Decarboxylative functionalization: catalytic olefination and polyfluoroarylation of alkylcarboxylic acids

  • Decarboxylierende Funktionalisierung: Katalytische Olefinierung und Polyfluorarylierung von Alkylcarbonsäuren

Sun, Xiang; Ritter, Tobias (Thesis advisor); Bolm, Carsten (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Aliphatische Carbonsäuren sind in der Natur weit verbreitet. Die leichte Verfügbarkeit und Stabilität ermöglichen ihnen ein attraktives Ausgangsmaterial für die organische Synthese. In Bezug auf einfache Fettsäuren sind sie aufgrund der großen Produktion in der Natur eine mögliche Alternative zu Brennstoffressourcen, um Kohlenwasserstoff durch Decarboxylierung zu produzieren. Aufgrund der vorinstallierten Funktionalitäten und der strukturellen Komplexität aliphatischer Carbonsäuren kann die decarboxylierende Funktionalisierung im Spätstadium einen schnellen und einfachen Zugang zu verschiedenen wertvollen Derivaten ermöglichen, die bei der Wirkstoffentdeckung hilfreich sind. Alkene gehören zu den vielseitigsten Bausteinen der organischen Chemie und werden unter anderem zur Herstellung von Polymeren, Waschmitteln und synthetischen Schmiermitteln verwendet. Derzeit werden Alkene jedoch aus erdölbasierten Rohstoffen wie Naphtha gewonnen. Angesichts der Notwendigkeit nachhaltiger Produktionsmethoden wurden mehrere Ansätze zur Herstellung von Alkenen aus gut verfügbaren Fettsäuren bewertet. Alle bisherigen Versuche benötigten jedoch mindestens ein stöchiometrisches Additiv, was ein Hindernis für Anwendungen in größeren Maßstäben darstellt. Um dieses Problem zu lösen, stellen wir einen Ansatz zur Synthese von Olefinen aus Carbonsäuren vor, bei dem jeder zusätzliche Reaktionsbestandteil katalytisch verwendet werden kann. Wir zeigen, wie gut verfügbare Fettsäuren in alpha-Olefine umgewandelt werden können. Die Untersuchungen schließen strukturell komplexe Carbonsäuren ein, die den Zugang zu synthetisch vielseitigen Intermediaten ermöglichen. Unser Ansatz wird durch das kooperative Zusammenspiel zwischen einem Cobaltkatalysator, der als Protonenreduktionskatalysator fungiert, und einem Photoredoxkatalysator, der die oxidative Decarboxylierung vermittelt, ermöglicht. Die Kupplung beider Prozesse ermöglicht die katalytische Umwandlung von Carbonsäuren in Olefine. Polyfluorarene sind nützliche Bausteine in Gebieten wie der Wirkstoffentwicklung, den Materialwissenschaften und dem Pflanzenschutz. Die Synthese von Polyfluorarenen ist durch defluorierende Funktionalisierung leicht zugänglicher, einfacher Fluorarene möglich. Zwei Hauptansätze stellen die nukleophile aromatische Substitution (SNAr) von Fluorid sowie die übergangsmetallkatalysierte C–F-Bindungsfunktionalisierung dar. Bei diesen Verfahren werden normalerweise vorgebildete metallorganische Reagenzien wie Alkyl- oder Aryllithium-, -Grignard- und -zinkreagenzien als Kohlenstoffnukleophile benötigt, die aufgrund unerwünschter Nebenreaktionen typischerweise die Substratbreite einschränken. Als Antwort auf dieses Problem zeigen wir die erste decarboxylierende Polyfluorarylierung von aliphatischen Carbonsäuren. Die Umwandlung wird durch die radikalische Addition von Alkylradikalen an Polyfluorarene durch Photoredoxdecarboxylierung leicht verfügbarer aliphatischer Carbonsäuren ermöglicht. Diese Synthese besitzt eine große Substratbreite und die neue Reaktion zur C–C-Bindungsknüpfung eine hohe Funktionsgruppentoleranz. Zusammenfassend präsentieren wir eine katalytische Decarboxyolefinierung mit dem Potenzial, die Entwicklung eines Verfahrens zur nachhaltigen Synthese von alpha-Olefinen aus erneuerbaren Carbonsäuren entscheidend zu lenken. Die Anwendung im Labormaßstab unter Verwendung sowohl einfacher als auch komplexer Carbonsäuren kann sofort genutzt werden und ist ein nützliches Werkzeug für die Late-Stage-Modifizierung von Naturstoffen und anderen komplexen Verbindungen sowie die Wirkstoffentdeckung. Außerdem präsentieren wir eine defluorierende Alkylierung mit aliphatischen Carbonsäuren via Photodecarboxylierung. Polyfluorarylgruppen können so leicht in Moleküle mit hoher struktureller Komplexität eingeführt werden. Der Reaktionspfad der Addition von Kohlenstoffradikalen an Polyfluorarene in Verbindung mit Photokatalyse kann eine Plattform für die Synthese von Polyfluoraromaten mit anderen Kohlenstoffradikalvorläufern bieten.

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