| License: Publishing license for publications including print on demand (11MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-307014
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.30701
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 27 February 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Date of exam: | 14 February 2014 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Keywords: | renewable resources, furans, furfuryl alcohol, Piancatelli rearrangement, kinetic resolution, Tsuji-Trost reaction, asymmetric allylic substitution, hydrogenation, palladium, HMF, microwave, continuous flow system |
| 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: | 30701 |
Abstract (English)
This work covers research on the utilization of renewable resources for the synthesis of building blocks in organic chemistry, especially the use of different furan derivatives which can be obtained from agricultural waste products. In the course of the first project a successful implementation of the Piancatelli rearrangement of furfuryl alcohol, one of the mentioned furan derivatives, in a ...
Abstract (English)
This work covers research on the utilization of renewable resources for the synthesis of building blocks in organic chemistry, especially the use of different furan derivatives which can be obtained from agricultural waste products.
In the course of the first project a successful implementation of the Piancatelli rearrangement of furfuryl alcohol, one of the mentioned furan derivatives, in a dilute aqueous solution under subcritical conditions in a continuous flow system or under microwave irradiation was realized. This offers the opportunity for the large scale synthesis of 4-hydroxy-2-cyclopentenone, the product of this particular reaction and a valuable starting material for the synthesis of prostaglandins, for example. Moreover, through this process the yield and purity of the product was improved significantly. A subsequent reaction to the continuous flow process was investigated to convert the highly water-soluble 4-hydroxy-2-cyclopentenone to a less polar compound which could be extracted from the aqueous solution with an organic solvent to prevent the highly energy intensive evaporation of water during the purification of the product. A method for a Diels-Alder reaction of 4-hydroxy-2-cyclopentenone and a suitable dienophile in an aqueous environment to yield benzoic acid could not be accomplished. Instead a process for a hydrogenation/elimination sequence of 4-hydroxy-2-cyclopentenone to result in the less water-soluble 2-cyclopentenone was realized. It was confirmed that all the reactions could be performed in a one-step procedure in direct continuation to the continuous flow process in water leading to an overall yield of 70%. The conditions are suitable for implementation in a subsequent continuous flow process following the Piancatelli rearrangement of furfuryl alcohol.
The second project addresses the issue of the separation of the two enantiomers of 4-hydroxy-2-cyclopentenone that are obtained as a racemic mixture from the flow process. This was achieved with a palladium-catalyzed kinetic resolution via asymmetric allylic substitution (Tsuji-Trost reaction). The scope of participating nucleophiles is very broad - phenols, carboxylic acids, thiols and nitrogen-containing heterocycles, leading to the 4-BocO-protected 2-cyclopentenone as recovered starting material and a 4-S, -N- or -O-substituted 2-cyclopentenone as the substitution product. Excellent enantioselectivities of both substitution products and recovered starting material were obtained even at low catalyst loading (1 mol% Pd, 2 mol% ligand). This method provides a certainly useful access to an extensive variety of enantiomerically pure 4-substituted-2-cyclopentenone derivatives, particularly because the reaction could be performed on a synthetically useful scale. Additionally, this methodology was applied to achieve a short formal synthesis of ent-noraristeromycin.
The third project focuses on the Piancatelli rearrangement of other furan derivatives synthesized from hydroxymethylfurfural (HMF). 2,5-Bis(hydroxymethyI)furan (BHMF) underwent a Piancatelli rearrangement in water at high temperatures to yield the respective cyclopentenone in good yields. The utilized conditions made the use of any additional additives besides water unnecessary. The BHMF derivative 1-(5-(hydroxymethyl)furan-2-yl)propan-1-ol was employed successfully in the same type of rearrangement and the obtained cyclopentenone could be further exploited to achieve a short and facile formal synthesis of phytoprostane B1 type I.
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit befasst sich mit der Forschung über die Verwendung nachwachsender Rohstoffe für die Herstellung von Bausteinen für die organische Synthese. Im Speziellen wurde dabei der Fokus auf Furanderivate, die aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten gewonnen werden, gelegt. Im Rahmen des ersten Projekts wurde eine Umsetzung der Piancatelli Umlagerung von Furfurylalkohol in einer verdünnten ...
Translation of the abstract (German)
Diese Arbeit befasst sich mit der Forschung über die Verwendung nachwachsender Rohstoffe für die Herstellung von Bausteinen für die organische Synthese. Im Speziellen wurde dabei der Fokus auf Furanderivate, die aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten gewonnen werden, gelegt.
