3.

Infine 6 è stato utilizzato con successo in un’ampia serie di reazioni di Suzuki effettuate con ioduri, bromuri e cloruri arilici variamente sostituiti e acidi boronici di diversa natura. Da queste prove è emerso che 6 è capace di promuovere efficientemente queste reazioni anche impiegando bromuri arilici elettronricchi e stericamente impediti (orto sostituiti) e/o contenenti gruppi sensibili ad ambienti basici e/o acidi (COOR, COR, NH2). Qualche difficoltà riscontrata cercando di usare

6 con alogenofenoli è stata superata con un’accorta progettazione ed un’ulteriore

messa a punto delle reazioni.

Invece le reazioni effettuate con cloruri arilici hanno fornito risultati molto scadenti, mostrando che anche 6, come la maggior parte dei catalizzatori supportati fino ad oggi studiati, non è adatto a promuovere facilmente cross-coupling secondo Suzuki con questi substrati.

Per quanto riguarda lo studio preliminare sulle alchinilazioni tipo-Sonogashira, sono stati individuati quattro tipi di condizioni “copper-free” in cui 6 è risultato capace di promuovere l’alchinilazione dello iodobenzene (11s) con il fenilacetilene (21).

Queste diverse condizioni, che prevedono comunque l’impiego di pirrolidina come base e di bassissimi carichi di catalizzatore (0.1 moli % di Pd), si differenziano essenzialmente per il solvente impiegato: 1-metilpirrolidone (NMP), DMF/H2O 4:1,

H2O o nessun solvente. Sebbene in ogni caso siano state ottenute rese piuttosto

elevate, le condizioni in H2O ed in massa, oltre ad essere le più “green”, sono

VI

Per ognuna di queste condizioni è stato valutato il Pd perso da 6 a fine reazione, accertando che da questo punto di vista le condizioni migliori sono quelle in H2O (meno dell’ 1 % di leaching, contro il 5.6 % in DMF/H2O e circa il 16 % in

NMP e nelle reazioni condotte in massa). Nonostante ciò, il catalizzatore agevolmente recuperato dalle reazioni “a basso leaching” condotte in H2O o in

DMF/H2O è risultato pressoché inattivo e quindi non riutilizzabile.