| Lizenz: Creative Commons Namensnennung 4.0 International (18MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-436122
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 6 September 2021 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Tag der Prüfung: | 4 August 2020 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Organische Chemie Chemie und Pharmazie > Institut für Organische Chemie > Lehrstuhl Prof. Dr. Oliver Reiser |
| Stichwörter / Keywords: | sustainable chemistry, 2-pyrone synthesis, application of biobased pyrones, atypical anthracene Diels-Alder reactions |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 43612 |
Zusammenfassung (Englisch)
The first chapter of the present thesis deals with the synthesis of 2-pyrones starting from renewable resources (Scheme 109). The synthetic sequences started from furfuryl alcohol (18) and its corresponding derivatives 314, which were readily available from inexpensive furfural (310) – a platform chemical that is derived from agricultural waste products. Initially, the big-scale synthesis of ...
Zusammenfassung (Englisch)
The first chapter of the present thesis deals with the synthesis of 2-pyrones starting from renewable resources (Scheme 109). The synthetic sequences started from furfuryl alcohol (18) and its corresponding derivatives 314, which were readily available from inexpensive furfural (310) – a platform chemical that is derived from agricultural waste products. Initially, the big-scale synthesis of unsubstituted 2-pyrone (1) was described. Key step was the development of a FVT setup that allowed to perform the thermal rearrangement of epoxide 313 on a multigram scale. Herein, 20 g (123 mmol) of epoxide 313 were converted to the desired pyrone 1. Similarly, a reaction sequence starting from furfuryl alcohol derivatives 314 furnished naturally occurring 6-substituted alkyl-pyrones 2. The second chapter focused on further applications and functionalizations of the biobased 2 pyrone derivatives. Utilizing 6-hydroxyalkyl-2-pyrones 26 that have also been obtained from furfuryl alcohol (18) in a previous work of Reiser et al.16, several 3,7-substituted phthalide derivatives 342 were synthesized by an intermolecular Diels-Alder reaction with diethyl acetylenedicarboxylate (341) (Scheme 110). Likewise, intramolecular [4+2]-cycloaddition yielded 3-substituted phthalides 326, including the anti-ischemic stroke drug n-butyl phthalide 326b (Scheme 110). Moreover, starting from enantioenriched pyrones 26 the stereoselective synthesis of respective phthalides 326 and 342 was accomplished. In addition, the UV-mediated [4+2]-cycloaddition of 2-pyrone (1), an extremely rare example of a photocatalyzed [4+2]-cycloaddition in organic chemistry, was replaced by sustainable conditions using visible light-emitting diodes (Scheme 111). By employing the [Ir(dtb bpy)(dF(CF3)ppy)2]PF6 energy transfer catalyst, two structural and stereochemical rich regioisomers 367a-b were obtained diastereoselectively in short reaction time and overall excellent yield. Lastly, a transition metal-catalyzed cyclopropanation with donor-acceptor diazoacetate 376 furnished cyclopropanated pyrone 377a and pyridinone 377b in regioselective and diastereoselective fashion. Furthermore, the functionalization of these substrates was achieved with high levels of enantioselectivity by applying a chiral rhodium-catalyst – usually representing a major challenge in pyrone chemistry (Scheme 112). The scope of further pyrone and pyridinone derivatives as well as diazoacetates is currently investigated as a part of the Ph.D. thesis of Jiantao Fu, a member of the research group of Professor Huw Davies in Atlanta. The high functional group density displayed in these products offers the opportunity for