Visible light mediated activation of vinyl halides

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-384178
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.38417

Föll, Thomas

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Date of publication of this fulltext: 08 May 2020 08:38

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	8 May 2020
Referee:	Prof. Dr. Oliver Reiser
Date of exam:	27 February 2019
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Oliver Reiser
Keywords:	sichtbares Licht, Photochemie, Katalyse, Vinylhalogenide
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	38417

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Abstract (English)

Abstract (English)

This thesis starts with a brief introduction to vinyl radicals in organic chemistry. Beginning with early examples such as the combination of SnBu3H and AIBN in the 1980s, it later focuses on the generation of such intermediates through more benign visible light. After a short introduction to photoredox catalysis, it summarizes major contributions in this field from 2010 until the very recent date.
The main part of this thesis deals with the activation of vinyl bromides and chlorides via visible light photoredox catalysis. The initial situation is based on previous investigations on α-bromo chalcones. Although these substrates readily undergo single electron reduction, this principle of activation could barely be transferred to less extended π-systems such as α-bromo cinnamates. The chapter “Preliminary studies with vinyl bromides” illustrates that the inert reactivity of α-bromo cinnamates is predominantly based on the more negative reduction potential. Several efforts to overcome this previously observed limitation are described. Unfortunately, all of these attempts were found to be unproductive and gave only mediocre results at best.
The two subsequent chapters cover research results with vinyl chlorides as radical precursors. The chapter “Visible light mediated activation of α-chloro cinnamates” starts with a brief comparison of both vinyl halides and reveals that the chloro derivative surprisingly outcompetes the vinyl bromide in the visible light mediated coupling with enol acetates.
The investigation of the reaction and its conditions demonstrates that α-chloro cinnamates
represent excellent radical precursors and these substrates can be readily coupled with enol acetates in high yields. Subsequent studies regarding the substrate scope reveal the limitations of the described reaction. This coupling proves to be suitable for photochemical up-scaling and the corresponding products can be readily converted to biologically active γ-butyrolactones. These substrates are first accessed as racemates in a Luche reduction and
subsequently enantioenriched in a CBS reduction.
This chapter later focuses on solving this current halogen paradox. Numerous control experiments and theoretical calculations reveal that the major difference between both
substrates does not rely on the initial bond fragmentation but is rather based on efficient catalyst deactivation in the case of the vinyl bromide. It provides evidence that, in direct comparison to the chloride, the vinyl bromide is consumed faster but nevertheless gives rise to lower yields due to poor conversion of the starting material. In the end, acetyl bromide which is formed as stoichiometric by-product in the described reaction is convicted as gradual but
efficient catalyst poison for the photocatalyst.

Translation of the abstract (German)

Diese Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung in die Chemie der Vinylradikale. Der Fokus wird hierbei nach anfänglichen Beispielen mit SnBu3H und AIBN auf die Erzeugung derartiger Intermediate mit Hilfe von sichtbarem Licht gelegt. Nach einer kurzen Einführung in die Photoredoxkatalyse wird ein Großteil der chemischen Umwandlungen auf diesem Gebiet zusammengefasst.
Der Hauptteil dieser Arbeit umfasst die Aktivierung von Vinylbromiden und -chloriden mit sichtbarem Licht. Dabei dienen jeweils vorangehende Studien mit α-Bromochalkonen als Ausgangspunkt. Obwohl diese Substrate leicht Einzelelektronenreduktionen eingehen, konnte dieses Aktivierungsprinzip bislang kaum auf weniger ausgeprägte π-Systeme wie α-Bromozimtsäureester übertragen werden. Das Kapitel „Preliminary studies with vinyl bromides“ verdeutlicht, dass das reaktionsträgere Verhalten der α-Bromozimtsäureester maßgeblich dem erheblich negativeren Reduktionspotential zu Grunde liegt. Im Folgenden wird in unterschiedlichen Anläufen versucht, diese Hürde zu überwinden. Jedoch haben sich diese als eher unproduktiv und nicht zielführend erwiesen, da entsprechende Kopplungsprodukte nur in niedrigen Ausbeuten erhalten werden konnten. Die zwei nachfolgenden Kapitel beschreiben die Forschungsergebnisse mit Vinylchloriden als Radikalvorstufen. Das Kapitel „Visible light mediated activation of α-chloro cinnamates“ beginnt mit einem knappen Vergleich beider Halogenide und verdeutlicht, dass das Chlorderivat überraschenderweise eine höhere Aktivität bei der Kopplung mit Enolacetaten aufweist. Die Untersuchung der Reaktion und ihrer Bedingungen zeigt, dass α-Chlorozimtsäureester hervorragende Vinylradikalvorstufen darstellen und diese effizient mit Enolacetaten gekoppelt werden können. Im Folgenden wird die Substratbreite dieser neuen Aktivierungsmethode erkundet und deren Grenzen aufgezeigt. Im Anschluss wird die Umwandlung derartiger Produktbausteine in biologisch aktive γ-Butyrolactone beschrieben. Diese werden zunächst mit Hilfe einer Luche Reduktion in racemischer und später durch eine CBS Reduktion auch in enantiomerenangereicherten Form isoliert. Zum Schluss widmet sich das Kapitel verstärkt dem Enträtseln des gegenwärtigen Halogenparadoxons. Zahlreiche Kontrollexperimente und begleitende theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass die unterschiedliche Aktivität beider Substrate weniger auf die ursprüngliche Bindungsspaltung beruht, sondern vielmehr einer effizienten Katalysatordeaktivierung durch das im Falle des Vinylbromids gebildeten Acetylbromids zu Grunde liegt. Es wird bewiesen, dass im direkten Vergleich das Bromderivat zwar schneller abreagiert, aber dennoch geringere Ausbeuten aufgrund des schlechteren Umsatzes liefert. Somit wird letztlich aufgezeigt, dass Acetylbromid ein schleichendes Katalysatorgift für den Photokatalysator darstellt.

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