s-Block metal-mediated Hydroelementation

Abstract

Aquesta tesi se centra en el desenvolupament de reaccions orientades a la síntesi de compostos organofosforats, mitjançant una combinació de metodologies experimentals i computacionals. L’objectiu principal és estudiar l’addició d’espècies de fòsfor(III) i fòsfor(V) a hidrocarburs insaturats a través de reaccions d’hidrofosfanilació i hidrofosforilació, rellevants per la seva eficiència atòmica en la formació d’enllaços P–C. Aquestes transformacions presenten reptes electrònics i cinètics que fan necessari l’ús de catalitzadors.

S’explora l’ús de catalitzadors basats en metalls alcalins (M = Li, Na, K), destacats per la seva baixa toxicitat, abundància i sostenibilitat. En particular, les bis(trimethylsilyl)amides metàl·liques (M-HMDS; HMDS = N(SiMe₃)₂) han mostrat ser catalitzadors efectius. Els resultats varien segons el catió metàl·lic i la naturalesa dels grups units al fòsfor. Tanmateix, la manca d’orbitals d en aquests metalls limita la comprensió teòrica d’aquests sistemes.

Per abordar aquestes limitacions, es combina experimentació amb càlculs computacionals per entendre els mecanismes de reacció i els factors que governen la regio- i estereoselectivitat. Els càlculs DFT s’han realitzat amb el funcional B3LYP i la correcció de dispersió D3BJ de Grimme, modelant el dissolvent THF amb un model continu (SMD) i un model híbrid amb molècules explícites de THF. S’han estudiat l’addició de compostos de P(III) i P(V) a alquens i alquíns, així com l’oxidació dels productes formats. També s’ha modelat la formació fotoinduïda d’un adducte [2+2] mitjançant càlculs TD-DFT (CAM-B3LYP) i punts de creuament d’energia mínima (MECP).

El primer capítol de resultats descriu el mecanisme de la reacció de Pudovik catalitzada per M-HMDS, basada en resultats del grup del professor Westerhausen (Universitat de Jena). Es mostra com el metall alcalí i els grups units a P (R = Mes, Mes/Ph, Ph, OEt, Cy) influeixen en la selectivitat i en la formació de productes mono- i bisfosforilats, així com un 1-òxid de fosfindol.

El segon capítol descriu l’addició de fosfà de mesitil a 1,4-difenilbutadií, catalitzada per M-HMDS. Aquesta reacció condueix a la formació selectiva de 1-mesitil-2,5-difenilfosfol, amb conversió quantitativa. Es proposa un mecanisme detallat, i els càlculs DFT confirmen que K-HMDS és el més actiu, seguit de Na-HMDS i finalment Li-HMDS, en correlació amb la seva duresa química.

L’últim capítol estudia l’oxidació del fosfol obtingut i la seva fotodimerització [2+2] sota irradiació visible, i compara aquest procés amb una reacció de Diels–Alder [4+2].

Aquesta tesi demostra la viabilitat d’emprar metalls alcalins com a catalitzadors eficients i sostenibles en la formació d’enllaços P–C. Aporta noves perspectives mecanístiques i destaca el paper actiu dels cations alcalins com a participants clau en la catàlisi, obrint noves vies per al disseny de protocols catalítics verds.

Paraules clau: compostos organofosforats, hidrofosfanilació, hidrofosforilació, metalls alcalins, DFT, reacció de Pudovik, fosfols, fotodimerització [2+2].

Esta tesis se centra en el desarrollo de reacciones orientadas a la síntesis de compuestos organofosforados mediante una combinación de metodologías experimentales y computacionales. El objetivo principal es estudiar la adición de especies de fósforo(III) y fósforo(V) a hidrocarburos insaturados a través de reacciones de hidrofosfanilación e hidrofosforilación, relevantes por su eficiencia atómica en la formación de enlaces P–C. Estas transformaciones presentan retos electrónicos y cinéticos que hacen necesario el uso de catalizadores.

Se explora el uso de catalizadores basados en metales alcalinos (M = Li, Na, K), destacados por su baja toxicidad, abundancia y sostenibilidad. En particular, las bis(trimethylsilyl)amidas metálicas (M-HMDS; HMDS = N(SiMe₃)₂) han mostrado ser catalizadores efectivos. Los resultados varían según el catión metálico y la naturaleza de los grupos unidos en el fósforo. Sin embargo, la falta de orbitales de estos metales limita la comprensión teórica de estos sistemas.

