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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-303967
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.30396
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 3 July 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Ruth M. Gschwind |
| Date of exam: | 23 June 2014 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Arbeitskreis Prof. Dr. Ruth Gschwind |
| Keywords: | NMR spectroscopy, intermediates, addition reactions, copper catalysis |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 30396 |
Abstract (English)
In recent years, there has been an increasing demand for enantiopure compounds, for example for chiral fine chemicals, pharmaceuticals, agrochemicals or in material science. Thereby the use of asymmetric catalysis and especially transition metal catalysis emerges as advantageous, due to cheap and prochiral starting materials. The past decades have seen the rapid development in transition metal ...
Abstract (English)
In recent years, there has been an increasing demand for enantiopure compounds, for example for chiral fine chemicals, pharmaceuticals, agrochemicals or in material science. Thereby the use of asymmetric catalysis and especially transition metal catalysis emerges as advantageous, due to cheap and prochiral starting materials. The past decades have seen the rapid development in transition metal catalysis, as nine pioneering scientists were rewarded with the Nobel Prize in Chemistry in this research area (2001 W. S. Knowles, K. B. Sharpless and R. Noyori, 2005 Y. Chauvin, R. H. Grubbs and R. R. Schrock, 2010 R. F. Heck, E. Negishi and A. Suzuki). The enantioselective copper-catalyzed conjugate addition reaction evolves as one of the most powerful and widely used methods for the formation of carbon-carbon bonds. In recent years impressive results were obtained in extending the copper catalytic system, by the development of new classes of ligands, copper sources and reaction parameters, but also the substrate scope and the spectrum of organometallic reagents was enlarged. Independent of the kind of catalysis (transition metal, organocatalyisis etc.) often a lack of knowledge of the involved mechanisms exists. Yet, a sophisticated understanding of these mechanisms is necessary to optimize the existing technologies and enables the development of further catalytic systems adjusted to the required conditions.
This thesis has investigated mainly the mechanism of copper-catalyzed 1,4-addition reactions of organometallic reagents to alpha,beta-unsaturated enones by NMR spectroscopic methods. Thereby particular attention was paid to the transmetalation of an alkyl group of the organometallic reagent to the copper catalyst, which is a well-accepted step in mechanistic presentations but an experimental prove has not been presented so far. For the first time a direct experimental proof of different monomeric and dimeric transmetalation intermediates is observed for reactions of diethyl zinc and binuclear phosphoramidite copper complexes with a mixed trigonal/tetrahedral coordination of the copper atoms. The assignment to transmetalation intermediates is exclusively based on modified 1D 1H31P-HMBC spectra enabling the differentiation of magnetization transfers via chemical bonds (transmetalation) and through space (unspecific interaction). Furthermore a special approach of enantiopure and enantiomeric mixtures of the phosphoramidite ligands has to be applied for structure identification, which causes different signal integrals for species with one, two or three ligands. The combination of these special approaches and experiments with CuCl, ZnI2/ZnCl2 and different amounts of ZnEt2 revealed two main transmetalation intermediates, a monomeric one with one ligand and one ethyl group and for the first time a dimeric one with three ligands, an ethyl and an iodine bridge as well as retention of the mixed trigonal/tetrahedral coordination of the binuclear phosphoramidite copper complex.
This current findings of the transmetalation step of copper-catalyzed 1,4-addition reactions will serve as a base for future studies, addressing the next step in the proposed mechanism - the addition of the substrate. Therefore a suitable model system of precatalytic complex and substrate with optimized interaction sites, should be found based on our experiences in the field of inter- and intraligand interactions in phosphoramidite palladium complexes and simplified DFT-calculations.
A further study set out to determine the structure of the precatalytic copper complex in coordinating solvents, which are necessary for investigations with triorganoaluminum reagents, was performed. This study has found that generally in coordinating solvents the precatalytic complex tend to incorporate a higher number of CuXL2 fragments as in non-coordinating solvents. Typically in non-coordinating solvents a binuclear copper complex with a mixed trigonal/tetrahedral coordination of the copper atoms is observed, consisting of one CuXL2 fragment and one CuXL fragment. In contrast, in coordinating solvents a polynuclear copper complex with four CuXL2 fragments and one CuXL fragment is proposed. This unexpected, increased number of CuXL2 fragments in the precatalytic complex in coordinating solvents is corroborated by simulations of the low temperature 31P NMR spectra and a detailed analysis of the temperature dependent ligand distribution in the different appearing copper species.
Another part of the thesis dealed with preliminary NMR spectroscopic investigations of an unexpected but highly enantioselective rhodium-catalyzed 1,2-addition reaction of trimethylaluminum to cyclohexenone producing chiral allylic alcohols, which are a very important structural motif in organic chemistry. Furthermore, mechanistic elucidations of the first organocatalytic formation of enynes by the dimerization of nitroalkenes in presence of an amine base catalyst were performed.
Translation of the abstract (German)
Die letzten Jahre zeigten einen erhöhten Bedarf an enantiomerenreinen Verbindung, die vor allem in der Synthese von Feinchemikalien für Arzneistoffe oder Agrochemikalien, aber auch in Materialwissenschaften verwendet werden. Durch die Verwendung von günstigen und prochiralen Edukten zeichnete sich insbesondere die Übergangsmetallkatalyse als ein hervorragendes Werkzeug für die Synthese dieser ...
