title: Silyl and germyl groups as steering units in enantioconvergent nickel-catalyzed allylation and etherification as well as in regioselective hydrocarbonation reactions
Creators: name: Brösamlen, Daniel
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::540 Chemie::547 Organische Chemie
subject: nickel catalysis
subject: organosilanes
subject: organogermanes
subject: allylic substitution
subject: hydrocarbonation

description: The present thesis is dedicated to highlight the remarkable versatility of nickel catalysis in enabling regioselective transformations that lead to the formation of C(sp3)–C(sp3) and C(sp3)–heteroatom bonds, orchestrated by silyl and germyl groups as steering units, with an emphasis on achieving these transformations in an enantioconvergent manner. Throughout this thesis, two main approaches were explored: the well-established allylic substitution reaction, which demonstrates significant advancements in the simultaneous control of enantioselectivity, regioselectivity, and alkene geometry in challenging unsymmetrical 1,3-disubstituted racemic allylic electrophiles; and the more recently developed reductive couplings of alkenes with unactivated alkyl electrophiles, an innovative alternative to conventional method that leverage vinylmetalloids (silyl and germyl units) for unique transformations. The first part of this dissertation, comprising Chapters 2–5, delves into the enantio- and regioconvergent allylic substitution of racemic, unsymmetrically 1,3-disubstituted allylic electrophiles under nickel catalysis. For the site-selective formation of C(sp3)–C(sp3) bonds, a germyl unit is employed in Chapter 2 to access γ-stereogenic vinylgermanes, while a silicon-tethered directing group is explored in Chapter 3 for the synthesis of α-stereogenic allylsilanes, though this proved particularly challenging. In Chapter 4 and 5 heteroatom nucleophiles for the construction of chiral C(sp3)–O and C(sp3)–N stereocenters are leveraged, which are highly relevant motifs in bioactive molecules. The use of a silyl unit in these chapters not only serves as a steering unit but also serves as a linchpin for further synthetic applications. The second part of this dissertation, including Chapters 6–9, is primarily devoted to the introduction of sp3-hybridized carbon atoms to vinylmetalloids under Ni–H catalysis, a novel technique that has seen rapid advancements in recent years due to its benefits over traditional transition metal catalysis. In Chapter 6 the influence of silyl and germyl units on the alkene moiety of the transformation is investigated, leading to the discovery of a highly chemo- and regioselective hydroalkylation of alkyl iodides favoring anti-MARKOVNIKOV selectivity, enabling a streamlined synthesis of alkylsilanes and -germanes. These discoveries set the stage for the subsequent chapters, with focusing on substrate manipulation to induce stereocenter formation in Chapter 7 and exploring silicon-tethered directing groups to achieve simultaneous enantio- and regioselectivity in Chapter 8. However, this approach proved challenging, resulting in an unexpected yet groundbreaking discovery of a ligand-controlled protocol. This strategy enables a switchable directed/nondirected hydroalkylation, granting access to either branched- or linear alkyl metalloids. Finally, to further demonstrate the versatility of vinylsilanes, in Chapter 9 this methodology is extended to a hydroarylation protocol using (hetero)aryl iodides, facilitating the construction of C(sp3)–C(sp2) bonds in a chemo- and regioselective manner.
description: Die vorliegende Dissertation widmet sich der bemerkenswerten Vielseitigkeit der Nickel-katalyse, die regioselektive Reaktionen ermöglicht, welche zur Bildung von C(sp3)–C(sp3) und C(sp3)–Heteroatom-Bindungen führen, die durch Silyl- und Germylgruppen gesteuert werden. Dabei ist es das Ziel, diese Transformationen auf enantiokonvergente Weise zu erreichen. In Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Hauptansätze untersucht: Die bewährte allylische Substitutionsreaktion, bei der erhebliche Fortschritte mit der gleichzeitigen Kontrolle von Enantioselektivität, Regioselektivität und Alkengeometrie bei anspruchsvollen allylischen Elektrophilen erzielt wurde; sowie die neu entwickelte reduktive Kupplung von Alkenen mit Alkylelektrophilen, eine innovative Alternative zu herkömmlichen Methoden, die Vinylmetalloide (Silyl- und Germyleinheiten) für einzigartige Transformationen nutzt. Der erste Teil dieser Dissertation (Kapitel 2–5) konzentriert sich auf die enantio- und regiokonvergente allylische Substitution von racemischen, unsymmetrisch 1,3-disubstituierten allylischen Elektrophilen unter Nickel-katalyse. Zur selektiven Bildung von C(sp3)–C(sp3)-Bindungen wird in Kapitel 2 eine dirigierende Germyleinheit verwendet, um γ-stereogene Vinylgermane herzustellen, während in Kapitel 3 eine Dirigierende Gruppe an der Silyleinheit für die Synthese von α-stereogenen Allylsilanen untersucht wird, wobei sich diese Strategie als besonders herausfordernd erwies. In den Kapiteln 4 und 5 werden Heteroatom Nukleophile eingesetzt, um chirale C(sp3)–O- und C(sp3)–N-Stereozentren zu erzeugen, die in bioaktiven Molekülen von großer Bedeutung sind. Die Silyleinheit dient hier nicht nur als dirigierende Gruppe, sondern auch als zentraler Anknüpfungspunkt für weitere synthetische Anwendungen. Der zweite Teil dieser Dissertation (Kapitel 6–9) widmet sich der Einführung sp3-hybridisierter Kohlenstoffatome an Vinylmetalloide mittels Ni–H-katalyse, eine neuartige Technik, die in den letzten Jahren aufgrund ihrer Vorteile gegenüber herkömmlichen Übergangsmetall-katalysen große Fortschritte erreicht hat. In Kapitel 6 wird der Einfluss von Silyl- und Germyleinheiten auf die Alkeneinheit untersucht, die zur hoch chemo- und regioselektive Hydroalkylierung von Alkyliodiden mit bevorzugter anti-MARKOVNIKOV-Selektivität führte, und die Herstellung von Alkylsilanen und -germanen ermöglicht. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die folgenden Kapitel, in denen sich in Kapitel 7 mit der Substratmanipulation zur Bildung von Stereozentren beschäftigt wird, während in Kapitel 8 silicium gebundene Steuergruppen untersucht werden, um gleichzeitig Enantio- und Regioselektivität zu erreichen. Diese Strategie erwies sich jedoch als schwierig und führte zu der Entdeckung einer liganden-gesteuerten Methode, welche den Zugang zu verzweigten und linearen Alkylmetalloiden ermöglicht. Schließlich wird in Kapitel 9 diese Methodik mit (Hetero)aryliodiden erweitert, um chemo- und regioselektiv C(sp3)–C(sp2)-Bindungen zuknüpfen.