title: Asymmetric Catalysis with Chiral-at-Metal Complexes: From Non-Photochemical Applications to Photoredox Catalysis
title: Asymmetrische Katalyse mit "Chiral-at-Metal"-Komplexen: Von nicht Photochemischen Anwendungen bis zur Photoredoxkatalyse
Creators: name: Huo, Haohua
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Katalyse
Chemistry and allied sciences
Chemie
asymmetric catalysis
"chiral-at-metal"-Komplexe
"chiral-at-metal"-complexes
asymmetrischen Katalyse

description: Die Entdeckung oktaedrischer
      "chiral-at-metal"-Komplexe, die hoch enantioselektive
      nicht-photochemische- und photochemische Umwandlungen
      katalysieren oder beide gleichzeitig, ist eine anspruchsvolle
      Herausforderung. Diese Dissertation beschreibt die Entdeckung
      und Anwendung zweier unterschiedlicher Klassen von Komplexen
      mit metallzentrierter Chiralität in der asymmetrischen
      Katalyse, und zwar einerseits ein
      Enamin/Wasserstoffbrückenbindungs-Katalysator und zum anderen
      ein Lewis-Säure-Katalysator. Der oktaedrische
      Enamin/Wasserstoffbrückenbindungs-Katalysator (Λ-Ir4)
      katalysiert die enantioselektive α-Aminierung von Aldehyden
      mit Katalysatorladungen bis hinab zu 0.1 mol%. Bei diesem
      Metall-basierten Katalysator fungiert das Iridium als
      strukturelles Zentrum und stellt gleichzeitig das einzige
      Chiralitätszentrum dar, wohingegen die eigentliche Katalyse
      durch die Ligandensphäre vermittelt wird (Kapitel 3.1). Der
      zwei hemilabile Acetonitril-Liganden enthaltende
      "chiral-at-metal"-Komplex Λ-IrO kann als
      Lewis-Säure-Katalysator genutzt werden. Dieser katalysiert
      effizient die enantioselektive Friedel-Crafts-Addition von
      Indolen an α,β-ungesättigte 2-Acylindole mit hohen Ausbeuten
      (75-99%) und hohen Enantioselektivitäten (90-98%) bei
      gleichzeitig niedrigen Katalysatorladungen (0.25-2 mol%).
      Überraschenderweise behält dieser Komplex seine
      metallzentrierte Stereoinformation trotz des schnellen
      Austauschs der Acetonitril-Liganden, welcher für eine
      zufriedenstellende katalytische Aktivität erforderlich ist.
      Seit dieser Entdeckung ist diese neue Klasse von Komplexen
      mit metallzentrierter Chiralität erfolgreich für viele andere
      asymmetrische Reaktionen im Arbeitskreis Meggers eingesetzt
      worden (Kapitel 3.2). Der Lewis-Säure-Katalysator Λ-IrO und
      der davon abgeleitete Katalysator Λ-IrS können auch als
      leistungsfähige Photoredoxkatalysatoren in anspruchsvollen
      asymmetrischen Photoredoxreaktionen eingesetzt werden. Mit
      dem Katalysator Λ-IrS (2 mol%) ist die durch sichtbares Licht
      angetriebene Alkylierung von 2-Acylimidazolen mit
      elektronenarmen Benzyl- und Phenacylbromiden mit exzellenten
      Enantioselektivitäten (90-99%) und exzellenten Ausbeuten
      (84-100%) möglich. Bei dieser nur einen Katalysator
      umfassenden Strategie dient der "chiral-at-metal"-Katalysator
      als ein in-situ Photosensibilisator-Vorläufer für die
      Photoredoxkatalyse und vermittelt gleichzeitig eine sehr
      effektive Stereoinduktion bei der α-Funktionalisierung von
      Ketonen (Kapitel 3.3). Anschließend wurde diese neue
      katalytische Strategie ausgedehnt auf die hoch
      enantioselektive α-Trichloromethylierung (Kapitel 3.4) und
      α-Perfluoroalkylierung (Kapitel 3.5) durch Licht-aktivierte
      Photoredoxkatalyse. Zuvor wurden für die meisten
      erfolgreichen asymmetrischen Photoredoxkatalysen stets zwei
      Katalysatoren benötigt, einer für die Photoredox-Aktivierung
      und ein anderer für die Stereoinduktion. Der hier
      beschriebene Katalysator füllt daher eine Lücke im
      Werkzeugkasten der Photoredoxsynthese und ermöglicht
      neuartige und ökonomische Synthesen von enantioangereicherten
      Molekülen. Allerdings haben in einigen Fällen synergistische
      Katalysestrategien ihre Vorteile gegenüber der Verwendung
      eines einzelnen Katalysators. Durch Hinzufügen eines externen
      Photosensibilisators zur chiralen Lewis-Säure Λ-RhS konnte
      eine effiziente Addition von Organotrifluoroboraten an
      elektronenarme Alkene bereitwillig unter Photoredoxbedingungn
      erzielt werden. Diese praktische Methode liefert Ausbeuten
      bis zu 97% bei exzellenten Enantioselektivitäten von bis zu
      99% ee und lässt sich klassifizieren als eine redoxneutrale,
      Elektronentransfer-katalysierte Reaktion. Die zuvor
      entwickelten bifunktionalen photoredox /chirale
      Lewis-Säure-Katalysatoren Λ-IrO und Λ-IrS können nicht für
      diese Reaktion genutzt werden, was nachweislich auf die
      langsame Ligandenaustauschrate bei den Iridium-Komplexen
      zurückzuführen ist (Kapitel 3.6).
