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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-555923
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.55592
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 27 February 2024 |
| Referee: | Prof. Dr. Burkhard König and Prof. Dr. Oliver Reiser and Prof. Dr. Frank-Michael Matysik |
| Date of exam: | 27 March 2023 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Burkhard König |
| Keywords: | Photochemistry, homolysis, iodine, bismuth, synthesis |
| 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: | 55592 |
Abstract (English)
Visible light-induced homolysis of different complexes offers a mild approach for the generation of reactive radical intermediates which can be utilized in organic synthesis. The use of photolabile complexes represents a complementing alternative to reaction systems relying on excitation of a photocatalyst. In the thesis, we investigated the applications of light-driven homolysis of hypervalent ...
Abstract (English)
Visible light-induced homolysis of different complexes offers a mild approach for the generation of reactive radical intermediates which can be utilized in organic synthesis. The use of photolabile complexes represents a complementing alternative to reaction systems relying on excitation of a photocatalyst. In the thesis, we investigated the applications of light-driven homolysis of hypervalent iodine(III) and bismuth complexes in different reactions.
Chapter 1 summarizes various synthetic transformations based on direct excitation of hypervalent iodine(III) reagents. The diverse reactivity of five different structural classes of hypervalent iodine compounds is presented.
Chapter 2 describes the development of a metal-free system for decarboxylative Ritter-type amination based on iodine(I/III) catalytic manifold. The developed system gives access to carbenium ion intermediates also on electronically disfavoured benzylic positions. The unusually high reactivity of the system stems from a complexation of iodine(III) intermediates with Lewis acid BF3. These complexes have enhanced oxidation abilities, improved light absorption and higher solubility in the reaction solvent acetonitrile. In the mechanistic study which involved control experiments from potential reaction intermediates and reaction kinetics, two competing operating mechanistic pathways were identified. The faster productive pathway proceeds via direct excitation of iodine(III) - BF3 complexes, and the slower one via excitation of hypoiodite (RCOOI) species. The synthetic utility of the decarboxylative Ritter-type amination protocol has been demonstrated by the functionalization of benzylic as well as aliphatic carboxylic acids, including late-stage modification of different pharmaceutical molecules.
In chapter 3, the application of previously found photolabile iodine(III) - BF3 complexes was extended to functionalization of abundant C(sp3)–H bonds. This was enabled by the use of carboxylate ligands which do not undergo fast decarboxylation, but instead serve as hydrogen abstracting catalysts. A screening of different ligands and iodoarenes was done to optimize the performance of the in situ formed iodine(III) - BF3 complex in a Ritter-type amination of benzylic positions. The developed practically simple method complements existing methods for carbenium ions generation by allowing functionalization of certain more challenging substrates (e.g., substrates with primary benzylic positions), which is however negligible under reaction conditions.
Chapter 4 explores the possibility of expanding the concept of ligand-to-metal charge transfer (LMCT) photocatalysis to complexes of less frequently used metals. A screening assay identifying LMCT activity was developed and used to systematically evaluate reactivity of different metal salts under multiple reaction conditions. The assay helped us to discover LMCT activity of simple bismuth salts. These were used for generation of two different electrophilic radicals (chlorine and carboxyl) in net-oxidative as well as redox-neutral photochemical reactions. Mechanistic studies based on cyclovoltammetry and UV-vis spectroscopy revealed that the highly reactive bismuth(II) radical fragment is prone to undergo disproportionation. This represents a competing reaction pathway leading to the catalyst inactivation.
In Chapter 5, a development of visible-light-mediated oxidative iodination of electron-rich arenes is described. The topic of the last chapter is not closely related to the general topic of the thesis since the project was designed before the PhD. The method was developed based on the observation of a spectral window in otherwise strongly colored iodine solutions. The window appears when iodine is dissolved in non- or weakly electron-donating solvents at around 400 nm. The excitation of a highly oxidative anthraquinone catalyst in this region allowed photochemical iodination of different electron-rich arenes. Mechanistic investigations by intermediate-trapping and competition experiments indicate a photocatalytic arene-oxidation and the subsequent reaction with iodine as a likely mechanistic pathway.
Translation of the abstract (German)
Die Licht-induzierte Homolyse verschiedener Komplexe stellt einen attraktiven und milden Ansatz zur Erzeugung reaktiver radikalischer Zwischenprodukte dar, die in der organischen Synthese genutzt werden können. Die Verwendung photolabiler Komplexe ist eine ergänzende Alternative zu Reaktionssystemen, die auf der Anregung eines Photokatalysators beruhen. In dieser Arbeit wurde die Anwendungen der ...
Translation of the abstract (German)
Die Licht-induzierte Homolyse verschiedener Komplexe stellt einen attraktiven und milden Ansatz zur Erzeugung reaktiver radikalischer Zwischenprodukte dar, die in der organischen Synthese genutzt werden können. Die Verwendung photolabiler Komplexe ist eine ergänzende Alternative zu Reaktionssystemen, die auf der Anregung eines Photokatalysators beruhen. In dieser Arbeit wurde die Anwendungen der lichtgetriebenen Homolyse von hypervalenten Iod(III)- und Bismutkomplexen in verschiedenen Reaktionen untersucht.
