Understanding Nickel Catalysis at the Molecular Level: Insights into C-O Functionalization and Electron Transfer Events

Abstract

Les preocupacions globals al voltant de la fabricació sostenible de productes farmacèutics, materials i productes químics bàsics han portat els químics a perseguir transformacions més suaus i catalitzadores amb una millora de l'economia atòmica i escalonada. La meva tesi s'ha centrat en abordar aquest repte i ha contribuït a la comprensió i desenvolupament de múltiples metodologies sintètiques sota la supervisió de Ruben Martin a l'Institut Català d'Investigació Química (ICIQ), amb 7 articles d'alt impacte a Nature Catalysis, JACS, ACIE, i ACS Catalysis. Aquesta tesi ofereix un estudi mecanicista de les reaccions de funcionalització de l'enllaç CO catalitzats per níquel de derivats del fenol en les quals es descobreixen vies de descomposició generals, encara no informades anteriorment, en reaccions catalitzades per níquel que condueixen a una reducció de l'eficiència de la reacció i de l'abast del substrat. Es van realitzar estudis posteriors per dilucidar la reactivitat dels catalitzadors de níquel lligats amb polipiridina que han tingut un gran èxit en la síntesi orgànica i han reinventat molts enfocaments sintètics clàssics per formar molècules. S'estudia l'efecte de reductors forts com el magnesi en les reaccions d'acoblament reductor que utilitzen lligands de bipiridina actius redox i s'aïlla un complex de magnesi de bipiridina altament reduït juntament amb, segons sabem, el primer electrid estabilitzat amb magnesi reportat. Altres estudis sobre la transferència d'electrons han adquirit una nova comprensió de les reaccions que es produeixen en la majoria de reaccions catalitzades per níquel i són els responsables de governar el compromís del catalitzador cap a espècies en cicle o fora de cicle. En conclusió, hem identificat nova reactivitat organometàl·lica fonamental i intermedis organometàl·lics clau que són rellevants per al desenvolupament de metodologies sintètiques i per a futures investigacions mecàniques.

Las preocupaciones globales en torno a la fabricación sostenible de productos farmacéuticos, materiales y productos químicos básicos han llevado a los químicos a buscar transformaciones catalíticas más suaves con economías atómicas y escalonadas mejoradas. Mi tesis se ha centrado en abordar este reto y ha contribuido a la comprensión y desarrollo de múltiples metodologías sintéticas bajo la supervisión de Ruben Martin en el Institut Català d'Investigació Química (ICIQ), con 7 artículos de alto impacto en Nature Catalysis, JACS, ACIE, y ACS Catálisis. Esta tesis proporciona un estudio mecánico de reacciones de funcionalización de enlaces C-O catalizadas por níquel de derivados de fenol en las que se descubren vías de descomposición generales no reportadas previamente en reacciones catalizadas por níquel que conducen a una reducción en la eficiencia de la reacción y el alcance del sustrato. Se realizaron más estudios destinados a dilucidar la reactividad de los catalizadores de níquel ligados con polipiridina que han tenido un gran éxito en la síntesis orgánica y han reinventado muchos enfoques sintéticos clásicos para formar moléculas. Se estudia el efecto de los reductores fuertes como el magnesio en las reacciones de acoplamiento reductor que emplean ligandos de bipiridina activos redox y se aísla un complejo de bipiridina y magnesio altamente reducido junto con, hasta donde sabemos, el primer electrido estabilizado con magnesio informado. Otros estudios sobre la transferencia de electrones han obtenido una nueva comprensión de las reacciones que ocurren en la mayoría de las reacciones catalizadas por níquel y son responsables de gobernar el compromiso del catalizador con las especies dentro o fuera del ciclo. En conclusión, hemos identificado nueva reactividad organometálica fundamental e intermedios organometálicos clave que son relevantes para el desarrollo de metodologías sintéticas y para futuras investigaciones mecanísticas.

Global concerns surrounding the sustainable manufacturing of pharmaceuticals, materials, and commodity chemicals have led chemists to pursue milder, catalytic transformations with improved atom- and step-economy. My thesis has focused on tackling this challenge and contributed to the understanding and development of multiple synthetic methodologies under the supervision of Ruben Martin at the Institut Català d'Investigació Química (ICIQ), with 7 high impact articles in Nature Catalysis, JACS, ACIE, and ACS Catalysis. This thesis provides a mechanistic study of nickel-catalyzed C-O bond functionalization reactions of phenol derivatives in which previously unreported, yet general decomposition pathways in nickel-catalyzed reactions are discovered which lead to a reduction in the reaction efficiency and substrate scope. Further studies aimed to elucidate the reactivity of polypyridine ligated nickel catalysts which have has found tremendous success in organic synthesis and has reinvented many classical synthetic approaches to form molecules were performed. The effect of strong reductants such as magnesium on reductive coupling reactions employing redox active bipyridine ligands is studied and a highly reduced bipyridine magnesium complex is isolated along with, to our knowledge the first magnesium stabilized electride reported. Other studied into electron transfer have gained new understanding of reactions that occur in the majority of nickel-catalyzed reactions and are responsible for governing catalyst commitment towards on-cycle or off-cycle species. In conclusion, we have identified new fundamental organometallic reactivity and key organometallic intermediates that are relevant for the development of synthetic methodologies and for future mechanistic investigations.