Hybrid core-shell nanogels as catalytic nanoreactors

Trabalho Final de Mestrado Integrado, Ciências Farmacêuticas, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2016Tailor-made nanogels prepared via reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization were successfully applied as support material for palladium(0) nanoparticles. Besides stabilizing the metal nanoparticles for at least one year, this hybrid nanogel catalyst was successfully applied for the Mizoroki-Heck cross-coupling reaction. This C-C coupling reached good yields in 2 hours at 120°C in dimethylacetamide with low catalyst loadings (0,1 mol% Pd). It showed a broad catalytic scope ranging from bromo-arenes (with electron withdrawing groups) to iodo-arenes (with either electro-withdrawing, electron-donating or without substituents) and different olefins. The catalyst did not present any problem upon the catalysis of substrates with functional groups in different position relative to the halogen, with the exception of functional groups with carbonyl in ortho position. These substrates presented a notable decrease in the coupling yield. Furthermore, the reactivity of methacrylates was subject of a deep investigation showing the formation of an uncommon bis-arylated product. Despite good results in simple couplings, the hybrid nanogel catalyst system was proven inefficient when applied to more complex systems such as intramolecular tandem Mizoroki-Heck reaction, and the synthesis of specific molecules scaffolds such as indenes and coumarins. Finally, a Collman´s test with macromolecular substrates demonstrated signs of leaching of the metal during the catalysis by the hybrid nanogel.Nanogéis sintetizados através de uma técnica de polimerização controlada (RAFT, do inglês reversible addition-fragmentation chain-transfer) foram aplicados com sucesso como materiais de suporte para nanopartículas de paládio(0). Este material de suporte demonstrou-se capaz de estabilizar as nanopartículas durante, pelo menos, mais de um ano. Este catalisador, incluindo o nanogel como material de suporte e paládio incorporado, foi aplicado com sucesso na reação Mizoroki-Heck demonstrando uma ampla versatilidade catalítica. Na reação de Mizoroki-Heck o catalisador demonstrou-se capaz de catalisar o acoplamento C-C entre diferentes arenos: desde bromo arenos (com grupos eletroatractores) a iodo-arenos (com grupos eletroactratores, eletrodadores ou sem grupos substituintes) e diferentes olefinas, alcançando bons rendimentos em 2 horas a 120º C em N,N dimetilacetamida e com baixa quantidade de paládio (0,1 mol % Pd). O catalisador não demonstrou problemas com a mudança da posição relativa de grupos funcionais no anel aromático, à exceção de substratos contendo grupos funcionais com carbonilos situados na posição ortho. Estes substratos demonstraram uma grande redução no rendimento da reação de acoplamento C-C. A reatividade de metacrilatos foi testada demonstrando a formação, fora do comum, de produtos bis-arilados. Apesar dos bons resultados com sistemas simples, quando aplicado a sistemas mais complexos o catalisador demostrou-se ineficaz. Os sistemas mais complexos testados foram reações intramoleculares e consecutivas de Mizoroki-Heck e a síntese de indenos e cumarinas. Um teste de Collman com substratos macromoleculares demonstrou que durante a reação o nanogel perde parte do paládio imobilizado