further stereoselective follow-up transformations to build-up molecular complexity in future work as it was demonstrated in the synthesis of hydroxymethyl cyclopentenol derivatives 411 (Scheme 112). The last chapter was devoted to the atypical reactivity of anthracene derivatives 419b-e. The natural 9,10-preference of anthracenes in [4+2]-cycloaddition was successfully circumvented by simple yet effective installation of electron-donating substituents at the 1- or 1,5-positions. Consequently, a functionally diverse range of 1,4-cycloadducts 431 was obtained in up to excellent yields and regioselectivity without any premeditated blocking of the 9,10-positions (Scheme 113). However, employment of alkene dienophiles A-C yielded ordinary 9,10-cycloadducts 430 exclusively (Scheme 113). In cooperation with the working group of Prof. J. Rehbein (University of Regensburg), extensive computational studies were conducted investigating the influence of substituents and dienophiles on the regioselectivity of the [4+2] cycloaddition. These studies revealed the origin of the atypical selectivity to be of kinetic nature, being reflected by the largest orbital coefficient in the HOMO at the 4-position (blue sphere, Scheme 113) imposed by the electron-donating ability of the substituents in the terminal rings. Moreover, highly asynchronous transition states are leading to the products 431. In contrast, computed activation barriers and driving forces of the reaction with alkene dienophile B indicated that 1,4-addition is still kinetically favored, but the transformation is thermodynamically inhibited yielding only 9,10-products 430. Additionally, electronic manipulation of a terminal ring by installation of a pyrrolidine group in 1-position allowed to override the inherent 9,10-preference in aromatic substitution reactions with various electrophiles, leading to the exclusive functionalization of the outer ring in all cases (Scheme 114).
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das erste Kapitel der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von 2-Pyronen ausgehend von erneuerbaren Rohstoffen (Abbildung 1). Die Synthesesequenzen gingen von Furfurylalkohol (18) und dessen Derivaten 314 aus, welche leicht aus kostengünstigem Furfural (310) erhältlich sind – einer Plattformchemikalie, die aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten gewonnen wird. Zunächst wurde die ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das erste Kapitel der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von 2-Pyronen ausgehend von erneuerbaren Rohstoffen (Abbildung 1). Die Synthesesequenzen gingen von Furfurylalkohol (18) und dessen Derivaten 314 aus, welche leicht aus kostengünstigem Furfural (310) erhältlich sind – einer Plattformchemikalie, die aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten gewonnen wird. Zunächst wurde die Synthese von unsubstituiertem 2-Pyron (1) in großem Maßstab beschrieben. Der Schlüsselschritt war die Entwicklung eines FVT-Aufbaus, der es ermöglichte, die thermische Umlagerung von Epoxid 313 im Multigramm-Maßstab durchzuführen. Hierbei wurden 20 g (123 mmol) des Epoxids 313 in das gewünschte Pyron 1 umgesetzt. In ähnlicher Weise lieferte eine Reaktionssequenz ausgehend von Furfurylalkoholderivaten 314 natürlich vorkommende 6-substituierte Alkylpyrone 2. Das zweite Kapitel befasste sich mit den weiteren Anwendungen und Funktionalisierungen der biobasierten 2-Pyron-Derivate. Unter Verwendung von 6-Hydroxyalkyl-2-Pyronen 26, welche in vorangegangener Arbeit von Reiser et al. ebenfalls aus Furfurylalkohol (18) erhalten wurden, wurden einige 3,7-substituierte Phthalidderivate 342 durch intermolekulare Diels-Alder-Reaktion mit Diethylacetylendicarboxylat (341) synthetisiert (Abbildung 