On the Nature of C(sp3)–C(sp2) Bond Formation in Nickel-Catalyzed Tertiary Radical Cross-Couplings: A Case Study of Ni/Photoredox Catalytic Cross-Coupling of Alkyl Radicals and Aryl Halides

化学 催化作用 烷基 激进的 还原消去 联吡啶 自旋态 光化学 配体(生物化学) 迁移插入 结晶学 计算化学 无机化学 有机化学 晶体结构 生物化学 受体
作者
Mingbin Yuan,Zhihui Song,Shorouk O. Badir,Gary A. Molander,Osvaldo Gutiérrez
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (15): 7225-7234 被引量:233
标识
DOI:10.1021/jacs.0c02355
摘要

The merger of photoredox and nickel catalysis has enabled the construction of quaternary centers. However, the mechanism, role of the ligand, and effect of the spin state for this transformation and related Ni-catalyzed cross-couplings involving tertiary alkyl radicals in combination with bipyridine and diketonate ligands remain unknown. Several mechanisms have been proposed, all invoking a key Ni(III) species prior to undergoing irreversible inner-sphere reductive elimination. In this work, we have used open-shell dispersion-corrected DFT calculations, quasi-classical dynamics calculations, and experiments to study in detail the mechanism of carbon-carbon bond formation in Ni bipyridine- and diketonate-based catalytic systems. These calculations revealed that access to high spin states (e.g., triplet spin state tetrahedral Ni(II) species) is critical for effective radical cross-coupling of tertiary alkyl radicals. Further, these calculations revealed a disparate mechanism for the C-C bond formation. Specifically, contrary to the neutral Ni-bipyridyl system, diketonate ligands lead directly to the corresponding tertiary radical cross-coupling products via an outer-sphere reductive elimination step via triplet spin state from the Ni(III) intermediates. Implications to related Ni-catalyzed radical cross-couplings and the design of new transformations are discussed.
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