Kaskadenreaktionen von Nitrogruppen und die Synthese, Charakterisierung sowie Anwendung N-aromatischer $N,N$-Diborane

Gerbershagen, Max; Albrecht, Markus; Niggemann, Meike

doi:44885

Kaskadenreaktionen von Nitrogruppen und die Synthese, Charakterisierung sowie Anwendung N-aromatischer $N,N$-Diborane = Cascade reactions of nitro groups and the synthesis, characterisation and application of N-aromatic $N,N$-diboranes

Gerbershagen, Max^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Max Gerbershagen, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Niggemann, Meike (Thesis advisor)^RWTH* ; Albrecht, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10328
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1022880/files/1022880.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aminoborane (frei) ; Kupferkatalyse (frei) ; N-Funktionalisierung (frei) ; N-functionalization (frei) ; Nitroverbindungen (frei) ; aminoboranes (frei) ; copper catalysis (frei) ; nitro compounds (frei) ; organocatalytic systems (frei) ; organokatalytische Systeme (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Nitroverbindungen sind leicht zugängliche Substrate zur Synthese hochwertiger stickstoffhaltiger Verbindungen, wie Aminen, Amiden oder N-Heterozyklen. Die direkte, reduktive Stickstofffunktionalisierung von Nitroverbindungen stellt allerdings eine Herausforderung dar. Ihre Reduktion verläuft über hochreaktive Intermediate, wie der Nitroso-Zwischenstufe, wodurch es zu unerwünschten Nebenreaktionen kommen kann. Um eine hohe Chemoselektivität zu gewährleisten, ist es notwendig den Mechanismus der entsprechenden Reaktion zu verstehen und die aufkommenden Intermediate unter Kontrolle zu bringen. Der Einsatz von Bor-Verbindungen hat sich diesbezüglich als besonders effizient erwiesen und wird im Rahmen dieser Dissertation über drei unterschiedliche Herangehensweisen weitgehender untersucht. Die erste Untersuchung beinhaltet eine kupferkatalysierte C-N-Kupplungsmethode mit Allylboronsäureestern, bei welcher die Reaktivität des kritischen Nitroso-Intermediats mittels Koordination an Kupfer kontrolliert wird. Dadurch kann bei der Kupplung mit alpha,alpha-disubstituierten Allylboronsäureestern eine besonders hohe Regioselektivität am Stickstoff für den mehrfach substituierten Kohlenstoff erzielt werden, was durch einen hohen Anwendungsbereich dieser Methode dargelegt wurde. Die zweite Untersuchung umfasst die elektrophile Aminierung von Organohaliden mit Nitroverbindungen. Dabei kann die Nitrogruppe durch in situ gebildete Zinkorganyle und B2pin2, statt zum Nitroso-Intermediat, direkt zu einem Nitrenoid umgesetzt werden, welches die Reaktivität eines Stickstoff-Elektrophils aufweist. Das Nitrenoid wurde in dieser Arbeit auf die Reaktivität mit Prenylzink-Verbindungen untersucht. Auf diese Weise konnten insbesondere aromatische Nitroverbindungen über einen neuartigen Reaktionsschritt selektiv mit dem bei Prenylzink-Verbindungen schwer zugänglichen alpha-Kohlenstoff gekuppelt werden, wodurch biorelevante N-Prenylamine erhalten wurden. Die dritte Untersuchung umfasst die Synthese, Charakterisierung und Anwendung von N-aromatischen N,N-Diboranen. Für diese Verbindungsklasse gibt es bislang keine allgemeine Syntheseroute, da diese Verbindungsklasse als sehr instabil gilt. Die erfolgte Synthese basiert ebenfalls auf dem Einsatz von über B2pin2 und Nitroaromaten generierten Nitrenoiden. Mit diesen konnte auch die elektrophile Aminierung von Bpin-Nukleophilen realisiert werden. Nach diesem Mechanismus wurden gleich zwei effiziente Synthesen in dieser Arbeit entwickelt. Einerseits erwies sich eine Mischung aus Kupfer, Alkoxiden und B2pin2 als sehr effizient, andererseits konnte ein innovatives Ein-Elektronen-Donor-System basierend auf Pyridinen, LiOt-Bu und B2pin2 gefunden werden, welches eine besonders hohe Chemoselektivität für die Reduktion von Nitroaromaten aufweist. Nach der erfolgreichen Charakterisierung konnte das Reaktionsverhalten von N-aromatischen N,N-Diboranen untersucht werden. Mit unterschiedlichen Konzepten wurde überprüft, ob sie zur Generierung langlebiger Stickstoff-Radikale oder hochreaktiver Stickstoff-Anionen verwendet werden können. Dabei stellte sich heraus, dass nach Zugabe von LiOt-Bu besonders reaktive Stickstoff-Nukleophile erhalten werden, die zur Aminolyse von Estern genutzt werden können. Infolgedessen konnte die neu entwickelte Methode auf eine Kaskadenreaktion ausgehend von Nitroverbindungen und Estern ausgeweitet werden. Ein besonderer Vorzug dieser Methode ist, dass diese Kreuzkupplung bereits bei Raumtemperatur abläuft und keine Übergangsmetalle benötigt werden. Auf diese Weise konnten auch alpha,beta-ungesättigte Ester, insbesondere Acetylenester, unter Erhalt diverser funktioneller Gruppen effizient zu den entsprechenden Amiden umgesetzt werden. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit sind somit nicht nur innovative Synthesewege für stickstoffhaltige Verbindungen gegeben, sondern auch vielversprechende Herangehensweisen zur Entwicklung weiterer N-Funktionalisierungen von Nitroverbindungen dargelegt.

