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Titel: Asymmetric Catalysis with Chiral-at-Metal Complexes: From Non-Photochemical Applications to Photoredox Catalysis
Autor: Huo, Haohua
Weitere Beteiligte: Meggers, Eric (Prof.Dr.)
Erscheinungsjahr: 2016
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0467
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0467
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-04676
DDC: 540 Chemie
Titel(trans.): Asymmetrische Katalyse mit "Chiral-at-Metal"-Komplexen: Von nicht Photochemischen Anwendungen bis zur Photoredoxkatalyse

Dokument

Schlagwörter:
Katalyse, "chiral-at-metal"-Komplexe, asymmetrischen Katalyse, "chiral-at-metal"-complexes, asymmetric catalysis

Summary:
Die Entdeckung oktaedrischer "chiral-at-metal"-Komplexe, die hoch enantioselektive nicht-photochemische- und photochemische Umwandlungen katalysieren oder beide gleichzeitig, ist eine anspruchsvolle Herausforderung. Diese Dissertation beschreibt die Entdeckung und Anwendung zweier unterschiedlicher Klassen von Komplexen mit metallzentrierter Chiralität in der asymmetrischen Katalyse, und zwar einerseits ein Enamin/Wasserstoffbrückenbindungs-Katalysator und zum anderen ein Lewis-Säure-Katalysator. Der oktaedrische Enamin/Wasserstoffbrückenbindungs-Katalysator (Λ-Ir4) katalysiert die enantioselektive α-Aminierung von Aldehyden mit Katalysatorladungen bis hinab zu 0.1 mol%. Bei diesem Metall-basierten Katalysator fungiert das Iridium als strukturelles Zentrum und stellt gleichzeitig das einzige Chiralitätszentrum dar, wohingegen die eigentliche Katalyse durch die Ligandensphäre vermittelt wird (Kapitel 3.1). Der zwei hemilabile Acetonitril-Liganden enthaltende "chiral-at-metal"-Komplex Λ-IrO kann als Lewis-Säure-Katalysator genutzt werden. Dieser katalysiert effizient die enantioselektive Friedel-Crafts-Addition von Indolen an α,β-ungesättigte 2-Acylindole mit hohen Ausbeuten (75-99%) und hohen Enantioselektivitäten (90-98%) bei gleichzeitig niedrigen Katalysatorladungen (0.25-2 mol%). Überraschenderweise behält dieser Komplex seine metallzentrierte Stereoinformation trotz des schnellen Austauschs der Acetonitril-Liganden, welcher für eine zufriedenstellende katalytische Aktivität erforderlich ist. Seit dieser Entdeckung ist diese neue Klasse von Komplexen mit metallzentrierter Chiralität erfolgreich für viele andere asymmetrische Reaktionen im Arbeitskreis Meggers eingesetzt worden (Kapitel 3.2). Der Lewis-Säure-Katalysator Λ-IrO und der davon abgeleitete Katalysator Λ-IrS können auch als leistungsfähige Photoredoxkatalysatoren in anspruchsvollen asymmetrischen Photoredoxreaktionen eingesetzt werden. Mit dem Katalysator Λ-IrS (2 mol%) ist die durch sichtbares Licht angetriebene Alkylierung von 2-Acylimidazolen mit elektronenarmen Benzyl- und Phenacylbromiden mit exzellenten Enantioselektivitäten (90-99%) und exzellenten Ausbeuten (84-100%) möglich. Bei dieser nur einen Katalysator umfassenden Strategie dient der "chiral-at-metal"-Katalysator als ein in-situ Photosensibilisator-Vorläufer für die Photoredoxkatalyse und vermittelt gleichzeitig eine sehr effektive Stereoinduktion bei der α-Funktionalisierung von Ketonen (Kapitel 3.3). Anschließend wurde diese neue katalytische Strategie ausgedehnt auf die hoch enantioselektive α-Trichloromethylierung (Kapitel 3.4) und α-Perfluoroalkylierung (Kapitel 3.5) durch Licht-aktivierte Photoredoxkatalyse. Zuvor wurden für die meisten erfolgreichen asymmetrischen Photoredoxkatalysen stets zwei Katalysatoren benötigt, einer für die Photoredox-Aktivierung und ein anderer für die Stereoinduktion. Der hier beschriebene Katalysator füllt daher eine Lücke im Werkzeugkasten der Photoredoxsynthese und ermöglicht neuartige und ökonomische Synthesen von enantioangereicherten Molekülen. Allerdings haben in einigen Fällen synergistische Katalysestrategien ihre Vorteile gegenüber der Verwendung eines einzelnen Katalysators. Durch Hinzufügen eines externen Photosensibilisators zur chiralen Lewis-Säure Λ-RhS konnte eine effiziente Addition von Organotrifluoroboraten an elektronenarme Alkene bereitwillig unter Photoredoxbedingungn erzielt werden. Diese praktische Methode liefert Ausbeuten bis zu 97% bei exzellenten Enantioselektivitäten von bis zu 99% ee und lässt sich klassifizieren als eine redoxneutrale, Elektronentransfer-katalysierte Reaktion. Die zuvor entwickelten bifunktionalen photoredox /chirale Lewis-Säure-Katalysatoren Λ-IrO und Λ-IrS können nicht für diese Reaktion genutzt werden, was nachweislich auf die langsame Ligandenaustauschrate bei den Iridium-Komplexen zurückzuführen ist (Kapitel 3.6).

