Combining Iminium Ion-Mediated Catalysis and Photochemistry to Develop Enantioselective Radical Processes

Abstract

L'objectiu principal dels meus estudis doctorals ha estat demostrar el potencial que posseeix l’organocatàlisi per crear molècules quirals amb alta estereoselectivitat a través de la reactivitat de radicals generats fotoquímicament. Aquests radicals han estat generats mitjançant dos mètodes diferents: 1) l’excitació directa d’intermedis organocatalítics que poden actuar mitjançant mecanismes de transferència d’un sol electró, i ii) utilitzant un fotocatalitzador extern. En el capítol III, explico la implementació de les cascades fotoquímiques asimètriques radicalàries. El nostre sistema s’aprofita del gran potencial que ofereix l’excitació amb llum visible d’ions imini quirals per activar alquens i formar radicals reactius que desencadenen cascades esterocontrolades. Després d’establir que l’estat excitat dels ions imini quirals pot oxidar alquens, ens vam preguntar si una estratègia similar podria utilitzar-se per activar espècies menys explorades com els al·lens. El capítol IV detalla el desenvolupament de processos organocatalítics enantioselectius que involucren a cations radicals d’al·lens. Per últim, el capítol V relata els nostres esforços per tal d’establir un procediment general per l’addició conjugada enantionselectiva de radicals a aldehids α,β-insaturats. Vam concebre que utilitzant un fotocatalitzador extern com agent oxidant, per generar els radicals, podríem interceptar aquests últims amb un ió imini quiral en el seu estat electrònic fonamental.

El objetivo principal de mis estudios doctorales ha sido demonstrar el potencial que posee la organocatálisis para crear moléculas quirales con alta estereoselectividad a través de la reactividad de radicales generados fotoquímicamente. Dichos radicales han sido generados a través de dos métodos diferentes: i) la excitación directa de intermedios organocatalíticos que pueden actuar mediante mecanismos de transferencia de un solo electrón, y ii) usando un fotocatalizador externo. En el capitulo III, explico la implementación de cascadas fotoquímicas asimétricas radicalarias. Nuestro sistema aprovecha el gran potencial que ofrece la excitación con luz visible de iones iminio quirales para activar alquenos y formar radicales reactivos que desencadenan cascadas estereocontroladas. Después de establecer que el estado excitado de iones iminio quirales puede oxidar alquenos, nos preguntamos si una estrategia similar podría emplearse para activar especies menos exploradas como los alenos. El capítulo IV detalla el desarrollo de procesos organocatalíticos enantioselectivos que involucran a cationes radicales de alenos. Por último, el capítulo V explica nuestros esfuerzos para establecer un procedimiento general para la adición conjugada enantioselectiva de radicales a aldehídos simples α,β-insaturados. Concebimos que empleando un fotocatalizador externo como agente oxidante para generar los radicales, podríamos interceptar estos últimos con un ion iminio quiral en su estado electrónico fundamental.

The main scientific objective of my doctoral studies was to demonstrate the potential of organocatalysis to make chiral molecules with high stereoselectivity using the reactivity of photochemically generated radicals. These open-shell intermediates were generated by two different approaches: i) upon direct excitation of organocatalytic intermediates while exploiting the ensuing single-electron-transfer mechanisms, or ii) by using an external photoredox catalyst. Radical were then intercepted by chiral organocatalytic intermediates with high stereocontrol. As detailed in Chapter III, I first developed an asymmetric photochemical radical cascade process. Our system harnesses the oxidative potential of visible-light excited chiral iminium ions to activate alkenes, which are generally recalcitrant to thermal activation strategies, and form reactive radicals that trigger a stereocontrolled cascade. After establishing that excited-state chiral iminium ions could successfully oxidize unactivated alkenes, we wondered if a similar strategy could be expanded to the underexplored activation of allenes. Chapter IV details the successful development of a visible-light-driven enantioselective organocatalytic process involving difficult-to-control allene radical cations Chapter V details our efforts to establish a general procedure for the enantioselective radical conjugate addition to simple α,β-unsaturated aldehydes. We envisioned that employing an external photocatalyst as an oxidant to generate a radical, we could intercept the radical with an electrophilic ground-state chiral iminium ion.