doctoralThesis Chiral-at-Metal Driving asymmetric catalysis with visible light or electricity is of significant value because they represent ‘green’ and sustainable methods to synthesize non-racemic chiral molecules and in addition offer ample opportunities for chemists to discover new mechanistic scenarios and invent previously unknown transformations. However, steering the reaction course of photo- and/or electrochemically generated reactive intermediates in a stereocontrolled and catalytic fashion is very challenging. This thesis presents novel applications of previously in the Meggers group developed chiral-at-metal rhodium complexes to the areas of asymmetric photocatalysis and asymmetric electrosynthesis. 1) A bis-cyclometalated chiral-at-metal rhodium complex (designated as RhS) in combination with the photoredox catalyst [Ru(bpy)3](PF6)2 enables visible-light-activated asymmetric α-amination and α-alkylation of 2-acyl imidazoles with aryl azides or α-diazo carboxylic esters as radical precursors, respectively (Chapter 3.1). As the first utilization of these reagents for photoinduced asymmetric catalysis, this novel proton- and redox-neutral transformations feature the advantage of leaving molecular N2 as the sole by-product and provide yields of up to 99% as well as excellent enantioselectivities of up to ]99% ee with broad functional group compatibility. 2) A bis-cyclometalated chiral-at-metal rhodium complex (designated as RhO) is demonstrated to catalyze stereocontrolled chemistry of photo-generated radicals and at the same time an enantioselective sulfonyl radical addition to alkenes (Chapter 3.2). Specifically, employing Hantzsch ester as photoredox mediator, rhodium bound β-enolate carbon-centered radicals are generated by a selective photoinduced single electron reduction and then trapped by allyl sulfones in a highly stereocontrolled fashion, providing radical allylation products with up to 97% ee. The hereby formed sulfonyl radicals are utilized through an enantioselective radical addition to form enantioenriched sulfones, which minimizes waste generation. 3) A simple and robust catalysis scheme that only relies on a single bis-cyclometalated rhodium catalyst (RhS) is introduced to achieve the stereocontrol of bond forming reactions directly from an electronically excited state. This is showcased by an intermolecular [2+2] photocycloaddition of enones with alkenes, which provides a wide range of cyclobutanes with up to ]99% ee and up to ]20:1 d.r. (Chapter 3.3). The catalyst/substrate complexation enhances visible-light-absorption, achieves selective direct photoexcitation, and enables stereocontrolled direct bond formation from the photoexcited state. All reactive intermediates remain bound to the chiral catalyst thereby providing a robust catalytic scheme (no exclusion of air necessary) with excellent stereoinduction. This strategy is further applied to a previously elusive visible-light-induced [2+3] photocycloaddition of acceptor-substituted alkenes with vinyl azides (Chapter 3.4). A wide range of complex 1-pyrrolines are obtained as single diastereoisomers and with up to ]99% ee using a simple reaction setup and mild reaction conditions. This work expands the scope of stereocontrolled direct bond formation from photoexcited states which was previously limited to [2+2] photocycloadditions. 4) The chiral-at-metal complex RhS is shown to catalyze visible-light-activated catalytic asymmetric [3+2] photocycloadditions between acyl cyclopropanes and alkenes or alkynes, which provide access to cyclopentanes and cyclopentenes, respectively, in 63-99% yields and with excellent enantioselectivities of up to ]99% ee (Chapter 3.5). Coordination of the cyclopropane with the chiral catalyst generates the visible-light-absorbing complex, lowers the reduction potential of the cyclopropane, and provides the asymmetric induction and overall stereocontrol. Enabled by a mild single electron transfer reduction of directly photoexcited catalyst/substrate complexes, the scope of asymmetric photocycloadditions is extended to simple mono-acceptor-substituted cyclopropanes with the synthesis of previously inaccessible enantioenhanced cyclopentane and cyclopentene derivatives. 