Kapitel 1 gibt eine Übersicht über verschiedene synthetische Umwandlungen, die auf der direkten Anregung von hypervalenten Iod(III)-Reagenzien basieren. Die vielfältige Reaktivität von fünf verschiedenen Strukturklassen hypervalenter Iodverbindungen wird vorgestellt.
Kapitel 2 beschreibt die Entwicklung einer metallfreien Ritter-Typ Reaktion für die decarboxylative Aminierung mithilfe eines Iod(I/III)-Katalysators. Das entwickelte System ermöglicht den Zugang zu Carbokationen an anspruchsvollen, elektronisch ungünstigen Benzylpositionen. Die außergewöhnlich hohe Reaktivität des Systems beruht auf einer Komplexierung von Iod(III)-Zwischenprodukten mit der Lewis-Säure BF3. Diese Komplexe sind stärker oxidierend, zeigen verbesserte photophysikalische Eigenschaften und weisen eine höhere Löslichkeit im Reaktionslösungsmittel Acetonitril auf. Bei mechanistischen Untersuchungen, die Kontrollversuche zu potenziellen Reaktionsintermediaten und zur Reaktionskinetik umfassen, wurden zwei mögliche Reaktionswege identifiziert. Der schnellere, produktive Weg verläuft über die direkte Anregung von Iod(III)-BF3-Komplexen, der Langsamere über die Anregung einer Hypoiodit-Spezies (RCOOI). Der synthetische Nutzen dieser decarboxylierenden Ritter-Typ Aminierung wurde durch die Funktionalisierung von benzylischen und aliphatischen Carbonsäuren gezeigt, insbesondere durch late-stage Modifizierungen verschiedener pharmazeutisch relevanter Moleküle.
In Kapitel 3 wurde das Konzept der Photolyse von Iod(III)-BF3-Komplexe auf die Funktionalisierung zahlreicher C(sp3)-H-Bindungen erweitert. In diesem weiterentwickeltem Reaktionssystem werden Benzoat-Liganden verwendet, die nicht decarboxylieren, und daher als Wasserstoffatom-Transfer Katalysatoren eingesetzt werden können. Durch Screening verschiedener Liganden und Iodoarenen wurde eine optimaler Iod(III)-BF3-Komplex zur C-H Aktivierung und Aminierung benzylischer Positionen ermittelt. Die entwickelte Methode zeichnet sich durch hohe Praktikabilität und einfache Anwendbarkeit aus und stellt damit eine attraktive Alternative zur Erzeugung von Carbenium-Ionen dar, insbesondere zur Funktionalisierung schwieriger Substrate (z. B. Substrate mit primären Benzylpositionen).
In Kapitel 4 wird die Möglichkeit untersucht, Ligand-Metall-Chargetransfer(LMCT) - Photokatalyse auf weniger häufig verwendete Metalle auszuweiten. Es wurde ein Screening-Assay zur einfachen Identifizierung von LMCT-Aktivität entwickelt und zur systematischen Bewertung der Reaktivität verschiedener Metallsalze eingesetzt. Dieser Test half, die LMCT-Aktivität von einfachen Bismutsalzen zu entdecken. Diese wurden für die Erzeugung von zwei verschiedenen elektrophilen Radikalen (Chlor- und Carboxylradikale) in sowohl oxidativen als auch redox-neutralen photochemischen Reaktionen verwendet. Mechanistische Untersuchungen basierend auf Cyclovoltammetrie und UV-Vis-Spektroskopie ergaben, dass das hochreaktives Bismut(II)-Radikalkatalysatorfragment zur Disproportionierung neigt. Dies stellt einen konkurrierenden Reaktionspfad dar, der zur Inaktivierung des Katalysators führt, der aber unter Reaktionsbedingungen vernachlässigt werden kann.
Kapitel 5 beschreibt die Entwicklung einer Licht getriebenen oxidativen Iodierung von elektronenreichen Aromaten. Dieses Kapitel steht nur in einem losen Zusammenhang mit dem allgemeinen Thema der Dissertation, da das Projekt vor der Promotion konzipiert wurde. Die Methode wurde basierend auf der Beobachtung eines spektralen Fensters in sonst stark gefärbten Iodlösungen entwickelt. Dieses Fenster tritt auf, wenn Iod in nicht oder nur in schwachen Elektronendonor-Lösungsmitteln bei etwa 400 nm gelöst wird. Die Anregung eines hochoxidativen Anthrachinon-Katalysators im Bereich des Fensters ermöglicht die photochemische Iodierung verschiedener elektronenreicher Aromaten. Mechanistische Untersuchungen, Intermediat-Trapping- und Competition-Experimente deuten auf eine photokatalytische Aren-Oxidation und anschließende Reaktion mit Iod als möglichen Mechanismus hin.
Metadata last modified: 27 Feb 2024 08:12
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