Computational studies of C-C and C-S cross-coupling reactions catalyzed by copper or nickel complexes

Abstract

[eng] This thesis has addressed the development of sustainable and efficient catalysts through the mechanistic study and modeling of homogeneous catalytic processes. It has focused on cross-coupling reactions using alternative metals to palladium, such as copper and nickel, due to their lower cost and higher availability, aligning with environmental sustainability objectives.

Computational approaches have been employed to gain insights into the fundamental steps of catalytic cycles, with particular attention to processes such as bond activation and metal-ligand interactions. These studies contribute to a better understanding of the factors that influence catalytic performance and selectivity. While certain metals are traditionally favored for their efficiency and stability, ongoing research explores more accessible and tunable alternatives.

In addition, statistical, microkinetic and statistical learning studies have been employed to analyze the electronic effect of substrates with different functional groups on reagents. This has allowed predicting reactivity and optimizing combinations without extensive experimentation, accelerating the selection of ideal experimental conditions, maximizing efficiency, and reducing costs.

Overall, the obtained results show that it is possible to advance towards more sustainable catalytic processes through rational catalyst design and computational tools. It has contributed to the understanding of involved reaction mechanisms and can offer practical solutions for novel catalytic processes in line with green chemistry and sustainable development.

[spa] Esta tesis ha abordado el desarrollo de catalizadores sostenibles y eficientes mediante el estudio mecanístico y modelización de procesos catalíticos homogéneos. Se ha centrado en reacciones de acoplamiento cruzado utilizando metales alternativos al paladio, como el cobre y el níquel y, por su menor coste y mayor disponibilidad, alineándose con objetivos de sostenibilidad ambiental.

Se han empleado métodos computacionales para comprender los pasos fundamentales de los ciclos catalíticos, con especial atención a procesos como la activación de enlaces y las interacciones metal-ligando. Estos estudios permiten entender mejor los factores que influyen en la eficiencia y selectividad catalítica. Aunque ciertos metales son tradicionalmente preferidos por su estabilidad y rendimiento, la investigación actual busca alternativas más accesibles y ajustables.

Además, se han empleado estudios estadísticos, microcinéticos y de aprendizaje estadístico para analizar el efecto electrónico de los sustratos con diferentes grupos funcionales en los reactivos. Esto ha permitido predecir la reactividad y optimizar combinaciones sin necesidad de una experimentación extensa acelerando la selección de condiciones experimentales ideales, maximizando la eficiencia y reduciendo los costes.

En conjunto, los resultados obtenidos muestran que es posible avanzar hacia procesos catalíticos más sostenibles mediante el diseño racional de catalizadores y las herramientas computacionales. Ello ha contribuido al entendimiento de los mecanismos de reacción involucrados, y puede ofrecer soluciones prácticas para nuevos procesos catalíticos en línea con la química verde y el desarrollo sostenible.

[cat] Aquesta tesi doctoral aborda el desenvolupament de catalitzadors homogenis sostenibles i eficients mitjançant una estratègia integradora que combina l’estudi mecanístic detallat, la modelització computacional i l’anàlisi avançada de dades. L’objectiu principal ha estat contribuir al disseny racional de sistemes catalítics que ofereixin un alt rendiment químic, siguin econòmicament viables i, al mateix temps, respectin els principis de la sostenibilitat i la química verda. Aquest enfocament integral permet afrontar de manera global els reptes actuals, alineant la innovació científica amb la responsabilitat ambiental i social. El treball se centra especialment en les reaccions d’acoblament creuat, processos fonamentals en la síntesi de compostos orgànics complexos, molt utilitzats en àmbits com la indústria farmacèutica, l’enginyeria de materials i la química de productes naturals. Aquestes reaccions han estat tradicionalment catalitzades per metalls preciosos com el pal·ladi, que tot i ser molt efectius, presenten desavantatges importants: un cost elevat, la seva escassetat natural i un impacte ambiental considerable derivat de la seva extracció i ús. Davant d’aquests reptes, la recerca s’ha orientat cap a l’ús de metalls més abundants i sostenibles, com el coure i el níquel. Aquests ofereixen avantatges clars en termes de disponibilitat, menor cost i reducció de l’impacte ambiental. Així doncs, el desenvolupament de catalitzadors basats en aquests metalls representa una alternativa prometedora als sistemes tradicionals, i pot tenir implicacions molt rellevants en el futur de la síntesi química, especialment en la recerca aplicada i en la indústria química sostenible. Per tal de comprendre en profunditat els mecanismes que regulen aquestes reaccions, s’han aplicat tècniques computacionals avançades, com ara la teoria del funcional de la densitat (DFT). Aquestes eines han permès estudiar a nivell molecular les etapes claus dels cicles catalítics, com ara l’activació d’enllaços, la formació i ruptura d’intermedis reactius, les transicions d’estat i les interaccions entre els metalls i els lligands. Aquesta anàlisi detallada ha estat fonamental per identificar els factors que determinen l’eficiència i la selectivitat dels processos. Complementàriament, s’han incorporat mètodes d’estadística avançada, modelització microcinètica i aprenentatge automàtic per analitzar una gran quantitat de dades experimentals i teòriques. Aquests enfocaments han permès construir models predictius robustos, que ajuden a optimitzar les condicions de reacció i anticipar el comportament dels sistemes catalítics sense necessitat d’experimentació extensiva. Això suposa un estalvi considerable de temps i recursos i permet una recerca més eficient i sostenible. Els resultats obtinguts mostren clarament que la integració entre teoria, simulació i dades pot transformar profundament el desenvolupament de catalitzadors, promovent un canvi de paradigma en la investigació química. Aquest enfocament no només millora l’eficiència del treball científic, sinó que també contribueix a la creació de tecnologies més netes i compatibles amb els reptes ambientals actuals. Aquesta tesi estableix les bases per a futures investigacions que combinin la modelització teòrica amb l’experimentació guiada per dades, obrint noves possibilitats per al disseny de sistemes catalítics innovadors i sostenibles, adaptats a les necessitats de la societat i la indústria. En definitiva, aquest treball suposa un avanç significatiu cap a la química del futur, més conscient i respectuosa amb el medi ambient.