| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand (20MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-414047
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.41404
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 7 Januar 2021 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Burkhard König |
| Tag der Prüfung: | 17 Dezember 2019 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Stichwörter / Keywords: | Photocatalysis, Visible light, Carbanion, Grignard reaction, Barbier reaction |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 41404 |
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis presents different methods for the photocatalytic transfer of two electrons, enabling the generation of twofold reduced carbon–carbon cross coupling products that would classically be generated by the formation of highly reactive and often metal-based carbanionic intermediates. Reactions involving carbanions, e.g. the Grignard- or the Barbier reaction, have been known for more than ...
Zusammenfassung (Englisch)
This thesis presents different methods for the photocatalytic transfer of two electrons, enabling the generation of twofold reduced carbon–carbon cross coupling products that would classically be generated by the formation of highly reactive and often metal-based carbanionic intermediates. Reactions involving carbanions, e.g. the Grignard- or the Barbier reaction, have been known for more than 100 years and are frequently used in conventional organic synthesis. In contrast, photocatalytic reactions are typically based on the generation of radical intermediates by single electron transfer processes and so far, no photocatalyst that is capable of donating two electrons in one step is known. This work presents three different approaches to mimic carbanionic reactivity using photocatalytic systems.
Chapter 1 gives an overview of recent concepts for the photocatalytic generation of carbanions and their synthetic use.
In chapter 2, a combination of classic organometallic chemistry with photocatalysis was attempted by coupling the visible light induced generation of zerovalent zinc from a zinc(II) salt to the formation and subsequent reaction of an organozinc species. Ultimately, this was supposed to enable the catalytic use of Zn(II) salts for various reactions by constantly regenerating the reactive zerovalent zinc in a photocatalytic reaction. The literature reported system for the reduction of Zn2+ was improved significantly and a method for a photocatalytic two-step/one-pot Barbier reaction was developed. However, due to the incompatibility of the photocatalytic system with the reaction conditions required for organometallic reactions, it was so far not possible to establish the a dual catalytic one-step cross-coupling reaction.
The Barbier reaction is one of the oldest carbon–carbon bond-forming reactions in synthetic organic chemistry. It is based on the insertion of a zerovalent metal into a carbon–halide bond, generating a nucleophilic carbon center which is capable of reacting with various electrophiles, such as aldehydes and ketones. Chapter 3 presents a photocatalytic version of this reaction that uses typical substrates for Barbier reactions to generate the same substrates but requires neither the use of metals, nor the formation of carbanionic intermediates. Instead both substrates – an aromatic aldehyde or ketone and an allyl- or benzyl bromide – are reduced once by the photocatalyst via a single electron transfer. The generated radical intermediates are capable of recombining in a radical-radical cross-coupling reaction, representing an overall two-electron transfer and forming homoallylic and -benzylic alcohols as products.
A redox-neutral approach for the photocatalytic generation of carbanions is introduced in chapter 4. Benzylic carboxylic acids are deprotonated and subsequently oxidized by a photocatalyst, leading to the elimination of CO2 and the formation of a benzylic radical. Due to the rather high stability of this radical intermediate, it can be reduced in the same photocatalytic cycle, leading to the regeneration of the photocatalyst and the formation of a benzylic carbanion which readily reacts with aliphatic aldehydes forming secondary alcohols which are analog to typical products of the well-known Grignard reaction. However, the use of less reactive electrophiles such as ketones was not possible in synthetically useful yields, due to the competing defunctionalization of the carboxylic acids by protonation of the carbanion intermediate.
Based on the same mechanism, the reaction presented in chapter 5 uses a combination of photo- and hydrogen atom transfer catalysis to generate carbanions from the corresponding C–H bonds. After photocatalytic oxidation, the thiol-based HAT-catalyst is capable of abstracting a hydrogen atom from the benzylic position of the substrate, generating a radical intermediate. Analogously to chapter 4, this radical is now reduced to the corresponding benzylic carbanion which can undergo reactions with electrophiles. Notably, in addition to aldehydes, this system also enables the use of ketones as electrophiles, as a protonation of the carbanion intermediate does not lead to a termination of the reaction but rather to the regeneration of the starting material.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung photokatalytischer Methoden zur Übertragung von zwei Elektronen. Dadurch sollte die Darstellung von zweifach reduzierten Kohlenstoff-Kohlenstoff Kreuzkupplungsprodukten ermöglicht werden. In klassischer organischer Synthese werden diese oft mit Hilfe von hochreaktiven und meist Metall-basierten carbanionischen Intermediaten hergestellt. Reaktionen von ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung photokatalytischer Methoden zur Übertragung von zwei Elektronen. Dadurch sollte die Darstellung von zweifach reduzierten Kohlenstoff-Kohlenstoff Kreuzkupplungsprodukten ermöglicht werden. In klassischer organischer Synthese werden diese oft mit Hilfe von hochreaktiven und meist Metall-basierten carbanionischen Intermediaten hergestellt. Reaktionen von Carbanionen, wie zum Beispiel die Grignard- oder die Barbier Reaktion, sind bereits seit über 100 Jahren ein fester Bestandteil der synthetischen organischen Chemie. Im Gegensatz dazu basieren photokatalytische Reaktionen typischerweise auf der Bildung von radikalischen Zwischenstufen, die durch die Übertragung einzelner Elektronen erzeugt werden. Bisher ist kein Photokatalysator bekannt, der zwei Elektronen in einem Schritt abgeben kann. Diese Arbeit stellt drei verschiedene Ansätze vor, um mit photokatalytischen Systemen carbanionische Reaktivitäten zu erreichen.
