Zirconium Metal Organic Frameworks as Heterogeneous Catalysts for Meerwein-Ponndorf-Verley Reactions

• Main Author: Mautschke, Hans-Hilmar
• Other Authors: Llabrés i Xamena, Francesc Xavier
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universitat Politècnica de València 2019
• Subjects: Metal Organic Frameworks; Heterogeneous catalysis; Steroid synthesis; Zirconium MOFs; Meerwein-Ponndorf-Verley reaction
• Online Access: http://hdl.handle.net/10251/130203

[ES] Se han preparado varios materiales metal orgánicos de circonio MOF-808 para evaluar sus propiedades catalíticas en reacciones tipo Meerwein-Ponndorf-Verley (MPV) para la reducción de compuestos carbonílicos. En particular, se han sintetizado compuestos tipo MOF-808 modificados en los que una pequeña fracción de los ligandos trimesato presentes en el MOF original se ha reemplazado por ligandos dicarboxilato, como una estrategia para inducir la creación controlada de defectos estructurales. Los ligandos utilizados han sido: isoftalato (MOF-808-IPA), 3,5-piridindicarboxilato (MOF-808-Pydc), 5- aminoisoftalato (MOF-808-NH2) y 5-hidroxiisoftalato (MOF-808-OH). Todos los materiales obtenidos presentan una elevada cristalinidad y son isoreticulares respecto al MOF-808 original. Se ha evaluado la actividad catalítica del MOF-808 original y de los materiales modificados en reacciones tipo MPV, utilizando ciclohexanona como compuesto modelo. Todos los materiales presentan una elevada actividad catalítica, superior a la del tereftalato de circonio UiO-66 utilizado como referencia. Esta mayor actividad catalítica se corresponde a un mayor número de iones Zr4+ con insaturación coordinativa presentes en el MOF-808 con respecto al UiO-66. Además, los materiales MOF-808-IPA y MOF-808-Pydc presentan una mayor actividad que el MOF-808 original, lo que se debe a la presencia de centros activos menos congestionados estéricamente debido a la introducción de los ligandos dicarboxilato. Una ventaja adicional de compuestos MOF-808 con respecto al UiO-66 es su sistema de poros más grande, lo que permite la conversión de moléculas de mayor tamaño. Para evaluar esta característica, se ha utilizado un compuesto de gran tamaño, la estrona, capaz de penetrar en los poros del MOF-808 pero no en el UiO-66. En consecuencia, el MOF-808 es capaz de convertir por completo la estrona de forma selectiva a estradiol, mientras que el UiO-66 apenas presenta actividad. Además, cuando se usa el MOF-808 como catalizador, se produce una cantidad considerable del isómero 17alfa-estradiol, difícil de obtener por otros medios, por lo que las propiedades de diastereoselectividad del MOF-808 en reacciones MPV resultan de gran interés preparativo. Con el fin de estudiar en mayor detalle la diastereoselectividad de reacciones MPV catalizadas por MOF-808, se ha estudiado la reducción de ciclohexanonas substituidas: 3-metilciclohexanona (3MeCH), 2-metilciclohexanona (2MeCH) y 2-fenil-ciclohexanona (2PhCH). En función del alcohol utilizado como reductor y de la posición del grupo substituyente en la ciclohexanona, el MOF-808 favorece selectivamente la formación de uno u otro isómero, con una diastereoselectividad variable: 82%, 61% y 94%, respectivamente para 3MeCH, 2MeCH y 2PhCH. Es posible racionalizar estos resultados considerando la formación preferencial de uno u otro estado de transición en el espacio confinado disponible dentro de los poros del MOF. Las características energéticas del proceso se han analizado mediante el uso combinado de estudios cinéticos y cálculos teóricos. Finalmente, en vista las interesantes propiedades del MOF-808 como catalizador para reacciones MPV, se ha extendido con éxito el uso de este material a la preparación de compuestos hidroxiesteroides de difícil obtención y de interés farmacológico mediante la reducción quimio-, regioy diastereoselectiva