Entwicklung neuer chiraler Metathesekatalysatoren

Development of New Chiral Metathesis Catalysts

  • Diese Arbeit befasst sich im ersten Teil mit der Synthese chiraler Rutenium-Metathesekatalysatoren. Diese zeichnen sich durch eine Monosubstitution im Rückgrat des N-heterocyclischen Carben-Liganden (NHC-Liganden) aus. Der Katalysator wurde hierbei ausgehend von L-Valin hergestellt. Der Weg verlief über eine Sulfamidat-Zwischenstufe und war bezüglich Ausbeute und Flexibilität dem ursprünglichen Syntheseweg überlegen. Die hoch flexible Route über das Sulfamidat ermöglichte die Herstellung des gewDiese Arbeit befasst sich im ersten Teil mit der Synthese chiraler Rutenium-Metathesekatalysatoren. Diese zeichnen sich durch eine Monosubstitution im Rückgrat des N-heterocyclischen Carben-Liganden (NHC-Liganden) aus. Der Katalysator wurde hierbei ausgehend von L-Valin hergestellt. Der Weg verlief über eine Sulfamidat-Zwischenstufe und war bezüglich Ausbeute und Flexibilität dem ursprünglichen Syntheseweg überlegen. Die hoch flexible Route über das Sulfamidat ermöglichte die Herstellung des gewünschten Katalysators über sieben Stufen mit einer Gesamtausbeute von 23 %. Der Katalysator ist unter Luft- und Wasserausschluss in Lösung selbst bei höheren Temperaturen (40 °C) über mehrere Wochen stabil, in fester Form ist er auch an Luft über Monate stabil. Er ist auch bei tiefen Temperaturen (−20 °C) noch aktiv und kann Reaktionen schnell initiieren. Dieser Katalysatortyp benötigt für die asymmetrische Ringschlussmetathese (ARCM) erhöhte Reaktionstemperaturen (40 °C) für kurze Reaktionszeiten. Durch Zugabe von Styrol-Additiven oder Ethylen konnte die Reaktionsgeschwindigkeit so gesteigert werden, dass die Reaktion bei 0 °C durchgeführt werden konnte. Diese Temperaturerniedrigung hatte jedoch nur einen kleinen Effekt auf die Enantioselektivität in der ARCM-Reaktion. Man erhielt ee-Werte von bis zu 68 % ee. In der asymmetrischen Ringöffnungskreuzmetathese (AROCM) konnten die besten Resultate erzielt werden. Mit Styrol als Kreuzpartner und Norbornenanhydrid konnten bei −10 °C ee-Werte von bis zu 93 % ee erreicht werden. Das E/Z-Verhältnis erreichte Werte von 50:1 und mehr. Die Katalysatoren erzielten bei einer Katalysatorbeladung von 0.05 Mol-% eine turn over number (TON) von 5000 und damit die höchste TON aller bisher bekannten chiralen Rutheniummetathesekatalysatoren. Neben neuen Substraten für die AROCM wurde eine Reihe neuer oder selten verwendeter Kreuzpartner verwendet. Mit Allylsilanen konnten neben hohen ee-Werten (bis 92 % ee) auch hohe E/Z-Verhältnisse (bis >30:1) erzielt werden. Bei borhaltigen Allylverbindungen erhielt man bei einem E/Z-Verhältnis von 1.4:1 ein ee-Wert für das (Z)-Isomer von 90 % ee. Der erzielte Enantiomerenüberschuss hing bei den getesteten Kreuzpartnern nur bedingt von den elektronischen Eigenschaften des Kreuzpartners ab. Mit Styrol waren die ee-Werte deutlich höher als bei der Verwendung von elektronenreichen und elektronenarmen Styrolderivaten. Die Enantioinduktion war in den meisten Fällen von der sterischen Beschaffenheit des Kreuzpartners abhängig, je sterisch anspruchsvoller der Kreuzpartner, desto höher war der Enantiomerenüberschuss. Die große Ausnahme bezogen auf den sterischen Einfluss sind Allylalkohole und dessen höhere Homologe. Mit bis zu 94 % ee wurden die höchsten ee-Werte bei den sterisch anspruchslosen ungesättigten Alkoholen erzielt. Dies kann auf die hohe Koordinationsfähigkeit der Alkohole zurückgeführt werden. Über Wasserstoffbrücken kann der Alkohol an die Chloridoliganden des Rutheniums angebunden werden. Am Ende der Arbeit wurde damit begonnen die bei der AROCM gewonnenen Produkte in Folgereaktion einzusetzen. Bei der Verwendung der silanhaltigen AROCM-Produkte gelang erstmals der Aufbau von Vinylcyclobutanonen mittels TiCl4-vermittelter intramolekularer Sakurai-Reaktion. Die dabei selektiv entstandenen Bicyclo[3.2.0]heptane konnten in guten Ausbeuten (76 % über drei Stufen) synthetisiert werden.show moreshow less
