Universität zu Köln

Lux, Marcel (2021). Synthetic Methodologies for Intermolecular Radical Difunctionalizations of Alkenes and Application of Artemisinin in an Acrylamide Polymerization. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

An introduction is given to the topics of photoredox catalysis and intermolecular radical difunctionalizations of alkenes. Radical difunctionalizations transform C–C double (multiple) bonds by generating two new σ bonds in one reaction. Starting from general models in this research field, applications of α-carbonyl and acyl radicals are described. In addition, methodologies, which use the consecutive 1,2-addition of a radical as well as a nucleophile are addressed. An application of artemisinin as a radical co-initiator in acrylamide polymerizations in aqueous medium was developed. The assessment of reaction conditions, leading to the formation and characterization of polymer mixtures is described. Hydrochloric acid as well as iron species are used as co-initiators. Furthermore, results from an electron paramagnetic resonance (EPR) experiment with the initiator system were pointing towards the involvement of a by December 2020 unknown radical in the chemistry of artemisinin. A joined project is discussed, elaborating a method for Brønsted acid catalyzed γ-cyanoketone formations. The difunctionalization implements α-ketonyl radical formation from condensation of ketones with tert-butylhydroperoxide and methanesulfonyl cyanide. Contributions to learn about the application scope of formed γ-cyanoketones, subsequent transformations and from a noticed difference in diastereoselectivity compared to the previously reported γ-peroxyketone synthesis are described. An investigation of photoredox catalyzed alkene difunctionalization using a consecutive addition of acyl radicals and nucleophilic N-alkylindoles is summarized. In the Ir(ppy)3 catalyzed reaction, simple starting materials, namely aldehydes, N-alkylindoles and styrenes were employed. Moreover, a base is needed for successful product formation. The reaction is based on a Ir(III)/Ir(IV) catalytic cycle and tert-butyl perbenzoate as oxidant as well as precursor for tert-butoxyl radicals. Acyl radicals were generated by hydrogen atom transfer. Aryl as well as aliphatic aldehydes were suitable substrates. Investigations of the reaction scope, description of mechanistic indications and discussions in the scientific context are presented.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Einleitung behandelt die Themen Photoredoxkatalyse und intermolekulare, radikalische Difunktionalisierung von Alkenen. Mit Hilfe radikalischer Difunktionalisierung kann eine C–C Doppelbindung (Mehrfachbindung) in zwei neue σ-Bindungen an den entsprechenden C-Atomen umgesetzt werden. Ausgehend von Erläuterungen allgemeiner Modelle auf diesem Forschungsgebiet, werden Anwendungen von α-Carbonyl- und Acylradikalen beschrieben. Darüber hinaus, werden Synthesemethoden angesprochen, welche die aufeinanderfolgende 1,2-Addition eines Radikals sowie eines Nukleophils verwenden. Eine Anwendung von Artemisinin als radikalischer Co-Initiator bei Acrylamidpolymerisationen im wässrigen Medium wurde entwickelt. Eine Untersuchung der Reaktionsbedingungen hin zur Synthese und Charakterisierung von Polymermischungen wird beschrieben. Salzsäure sowie Eisenspezies werden als Co-Initiatoren verwendet. Darüber hinaus, deuten die Ergebnisse eines EPR-Experiments (Electron Paramagnetic Resonance) mit dem Initiatorsystem auf die Beteiligung eines bis Dezember 2020 unbekannten Radikals in diesem Artemisinin-Initiatorsystem hin. Ein gemeinsam durchgeführtes Projekt wird diskutiert, in dem eine Methode zur Brønsted-Säure-katalysierten Bildung von γ-Cyanoketonen entwickelt wurde. Die Difunktionalisierung implementiert die Bildung von α-Ketonylradikalen aus der Kondensation von Ketonen mit tert-Butylhydroperoxid und Methansulfonylcyanid. Beiträge zum Reaktionsumfang gebildeter γ-Cyanoketone, zum Verständnis von Folgereaktionen und beobachteter Diastereoselektivitäten werden beschrieben. Eine Studie zur Photoredox-katalysierte Alkendifunktionalisierung unter aufeinanderfolgender Addition von Acylradikalen und nukleophilen N-Alkylindolen wird zusammengefasst. Bei der Ir(ppy)3-katalysierten Reaktion wurden schlichte Edukte, nämlich Aldehyde, N-Alkylindole und Styrole, eingesetzt. Zusätzlich wird für eine erfolgreiche Produktbildung eine Base benötigt. Die Reaktion basiert auf einem Ir(III)/Ir(IV)-Katalysezyklus und tert-Butylperbenzoat als Oxidationsmittel sowie Vorstufe für tert-Butoxylradikale. Acylradikale wurden durch Wasserstoffatomtransfer erzeugt. Geeignete Substrate waren sowohl aromatische als auch aliphatische Aldehyde. Eine Untersuchung des Reaktionsumfangs, Erläuterungen zu mechanistischen Indizien und eine Einordnung in den wissenschaftlichen Kontext werden vorgestellt. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Lux, Marcel lux.marcel@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-545744
Date:	2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Externe Einrichtungen
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Synthetic Methodologies; Radical Chemistry; Photoredox Catalysis; Brønsted Acid Catalysis; Difunctionalization of Alkenes; Artemisinin; Radical Polymerization study UNSPECIFIED
Date of oral exam:	17 February 2021
Referee:	Name Academic Title Klußmann, Martin Dr. Berkessel, Albrecht Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/54574