Nitro compounds are easily accessible substrates for the synthesis of highly valuable nitrogen-containing compounds such as amines, amides or N-heterocycles. Yet, the direct functionalisation of nitro compounds is challenging due to highly reactive intermediates generated during the reduction process. Among these, most critically are nitroso compounds which are prone to dimerize to azoxy and azo compounds. To avoid side reactions, understanding the mechanism of the performed reduction and controlling formed intermediates is crucial. Regarding these aspects, the use of boron-based reactants has proven useful. Therefore, boron-mediated nitro functionalisations are the main aspect of the methods discussed in this thesis. These methods are based on three different concepts. First, a copper catalysed C-N-coupling of allylboronic esters with nitro compounds was studied. The critical nitroso intermediate was controlled via coordination to copper. By that, a highly regioselective coupling with the higher substituted C-atom of alpha,alpha-disubstituted allylboronic esters was achieved, verified by a broad scope of substrates. The second method is based on the electrophilic amination of organohalides with nitro compounds. This reaction type allows the direct generation of nitrenoids out of nitro compounds in the presence of B2pin2 and in situ prepared zinc organyls. The generated nitrenoids are bearing an electrophilic nitrogen atom, which is used to react with prenylzinc in this study. As a result, nitroarenes could be coupled with the alpha-carbon of prenyl zinc, which is known to show a poor reactivity compared to the alpha-carbon, selectively. By that, various bio-relevant N-prenylamines got accessible for an electrophilic amination. The third method includes the synthesis, characterization and application of N-aromatic N,N-diboranes. The synthesis was achieved via the electrophilic amination with the same nitrenoid as with the second method. This time, it was generated by using either a combination of a copper salt, alkoxide and B2pin2, or a novel single-electron-donor-system based on pyridines, LiO-tBu and B2pin2, which showed a superior chemoselectivity towards the reduction of nitroarenes. After characterisation the reactivity of these unprecedented N,N-diboranes was investigated. The reactivity study was performed out of reaction solution due to the low stability of these compounds. It was tested, either N-aromatic N,N-diboranes are useful precursors for long living N-centred radicals or highly reactive N-anions. As a result, a high tendency for the aminolysis of esters in presence of LiOt-Bu was observed following an ionic pathway. This reaction was further optimized as a reaction cascade starting from nitroarenes and esters. For this amide synthesis, neither heating nor the use of transition metals is needed, allowing a high tolerance towards sensitive functional groups. As a highlight, alpha,beta-unsaturated esters, especially acetylene esters could directly get coupled with the nitrogen atom of nitroarenes, while various functional group remained intact. By the results from this thesis not only various innovative methods for the synthesis of nitrogen-containing compounds were developed, but also a promising methodology for the development of further direct N-functionalisations of nitro compounds is presented.

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