Translation of the abstract (German)
Die letzten Jahre zeigten einen erhöhten Bedarf an enantiomerenreinen Verbindung, die vor allem in der Synthese von Feinchemikalien für Arzneistoffe oder Agrochemikalien, aber auch in Materialwissenschaften verwendet werden. Durch die Verwendung von günstigen und prochiralen Edukten zeichnete sich insbesondere die Übergangsmetallkatalyse als ein hervorragendes Werkzeug für die Synthese dieser wichtigen Verbindungen aus. Den schnellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Übergangsmetallkatalyse wurde in den letzten Jahren Tribut gezollt, da seit 2001 neun wegweisende Wissenschaftler auf diesem Gebiet mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden. Die enantioselektive kupferkatalysierte konjugierte Additionsreaktion entwickelte sich dabei zu einer der leistungsstärksten und mit am häufigsten angewendeten Methoden bezüglich der Knüpfung hoch enantioselektiver Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen. Zudem wurden in den letzten Jahren zahlreiche Bestrebungen unternommen das kupferkatalytische System zu erweitern, z. B. durch die Entwicklung neuer potentieller Ligandklassen, Kupferquellen und Reaktionsbedingungen, und Erweiterung des Spektrums an Substraten und Organometallverbindungen. Das detaillierte Wissen über die Struktur der beteiligten Verbindungen ist unabhängig von der Art der Katalyse in vielen Fällen noch unvollständig. Eine genaue Kenntnis der Strukturen ist unabdingbar, um weiter Fortschritte in der Weiterentwicklung von bestehenden Technologien und der Entwicklung neuer Katalysatorsysteme, abgestimmt auf die benötigten Bedingungen erzielen zu können.
Diese Arbeit konzentriert sich überwiegend auf die Untersuchung des Mechanismus der kupferkatalysierten 1,4-Additionsreaktion von Organometallverbindungen an alpha,beta-ungesättigte Enon-Verbindungen mittels NMR-Spektroskopie. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Transmetallierungsschritt, der die Übertragung des organischen Restes der Organometallverbindung auf den Kupferkomplex darstellt. Dieser Schritt ist in mechanistischen Darstellungen allgemein akzeptiert, jedoch konnte bislang kein direkter experimenteller Beweis gefunden werden. In dieser Arbeit konnte nun zum ersten Mal ein experimenteller Nachweis für monomere und dimere Transmetallierungsintermediate der Reaktion von Diethylzink mit einem binuklearen Phosphoramidit-Kupfer-Komplex, mit gemischter trigonaler/tetraedrischen Koordination der Kupferatome gefunden werden. Die Zuordnung der Transmetallierungsintermediate erfolgte dabei ausschließlich über die Messung modifizierter 1D 1H31P-HMBC Spektren, die eine Unterscheidung zwischen Magnetisierungstransfers über chemische Bindungen (Transmetallierung) und über den Raum (unspezifische Wechselwirkungen) ermöglichen. Der Strukturidentifizierung liegt ebenfalls ein ausgefallene Vorgehensweise zu Grunde, dabei wurden neben enantiomerenreinen Mischungen der Phosphoramidit-Liganden auch Mischungen der beiden Ligandenantiomeren für die Komplexbildung verwendet, dies ermöglicht eine Unterscheidung von Verbindungen, die ein, zwei oder drei Liganden an das Kupferatom koordiniert haben an Hand der Signalintensität. Die Kombination dieser besonderen Ansätze und weiterer Experimente mit CuCl, ZnI2/ZnCl2 und unterschiedlicher Mengen an Diethylzink ermöglichten die Identifizierung zweier Haupttransmetallierungsintermediate. Eines davon liegt monomer mit einer Ethylgruppe und einem Liganden vor, während das zweite Intermediat zum ersten Mal eine dimere Struktur mit drei Liganden, je einer Ethyl- und Iodid-Brücke, sowie der Retention der gemischten trigonalen/tetraedrischen Koordination der Kupferatome des binuklearen Kupferkomplexes aufweist. Diese Ergebnisse dienen als Grundlage für weitere Studien, die den nächsten Schritt des postulierten Mechanismus adressieren.
In einer weiteren Studie wurde die Struktur des präkatalytischen Kupferkomplexes in koordinieren Lösungsmitteln, die unumgänglich sind wenn Organoaluminiumverbindungen verwendet werden, untersucht. Es hat sich gezeigt, dass der Präkatalysator in koordinierenden Lösungsmitteln eine höhere Affinität für den Einbau von CuXL2 Einheiten zeigt, als in nicht koordinierenden Lösungsmitteln (koordinierende Lösungsmittel: vier CuXL2 und eine CuXL Einheit, nicht-koordkiniernd: je eine CuXL2 und CuXL). Diese unerwartet hohe Anzahl an CuXL2 Einheiten konnte durch Spektren Simulationen und einer detaillierten Analyse der Signalintegrale der unterschiedlichen Kupferenthaltenen Spezies bestätigt werden.
Ein weiteres Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit ersten NMR-spektroskopischen Untersuchungen einer unerwarteten, aber hochenantioselektiven Rhodiumkatalysierten 1,2-Additionsreaktion von Trimethylaluminium an Cyclohexenon. Dabei entstehen chirale Allylalkohole, die ein wichtiges Strukturmotiv in der Organischen Chemie darstellen. Des Weiteren wurden Mechanismus Studien der ersten organokatalytischen Bildung von Eninen durch Dimerisierung von Nitroalkenen in Gegenwart eines Aminbase-Katalysators durchgeführt.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 00:59
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