Stati di ossidazione del rame nelle reazioni di cross-coupling

In organic chemistry, cross-coupling reactions mediated by transition metals have made a significant contribution to the synthesis of organic molecules, used in several areas from pharmaceutical to industrial. Coupling reactions belong to a family of processes that share most of mechanistic aspects. They follow a general scheme in which metal undergo an oxidative addition reaction, then a transmetallation, finally a reductive elimination to obtain the desired product. One of the most promising and most studied catalysts in this regard is copper. Extraordinarily reactive and cheap metal that in according to the above scheme, would follow the same catalytic cycle as the coupling reactions catalyzed by palladium, undergoing what is called a Ullmann type reaction. Despite the numerous studies conducted, the mechanism of copper-catalyzed reactions has not yet been understood and is “unpredictable”. CuIII intermediate, formed by oxidative addition is considered unstable and would require harsh reaction conditions due to the high activation energy of its transition state (TS). Some studies have shown that these reactions can occur in milder conditions, consequently alternative mechanism to Ullmann type have been proposed. This paper deals with some models of possible mechanisms for copper-catalyzed coupling reactions, with the related examples of computational studies. Among the proposals there are some cases in which we pass for an intermediate CuIII species, some in which we pass for CuII and still others in which CuI does not change its oxidation state. The purpose of these studies is to understand the mechanism of this reactions, to solve this problems and obtain processes that are faster, cheaper, more effective, and with high yields.

Nella chimica organica, le reazioni di cross-coupling catalizzate dai metalli di transizione hanno dato un notevole contributo alla sintesi di molecole organiche complesse, utilizzate in svariati campi, dal farmaceutico all’industriale. Le reazioni di coupling fanno parte di una famiglia di processi che condividono la maggior parte degli aspetti meccanicistici. Seguono uno schema generale in cui il metallo subisce prima un’addizione ossidativa, poi una transmetallazione, infine un’eliminazione riduttiva, per ottenere il prodotto desiderato. Uno tra i catalizzatori più promettenti e più studiati a tal proposito è il rame, metallo straordinariamente reattivo ed economico. Secondo lo schema descritto sopra, seguirebbe lo stesso ciclo catalitico delle reazioni di accoppiamento catalizzate dal palladio, subendo quella che viene chiamata una reazione di tipo Ullmann. Nonostante i numerosi studi condotti, il meccanismo delle reazioni catalizzate da rame non è stato ancora compreso e risulta “imprevedibile”. L’intermedio CuIII che si forma in seguito all’addizione ossidativa è considerato instabile e richiederebbe delle condizioni di reazione drastiche, causa l’elevata energia di attivazione del corrispondente stato di transizione (TS). Alcuni studi hanno dimostrato che queste reazioni possono avvenire in condizioni più blande, di conseguenza sono stati proposti dei meccanismi alternativi a quello di tipo Ullmann. In questo elaborato vengono trattati alcuni modelli di meccanismi possibili per le reazioni di coupling catalizzate da rame, con i relativi esempi di studi computazionali. Tra le proposte vi sono dei casi in cui troviamo il passaggio per una specie intermedia CuIII, altri in cui si passa per CuII e altri ancora in cui il rame CuI non cambia il suo stato di ossidazione. La finalità di questi studi è quella di comprendere a pieno il meccanismo di queste reazioni, per poterne risolvere le problematiche e ottenere dei processi sempre più veloci, efficaci, economici e con delle rese elevate.