This thesis entails the development of practical and cost-efficient hydrogen isotope exchange methodologies for the deuteration of aromatic and heteroaromatic substrates. At the outset, the first C–H activation and deuteration of aromatic substrates using a catalyst based on earth-abundant manganese was reported. Transient directing groups allowed for the unprecedented use of weakly coordinating aldehyde directing groups in manganese-catalyzed C–H activation and enabled high ortho selectivity. Secondly, the transient directing group strategy was transferred to an application-oriented ruthenium-catalyzed hydrogen isotope exchange reaction on aromatic aldehydes and ketones. Lastly, the electronic characteristics of pyridine derivatives were harnessed for a transition metal-free, base-mediated deuteration protocol. Selectivity for the aromatic sites remote from the nitrogen atom was obtained and complements pre-existing strategies for the hydrogen isotope exchange on heteroarenes. The results are expected to inspire future developments in the realms of sustainable hydrogen isotope exchange.
Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung praktischer und kostengünstiger Wasserstoffisotopenaustauschmethoden zur Deuterierung aromatischer und heteroaromatischer Substrate. Zunächst wurde über die erste C–H-Aktivierung und Deuterierung aromatischer Verbindungen mittels eines mangankatalysierten Katalysators berichtet. Transiente dirigierende Gruppen ermöglichten hierbei erstmals die Verwendung schwach koordinierender aldehydbasierter dirigierender Gruppen für die mangankatalysierte C–H-Aktivierung und erbrachten hohe ortho-Selektivität. Weiterhin wurde die Strategie der transienten dirigierenden Gruppen auf eine anwendungsbezogene rutheniumkatalysierte Wasserstoffisotopenaustauschreaktion an aromatischen Aldehyden und Ketonen übertragen. Zuletzt wurde ein übergangsmetallfreies, basenvermitteltes Deuterierungsprotokoll entwickelt, das sich die elektronischen Eigenschaften von Pyridinderivaten zunutze macht. Die Reaktion zeigte sich selektiv für die aromatischen Positionen, die entfernt vom Stickstoffatom stehen, und eröffnete somit eine komplementäre Selektivität zu literaturbekannten Strategien für den Wasserstoffisotopenaustausch von Heteroaromaten. Alle Projekte dürften zur Inspiration zukünftiger Entwicklungen auf dem Gebiet des nachhaltigen Wasserstoffisotopenaustauschs beitragen.