New Chiral Carbene Precursors for Catalysis and Chiral Recognition [Elektronische Ressource] = Neue Chirale Carbenvorläufer für die Katalyse und für die Chirale Erkennung / Sobia Tabassum

Description

New Chiral Carbene Precursors for Catalysis and Chiral Recognition Doctoral Thesis Sobia Tabassum New Chiral Carbene Precursors for Catalysis and Chiral Recognition Neue Chirale Carbenvorläufer für die Katalyse und für die Chirale Erkennung DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften vorgelegt von Sobia Tabassum aus Pakistan/Faisalabad genehmigt von der Fakultät für Natur) und Materialwissenschaften der Technischen Universität Clausthal Tag der mündlichen Prüfung: 9 April 2010 Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Organische Chemie der Technischen Universität Clausthal im Arbeitskreis von Prof. Dr. R. Wilhelm durchgeführt. Dekan: Prof. Dr. Albrecht Wolter Referent: Prof. Dr. Dieter E. Kaufmann Koreferent: Prof. Dr. René Wilhelm Hiermit erkläre ich an Eides Statt, dass ich die bei der Fakultät für Natur) und Materialwissenschaften der Technischen Universität Clausthal eingereichte Dissertation selbständig und ohne unerlaubte Hilfe verfasst und die benutzten Hilfsmittel vollständig angegeben habe.. Sobia Tabassum Hiermit erkläre ich an Eides Statt, dass die eingereichte Dissertation weder in Teilen noch in Ihrer Gesamtheit einer anderen Hochschule zur Begutachtung vorliegt oder vorgelegen hat und dass ich bisher noch keinen Promotionsversuch unternommen habe.

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• Publié par: technische_universitat_clausthal
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 59
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

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Neue Chirale Carbenvorläufer für die Katalyse und für die Chirale Erkennung

DISSERTATION

zur Erlangung des Grades einer

Doktorin der Naturwissenschaften

vorgelegt von

Sobia Tabassum

aus Pakistan/Faisalabad

genehmigt von der

Fakultät für Natur und Materialwissenschaften

der Technischen Universität Clausthal

Tag der mündlichen Prüfung: 9 April 2010

Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Organische Chemie der Technischen Universität Clausthal im Arbeitskreis von Prof. Dr. R. Wilhelm durchgeführt.

Dekan:

Referent:

Koreferent:

Prof. Dr. Albrecht Wolter

Prof. Dr. Dieter E. Kaufmann

Prof. Dr. René Wilhelm

Hiermit erkläre ich an Eides Statt, dass ich die bei der Fakultät für Natur und Materialwissenschaften der Technischen Universität Clausthal eingereichte Dissertation selbständig und ohne unerlaubte Hilfe verfasst und die benutzten Hilfsmittel vollständig angegeben habe..

Sobia Tabassum

Hiermit erkläre ich an Eides Statt, dass die eingereichte Dissertation weder in Teilen noch in Ihrer Gesamtheit einer anderen Hochschule zur Begutachtung vorliegt oder vorgelegen hat und dass ich bisher noch keinen Promotionsversuch unternommen habe.

Sobia Tabassum

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 The thesis presents the development and application of new enantiopure chiral carbene precursors. Two new different types of chiral carbene precursors were prepared. The first type includes enantiopure unsymmetricalNheterocyclic based zwitterions incorporating alkylsulphonate or sulphamidate substituents. To date there have been only a few reports of imidazolium salts incorporating anionic substituents such as carboxylate, sulphonate, amide, or phosphonate groups. The second type are camphor based monodentate as well as bidentate carbene precursors. Camphor is a cheap desirable starting material from the chiral pool, yet only a few carbene precursors have been reported so far. The carbene precursors from this source were evaluated in asymmetric synthesis.

The presented thesis is divided into three parts,Introduction,Results and Discussion and Experimental.

 In theIntroduction, an overview of the field of organocatalysis is given. Main highlights are a brief history, types of organocatalysts, modes of interaction and recent applications.

 In the first part of theResults and Discussion, the preparation of nucleophilic chiral carbene precursors is described.NHeterocyclic carbene precursors based zwitterions having chiral centers in the backbone or side arms were synthesized. Also different types of camphor based carbene precursors were prepared from camphor diamine. These include carbene precursors with either nitrogen atoms having the same or different substituents. Bidentate camphor carbene precursors containing pyridine as another ligating group were also prepared. The last type of precursors includes different sterically demanding bulky substituents at the nitrogen atoms.

 The second part ofResults and Discussiondeals with the application of carbene precursors in different catalytic reactions. The imidazolinium based zwitterions were used in catalysis. The first application was the allylation of aldehydes. The optimization of this reaction involved the screening of the new ligands with different reaction conditions such as additives, temperature and solvents. Other reactions catalyzed with zwitterion ions were the TMSCN and TMSCF 3 addition to aldehydes. The reaction of ketenes and imines, the Staudinger reaction, was also catalyzed by imidazolinium based zwitterions.

