The aim of this work was the development of ring opening reactions of fused cyclopropanes. The substrate scope of the Rh-catalyzed cyclopropanation was expanded to include cyclic ethers, carbocycles, heterocycles and more. Additionally, the enantioselective cyclopropanation of substituted 2,3-dihydrofurans was developed, using the well-known catalyst Rh₂(R-DOSP)₄ and allowing for ee values of up ...
Abstract (English)
The aim of this work was the development of ring opening reactions of fused cyclopropanes. The substrate scope of the Rh-catalyzed cyclopropanation was expanded to include cyclic ethers, carbocycles, heterocycles and more. Additionally, the enantioselective cyclopropanation of substituted 2,3-dihydrofurans was developed, using the well-known catalyst Rh₂(R-DOSP)₄ and allowing for ee values of up to 78%. These vinylcyclopropanes are known to undergo the vinylcyclopropane rearrangement to give cyclopentenes. Previously established procedures relied on harsh reaction conditions, whereas the developed procedure allowed for mild and facile rearrangement of a wide variety of vinylcyclopropanes using only 5 mol% of Yb(OTf)₃ at 62 °C, with no chromatography needed in most cases. The method was shown to be versatile, catalyzing the transformation of vinylcyclopropanes fused to cyclic ethers, carbocycles and N-heterocycles, as well as non-cyclic systems in yields of up to 95%. The well-known lactonization was performed on closely related cyclopropanes by both Reiser et al. and Theodorakis et al. on monosubstituted cyclopropanes. The conditions were optimized for the vinylcyclopropanes and the lactones could be obtained in yields of up to 91% as a mixture of 2 diastereomers. An oxygen atom in α-position to the cyclopropane is needed in this case. When the vinyl moiety was substituted with a methyl group, equilibration to the α,β-lactone was achieved with NEt₃. The attempted enantioselective lactonization of the geminal substituted cyclopropanes showed promising beginning results. Enantiomeric excess of up to 16% on one diastereomer could be obtained. Finally, the previously developed photoredox catalyzed reaction to hexahydro[2,3b]furans via an interrupted Nicewicz rearrangement was further developed and investigated. The yield was improved to up to 75%. The mechanistic proposal was supported by various experiments including isolation of intermediates, time-resolved UV-Vis spectroscopy and DFT calculations. The diastereoselectivity is low, and attempts to solve this by using CPAs was unfruitful. Finally, aryl acetate cyclopropanes were subjected to an NIS-mediated rearrangement. This yielded formyl esters in up to 61% yield, which could be further transformed to lactones.
Translation of the abstract (German)
Das Ziel dieser Arbeit war die Erforschung und Entwicklung von Ringöffnungsreaktionen von anellierten Cyclopropanen. Die Rh-katalysierten Cyclopropanierung wurde um eine große Anzahl Substrate erweitert, um cyclische Ether, Carbocyclen, Heterocyclen und komplexere Bizyklen einzuschließen. Zusätzlich wurde die enantioselektive Cyclopropanierung von substituierten 2,3-Dihydrofuranen entwickelt, ...
Translation of the abstract (German)
Das Ziel dieser Arbeit war die Erforschung und Entwicklung von Ringöffnungsreaktionen von anellierten Cyclopropanen. Die Rh-katalysierten Cyclopropanierung wurde um eine große Anzahl Substrate erweitert, um cyclische Ether, Carbocyclen, Heterocyclen und komplexere Bizyklen einzuschließen. Zusätzlich wurde die enantioselektive Cyclopropanierung von substituierten 2,3-Dihydrofuranen entwickelt, wobei der bekannte Katalysator Rh₂(R-DOSP)₄ in 0,5 mol% verwendet wurde und ee-Werte von bis zu 78% ermöglichte. Diese Vinylcyclopropane können in der sogenannten Vinylcyclopropan-Umlagerung Cyclopentene bilden. Früher etablierte Verfahren beruhen auf harten Reaktionsbedingungen wie giftigen Reagenzien oder hohen Temperaturen. Das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren ermöglichte eine milde und einfache Umlagerung einer Vielzahl von Vinylcyclopropanen unter Verwendung von nur 5 mol% Yb(OTf)₃ bei 62 °C, wobei in den meisten Fällen keine Chromatographische Trennung erforderlich war. Die Methode erwies sich als vielseitig und katalysierte die Umwandlung von Vinylcyclopropanen, die mit cyclischen Ethern, Carbocyclen und N-Heterocyclen anelliert waren, sowie nicht-zyklischen Systemen in Ausbeuten von bis zu 95%. Eine weitere bekannte Reaktion von Cyclopropanen ist die Lactonisierung der Estergruppe. Diese Reaktion wurde an ähnlichen Cyclopropanen sowohl von Reiser et al. als auch von Theodorakis et al. an monosubstituierten Cyclopropanen durchgeführt. Die Bedingungen wurden für die Vinylcyclopropane optimiert, und die Lactone konnten in Ausbeuten von bis zu 91% als Gemisch von 2 Diastereomeren erhalten werden. Ein Sauerstoffatom in α-Position zum Cyclopropan ist in diesem Fall erforderlich, und Stickstoffheterocyclen waren unreaktiv. Wenn die Vinylgruppe mit einer Methylgruppe substituiert war, konnte die Äquilibration zum α,β-Lacton mithilfe von NEt₃ erreicht werden. Gleichzeitig wurde versucht, geminal substituierte Cyclopropane enantioselektiv zu lactonisieren, was vielversprechende Anfangsergebnisse zeigte. Ein ee von bis zu 16% bei einem Diastereomer konnte erzielt werden. Schließlich wurde die zuvor entwickelte photoredox-katalysierte Reaktion zu Hexahydro[2,3b]furanen über eine unterbrochene Nicewicz-Umlagerung weiterentwickelt und untersucht. Die Ausbeute wurde auf bis zu 75% verbessert. Der vorgeschlagene Mechanismus wurde durch verschiedene Experimente unterstützt, einschließlich der Isolierung von Intermediaten, zeitaufgelöster UV-Vis-Spektroskopie und DFT-Berechnungen. Die Diastereoselektivität ist gering, und der Versuch, dies durch den Einsatz von CPAs zu lösen, war nicht erfolgreich. Schließlich wurden Arylacetatcyclopropane einer NIS-vermittelten Umlagerung unterzogen. Dies führte zu Formylestern in einer Ausbeute von bis zu 61%, die weiter zu Lactonen umgewandelt werden konnten.
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