Chelation-assisted metal-catalyzed functionalization of strong Csp2-H/Heteroatom bonds: trapping intermediate species and unveiling mechanistic details

Abstract

The development of new methodologies for the construction of complex molecules is one of the principal objectives in synthetic organic chemistry. Although huge advances have been made on cross-coupling reactions, there is continuous research on direct C-H functionalization of non-prefunctionalized substrates or more challenging substrates bearing strong C-F or C-OR groups. The first part of this PhD dissertation describes the advances reported in the literature in cobalt cross-coupling catalysis demonstrating the capability of cobalt to catalyze these transformations. Then, C–H amination reactions using a high valent cobalt system and azides are studied in order to elucidate the involvement of a Co-nitrene intermediate species. To do so, the reactivity of well-defined aryl–Co(III) organometallic complex towards inorganic and organic azides is tested. On the other hand, this thesis deals with the use of non-cyclic model platforms bearing direct groups to study Ni-catalyzed C–F and C–OMe functionalization. The synthesis of isoquinolones and aromatic homologation products using alkynes as coupling partner is explored. Thanks to coordination properties of 8-aminoquinoline bidentate directing group, a key double alkyne inserted intermediate species is isolated. Finally, the ability of 8-aminoquinoline directing group was also explored in the study of Ag-catalyzed aryl-halide cross-coupling transformations using several nucleophiles, where the two-electron redox Ag(I)/Ag(III) reactivity is operating

El desenvolupament de noves metodologies per la construcció de compostos complexes és un dels principals objectius de la química orgànica sintètica. Tot i que importants avenços s’han fet en aquest àmbit, hi ha una investigació contínua utilitzant substrats no prefuncionalitzats o més desafiants que presenten grups C–F o C–OR. En la primera part d’aquesta tesi doctoral, es descriu el progrés fet en el camp de reaccions d’acoblament creuat catalitzades per cobalt, demostrant la capacitat del cobalt per catalitzar aquestes transformacions. Posteriorment, aquesta tesi es focalitza en esbrinar el mecanisme que opera en els processos d’aminació a través de l’activació d’enllaços C–H emprant espècies de cobalt en alt estat d’oxidació. Per tal elucidar el mecanisme, s’estudia la reactivitat d’espècies organometàl·liques de aril–Co(III) amb azides inorgàniques i orgàniques. Per altra banda, s’explora la funcionalització selectiva d’enllaços C–F i C–OMe catalitzada per níquel utilitzant plataformes no cícliques que contenen grups directors. S’estudia la síntesi de isoquinolones i productes d’homologació aromàtica utilitzant alquins. Les propietats coordinatives de la 8-aminoquinolina permeten l’estabilització d’espècies claus per la síntesi de productes d’homologació aromàtics. Finalment, s’explora l’habilitat de la 8-aminoquinolina com a grup director per tal d’estudiar reaccions d’acoblament creuat catalitzades per salts de plata utilitzant diferents nucleòfils, on s’evidencia la implicació de cicles redox Ag(I)/Ag(III)