| License: Publishing license for publications excluding print on demand (35MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-438491
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.43849
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 2 November 2021 |
| Referee: | Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Date of exam: | 7 September 2020 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Keywords: | Organische Chemie, Photochemie, Stickstoffradikale |
| 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: | 43849 |
Abstract (English)
This thesis investigates the diverse reactivities of N-centered radicals, in particular ATRA-reactions with N-centered radicals in presence of copper photocatalysts and HAT reactions utilizing the highly reactive nature of nitrogen radicals. In the first chapter, “nitrogen radicals in ATRA reactions: A holistic picture for three distinct ATRA mechanisms”, the current mechanistic picture for ATRA ...
Abstract (English)
This thesis investigates the diverse reactivities of N-centered radicals, in particular ATRA-reactions with N-centered radicals in presence of copper photocatalysts and HAT reactions utilizing the highly reactive nature of nitrogen radicals.
In the first chapter, “nitrogen radicals in ATRA reactions: A holistic picture for three distinct ATRA mechanisms”, the current mechanistic picture for ATRA reactions is expanded by a third possible mechanism. This third mechanistic pathway, called “inner-shell” mechanism, includes metal-organic intermediates enabled by the fast ligand exchange constant of the utilized copper photocatalyst. Contrasting this, the established radical-chain and photoredox mechanisms do not consider such intermediates for ATRA reactions. It was discovered, that the dominant pathway is strongly dependent on the catalyst, or lack of thereof, used and the electronic properties of the substrate. Hereby, styrene derivatives were the optimal substrate class due to their electronic tunability and comparatively stable benzylic radicals. After screening a selection of electron-rich and electron-poor styrene derivatives with all three possible mechanisms, the variations in electronic dependencies of each mechanism were visualized by plotting the obtained yields against the Hammett substituent constant of the substrate. The presence of this third mechanism was effectively demonstrated by enabling/disabling a 5-exo-trig radical cyclization cascade during halo-aminations with N-Allyl compounds. This reaction was optimized to give access to a powerful and selective protocol towards copper catalyzed halo-aminations of styrenes, eclipsing previous protocols for this reaction. Furthermore, upscaling and in situ formation of N-halo compounds further established the synthetic applicability of this reaction.
In the second chapter, “synthesis of 2H-Pyrrols after remote Csp3 functionalization by iminyl radicals”, a radical cascade reaction, initiated by the generation of highly reactive iminyl radicals, followed by a site-selective Csp3-H functionalization was explored. It was discovered, that metal-based photoredox catalysts were incompatible with the unsaturated azide iminyl radical precursor. However, an organic photoredox catalyst was shown to be effective, successfully coupling -bromo malonate derivatives and unsaturated azides in a radical cascade reaction. Curiously, addition of potassium formiate induced product selectivity, favoring the formation of 2H-pyrrole over another possible ketone product in this radical cascade. A diverse scope of different iminyl radical precursors, as well as various carbon radical precursor were explored, demonstrating the possible scope of this reaction. After successfully upscaling this reaction to a multi-gram scale, the possibility of isolating a single diastereomer of the decarboxylated product and the cyclic -amino acid derived from it was demonstrated through two steps. Insights into the mechanisms are given through quenching experiments and the formation of various side products during this radical cascade reaction is explained.
In the third chapter, “photocatalyzed [2+2] additions of olefins”, the [2+2] additions of cinnamates, chalcones and styrenes by an energy transfer mechanism are explored. This transformation was challenging to achieve due to the high triplet energy state and fast relaxation pathways of these substrates. Despite this, the fluorinated iridium catalyst [Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)]PF6 was able to achieve this transformation in excellent yields and good diastereoselectivities for electron-rich derivatives within three days of irradiation time. Additionally, styrenes with substitutions in any position were tolerated. Moreover, cross-coupling reactions between substrates of opposing electronic properties were favored over the homo-coupling products, giving access to unsymmetrical cyclobutane derivatives. Lastly, the formal synthesis of (±)-Tanegool was demonstrated with a product obtained from this reaction protocol.
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den vielfältigen Reaktionsmechanismen, welche N-zentrierten Radikalen möglich sind. Im Besonderen werden hierbei ATRA-Reaktionen von Stickstoffradikalen mit kupferbasierten Photokatalysatoren und HAT-Reaktionen betrachtet, welche die hochreaktiven Eigenschaften der Stickstoffradikalen nutzen. Im ersten Kapitel, „nitrogen-radicals in ATRA reactions: A holistic ...
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den vielfältigen Reaktionsmechanismen, welche N-zentrierten Radikalen möglich sind. Im Besonderen werden hierbei ATRA-Reaktionen von Stickstoffradikalen mit kupferbasierten Photokatalysatoren und HAT-Reaktionen betrachtet, welche die hochreaktiven Eigenschaften der Stickstoffradikalen nutzen.
