Small-molecule mimics of rieske oxygenases. Application to selective aliphatic C-H hydroxylation and olefin syn-dihydroxylation

Abstract

Oxidations are an important kind of reactions which are traditionally performed using stoichiometric oxidants that generate a large amount of waste. Syn-dihydroxylation of alkenes is a paradigmatic example because it is a cornerstone reaction in organic synthesis that still relies in the use of heavy metal oxides, specially Os and Ru based oxides in catalytic amounts, but also KMnO4, in stoichiometric amounts. Acetonitrile and halogenated solvents are widely used solvents in these reactions because of their robust nature against oxidants. However, metal catalyzed oxidations in green solvents are basically unknown. Rieske oxygenases are nonheme iron enzymes that catalyzes the olefin cisdihydroxylation among other reactions. Is well know that the FeV(O)(OH) species play a key role as intermediates in arene dihydroxylation catalyzed by Rieske oxygenases. However, the inability to accumulate these intermediates in solution has thus far prevented their spectroscopic and chemical characterization. In this thesis, we were able to synthetizes an iron catalyst bearing a sterically encumbered tetradentate ligand. The steric demand of the ligand was envisioned as a key element to support a high catalytic activity by preventing bimolecular decomposition paths, and facilitating product release. This catalyst provides good to excellent yields of syn-diol products (up to 97% isolated yield) of a broad range of olefins

Les reaccions d’oxidació tradicionalment es realitzen utilitzant oxidants estequiomètrics que generen una gran quantitat de residus. La sin-dihidroxilació d’alquens n’és un exemple paradigmàtic perquè és una reacció que es pot considerar pedra angular en síntesi orgànica, i actualment encara es porta a terme amb oxidants basats en metalls pesats, especialment òxids d’Os i Ru en quantitats catalítiques, però també KMnO4, en quantitats estequiomètriques. L’acetonitril i els dissolvents halogenats són dissolvents àmpliament utilitzats en aquestes reaccions per la seva naturalesa robusta en vers les oxidacions. No obstant això, les oxidacions catalitzades per metalls en dissolvents menys tòxics són bàsicament desconegudes. Les oxigenases de Rieske, són enzims de ferro no hemo que catalitzen la sin-dihidroxilació d’olefines entre altres reaccions. És ben sabut que les espècies de FeV(O)(OH) tenen un paper clau com a intermediaris en la di hidroxilació d’arens catalitzada per les oxigenases de Rieske. No obstant això, la incapacitat per acumular aquests intermedis en solució a impedit, fins ara, la seva caracterització espectroscòpica i química. En aquesta tesi, vam ser capaços de sintetitzar un catalitzador de ferro amb un lligand tetradentat estèticament impedit. La demanda estèrica del lligand es va concebre com un element clau per donar suport a una alta activitat catalítica evitant camins de descomposició bimoleculars i facilitant l’alliberament del producte, proporcionant rendiments entre bons i excel·lents del producte sin-diol (fins a un 97% de rendiment aïllat) per una àmplia gamma d’olefines