Para abordar estas limitaciones, se combina experimentación con cálculos computacionales para entender los mecanismos de reacción y los factores que gobiernan la región y estereoselectividad. Los cálculos DFT se han realizado con el funcional B3LYP y la corrección de dispersión D3BJ de Grimme, modelando el disolvente THF con un modelo continuo (SMD) y un modelo híbrido con moléculas explícitas de THF. Se han estudiado la adición de compuestos de P(III) y P(V) a alquenos y alquínes, así como la oxidación de los productos formados. También se ha moldeado la formación fotoinducida de un aducto [2+2] mediante cálculos TD-DFT (CAM-B3LYP) y puntos de cruce de energía mínima (MECP).

El primer capítulo de resultados describe el mecanismo de la reacción de Pudovik catalizada por M-HMDS, basada en resultados del grupo del profesor Westerhausen (Universidad de Jena). Se muestra cómo el metal alcalino y los grupos unidos a P (R = Mes, Mes/Ph, Ph, OEt, Cy) influyen en la selectividad y en la formación de productos mono- y bisfosforilatos, así como un 1-óxido de fosfindol.

El segundo capítulo describe la adición de fosfano de mesitil a 1,4-difenilbutadiino, catalizada por M-HMDS. Esta reacción conduce a la formación selectiva de 1-mesitil-2,5-difenilfosfol, con conversión cuantitativa. Se propone un mecanismo detallado y los cálculos DFT confirman que K-HMDS es el más activo, seguido de Na-HMDS y finalmente Li-HMDS, en correlación con su dureza química.

El último capítulo estudia la oxidación del fosfol obtenido y su fotodimerización [2+2] bajo irradiación visible, comparando este proceso con una reacción de Diels-Alder [4+2].

Esta tesis demuestra la viabilidad de utilizar metales alcalinos como catalizadores eficientes y sostenibles en la formación de enlaces P–C. Aporta nuevas perspectivas mecanísticas y destaca el papel activo de los cationes alcalinos como participantes clave en la catálisis, abriendo nuevas vías para el diseño de protocolos catalíticos verdes.

Palabras clave: compuestos organofosforados, hidrofosfanilación, hidrofosforilación, metales alcalinos, DFT, reacción de Pudovik, fosfoles, fotodimerización [2+2].

This thesis focuses on the development of reactions aimed at the synthesis of organophosphorus compounds, using a combination of experimental and computational methodologies. The main objective is to study the addition of phosphorus(III) and phosphorus(V) species to unsaturated hydrocarbons through hydrophosphanylation and hydrophosphorylation reactions, relevant for their atomic efficiency in the formation of P–C bonds. These transformations present electronic and kinetic challenges that necessitate the use of catalysts.

The use of alkali metal-based catalysts (M = Li, Na, K), notable for their low toxicity, abundance and sustainability, is explored. In particular, metal bis(trimethylsilyl)amides (M-HMDS; HMDS = N(SiMe₃)₂) have been shown to be effective catalysts. The results vary depending on the metal cation and the nature of the groups attached to the phosphorus. However, the lack of d orbitals in these metals limits the theoretical understanding of these systems.

To address these limitations, experimentation is combined with computational calculations to understand the reaction mechanisms and the factors governing the regio- and stereoselectivity. DFT calculations have been performed with the B3LYP functional and the Grimme D3BJ dispersion correction, modeling the THF solvent with a continuum model (SMD) and a hybrid model with explicit THF molecules. The addition of P(III) and P(V) compounds to alkenes and alkynes, as well as the oxidation of the formed products, have been studied. The photoinduced formation of a [2+2] adduct has also been modeled using TD-DFT (CAM-B3LYP) and minimum energy crossing points (MECP) calculations.

The first chapter of results describes the mechanism of the M-HMDS-catalyzed Pudovik reaction, based on results from the group of Professor Westerhausen (University of Jena). It is shown how the alkali metal and the P-linked groups (R = Mes, Mes/Ph, Ph, OEt, Cy) influence the selectivity and the formation of mono- and bisphosphorylated products, as well as a phosphindole 1-oxide.

The second chapter describes the addition of mesityl phosphine to 1,4-diphenylbutadiene, catalyzed by M-HMDS. This reaction leads to the selective formation of 1-mesityl-2,5-diphenylphosphole, with quantitative conversion. A detailed mechanism is proposed, and DFT calculations confirm that K-HMDS is the most active, followed by Na-HMDS and finally Li-HMDS, in correlation with their chemical hardness.

The last chapter studies the oxidation of the obtained phosphole and its [2+2] photodimerization under visible irradiation, and compares this process with a [4+2] Diels–Alder reaction.

This thesis demonstrates the feasibility of using alkali metals as efficient and sustainable catalysts in the formation of P–C bonds. It provides new mechanistic perspectives and highlights the active role of alkali cations as key participants in catalysis, opening new avenues for the design of green catalytic protocols.

Keywords: organophosphorus compounds, hydrophosphanylation, hydrophosphorylation, alkali metals, DFT, Pudovik reaction, phospholes, [2+2] photodimerization.