Im ersten Kapitel, „nitrogen-radicals in ATRA reactions: A holistic picture for three distinct ATRA-mechanisms”, wurden die bekannten ATRA-Mechanismen um einen dritten Mechanismus erweitert. Dieser Reaktionspfad, welcher hier als „inner-shell“-Mechanismus bezeichnet wird, beinhaltet metallorganische Intermediate, welche durch einen schnellen Ligandenaustausch eines kupferbasierten Photokatalysators ermöglicht werden. Im Gegensatz dazu berücksichtigen die bisher etablierten Radikalketten- und Photoredox-Mechanismen keine Interaktionen dieser Art. Es wurde festegestellt, dass der dominante Reaktionsmechanismus stark vom verwendeten Katalysator und den elektronischen Eigenschaften des verwendeten Substrates abhängt. Hierbei waren Styrolderivate optimale Substrate, da sich ihre elektronischen Eigenschaften gut durch funktionelle Gruppen am aromatischen Kern verändern lassen und sie relativ stabile benzylische radikale als Intermediate bilden. Nach der Evaluation verschiedener elektronenreicher sowie -armer Styrole durch die drei möglichen Mechanismen konnten die verschiedenen elektronischen Abhängigkeiten der einzelnen Mechanismen dadurch verdeutlicht werden, dass die erhaltenen Ausbeuten gegen die Hammettkonstanten der funktionellen Gruppen aufgetragen wurden. Das Auftreten eines dritten „inner-shell“-Mechanismus‘ wurde nachgewiesen, indem eine radikalische 5-exo-trig Cyclisierung mit N-halo-N-allyl-Reagenzien durch die Anwesenheit eines Kupferkatalysators verhindert wurde, während andere Mechanismen nur das cyclisierte Produkt lieferten. Die Reaktionsbedingungen wurden optimiert, um ein selektives und effektives Protokoll für die Haloaminierung von Styrolen zu erhalten. Dieses Protokoll war dabei effektiver als vorheriger für die Haloaminierung von Styrolen. Darüber hinaus konnte durch Hochskalierung der Reaktion und der in-situ Bildung der N-halo-Verbindungen die synthetische Anwendbarkeit der Reaktion demonstriert werden.
Im zweiten Kapitel, „synthesis of 2H-Pyrrols after remote Csp3 functionalization by iminyl radicals“, wurde eine Radikalkaskadenreaktion untersucht, welche die Generierung eines hochreaktiven Iminylradikals beinhaltet, das wiederum eine regioselektive Csp3-H-Funktionalisierung auslöst. Hierbei wurde festgestellt, dass für diese Reaktion Photoredoxkatalysatoren auf Metallbasis nicht kompatibel mit den verwendeten ungesättigten Aziden waren. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass ein organischer Photokatalysator erfolgreich die Kupplung zwischen -Bromomalonat-Derivaten und ungesättigten Aziden in einer Radikalkaskade katalysieren kann. Die Zugabe von Kaliumformiat verursachte hierbei Produktselektivität. Dabei wurde die Bildung von 2H-Pyrrolen über ein anderes mögliches Ketonprodukt bevorzugt. Innerhalb dieser Arbeit wurden dabei diverse Iminylradikalvorläufer wie auch Kohlenstoffradikalvorläufer getestet, um die Grenzen dieser Reaktion aufzuzeigen. Nachdem diese neue Reaktion erfolgreich auf einen multi-gramm-Maßstab skaliert wurde, konnten verschiedene Derivatisierungen des Produktes demonstriert werden. Dabei konnte ein einzelnes Diastereomer des decarboxylierten Produktes sowie ein einzelnes Diastereomer eines cyclischen -Aminoesters in zwei Stufen isoliert werden. Quenchingexperimente und die verschiedenen erhaltenen Nebenprodukte konnten hierbei Einsichten in den Mechanismus dieser Radikalkaskadenreaktion liefern.
Im dritten Kapitel, „photocatalyzed 2+2 additions of olefins“, wurde die [2+2]-Addition von Zimtestern, Styrolen und Chalkonen durch einen Energietransfermechanismus untersucht. Diese Reaktion stellt hohe Ansprüche an die Reaktionsbedingungen, da sich diese Substrate durch eine hohe Triplettenergie und schnelle Relaxationsmechanismen auszeichnen. Nichtsdestotrotz konnte der fluorierte Iridiumkatalysator [Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)]PF6 diese Reaktion innerhalb von 72 Stunden in guten Ausbeuten und im Falle der elektronenreichen Substrate guten Diastereoselektivitäten realisieren. Dabei wurden auch Styrole mit Substitutionen in jeder Position toleriert. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass Substrate mit gegensätzlichen elektronischen Eigenschaften eine Kreuzkupplung gegenüber Homokupplungen bevorzugen. Dies ermöglichte den Zugang zu asymmetrischen Cyclobutanderivaten. Zuletzt konnte die formelle Synthese von (±)-Tanegool aus einem in dieser Arbeit erhaltenen Produkt aufgezeigt werden.
Metadata last modified: 11 Nov 2021 07:21
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