Transition Metal- Catalyzed Functional Group Transfer: Photoredox CN Transfer from Acetonitrile and Electrochemical O Transfer from Water

Abstract

Aquesta tesi doctoral desenvolupa estratègies catalítiques que permeten l'activació sostenible d'enllaços i la transferència de grups funcionals utilitzant acetonitril i aigua com a matèries primeres segures i abundants. El treball es centra en enllaços inerts C–CN, C–H i C=C en condicions fotoredox i electroquímiques, amb l'objectiu d'establir metodologies suaus i eficients. Es va optimitzar un sistema dual de níquel/fotoredox per a la cianació d'halurs d'aril i triflats utilitzant acetonitril com a substitut de cianur estable al laboratori. Aquesta estratègia es va estendre a la hidrocianació d'alquens, aconseguint la formació selectiva anti-Markovnikov de nitrils lineals amb una àmplia tolerància a grups funcionals. Estudis mecanístics que empraven marcatge amb 13C, voltamperometria cíclica, anàlisi UV-Vis i DFT van confirmar la incorporació de CN derivada de l'acetonitril, intermediaris de Ni(0) i transmetal·lació entre espècies {Ni–CN} i {Ni–Ar}, aclarint el paper de l'AlCl3 en la ruptura de l'enllaç C–CN. A més, es van establir sistemes electrocatalítics i fotocatalítics basats en ferro per a l'epoxidació d'olefines utilitzant aigua com a donant d'oxigen. El sistema electrocatalític [Fe(OTf)2(dMMMCP)] va permetre l'epoxidació alifàtica selectiva, mentre que l'enfocament fotocatalític sensibilitzat amb Ru va afavorir les olefines riques en electrons. Aquesta tesi demostra plataformes catalítiques versàtils per a la cianació, la hidrocianació i l'epoxidació unificades per llum o activació electroquímica. Integrant el cribratge d'alt rendiment amb la perspectiva mecanística, estableix un marc generalitzable per a la transferència sostenible de grups funcionals utilitzant molècules simples.

Esta tesis desarrolla estrategias catalíticas que permiten la activación sostenible de enlaces y la transferencia de grupos funcionales utilizando acetonitrilo y agua como materias primas seguras y abundantes. El trabajo se centra en enlaces inertes C–CN, C–H y C=C en condiciones fotorredox y electroquímicas, con el objetivo de establecer metodologías suaves y eficientes. Se optimizó un sistema dual níquel/fotorredox para la cianación de haluros de arilo y triflatos utilizando acetonitrilo como sustituto de cianuro estable en laboratorio. Esta estrategia se extendió a la hidrocianación de alquenos, logrando la formación selectiva anti-Markovnikov de nitrilos lineales con amplia tolerancia de grupos funcionales. Estudios mecanísticos que emplean marcaje con 13C, voltamperometría cíclica, UV-Vis y análisis DFT confirmaron la incorporación de CN derivados del acetonitrilo, intermediarios de Ni(0) y transmetalación entre especies {Ni–CN} y {Ni–Ar}, aclarando el papel del AlCl3 en la escisión del enlace C–CN. Además, se establecieron sistemas electrocatalíticos y fotocatalíticos basados ​​en hierro para la epoxidación de olefinas utilizando agua como donante de oxígeno. El sistema electrocatalítico [Fe(OTf)2(dMMMCP)] permitió la epoxidación alifática selectiva, mientras que el enfoque fotocatalítico sensibilizado con Ru favoreció las olefinas ricas en electrones. Esta tesis demuestra plataformas catalíticas versátiles para la cianación, la hidrocianación y la epoxidación, unificadas mediante activación lumínica o electroquímica. Al integrar el cribado de alto rendimiento con el conocimiento mecanístico, se establece un marco generalizable para la transferencia sostenible de grupos funcionales utilizando moléculas simples.

This dissertation develops catalytic strategies that enable sustainable bond activation and functional group transfer using acetonitrile and water as safe, abundant feedstocks. The work targets inert C–CN, C–H, and C=C bonds under photoredox and electrochemical conditions, aiming to establish mild and efficient methodologies. A nickel/photoredox dual system was optimized for the cyanation of aryl halides and triflates using acetonitrile as a bench-stable cyanide surrogate. This strategy was extended to the hydrocyanation of alkenes, achieving anti-Markovnikov selective formation of linear nitriles with broad functional group tolerance. Mechanistic studies employing 13C-labeling, cyclic voltammetry, UV–Vis, and DFT analysis confirmed acetonitrile-derived CN incorporation, Ni(0) intermediates, and transmetallation between {Ni–CN} and {Ni–Ar} species, clarifying the role of AlCl3 in C–CN bond cleavage. Additionally, iron-based electro- and photocatalytic systems were established for olefin epoxidation using water as the oxygen donor. The electrocatalytic [Fe(OTf)2(dMMMCP)] system enabled selective aliphatic epoxidation, while the Ru-sensitized photocatalytic approach favored electron-rich olefins. This thesis demonstrates versatile catalytic platforms for cyanation, hydrocyanation, and epoxidation unified by light or electrochemical activation. By integrating high-throughput screening with mechanistic insight, it establishes a generalizable framework for sustainable functional group transfer using simple molecules.