Incorporação fotocatalítica de CO2 em moléculas orgânicas

dc.contributor.advisor1Paixão, Márcio Weber
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3773908504964104
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-0421-2831
dc.contributor.authorVega, Kimberly Benedetti
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/8451979701278048
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0002-4440-132X
dc.contributor.refereeCorreia , Carlos Roque Duarte
dc.contributor.refereeBurtoloso, Antonio Carlos Bender
dc.contributor.refereede Oliveira, Kleber Thiago
dc.contributor.refereeCurvelo, Antonio Aprigio da Silva
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/6744789031079665
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/4198056115834834
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/3759761373942891
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/8106067351019340
dc.date.accessioned2026-04-24T19:52:00Z
dc.date.issued2026-02-06
dc.description.abstractPhotocatalytic incorporation of CO2 into organic molecules. The fixation of carbon dioxide (CO2) into organic molecules represents a powerful approach to valorize this abundant, renewable, and non-toxic C1 carbon source, while simultaneously enabling access to highly functionalized compounds of synthetic and industrial relevance. In recent years, visible-light photocatalysis has emerged as a sustainable tool to achieve CO2 fixation under mild conditions, thereby expanding the chemical space accessible from simple building blocks. A particularly versatile approach relies on the Reductive Radical–Polar Crossover (RRPCO) mechanism, in which a radical intermediate generated under photocatalytic conditions is converted into a nucleophilic species during the photocatalyst turnover step, which can be intercepted by electrophiles such as CO2. This mechanistic pathway enables the selective formation of C–C bonds with high functional-group tolerance in a single operational step. This work describes three distinct strategies based on the RRPCO mechanism for the incorporation of CO2 into organic molecules, providing access to carboxylic acid derivatives. Chapter I: Visible-Light-Induced multicomponent difunctionalization of styrenes using CO2 and radical precursors. This chapter covers two complementary methodologies for the simultaneous installation of two distinct functionalities on styrene derivatives. In the first approach, sodium sulfinates and CO2 are used as coupling partners to access β-sulfonylated carboxylic acids in good yields and with broad functional group tolerance. Catalyst choice proved crucial: Ru(bpy)3 was optimal for electron-poor styrenes, whereas 4CzIPN performed better with less electron-deficient substrates. Exploiting the sulfone group as a leaving group, a one-pot carboxy-sulfonylation-elimination sequence enabled the α-carboxylation of styrenes to yield α-aryl-acrylates. The second approach is a redox-neutral β-amidation–α-carboxylation protocol using styrenes, CO2, and 1,4-carbamoyl-dihydropyridines under photocatalysis with 4CzIPN. This mild, operationally simple method tolerates diverse functional groups, allows late-stage functionalization of complex molecules, and incorporates both sterically hindered and amino acid–derived carbamoyl radicals, granting access to succinamic acids. Chapter II: Synthesis of α-amino acids by ConPET-mediated CO2 fixation into amides. This strategy enables the selective functionalization of α-C(sp3)–H bonds adjacent to the nitrogen atom in amides through the synergistic combination of Hydrogen Atom Transfer (HAT), consecutive Photoinduced Electron Transfer (ConPET), and RRPCO. CO2 and deuterium were incorporated at the α-position to the amide nitrogen, affording α-amino acids and α-deuterated amides in moderate to high yields. Mechanistic studies revealed that both 3DPAFIPN and its in situ photodegradation products generate highly reactive α-amino carbânions under exceptionally mild conditions, providing insights for future catalyst design and expanding photocatalyst activation concepts. Isotope labeling: In addition, the three developed protocols proved to be versatile tools for the synthesis of isotopically labeled products by enabling the incorporation of 13CO2 into styrenes and amides, resulting in the formation of α-aryl acrylates, succinamic acids, and α-amino acids. These results highlight the potential of RRPCO-based strategies for mechanistic studies as well as for applications in tracer studies, metabolic investigations, and pharmaceutical development.eng
