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Aug 30, 2023

Sintesi catalitica di fenoli con protossido di azoto

Nature volume 604, pages

Natura volume 604, pagine 677–683 (2022) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di processi chimici catalitici che consentono la rivalorizzazione del protossido di azoto (N2O) è una strategia interessante per alleviare la minaccia ambientale rappresentata dalle sue emissioni1,2,3,4,5,6. Tradizionalmente, l'N2O è stata considerata una molecola inerte, intrattabile per i chimici organici come ossidante o reagente per il trasferimento di atomi di O, a causa delle dure condizioni richieste per la sua attivazione (>150 °C, 50‒200 bar)7,8,9, 10,11. Qui riportiamo un inserimento di N2O in un legame Ni‒C in condizioni blande (temperatura ambiente, 1,5–2 bar N2O), fornendo così fenoli preziosi e rilasciando N2 benigno. Questa fase di formazione del legame organometallico C‒O fondamentalmente distinta differisce dalle attuali strategie basate sull'eliminazione riduttiva e consente un approccio catalitico alternativo per la conversione degli alogenuri arilici in fenoli. Il processo è stato reso catalitico mediante ligandi a base di bipiridina per il centro Ni. Il metodo è robusto, delicato e altamente selettivo, in grado di soddisfare funzionalità sensibili alle basi e di consentire la sintesi di fenoli da alogenuri arilici densamente funzionalizzati. Sebbene questo protocollo non fornisca una soluzione alla mitigazione delle emissioni di N2O, rappresenta un modello di reattività per la lieve rivalorizzazione dell’abbondante N2O come fonte di O.

La crescente emissione di gas serra rappresenta una minaccia ambientale globale e le strategie per affrontare questo problema sono state al centro di un’intensa ricerca negli ultimi tempi1,2. Dal punto di vista della sostenibilità, è altamente auspicabile lo sviluppo di processi chimici che vadano oltre le tradizionali degradazioni e riutilizzino tali sottoprodotti gassosi come sintoni utili per produrre preziose materie prime chimiche. Mentre la rivalorizzazione di CO2 o CH4 come fonti di carbonio per la sintesi organica attraverso strategie catalitiche ha ricevuto molta attenzione12,13, molto meno interesse è stato focalizzato sulla trasformazione chimica di un altro importante contributo al riscaldamento globale: N2O. Rapporti governativi e recenti prove scientifiche mettono in guardia dalle conseguenze derivanti dalla crescente presenza di questo gas sottovalutato nell’atmosfera3,4,5. L'N2O presenta un potenziale di riscaldamento globale >300 volte quello della CO2, con un tempo di decomposizione nell'atmosfera di >100 anni6. Le attività umane hanno accelerato le emissioni, con un tasso stimato di aumento di N2O del 2% per decennio. Tuttavia, un’analisi dettagliata attraverso la lente della sintesi sostenibile presenta un’opportunità unica per la rivalorizzazione dell’N2O, poiché rappresenta un’eccellente fonte di atomi di O: è facilmente disponibile, non tossico (gas esilarante) e rilascia N2 benigno come sottoprodotto sulla rimozione di O. Al contrario, N2O è un gas inerte, la cui attivazione richiede temperature elevate (140–350 °C) e pressioni (50–200 bar), con conseguenti applicazioni limitate come ossidante per la sintesi organica7,8,14. Tuttavia, la struttura dell'N2O ha affascinato i chimici, che hanno studiato in dettaglio le modalità di coordinazione e la sua reattività in una pletora di complessi metallici9. Tuttavia, pochi rapporti si sono concentrati sulla sua attivazione verso la formazione di legami C‒O10,15 (probabilmente tra i legami più preziosi nella sintesi organica), poiché consentirebbe l’accesso ad alcoli, eteri, epossidi altamente ambiti e così via. Tuttavia, questi pochi esempi si basano sulla tradizionale reattività metallo-osso, che richiede temperature elevate (100–200 °C) e pressioni (10 bar)11 o tempi di reazione lunghi (1 tonnellata a settimana)16 (Fig. 1a). In un rapporto innovativo17, è stato osservato un risultato fondamentalmente diverso: in caso di esposizione a un’atmosfera N2O, l’atomo di O potrebbe essere inserito in un legame Hf‒Ph del complesso 1 forgiando l’Hf‒O‒Ph desiderato (2) con estrusione di N2. Tuttavia, sono sorti problemi di regioselettività, poiché l'atomo di O è stato trasferito in modo competitivo al ligando idruro, producendo così anche un complesso Hf‒O‒H (3). Studi meccanicistici sulla fase di inserimento dell'O2 in vari legami M‒C(sp2) utilizzando N2O, perossidi o ossigeno suggeriscono che sia in funzione un meccanismo organometallico di tipo Baeyer-Villiger (OMBV), per cui il carbonio anionico migra verso l'atomo di O coordinato, forgiando il legame M‒O‒C18,19,20,21,22,23. Sulla base di questa reattività, abbiamo mirato a sbloccare il potenziale di N2O come fonte di atomi di O in una sintesi catalitica di fenoli fondamentalmente diversa. Nella sintesi canonica del fenolo catalizzata da metalli di transizione da alogenuri arilici24,25,26,27,28, la fase di formazione del legame C(sp2)‒O procede attraverso lo scambio ben consolidato del ligando con una fonte nucleofila di O. Durante l'eliminazione riduttiva con il gruppo arilico, si forma il legame C (sp2) ‒O desiderato mentre il centro metallico è ridotto di due volte (Fig. 1b, a sinistra). La fonte di O in questi casi è solitamente H2O o un nucleofilo protico a base di O in combinazione con una base che porta al corrispondente fenolo29. Nel ciclo catalitico alternativo qui proposto, il passaggio fondamentale per la formazione del legame C(sp2)‒O sfrutta il meccanismo di tipo OMBV: in seguito alla coordinazione di N2O con il centro metallico, l'O elettrofilo viene infine inserito nel legame M‒C, con concomitante formazione di N2 (Fig. 1b, a destra). A differenza della sintesi tradizionale dei fenoli, dopo la formazione del legame C‒O lo stato di ossidazione del centro metallico rimane intatto, richiedendo quindi un riducente esterno per chiudere il ciclo. Per orchestrare questo processo riduttivo, abbiamo concentrato la nostra attenzione sul Ni e sulla sua dimostrata capacità di manovrare tra diversi stati di ossidazione attraverso il trasferimento di un singolo elettrone30,31,32. Qui dimostriamo che un approccio meccanicamente guidato per l'attivazione di N2O con complessi organometallici porta allo sviluppo di una sintesi catalitica delicata e selettiva di fenoli di alto valore da alogenuri arilici utilizzando N2O come fonte elettrofila di O33. Le condizioni miti (25 ° C e 1,5–2 atm) consentono la sistemazione di una varietà di gruppi funzionali, comprese le porzioni sensibili alle basi, fornendo così una strategia ortogonale alle attuali tecnologie (Fig. 1c).