Pd-based nanoparticles stabilized by N-Heterocyclic carbene ligands: Application in the catalytic transformation of N-containing molecules with D2
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Autores
Suárez Riaño, Oscar Eduardo
Director
Baquero Velasco, Edwin Arley
Chaudret, Bruno
Tipo de contenido
Trabajo de grado - Maestría
Idioma del documento
InglésFecha de publicación
2022-10-27
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Resumen
Los compuestos deuterados han despertado gran interés en los últimos años debido a sus
diversas aplicaciones. Por ejemplo, pueden utilizarse en estudios mecanísticos, para alterar
perfiles farmacocinéticos y como patrones internos en diferentes técnicas acopladas a
espectrometría de masas. Entre los diferentes métodos reportados para la obtención de estas
moléculas, podemos destacar dos: las reacciones de Intercambio Isotópico de Hidrógeno (HIE)
y las reacciones de dearomatización utilizando D2 como agente reductor. Estos procesos pueden
catalizarse utilizando metales de transición tanto de forma homogénea como heterogénea. En
este sentido, las nanopartículas metálicas (MNPs) han aparecido como una nueva alternativa en
catálisis, especialmente en la activación de enlaces H–H y C–H, debido a sus grandes ventajas
en comparación con los metales en su conformación bulk. Así pues, los ligandos Carbeno NHeterocíclicos (NHC) han desempeñado un papel importante como estabilizadores de MNPs
debido a sus propiedades estereoelectrónicas únicas y versátiles, y a su capacidad para formar
enlaces robustos con metales. En esta línea, se han publicado pocos reportes sobre las MNPs
estabilizadas con NHC para las reacciones de deuteración, en las que se emplearon como
nanocatalizadores monometálicos nanopartículas de Ru, Ir y Ni, y bimetálicos de RuIr y RuPt
utilizando diferentes sustratos lipofílicos e hidrosolubles (aminoácidos). La selectividad de estos
catalizadores en la deuteración principalmente es hacia posiciones cercanas a heteroátomos como
el nitrógeno. Sin embargo, la reducción de los anillos aromáticos sigue siendo un gran
inconveniente en las reacciones de intercambio H/D, especialmente cuando se utilizan moléculas
bioactivas como los aminoácidos.
En este trabajo se presenta la síntesis de nanopartículas monométiclas de Pd, Ni y bimetálicas
de PdNi estabilizadas por ligandos NHC liposolubles e hidrosolubles. Las nanopartículas
obtenidas se caracterizaron mediante las técnicas más avanzadas, como la microscopía
electrónica de transmisión (MET), MET de alta resolución acoplado a espectroscopia de rayos X
de energía dispersiva, espectroscopia infrarroja de reflectancia total atenuada, resonancia
magnética nuclear en estado sólido y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X. Se observó que
estas MNP se dispersaban en medios orgánicos y acuosos debido a la estabilización y
coordinación de los ligandos NHC a la superficie, con tamaños entre 1,8 y 2,9 nm.. Se probaron
en reacciones de dearomatización y HIE sobre diferentes sustratos lipofílicos (piridina, 2-
metilpiridina, 2-metoxipiridina, 2-(trifluorometil)piridina, 2-fenilpiridina, 3-fenilpiridina y 4-
fenilpiridina) e hidrosolubles (L-fenilalanina, L-tirosina y L-histidina). Las PdNPs fueron activas
en reacciones de dearomatización sobre piridina y sus derivados, así como con 2-fenilpiridina y
sus isómeros. Además, se encontró un inesperado efecto cinético isotópico inverso en la reacción
de dearomatización de la 2-fenilpiridina, con mejores resultados utilizando D2 en comparación
con H2 cuando se utilizaron Pd@NHC NPs como nanocatalizadores, con una mayor diferencia
para Pd@NHC NPs comparado con las PdNPs estabilizadas por polivinilpirrolidona. Esto
sugiere que los ligandos NHC podrían promover este efecto basándose en los cálculos DFT
realizados. Con respecto a los sistemas solubles en agua, las PdNiNPs fueron capaces de deuterar
selectivamente la posición b a la fracción aminoácida cuando se utilizó L-fenilalanina como
sustrato, evitando la reducción del anillo aromático, gracias a un efecto sinérgico de ambos
metales. Por otro lado, se observó un cambio en la selectividad de la deuteración cuando se utilizó
L-tirosina como sustrato. A temperaturas más bajas se deuteró la posición b con respecto a la