5) A versatile electricity driven chiral-at-rhodium Lewis acid catalysis is disclosed (Chapter 3.6). Powered by an electric current, the oxidative cross coupling of 2-acyl imidazoles with silyl enol ethers provides a sustainable avenue to synthetically useful non-racemic 1,4-dicarbonyls, including products bearing all-carbon quaternary stereocenters. A chiral-at-rhodium complex (RhS or a sterically more demanding derivative) activates a substrate towards facile anodic oxidation by raising the highest occupied molecular orbital upon enolate formation, which enables mild redox conditions, high chemo- and enantioselectivities (up to ]99% ee), and a broad substrate scope. This thesis demonstrates the robustness and versatility of bis-cyclometalated rhodium-based Lewis acids by developing several mechanistically diverse and synthetically attractive asymmetric catalysis schemes. These chiral-at-rhodium Lewis acids are among the most powerful catalysts to address the long-standing challenge of stereocontrol in photochemical and electrochemical reactions. English Fachbereich Chemie urn:nbn:de:hebis:04-z2019-00821 Asymmetrische Chiral-at-Rhodium-Katalyse, die durch sichtbares Licht oder Elektrizität angetrieben wird Electrochemistry Katalyse https://doi.org/10.17192/z2019.0082 2019 ths Professor Meggers Eric Meggers, Eric (Professor) 2020-03-03 monograph Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg Universitätsbibliothek Marburg https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0082/cover.png Asymmetric Chiral-at-Rhodium Catalysis Driven by Visible Light or Electricity Photochemistry 2020-03-03 472 application/pdf Huang, Xiaoqiang Huang Xiaoqiang Asymmetric Catalysis 2019-02-08 Chemistry + allied sciences Chemie opus:8530 Chemie Philipps-Universität Marburg Asymmetrische Katalyse mit sichtbarem Licht oder mit elektrischer Energie zu betreiben, ist von erheblichem Wert, da dies eine „grüne“ und nachhaltige Methode zur Synthese von chiralen Molekülen darstellt. Darüber hinaus bietet sie Chemikern die Gelegenheit, neue mechanistische Szenarien zu entdecken und bisher unbekannte Transformationen zu entwickeln. Es ist jedoch eine große Herausforderung, den Reaktionsverlauf von photo- und/ oder elektrochemisch erzeugten reaktiven Zwischenstufen stereokontrolliert und katalytisch zu steuern. Diese Arbeit präsentiert neuartige Anwendungen von zuvor in der Meggers-Gruppe entwickelten chiral-at-metal Rhodium-Komplexen auf den Gebieten der asymmetrischen Photokatalyse und der asymmetrischen Elektrosynthese. 1) Ein biscyclometallierter chiral-at-metal Rhodium-Komplex (als RhS bezeichnet) in Kombination mit dem Photoredoxkatalysator [Ru(bpy)3](PF6)2 ermöglicht eine durch sichtbares Licht aktivierte asymmetrische α-Aminierung und α-Alkylierung von 2-Acylimidazolen mit Arylaziden bzw. von α-Diazocarbonsäureestern als Radikalvorläufer (Kapitel 3.1). Als erste Verwendung dieser Reagenzien für die photoinduzierte asymmetrische Katalyse weisen diese neuen protonen- und redoxneutralen Umwandlungen den Vorteil auf, dass molekularer Stickstoff als einziges Nebenprodukt entsteht und Ausbeuten von bis zu 99% sowie ausgezeichnete Enantioselektivitäten von bis zu ] 99% ee erreicht werden können. Darüber hinaus wird eine breite funktionelle Gruppenkompatibilität gewährleistet. 