Reactivity and selectivity in homogeneous nickel catalysis and in the formal conia-ene reaction : a computational and experimental approach

Dürr, Alexander B.; Raabe, Gerhard; Enders, Dieter; Schoenebeck, Franziska

doi:10.18154/RWTH-2018-227349

Reactivity and selectivity in homogeneous nickel catalysis and in the formal conia-ene reaction : a computational and experimental approach = Reaktivität und Selektivität in der homogenen Nickelkatalyse und in der formalen Conia-En Reaktion - Theoretische und experimentelle Untersuchungen

Dürr, Alexander B.^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl. Chem. Alexander B. Dürr

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (iv, 313 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schoenebeck, Franziska (Thesis advisor)^RWTH* ; Enders, Dieter (Thesis advisor)^RWTH* ; Raabe, Gerhard (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-227349
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/731220/files/731220.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/731220/files/731220.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
catalysis (frei) ; computational (frei) ; fluorine (frei) ; Nickel (frei) ; DFT (frei) ; mechanism (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Kapitel 1: Der Einbau von Fluor oder Fluor-enthaltenden Untereinheiten in organische Moleküle beeinflusst deren physikalische Eigenschaften beträchtlich. Eine Vielzahl an Agrochemikalien und pharmazeutischen Produkten enthalten daher Fluor. Die SCF3 Gruppe ist in diesem Zusammenhang von hohem Interesse. Obwohl verschiedene Methoden zur Einführung der SCF3 Gruppe in kleine Moleküle existieren, blieb die Funktionalisierung von Csp2-O Bindungen unzugänglich. Dieses Kapitel beschreibt einen kombinierten theoretischen und experimentellen Zugang zur Entwicklung der Trifluoromethylthiolierung von Csp2-O Bindungen. Eine Kernaussage ist, dass die Reaktivitäten von funktionellen Gruppen in Produkten und Edukten abgestimmt sein müssen um Deaktivierungen zu vermeiden. So kann die Aktivität von Nickel zur Einführung potentiell reaktiver funktioneller Gruppen, wie SCF3, genutzt werden. Hierbei erlaubten theoretische Berechnungen matched/mismatched Funktionalitäten zu identifizieren und den Substratumfang zu steuern. Kapitel 2: Obwohl viele Reaktionstypen sowohl durch Pd als auch durch Ni vermittelt werden können, sind die entsprechenden Elementarschritte nicht unbedingt kongruent. Nickel besitzt einzigartige Eigenschaften, wie eine erhöhte Reaktivität gegenüber Bindungen, die i. A. als inert eingestuft sind oder die Interkonversion vorwiegend zwischen Ni(0), Ni(I) und Ni(II) in Kreuzkupplungen. Diese Faktoren erschweren sowohl das Erreichen von chemoselektiven Umwandlungen, als auch die Unterscheidung zwischen katalytisch aktiven und inaktiven Zwischenstufen. Die Erlangung von Verständnis und Kontrolle über das Zusammenspiel von Reaktivität und Oxidationszustand ist ein wichtiger Schritt hin zur Nutzung der einzigarten Reaktivität von Nickel. Wir konnten erfolgreich eine katalytische Anwendung von Ni(I)-NHC Dimeren mit der ersten Ni katalysierten C-SeCF3 Bindungsbildung entwickeln. Dieses Protokoll erlaubt eine Unterscheidung zwischen Ar-I , Ar-Cl und Ar-Br Funktionalitäten, was für die Pd Katalyse nicht zum selben Grad bekannt ist. Mechanistische Untersuchungen durch NMR und DFT Studien deuten auf eine katalytische Aktivität des Dimers hin. Kapitel 3: Enders und Mitarbeiter entwickelten eine Methode zur enantioselektiven Ein-Topf-Synthese fünfgliedriger Spiropyrazolone. Dieses Verfahren besteht aus zwei Schritten, einer asymmetrischen Michael-Addition, die durch ein Quadratsäureamid katalysiert wird und einer 5-exo-dig-Zyklisierung, katalysiert durch Ag(I). Abhängig vom Substitutionsmuster der Alkineinheit, verläuft die Reaktion sogar in Abwesenheit von Silber, solange die Alkineinheit aromatische Substitutenten trägt. Um diese