description: The discovery of octahedral
      chiral-at-metal complexes that promote highly
      enantioselective non-photochemical or photochemical
      transformations, or both, is a challenging goal. This thesis
      details the discoveries and applications of two distinct
      classes of chiral-at-metal iridium(III) complexes for
      asymmetric catalysis, one is a metal-templated
      enamine/H-bonding catalyst and the other is a metal-based
      Lewis-acid catalyst. The octahedral enamine/H-bonding
      catalyst (Λ-Ir4) promotes the enantioselectiveα-amination of
      aldehydes with catalyst loadings down to 0.1 mol%. In this
      metal-templated design, the iridium serves as a structural
      center and affords the exclusive source of chirality, whereas
      the catalysis is mediated through the organic ligand sphere
      (chapter 3.1). The chiral-at-metal complex Λ-IrO bearing two
      hemilabile acetonitrile ligands can be used as a chiral Lewis
      acid catalyst. It efficiently catalyzes the enantioselective
      Friedel-Crafts addition of indoles to α,β-unsaturated 2-acyl
      imidazoles with high yields (75-99%) and high
      enantioselectivities (90-98% ee) at low catalyst loadings
      (0.25-2 mol%). Counterintuitively, this complex maintains its
      metal-centered configuration despite the rapid acetonitrile
      ligand exchange which is required for satisfactory catalytic
      activity. Since this initial discovery, this novel class of
      reactive chiral-at-metal complexes has been successfully
      applied to many other asymmetric catalytic reactions in the
      Meggers group (chapter 3.2). The Lewis-acid catalyst Λ-IrO
      and its derivative Λ-IrS can also be competent photoredox
      catalyst for challenging asymmetric photoredox catalysis.
      With a single catalyst Λ-IrS (2 mol%), the
      visible-light-activated enantioselective alkylation of 2-acyl
      imidazoles with electron-deficient benzyl bromides and
      phenacyl bromides provided excellent enantioselectivities
      (90-99% ee) and excellent yields (84-100%). In this mono
      catalysis strategy, the chiral-at-metal complex serves as an
      in situ photosensitizer precursor for photoredox catalysis
      and at the same time provides very effective asymmetric
      induction for α-functionalization of ketones (chapter 3.3).
      Subsequently, this new catalytic strategy has been expanded
      to realize highly enantioselective α-trichloromethylation
      (chapter 3.4) and α-perfluoroalkylation (chapter 3.5) through
      visible-light-activated photoredox catalysis. Previously,
      most of the successful approaches for asymmetric photoredox
      catalysis needed two catalysts, one for the photoredox
      activation, and the other for stereoinduction. The single
      catalyst strategy fulfills an unmet need in the photoredox
      synthetic toolbox and provides new avenues for the efficient
      and economical synthesis of enantioenriched molecules.
      Alternatively, in some cases the synergistic catalysis
      strategy still has its advantages over the single catalyst
      system. By merging the chiral Lewis acid Λ-RhS with an
      external photosensitizer, an efficient enantioselective
      addition of organotrifluoroborates to electron-deficient
      alkenes was readily realized under photoredox conditions.
      This practical method provides yields up to 97% with
      excellent enantioselectivities up to 99% ee and can be
      classified as a redox neutral, electron-transfer-catalyzed
      reaction. The previously developed dual function
      photoredox/chiral Lewis acid catalysts Λ-IrO or Λ-IrS are not
      applicable for this photoreaction and this has been
      pinpointed to slow ligand exchange kinetics in the iridium
      system (chapter 3.6).