C-C and C-B Bond Forming Strategies Driven by the Photoexcitation of Organocatalytic Intermediates

Abstract

El principal objectiu científic dels meus estudis de doctorat va ser demostrar que la reactivitat en estat excitat dels intermedis organocatalítics són capaços de proporcionar noves oportunitats per desenvolupar noves reaccions catalítiques mitjançant radicals per a la formació d'enllaços C-C i C-B. La fotoexcitació d'intermedis organocatalítics van proporcionar radicals mitjançant transferència d'un sol electró o homòlisis. En el capítol II, analitzo el desenvolupament d'una funcionalització asimètrica organocatalítica fotoquímica de C-H del toluè i derivats. El nostre sistema aprofita les propietats oxidatives millorades dels ions d’imini quirals excitats amb llum visible i el caràcter bàsic dels seus contraanions per activar, a través d'una transferència d'electrons acoblada a protons multilloc, derivats de toluè. El radical resultant és atrapat més tard per l'intermedi organocatalític quiral amb alt estereocontrol. A la segona part dels meus estudis de doctorat, em vaig concentrar en la generació catalítica de compostos fotó làbils basats en tiocarbonil per promoure la formació d'enllaços C-B i C-C. Com es detalla en el capítol III, utilitzem un organocatalitzador nucleofílic d'anió ditiocarbonil per activar electròfils d’alquil a través d'una via SN2. El producte intermedi resultant que absorbeix fotons, després de l'absorció de llum visible, genera radicals a través de l'escissió homolític de l'enllaç C-S feble. El radical generat és llavors interceptat per bis(catecolat)diboro per proporcionar productes d'èster alquilborònic. El capítol IV destaca com aquest enfocament fotolític es va expandir a l'activació dels clorurs d'acil i carbamoil a través d'una via de substitució d'acil nucleofílica. Els radicals acil i carbamoil generats fotoquímicament s'han utilitzat en reaccions de tipus Giese amb olefines pobres en electrons per formar nous enllaços C-C. Una investigació mecanística detallada, basada en anàlisis espectroscòpics i electroquímics juntament amb la caracterització d'intermedis clau, va identificar una varietat d'equilibris fora del cicle que cooperen per controlar les concentracions generals dels radicals, contribuint a l'eficiència del procés.

El principal objetivo científico de mis estudios de doctorado fue demostrar que la reactividad en estado excitado de los intermedios organocatalíticos son capaces de proporcionar nuevas oportunidades para desarrollar nuevas reacciones catalíticas mediante radicales para la formación de enlaces C-C y C-B. La fotoexcitación de intermedios organocatalíticos proporcionaron radicales mediante transferencia de un solo electrón u homólisis. En el Capítulo II, analizo el desarrollo de una funcionalización asimétrica organocatalítica fotoquímica de C-H del tolueno y derivados. Nuestro sistema aprovecha las propiedades oxidativas mejoradas de los iones de iminio quirales excitados con luz visible y el carácter básico de sus contraaniones para activar, a través de una transferencia de electrones acoplada a protones multisitio, derivados de tolueno. El radical resultante es atrapado más tarde por el intermedio organocatalítico quiral con alto estereocontrol. En la segunda parte de mis estudios de doctorado, me concentré en la generación catalítica de compuestos fotolábiles basados en tiocarbonilo para promover la formación de enlaces C-B y C-C. Como se detalla en el Capítulo III, empleamos un organocatalizador nucleofílico de anión ditiocarbonilo para activar electrófilos de alquilo a través de una vía SN2. El producto intermedio resultante que absorbe fotones, tras la absorción de luz visible, genera radicales a través de la escisión homolítica del enlace C-S débil. El radical generado es entonces interceptado por bis(catecolato)diboro para proporcionar productos de éster alquilborónico. El Capítulo IV destaca cómo este enfoque fotolítico se expandió a la activación de los cloruros de acilo y carbamoilo a través de una vía de sustitución de acilo nucleofílica. Los radicales acilo y carbamoilo generados fotoquímicamente se han utilizado en reacciones de tipo Giese con olefinas pobres en electrones para formar nuevos enlaces C-C. Una investigación mecanística detallada, basada en análisis espectroscópicos y electroquímicos junto con la caracterización de intermedios clave, identificó una variedad de equilibrios fuera del ciclo que cooperan para controlar las concentraciones generales de los radicales, contribuyendo a la eficiencia del proceso.

The main scientific objective of my doctoral studies was to demonstrate that the excited-state reactivity of organocatalytic intermediates could provide new opportunities to develop novel catalytic radical C-C and C-B forming reactions. The photoexcitation of organocatalytic intermediates afforded radicals through either single-electron transfer or homolysis. In Chapter II, I discuss the development of an asymmetric organocatalytic photochemical C-H functionalization of toluene and derivatives. Our system harnesses the enhanced oxidative properties of visible-light excited chiral iminium ions and the basic character of their counteranions to activate, through a multisite proton coupled electron transfer, toluene derivatives. The ensuing radical is later trapped by the chiral organocatalytic intermediate with high stereocontrol. In the second part of my doctoral studies, I focused on the catalytic generation of photolabile thiocarbonyl-based compounds to promote the formation of C-B and C-C bonds. As detailed in Chapter III, we employed a nucleophilic dithiocarbonyl anion organocatalyst to activate alkyl electrophiles through an SN2 pathway. The ensuing photon-absorbing intermediate, upon visible light absorption, generates radicals through homolytic cleavage of the weak C-S bond. The generated radical is then intercepted by bis(catecholato)diboron to afford alkyl boronic ester products. Chapter IV highlights how this photolytic approach was expanded to the activation of acyl and carbamoyl chlorides through a nucleophilic acyl substitution pathway. The photochemically generated acyl and carbamoyl radicals have been used in Giese-type reactions with electron-poor olefins to form new C-C bonds. A detailed mechanistic investigation, based on spectroscopic and electrochemical analyses along with the characterization of key intermediates, identified a variety of off-the-cycle equilibriums that cooperate to control the overall concentrations of the radicals, contributing to the efficiency of the process.