Zusammenfassung:
The discovery of octahedral chiral-at-metal complexes that promote highly enantioselective non-photochemical or photochemical transformations, or both, is a challenging goal. This thesis details the discoveries and applications of two distinct classes of chiral-at-metal iridium(III) complexes for asymmetric catalysis, one is a metal-templated enamine/H-bonding catalyst and the other is a metal-based Lewis-acid catalyst. The octahedral enamine/H-bonding catalyst (Λ-Ir4) promotes the enantioselective α-amination of aldehydes with catalyst loadings down to 0.1 mol%. In this metal-templated design, the iridium serves as a structural center and affords the exclusive source of chirality, whereas the catalysis is mediated through the organic ligand sphere (chapter 3.1). The chiral-at-metal complex Λ-IrO bearing two hemilabile acetonitrile ligands can be used as a chiral Lewis acid catalyst. It efficiently catalyzes the enantioselective Friedel-Crafts addition of indoles to α,β-unsaturated 2-acyl imidazoles with high yields (75-99%) and high enantioselectivities (90-98% ee) at low catalyst loadings (0.25-2 mol%). Counterintuitively, this complex maintains its metal-centered configuration despite the rapid acetonitrile ligand exchange which is required for satisfactory catalytic activity. Since this initial discovery, this novel class of reactive chiral-at-metal complexes has been successfully applied to many other asymmetric catalytic reactions in the Meggers group (chapter 3.2). The Lewis-acid catalyst Λ-IrO and its derivative Λ-IrS can also be competent photoredox catalyst for challenging asymmetric photoredox catalysis. With a single catalyst Λ-IrS (2 mol%), the visible-light-activated enantioselective alkylation of 2-acyl imidazoles with electron-deficient benzyl bromides and phenacyl bromides provided excellent enantioselectivities (90-99% ee) and excellent yields (84-100%). In this mono catalysis strategy, the chiral-at-metal complex serves as an in situ photosensitizer precursor for photoredox catalysis and at the same time provides very effective asymmetric induction for α-functionalization of ketones (chapter 3.3). Subsequently, this new catalytic strategy has been expanded to realize highly enantioselective α-trichloromethylation (chapter 3.4) and α-perfluoroalkylation (chapter 3.5) through visible-light-activated photoredox catalysis. Previously, most of the successful approaches for asymmetric photoredox catalysis needed two catalysts, one for the photoredox activation, and the other for stereoinduction. The single catalyst strategy fulfills an unmet need in the photoredox synthetic toolbox and provides new avenues for the efficient and economical synthesis of enantioenriched molecules. Alternatively, in some cases the synergistic catalysis strategy still has its advantages over the single catalyst system. By merging the chiral Lewis acid Λ-RhS with an external photosensitizer, an efficient enantioselective addition of organotrifluoroborates to electron-deficient alkenes was readily realized under photoredox conditions. This practical method provides yields up to 97% with excellent enantioselectivities up to 99% ee and can be classified as a redox neutral, electron-transfer-catalyzed reaction. The previously developed dual function photoredox/chiral Lewis acid catalysts Λ-IrO or Λ-IrS are not applicable for this photoreaction and this has been pinpointed to slow ligand exchange kinetics in the iridium system (chapter 3.6).


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