del correspondiente oxoesteroide. De esta forma, se han conseguido obtener en un solo paso de reacción y con una elevada selectividad los siguientes compuestos: 17alfa-estradiol, 5alfa- androstan-3beta,17alfa-diol y epitestosterona, lo que demuestra el potencial del MOF-808 como catalizador para la síntesis de compuestos de alto valor añadido. === [CA] S'han preparat varis materials metall orgànics de zirconi MOF-808 per avaluar les seves propietats catalítiques en reaccions tipus Meerwein-Ponndorf-Verley (MPV) per a la reducció de composts carbonílics. En particular, s'han sintetitzat composts tipus MOF-808 modificats en els que una petita fracció dels lligands trimesat presents en el MOF original s'han reemplaçat per lligands dicarboxilats, com una estratègia per induir la creació controlada de defectes estructurals. Els lligands utilitzats han sigut: isoftalat (MOF-808-IPA), 3,5-piridindicarboxilat (MOF-808-Pydc), 5-aminoisoftlatat (MOF-808- NH2) i 5-hidroxiisoftalat (MOF-808-OH). Tots els materials preparats presenten una elevada cristal·linitat i són isoreticular respecte al MOF-808 original. S'ha avaluat l'activitat catalític del MOF-808 original i dels materials modificats en reaccions tipus MPV, utilitzant ciclohexanona com a compost model. Tots els materials presenten una elevada activitat catalítica, superior a la del tereftalat de zirconi UiO-66 utilitzat com a referència. Aquesta major activitat catalítica es correspon a un major nombre d'ions Zr4+ amb insaturació coordinativa presents en el MOF-808 respecte a l'UiO-66. A més, els materials MOF-808-IPA i MOF-808-Pydc presenten una major activitat que el MOF-808 original, el que és debut a la presència de centres actius menys congestionats estèricament debut a la introducció dels lligands dicarboxilat. Un avantatge addicional dels MOF-808 respecte a l'UiO-66 és el seu sistema de porus més gran, que permet la conversió de molècules de major tamany. Per avaluar aquesta característica, s'ha utilitzat un compost de gran taman, l'estrona, capaç de penetrar en els porus del MOF-808 però no en els de l'UiO-66. En conseqüència, el MOF-808 és capaç de convertir completament l'estrona de forma sel·lectiva a l'estradiol, mentre que l'UiO-66 gairebé no presenta activitat catalítica. A més, quan s'usa el MOF- 808 com a catalitzador, es produeix una quantitat considerable de l'isòmer 17alfa-estradiol, difícil d'obtenir per altre medis, de manera que les propietats de diastereoselectivitat del MOF-808 en reaccions MPV resulten de gran interès preparatiu. Per tal d'estudiar en major detall la diastereoselectivitat de reaccions MPV catalitzades per MOF-808, s'ha estudiat la reducció de ciclohexanones substituïdes: 3-metilciclohexanona (3MeCH), 2- metilciclohexanona (2MeCH) i 2-fenil-ciclohexanona (2PhCH). En funció de l'alcohol usat com a reductor i de la posició del grup substituent en la ciclohexanona, el MOF-808 afavoreix selectivament la formació d'un o de l'altre isòmer, amb una diastereoselectivitat variable: 82%, 61% y 94%, respectivament per a 3MeCH, 2MeCH y 2PhCH. És possible racionalitzar aquest resultats considerant la formació preferent d'un o l'altre estat de transició en l'espai confinat disponible dins dels porus del MOF. Les característiques energètiques del procés s'han analitzat mitjançant l'ús combinat d'estudis cinètics i càlculs teòrics. Finalment, en vista de les interessants propietats del MOF-808 com a catalitzador per a reaccions MPV, s'ha estès amb èxit l'ús d'aquest material a la preparació de composts hidroxiesteroids de difícil obtenció i d'interès farmacològic mitjançant la reducció quimio-, regio- i diastereoselectiva del corresponent oxoesteroid. D'aquesta manera, s'ha aconseguit obtenir en un únic pas de reacció i amb una elevada selectivitat els següents composts: 17alfa-estradiol, 5alfa-androstan-3beta,17alfa-diol