Synteza i budowa kompleksów dialkiloalkoksy- i dialkiloaryloksyindowych stabilizowanych silnymi zasadami Lewisa i ich właściwości katalityczne w polimeryzacji estrów cyklicznych

Polimery biodegradowalne stają się coraz istotniejszym tworzywem w wielu gałęziach przemysłu. Z dużą dozą prawdopodobieństwa można stwierdzić, że udział wyrobów z polimerów biodegradowalnych na rynku tworzyw sztucznych będzie wzrastał wraz ze wzrostem świadomości ekologicznej konsumentów i wymogami prawnymi, a co za tym idzie - zapotrzebowaniem przemysłu na nietoksyczne, mogące podlegać recyklingowi materiały. Do najważniejszych polimerów biodegradowalnych należy zaliczyć polilaktyd (PLA), nazywany naturalnym polietylenem, i jego kopolimery. Otrzymywany z surowców odnawialnych i ulegający biodegradacji do prostych, nietoksycznych związków (oligomerów, kwasu mlekowego, a finalnie do CO2 i H2O) w tempie zależnym od swojej mikrostruktury i warunków prowadzenia procesu cieszy się zainteresowaniem zarówno chemików, którzy opracowują kolejne metody jego kontrolowanej i stereoselektywnej syntezy, jak i przemysłu, który wykorzystuje go do coraz to nowych celów.Racjonalne projektowanie katalizatorów do polimeryzacji rac-laktydu, czyli umiejętność powiązania budowy katalizatora z jego aktywnością, stereoselektywnością, a w konsekwencji z właściwościami otrzymanego dzięki niemu polimeru, jest niezwykle ważne zarówno z punktu widzenia naukowców dążących do zrozumienia zasady działania katalizatorów, jak i przedsiębiorców przemysłowych, którzy, dzięki takiej wiedzy i odpowiednim katalizatorom, mogliby łatwo modyfikować właściwości swoich produktów. Jednym z wyzwań stojących przed grupami zajmującymi się polimeryzacją laktydu, jest kontrola stereoselektywności katalizatora, gdyż taktyczność polilaktydu wpływa znacząco na jego właściwości mechaniczne, fizykochemiczne i biodegradowalność. W ostatniej dekadzie ukazały się pierwsze wyniki dotyczące kompleksów galowych i indowych, które okazały się być aktywnymi i często stereoselektywnymi katalizatorami polimeryzacji racemicznego laktydu. Szczególnie cenne są katalizatory galowe, których stereoselektywność możnaw łatwy sposób „przełączać” (ang. „switchable catalysts”), budując w ten sposób bloki PLAo różnej taktyczności, z wykorzystaniem nieselektywnych lub heteroselektywnychkompleksów dialkiloalkoksygalowych [R2Ga(OR’)] oraz izoselektywnych związkówdialkiloalkoksygalowych z N-heterocyklicznymi karbenami R2Ga(OR’)(NHC).Celem niniejszej pracy była w pierwszym etapie synteza i badanie właściwościkompleksów dialkiloalkoksyindowych ([R2In(OR’)]) o budowie analogicznej do kompleksówgalowych, określenie, czy podobnie do kompleksów galowych mogą wykazywaćheteroselektywność w polimeryzacji rac-LA oraz jakie czynniki mogą wpływać na ichstereoselektywność. Drugim etapem było zbadanie czynników strukturalnych wpływającychna reaktywność kompleksów [R2In(OR’)] względem N-heterocyklicznych karbenów oraz nastabilność otrzymanych produktów, należących do nowej grupy związków typuR2In(OR’)(NHC), w porównaniu z analogicznymi kompleksami galowymi R2Ga(OR’)(NHC),a także zbadanie aktywności i stereoselektywności kompleksów