Assistent van de kobalt katalysator: Isocyanides en hun insertie reacties - Daniël Sebastiaan Verdoorn-Kański - Departement Chemie

Promovendus/a: Daniël Sebastiaan Verdoorn-Kański

Promotor(en): Bert Maes, Romano Orru

Dit proefschrift onderzoekt kobalt-gekatalyseerde carbeen en nitreenoverdrachtsreacties naar isocyaniden, met als doel efficiënte en duurzame methoden te ontwikkelen voor de synthese van heterocyclische verbindingen en heteroallenes. Hoewel edelmetalen traditioneel dominant zijn in groepsoverdrachtsreacties, vormt kobalt een aantrekkelijk alternatief vanwege de lage kosten en gunstige milieu-eigenschappen. Het in dit proefschrift gepresenteerde werk toont aan dat kobaltkatalysatoren veelzijdige multicomponentreacties mogelijk maken en verschaft mechanistisch inzicht in hun werking.​​

Een kobalt(II)-gemedieerde driecomponentenreactie werd ontwikkeld voor de synthese van 5-gesubstitueerde N-sulfonyl-1,3,4-oxadiazol-2(3H)-iminen uit sulfonylaziden, N-isocyaniminotriphenylfosforaan (NIITP) en carbonzuren. De reactie verloopt via een cascade bestaande uit nitreenoverdracht naar het isocyanide, in situ vorming van een carbodiimide-intermediair en een intramoleculaire aza-Wittigcyclisatie. De selectiviteit van de reactie bleek sterk afhankelijk van zowel de sterische eigenschappen van het carbonzuur als de hoeveelheid kobalt, wat controle over de productvorming mogelijk maakt. Deze methode biedt een efficiënte route naar structureel diverse oxadiazol-iminen uit eenvoudig beschikbare uitgangsstoffen.​​

In een complementaire benadering werd een kobalt-gekatalyseerde driecomponentensynthese van 2,5-gesubstitueerde 1,3,4-oxadiazolen ontwikkeld met behulp van elektron-deficiënte diazoverbindingen, NIITP en carbonzuren. In deze reactie leidt carbeenoverdracht naar het isocyanide tot vorming van een ketenimine-intermediair, gevolgd door nucleofiele additie en intramoleculaire aza-Wittigcyclisatie. De methode vertoont een brede substraatscope en is compatibel met functionele groepen, waardoor late-stage functionalisatie van farmaceutisch relevante moleculen mogelijk is.​​

Mechanistische studies werden verder uitgebreid naar het gebruik van het kobalt-gebaseerde metaal-organische raamwerk ZIF-67 in nitreenoverdrachtsreacties naar isocyaniden. Hoewel dit systeem aanvankelijk werd beschouwd als een heterogene katalysator, toonden kinetische studies aan dat minimale uitloging van kobalt (tot slechts 0,04 mol%) voldoende is om de reactie te katalyseren. De actieve soort wordt voorgesteld als een homogene kobaltcomplex, gestabiliseerd door coördinatie van het isocyanide, wat de niet-onschuldige rol van het substraat benadrukt. Dit ‘slow-release’-systeem vertoont een aanzienlijk hogere efficiëntie dan conventionele homogene kobaltsystemen.​​

Samenvattend toont dit werk aan dat kobalt een krachtige katalysator is voor carbene- en nitreenoverdracht naar isocyaniden, waarmee efficiënte toegang wordt verkregen tot heterocyclische structuren. Daarnaast levert dit onderzoek fundamenteel inzicht in katalysatorspecificatie en reactiviteit, wat bijdraagt aan de ontwikkeling van duurzamere katalytische systemen en het belang van mechanistisch begrip in katalysatorontwerp onderstreept.