 The camphor based carbene precursors were used for the [2+2] cycloaddition reaction of ketenes and aldehyde, the Wynberg Reaction. The latter provides access toβlactones in high enantioselectivity in up to 92% and excellent yield in up to 95%.

 In addition, alkali metal hexamethyldisilazane amides that are commonly used as strong bases for deprotonation are reported as Lewis base catalysts for achiralβlactones. The reaction was found to proceed with 0.1 eq. of MHMDS in quantitative yields.

 Furthermore imidazolinium based zwitterions proved as versatile chiral shift reagents for Mosher´s acid, alcohols, cyanohydrins, amino alcohols, nitro alcohols, thiols and carboxylic acids.

 Finally, in theExperimental detailed procedures for the preparation of the described compounds and their characterization are given.

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Die Arbeit behandelt die Entwicklung und Anwendung neuer, enantiomerenreiner chiraler Carbenvorstufen. Zwei unterschiedliche Typen wurden dabei synthetisiert. Die erste Art beinhaltet enantiomerenreine, unsymmetrischeNheterocyclische Carbene, die auf Zwitterionen mit Alkyl sulphonat bzw. Sulphamidatsubstituenten fußen. Arbeiten über Imidazoliumsalze, die anionische Strukturinkremente wie Carboxylat, Sulphonat, Amid oder Phosphonatgruppen enthalten, sind bis heute eher selten. Die zweite Gruppe beruht auf Campherbasierenden einzähnigen bzw. zweizähnigen Liganden. Obwohl es sich bei Campher um ein kostengünstiges Startmaterial aus demchiral pool handelt, sind bislang nur wenige Artikel mit auf Campherbasierenden Carbenvorstufen veröffentlicht worden. Diese Vorläufer wurden in Reaktionen der asymmetrischen Synthese getestet.

Die vorgelegte Arbeit ist in drei Bereiche gegliedert:Einleitung,Ergebnisse und Auswertung und Experimentalteil.

DieEinleitunggibt dabei einen Überblick über das Feld der Organokatalyse. Hauptpunkte sind dabei ein kurzer geschichtlicher Überblick, die verschiedenen Klassen von Organokatalysatoren, unterschiedliche Aktivierungsmodi der Katalysatoren und neuere Anwendungen.

Im ersten Teil vonErgebnisse und Auswertung wird die Darstellung nukleophiler chiraler Carbenvorläufer beschrieben. Die synthetisierten zwitterionischenNheterocyclischen Vorstufen besitzen dabei chirale Zentren im Rückgrat oder in Seitenketten. Ausgehend von Campherdiamin wurden verschiedene Carbenvorläufer dargestellt, die sowohl unterschiedliche als auch gleicheNSubstituenten beinhalten. Zudem wurden zweizähnige Carbenvorstufen mit Pyridin als Ligatorgruppe synthetisiert. Die letzte Form der Carbenvorstufen beinhaltet Strukturen mit verschieden sterisch anspruchsvollen Substituenten an den Stickstoffatomen.

Der zweite Teil vonErgebnisse und Auswertungdie Anwendung der dargestellten behandelt Carbenvorstufen in diversen katalytischen Reaktionen, im Besonderen der Einsatz von auf Imidazolium basierenden Zwitterionen, z.B. in der Allylierung von Aldehyden. Die Optimierung dieser Reaktion machte ein Screening der dargestellten Liganden mit einer Vielzahl von Reaktionsparametern wie unterschiedlichen Additiven, aber auch verschiedene Reaktionstemperaturen und Lösungsmittel, nötig. Andere durch Zwitterionen katalysierte Reaktionen waren die TMSCN und TMSCF 3 Addition an Aldehyde. Auch die StaudingerReaktion, die Reaktion von Iminen mit Ketenen, wurde ebenfalls durch Zwitterionen mit Imidazoliumbasis katalysiert.

Die Campherbasierten Carbenvorstufen wurden in der [2+2]Cycloaddition von Ketenen mit Aldehyden (WynbergReaktion) eingesetzt. Diese ermöglicht den Zugang zu β Lactonen in hoher Enantioselektivität (bis zu 92% ee) und ausgezeichneter Ausbeute bis zu 95%.

Darüber hinaus konnten Alkalimetallhexamethyldisilazanamide als Lewisbasekatalysatoren in der quantitativen Darstellung von β Lactonen, bereits unter einer Beteiligung von 0.1 eq MHMDS, eingesetzt werden. Diese Amide finden normalerweise Anwendung als starke Basen für Deprotonierungen.

Auf Imidazoliumbasierende Zwitterionen kristallisierten sich als vielseitige chirale Shiftreagenzien für Moshers Säure, Alkohole, Cyanhydrine, Aminoalkohole, Nitroalkohole, Thiole und Carbonsäuren heraus.

DerExperimentalteil gibt abschließend eine genaue Übersicht über die Synthesemethoden der dargestellten Chemikalien und deren Charakterisierung.

