Calcium- und Camphersulfonsäure katalysierte Cycloisomerisierung von Diinolen und Direkte reduktive N-Funktionalisierung von Nitroverbindungen

Rauser, Marian; Albrecht, Markus; Niggemann, Meike

doi:10.18154/RWTH-2018-229127

Calcium- und Camphersulfonsäure katalysierte Cycloisomerisierung von Diinolen und Direkte reduktive N-Funktionalisierung von Nitroverbindungen = Calcium- and camphorsulfonic acid catalyzedcycloisomerisation of diynols and Direct reductive N-funktionalisation of nitro compounds

Rauser, Marian^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marian Rauser, M.Sc.

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (XIV, 354 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229127
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/745903/files/745903.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/745903/files/745903.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Calcium (frei) ; aminoboranes (frei) ; electrophilic amination (frei) ; nitro functionalization (frei) ; nucleophilic boron (frei) ; vinyl cation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit zur „Calcium- und Camphersulfonsäure katalysierten Cycloisomerisierung von Diinolen und direkten reduktiven Funktionalisierung von Nitroverbindungen“ wurden in zwei Teilgebieten der organischen Chemie Fortschritte erzielt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die erste übergangsmetallfreie Cycloisomerisierung von einfach zugänglichen Diinolen, welche einen neuartigen und effizienten Zugang zu bicyclischen 2H-Pyranen und Dienonen bietet, erfolgreich entwickelt. Die Transformation wurde durch ein kooperatives Katalysatorsystem bestehend aus einem einfachen Ca2+-Katalysator und Camphersulfonsäure in Gegenwart von Benzaldehyd als schwach Lewis-basischem Elektronenpaardonor realisiert. Anhand detaillierter mechanistischer Untersuchungen mittels computergestützter DFT-Berechnungen, NMR und verschiedenen Kontrollexperimenten konnte ein Mechanismusvorschlag entwickelt werden, welcher unter anderem von einer Z-selektiven Isomerisierung eines gebildeten Allenenol-Intermediats über einen 1,5-H-Shift ausgeht. Des Weiteren konnte ein besseres Verständnis für die auf einer Gleichgewichtsreaktion basierenden Umwandlung der so erhaltenen Dienone zu valenzisomeren 2H-Pyranen über eine Oxo-6π-Elektrozyklisierung erreicht werden.Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein direktes reduktives und generelles Verfahren zur selektiven Mehrfachfunktionalisierung von aliphatischen und aromatischen Nitroverbindungen unter milden Reaktionsbedingungen erfolgreich entwickelt. Gestützt von mechanistischen Untersuchungen wird die Nitroverbindung B2pin2-vermittelt über ein stabilisiertes Nitronat zu einem borylierten Nitrenoid partiell reduziert und direkt als elektrophiles Aminierungsreagenz für die Kupplung mit Zinkorganylen zur Darstellung funktionalisierter Aminoborane eingesetzt. Durch die direkte Verwendung einer oxidierten Stickstoffspezies ohne den Umweg einer vollständigen Reduktion zum primären Amin gestaltet sich die präsentierte Reaktion in stufen- und redoxökonomischen Aspekten vorteilhaft im Vergleich zu etablierten meist mehrstufigen Methoden. Durch die Umgehung instabiler Nitrosointermediate konnte zudem erstmalig Nitroaliphaten direkt N-funktionalisert werden. Über eine sequentielle Umsetzung mit diversen Elektrophilen gelang es zudem die generierten Aminoborane selektiv weiter zu funktionalisieren. Alternativ zur Umsetzung mit Elektrophilen konnten darüber hinaus aliphatische Aminoborane über eine eigens hierzu entwickelte Oxidation über eine 1,2-N-Migration zu den entsprechenden N- und O-funktionalisierten Hydroxylamine umgesetzt werden. Durch Insertion von Sauerstoff in die Zink-Kohlenstoffbindung bereits vorhandener Zinkorganyle wurden die notwendigen Zinkperoxide unter Verwendung von Sauerstoff alsterminalem Oxidationsmittel in situ generiert und so der Umgang mit explosiven Peroxiden vermieden. Darüber hinaus konnte durch ein Recycling der Koppelprodukte der Aminoboransynthese, den Organoboronsäureestern, notwendige Zinkorganylmenge für die in situ Generierung der Zinkperoxide auf ein Minimum reduziert werden. Das vorgestellte Verfahren zur direkten reduktiven N-Funktionalisierung von Nitroverbindungen konnte zur ersten ionischen katalysatorfreien reduktiven Kupplung von Nitro- und Halogenverbindungen weiterentwickelt werden. Über eine in situ Zink-Metallierung von einfach zugänglichen Halogenverbindungen konnten selektiv funktionalisierte Aminoborane, Amine und sogar Hydroxylamine ausgehend von Nitroverbindungen dargestellt werden.

In this work with the topic „Calcium- and camphorsulfonic acid catalyzed cycloisomerization of diinols and direct reductive functionalization of nitro compounds” progress was made in two branches of organic chemistry. In the first part the first transition metal free cycloisomerization of readily available diinols was developed granting an efficient access to bicyclic 2H-pyranes and dienones. The transformation is enabled by a new, cooperative catalytic system, combining a simple Ca2+ catalyst with camphorsulfonic acid in the presence of benzaldehyde as a weakly Lewis-basic electron pair donor. Based on a computational DFT analysis, 1H-NMR-studys and control experiments a mechanistic proposal was developed pointing out a Z-selective isomerization of a formed allenenol intermediat via a 1,5-H-shift. Furthermore, this work provided deeper inside in the equilibrium between dienons and valence isomeric 2H-pyranes via an oxo-6π-electrocyclisation. In the second part of this work a direct reductive and general method for the selective multifunctionalization of aliphatic and aromatic nitro compounds under mild reaction conditions was successfully developed. Pointed out by detailed mechanistic studies the nitro moiety is transformed via a B2pin2 mediated twostep partial reduction to a stabilized nitronate and then to a nitrenoid, which is used in situ as the electrophilic amination reagent. Coupling of the nitrenoid with zinc organyls generates functionalized aminoboranes. The formed aminoboranes could successfully be reacted with several electrophiles enabling a selective introduction of a secondary function to the nitrogencenter. The direct harnessing of an oxidized nitrogenspecies without the detour to a reduced amine renders the process step- and redox-economically more benign in relation to established multistep approaches. Furthermore, the first oxidative functionalization of aminoboranes via a 1,2-N migration was realized. Thereby, aliphatic nitro compounds are transformed into N- and O-functionalized hydroxylamines in a single synthetic operation. Insertion of oxygen into the zinc-carbon bondof already present zincorganyls provides the necessary oxidant and circumvents the addition of explosive peroxides. Recycling of the organoboronic ester byproduct of the nitro to aminoborane transformation via a boron to zinc transmetalation keeps the amount of required zinc organyl minimal and even further increases the efficiency of the process. The presented procedure of the direct reductive N-functionalization could be further refined to the first ionic catalyst free reductive coupling of nitro and halogen compounds. In situ zinc metalation of readily available halogen compounds enabled the selective synthesis of highly functionalized aminoboranes, amines and even hydroxylamines starting from nitro compounds.

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