| License: Creative Commons Attribution 4.0 (15MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-355853
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.35585
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 2 May 2018 |
| Referee: | Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Date of exam: | 19 April 2017 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Keywords: | 4-hydroxy-2-cyclopentenone, 2-pyrone, γ-alkylidenebutenolide, 1,3-cyclopentanedione |
| 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: | 35585 |
Abstract (English)
This thesis deals with the synthesis of valuable chemicals starting from renewable resources. All syntheses start from 4-hydroxy-2-cyclopentenone and its derivatives, which can be readily obtained from furfural, made from agricultural waste like bran or bagasse, via a straightforward reaction sequence. Reduction of furfural yields furfuryl alcohol, which is then efficiently converted to ...
Abstract (English)
This thesis deals with the synthesis of valuable chemicals starting from renewable resources. All syntheses start from 4-hydroxy-2-cyclopentenone and its derivatives, which can
be readily obtained from furfural, made from agricultural waste like bran or bagasse, via a straightforward reaction sequence. Reduction of furfural yields furfuryl alcohol, which is then efficiently converted to 4-hydroxy-2-cyclopentenone via a Piancatelli rearrangement in a microreactor. Therefore, 4-hydroxy-2-cyclopentenone and its derivatives represent the key building blocks used in this thesis.
In the first chapter, various substituted 2-pyrones were synthesized from 4-hydroxy-2-cyclopentenone and its derivatives, utilizing the thermal rearrangement of cyclopentadienone epoxides to 2-pyrone as the key step.It was possible to obtain unsubstituted 2-pyrone via a short reaction sequence in multigram scale with high yield and purity. Using a similar reaction sequence allowed the synthesis of naturally occurring 6-substituted alkyl 2-pyrones 2 in excellent yields. Additionally, 4-hydroxy-2-cyclopentenone could be converted into various 6-substituted α-hydroxyalkyl 2-pyrones via a Baylis Hillman reaction with different aldehydes. The so obtained compounds bearing a α-hydroxyalkyl side chain allowed a plethora of transformations. The enzymatic resolution provided access to enantiomerically pure 2-pyrones. Alternatively, elimination of the α-hydroxy group gave access to naturally occurring Sibirinone and related natural products. Oxidation of the α-hydroxy group yielded the corresponding carbonyl compounds, which was used for the synthesis of naturally occurring Gibepyrone F after introducing a methyl substituent in 3-position. Using a different strategy, the synthesis for 5-substituted 2-pyrones yielded a mixture of 3- and 5-substituted 2-pyrones, which could be explained by a [1,5] sigmatropic H-shift.
The second chapter deals with the sustainable oxidation of 4-hydroxy-2-cyclopentenone to dione, which was used for the synthesis of enol esters. Investigation of the reactivity of these enol esters revealed that they undergo an interesting rearrangement when subjected to FVT. The resulting γ-alkylidenebutenolides are highly interesting new compounds with high functional group density. After an intensive study of the reaction and its conditions, a plausible mechanism for the rearrangement was proposed. Additionally, a broad scope of esters was synthesized and rearranged to the corresponding γ-alkylidenebutenolides. The γ-alkylidenebutenolides were obtained in an E/Z mixture, which was separable by chromatography in about 30% combined yield.The final chapter concentrates on the ruthenium-catalyzed redox isomerization of different
4-hydroxy-2-cyclopentenones to 1,3-cyclopentanedione derivatives in water. These diketone derivatives are highly valuable compounds for the synthesis of various complex organic molecules and not many protocols are reported for their synthesis.
The redox isomerization proved to be suitable for unsubstituted 4-hydroxy-2-cyclopentenone and for derivatives with a substitution in 5-position giving the corresponding diketones in up to 91% yield. However, the reaction proved to be dependent on the steric bulk of the substituent as smaller substituents gave the best results for the isomerization. In conclusion, an efficient synthetic strategy for various valuable compounds was developed,
namely 2-pyrones, γ-alkylidenebutenolides and 1,3-cyclopentanedione derivatives. All
compounds could be obtained from the same starting materials, 4-hydroxy-2-cyclopentenone
and its derivatives, which are readily available from renewable resources. This underlines that 4-hydroxy-2-cyclopentenones are useful and reliable platform chemicals for fine chemical synthesis.
Translation of the abstract (German)
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese von wertvollen Chemikalien ausgehend von erneuerbaren Ressourcen. Alle Synthesen beginnen mit 4-Hydroxy-2-cyclopentenon und dessen Derivaten, welche leicht aus Furfural, das aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten wie Kleie und Bagasse gewonnen wird, mit Hilfe einer unkomplizierten Reaktionssequenz erhalten werden kann. Reduktion von Furfural ...