i epitestosterona, el que demostra el potencial del MOF-808 com a catalitzador per a la síntesi de composts d'alt valor afegit. === [EN] Various zirconium-containing MOF-808 compounds have been prepared as potential catalysts for the Meerwein-Ponndorf-Verley (MPV) reduction of carbonyl compounds. Modified MOF-808 have been synthethized in which a small fraction of the trimesate ligands present in pristine MOF-808 has been replaced by dicarboxylate ligands, as a strategy to induce a controlled creation of defects. The linkers used are: isophthalate (MOF-808-IPA), 3,5-pyridinedicarboxylate (MOF-808-Pydc), 5-aminoisophthalate (MOF-808-NH2) and 5-hydroxyisophthalate (MOF-808-OH). All these compounds are highly crystalline and isoreticular with pristine MOF-808. The catalytic activity of pristine and defect engineered MOF-808 has been evaluated for MPV reactions, using cyclohexanone as model substrate. All the materials show a higher catalytic activity than that of zirconium terephthalate UiO-66 used as reference. This higher activity is attributed to the higher amount of coordinatively unsaturated Zr4+ ions in MOF-808 than in UiO-66. Moreover, MOF- 808-IPA and MOF-808-Pydc are more active than pristine MOF-808, which is due to the creation of less sterically crowded sites due to the introduction of defective dicarboyxlate linkers. A further advantage of MOF-808 over UiO-66 is the presence of a wider pore system, which allows converting bulkier substrates. To evaluate this characteristic, a bulky ketone has been used; estrone, which can enter the pores of MOF-808 but not those of UiO-66. Accordingly, MOF-808 can fully convert estrone selectively to estradiol, while UiO-66 shows barely any catalytic activity. Interestingly, when MOF- 808 is used as catalysts, a noticeable amount of the isomer 17alpha-estradiol is produced, which is difficult to obtain by other means. Therefore, the diastereoselective properties of MOF-808 for MPV reactions are interesting from the preparative point of view. In order to investigate in more detail the diastereoselective properties of MOF-808 for MPV reactions, various substituted cyclohexanones have been considered: 3-methylcyclohexanone (3MeCH), 2- methylcyclohexanone (2MeCH) and 2-phenylcyclohexanone (2PhCH). Depending on the alcohol used as reducing agent and the position of the substituent in the cyclohexanone molecule, MOF-808 selectively favors the formation of one isomer or the other with a different diastereoselectivity: 82%, 61% and 94%, respectively for 3MeCH, 2MeCH y 2PhCH. These results can be rationalized by considering the preferential formation of a given transition state in the confined space available inside the MOF pores. The energetic characteristics of the process have been analyzed by a combined use of kinetic studies and theoretical calculations. Finally, in view of the interesting properties of MOF-808 as catalyst for MPV reactions, this material has been successfully applied to the preparation of a number of challenging hydroxysteroid compounds with pharmacologic interest through a chemo-, regio- and diastereoselective reduction of the corresponding oxosteroid. In this way, it has been possible to prepare in one single reaction step the following compounds: 17alpha-estradiol, 5alpha-androstan-3beta,17alpha-diol and epitestosterone. This demonstrates the high potential of MOF-808 as a catalysts for the synthesis of high added value compounds. === I want to thank the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program for a contract under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 641887 (Project acronym: DEFNET). === Mautschke, H. (2019). Zirconium Metal Organic Frameworks as Heterogeneous Catalysts for Meerwein-Ponndorf-Verley Reactions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130203 === TESIS