Electrochemical Benzylic C−H Fluorination and 4d-Metallaelectro-Catalyzed C−H and C−C Functionalizations

by Alexej Scheremetjew
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-03-02
Date of issue:2023-03-15
Advisor:Prof. Dr. Lutz Ackermann
Referee:Prof. Dr. Lutz Ackermann
Referee:Prof. Dr. Shoubhik Das
Referee:Prof. Dr. Dietmar Stalke
Referee:Prof. Dr. Nadja A. Simeth
Referee:Prof. Dr. Johannes C. L. Walker
Referee:Dr. Daniel Janßen-Müller
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9793

 

 

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Abstract

English

Direct functionalizations of C−H and C−C bonds have emerged as time-saving and cost-effective alternatives to established cross-coupling reactions. However, oxidative coupling variants require stoichiometric amounts of oxidants, so that usually either ecologically and economically questionable reagents, such as noble metal salts, or combustion-promoting oxygen are resorted to. With the aid of electrochemistry, the stoichiometry of the redox reaction can be reduced to its quintessence: the electron transfer. Production and waste treatment costs, as well as the safety hazard, can be significantly reduced as a result. In addition, working at minimal overvoltages could also contribute to a broader applicability of a comparable reaction with chemical oxidants. In view of these advantageous features, the implementability of electrolysis in the field of C−H and C−C functionalizations is investigated using three different reactions. In the first project, an undirected and metal-free electrochemical fluorination of benzylic C−H bonds was developed. The reaction worked using inexpensive triethyl amine trihydrofluoride as a source of nucleophilic fluoride, which conveniently also ensured the electrical conductivity of the system. The key factor for the remarkable tolerance to functional groups and excellent chemoselectivity was the use of HFIP as cosolvent. In the second project, the electrification of a ruthenium-catalyzed decarboxylative C−H alkenylation was attempted. This particular transformation generally gave rather moderate yields and showed limited tolerance to functional groups. Due to the need for nonpolar reaction media, which are inherently unfavorable for electrolysis, the activation of electrolytes with high nonpolar solvent content was investigated. Finally, an electrochemical net dehydrogenative C−C/C−H coupling was achieved by rhodium catalysis and the aid of a removable directing group. The optimized reaction conditions enabled the synthesis of diaryl-substituted E-alkenes in a user-friendly undivided electrochemical cell. The reaction exhibited excellent regioselectivity, so that even sterically congested 1,2,3-substituted arenes were obtained in good yields.
Keywords: Electrochemistry; Electrocatalysis; C−H Activation; C−C Activation; Transition Metal Catalysis; Alkenylation; Electrochemical Fluorination

German

Direkte Funktionalisierungen von C−H- und C−C-Bindungen haben sich als zeitsparende und kostengünstige Alternativen zu etablierten Kreuzkupplungsreaktionen etabliert. Für oxidative Kupplungsvarianten werden allerdings stöchiometrische Mengen an Oxidationsmitteln benötigt, sodass üblicherweise entweder auf ökologisch und ökonomisch bedenkliche Reagenzien, wie Edelmetallsalze, oder auf brandfördernden Sauerstoff zurückgegriffen wird. Für diesen nachteiligen Aspekt ist Elektrochemie ein attraktiver Lösungsansatz, da die Stöchiometrie der Redoxreaktion auf ihre Quintessenz reduziert werden kann: den Elektronentransfer. Die Produktions- und Abfallbehandlungskosten, sowie das Sicherheitsrisiko können dadurch erheblich gesenkt werden. Darüber hinaus könnte das Arbeiten bei minimalen Überspannungen auch zu einer breiteren Anwendbarkeit einer vergleichbaren Reaktion mit chemischen Oxidationsmitteln beitragen. In Anbetracht dieser vorteilhaften Eigenschaften wird die Einbindung der Elektrolyse auf dem Gebiet der C−H- und C−C-Funktionalisierungen anhand von drei verschiedenen Reaktionen untersucht. Im ersten Projekt wurde eine undirigierte und metallfreie elektrochemische Fluorierung von benzylischen C−H-Bindungen entwickelt. Die Reaktion funktionierte unter Verwendung von kostengünstigem Triethylamintrihydrofluorid als Quelle für nukleophiles Fluorid, welches praktischerweise auch die elektrische Leitfähigkeit des Systems sicherstellt. Der Schlüsselfaktor für die bemerkenswerte Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen und die ausgezeichnete Chemoselektivität war die Verwendung von HFIP als Cosolvens. Im zweiten Projekt wurde die Elektrifizierung einer Ruthenium-katalysierten decarboxylativen C−H-Alkenylierung versucht. Diese spezielle Umwandlung lieferte im Allgemeinen eher mäßige Ausbeuten und zeigte eine begrenzte Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen. Aufgrund der Notwendigkeit von unpolaren Reaktionsmedien, die für Elektrolysen gemeinhin ungünstig sind, wurde die Aktivierung von Elektrolyten mit hohem unpolaren Lösungsmittelanteil untersucht. Schließlich wurde eine elektrochemische netto-dehydrierende C−C/C−H-Kopplung durch Rhodiumkatalyse und Zuhilfenahme einer entfernbaren dirigierenden Gruppe erreicht. Die optimierten Bedingungen ermöglichten die Synthese von Diaryl-substituierten E-Alkenen in einer benutzerfreundlichen ungeteilten elektrochemischen Zelle. Die Reaktion wies eine ausgezeichnete Regioselektivität auf, sodass sogar sterisch überlastete 1,2,3-substituierte Arene in guter Ausbeute gewonnen wurden.
 
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