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Main Title: Quantum Chemical Calculations on the Copper(II) Catalyzed Michael Reaction
Translated Title: Quantenchemische Berechnungen an der Kupfer(II)-katalysierten Michael-Reaktion
Author(s): Borowka, Julia
Advisor(s): Wüllen, Christoph van
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Dissertation befaßt sich mit dem Mechanismus der Kupfer(II)-katalysierten Michael-Reaktion von Enaminen, gebildet aus Diketonen und Aminosäuren, die an Methylvinylketone addieren. Wir präsentieren Ergebnisse zu möglichen Reaktionswegen und Komplexen unter Verwendung quantenchemischer Berechnungen (DFT) in enger Kooperation mit Experimentatoren. Wir zeigen, dass das Enamin nach Koordination an Cu(II) deprotoniert wird und drei Koordinationsstellen in der quadratisch planaren Geometrie besetzt. Die Bildung dieses koordinierten Aza-Enolats wird durch einen basischen co-Liganden (Azetat) begünstigt, der den Enamin-Wasserstoff übernimmt. In dieser starren Struktur steht die Aminosäure-Seitenkette senkrecht zu der Koordinationsebene, was zu einem Angriff des Michael-Akzeptors von der sterisch ungehinderten Seite bevorzugt und somit zum begünstigten Enantiomer führt, wenn von einem prochiralen Diketon ausgegangen wird. Die Diskriminierung wird dadurch ausgelöst, dass der Michael-Akzeptor an der freien axialen Position am Kupfer-Zentrum während der C-C-Knüpfung anbindet. Energien optimierter Übergangsstrukturen, die zu dem jeweiligen Eantiomer führen, wurden mit verschiedenen Aminosäuren (Methyl-, Isopropyl-, tert-Butyl und Neopentyl-Seitenkette) verglichen. Übergangszustände, die zu den beiden Produkten führen, zeigen eine sehr unterschiedliche Struktur, da ein Angriff des Michael-Akzeptors von der sterisch ungünstigen Seite, eine Umorganisation der Koordinationssphäre am Kupfer-Zentrum auslöst. Interessanterweise ist der Reaktionsweg bei einem Angriff des Michael-Akzeptor von der sterisch ungünstigen Seite durch die Aminosäure blockiert. Eine Simulierung von Solvatationseffekten durch ein Kontinuum-Modell resultiert in einen Anstieg der Enantioselektivität mit zunehmender Polarität des Lösungsmittels.
This PhD thesis concerns computational results on the mechanism of the copper(II) catalyzed Michael addition of enamines formed from diketones and amino acids. We present results on different paths and complexes feasible in the reaction using quantum chemical (DFT) calculations in comparison with experimental data. The results suggest that the enamine gets deprotonated upon coordination to Cu(II), and that it occupies three coordination sites of a square planar geometry. The formation of this coordinated aza-enolate is facilitated by a basic co-ligand (acetate) which take over the enamine proton. In this rather rigid structure, the former amino acid side chain assumes an angular position which leads to preferred attack of the Michael acceptor from the non-hindered side of the coordination plane and the formation of a preferred enantiomer if one starts from a prochiral diketone. This discrimination becomes effective because the Michael acceptor, although only loosely bound to the complex before carbon-carbon bond formation, attaches itself to a "free" axial position of the copper center during the reaction. We focus on the enantioselectivity of the reaction by comparing energies of transition states which eventually lead to the formation of two enantiomers for amino acids (chiral auxiliaries) with a methyl, isopropyl, tert-butyl and neopentyl side chain. The transition states that lead to the two products are different in nature, because an approach of the Michael acceptor from the sterically hindered side requires reorganisation of the copper coordination sphere. Interestingly, this reaction channel is blocked by the amino acid side chain if the Michael acceptor approach from the less-hindered side. Taking solvent effects into account by a continuum solvation model, we find that the enantioselectivity increases with the polarity of the solvent, which is in agreement with experimental observations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16402
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1972
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1675
Exam Date: 30-Mar-2007
Issue Date: 10-Sep-2007
Date Available: 10-Sep-2007
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): DFT
Kupferkatalysiert
Michael-Reaktion
Quantenchemie
Copper catalyzed
DFT
Michael Reaction
Quantum chemistry
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