Biomimetic Catalysts for Oxygen Transfer Reactions

“Biomimetic chemistry”, as defined by Breslow, is the branch of organic and inorganic chemistry which attempts to imitate natural reactions and enzymatic processes as a way to improve the power of chemistry itself. Biomimetic chemistry relates to the design, synthesis and study of artificial systems that reproduce, in a simplified manner, the principal features of the ”inspiring” biological system. This approach has the advantage of an easier validation of mechanistic hypotheses of the biological system in examination, together with the development of new compounds able to maintain the same functions, and possibly the same activity, of the enzyme-catalyzed process. “Enzyme models” are mimicking the basic functions of the enzyme itself, bearing suitable functionalities for the substrate. Metals are commonly found as natural constituents of proteins. Nature has learned to use the special properties of metal ions to perform a wide variety of specific functions. Metalloproteins that perform a catalytic function are called metalloenzymes. Many metalloenzymes catalyse redox transformation of a substrate. These reactions are generally two-electron redox processes, and often involve atom or group transfers as well, e.g. the addition of an oxygen atom to a substrate. Example of this class of enzymes are cytochrome P-450, tyrosinase and sulfite oxidase. In this very wide scenario, our main interest is focused on biomimetic chemistry and, in particular, on the catalytic opportunities offered by compounds which coordinate metals in high oxidation states and by their possibility to catalyse oxygen transfer processes. In this thesis, in particular two metals have been considered in detailed studies: molybdenum and tungsten. Metalloenzymes containing molybdenum and tungsten centers are present in almost all life forms where they catalyze mainly oxygen transfer processes. Previous studies of the research group where this work has been carried out relative to V(V) biomimetic complexes showed that amino triphenolate ligands are structural and functional models of the vanadium dependent haloperoxidases, a class of enzymes that utilizes hydrogen peroxide to oxidize halides which can react to give halogenated compounds. This background prompted us to synthesize new Mo(VI) and W(VI) TPA complexes. In this respect, Chapter 2 describes the reactivity of two new Mo(VI) complexes in oxidations reactions towards various substrates such as sulfide, olefines and halides using tert-butyl hydroperoxide and hydrogen peroxide. In particular, high TOF and TON have been observed for the oxidation of cis-cyclooctene (catalyst loading down to 0.001%, TONs up to 88.000 and TOFs up to 7500 h-1). Chapter 3 is dedicated to the synthesis of new W(VI) complexes and their catalytic activity towards activation of hydrogen peroxide in oxidations of sulfides, olefins and halides. High turnover frequencies (TOFs) and turnover numbers (TONs) have been observed for the bromination and chlorination of 1,3,5-trimethoxybenzene (catalyst loading down to 0.05%, TONs up to 1940 for Br and 120 for Cl). A comparison of the catalytic activity towards olefins epoxidations in presence of hydrogen peroxide of Mo(VI) and W(VI) complexes bearing the same ligand has also been carried on. In Chapter 4 various synthetic strategies to functionalized TPA ligands are described. Various techniques to achieve catalyst recycle are introduced and in particular ‘catalytically active membrane’ are underlined. In this respect a new TPA ligand bearing three fluorinated alkyl chains has been synthesized and the formation of two complexes with V(VI) and Mo(VI) is reported

