CATCH ME IF YOU CAN: Selective CO2 conversion via chiral CO2 trapping

Karbon er det sentrale grunnstoff i alle organiske molekyler og er dermed viktig i tusenvis av grunnleggende hverdagsmaterialer som legemidler, plastikk, klær, og fargestoffer. I dag kommer store deler av karbonet som brukes i framstillingen av disse materialer fra ikke-fornybare kilder som olje, som samfunnet ikke vil kunne bruke i framtida. Vi må derfor finne alternative kilder til karbon. En interessant og fornybar alternativ kilde er karbondioksid (CO2). CO2 forekommer naturlig i store mengder og er derfor en potensiell karbon kilde i kjemisk syntese, men dette forutsetter at vi utvikler metoder til å omdanne CO2. Spesielt interessant er det å lage carbon-CO2 bindinger med CO2, da C-C bindinger er skjelettet i alle organiske molekyler. Prosjektet CATCHME bruker beregningsbasert og eksperimentell kjemi til å undersøke, forstå og utvikle reaksjoner som kan lage C-CO2 bindinger med CO2. Fokuset er på å designe molekyler som kan fange CO2 og deretter fremme selektiv og effektiv omdannelse av CO2. Våre resultater i prosjektet viser at superbaser kan binde CO2, men ikke aktivere det. Derimot kan Lewissyrer brukes til å påvirke omdannelse av CO2, og vi har studert noen av de mekanistiske detaljer. Prosjektet vil fremover fokusere på Lewissyrer som CO2-aktiverende molekyler.

CO2 is a natural resource that has the potential to be used in chemical synthesis as a carbon donor. This requires the development of CO2 conversion reactions, in particular towards C-CO2 bond formation, because C-C linkages constitute the core of all organic molecules. The project CATCHME will employ computational and experimental methods to investigate C-CO2 bond formation towards formation of chiral carboxylic acids. Three fundamental research questions will be studied: - How does CO2 behave during C-CO2 bond formation? - Can CO2 be trapped and activated towards C-CO2 bond formation? - Can chiral CO2-trapping molecules promote asymmetric carboxylation? C-C bond formation with CO2 typically involves metal-bound carbon nucleophiles. Recent research by us on C-CO2 bond formation indicates that in many reactions of this type, CO2 does not interact with the metal at the C-C bond formation step. CO2 thus experiences no activation from the metal centre. The unbound state of CO2 may be the reason that attempts towards enantioselective CO2 conversion often are unsuccessful, because the free CO2 is little affected by the chiral metal complexes that are employed. CATCHME proposes a novel strategy for enantioselective CO2 conversion, involving trapping of CO2 prior to C-C bond formation. Although many molecules are known that can trap CO2 (e.g. N-heterocyclic carbenes or frustrated Lewis pairs) they are typically employed in CO2 reduction or O-C bond formation, but not in C-C bond forming reactions. A critical aspect of CATCHME will be to identify CO2-adducts that are active in C-C bond formation. Further, if the adducts are chiral, this could provide a novel approach towards enantioselective C-C bond formation with CO2. CATCHME will employ high-level quantum chemistry methods to obtain general insights and identify promising trapping molecules, followed by organic chemistry approaches to test chiral CO2 trapping in enantioselective formation of carboxylic acids.