Uncovering the Mechanistic Scenarios of Nucleophilic Couplings in Cp*Co Systems

Abstract

El desenvolupament de metodologies sintètiques eficients per a la construcció de molècules complexes ha estat una àrea destacada d'investigació en les últimes dècades. L'activació selectiva dels enllaços C–H, promoguda per metalls de transició amb l'ajuda d'un grup director, ha aconseguit avenços significatius en aquest sentit, inicialment basant-se en metalls de transició nobles. No obstant això, l'aparició de metalls de primera fila més econòmics, com ara el cobalt, ha proporcionat una alternativa atractiva i més sostenible. En particular, els complexos Cp*Co(III) han demostrat un notable potencial, especialment en l'utilització d'electròfils com a reactiu d'acoblament, mentre que les metodologies que involucren nucleòfils són escasses. Aquesta tesi contribueix a la comprensió de la participació dels complexos basats en Cp*Co en acoblaments nucleofílics rellevants per a la formació d'enllaços C–C i C–X. Específicament, hem explorat: i) les complexitats mecanístiques subjacents a la formació d'enllaços C–SCF3; ii) el mecanisme d'acció dels oxidants F+ que condueixen a la formació d'enllaços C–I; iii) l'acoblament nucleofílic amb una diversa família de complexos Cp*Co(III) ben establerts i aïllables. Mitjançant la combinació d'aproximacions experimentals i computacionals, aquesta tesi proporciona coneixements fonamentals sobre el comportament d'aquests complexos, incloent-hi la participació sense precedents d'espècies de cobalt en alts estats d'oxidació en els esdeveniments d'eliminació reductiva de C–X específics.

El desarrollo de metodologías sintéticas eficientes para la construcción de moléculas complejas ha sido un área destacada de investigación en las últimas décadas. La activación selectiva de enlaces C–H, promovida por metales de transición, con la ayuda de un grupo director han logrado avances significativos en este sentido, inicialmente basándose en metales de transición nobles. Sin embargo, la aparición de metales de primera fila más económicos, como el cobalto, ha proporcionado una alternativa atractiva y más sostenible. En particular, los complejos Cp*Co(III) han demostrado un notable potencial, especialmente en la utilización de electrófilos como reactivo de acoplamiento, mientras que las metodologías que involucran nucleófilos son escasas. Esta tesis contribuye al entendimiento de la participación de los complejos basados en Cp*Co en acoplamientos nucleofílicos relevantes para la formación de enlaces C–C y C–X. Específicamente, hemos explorado: i) las complejidades mecanísticas subyacentes a la formación de enlaces C–SCF3; ii) el mecanismo de acción de los oxidantes F+ que conducen a la formación de enlaces C–I; iii) el acoplamiento nucleofílico con una diversa familia de complejos Cp*Co(III) bien establecidos y aislables. Mediante la combinación de enfoques experimentales y computacionales, esta tesis proporciona conocimientos fundamentales sobre el comportamiento de estos complejos, incluyendo la participación sin precedentes de especies de cobalto en altos estados de oxidación en los eventos de eliminación reductiva de C–X específicos.

The development of efficient synthetic methodologies for the construction of complex molecules has been a prominent area of research in recent decades. Ligand-directed transition metal-catalyzed C-H functionalization reactions have made significant strides in this regard, initially relying on noble transition metals. However, the emergence of more cost-effective first-row metals, such as cobalt, has provided an attractive and more sustainable alternative. Notably, Cp*Co(III) complexes have demonstrated their remarkable potential especially involving electrophiles as coupling partners, while methodologies involving nucleophiles remain scarce. This thesis advances the understanding of the participation of Cp*Co-based complexes in relevant nucleophilic couplings to form C–C and C–X bond-forming reactions. Specifically, we have explored: i) the mechanistic intricacies underlying C–SCF3 bond formation; ii) the mechanism of action of F+ oxidants leading to C–I bond formation; iii) nucleophilic coupling with a diverse family of well-established and isolable CpCo(III) complexes. By employing a combination of experimental and computational approaches, this thesis provides fundamental insights into the behavior of these complexes, including the unprecedented involvement of high-valent cobalt species in the targeted C-X reductive elimination events. The acquired knowledge not only enhances our understanding of the studied processes but also contributes to the broader field of knowledge-driven research in Chemistry.