Kapitel 1 gibt einen Überblick über aktuelle Konzepte zur photokatalytischen Erzeugung von Carbanionen und deren synthetische Anwendung.
In Kapitel 2 sollte Photokatalyse mit klassischer Organometallchemie kombiniert werden. Hierfür wurde die photokatalytische Reduktion von Zink(II) Salzen zu metallischem Zink genutzt. Aus dem gebildeten Zn(0) sollte in situ eine reaktive Organozink Spezies erzeugt, und für diverse Reaktionen genutzt werden. Die konstante photokatalytische Regeneration von reaktivem nullwertigem Zink sollte letztlich die katalytische Verwendung von Zn(II) Salzen für Reaktionen ermöglichen, die üblicherweise mit stöchiometrischen Mengen von Zinkpulver durchgeführt werden. Das literaturbekannte System für die Photoreduktion von Zn2+ wurde deutlich verbessert und eine photokatalytische Barbier Reaktion in zwei Schritten wurde entwickelt. Die gewünschte einstufige Reaktion mit katalytischen Mengen an Zink konnte bisher jedoch nicht entwickelt werden, da sich herausstellte, dass das photokatalytische System nicht mit den für die organometallischen Reaktionen benötigten Bedingungen kompatibel war.
Die Barbier Reaktion ist eine der ältesten Reaktionen zur Bildung von Kohlenstoff–Kohlenstoff Bindungen in der synthetischen organischen Chemie. Sie basiert auf der Insertion eines nullwertigen Metalls in eine Kohlenstoff–Halogen Bindung, wodurch ein nukleophiles Kohlenstoffzentrum gebildet wird, welches mit verschiedenen Elektrophilen, wie zum Beispiel Aldehyden oder Ketonen reagieren kann. Kapitel 3 stellt eine photokatalytische Version dieser Reaktion vor, in der typische Startmaterialien von Barbier Reaktionen verwendet werden um dieselben Produkte zu erzeugen. Dabei werden jedoch weder Metalle benötigt, noch findet die Bildung einer carbanionischen Zwischenstufe statt. Stattdessen werden beide Substrate – ein aromatischer Aldehyd bzw. ein aromatisches Keton und ein Ally- oder Benzyl Bromid – vom Photokatalysator durch eine Einelektronen Übertragung reduziert. Die dadurch gebildeten radikalischen Intermediate können nun in einer Radikal-Radikal Kreuzkupplung zu homoallylischen oder -benzylischen Alkoholen rekombinieren. In der Gesamtreaktion entspricht dies, analog zur klassischen Barbier Reaktion, der Übertragung von zwei Elektronen.
Ein redox-neutraler Ansatz für die photokatalytische Bildung von Carbanionen wird in Kapitel 4 vorgestellt. Benzylische Carbonsäuren werden deprotoniert und anschließend vom Photokatalysator oxidiert, wodurch CO2 abgespalten und ein benzylisches Radikal gebildet wird. Aufgrund der relativ hohen Stabilität dieser radikalischen Zwischenstufe ist es möglich, diese innerhalb desselben photokatalytischen Zyklus zu reduzieren. Dadurch wird der Grundzustand des Photokatalysators wiederhergestellt und ein benzylisches Carbanion gebildet. Dieses kann nun an aliphatische Aldehyde addieren, wodurch sekundäre Alkohole erhalten werden welche analog zu den typischen Produkten der weit verbreiteten Grignard Reaktion sind. Die Verwendung von weniger reaktiven Elektrophilen wie Ketonen war jedoch nicht in synthetisch brauchbaren Ausbeuten möglich, da hier die konkurrierende Defunktionalisierung der Carbonsäure durch die Protonierung der carbanionischen Zwischenstufe überwiegt.
Basierend auf diesem Mechanismus wird bei der Reaktion in Kapitel 5 eine Kombination aus Photo- und Wasserstoffatomtransfer Katalyse verwendet, um aus benzylischen C–H Bindungen direkt die entsprechenden Carbanionen zu erzeugen. Ein Thiol-basierter Wasserstoffatomtransfer Katalysator kann, nachdem er vom Photokatalysator oxidiert wurde, ein Wasserstoffatom von der benzylischen Position des Substrats abstrahieren und somit eine radikalische Zwischenstufe bilden. Analog zu Kapitel 4 wird dieses Radikal nun zum entsprechenden benzylischen Carbanion reduziert, welches wiederum mit Elektrophilen reagieren kann. Beachtenswert an diesem System ist, dass hier zusätzlich zu Aldehyden auch Ketone geeignete Reaktionspartner darstellen, da die Protonierung der carbanionischen Zwischenstufe hier nicht zum vorzeitigen Beenden der Reaktion, sondern lediglich zur Regeneration des Startmaterials führt.
Metadaten zuletzt geändert: 07 Jan 2021 07:04
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