R2In(OR’)(NHC)w polimeryzacji rac-LA z otwarciem pierścienia. Ostatni etap badań służył poszerzeniuwiedzy o kompleksach dialkiloalkoksyindowych o kompleksy dialkiloaryloksyindowe orazo analizę ich reaktywności względem NHC o różnych właściwościach sterycznychi elektronowych.W przypadku badań nad wpływem budowy kompleksów dialkiloalkoksyidialkiloaryloksyindowych na ich właściwości katalityczne w polimeryzacji rac-LAznaczącym osiągnięciem było wykazanie wpływu zasady Lewisa na heteroselektywnośćkompleksów dialkiloalkoksyindowych, na przykładzie związku (S,S)-[Me2In(melak)]2,w polimeryzacji racemicznego laktydu (Pr = 0.54-0.72), i powiązanie tego efektuz reorganizacją heterochiralnych do homochiralnych dimerycznych dialkiloalkosyindowychcentrów katalitycznych – [Me2InO(PLA)]2 (gdzie PLA odpowiada narastającemu łańcuchowiPLA), pod wpływem zasad Lewisa, w szczególności różnych pochodnych pirydyny. Napodstawie badań spektroskopowych z wykorzystaniem modelowych układów (R,S)-[Me2In(melak)]2/LB zaobserwowano, że ilość homochiralnych dimerów jest ściśle związanaz efektywnością koordynacji zasady Lewisa do metalu, co przekłada się także, w sposóbnieliniowy, na heteroselektywność układów (S,S)-[Me2In(melak)]2 w polimeryzacji rac-LA.Niestety, dla układów z silnymi zasadami Lewisa, o wysokiej aktywności, duża ilość reakcjiubocznych w polimeryzacji skutkuje także obniżeniem heterotaktyczności otrzymanego PLA.Tym niemniej należy podkreślić, że wykorzystując układy oparte na (S,S)-[Me2In(melak)]2i zasadach Lewisa o różnej zdolności koordynacji, potencjalnie możliwa jest syntezapolilaktydu zbudowanego z bloków PLA o różnym stopniu heterotaktyczności.Drugim ważnym osiągnięciem było przeprowadzenie szerokiej analizy czynnikówmających wpływ na syntezę, budowę i stabilność kompleksów R2In(OR’)(NHC) orazMe2In(OAr)(NHC). Warto podkreślić, że kompleksy tego typu nie były wcześniej znanew literaturze. Badania z wykorzystaniem NHC = IMes, SIMes pozwoliły ustalić, że zarównogrupa alkoksylowa lub aryloksylowa (przede wszystkim ich wielkość oraz obecność grupfunkcyjnych o właściwościach zasadowych Lewisa zdolnych do tworzenia wiązaniaterminalnego z indem) jak i alkilowa mają wpływ na siłę wiązania In—CNHC, która towielkość jest kluczowa w kwestii stabilności kompleksów z NHC skoordynowanym docentrum indowego. Od stabilności tych kompleksów zależy z kolei możliwość ichzastosowania jako katalizatorów izoselektywnej polimeryzacji rac-LA. W badaniachaktywności katalitycznej najciekawszym wynikiem można nazwać możliwość zastosowaniarównowagowych układów (S,S)-[Me2In(melak)]2/NHC, o stosunku [In]:[NHC] = 5:1w żyjącej polimeryzacji rac-LA i uzyskanie liniowego, dominująco izotaktycznego PLA (Pmmax = 0.77) o niskiej dyspersyjności (ᴆ = 1.02) i grupach końcowych OH i melak. Niestety,inne, stabilne kompleksy: Me2In(difenet)(NHC) oraz Me2In(OC6H4OMe)(NHC), pomimosilniejszego wiązania In—CNHC w roztworze niż w przypadku Me2In(melak)(NHC), niepozwoliły na przeprowadzenie polimeryzacji rac-LA w sposób kontrolowany, prowadząc dopowstania cyklicznego PLA, prawdopodobnie z powodu insercji monomeru w wiązanie In—CNHC zamiast In—O. Insercja w wiązanie In—O w tych