LEAPS-MPS Discovery of Earth-abundant Transition-metal Catalysts for Small Molecule Functionalization and Mechanistic Insights

LEAPS-MPS 发现地球丰富的过渡金属催化剂,用于小分子功能化和机理见解

基本信息

  • 批准号:
    2316526
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

In this project managed by the Chemistry Division at NSF, Professor Rebeca Arevalo and her students at the University of California, Merced will perform studies that aim to explore new bond-activation strategies by Earth-abundant metal complexes and leverage this knowledge to the discovery of sustainable catalysts for the functionalization of inert bonds in small molecules. In particular, different types of C-H bonds will be targeted, which are amongst the strongest in organic molecules and require precious metals with limited Earth-abundance for its cleavage. Professor Arevalo and her students will target sustainable and green metals to achieve C-H bond functionalization and will dig into the design requirements of the complexes to be efficient. They will investigate the synthesis, characterization, and catalytic reactions of new complexes with silicon and phosphorous-containing donors. Their studies could provide valuable insights for catalyst design for the synthesis of functional molecules. This project will serve to provide underrepresented Hispanic students with experience in synthesis and characterization of air- and moisture-sensitive metal complexes and with knowledge in mechanistic studies in catalysis, as well as constitute a starting point for the creation of instructional materials and new curriculum at UC Merced. Professor Arevalo and her students will synthesize new Earth-abundant transition-metal complexes and evaluate their efficiency as homogeneous catalysts for the functionalization of inert C(sp3)-H bonds and for tandem processes involving C(sp)-H functionalization. The focus will be placed on 1st-row transition-metal complexes where two different strategies will be explored for bond activation (a) metal-centered processes and (b) metal-ligand cooperation. The functionalization of C-H bonds in inert small molecules will render access to valuable synthons for pharma industry and materials chemistry by new synthetic routes involving sustainable catalysts and feedstock starting materials that might be considered as unsuitable due to their inertness. Professor Arevalo and her students will aim to elucidate the keys for the design of catalysts efficient for C-H functionalization through mechanistic studies and rational catalyst design. Their results will contribute to increase the knowledge of the underexplored Earth-abundant transition-metal organometallic chemistry and open new avenues for the discovery of new strategies for the activation of strong bonds in organic molecules. They will use NMR, EPR and IR spectroscopy as well as single-crystal X-ray diffraction and gas chromatography to characterize the catalysts and the new functional molecules and gain insights into the cycles operative in catalysis.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在这个由美国国家科学基金会化学部门管理的项目中,Rebeca Arevalo教授和她在加州大学默塞德分校的学生将进行研究,旨在探索地球上丰富的金属配合物的新的键激活策略,并利用这些知识来发现小分子中惰性键功能化的可持续催化剂。特别是,不同类型的碳氢键将成为目标,这些碳氢键是有机分子中最强的,需要地球上有限丰度的贵金属来切割。Arevalo教授和她的学生将以可持续和绿色金属为目标,实现碳-氢键功能化,并将深入研究配合物的设计要求,以提高效率。他们将研究含硅和含磷供体的新型配合物的合成、表征和催化反应。他们的研究可以为功能分子合成催化剂的设计提供有价值的见解。该项目将为未被充分代表的西班牙裔学生提供在空气和湿度敏感金属复合物的合成和表征方面的经验,以及催化机制研究方面的知识,并为加州大学默塞德分校创建教学材料和新课程提供起点。Arevalo教授和她的学生将合成新的地球丰富的过渡金属配合物,并评估它们作为惰性C(sp3)-H键功能化和涉及C(sp)-H功能化的串联过程的均相催化剂的效率。重点将放在第一行过渡金属配合物上,其中将探索两种不同的键激活策略(a)金属中心过程和(b)金属配体合作。惰性小分子中C-H键的功能化将为制药工业和材料化学提供有价值的合成途径,这些合成途径涉及可持续的催化剂和原料原料,这些原料可能因其惰性而被认为不合适。Arevalo教授和她的学生将致力于通过机理研究和合理的催化剂设计来阐明设计高效碳氢官能化催化剂的关键。他们的结果将有助于增加对地球上尚未充分开发的过渡金属有机金属化学的了解,并为发现有机分子中强键激活的新策略开辟新的途径。他们将使用核磁共振,EPR和红外光谱,以及单晶x射线衍射和气相色谱来表征催化剂和新的功能分子,并深入了解催化过程中的循环。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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