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 In the first, Uncountable thanks to “Almighty Allah” and gratitude for all His blessings and opportunity to complete this work.

 Words would hardly express my feelings of gratitude for the kind support and valuable scientific guidance I received from Prof. Dr. Rene Wilhelm. His research experience, discussions and talented scientific attitude were a great source of inspiration during the course of this work.

 I would appreciate my husband Mazhar for his great help during my Ph.D work. He is kind and cooperative enough to provide me the assistance during my research work. He helped in thesis writing, pointed out the mistakes and gave nice suggestions. I would like to thank for Andreas Winkel for translation of the abstract to German. I am greatly thankful to myparents , sisters, brothers and relatives who encouraged me to seek higher education and also always provided me moral support.

 I am thankful to Prof. Dr. Dieter Kaufmann for being coreferee of this work. I am also obliged to Prof. Dr. Schmidt for measuring ESIMS, Dr. Namyslo, Monika and Birgit for measuring NMR spectra and Dr. Dräger from University of Hannover for HRMS measurement.

 It would be my pleasure to remember my colleagues Dr. Oksana, Dheeraj, Andreas, Dr. Reddy and Dr. Purna for their company in the institute. I am also grateful to all the members of the Institute; it was a pleasure to work with you. I am thankful to all my previous colleagues especially to Nayab, Shahnaz, Dr. Nuzhat and Dr. Shagufta for sparing time to talk with me and also encouraging and motivating me.

 Finally, I would like to thank Higher Education Commission, Pakistan and Deutscher Akademischer Austausch Dienst (DAAD) for a generous scholarship.

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δ Chemical shift °C Temperature in degree centigrade Ac Acetyl Ad Adamantyl AIBN Azobisisobutyronitrile aq. Aqueous Ar Aryl ARCM Asymmetric ringclosing metathesis BARF Tetrakis[(3,5trifluoromethyl)phenyl]borate BINAP 2,2'Bis(diphenylphosphino)1,1'binaphthyl BINOL 1,1'Bi2naphthol Bn Benzyl BoctertButoxycarbonyl bp Boiling point br Broad bs Broad singlet Bu Butyl BuLi Butyllithium c Concentration Calcd Calculated CHCl 3 Chloroform CI Chemical Ionization cm Centimeter Cod Cyclooctadiene Cy Cyclohexyl d Doublet DABCO 1,4Diazabicyclo[2.2.2]octane DBU Diazabicyclo[5.4.0]undec7ene DCE Dichloroethene CH 2 Cl 2  Dichoromethane dd Doublet doublet ddd Doublet doublet doublet deDiastereomeric excess DIBALH Diisobutylaluminium hydride v

DIPEA DMA DMAD DMAP DME DMEA DMF DMSO dr ee EI eq. ESI et al. Et 2 O EtOH eV FCC g h HMDS HOMO HPLC HRMS HSQC Hz hν i IL IMe IMes IPA IPr iPr iPrOH IR

N,NDiisopropylethylamine N,NDimethylacetamide Dimethyl acetylenedicarboxylate 4Dimethylaminopyridine 1,2Dimethoxyethane Dimethylethanolamine N,NDimethylformamide Dimethylsulfoxide Diastereomeric ratio Enantiomeric excess Electron impact Equivalent Electron spray ionisation et alii(‘and others’) Diethyl ether Ethanol Electron volt Flash column chromatography Gram Hour Hexamethyldisilazane Highest occupied molecular orbital High pressure liquid chromatograpy High resolution mass spectroscopy Heteronuclear single quantum coherence Hertz Irradiation with light Iso Ionic liquid 1,3Dimethylimidazole2ylidene 1,3Bis(2,4,6trimethylphenyl)imidazole2ylidene 2Propanol 1,3Bis(2,6diisopropylphenyl)imidazole2ylidene Isopropyl Isopropanol Infrared vi

J Coupling constant KHMDS Potassium hexamethyldisilazane t KO Bu Potassiumtertbutoxide L Litre LAH Lithium aluminium hydride LDA Lithium diisopropylamide LiHMDS Lithium hexamethyldisilazane LUMO Lowest unoccupied molecular orbital M Molar (mol/L) m Multiplet m/e Mass to charge ratio m/z Mass to charge ratio Me Methyl MeCN Acetonitrile MeOH Methanol MHz Megahertz min Minute (Minutes) mmol Millimole mol Mole mp Melting point MS Mass spectroscopy NaHMDS Sodium hexamethyldisilazane NaOTMS Sodium trimethylsilanolate Naphth Naphthyl NBANBromoacetamide NBSNBromosuccinimide nBuLinButyllithium NHCNHeterocyclic carbene(s) NMR Nuclear magnetic reasonance oOrtho oDCB 1,2Dichlorobenzene o(Ns 2Nitrobenzenesulfonyl onosyl) pPara Ph Phenyl PhMe Toluene PhSH Thiophenol vii