Studies on the technological improvements of the organocatalytic reduction of enals

Enantioselective organocatalysts are compounds of central importance for the asymmetric synthesis of chiral molecules, as alternatives to transition-metal catalysts, because they avoid the use of expensive and sometimes toxic transition metals. In the last ten years only, this field has grown at an extraordinary rate from a small collection of chemical unique reactions to a thriving area of general concepts, atypical reactivities, and widely applicable reactions. Moreover, novel modes of substrate activation have been achieved using organic catalysts that can now deliver unique, or complementary selectivities in comparison to many established metal-catalyzed transformations.24 However, these catalysts often are used at high molar concentration. Thus, while their toxicity can be less than that of metal-containing catalysts, their separation, recovery, and reuse are surely of interest. For example, although many ligand/catalyst combinations demonstrate high activity and good selectivity, some concerns regarding the use of these reactions in industrial applications still remain an unresolved problems. Therefore, studies that address the reuse and recovery of these compounds have attracted much attention. In most cases, the strategies that have been developed to bypass these problems involve the use of polymeric functionalized supports easy to isolate after the reaction is completed. Chiral organocatalysts traditionally operate via simplified enzyme-mimetic mechanisms, implicating mild reaction conditions and an improved leverage for the chemical inertness of the polymer matrix. In addition, the polymer matrix seems to influence both catalyst activity and selectivity and, unlike what traditionally has been the case, the polymer scaffold can now even enhance catalyst performance by providing a favourable microenvironment around the organocatalysts.15 The present dissertation will take advantage to the concept of iminium catalysis in the most significant types of transformations to which this concept has been successfully applied, including transfer hydrogenations, Friedel–Crafts alkylations, and enantioselective organocatalytic cascade reactions. Important results are achieved when all these reactions are conducted in aqueous media, opening new pathways in the field of the organocatalyst-enzyme reactions in flow chemistry. The following sections will describe the production and subsequent employment of supported catalysts onto polymeric matrices. Our work deals with both insoluble polymers, as the polystyrene-derived resins (PS), and soluble polymers, particularly poly(ethylene glycol) (PEG) and poly(acrylic acid) (PAA). Most of the efforts have been employed to transfer hydrogenation reactions catalyzed by functionalized hydrogels produced using PAA- and PEG-supported catalysts. With a really high stability, an elevate resistance to mechanical stresses, and an ultra-low catalyst concentration, they confirm to be great candidates in heterogeneous organocatalysis and furnish a promising starting point for future applications.

Gli organocatalizzatori enantioselettivi sono composti di fondamentale importanza per la sintesi asimmetrica di molecole chirali, in alternativa ai catalizzatori tradizionali, poiché evitano l'impiego di costosi, e talvolta tossici, metalli di transizione. Solo negli ultimi dieci anni, questo settore è cresciuto a un ritmo straordinario; da una piccola collezione di reazioni uniche dal punto di vista chimico si è passati allo studio di reattività atipiche e reazioni applicabili su larga scala. Inoltre, nuovi modi di attivazione dei substrati sono stati verificati sperimentalmente, utilizzando catalizzatori organici che permettono quindi di raggiungere livelli di selettività superiori o complementari rispetto a quelli ottenuti con reazioni metallo-catalizzate. Tuttavia, questi catalizzatori sono spesso utilizzati ad alte concentrazioni molari. Così, nonostante la loro tossicità risulti essere inferiore rispetto a quella di catalizzatori contenenti metalli, la loro separazione, recupero e riutilizzo sono sicuramente di estremo interesse. Ad esempio, anche se molte combinazioni ligando/catalizzatore presentano elevata attività e buona selettività, alcune problematiche relative al loro uso a livello industriale rimangono irrisolte. Pertanto, gli studi che hanno affrontato le tematiche legate al riutilizzo e recupero di questi complessi hanno attirato una notevole attenzione. Nella maggior parte dei casi, le strategie sviluppate per superare ostacoli di questo tipo consistono nell'uso di supporti polimerici funzionalizzati, facili da isolare una volta portata a termine la reazione. Gli organocatalizzatori chirali operano tradizionalmente attraverso meccanismi semplificati che mimano il comportamento di enzimi naturali, da cui emergono le necessità di operare in condizioni di reazione molto blande e di sviluppare matrici polimeriche chimicamente il più possibile inerti. Inoltre, sembra che la matrice polimerica influenzi sia l’attività che la selettività del catalizzatore e, a differenza di quanto tradizionalmente si è sostenuto, il supporto polimerico tende addirittura a migliorare le prestazioni del catalizzatore, fornendo un microambiente favorevole attorno al composto attivo. Nella presente tesi viene sfruttato il concetto di catalisi con ione imminio nelle più significative tipologie di trasformazioni in cui questo concetto è stato applicato con successo, tra cui ad esempio: idrogenazioni, alchilazioni di Friedel-Crafts e reazioni enantioselettive a cascata. Importanti risultati sono stati ottenuti realizzando le suddette reazioni in ambiente acquoso, aprendo nuove strade nel campo delle reazioni in sequenza condotte in presenza di organocatalizzatori ed enzimi. I paragrafi successivi sono dedicati alla produzione e conseguente impiego di catalizzatori supportati su matrici polimeriche. Il nostro lavoro si è concentrato sullo sviluppo sia di polimeri insolubili, come le resine con derivati di polistirene (PS), e polimeri solubili, in particolare glicole polietilenico (PEG) e acido poliacrilico (PAA). Grande interesse è stato poi dedicato a reazioni di idrogenazione asimmetrica catalizzate da idrogel funzionalizzati prodotti a partire da PAA e PEG supportati con organocatalizzatori. Mostrando elevata stabilità, resistenza alle sollecitazioni meccaniche e una bassissima concentrazione di catalizzatore, si confermano come migliori candidati per reazioni di organocatalisi condotte in fase eterogenea e forniscono un promettente punto di partenza per applicazioni future.