Synthesis of triazole based bispidines and their application as ligands in metal catalysis

Bispidine, 3,7-diazabicyclo[3.3.1]nonane, is a simplified derivative of the natural polycyclic alkaloid, sparteine. They are a novel ligand family with a rigid scaffold interesting for their ability to chelate many metals in coordination chemistry application. Bispidine backbone is the same of sparteine but the derivatives can be easily prepared thanks to Mannich’s reaction, a one pot reactions. Since 1957, bispidines were studied as bidentate compounds for the chelation of transition metals. In 1969 were described metal complexes of tetradentate bispidine ligands. In the last 20 years, bispidine were modified in order to obtain tetra-, penta-, hexa-, hepta- and octadentate ligands. These derivates have been used extensively in coordination chemistry, with applications in different fields: medicinal chemistry, catalysis and molecular magnetism. The peculiarities of bispidines as ligands are related to the rigidity of the backbone with unique structural and electronic properties, involving a relatively large cavity and an efficient encapsulation of the metal ions. Therefore, these ligands were expected to lead to very stable complexes with a pronounced selectivity with respect to the size of the metal ion . In this work of thesis click chemistry reaction, performed by microwave, has been employed to obtain a new library of 3,7-bis((1-aryl, 1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl)-1,5-diphenyl-3,7-diazabicyclo[3.3.1]nonan-9-one and 3,7-bis((1-alkyl, 1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl)-1,5-diphenyl-3,7-diazabicyclo[3.3.1]nonan-9-one.Thank to the introduction of triazole moiety, it is possible to obtain bispidines with a higher coordination number. It permits to have more stable complexes with many different metals, such as zinc, palladium and copper. These complexes have been applied as catalyst in reactions involving the formation of a new C–C bond, the Henry reaction, the Heck reaction and the aldol reaction. All the complexes were synthetized and characterized by NMR titration and mass spectrometer. The zinc complex was used for two different reactions: the Henry reaction, also known as nitroaldol reaction, the addition of a nitroalkane anion on a carbonyl carbon to afford a b-nitro alcohol, and the aldol reaction, that combines two carbonyl compounds to form an aldol, a new β-hydroxy carbonyl compound. The palladium complex was used for the Heck reaction, the chemical reaction of an unsaturated halide with an alkene to give a substituted alkene.. The copper complex was employed for the Henry reaction.

La bispidina, 3,7-diazabiciclo[3.3.1]nonano, è un derivato sintetico della sparteina, un alcaloide policiclico naturale. Sono una nuova famiglia di leganti con uno scaffold rigido, interessante per la loro applicazione nella chimica di coordinazione , per la loro abilità di chelare diversi metalli. Lo scheletro della bispidina è lo stesso della sparteina ma i suoi derivati possono essere preparati molto semplicemente, usando la reazione di Mannich, una reazione one pot. A partire dal 1957 le bispidine sono studiate come liganti bidentate per la chelazione di metalli di transizione. Nel 1969 sono stati descritti i primi complessi di metalli con bispidine tetradentate. Negli ultimi 20 anni le bispidine sono state modificate al fine di ottenere ligandi tetra-, penta-, esa, epta, e ottadentati. Questi derivati sono stati abbondantemente usati nella chimica di coordinazione, con applicazioni in diversi campi: chimica farmaceutica, catalisi e magnetismo molecolare. Le peculiarità delle bispidine come ligandi sono correlate alla rigidità dello scheletro con proprietà strutturali ed elettroniche uniche, dovute a una cavità relativamente ampia e un’efficiente incapsulazione degli ioni metallici. Quindi, questi ligandi dovrebbero far ottenere complessi molto stabili con una buona selettività rispetto alle dimensioni dei metalli. In questo lavoro di tesi è stata impiegata la reazione di click, condotta al microonde, per ottenere una nuova libreria di bispidine, 3,7-bis((1-aryl, 1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl)-1,5-diphenyl-3,7-diazabicyclo[3.3.1]nonan-9-one e 3,7-bis((1-alkyl, 1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl)-1,5-diphenyl-3,7-diazabicyclo[3.3.1]nonan-9-one. Grazie all’introduzione del triazolo, è stato possibile, in un singolo step sintetico, aumentare facilmente il numero di coordinazione delle bispidine. Ciò permette di ottenere complessi molto stabili con diversi metalli come zinco, palladio e rame. Questi complessi sono stati utilizzati come catalizzatori in reazioni che permettono la formazione di nuovi legami C-C. Tutti i complessi sono stati sintetizzati e caratterizzati con titolazioni NMR e spettrometria di massa. Il complesso con lo zinco è stato utilizzato per due diverse reazioni: la reazione di Henry, anche conosciuta come reazione nitroaldolica, ossia l’addizione di un anione nitroalcano su un carbonio carbonilico per ottenere un b-nitro alcol, e la reazione aldolica, che combina 2 composti carbonilici a dare un aldolo, un β-idrossicarbonile. Il complesso con il palladio è stato usato come catalizzatore per la reazione di Heck, reazione chimica tra un alogenuro insaturo e un alchene a dare un nuovo alchene sostituito. Il complesso col rame è stato utilizzato per la reazione di Henry.