Beobachtung zu erklären, wurden mithilfe theoretischer Berechnungen verschiedene potentielle Reaktionspfade (neutral, radikalisch, ionisch) untersucht. Diese Berechnungen suggerieren einen ionischen Mechanismus in Anwesenheit von Silber und einen radikalischen Mechanismus in Abwesenheit von Silber wenn die Alkineinheit zu einem Phenylring konjugiert ist. Um diese Vorhersage zu testen, wurden letztere Reaktion unter Inertatmosphäre durchgeführt und es konnte keine Zyklisierung beobachtet werden. Stattdessen stoppte die Reaktion beim Michael Addukt, was eine Involvierung von Luftsauerstoff in der initialen Radikalbildung suggeriert. Kapitel 1Der Einbau von Fluor oder Fluor-enthaltenden Untereinheiten in organische Moleküle beeinflusst deren physikalische Eigenschaften beträchtlich. Eine Vielzahl an Agrochemikalien und pharmazeutischen Produkten enthalten daher Fluor. Die SCF3 Gruppe ist in diesem Zusammenhang von hohem Interesse. Obwohl verschiedene Methoden zur Einführung der SCF3 Gruppe in kleine Moleküle existieren, blieb die Funktionalisierung von Csp2-O Bindungen unzugänglich. Dieses Kapitel beschreibt einen kombinierten theoretischen und experimentellen Zugang zur Entwicklung der Trifluoromethylthiolierung von Csp2-O Bindungen. Eine Kernaussage ist, dass die Reaktivitäten von funktionellen Gruppen in Produkten und Edukten abgestimmt sein müssen um Deaktivierungen zu vermeiden. So kann die Aktivität von Nickel zur Einführung potentiell reaktiver funktioneller Gruppen, wie SCF3, genutzt werden. Hierbei erlaubten theoretische Berechnungen matched/mismatched Funktionalitäten zu identifizieren und den Substratumfang zu steuern. Kapitel 2 Obwohl viele Reaktionstypen sowohl durch Pd als auch durch Ni vermittelt werden können, sind die entsprechenden Elementarschritte nicht unbedingt kongruent. Nickel besitzt einzigartige Eigenschaften, wie eine erhöhte Reaktivität gegenüber Bindungen, die i. A. als inert eingestuft sind oder die Interkonversion vorwiegend zwischen Ni(0), Ni(I) und Ni(II) in Kreuzkupplungen. Diese Faktoren erschweren sowohl das Erreichen von chemoselektiven Umwandlungen, als auch die Unterscheidung zwischen katalytisch aktiven und inaktiven Zwischenstufen. Die Erlangung von Verständnis und Kontrolle über das Zusammenspiel von Reaktivität und Oxidationszustand ist ein wichtiger Schritt hin zur Nutzung der einzigarten Reaktivität von Nickel. Wir konnten erfolgreich eine katalytische Anwendung von Ni(I)-NHC Dimeren mit der ersten Ni katalysierten C-SeCF3 Bindungsbildung entwickeln. Dieses Protokoll erlaubt eine Unterscheidung zwischen Ar-I , Ar-Cl und Ar-Br Funktionalitäten, was für die Pd Katalyse nicht zum selben Grad bekannt ist. Mechanistische Untersuchungen durch NMR und DFT Studien deuten auf eine katalytische Aktivität des Dimers hin. Kapitel 3 Enders und Mitarbeiter entwickelten eine Methode zur enantioselektiven Ein-Topf-Synthese fünfgliedriger Spiropyrazolone. Dieses Verfahren besteht aus zwei Schritten, einer asymmetrischen Michael-Addition, die durch ein Quadratsäureamid katalysiert wird und einer 5-exo-dig-Zyklisierung, katalysiert durch Ag(I). Abhängig vom Substitutionsmuster der Alkineinheit, verläuft die Reaktion sogar in Abwesenheit von Silber, solange die Alkineinheit aromatische Substitutenten trägt. Um diese Beobachtung zu erklären, wurden mithilfe theoretischer Berechnungen verschiedene potentielle Reaktionspfade (neutral, radikalisch, ionisch) untersucht. Diese Berechnungen suggerieren einen ionischen Mechanismus in Anwesenheit von Silber und einen radikalischen Mechanismus in Abwesenheit von Silber wenn die Alkineinheit zu einem Phenylring konjugiert ist. Um diese Vorhersage zu testen, wurden letztere Reaktion unter Inertatmosphäre durchgeführt und es konnte keine Zyklisierung beobachtet werden. Stattdessen stoppte die Reaktion beim Michael Addukt, was eine Involvierung von Luftsauerstoff in der initialen Radikalbildung suggeriert.