La ”chimica biomimetica”, secondo la definizione data da Breslow, è la branca della chimica, organica e inorganica, che tenta di imitare le reazioni naturali e i processi enzimatici in modo da migliorare il potere della chimica stessa. La chimica biomimetica riguarda il design, la sintesi e lo studio di sistemi artificiali che riproducano, con un certa approssimazione, le principali caratteristiche dei sistemi biologici. Questo approccio ha il vantaggio di offrire un metodo più semplice per validare le ipotesi del meccanismo di sistemi biologici presi in esame. Inoltre permette di sviluppare nuovi composti in grado di mantenere le stesse funzioni e possibilmente la stessa attività del processo catalizzato dall’enzima. Negli enzimi spesso il centro attivo comprende uno o più atomi di metallo. Le metalloproteine che espletano funzioni catalitiche vengono chiamate metalloenzimi. Molti di questi catalizzano trasformazioni che coinvolgono trasformazioni ossidoriduttive del substrato. Queste reazioni sono generalmente processi redox di-elettronici, e spesso coinvolgono il trasferimento di un atomo o di un gruppo funzionale, e.g. il trasferimento di un atomo di ossigeno ad un substrato. A questa classe di enzimi appartengono il citocromo P-450, la tirosinasi e la sulfito ossidasi. In questo ampio scenario il nostro interesse si concentra nello studio di quei composti che coordinano metalli di transizione al massimo stato di ossidazione e dalle opportunità che questi offrono nella catalisi di reazioni di trasferimento di ossigeno. In questa tesi sono stati presi in considerazione due metalli in particolare: il molibdeno e il tungsteno. Metalloenzimi contenenti questi due metalli sono presenti in quasi tutte i sistemi viventi nei quali catalizzano principalmente reazioni di trasferimento di ossigeno. Studi precedenti portati avanti dal gruppo di ricerca con il quale è stato fatto questo lavoro si sono concentrati su complessi biomimetici di vanadio(V). E’ stato dimostrato che complessi trifenolamminici di V(V) sono modelli funzionali e strutturali delle aloperossidasi vanadio dipendenti. Questa è una classe di enzimi che catalizzano l’ossidazione di alogenuri con perossido di idrogeno per la formazione di substrati alogenati. Da questo background si è deciso di sintetizzare complessi trifenolamminici di Mo(VI) e W(VI). Nel secondo Capitolo viene descritta la sintesi e la caratterizzazione di complessi trifenolamminici di Mo(VI). Questi complessi sono stati poi utilizzati in catalisi di reazioni di trasferimento di ossigeno su vari substrati come slofuri, olefine e alogenuri. In particolare alti TOF (fino a 7500 h-1) sono stai osservati nell’epossidazione del cis-ciclottene in presenza di terbutilidroperossido. L’alta stabilità del catalizzatore ha permesso di uti lizzarne concentrazioni di 0.001% rispetto al substrato ottenendo 88.000 TON. Nel Capitolo 3 è riportata la sintesi e la caratterizzazione di complessi trifenolamminici di W(VI). Test catalitici sono stati effettuati nell’ossidazione di solfuri olefine e alogenuri.Il tungsteno si è rivelato avere una maggiore attività per quanto riguarda l’attivazione del perossido di idrogeno nei confronti di tutti i substrati studiati. L’elevato interesse nei confronti di questo ossidante perossidico è dovuto al fatto che dall’ambiente di reazione si ottiene come unico prodotto di scarto acqua. I catalizzatori qui descritti in particolare hanno dato prova di essere ottimi modelli funzionali dell’enzima aloperossidasi, in quanto sono state ottenute rese molto elevate, rispetto agli analoghi complessi di V(V) e Mo(VI), per quanto riguarda l’ossidazione di cloruri. E’ stato fatto inoltre un studio comparativo per quanto riguarda l’epossidazione del cis-ciclottene in presenza di perossido di idrogeno, tra i complessi trifenolamminici di W(VI) e Mo(VI). Vista l’alta attività e stabilità dei sistemi studiati è stato deciso di funzionalizzare i leganti trifenolamminici in modo da trasformarli in un secondo tempo in sistemi eterogenei ed ottenere il loro recupero dall’ambiente di reazione. Nel Capitolo 4 vengono descritte diverse metodologie per introdurre una funzionalizzazione in posizione orto- rispetto alla funzione fenolica del legante. E’ riportata quindi una via di sintesi per l’inserimento di catene alchiliche fluorurate nel legante. Sono stati infine sintetizzati e caratterizzati due nuovi complessi V(V) e Mo(VI) utilizzando i nuovi leganti ‘fluorurati’