The Role of Copper in Homogeneous Catalysis: Single Electron Transfer and Beyond

Abstract

Una major comprensió de les reacciones orgàniques catalitzades per Cu és altament desitjable, especialment en els casos on s’involucren passos de transferència d’un electró. En aquesta tesis, realitzem càlculs DFT dels mecanismes de quatre reacciones representatives on el coure actua com a catalitzador o co-catalitzador de la reacció. -Estudi del mecanisme d’un procés d’acoblament C-C a través d’un tancament d’anell borilatiu catalitzat per Cu. El paper de diferents factors com la naturalesa dels substituents del reactiu orgànic, el grup sortint i el contra ió de la base, son aclarits. -Descobrim una nova varietat general en el paper dels processos de transferència d’electró única en la reacció de cianotriflorometilació intermolecular enantioselectiva d’estirè utilitzant el catalitzador quiral bis(oxazoline)/Cu(I). L’origen de la enantioselectivitat també s’estudia a partir de les interacciones no covalents (NCI), l’anàlisi de la descomposició d’energia i l’anàlisi de la descomposició de les carregues. - Un mecanisme alternatiu, diferent al proposat experimentalment, s’ha caracteritzat per la α,β-deshidrogenació aeròbica de amides γ,δ-insaturades i àcids catalitzada per iridi, en presència de Cu(OAc)2•H2O i O2 com oxidant. Els reactius AgBF4 i [Cu(OAc)2•H2O]2 juguen un rol molt important en la reacció: el complex de plata activa el catalitzador de Ir(III) abstraient un lligand Cl i el complex de Cu coopera en l’activació de l’enllaç C-H i facilita la recuperació del complex inicial de Ir. -Aclarim el mecanisme per la síntesis oxidativa de 1H-indazol a través de l’amidació de C-H i la formació d’enllaços N-N en presència d’un sistema de dos catalitzadors: Rh(III)/Cu(II). El pas clau és l’eliminació reductora de l’enllaç N-N en el centre Cu(III). Les interacciones entre ambdós metalls connectats pel lligand acetat i la coordinació del substrat al centre de Rh(III) juguen un paper molt important en l’estat de transició d’aquest pas.

Una mayor comprensión de las reacciones orgánicas catalizadas por Cu es altamente deseable, especialmente en los casos donde se involucran pasos de transferencia de un solo electrón. En esta tesis, llevamos a cabo cálculos DFT de los mecanismos de cuatro reacciones representativas donde el cobre actúa como catalizador o co-catalizador de la reacción. -Estudio del mecanismo de un proceso de acoplamiento C-C mediante cierre de anillo borilativo catalizado por Cu. El papel de diferentes factores, como la naturaleza de los sustituyentes del reactivo orgánico, el grupo saliente y el contra ion de la base, son aclarados. -Descubrimos una nueva variedad general en el papel de los procesos de transferencia única de electrón en la cianotriflorometilacion intermolecular enantioselectiva de estireno utilizando el catalizador quiral bis(oxazoline)/Cu(I). El origen de la enantioselectividad también se racionaliza a partir de las interacciones no covalentes (NCI), el análisis de descomposición de energía y el análisis de descomposición de carga. -Un mecanismo alternativo, diferente al propuesto experimentalmente, se ha caracterizado para la α,β-dehidrogenación aeróbica de amidas γ,δ-insaturadas y ácidos catalizada por iridio, en presencia de Cu(OAc)2•H2O y O2 como oxidante. Los reactivos AgBF4 y [Cu(OAc)2•H2O]2 juegan un rol muy importante en la reacción: el complejo de plata active el catalizador de Ir(III) abstrayendo el ligando Cl y el complejo de cobre coopera en la activación del enlace C-H y facilita la recuperación del complejo inicial de Ir. -Aclaramos el mecanismo de la síntesis oxidativa de 1H-indazol a través de la amidación C-H y la formación de enlaces N-N en presencia de un sistema de catalizador Rh (III) / Cu (II). El paso clave es la eliminación reductora de enlaces N-N del centro de Cu (III). Las interacciones entre el Cu y Rh conectados por el ligando acetato y la coordinación del sustrato con el centro Rh (III) juegan un papel importante en el estado de transición para este paso.

A better mechanistic understanding of Cu-catalyzed organic synthesis is highly desirable, especially in cases involving single electron transfer (SET). In this thesis, we carry out DFT calculations on the mechanism of four different representative Cu-catalyzed or co-catalyzed organic reactions. -The mechanism of a C-C coupling process via Cu-catalyzed borylative ring closing is studied. The role of different factors, such as the nature of the organic reactant R, the leaving group X, and the counter cation C in the base, are elucidated. -We uncovers a new general manifold of the role of single electron transfer process in the enantioselective intermolecular cyanotrifluoromethylation of styrenes using chiral bis(oxazoline)/Cu(I) catalyst. The origin of enatioselectivity is also rationalized from the non-covalent interactions (NCI), the energy decomposition analysis, and the charge decomposition analysis. -An alternative mechanism, different from that proposed from experiment, has been characterized for the iridium-catalyzed aerobic α,β-dehydrogenation of γ,δ-unsaturated amides and acids under the presence of Cu(OAc)2•H2O with O2 as oxidant. The AgBF4 and [Cu(OAc)2•H2O]2 units are shown to play an important role; the silver complex activates the initial Ir(III) catalyst by Cl abstraction and the copper complex cooperates in the C-H activations and facilitates the catalyst recovery by Ir(I) oxidation. -We clarify the mechanism of the oxidative synthesis of 1H-indazole through C-H amidation and N-N bond formation in the presence of a Rh(III)/Cu(II)-cocatalyst system. The key step is the N-N bond reductive elimination from the Cu(III) center. The interactions between the Cu and Rh connected by the acetate ligand and the coordination of the substrate to the Rh(III) center play an important role in the transition state for this step.