Reaction Mechanisms on the Way from CHF3 to ArCF3. The Nature of the Ortho-Effect and Electronic Properties of the CF3 Group

Abstract

Els compostos que incorporen un grup –CF3, especialment en anells aromàtics, són compostos àmpliament demandats com building blocks a la indústria agroquímica, farmacèutica i de materials. Mentre que s’ha fet un progrés considerable amb les trifluorometilacions aromàtiques catalitzades per coure, sorprenentment hi ha poca recerca de cara a entendre els mecanismes d’aquesta reacció. En aquesta Tesi es desenvolupen per primer cop, de manera combinada, estudis experimentals i computacionals que tenen per objectiu específic l’elucidació del mecanisme de trifluorometilació d’haloarens. El CuCF3 utilitzat a l’estudi va ser preparat d’acord a la reacció de cupració directa de fluoroform, recentment descoberta pel nostre grup. Per aquesta important transformació sense precedents, vam dur a terme estudis detallats del seu mecanisme, descrit en el Capítol 1. Es va concloure que el contraió K+ té un rol crucial a la formació de l’enllaç Cu-CF3. L’addició d’un lligand amb gran afinitat pel K+ resulta en una inhibició significant del procés de cupració. El Capítol 2 descriu una àmplia investigació sobre el mecanisme de trifluorometilació d’halurs d’aril, que revela un mecanisme no-radicalari, implicant una addició oxidativa Ar-Hal al centre Cu(I), essent l’etapa determinant de la velocitat de reacció. El Capítol 3 tracta sobre l’efecte accelerador del substituent en orto a les reaccions d’acoblament catalitzades per Cu, efecte ja conegut des de fa temps però no explicat. Amb contribucions menors a nivell electrònic, aquest efecte ve determinat per la coordinació estabilitzant del substituent en orto al Cu durant l’estat de transició i per la càrrega estèrica, que augmenten l’estat energètic de l’haloarè. El Capítol 4 descriu els estudis teòrics sobre les propietats electròniques del grup -CF3 a la química orgànica i organometàl•lica. Evidentment, aquest tema és molt important per entendre els mecanismes de reacció i pel desenvolupament de la investigació de reaccions de trifluorometilació catalitzades per metalls.

Los compuestos que incorporan un grupo –CF3, especialmente en anillos aromáticos, son compuestos con gran demanda como building blocks para la industria agroquímica, farmacéutica y de materiales. Mientras que se ha progresado considerablemente con las trifluorometilaciones aromáticas catalizadas por cobre, sorprendentemente hay poca investigación referente a entender los mecanismos de esta reacción. En esta Tesis se desarrollan por primera vez, de manera combinada, estudios experimentales y computacionales que tienen por objetivo la determinación del mecanismo de trifluorometilación de hallaremos. El CuCF3 utilizado fue preparado de acuerdo a la reacción de cupración directa de fluoroformo, recientemente descubierta por nuestro grupo. Debido a esta importante transformación sin precedentes, se hicieron estudios de su mecanismo, descritos en el Capítulo 1. Se concluyó que el catión K+ tiene un rol crucial para la formación del enlace Cu-CF3. La adición de un ligando con gran afinidad por el K+ resultó en una inhibición significativa del proceso de cupración. El Capítulo 2 describe una amplia investigación sobre el mecanismo de trifluorometilación de haluros de arilo, que revela un mecanismo no-radicalario, implicando una adición oxidativa Ar-Hal al centro Cu(I), siendo la etapa determinante de la velocidad de reacción. El Capítulo 3 trata sobre el efecto acelerador del sustituyente en orto en las reacciones de acoplamiento mediadas por Cu, efecto ya conocido pero inexplicado. Con contribuciones menores a nivel electrónico, este efecto viene determinado por la coordinación estabilizante del sustituyente en orto al Cu durante el estado de transición y por la carga estérica, que aumentan el estado energético del haloareno. El Capítulo 4 describe los estudios teóricos sobre las propiedades electrónicas del grupo –CF3 en química orgánica y organometálica. Evidentemente, este tema es muy importante para entender los mecanismos de reacción y para el desarrollo de la investigación de reacciones de trifluorometilación mediadas por metales.

Organic compounds bearing a CF3 substituent, especially on an aromatic ring are in exceedingly high demand as building blocks for the needs of the agrochemical, pharmaceutical, and materials industries. While considerable progress has been made in the area of Cu-mediated aromatic trifluoromethylation, surprisingly little has been done in order to understand its mechanism. In this Thesis, we report the first combined experimental and computational studies aimed specifically at the elucidation of the mechanism of trifluoromethylation of haloarenes. The CuCF3 reagent used in our work was prepared by the new reaction of direct cupration of fluoroform, recently discovered by our group. As this remarkable transformation is unprecedented itself, we performed detailed studies of its mechanism as described in Chapter 1. It was found that the potassium counterion plays a crucial role in the Cu-CF3 bond formation. Addition of a ligand with high affinity to K+ results in significant inhibition of the cupration process. Chapter 2 reports a broad mechanistic investigation of trifluoromethylation of aryl halides which revealed a nonradical mechanism involving Ar-Hal oxidative addition to the Cu(I) center as the rate determining step. Chapter 3 deals with a long-known yet poorly understood accelerating effect of the ortho-substituent in Cu-promoted coupling reactions. With minor contributions from electronic factors, this effect is largely determined by the stabilizing coordination of the ortho-substituent to Cu in the transition state and the steric bulk that raises the energy of the haloarene. Chapter 4 describes our theoretical studies of the unusual electronic properties of the CF3 group in organic and organometallic chemistry. Evidently, this subject matter is highly relevant to understanding the reaction mechanisms and further development in the area of metal-mediated trifluoromethylation reactions.