dwóch przypadkach była utrudniona,bądź wręcz niemożliwa, z powodu właściwości grup difenet (sterycznych) i OC6H4OMe(elektronowych), natomiast wiązanie In—CNHC okazało się wystarczająco łatwo dostępne dlamonomeru. Warto w tym miejscu zaznaczyć, że w każdym kompleksie typuMe2In(OR)(NHC) oraz Me2In(OAr)(NHC) wiązanie In—CNHC było słabsze niż Ga—CNHCw analogicznych kompleksach galowych. Stąd wyniknęły inne właściwości w polimeryzacjirac-LA kompleksów o różnych centrach koordynacji (M = In lub Ga), gdyż w przypadkupolimeryzacji laktydu katalizowanej kompleksami galowymi nie obserwowano insercji rac-LA w wiązanie Ga—CNHC, a jedynie w Ga—OR, z utworzeniem liniowego polimeruo grupach końcowych OH i OR. W polimeryzacji innych estrów cyklicznych – ε-CL oraz β-BL, zarówno kompleksy typu Me2In(OR)(NHC) jak i Me2Ga(OR)(NHC) nie wykazałyaktywności, prawdopodobnie na skutek obniżonej kwasowości Lewisa centrów koordynacjiw tego typu kompleksach.Dość zaskakującym można nazwać istotny wpływ NHC, w przypadku kompleksówdialkilaryloksyindowych Me2In(OAr)(NHC), na możliwość tworzenia się polimerówkoordynacyjnych oraz struktur metaloorganicznych (MOF, ang. Metal Organic Framework)w wyniku obecności wiązań wodorowych oraz słabych oddziaływań typu Π-Π w ciele stałym.Natomiast uzupełniających danych odnośnie reaktywności kompleksów [Me2M(OR)]2 oraz[Me2M(OAr)]2 (M = In, Ga) wobec NHC dostarczyły badania, w których NHC stanowiłykarbeny o 6-członowych pierścieniach heterocyklicznych. Wykazano, że zatłoczeniesteryczne w obrębie NHC nie uniemożliwia jego efektywnej koordynacji do metalui powstania monomerycznych kompleksów Me2M(OR)(NHC) (choć w przypadku dużychgrup OR reakcja zachodzi stosunkowo wolno) lub Me2M(OAr)(NHC), o ile NHC mawystarczająco silne właściwości nukleofilowe.Podsumowując, badania opisane w niniejszej pracy to przede wszystkim pierwszedoniesienie na temat kompleksów dialkiloalkoksy- i dialkiloaryloksyindowych z NHCskoordynowanym do indu. Warto wspomnieć, że w literaturze nie ma aż tylu przykładówkompleksów metali grup głównych z NHC, co kompleksów metali bloku d i chociażby z tegopowodu analiza budowy i właściwości takich związków jest interesującym zagadnieniem.Choć w przypadku syntezy kompleksów typu Me2In(OR)(NHC) oraz Me2In(OAr)(NHC)można było się spodziewać podobnych wyników, jak w przypadku analogicznychkompleksów galowych, nieoczekiwanie zaobserwowano szereg różnic dotyczących ichwłaściwości oraz określono szereg czynników mających wpływ na możliwość ich otrzymaniai stabilność, co z kolei spowodowało, że badania ich właściwości w polimeryzacji rac-LAzostały mocno ograniczone. Cennych wniosków dostarczyła natomiast analiza właściwościkatalitycznych prostych kompleksów dialkiloalkoksyindowych, dzięki którym możliweokazało się określenie czynników decydujących o heteroselektywności układów[Me2M(OR)]2/LB (gdzie OR = grupa alkoksylowa posiadająca centrum asymetryczne)w polimeryzacji rac-LA.Rozprawa napisana jest w języku polskim. Wyniki zostały opublikowane w czterechczasopismach o zasięgu międzynarodowym: Organometallics, Polymer Chemistry, NewJournal of Chemistry oraz Inorganic, a także zostały ujęte w zgłoszeniu patentowym.