dc.description.resumoIncorporação fotocatalítica de CO2 em moléculas orgânicas. A fixação do dióxido de carbono (CO2) em moléculas orgânicas representa uma abordagem poderosa para valorizar essa fonte de carbono C1 abundante, renovável e atóxica, ao mesmo tempo em que proporciona acesso a compostos altamente funcionalizados de relevância sintética e industrial. Nos últimos anos, a fotocatálise com luz visível emergiu como uma ferramenta sustentável para alcançar a fixação de CO2 sob condições brandas, expandindo o espaço químico acessível a partir de blocos de construção simples. Uma abordagem particularmente versátil é o mecanismo de Crossover Radical–Polar Redutivo (CRPR) (RRPCO – Reductive Radical Polar Crossover), no qual um intermediário radicalar gerado fotocatalíticamente é convertido em uma espécie nucleofílica durante a etapa de turnover do fotocatalisador, a qual pode ser interceptada por eletrófilos como o CO2. Esse caminho mecanístico permite a formação seletiva de ligações C–C com alta tolerância a grupos funcionais em uma única etapa operacional. Este trabalho descreve três estratégias distintas baseadas no mecanismo de CRPR para a incorporação de CO2 em moléculas orgânicas, permitindo o acesso a derivados de ácidos carboxílicos. Capítulo I: Difuncionalização multicomponente de estirenos induzida por luz visível, utilizando CO2 e precursores radicais. Este capítulo aborda duas metodologias complementares para a instalação simultânea de duas funcionalidades distintas em derivados de estireno. Na primeira abordagem, sulfinatos de sódio e CO2 são usados como parceiros de acoplamento para acessar ácidos carboxílicos β-sulfonilados em bons rendimentos e com ampla tolerância a grupos funcionais. A escolha do catalisador foi crucial: Ru(bpy)3 foi mais eficiente para estirenos com grupos fortemente retiradores de elétrons, enquanto 4CzIPN apresentou melhor desempenho com estirenos com grupos retiradores de elétrons por efeito indutivo. Explorando o grupo sulfona como grupo de saída, uma sequência one-pot de carboxi-sulfonilação-eliminação permitiu a α-carboxilação de estirenos, gerando α-aril-acrilatos. A segunda abordagem consiste em um protocolo redox-neutro de β-amidação–α-carboxilação usando estirenos, CO2 e 1,4-carbamoil-dihidropiridinas sob fotocatálise com 4CzIPN. Este método brando e operacionalmente simples tolera diversos grupos funcionais, permite a funcionalização em estágio final de moléculas complexas e incorpora radicais carbamoil derivados de aminoácidos, proporcionando acesso a ácidos succínamicos. Capítulo II: Síntese de α-aminoácidos via fixação de CO₂ em amidas mediada por ConPET. Esta estratégia permite a funcionalização seletiva de ligações C(sp3)–H adjacentes ao nitrogênio em amidas por meio da combinação sinérgica de transferência de átomo de hidrogênio (HAT), transferência consecutiva de elétrons fotoinduzida (ConPET) e crossover radical-polar redutivo (CRPR). CO2 e deutério foram incorporados na posição α ao nitrogênio das amidas, resultando em α-aminoácidos e amidas α-amino deuteradas com rendimentos de moderados a altos. Estudos mecanísticos revelaram que tanto o 3DPAFIPN quanto seus produtos de fotodegradação in situ geram carbânions α-amino reativos sob condições excepcionalmente brandas, fornecendo insights para o design de futuros fotocatalisadores e ampliando os conceitos de fotoativação de fotocatalisadores in situ. Marcação Isotópica: Além disso, os três protocolos desenvolvidos mostraram-se ferramentas versáteis para a síntese de produtos isotopicamente marcados, ao permitirem a incorporação de 13CO2 em estirenos e amidas resultando na formação de ácidos carboxílicos β-sulfonilados, α-aril-acrilatos, ácidos succinâmicos e α-aminoácidos isotopicamente enriquecidos, evidenciando o potencial das estratégias CRPR tanto para estudos mecanísticos quanto para aplicações em rastreadores, investigações metabólicas e desenvolvimento farmacêutico.por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipId2021/01354-7
dc.description.sponsorshipId2023/05334-6
dc.identifier.citationVEGA, Kimberly Benedetti. Incorporação fotocatalítica de CO2 em moléculas orgânicas. 2026. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23990.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/23990
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQ
dc.relation.urihttps://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscatal.5c04666
dc.relation.urihttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.orglett.3c04015
dc.relation.urihttps://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.202203625
dc.rightsAttribution 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
dc.subjectFotocatálisepor
dc.subjectDióxido de carbonopor
dc.subjectÁcidos carboxílicospor
dc.subjectCrossover radical-polar redutivopor
dc.subjectDifuncionalização de alcenospor
dc.subjectSíntese de α-aminoácidospor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
dc.subject.ods7. Energia limpa e acessível
dc.titleIncorporação fotocatalítica de CO2 em moléculas orgânicaspor
dc.title.alternativePhotocatalytic incorporation of CO2 into organic moleculeseng
dc.typeTese

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