2) Es konnte zudem gezeigt werden, dass ein biscyclometallierter chiral-at-metal Rhodium-Komplex (als RhO bezeichnet) zugleich eine stereokontrollierte Chemie von photo-generierten Radikalen als auch eine enantioselektive Sulfonyl-Radikaladdition an Alkene ermöglichen kann (Kapitel 3.2). Insbesondere unter Verwendung von Hantzsch-Estern als Photoredox-Mediatoren werden Rh gebundene β-Enolat Radikale durch eine selektive photoinduzierte Einelektronenreduktion erzeugt und dann durch Allylsulfone hochstereokontrolliert abgefangen, wodurch radikalische Allylierungsprodukte mit bis zu 97% ee erhalten werden. Die dabei gebildeten Sulfonylradikale werden durch eine enantioselektive Radikaladdition zur Bildung enantiomerenreine Sulfone verwendet, wodurch die Abfallerzeugung minimiert wird. 3) Ein einfaches und robustes Katalyseverfahren, das nur einen einzigen biscyclometallierten Rhodiumkatalysator (RhS) verwendet, wird eingeführt, um die Stereokontrolle von Bindungsbildungsreaktionen direkt aus einem elektronisch angeregten Zustand zu erreichen. Dies zeigt eine intermolekulare [2+2]-Photocycloaddition von Enonen mit Alkenen, die ein breites Spektrum an Cyclobutanen mit bis zu 99% ee und bis zu ]20:1 d.r. liefert (Kapitel 3.3). Die Katalysator/ Substrat-Komplexierung verbessert die Absorption von sichtbarem Licht, erreicht eine selektive direkte Photoanregung und ermöglicht die stereokontrollierte direkte Bindungsbildung aus dem photoangeregten Zustand. Alle reaktiven Zwischenprodukte bleiben an den chiralen Katalysator gebunden, wodurch ein robustes katalytisches System (kein Luftausschluss erforderlich) mit hervorragender Stereoinduktion bereitgestellt wird. Diese Strategie wird auch auf eine bisher schwer umsetzbare, durch sichtbares Licht induzierte [2+3]-Photocycloaddition von Akzeptor-substituierten Alkenen mit Vinylaziden angewendet (Kapitel 3.4). Eine Vielzahl an komplexen 1-Pyrrolinen kann jeweils als einfache Diastereoisomere mit bis zu ]99% ee erhalten werden, unter Verwendung eines einfachen Reaktionsaufbaus und unter milden Reaktionsbedingungen. Diese Arbeit erweitert den Bereich der stereokontrollierten direkten Bindungsbildung aus photoangeregten Zuständen, der zuvor auf [2+2]-Photocycloadditionen beschränkt war. 4) Der chiral-at-metal-Komplex RhS ermöglicht eine durch sichtbares Licht aktivierte katalytische asymmetrische [3+2]-Photocycloaddition zwischen Acylcyclopropanen und Alkenen bzw. Alkinen, wodurch Cyclopentane bzw. Cyclopentene zugänglich sind. Hierbei werden Ausbeuten von 63-99% sowie ausgezeichnete Enantioselektivitäten von bis zu ]99% ee (Kapitel 3.5) erreicht. Die Koordination des Cyclopropans an den chiralen Katalysator erzeugt den sichtbares Licht absorbierenden Komplex, senkt das Reduktionspotential des Cyclopropans und sorgt für die asymmetrische Induktion und die gesamte Stereokontrolle. Mittels einer milden Einelektronentransfer-Reduktion der direkt photoangeregten Katalysator-/ Substrat-Komplexe kann der Anwendungsbereich asymmetrischer Photocycloadditionen auf einfache Monoakzeptor-substituierte Cyclopropane ausgeweitet werden, wodurch bisher nicht zugängliche enantiomerenreine Cyclopentan- und Cyclopentenderivate synthetisiert werden können. 5) Eine vielseitige, durch Elektrizität betriebene chiral-at-Rhodium Lewis-Säure-Katalyse wird beschrieben (Kapitel 3.6). Durch elektrischen Strom angetrieben, bietet die oxidative Kreuzkupplung von 2-Acylimidazolen mit Silylenolethern einen nachhaltigen Weg zu synthetisch nützlichen nicht-racemischen 1,4-Dicarbonylen, einschließlich Produkten, die quartäre Stereozentren enthalten. Ein chiral-at-Rhodiumkomplex (RhS oder ein sterisch anspruchsvolleres Derivat) aktiviert ein Substrat in Bezug auf eine einfachen leichten anodische Oxidation, indem das höchstes besetztes Molekülorbital bei der Enolatbildung angehoben wird. Dies ermöglicht milde Redoxbedingungen, hohe Chemo- und Enantioselektivitäten (bis zu ]99% ee) und ein breites Substratspektrum. Diese Arbeit demonstriert die Robustheit und Vielseitigkeit von biscyclometallierten auf Rhodium-basierenden Lewis-Säuren, indem sie mehrere mechanistisch unterschiedliche und synthetisch attraktive asymmetrische Katalyseverfahren entwickelt. Diese chiral-at-Rhodium Lewis-Säuren gehören zu den leistungsfähigsten Katalysatoren, welche die langjährige Herausforderung der Stereokontrolle in photochemischen und elektrochemischen Reaktionen in Angriff nehmen können.