Translation of the abstract (German)
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese von wertvollen Chemikalien ausgehend
von erneuerbaren Ressourcen. Alle Synthesen beginnen mit 4-Hydroxy-2-cyclopentenon und dessen Derivaten, welche leicht aus Furfural, das aus landwirtschaftlichen
Abfallprodukten wie Kleie und Bagasse gewonnen wird, mit Hilfe einer unkomplizierten
Reaktionssequenz erhalten werden kann. Reduktion von Furfural ergibt Furfurylalkohol, welcher mit Hilfe der Piancatelli-Umlagerung in einem Mikroreaktor in
4-Hydroxy-2-cyclopentenon überführt wird. Deshalb stellen 4-Hydroxy-2-cyclopentenon und
dessen Derivate einen zentralen Baustein in dieser Dissertation dar.
Im ersten Kapitel wurden verschiedene substituierte 2-Pyrone aus 4-Hydroxy-2-cyclopentenon und dessen Derivaten synthetisiert, wobei die thermische Umlagerung von
Cyclopentadienonepoxiden zu 2-Pyronen als Schlüsselschritt genutzt wurde.Es war möglich unsubstituiertes 2-Pyron mit Hilfe einer kurzen Reaktionssequenz im Multigrammmaßstab mit hoher Ausbeute und Reinheit zu erhalten. Die Verwendung einer ähnlichen Reaktionssequenz ermöglichte die Synthese 6-substituierter Alkyl-2-pyrone in exzellenten Ausbeuten. Zusätzlich konnte 4-Hydroxy-2-cyclopentenon mit Hilfe einer Baylis-Hillman Reaktion und verschiedenen Aldehyden in diverse 6-substituierte α-Hydroxyalkyl-2-pyrone überführt werden. Die so erhaltenen Verbindungen enthalten eine α-Hydroxyalkylseitenkette, die eine Fülle an Transformationen erlaubt. Racematspaltung lieferte Zugang zu enantiomerenreinen 2-Pyronen. Alternativ lieferte die Eliminierung der α-Hydroxygruppe Zugang zu natürlich vorkommendem Sibirinon und verwandten Naturstoffen. Oxidation der α-Hydroxygruppe ergab die entsprechenden Carbonylverbindungen und dies wurde für die Synthese von natürlich vorkommendem Gibepyron F nach der Einführung eines Methylsubstituenten in 3-Position genutzt. Die Anwendung einer anderen Strategie zur Synthese von 5-substituierten 2-Pyronen ergab ein Gemisch aus 3- und 5-substituierten 2-Pyronen, was mit einer sigmatropen [1,5] H-Verschiebung erklärt werden konnten.
Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit der nachhaltigen Oxidation von 4-Hydroxy-2-cyclopentenon zum Dion, das für die Synthese der Enolester verwendet wurde. Untersuchungen der Reaktivität dieser Enolester zeigten, dass sie eine interessante Umlagerung in der FVT eingehen. Die entstandenen γ-Alkylidenebutenolide sind hochinteressante neue Verbindungen mit einer hohen Dichte an funktionellen Gruppen. Nach intensiver Untersuchung der Reaktion und ihrer Bedingungen wurde ein plausibler Mechanismus für die Umlagerung vorgeschlagen. Zusätzlich wurde eine breite Auswahl an Estern synthetisiert und zu den entsprechenden γ-Alkylidenebutenoliden umgelagert. Die γ-Alkylidenebutenolide wurden als E/Z-Mischung erhalten in einer Gesamtausbeute von ca. 30%, welche chromatographisch getrennt werden konnten.Das letzte Kapitel konzentriert sich auf die Ruthenium katalysierte Redoxisomerisierung von
verschiedenen 4-Hydroxy-2-cyclopentenonen zu 1,3-Cyclopentandionderivaten in
Wasser. Diese Diketonderivate sind sehr wertvolle Verbindungen für die
Synthese von diversen komplexen organischen Molekülen und es sind nicht viele Vorschriften
für deren Synthese berichtet. Die Redoxisomerisierung erwies sich als geeignet für
unsubstituiertes 4-Hydroxy-2-cyclopentenonen und für Derivate mit Substitution in
5-Position, welche die entsprechenden Diketone in bis zu 91% Ausbeute lieferte.
Jedoch, erwies sich die Reaktion als abhängig von der sterischen Hinderung der Substituenten,
da kleinere Substituenten die besten Ergebnisse für die Isomerisierung lieferten.Zusammenfassend wurde eine effiziente synthetische Strategie zur Synthese verschiedener
wertvoller Verbindungen wie 2-Pyrone, γ-Alkylidenebutenolide und
1,3-Cyclopentandionderivate entwickelt. Alle Verbindungen konnten von denselben
Startmaterialien, 4-Hydroxy-2-cyclopentenon und dessen Derivaten, welche leicht aus erneuerbaren Ressourcen erhalten werden können, gewonnen werden. Dies unterstreicht, dass 4-Hydroxy-2-cyclopentenone nützliche und zuverlässige Plattformchemikalien für die Feinchemikaliensynthese darstellen.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 21:22
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