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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-768896
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.76889
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 8 Juli 2025 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Alexander Breder |
| Tag der Prüfung: | 25 April 2025 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Organische Chemie > Arbeitskreis Prof. Dr. Alexander Breder |
| Stichwörter / Keywords: | Selenium, Nucleofugal modulation, Photoaerobic selenium catalysis, Semipinacol rearrangement, Migratory Tsuji-Wacker oxidation. |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 76889 |
Zusammenfassung (Englisch)
The aim of the work in Part I was to alter the eliminative reactivity of selenium residue to the substitution using SET in the combination with OH…Se H-bond interactions under photoaerobic conditions. In contrast to the conventional conditions that utilize stoichiometric or excess of external chemicals to generate highly oxidized Se (IV) species for the desired elimination, this work enabled ...
Zusammenfassung (Englisch)
The aim of the work in Part I was to alter the eliminative reactivity of selenium residue to the substitution using SET in the combination with OH…Se H-bond interactions under photoaerobic conditions. In contrast to the conventional conditions that utilize stoichiometric or excess of external chemicals to generate highly oxidized Se (IV) species for the desired elimination, this work enabled substrate selenides to go through the substitution path with light and HFIP as a strong H-bond-donating solvent via Se (III) intermediate.
The crucial H-bond within the selenohydrin molecules was observed by NMR studies, showing strong magnetization transfer throughout H…Se bond. And MD simulations showed an envelope-like conformation of selenohydrin with short distance between H and Se atoms, which could further explain its sustainable, covalent bonding character to modulate the reactivity of the selenium residue. These unique characteristics were detected also in acyclic systems, even in the non-substituted selenohydrin, which could broaden the substrate scope with high yields in this methodology. Combined with the results of transient absorption spectroscopy, EPR studies, and DFT calculations, plausible reaction pathway including SET, mesolytic cleavage of C―Se bond, and rearrangement was elucidated.
While Part I demonstrates stoichiometric transformation of selenium substrates to the diarylmethanes (DAMs), Part II deals with a fully catalytic and enantioselective transformation of unactivated olefins to DAMs. With the knowledge that selenohydrins in HFIP could occur the rearrangement under photocatalytic conditions, direct transformation from olefins to DAMs via in situ generated selenohydrins was conducted with Denmark-type chiral selenium catalyst. The feasibility of the catalytic reaction under the photoaerobic catalysis of diselenide developed by the Breder group was first verified, and its enantioselective reactions were then performed.
During the screening of chiral catalysts, the reaction temperature significantly affected the ee values of the products. At this point, the suspected π-π interaction between substrate and catalyst was investigated by introducing various substituents with different π-stacking capacites on the ester group of the chiral selenium catalyst, and it turned out to be critical to have 2-naphthyl group. Under the title conditions, various substrates were well-tolerated including heteroatom-incorporated substrates such as B, N, S, and Si, maintaining high ee values. During the investigation of α-alkyl variants, substrates with free halide and even triple bond showed high ee values with acceptable yields while substrates with branched alkyl units such as cyclopropyl and cyclohexyl did not react, indicating that steric of α-position of the substrate is critical for the attack of the selenium catalyst.
One of the important aspects of this reaction is that opposite enantiomer can be obtained under the same chiral catalyst when two aryl groups within the olefin are switched. And through mechanistic studies on the reactivity of E- or Z-olefin towards the chiral selenium catalyst showed that product formation was irrelevant to the configuration of olefins, which can be a very powerful tool for asymmetric synthesis. Additionally, computational studies have revealed that a seleniranium intermediate with highest free energy is transformed into major enantiomer throughout consecutive equilibrium during the reaction process, following Curtin-Hammett principle. These results are corroborated not only by diverse reaction examples, but also by the results from the reaction with the enantiomer of the optimal chiral selenium catalyst on the model substrate.
In conclusion, nucleofugal modulation of selenium residue under photoaerobic conditions assisted by HFIP permitted the substitution reaction, which was not easily accessible by conventional chemical activation. Subsequently, using the key profile of the reaction, unprecedented synthesis of chiral DAMs was realized from unactivated olefins by fully catalytic and stereoselective control of the chiral selenium catalyst. And this resulted in a broad substrate scope and good functional tolerance with high ee values despite the competitive background reactivity under aerobic conditions.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Ziel der Arbeit in Teil I war es, die Eliminierungsreaktivität des Selenrests zugunsten einer Substitutionsreaktion unter Verwendung eines SET-Mechanismus (Single Electron Transfer) in Kombination mit OH…Se-Wasserstoffbrückenbindungen unter photoaeroben Bedingungen zu modifizieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die stöchiometrische Mengen oder Überschüsse externer Oxidationsmittel zur ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Ziel der Arbeit in Teil I war es, die Eliminierungsreaktivität des Selenrests zugunsten einer Substitutionsreaktion unter Verwendung eines SET-Mechanismus (Single Electron Transfer) in Kombination mit OH…Se-Wasserstoffbrückenbindungen unter photoaeroben Bedingungen zu modifizieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die stöchiometrische Mengen oder Überschüsse externer Oxidationsmittel zur Erzeugung hochoxidierter Se(IV)-Spezies für die gewünschte Eliminierung erfordern, ermöglicht diese Arbeit die Substitution von Selenidsubstraten durch Lichtaktivierung in HFIP, einem starken Wasserstoffbrückendonator, über Se(III)-Intermediate.
