Nickel-catalyzed Hydrosilylation of Alkenes and Transition- Metal-Free Intermolecular α-C-H Amination of Ethers THÈSE NO 7129 (2016) PRÉSENTÉE LE 28 JUILLET 2016 À LA FACULTÉ DES SCIENCES DE BASE LABORATOIRE DE SYNTHÈSE ET DE CATALYSE INORGANIQUE PROGRAMME DOCTORAL EN CHIMIE ET GÉNIE CHIMIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Ivan BUSLOV acceptée sur proposition du jury: Prof. K. Severin, président du jury Prof. X. Hu, directeur de thèse Prof. E. P. Kündig, rapporteur Prof. M. Driess, rapporteur Prof. H.-A. Klok, rapporteur Suisse 2016 Acknowledgements First, I would like to thank my scientific advisor, Prof. Xile Hu, for giving me the opportunity to carry out my doctoral studies in his group. I am deeply grateful for his support, encouragement and guidance during my time as a Ph.D. student at EPFL. His optimistic energy and confidence in my research always inspired me and helped me to move forward. I would like to thank my thesis jury: Prof. Kay Severin, Prof. Ernst Peter Kündig, Prof. Matthias Driess and Prof. Harm-Anton Klok for accepting to examine this manuscript. Many thanks to the people working at EPFL: Annelise Carrupt, Gladys Pache and Benjamin Kronenberg - the team of BCH chemical store - for their excellent work; Dr. Pascal Miéville for his help with NMR machines and methods; Dr. Rosario Scopelliti and Dr. Euro Solari for performing the X-ray and elemental analyses; Dr. Laure Menin, Daniel Baumann and Francisco Sepulveda for the mass spectrometry analyses; Christina Zamanos-Epremian and Anne Lene Odegaard for their kind support and for the administrative work. I would like to thank my apprentice, Sébastien Keller, for helping me with synthesis of many complexes and substrates for Chapter 3 and also for our conversations in French. Many thanks to Dr. Gerald Bauer and Lucinda Batchelor for the proof reading of this manuscript and help with the SNSF application. It was a big pleasure to work in such a nice atmosphere created by LSCI group members. I am thankful to Pablo M. Perez Garcia for taking care about me upon my arrival to the lab and for teaching me some important laboratory techniques. I want to express my gratitude to Dr. Fang Song for helping me with microscopy methods. I enjoyed sharing the lab with two awesome co-workers: Dr. Tao Xu and Dr. Chi Wai Cheung. I thank them for fruitful scientific discussions and pleasant working environment. I will never forget many enjoyable moments spent with Jan, Jésus, Thomas, Yeonji and Gerald in and outside the lab. Special thanks to Gerald for our unforgettable trips and sharing various activities. Finally, I am very thankful to my family for the encouragements I received during these years. I give my deepest thanks to my wife for her love and support. I Abstract Transition-metal-catalyzed hydrosilylation of olefins is one of the most important methods for the preparation of organosilicon compounds, which have broad applications in both synthetic and material chemistry. For decades, precious metals, principally platinum-based complexes, have been utilized as catalysts for olefin hydrosilylation. However, due to the high and volatile cost and low abundance of Pt, the development of active and selective catalysts based on Earth-abundant metals is highly desirable. In the first chapter, a short overview of state-of-the-art Pt catalysts and recent advances in development of Fe, Co and Ni-catalysts for olefin hydrosilylation is given. The applications, mechanisms and remaining challenges of transition-metal-catalyzed hydrosilylation are discussed. In the chapter 2, chemoselective anti-Markovnikov hydrosilylation of functionalized alkenes using well-defined bis(amino)amide nickel pincer complexes is described. The catalysts exhibit both high turnover frequencies and turnover numbers. Alkenes containing amino, ester, amido, ketone, and formyl groups are selectively hydrosilylated with Ph2SiH2. Chemoselective hydrosilylation of carbon-carbon double bond in the presence of formyl group using a base metal catalyst is reported for the first time. A modification of reaction conditions allows tandem isomerization-hydrosilylation reactions of internal alkenes to give terminal alkyl silanes. Hydrosilylation of alkenes with tertiary silanes is more attractive from practical point of view. The screening of various nickel alkoxide complexes with reduced steric bulk led us to discovery of an efficient heterogeneous catalyst for alkene hydrosilylation with commercially relevant tertiary silanes (chapter 3). The catalyst exhibits high activity in anti-Markovnikov hydrosilylation of unactivated terminal alkenes and isomerizing hydrosilylation of internal alkenes. The catalyst can be applied to synthesize a single terminal alkyl silane from