Harnessing Visible Light for the Development of Novel Synthetic Strategies

Abstract

L'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament de noves estratègies sintètiques que aprofitin la irradiació amb llum visible. La catàlisi fotoredox en combinació amb catalitzadors orgànics i metàl·lics, així com la fotoquímica dels complexos pi-aniò, seran els principals conceptes emprats per explorar noves vies de reacció. Després d’una introducció general, es recullen tres projectes de recerca en aquesta tesi. El primer projecte de recerca, inclòs al capítol II, mostra el desenvolupament d’una metodologia per a l’acoblament asimètric deshidrogenatiu creuat d’aldehids i xantens. La característica clau d’aquest enfocament es troba en el procés de dos passos emprat per oxidar els xantens als carbocations corresponents, que seran atrapats per una enamina formada in situ. La suavitat i selectivitat que permet la catàlisi fotoredox permet assolir alts nivells d’estereocontrol, bons rendiments i una àmplia tolerància de grup funcionals. El segon projecte, que es mostra al capítol III, il·lustra una nova estratègia fotoredox per a la síntesi d’una àmplia gamma d’amines i èters al·lílics a partir d’àcids i alquins carboxílics. Aquesta aproximació es basa en l’activació d’alquins terminals mitjançant la fotoexcitació d’intermedis d’acetilur de coure formats in situ. Aquest procés té lloc mitjançant catàlisi cooperativa de coure i fotoredox orgànica i es pot dur a terme de manera estereodivergent. La metodologia desenvolupada s’ha aplicat a l’acoblament estereoselectiu de radicals alquils primaris, secundaris i terciaris amb alquins terminals (hetero)aromàtics. Finalment, les interaccions anió-pi s’han identificat com el pas habilitant per a l’amidació de sistemes aromàtics promoguda per llum. Les proves disponibles indiquen que es produeix un complex anió entre un carbonat i una ariloxi amida pobra en electrons, permetent l'absorció de llum visible. Després de la irradiació, es produeix una transferència espontània d’electrons intracomplex, que condueix finalment a la generació de radicals amidil. Aquests radicals han estat atrapats eficientment per (hetero)arens rics en electrons o de manera intramolecular, proporcionant els corresponents productes amidats.

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de nuevas estrategias sintéticas que aprovechen la irradiación con luz visible. La catálisis fotoredox en combinación con catalizadores órganicos y metálicos, así como la fotoquímica de complejos pi-anión, serán los conceptos principales que permitirán explorar nuevas vías de reacción. Tras una introducción general, en esta tesis se recogen tres proyectos de investigación. El primer proyecto de investigación, incluido en el Capítulo II, muestra el desarrollo de una metodología para el acoplamiento cruzado deshidrogenativo asimétrico de aldehídos y xantenos. La característica clave de esta aproximación se encuentra en el proceso de dos pasos empleado para oxidar los xantenos a sus correspondientes carbocationes, posteriormente atrapados por una enamina formada in situ. La suavidad y selectividad que permite la catálisis fotoredox permite alcanzar altos niveles de estereocontrol, buenos rendimientos y una amplia tolerancia de grupos funcionales. El segundo proyecto, que se muestra en el Capítulo III, ilustra una nueva estrategia fotoredox para la síntesis de una amplia gama de aminas alílicas y éteres a partir de ácidos carboxílicos y alquinos. Este enfoque se basa en la activación de alquinos terminales a través de la fotoexcitación de intermedios de acetiluro de cobre formados transitoriamente. Este proceso se lleva a cabo mediante catálisis cooperativa de cobre y un catalizador orgánico fotoredox y se puede realizar de manera estereodivergente. La metodología desarrollada se ha aplicado al acoplamiento estereoselectivo de radicales alquilo primarios, secundarios y terciarios con alquinos terminales (hetero)aromáticos. Finalmente, las interacciones anión-pi se han identificado como el paso habilitador en la amidación de sistemas aromáticos promovida por la luz. La evidencia disponible indica que se produce un complejo anión-pi entre el carbonato y una ariloxi amida pobre en electrones, lo que facilita la absorción de la luz visible. Tras la irradiación, tiene lugar una transferencia de electrones intracomplejo espontánea, que conduce finalmente a la generación de radicales amidilo. Estos radicales han sido atrapados eficazmente por (hetero)arenos ricos en electrones o de forma intramolecular, proporcionando los correspondientes productos amidados.

The main goal of this thesis is the development of new synthetic strategies harnessing visible light irradiation. Cooperative organo- and metal photoredox catalysis, as well as anion-pi complexes photochemistry, will be the main concepts exploited to explore new reaction pathways. After a general introduction, three research projects are collected in this thesis. The first research project, included in Chapter II, shows the development of a methodology for the asymmetric cross-dehydrogenative coupling of aldehydes and xanthenes. The key feature of this approach stands in the two-step process employed to oxidize xanthenes to their corresponding carbocations, subsequently trapped by an in situ formed enamine. The mildness and selectivity enabled by photoredox catalysis allows to reach high levels of stereocontrol, good yields and wide functional group tolerance. The second project, shown in Chapter III, illustrates a novel photoredox strategy for the synthesis of a wide range of allylic amines and ethers from carboxylic acids and alkynes. This approach relies on the activation of terminal alkynes through the photoexcitation of transiently formed copper acetylide intermediates. This process takes place through cooperative copper and organic photoredox catalysis and can be carried out in stereodivergent manner. The developed methodology has been applied to the stereoselective coupling of primary, secondary and tertiary alkyl radicals with (hetero)aromatic terminal alkynes. Finally, anion–pi interactions have been identified as the enabling step in the light-promoted amidation of aromatic systems. The available evidence indicates that an anion pi-complex between carbonate and an electron-poor aryloxy amide is elicited, facilitating the absorption of visible light. Upon irradiation, a spontaneous intracomplex electron transfer takes place, leading ultimately to the generation of amidyl radicals. These radicals have been efficiently trapped by electron-rich (hetero)arenes or in an intramolecular fashion, affording the corresponding amidated products.