Entscheidende H-Brücken innerhalb der Selenohydrin-Moleküle wurden durch NMR-Untersuchungen bestätigt, die eine starke Magnetisierungstransferwirkung entlang der H…Se-Bindung zeigten. Molekulardynamische Simulationen ergaben eine kuvertartige Konformation des Selenohydrins mit geringer H–Se-Distanz, was auf eine nachhaltige, kovalente Wechselwirkung hinweist, die die Reaktivität des Selenrests entscheidend beeinflusst. Diese einzigartigen Eigenschaften wurden auch in azyklischen Systemen, selbst bei nicht-substituierten Selenohydrinen, festgestellt, was eine breite Substratvielfalt mit hohen Ausbeuten innerhalb dieser Methodik ermöglicht. Mithilfe von Ergebnissen aus transienter Absorptionsspektroskopie, EPR-Messungen und DFT-Berechnungen konnte ein plausibler Reaktionsmechanismus, bestehend aus SET, mesolytischem C–Se-Bindungsbruch und Umlagerung, aufgeklärt werden.
Während Teil I eine stöchiometrische Umwandlung von Selen-Substraten zu Diarylmethanen (DAMs) beschreibt, widmet sich Teil II einer vollständig katalytischen und enantioselektiven Transformation unaktivierter Olefine zu DAMs. Aufbauend auf der Erkenntnis, dass sich Selenohydrine in HFIP unter photokatalytischen Bedingungen umlagern können, wurde die direkte Umwandlung von Olefinen zu DAMs über in situ generierte Selenohydrine mithilfe eines chiralen Seleniumkatalysators vom Denmark-Typ realisiert. Die Reaktionsfähigkeit unter photoaeroben Bedingungen wurde zunächst nach dem diselenidbasierten Katalyseprinzip der Breder-Gruppe geprüft, bevor enantioselektive Reaktionen durchgeführt wurden.
Bei der Untersuchung chiraler Katalysatoren zeigte sich ein signifikanter Einfluss der Reaktionstemperatur auf die ee-Werte der Produkte. Der vermutete π-π-Wechselwirkungseffekt zwischen Substrat und Katalysator wurde durch Variation der Substituenten am Esterrest untersucht. Es stellte sich heraus, dass eine 2-Naphthylgruppe entscheidend für hohe Enantioselektivität war. Unter optimierten Bedingungen wurden verschiedenste Substrate – einschließlich solcher mit Heteroatomen wie B, N, S und Si – mit hohen ee-Werten toleriert. Bei α-alkylierten Varianten lieferten Halogen- und Alkine substituierte Substrate gute Ausbeuten und hohe Enantioselektivitäten, während sterisch anspruchsvolle Substrate wie Cyclopropyl- und Cyclohexyl-Derivate inaktiv blieben – ein Hinweis auf die wichtige Rolle des sterischen Anspruchs in α-Position für die Angriffsreaktion des Katalysators.
Ein bemerkenswerter Aspekt dieser Reaktion ist, dass unter Verwendung desselben chiralen Katalysators jeweils das entgegengesetzte Enantiomer erhalten werden kann, wenn die beiden Arylgruppen innerhalb des Olefins vertauscht werden. Mechanistische Studien zur Reaktivität von E- und Z-Olefinen zeigten, dass die Produktbildung unabhängig von der Konfiguration des Olefins verläuft – ein bedeutender Vorteil für die asymmetrische Synthese. Weiterhin zeigten quantenchemische Untersuchungen, dass das Seleniranium-Intermediat mit dem höchsten freien Energiegehalt über aufeinanderfolgende Gleichgewichte bevorzugt zum Hauptenantiomer überführt wird – entsprechend dem Curtin-Hammett-Prinzip. Diese Ergebnisse wurden nicht nur durch zahlreiche Reaktionsbeispiele, sondern auch durch die Verwendung des Enantiomers des optimalen chiralen Seleniumkatalysators bestätigt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die durch HFIP unterstützte photoaerobe Modulation der nukleofugalen Eigenschaften des Selenrests eine Substitution ermöglichte, die unter klassischen Bedingungen nur schwer zugänglich ist. Aufbauend auf diesem Schlüsselaspekt konnte eine neuartige, vollständig katalytische und stereoselektive Synthese chiraler DAMs aus unaktivierten Olefinen realisiert werden – mit breitem Substratspektrum, hoher funktioneller Toleranz und ausgezeichneten ee-Werten trotz konkurrierender Reaktivität unter aeroben Bedingungen.
Metadaten zuletzt geändert: 08 Jul 2025 08:49
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