New Organic Catalysts for the Photochemical Generation of Radicals

Abstract

Químics utilitzen la reactivitat de radicals lliures en síntesi orgànica, química de materials i bioquímica. Tradicionalment, la generació de radicals exigeix d’estratègies que exploten l’energia de dissociació dels enllaços o les propietats redox dels precursors. El principal objectiu d’aquesta tesis doctoral ha sigut l’estudi i desenvolupament d’una nova estratègia fotoquímica per a la generació de radicals que aprofitin les propietats electròfiles dels substrats en lloc de les seves propietats redox. Fem servir un catalitzador nucleòfil basat en un anió de ditiocarbamat, adornat amb una unitat cromòfora, per activar alcans electròfils via SN2. L’intermedi resultant és fotoactiu i genera radicals mitjançant una ruptura homolítica de l’enllaç quan aquest és irradiat amb llum visible. Aquesta estratègia basada en un mecanisme SN2 es va poder expandir per accedir a radicals de tipus acil i carbamoil a partir dels corresponents clorurs. També descrivim com les condicions suaus i la gran tolerància del mètode a la presència de grups funcionals va permetre desenvolupar reaccions per a formar enllaços C-C. En la segona part d’aquesta tesi doctoral, vam aconseguim implementar l’ús del catalitzador de tipus ditiocarbamat com un donant catalític en un "electron-donor acceptor (EDA) complex".

Químicos utilizan ampliamente la reactividad de radicales libres en síntesis orgánica, química de materiales y bioquímica. Tradicionalmente, la generación de radicales exige de estrategias que explotan la energía de disociación de los enlaces o las propiedades redox de los precursores. El principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido el estudio y desarrollo de una nueva estrategia fotoquímica para la generación de radicales que aproveche las propiedades electrófilas de los sustratos en lugar de sus propiedades redox. Usamos un catalizador nucleófilo basado en un anión de ditiocarbamato, adornado con una unidad cromófora, para activar alcanos electrófilos vía SN2. El intermedio resultante es fotoactivo y genera radicales mediante una rotura homolítica del enlace cuando es irradiado con luz visible. Esta estrategia basada en un mecanismo SN2 se pudo expandir para acceder a radicales de tipo acilo y carbamoílo desde los correspondientes cloruros. También describimos como las condiciones suaves y la gran tolerancia del método a la presencia de grupos funcionales permitió desarrollar reacciones para formar enlaces C-C. En la segunda parte de esta tesis doctoral, conseguimos implementar el uso del catalizador de tipo ditiocarbamato como un donante catalítico en un "electron-donor acceptor (EDA) complex".

Chemists extensively use free radical reactivity for applications in organic synthesis, materials science, and life science. Traditionally, the generation of radicals requires strategies that exploit either bond dissociation energy or the redox properties of the precursors. The main objective of this doctoral thesis was to study and develop new strategies for the photochemical generation of radicals that exploit the electrophilicity of the substrates rather than their redox properties. We used a nucleophilic dithiocarbamate anion catalyst, adorned with a well-tailored chromophoric unit, to activate alkyl electrophiles via an SN2 pathway. The resulting photon-absorbing intermediate affords radicals upon homolytic cleavage induced by visible light. This catalytic SN2-based strategy was further expanded for the generation of acyl and carbamoyl radicals from the corresponding chlorides. We also describe how the method’s mild reaction conditions and high functional group tolerance could be advantageous for developing C–C bond-forming reactions. In the second part of the thesis, we implemented the use of dithiocarbamate as a catalytic donor for the formation of photoactive electron donor-acceptor (EDA) complexes with a variety of radical precursors. Excitation with visible light granted access to open-shell intermediates under mild conditions, including non-stabilized carbon radicals and nitrogen-centered radicals. The modular nature of the organocatalyst offered a versatile EDA complex catalytic platform for developing mechanistically distinct radical reactions