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Bor-Lewis-Säure-katalysierte Aktivierung von substituierten Cyclohexa-1,4-dienen: Anwendungen als Transferreagenzien in der Synthesechemie
Keeß, Sebastian
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Entwicklung geeignet substituierter Cyclohexa-1,4-diene und deren Anwendung als sicher handhabbare Ersatzstoffe für als Reinsubstanz gefährliche Chemikalien in Lewis-Säure-katalysierten Transferreaktionen. Im ersten Teil dieser Dissertation wurde im Rahmen einer systematischen Untersuchung der Einfluss verschiedener Faktoren auf die im Jahr 2013 von Simonneau und Oestreich entwickelte B(C6F5)3-katalysierte ionische Transferhydrosilylierung geprüft und ein umfassender Überblick entscheidender Parameter entwickelt. Cyclohexa-2,5-dien-1-ylsilane mit unterschiedlichen Substitutionsmustern wurden als synthetische Äquivalente für Hydrosilane mit repräsentativen Substraten umgesetzt, und im Zuge dessen ebenso die Bedeutung des verwendeten Borankatalysators bestimmt. Es wurde gezeigt, dass die Stabilität des aus dem 3-silylierten Cyclohexa-1,4-dien intermediär gebildeten Wheland-Komplexes für die Leistungsstärke dieser Surrogate bedeutend ist, die Lewis-Basizität der am Cyclohexadienylgerüst angebrachten Substituenten jedoch ebenso entscheidend sein kann. In der Reaktion mit verschiedenen π- oder σ-basischen Substraten korreliert die Reaktivität des Borankatalysators im Wesentlichen mit seiner Lewis-Acidität, in speziellen Fällen beeinflussen jedoch sterische Wechselwirkungen oder Fluoratome in der ortho-Position des Triarylborans gleichermaßen seine Aktivität. Neben der Bor-Lewis-Säure übt zudem die Lewis-Basizität des Substrats einen signifikanten Einfluss auf die Aktivierungen des Transferreagenzes und des freigesetzten Hydrosilans aus. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Entwicklung einer Methode zur sicheren Handhabbarkeit zuvor selten in der Synthesechemie verwendeter gasförmiger Hydrogermane wie MeGeH3 oder Me2GeH2. Der einfache Zugang zu 3-germylsubstituierten Cyclohexa-1,4-dienen ermöglichte die praktische Anwendung dieser Reduktionsmittel in Form ihrer flüssigen bzw. festen Ersatzstoffe in der Transferhydrogermylierung von C=C- und C≡C-Bindungen und eröffnete den Zugang zu tetraalkylsubstituierten Germanen bei Raumtemperatur. Die Substratbreite schloss verschieden substituierte Alkene ein und Carbonyl- oder Carboxylgruppen sowie eine Silylgruppe in allylischer Position wurden ebenso toleriert. Mit Hilfe mechanistischer Kontrollexperimente wurden radikalische Zwischenstufen ausgeschlossen, und es wurde gezeigt, dass diese Transferreaktion analog zur Transferhydrosilylierung durch einen ionischen Reaktionsablauf zu beschreiben ist und gleichermaßen vor der Reaktion mit dem π-basischen Substrat zunächst die Freisetzung des Hydrogermans erfolgt. Die Möglichkeit zur Übertragung von Kohlenstoffelektrofugen wurde ebenso untersucht. Die Herstellung entsprechend 3-alkylsubstituierter Cyclohexa-1,4-diene ist eine Herausforderung, und der synthetische Wert dieser Reagenzien in Transferreaktionen wurde bislang wegen Nebenreaktionen stark eingeschränkt. Die für eine bis dato unbekannte Transferhydro-tert-butylierung entwickelte Versuchsvorschrift ermöglichte jedoch die direkte Übertragung einer tert-Butylgruppe vom Cyclohexadienylgerüst auf C=C-Bindungen in einer hinreichenden Selektivität und stellte ein vielversprechendes Beispiel für eine Transferhydroalkylierungsreaktion dar.
The present work is dedicated to the development of adequately substituted cyclohexa-1,4-dienes and their application as safe- and convenient-to-handle surrogates of otherwise hazardous chemicals in Lewis acid-catalyzed transfer reactions. In the first part of this thesis, a systematic study of the B(C6F5)3-catalyzed ionic transfer hydrosilylation, established by Simonneau and Oestreich in 2013, is presented, and comprehensive insight into the different parameters that govern this transfer process is provided. Cyclohexa-2,5-dien-1-ylsilanes with modified substitution patterns were applied as synthetic equivalents of hydrosilanes in the transfer process with representative substrates, and the effect of the borane catalyst was also analyzed. The stability of the intermediate Wheland complex, generated by hydride abstraction from the 3-silylated cyclohexa-1,4- diene, was shown to be crucial for the performance of these surrogates but the Lewis basicity of attached substituents can be decisive for their reactivity as well. In the reaction with different π- or σ-donating substrates, the activity of the borane catalyst correlates nicely with the Lewis acidity. In certain cases, steric hindrance or the presence of fluorine atoms in the ortho position to the boron atom also exerts a distinct influence on the reactivity of the boron Lewis acid. The Lewis basicity of the substrate is another parameter that was shown to be important for both the activation of the transfer reagent and the liberated hydrosilane. Another part of this work is devoted to the development of a method that enables the safe application of previously rarely used, gaseous hydrogermanes such as MeGeH3 or Me2GeH2 in synthetic chemistry. The straightforward access to 3-germyl-substituted cyclohexa-1,4- dienes established the use of these reducing agents as their easy-to-handle liquid or solid surrogates in the transfer hydrogermylation of C=C and C≡C bonds and allowed for the convenient preparation of tetraalkyl-substituted germanes at room temperature. The substrate scope included differently substituted alkenes, and the methodology tolerated carbonyl and carboxyl groups as well as a silyl group in the allylic position. Control experiments excluded radical intermediates and revealed that the ionic mechanism, previously proposed for the transfer hydrosilylation, is also operative for the transfer hydrogermylation. Likewise, liberation of the hydrogermane takes place prior to the reaction with the π-basic substrates. The possibility to transfer carbon electrofuges is another focus of this study. The synthesis of the respective 3-alkyl-substituted cyclohexa-1,4-dienes was challenging, and the synthetic value of these reagents in transfer reactions is still limited due to side reactions. The protocol developed for the hitherto unprecedented transfer hydro-tert-butylation enabled the direct transfer of a tert-butyl group from the cyclohexadienyl core to C=C bonds with reasonable selectivity and is a rare, promising example of a transition-metal-free transfer hydroalkylation reaction.
