Development of Visible Light Photoredox Methodologies towards the Activation of Carbon-Halogen Bonds

Abstract

Metodologies fotocatalítiques sota irradiació de llum visible han estat desenvolupades amb diversos substrats disponibles al mercat com ara els àcids carboxílics, trifluoroboratos alquílics de potassi, silicats alquílics d'amoni o èsters activats entre d'altres. Sota irradiació de llum, aquests precursors s'activen mitjançant processos de transferència d'un sol electró amb catalitzadors fotoexcitables (PC). Entre ells, els halurs orgànics són socis d'acoblament convenients en la fotocatàlisi, ja que experimenten una escissió de l'enllaç C-halogen catalitzada per diversos PC en presència d'un donador d'electrons. Els clorurs de llogo no activats, que són fàcilment disponibles i matèries primeres estables, exhibeixen una inèrcia química inherent, en part, per les seves negatius potencials de reducció. Això va impedir el seu ús generalitzat com a precursors radicals en la fotocatàlisi de llum visible. En aquesta dissertació doctoral explorem l'ús d'un sistema catalític dual basat en metalls de la primera sèrie de transició (Cu, Co, Ni) per a l'activació d'aquests enllaços inerts C-Halogen. El disseny de l'catalitzador ha estat clau per desenvolupar una metodologia suau i general per a la reacció de desalogenación i la ciclació reductora intramolecular d'halurs d'alquil no activats amb alquens o alquins units. L'escissió de fortes enllaços Csp3-X està intervinguda per un intermedi de cobalt o níquel en baix estat d'oxidació altament nucleòfil generat per reducció fotocatalítica de llum visible que empra un fotosensibilitzador de coure.

Metodologías fotocatalíticas bajo irradiación de luz visible han sido desarrolladas con varios sustratos disponibles en el mercado como por ejemplo los ácidos carboxílicos, trifluoroboratos alquílicos de potasio, silicatos alquílicos de amonio o ésteres activados entre otros. Bajo irradiación de luz, estos precursores se activan mediante procesos de transferencia de un solo electrón con catalizadores fotoexcitables (PC). Entre ellos, los haluros orgánicos son socios de acoplamiento convenientes en la fotocatálisis, ya que experimentan una escisión del enlace C-halógeno catalizada por varios PC en presencia de un dador de electrones. Los cloruros de alquilo no activados, que son fácilmente disponibles y materias primas estables, exhiben una inercia química inherente, en parte, debido a sus negativos potenciales de reducción. Esto impidió su uso generalizado como precursores radicales en la fotocatálisis de luz visible. En esta disertación doctoral exploramos el uso de un sistema catalítico dual basado en metales de la primera serie de transición (Cu, Co, Ni) para la activación de estos enlaces inertes C-Halógeno. El diseño del catalizador ha sido clave para desarrollar una metodología suave y general para la reacción de deshalogenación y la ciclación reductora intramolecular de haluros de alquilo no activados con alquenos o alquinos unidos. La escisión de fuertes enlaces Csp3-X está mediada por un intermedio de cobalto o níquel en bajo estado de oxidación altamente nucleófilo generado por reducción fotocatalítica de luz visible que emplea un fotosensibilizador de cobre.

Visible light photoredox Catalysis have been accomplished with several readily available bench-stable chemicals such as carboxylic acids, potassium alkyltrifluoroborates, ammonium alkyl silicates or redox-active esters among others. Under light irradiation, these precursors get activated by single-electron transfer processes with photoexcitable catalysts (PCs). Among them, organic halides are convenient coupling partners in photocatalysis since they undergo reductive C-halogen bond cleavage catalysed by several PCs in the presence of a sacrificial electron-donor. Non-activated alkyl chlorides, which are readily available and bench-stable feedstocks, exhibit an inherent chemical inertness, in part, due to their large negative reduction potentials. This precluded their widespread use as radical precursors in visible-light photocatalysis. In this doctoral dissertation we explored the use of a dual catalyst system based on first-row transition metals (Cu, Co, Ni) for the activation of these inert Carbon-Halogen bonds. Catalyst design has been key for developing a mild and general photoredox methodology for the dehydrodehalogenation reaction and the intramolecular reductive cyclization of non-activated alkyl halides with tethered alkenes or alkynes. The cleavage of strong Csp3-X bonds is mediated by a highly nucleophilic low-valent cobalt or nickel intermediate generated by visible-light photoredox reduction employing a copper photosensitizer