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Regio- und enantioselektive Darstellung α-chiraler Allylsilane mittels Kupfer(I)-katalysierter allylischen Silylierung prochiraler und racemischer Allylphosphate
Delvos, Lukas Benjamin
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der regio- und enantioselektiven Kupfer(I)-katalysierten Silylierung von allylischen Elektrophilen. Der Kern dieser Arbeit beschreibt die erste asymmetrisch geführte allylische Substitution mit einem Siliciumnukleophil katalysiert durch einen chiralen N-heterozyklischen Carben-Kupfer(I)-Komplex. Die Erzeugung des Si-Nukleophils basiert auf der Transmetallierung einer Silizium-Bor-Bindung durch den Kupfer(I)-Katalysator und einer sauerstoffhaltigen Base. Die Grundlagen dieser Aktivierung wurden wenige Jahre zuvor in den Arbeitsgruppen OESTREICH und HOVEYDA entwickelt und fanden in dieser Arbeit eine der ersten Anwendungen im Forschungsgebiet der asymmetrischen Katalyse. Neben der Identifikation des geeigneten Katalysators, der erstmalig durch die Arbeitsgruppe um MCQUADE vorgestellt wurde, stellte sich die Wahl von Phosphaten als allylische Abgangsgruppe als entscheidendes Kriterium für eine erfolgreiche Umwandlung heraus. Insbesondere wird auf den stereochemischen Reaktionsverlauf eingegangen und gezeigt das die Absolutkonfiguration des erhaltenen α-chiralen Allylsilans unabhängig von der Doppelbindungsgeometrie des allylischen Ausgangsstoffes ist. Die Substratbreite der Reaktion erlaubt elektronenarme und -reiche Phenylsubstituenten und die Reaktionsvorschrift ließ sich problemlos auf Substrate mit unterschiedlichen Alkylresten übertragen. Höher substituierte Allylphosphate bedurften einer erneuten Optimierung der Reaktionsbedingungen und den Einsatz einer sterisch anspruchsvolleren Varianten des Liganden aus derselben chinazolinabgeleiteten NHC-Familie, konnten aber schließlich ebenfalls hochselektiv in die gewünschten silylierten Allylbausteine überführt werden.
Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Anwendung der beschriebenen Slyltransferreaktion auf racemische allylische Substrate. Ein racemisches zyklisches Allylphosphat konnte hochenantioselektisch in das entsprechende Allylsilan bei vollständigem Substratumsatz und fast quantitativer Produktausbeute umgewandelt werden. Zur mechanistischen Erklärung der Kupfer(I)-katalysierten Deracemisierung wurde zunächst über Deuterierungsexperimente die γ-selektive Natur der Silylierung nachgewiesen, wodurch von einer dynamischen kinetischen asymmetrischen Transformation als Erklärung des Enantiomerenüberschusses Abstand genommen werden konnte. Matched/Mismatched-Studien zum stereochemischen Reaktionsverlauf legten offen, dass je nach Absolutkonfiguration des Allylphosphatenantiomers die SN2ʹ-Substitution bezogen auf die Abgangsgruppe syn- oder anti-selektiv verläuft. Zwei unterschiedliche Reaktionspfade überführen folglich jeweils eins der beiden Enantiomere des Substrats in dasselbe Produktenantiomer. Solche immernoch raren Prozesse werden unter dem Begriff der direkten enantiokonvergenten Transformation zusammengefasst und sind erst seit kurzem verstanden. Diese These beinhaltet das erste Beispiel einer Silizium-Kohlenstoff-Bindungsknüpfung in dieser Reaktionsklasse.
The present dissertation is about regio- and enantioselective copper(I)-catalyzed silylation of allylic electrophiles. The main part decribes the first asymmetric allylic substitution with a silicon nucleophile catalyzed by a N-heterocyclic carben–copper(I) complex. The generation of the Si nucleophile is based on the transmetallation of a silicon–boron bond by the copper(I) complex in the presence of an alkoxide base. This methodology was recently invented by the groups of OESTREICH and HOVEYDA and presents an ermeging area in asymmetric synthesis. Besides the identification of the copper(I) catalyst, which was first introduced by MCQUADE and co-workers for the activation of B–B bonds, the choice of a phosphate as the allylic leaving group proved to be crucial for an efficient transformation. Stereochemical investigations showed that absolute configuration of the product is independent of the double bond geometry and both, E- and Z-configured acceptors are converted into the same silane enantiomer. The substrate scope includes electron-rich and -poor aryl-substituted allylic substrates. Alkyl groups are tolerated as well under the selected reaction conditions. For a successful transformation of branched allylic phosphates the reaction conditions required re-optimization and it was found, that a bulkier NHC ligand of the same quinazoline family allowed for a better discrimination of reaction site and enantiotopic face of the substrate.
The second part of the work was devoted to the application of the developed silylation protocol to racemic allylic substrates. Thereby, a racemic cyclic allylic phosphate could be transferred to its corresponding allylic silane with high enantioselectivity and near-quantitative yield. To explain the copper(I)-catalyzed deracemization mechanistically, we proved a high γ-selectivity for the silyl transfer by deuteration experiments. By this, we could rule out a dynamic kinetic resolution as an explanation for the enaniomeric excess. Matched/mismatched studies revealed that depending on the absolute configuration of the substrate enantiomer the diastereofacial selectivity of the SN2' reaction is either syn or anti, thus both enantiomers converge to the same allylic silane by two distinctive reaction mechanism. These still rare processes are defined as direct enantioconvergent transformations and have benn decribed only very recently for the first time. his thesis includes the first example of this reaction class with a silicon-carbon bond formation central to it.
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