a mixture of internal and terminal alkene isomers. Furthermore, the same catalyst can be used to remotely functionalize an internal alkene derived from a fatty acid. Chapter 4 describes a catalytic system composed of a nickel amido(bisoxazoline) complex and NaOtBu for an unexpected synthetic transformation, leading to the synthesis of functionalized alkyl hydrosilanes from readily available alkenes and alkoxysilanes. This method provides a convenient and safe alternative to hydrosilylation using flammmable and II potentially dangerous Me2SiH2, MeSiH3 and SiH4. The reaction mechanism was also described. Efficient and atom-economical creation of C-N bond is one of the major tasks in synthetic organic chemistry. Direct C-H amination has emerged as an attractive method for the construction of new C-N bonds. In the chapter 5 a new transition-metal free method for the intermolecular amination of the α-C-H bonds of ethers is described. Using a hypervalent iodine reagent as oxidant the amination of cyclic and acyclic alkyl ethers with a wide range of amides, imides, and amines was achieved. The utility of this method was demonstrated in the synthesis of Tegafur and its analogues. This transition-metal-free method provides a rapid access to a large number of nitrogen-containing organic molecules that may serve as useful synthetic intermediates or biologically active agents. Key words: hydrosilylation, olefins, silanes, nickel, pincer ligands, chemoselectivity, isomerization, nanoparticles, C-H amination, hypervalent iodine III Résumé La reaction d’hydrosilylation d'oléfines catalysée par les métaux de transition est l'une des méthodes en laboratoire et industrielle la plus importante pour la préparation de composés organosiliciés. Ces composés trouvent de vastes champs d'application en chimie synthétique et en chimie des matériaux. Pendant des décennies, les métaux précieux, principalement des complexes à base de platine, ont été utilisés comme catalyseurs pour l'hydrosilylation d'oléfines. Toutefois, en raison du coût élevé et fluctuant, et de la faible abondance en Pt, le développement de catalyseurs actifs et sélectifs à base de métaux abondant sur Terre est hautement souhaitable. Dans le premier chapitre, un bref aperçu de l'état de l’art des catalyseurs à base de Pt et les progrès récents dans le développement de catalyseurs à base de Fe, Co et Ni pour l'hydrosilylation d'oléfines est donné. Les applications, les mécanismes et les défis restants de hydrosilylation catalysée par les métaux de transition sont également discutés. Dans le chapitre 2, l'hydrosilylation chimiosélective anti-Markovnikov d'alcènes fonctionnalisés en utilisant des complexes pincer bis(amino)amide de nickel bien définis est décrite. Les catalyseurs montrent de hautes fréquences de rotation (TOF) et de hauts nombres de rotations (TON). Les alcènes contenant des groupes amino, ester, amido, cétone et formyle sont sélectivement hydrosilylés avec Ph2SiH2. L'hydrosilylation chimiosélective d'une double liaison carbone-carbone en présence d'un groupe formyle et en utilisant un catalyseur à base de métal non précieux est décrite pour la première fois. Une modification des conditions de réaction permet la réaction d'alcènes internes en tandem hydrosilylation-isomérisation pour donner les produits terminaux. L'hydrosilylation d'alcènes avec des silanes tertiaires ne contenant qu'une seule liaison Si- H est plus attrayante d'un point de vue pratique. La procédure de sélection de divers complexes d'alcoolate de nickel avec un encombrement stérique réduit nous a conduits à la découverte d'un catalyseur hétérogène efficace pour l'hydrosilylation d’alcène avec des silanes tertiaires commercialement utiles (chapitre 3). Le catalyseur montre une activité élevée pour l'hydrosilylation anti-Markovnikov des alcènes terminaux inactivés et l’isomérisation-hydrosilylation des alcènes internes. Le catalyseur peut être utilisé pour synthétiser un alkylsilane terminal à partir d'un mélange d'isomères d'alcènes internes et terminaux. En outre, le même catalyseur peut être utilisé pour fonctionnaliser à distance un alcène interne dérivé d'un acide gras. IV Le chapitre 4 décrit l'emploi d'un complexe amido(bisoxazoline) de nickel et d'une quantité catalytique de NaOtBu utilisés pour une transformation synthétique inhabituelle, ce qui conduit à la synthèse d'alkylhydrosilanes fonctionnalisés à partir d'alcènes et d'alcoxysilanes facilement disponibles. Cette méthode offre une alternative pratique et sans danger à l'hydrosilylation utilisant les composés inflammables et potentiellement dangereux Me2SiH2, MeSiH3 et SiH4. Le mécanisme réactionnel a été étudié. La création efficace et économique en atome d'une liaison C-N est l'une des principales tâches