fracción aminoácida, mientras que a temperaturas más altas la deuteración tuvo lugar en la
posición orto con respecto al grupo fenol. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Deuterium-labeled compounds have been of great interest in recent years due to their diverse
applications. For instance, they can be used in mechanistic studies, to alter pharmacokinetic
profiles, and as internal standards in different techniques coupled to mass spectrometry. Among
the different reported methods to obtain those molecules, we can highlight two: Hydrogen Isotope
Exchange (HIE) reactions and dearomatization reactions using D2 as reducing agent. These
processes can be catalyzed using transition metals both in homogeneous and heterogeneous
fashions. In this sense, metal nanoparticles (MNPs) have appeared as a new alternative in
catalysis, especially in H–H and C–H bonds activation, due to their great advantages compared
to metals in their bulk conformation. Thus, N-Heterocyclic Carbene (NHC) ligands have played
an important role as MNPs stabilizers due to their unique and versatile stereoelectronic
properties, and their ability to form robust bonds with metals. In this line, there have been few
reports about NHC-stabilized MNPs for the deuteration reactions, in which monometallic
RuNPs, IrNPs, NiNPs, and bimetallic RuIrNPs and RuPtNPs were employed as nanocatalysts
using different lipophilic and water-soluble substrates (amino acids). Their usual selectivities
found in the deuteration of the substrates are mainly towards positions close to heteroatoms such
as nitrogen. However, aromatic rings reduction still remains a major drawback in H/D exchange
reactions, especially when bioactive molecules like amino acids are used.
In this work we present the synthesis of monometallic PdNPs, NiNPs, and bimetallic PdNiNPs
stabilized by either lipo- or water-soluble NHC ligands. The obtained MNPs were characterized
by state-of-the-art techniques such as Transmission Electron Microscopy (TEM), HighResolution TEM coupled to Energy Dispersive X-Ray spectroscopy, Attenuated Total
Reflectance Infrared spectroscopy, Solid-State Nuclear Magnetic Resonance, and X-Ray
Photoelectron Spectroscopy. These MNPs were found to disperse in both organic and aqueous
media because of the stabilization and coordination of adequate NHC ligands to the surface with
sizes ranging from 1.8 to 2.9 nm. They were tested as nanocatalysts in dearomatization and HIE
reactions over different lipophilic (pyridine, 2-methylpyridine, 2-methoxypyridine, 2-
(trifluoromethyl)pyridine, 2-phenylpyridine, 3-phenylpyridine, and 4-phenylpyridine) and watersoluble (L-phenylalanine, L-tyrosine, and L-histidine) substrates. Monometallic PdNPs were
active in dearomatization reactions over pyridine and its derivatives, as well as with 2-
phenylpyridine and its isomers. Moreover, we found an unexpected inverse kinetic isotope effect
in 2-phenylpyridine dearomatization reaction, with better results using D2 compared to H2 when
Pd@NHC NPs were used as nanocatalysts. A higher difference was found with NHC-stabilized
PdNPs compared to their analogues stabilized by polyvinylpyrrolidone. It suggests that NHC
ligands could promote this effect based on the DFT calculations performed. In regard with watersoluble systems, bimetallic PdNiNPs were able to deuterate selectively the b position to the
amino acid moiety when L-phenylalanine was used as a substrate. In this case, the aromatic
reduction side process was fully suppressed thanks to a synergetic effect of both metals. On the
other hand, a change in the deuteration selectivity was achieved when L-tyrosine was used as a
substrate. At lower temperatures the b position to the amino acid moiety was deuterated, while
at higher temperatures the deuteration took place at the ortho position with respect to the phenol
group.
Palabras clave
Paladio ; Palladium ; Níquel ; Nickel ; Nanopartículas ; Nanoparticles ; Intercambio Isotópico de Hidrógeno ; Hydrogen Isotope Exchange ; Dearomatización ; Dearomatization ; Efecto Cinético Isotópico Inverso ; Inverse Kinetic Isotope Effect ; Ligandos Carbeno N-Heterocíclico ; N-Heterocyclic Carbene Ligands
Descripción Física/Lógica/Digital
ilustraciones, diagramas