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C(sp2)–C(spn) and N(sp2)–C(sp2) bond-forming processes enabled by silicon-masked aryl-substituted diazenes
Finck, Lucie
The present dissertation is dedicated to the rediscovery of an understudied class of latent carbon and nitrogen nucleophiles, namely N-aryl-N’-silyldiazenes, engaging in prominent transformations as a viable alternative to their unstable hydrogen-substituted counterparts.
In a first project, a general two-step procedure for the preparation of these silicon-protected aryldiazenes was developed. Based on early contributions, a one-pot deprotonation–silylation of arylhydrazines followed by subsequent dehydrogenation of the resulting N-aryl-N’-silyl-hydrazines employing a benign, commercially available oxidizing agent enabled the introduc-tion of manifold sterically and electronically modified substituents at both the silyl and aromatic units. In addition, the easy-to-handle and kinetically stable building blocks exhibit a deep blue to purple color, indicating a long-wavelength n→π* transition which was characterized experimentally by UV-visible absorption spectroscopy.
Next, the applicability of these organosilicon species was explored, anticipating an external activation to unlock their nucleophilic character. Conceptually, the action of substoichiometric quantities of a LEWIS base brought about the catalytic in situ generation of functionalized, highly reactive aryl metal reagents at ambient temperature, accompanied by N–Si bond cleavage and extrusion of elemental nitrogen. Inspired by Bottaros’s seminal investigation, this concept was effectively applied to the autocatalytic 1,2-arylation of carbonyl and carboxyl compounds mediated by alkali metal trimethylsilanolate salts. Moreover, the method was further extended to the challenging assembly of a previously unknown cyclophane-like [4]arene macrocycle starting from a bis-diazene, an equivalent to an aryl dinucleophile. Accordingly, a fluoride-promoted denitrogenative C(sp2)–C(sp2) coupling of these silicon-masked aryl nucleophiles and sufficiently electron-deficient fluorinated arenes was realized under transition-metal-free conditions. The chemoselective approach proceeds through a stepwise nucleophilic aromatic substitution (SNAr) with good levels of regiocontrol, and the synthetically useful polyfluorinated biaryl scaffolds were isolated in good to excellent yields. However, these catalytic processes were limited as the pronucleophilic precursors demonstrated to act as strong bases upon activation with an anionic initiator.
Finally, a selective palladium-catalyzed C(sp2)–N(sp2) cross-coupling of (hetero)aryl (pseudo)halides and N-aryl-N’-silyldiazenes serving as diazenyl anion equivalents with no loss of dinitrogen was achieved. The competing denitrogenative pathway was fully circumvented, thereby providing access to non-symmetric azoarenes decorated with a variety of functional groups and heterocycles in high yields. Key to success is attributed to the choice of the palladium/ligand catalytic system.
Die vorliegende Dissertation ist der Wiederentdeckung einer wenig erforschten Klasse von Kohlenstoff- und Stickstoffnukleophilen gewidmet, nämlich N-Aryl-N’-silyldiazenen, die in bedeutenden Reaktionen eine Alternative zu ihren instabilen wasserstoffsubstituierten Gegenstücken darstellen.
In einem ersten Projekt wurde eine allgemeine zweistufige Darstellungsmethode für silylgeschützte Aryldiazene entwickelt. Basierend auf früheren Arbeiten ermöglichte eine Eintopfreaktion aus einer deprotonierenden Silylierung von Arylhydrazinen gefolgt von einer Dehydrierung der erhaltenen N-Aryl-N’-silylhydrazine mit einem milden und kommerziell erhältlichen Oxidationsmittel die Anbringung vielfältiger sterisch und elektronisch modifizierter Substituenten an der Siliciumeinheit und am Aromaten. Außerdem weisen die handhabbaren und kinetisch stabilen Bausteine eine blaue bis violette Farbe auf, die einen langwelligen n→π*-Übergang anzeigt, der experimentell durch UV/VIS-Spektroskopie charakterisiert wurde.
Danach wurde die Anwendbarkeit dieser Organosiliciumverbindungen untersucht, wobei eine externe Aktivierung zur Freisetzung ihres nukleophilen Charakters vorausgesetzt wurde. Der Einsatz nichtstöchiometrischer Mengen an LEWIS-Base bewirkte katalytisch die in-situ-Bildung funktionalisierter und hochreaktiver Metallreagenzien bei Raumtemperatur bei gleichzeitiger N–Si-Bindungsspaltung und Freisetzung elementaren Stickstoffs. Inspiriert von Bottaros Pionierarbeit wurde diese Vorgehensweise effektiv auf die autokatalytische alkalitrimethylsilanolatvermittelte 1,2-Arylierung von Carbonylen und Carbonsäuren angewendet. Darüber hinaus wurde die Methode ausgehend von einem Bis-Diazen, das einem Aryldinukleophil entspricht, auf den schwierigen Aufbau eines bisher unbekannten cyclophanartigen [4]Aren-Makrozyklus erweitert. Dementsprechend wurde eine fluoridvermittelte denitrogenierende C(sp2)–C(sp2)-Kupplung dieser silylmaskierten Arylnukleophile und hinreichend elektronenarmen Fluoraromaten ohne Übergangsmetalle bewerkstelligt. Der chemoselektive Ansatz läuft über eine schrittweise nukleophile aromatische Substitution (SNAr) mit guter Regioselektivität ab, und synthetisch nützliche mehrfach fluorierte Biaryle wurden in guten bis exzellenten Ausbeuten erhalten. Allerdings waren diese Katalysen eingeschränkt, weil die Pronukleophile bei Aktivierung durch einen anionischen Initiator als starke Basen agierten.
Schließlich wurde eine selektive palladiumkatalysierte C(sp2)–C(sp2)-Kreuzkupplung von (Pseudo)halogen(hetero)aromaten mit N-Aryl-N‘-silyldiazenen, die als Diazenylanionäquivalent dienten, ohne Verlust von molekularem Stickstoff erreicht. Der konkurrierende denitrogenierende Reaktionsweg wurde vollständig umgangen, wodurch asymmetrische Azoaromaten dekoriert mit einer Auswahl funktioneller Gruppen und Heterozyklen in hoher Ausbeute zugänglich wurden. Entscheidend ist hierbei die Wahl des Systems aus Palladium und Ligand.
