Catalytic transformations enabled by dual nickel-photoredox manifolds

Abstract

La catàlisis metallafotoredox ha canviat dràsticament la perspectiva de la química orgànica sintètica. Així doncs, ha obert nombrosos camins per accedir a transformacions anteriorment difícils, oferint un nou enfocament sintètic més verd per als antics reptes. En aquest context, les reaccions catalitzades per metallafotoredox han tingut un impacte molt profund en la funcionalització d’enllaços C-H, una transformació molt sol·licitada dins d’aquest camp. A aquest efecte, aquesta tesi se centrarà en el desenvolupament de plataformes per a la construcció d’enllaços C-C a partir d’enllaços C(sp3)-H inerts, utilitzant la catàlisi amb metallafotoredox assistida per níquel. La funcionalització d’enllaços C(sp3)-H és una transformació desafiant a causa de l’elevada estabilitat termodinàmica de l’enllaç C-H. A més a més, la naturalesa inherent de l’enllaç C-H pot donar lloc a problemes de selectivitat en una posició en particular. Tot i això, els enllaços C-H poden ser funcionalitzats específicament d’una varietat de llocs potencials explotant els paràmetres termodinàmics i cinètics de la selectivitat de la transferència d’àtoms d’hidrogen (HAT). La combinació de la funcionalització d’enllaços C-H amb la catàlisi amb metalls és una plataforma molt versàtil i se’n fa ús en aquesta tesi.

La catálisis metallafotoredox ha cambiado drásticamente la perspectiva de la Química Orgánica sintética. Ha abierto numerosos caminos para acceder a transformaciones que antes eran difíciles y ofrece nuevos enfoques sintéticos más limpios a antiguos desafíos. La funcionalización Carbono-Hidrógeno es una transformación muy solicitada y es un área en la que la catálisis fotoredox ha tenido un profundo impacto. Por esto, esta tesis se centrará en el desarrollo de plataformas nickel-fotoredox para la construcción de enlaces C-C desde enlaces inertes C(sp3)-H. La funcionalizacción de enlaces C(sp3)-H es una transformación desafiante debido a la elevada estabilidad termodinámica del enlace C-H. Además, la naturaleza ubicua del enlace C-H significa que los problemas de selectividad para un sitio en particular pueden dar problemas. Sin embargo, explotando los parámetros termodinámicos y cinéticos de la selectividad del “Hydrogen Atom Transfer” (HAT) se puede realizar la funcionalización específica de enlaces C-H de una variedad de potenciales sitios. La combinación de la funcionalización C-H con la catálisis con metales es una plataforma muy versátil y se hace uso de esta en esta tesis. Además, se desarrolla un método de hidrodeshalogenación de bromuros de arilo bajo irradiación de luz visible. La reacción hace uso de la alta reactividad de especies en estado excitado para usar THF, un disolvente benigno, como fuente de hidrógeno.

It has opened numerous pathways to access previously difficult transformations, whilst offering a greener synthetic approach to long-standing challenges. Carbon-Hydrogen functionalisation is a highly sought-after transformation and is an area which photoredox catalysis has had a profound impact upon. To this end, this thesis will focus on the development of nickel-photoredox platforms for the construction of C-C bonds from inert C(sp3)-H bonds. The functionalisation of C(sp3)-H bonds is a very challenging transformation due to the high thermodynamic stability of the C-H bond. Additionally, the ubiquitous nature of the C-H bond means that site selectivity issues can occur. However, by exploiting the thermodynamic and kinetic parameters of hydrogen atom transfer (HAT) selectivity can be realized and specific C-H bonds functionalised from an array of potential sites. Combination of C-H functionalisation with metal catalysis is an incredibly versatile platform and is exploited within this thesis. Additionally, a method for the hydrodehalogenation of arylbromides under visible light irradiation is developed. The reaction exploits the highly reactive nature of excited state species to use THF, a benign solvent, as the hydrogen source. The work is then applied to the hydrodehalogenation of polybrominated diphenyl ethers, a class of persistent organic pollutants that have been banned by the Stockholm convention due to their problematic nature.