2). Gleichermaßen ergab eine intramolekulare [4+2]-Cycloaddition 3-substituierte Phthalide 326, einschließlich des antiischämischen Schlaganfallmedikaments n-Butylphthalid (326b) (Abbildung 2). Darüber hinaus wurde ausgehend von enantiomerenangereicherten Pyronen 26 die stereoselektive Synthese der jeweiligen Phthalide 326 und 342 erreicht. Des Weiteren konnte die mittels UV-Licht induzierte [4+2]-Cycloaddition von 2-Pyron (1), ein äußerst seltenes Beispiel für eine photokatalysierte [4+2]-Cycloaddition in der organischen Chemie, durch nachhaltige Bedingungen unter Verwendung von Dioden, die sichtbares Licht emittieren, ersetzt werden (Abbildung 3). Durch die Verwendung eines [Ir(dtb bpy)(dF(CF3)ppy)2]PF6 Energieübertragungskatalysators wurden zwei strukturell und stereochemisch reiche Regioisomere 367a-b diastereoselektiv in kurzer Reaktionszeit und insgesamt ausgezeichneter Ausbeute erhalten. Zuletzt lieferte die übergangsmetallkatalysierte Cyclopropanierung mit Donor-Akzeptor-Diazoacetat 376 cyclopropaniertes Pyron 377a und Pyridinon 377b auf regioselektive und diastereoselektive Weise. Außerdem wurde durch die Anwendung eines chiralen Rhodiumkatalysators die Funktionalisierung dieser Substrate mit hoher Enantioselektivität erreicht – was gewöhnlich eine große Herausforderung in der Pyronchemie darstellt (Abbildung 4). Der Anwendungsbereich weiterer Pyron- und Pyridinonderivate sowie Diazoacetate wird derzeit im Rahmen der Doktorarbeit von Jiantao Fu, einem Mitglied der Forschungsgruppe von Professor Huw Davies in Atlanta, untersucht. Die hohe Dichte an funktionellen Gruppen in diesen Produkten bietet die Möglichkeit für weitere stereoselektive Folgetransformationen zum Aufbau molekularer Komplexität in zukünftigen Arbeiten, wie es bei der Synthese von Hydroxymethylcyclopentenolderivat 411 gezeigt wurde (Abbildung 4). Das letzte Kapitel widmete sich der atypischen Reaktivität von Anthracenderivaten 419b-e. Die natürliche 9,10-Präferenz von Anthracenen in [4+2]-Cycloadditionen wurde erfolgreich durch einfache, aber effektive Installation elektronendonierender Substituenten an den 1- oder 1,5 Positionen umgangen. Infolgedessen wurde eine vielfältige Palette an 1,4-Cycloaddukten 431 erhalten, ohne dass die 9,10-Positionen vorsätzlich blockiert wurden (Abbildung 5). Die Verwendung von Alkendienophilen A-C ergab jedoch ausschließlich gewöhnliche 9,10-Cycloaddukte 430 (Abbildung 5). In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. J. Rehbein (Universität Regensburg) wurden umfangreiche Computerstudien durchgeführt, in denen der Einfluss der Substituenten und Dienophilen auf die Regioselektivität der [4+2] Cycloaddition untersucht wurde. Diese Studien ergaben, dass der Ursprung der atypischen Selektivität kinetischer Natur ist, was sich in dem größten Orbitalkoeffizienten im HOMO an der 4-Position (blaue Kugel, Abbildung 5) widerspiegelt und durch die Elektronendonorfähigkeit der Substituenten im terminalen Ring bedingt ist. Zudem führen stark asynchrone Übergangszustände zu den Produkten 431. Im Gegensatz wiesen berechnete Aktivierungsbarrieren und Triebkräfte der Reaktion mit Alkendienophil B darauf hin, dass die 1,4-Addition immer noch kinetisch bevorzugt ist, die Umwandlung jedoch thermodynamisch gehemmt ist und nur 9,10-Produkte 430 ergibt. Zusätzlich ermöglichte die elektronische Manipulation eines terminalen Rings durch Installation einer Pyrrolidingruppe in 1-Position sich über die inhärente 9,10-Präferenz bei aromatischen Substitutionen mit verschiedenen Elektrophilen hinwegzusetzen und in jedem Fall eine ausschließliche Funktionalisierung des äußeren Rings zu erreichen (Abbildung 6).
Metadaten zuletzt geändert: 06 Sep 2021 08:38
Nur für Besitzer und Autoren: Kontrollseite des Eintrags
Downloadstatistik