  • The first part of this work deals with the synthesis of chiral ruthenium metathesis catalysts, which are characterized by a monosubstitution in the backbone of the N-heterocyclic carbene ligands (NHC). The preparation of precatalyst starts from L-valine. The synthesis ran through a sulfamidate intermediate and was in regarding of overall yield and flexibility superior to the original synthetic route. The highly flexible route via the sulfamidate intermediate enabled the synthesis of the catalystThe first part of this work deals with the synthesis of chiral ruthenium metathesis catalysts, which are characterized by a monosubstitution in the backbone of the N-heterocyclic carbene ligands (NHC). The preparation of precatalyst starts from L-valine. The synthesis ran through a sulfamidate intermediate and was in regarding of overall yield and flexibility superior to the original synthetic route. The highly flexible route via the sulfamidate intermediate enabled the synthesis of the catalyst in seven steps with an overall yield of 23 %. The catalyst is under exclusion of air and water stable in solution stable for several weeks even at higher temperatures (40 °C). In solid form, it is also air stable at air for months. It is still active even at low temperatures (−20 °C) and can initiate reactions rapidly. This type of catalyst requires elevated reaction temperatures (40 °C) for the asymmetric ring-closing metathesis (ARCM) in short reaction times. By addition of additives such as styrene derivatives or ethylene the reaction rate could be increased that the reaction could be conducted at 0 °C. This decrease in temperature had only a little effect on the enantioselectivity in this reaction with an enantiomeric excess up to 68 % ee. In the asymmetric ring-opening cross-metathesis (AROCM) the best results could be achieved. With styrene as cross partner and norbornene anhydride ee-values up to 93 % ee at −10 °C could be realized. An E/Z ratio of up to 50:1 and more was reached. The catalysts achieved a turnover number (TON) of 5000 at a catalyst loading of 0.05 mol%, which is the highest TON of all known chiral ruthenium metathesis catalysts. New norbornene substrates and a number of new or rarely used cross-partner were used in the AROCM. With allylsilanes high ee values (up to 92 % ee) and high E/Z selectivties (up to >30:1) could be achieved. For boron-containing allyl compounds an E/Z ratio of 1.4:1 with an ee value for the (Z)-isomer of 90 % ee were obtained. Only a limited connection between electronic properties of the cross partner and the enantiomeric excess was observed. With styrene the ee values were significantly higher than with electron-rich or electron-deficient styrene derivatives. In most cases the enantioinduction was dependent on the steric characteristics of the cross partner. The more sterically demanding the cross-partner the higher were the ee values. The major exceptions related to the steric effects are allyl alcohol and its higher homologues. With up to 94 % ee, the highest ee values were obtained for the sterically undemanding unsaturated alcohols. This effect can be attribute to the high coordination ability of free alcohols. Via hydrogen bonds the alcohol may be linked to the chlorido-ligand of the ruthenium. Finally the reaction products of the AROCM were used for further reactions. When using the silane-containing products the first-time construction of vinyl-cyclobutanones succeeded by a TiCl4-mediated intramolecular Sakurai-reaction. The selectively resulting bicyclo[3.2.0]heptanes were synthesized in good yields (76 % over three steps).show moreshow less

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Metadaten
Author: David Alexander Schlesiger
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-35657
Advisor:Prof. Dr. Siegfried Blechert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/06/08
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/04/20
Release Date:2012/06/08
Tag:Aminosäuren; Asymmetrische Katalyse; N-heterocyclische Carbene; Olefinmetathese; Ruthenium
N-heterocyclic carbenes; amino acids; asymmetric catalysis; olefin metathesis; ruthenium
Institutes:Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)