Visible Light Mediated Oxidative Halogenation Reactions and Reductive Liberation of Fluorophosgene

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-400823
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.40082

Petzold, Daniel

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License: Creative Commons Attribution 4.0
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Date of publication of this fulltext: 08 May 2020 08:54

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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. Burkhard König
Date of exam:	29 March 2019
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König
Keywords:	Organic Chemistry, Photocatalysis, Method Development
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:	40082

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Abstract (English)

Abstract (English)

This thesis presents photochemical and photocatalytic oxidative halogenations of arenes and aryl cyclopropanes as well as the reductive generation of fluorophosgene. The common aspect of the different projects is the presence of halides which are an often-encountered functional group in organic molecules (Chapter 1). Therefore, both innovative ways for the introduction of halides into organic molecules (Chapter 2-3) as well as new methods for their use as leaving group (Chapter 4) were investigated.

Chapter 1 gives a summary of visible light mediated halogenation strategies involving fluorinations, chlorinations, brominations and iodinations of aliphatic and aromatic molecules.

Aryl bromides are a versatile class of organic reagents and although many traditional, thermal methods for their preparation have been developed, Chapter 2 describes a visible light mediated procedure for this important transformation. The regio-selective bromination of electron rich arenes and heteroarenes can be realized with commercially available sodium-2-anthraquinone sulfate (SAS) as a “green” photocatalyst. SAS was characterized by determination of its excited state oxidation potential by
UV-VIS spectroscopy and cyclovoltammetry. Further mechanistic investigations and control reactions suggest the direct single electron oxidation of the arene to the corresponding aryl radical cation intermediate as the catalytic key-step.

Chapter 3 deals with the photochemical oxochlorination of aryl cyclopropanes to from β chloro ketones. These versatile building blocks can act as precursors for several follow-up reactions especially the synthesis of heterocycles and could potentially serve as starting materials for bioconjugation e.g. to from antibody drug conjugates. To achieve this transformation, only common lab chemicals (HCl, HNO3 and O2) as well as 395 nm light are necessary. The reaction mechanism was elucidated by 18O labelling experiments, cyclovoltammetry, UV-VIS spectroscopy and several control reactions suggesting a chlorine radical based chain reaction as operative pathway.

In Chapter 4 the photocatalytic generation of fluorophosgene is presented. This hazardous and highly toxic reagent can be liberated safely from a commercially available and bench stable aryl trifluoromethoxyether via single electron reduction and subsequent fragmentation. The fluorophosgene can react in situ with diol, diamines and 2-aminoalcohols to give the corresponding carbonates, urea derivatives and carbamates. A key part of the project was the investigation of the reaction mechanism by in-depth NMR studies as well as transient spectroscopy, cyclovoltammetry and control reactions leading to a complex, but well supported mechanistic proposal.

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit werden photochemische und photokatalytische oxidative Halogenierungen von Arenen und Arylcyclopropanen, sowie die reduktive Erzeugung von Fluorphosgen vorgestellt. Die Gemeinsamkeit der Projekte ist das Strukturmotiv der Halogene, die eine wichtige funktionelle Gruppe in der organischen Synthese darstellen (Kapitel 1). Sowohl das Einführen von Halogenen in organische Moleküle (Kapitel 2-3), als auch ihre Nutzung als Abgangsgruppe (Kapitel 4) wurde intensiv erforscht.

Kapitel 1 gibt einen Überblick über verschiedene durch sichtbares Licht vermittelte Halogenierungsstrategien und beinhaltet sowohl die neusten Forschungsergebnisse über photokatalytische Fluorierungen als auch Chlorierungen, Bromierungen und Iodierungen.

Arylbromide sind eine vielseitige Klasse organischer Reagenzien und obwohl viele thermische Verfahren zu ihrer Herstellung entwickelt wurden, beschreibt Kapitel 2 ein durch sichtbares Licht vermitteltes neues Verfahren für diese wichtige synthetische Umwandlung. Die regioselektive Bromierung elektronenreicher Aromaten und Heteroaromaten kann mit handelsüblichem
Natrium-2-Anthrachinonsulfat (SAS) als "grünem" Photokatalysator realisiert werden. SAS wurde durch Bestimmung seines Oxidationspotentials im angeregten Zustand, durch UV-VIS-Spektroskopie und Cyclovoltammetrie charakterisiert. Weitere mechanistische Untersuchungen und Kontrollreaktionen legen die direkte Einelektronenoxidation des Aromaten zu dem entsprechenden Arylradikalkationen-Intermediat als katalytischen Schlüsselschritt nahe.

Kapitel 3 befasst sich mit der photochemischen Oxochlorierung von Arylcyclopropanen zu
β-Chlorketonen. Diese vielseitigen Bausteine können als Vorläufer für mehrere Folgereaktionen, insbesondere für die Synthese von Heterocyclen, dienen und könnten möglicherweise als Ausgangsmaterialien für die Konjugation von Wirkstoffen an Biomoleküle verwendet werden (Antikörper-Wirkstoff-Konjugate). Um diese synthetische Umwandlung zu erreichen, sind nur gewöhnliche Laborchemikalien (HCl, HNO3 und O2) sowie Licht mit einer Wellenlänge von 395 nm erforderlich. Der Reaktionsmechanismus wurde durch 18O-Markierungsexperimente, Cyclovoltammetrie, UV-VIS-Spektroskopie und verschiedene Kontrollreaktionen aufgeklärt und läuft wahrscheinlich über eine Chlorradikal-Kettenreaktion ab.

In Kapitel 4 wird die photokatalytische Erzeugung von Fluorphosgen vorgestellt. Dieses gefährliche und hochtoxische Reagens kann aus einem stabilen, im Handel erhältlichen Trifluormethoxybenzol-Derivat durch Einelektronenreduktion mit anschließender Fragmentierung freigesetzt werden. Das Fluorphosgen kann in situ mit Diolen, Diaminen und 2-Aminoalkoholen zu den entsprechenden Carbonaten, Harnstoffderivaten und Carbamaten reagieren. Ein wesentlicher Teil des Projekts war die Untersuchung des Reaktionsmechanismus durch umfassende NMR-Studien sowie transiente Spektroskopie, Cyclovoltammetrie und Kontrollreaktionen, die zu einem komplexen, aber experimentell gut belegten, mechanistischen Vorschlag führten.

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