Asymmetric Photoredox Catalysis with Chiral-at-Rhodium Complexes

Chiral transition metal catalysts in which the chirality exclusively originates from a stereogenic metal center witness a more recent advance and their excellent catalytic performance has been demonstrated through applications into diverse enantioselective transformations, especially visi...

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Main Author: Ma, Jiajia
Contributors: Meggers, Eric (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2018
Chemie
Subjects:
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Table of Contents: Chirale Übergangsmetallkatalysatoren, welche nur achirale Liganden koordinieren und bei denen die Chiralität des gesamten Komplexes auf ein stereogenes Metallzentrum zurückgeführt werden kann, bilden eine neuere Klasse von asymmetrischen Übergangsmetallkatalysatoren. Ihre ausgezeichneten katalytischen Fähigkeiten wurde durch die Anwendungen in verschiedenen enantioselektiven Umwandlungen demonstriert, insbesondere auch in lichtaktivierten Photoredoxreaktionen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese neuartiger Rhodium-basierter chiraler Lewissäurekatalysatoren mit ausschliesslich metallzentrierter Chiralität und deren Anwendungen in der enantioselektiven Photoredoxchemie. 1) Die Synthese eines neuen Mitglieds der Familie Rhodium-basierter chiraler Lewis-Säuren wurde entwickelt. Der neue Komplex wurde RhS genannt. Mit einer ausschliesslich oktaedrischen Zentrochiralität weist der racemische Komplex eine Λ-Konfiguration (linksdrehender Propeller) und Δ-Konfiguration (rechtsdrehender Propeller) auf. Die beiden Enantiomere, Λ- und Δ-RhS, enthalten zwei cyclometallierende 5-tert-Butyl-2-phenylbenzothiazole, zwei austauschlabilen Acetonitrile und ein Hexafluorophosphat-Gegenion. Sie wurden mit Hilfe einer Chirales-Auxiliar-vermittelten Strategie enantiomerenrein synthetisiert. Im Vergleich zu den zuvor entwickelten Λ/Δ-RhO-Komplexen, die entsprechende Benzoxazole tragen, wurden Λ/Δ-RhS als bessere chirale Lewis-Säure-Katalysatoren ermittelt. Dies kann mit einer höheren sterischen Abschirmung erklärt werden. Durch die im Vergleich zu den C-O-Bindungen im Benzoxazol längeren C-S-Bindungen der Benzothiazole befinden sich die tert-Butylgruppen von RhS näher am Reaktionszentrum (Kapitel 3.1). Anschließend wurden die neu entwickelten chiralen Rhodium-Lewissäuren auf die durch sichtbares Licht aktivierte asymmetrische Photoredoxkatalyse angewendet, wie es in den Kapiteln 3.2-3.5 beschrieben wurde. 2) Die mit dem Photoredoxkatalysator [Ru(bpy)3](PF6)2 kombinierte chirale Lewis-Säure Λ-RhS ermöglichte die durch sichtbares Licht aktivierte Redoxkupplung von alpha-Silylalkylaminen mit 2-Acylimidazolen. Nach der Desilylierung wurden 1,2-Aminoalkohole mit Ausbeuten von 69% bis 88% und mit hohen Enantioselektivitäten (54-99% ee) erhalten. Es wird vorgeschlagen, dass die Reaktion über einen Einzelelektronentransfer (SET) zwischen dem alpha-Silylalkylamin (Elektronendonor) und dem Rhodium-Chelat-2-Acylimidazol (Elektronenakzeptor) verläuft, gefolgt von einer stereokontrollierten Radikal-Radikal-Rekombination (Kapitel 3.2). 3) Ein neuer und kommerziell erhältlicher Photoredox-Vermittler 4,4'-Difluorbenzil wurde entwickelt. Dieser Vermittler kann mit den chiralen Rhodium-Lewis-Säuren Λ/Δ-RhS kooperieren. Dieses synergistische katalytische System ermöglichte eine enantioselektive Drei-Komponenten-Photoreaktion, um die fluoralkylhaltigen Produkte unter dualer C-C-Verknüpfung mit hohen Enantioselektivitäten (bis zu 98% ee) und moderaten Diastereoselektivitäten (bis zu 6: 1 dr) zu liefern. Ausgezeichnete Diastereoselektivitäten (bis zu > 38: 1: 1 dr) für natürliche chirale Verbindungsderivate wurden beobachtet. Es wird vorgeschlagen, dass das photoangeregte 4,4'-Difluorbenzil die Einzelelektronenoxidation von Natriumperfluoralkylsulfinaten unter Erzeugung von entsprechenden Perfluoralkylradikalen ermöglicht, die durch elektronenreiche Vinylether abgefangen werden, um alpha-Oxy-Kohlenstoff-zentrierte Radikale zu liefern. Diese nucleophilen Radikalspezies sind an einer anschließenden Rh-katalysierten radikalkonjugierten Addition mit Akzeptor-substituierten Alkenen beteiligt (Kapitel 3.3). 4) Unter durch sichtbares Licht aktivierten Photokatalysator-freien Bedingungen lieferte die durch chirale Rhodium-Lewis-Säuren katalysierte radikalische Addition von alpha-Aminoalkylresten mit Akzeptor-substituierten Alkenen die C-C-Bildungsprodukte in guten Ausbeuten (bis zu 89%) und mit ausgezeichneten Enantioselektivitäten (bis zu 97% ee). Die alpha-Aminoalkylreste wurden aus einfachen Glycinderivaten bei der durch den Photoreduktanten-Hantzsch-Ester ausgelösten Einzelelektronenreduktion erzeugt. Diese Methode wird als ein praktischer und vielseitiger Weg angesehen, um Zugang zu verschiedenen pharmazeutisch anspruchsvollen chiralen beta-substituierten gamma-Aminobuttersäure-Analoga zu erhalten, einschließlich bisher unerreichbarer Derivate, die fluorierte quartäre Stereozentren enthalten. Synthetisch wertvolle Anwendungen wurden durch einen einfachen Zugang zu den Pharmazeutika oder verwandten bioaktiven Verbindungen (S)-Pregabalin, (R)-Baclofen, (R)-Rolipram und (S)-Nebracetam (Kapitel 3.4) demonstriert. 5) Eine durch sichtbares Licht aktivierte enantioselektive β-C(sp3)-H-Funktionalisierung von 2-Acylimidazolen und 2-Acylpyridinen mit 1,2-Dicarbonylverbindungen wurde entwickelt, welche von einem einzigen chiralen Rhodium-Lewis-Säure-Δ-RhS-Derivat katalysiert wird. Die C-C-Bindungsbildungsprodukte wurden in hohen Ausbeuten (bis zu 99%) und mit ausgezeichneten Stereoselektivitäten (bis zu > 20: 1 dr und bis zu > 99% ee) erhalten. Experimentelle und theoretische Untersuchungen stützen den folgenden Mechanismus. Zuerst bildet sich ein Rh-Enolat-Intermediat in Gegenwart einer Base durch Koordination eines Akzeptor-substituierten Ketons an das zentrale Rhodium. Das photoaktivierte Rh-Enolat-Intermediat überträgt ein einzelnes Elektron auf die 1,2-Dicarbonylverbindung. Nach der Deprotonierung an β-Position des anfänglichen Ketons kommt es zu einer stereokontrollierten Rekombination der beiden Radikale. Die chirale Rhodium-Lewis-Säure ist in der Lage, eine doppelte Funktion als chiraler Katalysator und als Vorläuer des Photoredox-Katalysators zu erfüllen (Kapitel 3.5).