Chapter 1: Incorporation of fluorine or fluorine-containing moieties into organic molecules significantly impacts several physical properties. Consequently, a large number of agrochemicals and pharmaceuticals on the market contain fluorine. In this context, the SCF3 group is of high current interest. While several methods have successfully been developed to incorporate the SCF3 group into small molecules, the functionalization of Csp2-O bonds had remained inaccessible. This chapter describes a combined computational and experimental approach to the development of the trifluoromethythiolation of Csp2-O bonds (vinyl and aryl) under homogeneous nickel catalysis. This work emphasizes that when harnessing Nickel’s activity to introduce potentially reactive groups, such as SCF3, the reactivity of the functional groups in the starting material and in the product require matching in order to prevent deactivation side-reactions. In this context, computational chemistry allowed us to identify the match/mismatch functionalities and guide the substrate scope. Chapter 2: While many of the processes catalyzed by Pd can also be mediated by Ni, the assumption that the elementary steps are mechanistically congruent is an oversimplified view. Nickel possesses unique properties, such as its higher reactivity towards bonds otherwise considered inert as well as its interconversion between different oxidation states, predominantly Ni(0), Ni(I) and Ni(II), under cross coupling conditions. These specific factors make both chemoselectivity and the distinction between active intermediates and off-cycle species disproportionately difficult. Achieving understanding and - ultimately - control over the interplay of reactivity and oxidation state is a crucial step towards harnessing Nickel’s unique reactivity. Therefore, a catalytic application of Ni(I)-NHC dimers has been developed with the first Nickel catalysed C-SeCF3 bond formation. This protocol allows for the discrimination between, among others, Ar-I , Ar-Cl and Ar-Br functionalities, a feature not known in the same way for Pd catalysis. Mechanistic investigations by NMR spectroscopy and DFT studies support dinuclear reactivity consistently. Chapter 3: Enders and co-workers have developed a protocol for the enantioselective one-pot synthesis of five-membered spiropyrazolones. This process consists of two distinct steps, an asymmetric Michael addition catalyzed by a squaramide and a 5-exo-dig-cyclization, which was mediated by Silver catalysis. Depending on the substitution pattern of the alkyne moiety, the reaction has been observed to proceed even in the absence of Silver. In order to shed light on this intriguing feature, computational studies were performed, considering different mechanistic pathways (neutral, radical, ionic). Computations suggest an ionic pathway for the Ag-mediated cyclization step. In the absence of Silver, and when the alkyne moiety is substituted by a phenyl ring, computations suggest a radical pathway to be operative. Subsequent experiments were performed under inert atmosphere and the reaction without Silver was not productive anymore but instead stopped at the Michael addition intermediate, suggesting oxygen being involved in the initial radical formation step.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)