Synthesis and structure of dialkylindium alkoxides and aryloxides stabilised by strong Lewis bases and their catalytic properties in polymerization of cyclic esthersAbstractThis thesis concerns synthesis, structure and catalytic properties of dialkylindium alkoxides in polymerization of racemic lactide, as well as dialkylindium alkoxides and aryloxides complexes with N-heterocyclic carbenes, of different electron-donor and steric properties, coordinated to indium. The inspiration for this topic was the interesting results of research conducted using gallium complexes, which turned out to be stereoselective catalysts for the polymerization of racemic lactide, acting in a controlled manner and under mild conditions.The literature part of this thesis is about lactide and its polymerization. Special attention is payed to the stereoselectivity aspect of this reaction and relation between the tacticity of the obtained polylactide and its properties (including biodegradability). A wide range of applications of polylactide is also indicated. Afterwards a review of complexes based on the 13th group metals (aluminium, gallium and indium) used in the ring opening polymerization of lactide (and other cyclic esters), was made. Among the complexes of aluminum, in view of the multitude of articles about them, only few examples were selected. In turn, in the face of a small amount of articles about gallium and indium complexes as a catalysts of polymerization of cyclic esters (which have been under investigation for only a several years), and to their superior role in this thesis, all compounds known at the time of creation of this work (September 2017) are discussed.Part of this thesis describing own research is divided into 4 subsections. The first describes the effects of the structure of dialkylindium alkoxides [R2In(OR')]2 on their activity and heteroselectivity in the polymerization of racemic lactide (rac-LA). Most of the results from this section were published in the article entitled "Controlling the stereoselectivity of rac-LA polymerization by chiral recognition induced the formation of homochiral dimeric metal alkoxides" (P. Horeglad, M. Cybularczyk, A. Litwińska, A. M. Dąbrowska, M. Dranka, G. Z. Żukowska, M. Urbańczyk, M. Michalak; Polymer Chemistry 2016, 7, 2022-2036). It is worth mentioning that this article was highlighted on cover. The effect of Lewis base on the heteroselectivity of dialkylindium alkoxide complexes has been shown on the example of compound (S,S)-[Me2In(melak)]2, in the polymerization of racemic lactide (Pr = 0.54-0.72). It was connected with the reorganization of heterochiral to homochiral dimeric dialkylalkoxide catalytic centers - [Me2InO(PLA)]2 (where the PLA corresponds to the growing PLA chain), under the influence of Lewis bases, in particular various pyridine derivatives. During spectroscopic studies using model (R,S)-[Me2In(melak)]2/LB complexes, it was also observed, that the amount of homochiral dimers is closely related to the coordination efficency of Lewis base to the metal center, and that there is a nonlinear dependence between the excess of homochiral dimers and heteroselectivity of the (S,S)-[Me2In(melak)]2/LB systems in the rac-LA polymerization. In second subsection, the effect of [R2In (OR')]2 and NHC structure on the synthesis, structure and stability of dialkylindium alkoxide complexes with N-heterocyclic carbenes (R2In(OR')(NHC) is extensively analyzed. Particular attention has been paid to the analysis of In-CNHC bond strenght as compared to analogue gallium complexes, which is crucial for the stability of complexes with NHCs coordinated to the indium center. The ability to apply these complexes as catalysts for the isoselective polymerization of rac-LA depends on their stability. It should be emphasized that the complexes of type R2In(OR')(NHC) described in this subsection have not been previously known in the literature. Most of the results from this section were published in the article "The Effects of In-CNHC Bonds on the Synthesis, Structure and Reactivity of Dialkylindium Alkoxides: How Indium Compares to Gallium" (M. Cybularczyk, M. Dranka, J. Zachara, P. Horeglad; Organometallics 2016, 35 (19), 3311-3322). The third subsection is a complement to second, as it describes analogous research on dialkylindium aryloxide complexes [R2In(OAr)]2 and R2In(OAr)(NHC). R2In(OAr)(NHC) turned out to have a rather surprising feature - due to the presence of hydrogen bonds and weak Π-Π interactions in the solid - NHC influence on formation of coordination polymers and metal organic frameworks (MOFs) has been observed. The possibility of using [R2In(OAr)]2 complexes as catalysts for the immortal polymerization of racemic lactide should also be highlighted. It has become a part of the patent application: "Gallium and indium dialkyl complexes and their use for the production of polylactide-drug conjugates and for immortal polymerisation of ring-opening heterocyclic monomers". The last subsection of own research part of this thesis is an extension of the research into the effect of NHC on the formation and stability of R2M(OR')(NHC) and R2M(OAr)(NHC) complexes (M = In, Ga). Two carbenes with different electron-donor properties, having a six-membered central CNCCCN ring, were used as the NHC. It has been shown that steric hindrance within the NHC does not prevent its effective coordination to metal center and the formation of monomeric Me2M(OR)(NHC) (although in the case of large OR groups the reaction is relatively slow) or Me2M(OAr)(NHC) complexes as long as NHC has sufficiently strong nucleophilic properties.