Im Rahmen des ersten Projekts wurde eine Umsetzung der Piancatelli Umlagerung von Furfurylalkohol in einer verdünnten wässrigen Lösung unter subkritischen Bedingungen in einem kontinuierlichen Prozess bzw. unter Mikrowelleneinstrahlung erzielt. Dies eröffnet viele Möglichkeiten für die großtechnische Synthese von 4-Hydroxy-2-cyclopentenon, das Produkt dieser Reaktion und des Weiteren auch ein wertvolles Startmaterial für die Synthese von z.B. Prostaglandinen. Darüber hinaus wurde durch diesen Prozess die Ausbeute und Reinheit des Produkts signifikant gesteigert. Eine Folgereaktion auf den kontinuierlichen Prozess wurde ebenfalls untersucht, um aus dem stark wasserlöslichen 4-Hydroxy-2-cyclopentenon eine weniger polare Verbindung darzustellen, die mit organischen Lösungsmitteln extrahierbar wäre. Dies sollte den energieintensiven Schritt der Abdestillation des Wassers bei der Aufarbeitung vermeiden. Eine Diels-Alder Reaktion von 4-Hydroxy-2-cyclopentenon und einem Dienophil in wässrigem Milieu um Benzoesäure zu erhalten konnte nicht realisiert werden. Dafür erwies sich ein Prozess einer Hydrierungs-/Eliminierungs-Sequenz, um das weniger wasserlösliche 2-Cyclopentenon ausgehend von 4-Hydroxy-2-cyclopentenon zu erhalten, als erfolgreich. Es wurde bestätigt, dass alle Reaktionen in einem Einschritt-Verfahren in direktem Anschluss an den kontinuierlichen Prozess in Wasser durchführbar waren mit einer Gesamtausbeute von 70%. Die Bedingungen der Reaktion sind übertragbar auf einen kontinuierlichen Prozess im Anschluss an die Piancatelli Umlagerung von Furfurylalkohol.
Im Zuge eines anderen Projekts wurde versucht das racemische Gemisch, das bei der Piancatelli Umlagerung von Furfurylalkohol erhalten wird, in seine beiden Enantiomere aufzutrennen. Dies wurde durch eine palladiumkatalysierte kinetische Racematspaltung mit Hilfe einer asymmetrischen allylischen Substitution (Tsuji-Trost Reaktion) erzielt. Das Spektrum der anwendbaren Nukleophile ist sehr breit und umfasste Phenole, Carbonsäuren, Thiole und Heterocyclen die Stickstoff enthalten. Als Ergebnis der Reaktion erhielt man die Enantiomere als das 4-Boc-geschützte 4-Hydroxy-2-cyclopentenon (wiedergewonnenes Startmaterial) und ein in 4-Stellung entweder N-, S-, oder O- substituiertes 2-Cyclopentenon (Substitutionsprodukt). Ausgezeichnete Enantioselektivitäten von jeweils wiedergewonnenem Startmaterial und Substitutionsprodukt konnten selbst bei niedrigem Katalysatoreinsatz (1 mol% Pd, 2 mol% Ligand) beobachtet werden. Diese Methode stellt einen wichtigen Zugang zu einer Vielfalt an enantiomerenreinen 4-substituierten 2-Cyclopentenonen dar, im Besonderen da die Reaktion auch in einer synthetisch nützlichen Größenordnung demonstriert wurde. Darüber hinaus wurde diese Methode angewandt um eine effektive formale Synthese von ent-Noraristeromycin zu erzielen.
Das dritte Projekt beschäftigt sich mit der Verwendung anderer Furanderivate, die ausgehend von Hydroxymethylfurfural (HMF) synthetisiert wurden, in der Piancatelli Umlagerung. 2,5-Bis(hydroxymethyl)furan (BHMF) wurde erfolgreich in der Piancatelli Umlagerung in Wasser bei hohen Temperaturen umgesetzt, wodurch das resultierende Cyclopentenon in guten Ausbeuten erhalten wurde. Die angewandten Bedingungen machten die Verwendung weiterer Additive abgesehen von Wasser als Lösungsmittel unnötig. Das BHMF Derivat 1-(5-(Hydroxymethyl)furan-2-yl)propan-1-ol wurde ebenfalls erfolgreich umgelagert und das erhaltene Cyclopentenon konnte genutzt werden, um eine einfache Synthese von Phytoprostan B1 Typ I zu erzielen.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 00:47
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