Übergangsmetall-Carben-Katalyse: Kupfer-katalysierte enantioselektive Fluorierung &amp; Design von neuen Bismut-Rhodium-Katalysatoren
Creators: name: Buchsteiner, Michael
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: Carbene
subject: Kupfer
subject: Bismut
subject: Rhodium
subject: Paddlewheel
subject: Enantioselektive Katalyse
subject: 540
subject: Carbene
subject: Enantioselektive Synthese

description: Neuartige chirale Katalysatoren für enantioselektive Reaktionen, die über ein Übergangsmetall-Carben verlaufen, wurden entwickelt und zugrundeliegende mechanistische Fragestellungen sowohl experimentell als auch computerchemisch untersucht. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine Kupfer(I)-katalysierte Reaktion optimiert, bei der chirale alpha-Fluorester aus alpha-Diazoestern durch nukleophile Addition von Fluoriden erhalten wurden. Mit dem optimalen Bisoxazolin-basierten-Ligandensystem, das sterisch anspruchsvolle Benzyl-Substituenten an der Methylenbrücke und iso-Propyl-Gruppen am Indan-Gerüst hat, wurden ee’s von bis zu 95% erhalten. Es wurde des Weiteren herausgefunden, dass Caesiumfluorid in Hexafluorbenzol/Hexafluorisopropanol eine homogene Lösung bildet, in der die Reaktion sauber und mit hohen Enantioselektivitäten abläuft. Wie mittels DFT-Berechnungen gezeigt werden konnte, greift das Fluorid nicht den Carben-Kohlenstoff direkt sondern das Kupfer-Zentrum des aus der Diazoverbindung und dem Kupfer(I)-Katalysator gebildeten Donor/Akzeptor-Carbens an. Für die Produktbildung findet anschließend eine 1,2-Fluorid-Wanderung statt, wofür aus Gründen der Orbitalüberlappung eine Rotation um die Cu-C-Achse notwendig ist. Die Richtung dieser Rotation innerhalb des C2-symmetrischen Katalysators ist der enantiodeterminierende Faktor. Dieses Modell ist im Einklang mit der Absolutkonfiguration des erhaltenen alpha-Fluoresters, welche mit Hilfe der Kapillarkristallisation bestimmt werden konnte. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden neue Bismut-Rhodium-Komplexe mit TIPS-substituierten Phenylglycin-Liganden synthetisiert und als Katalysatoren für enantioselektive Cyclopropanierung und Cyclopropenierung sowie für C−H und Si−H Insertion verwendet. Diese Reaktionen waren schneller als mit vormals publizierten Bismut-Rhodium-Katalysatoren und hohe Enantioselektivitäten wurden bei einem sehr breiten Substratumfang erhalten. Die London Dispersion als eine nicht kovalente, anziehende Kraft bestimmt die Strukturen dieser Katalysatoren maßgeblich, wie mit computerchemischen, kinetischen und kristallographischen Studien gezeigt werden konnte. Die damit erhaltene Stabilisierung der Ligandensphäre in der gewünschten Konformation führt zu einer sehr engen und wohldefinierten chiralen Tasche, was das exzellente Anwendungsprofil dieser Katalysatoren erklärt. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden Bismut-Rhodium-Komplexe mit chiralen Carboxamidatliganden synthetisiert. Während bei dem lange bekannten Dirhodium(II)-Carboxamidat-Komplex [Rh2(4S-MEPY)4] zwei der Liganden mit dem N-Donor und zwei der Liganden mit dem O-Donor an das jeweilige Rhodium-Zentrum koordinieren, binden bei [BiRh(4S-MEPY)4] aufgrund der höheren Oxophilie des Bismut-Zentrums alle Liganden mit dem O-Donor an dieses. Obwohl [Rh2(4S-MEPY)4] einer der erfolgreichsten Dirhodium(II)-Katalysatoren ist, konnte mit [BiRh(4S-MEPY)4] keine Reaktivität bei verschiedensten Reaktionen, die über ein Carben- oder ein Nitren-Intermediat verlaufen, erzielt werden. Mit Hilfe einer detaillierten computerchemischen Analyse konnte dies, neben der sehr engen chiralen Tasche, einer für die Diazozersetzung ungünstigen Lage der Grenzorbitale zugeschrieben werden.
description: Novel chiral catalysts for enantioselective reactions, passing through transition-metal-carbene intermediates, were developed and underlying mechanistic principles were studied experimentally and computationally. During the first part of this work a copper(I)-catalyzed reaction of alpha-diazoesters with fluoride was developed. The optimal bis(oxazoline)-derived ligand carrying bulky benzyl-substituents at its methylene bridge and iso-propyl groups at the indane core gave the resulting alpha-fluoroesters with ee values of up to 95%. Additionally, it was found that a solution of caesium fluoride in hexafluorobenzene/hexafluoroisopropanol gives a homogeneous phase, in which the reactions proceed particularly cleanly and with high enantioselectivies. DFT calculations showed that the fluoride initially attacks the Cu- rather the C-atom of the transient donor/acceptor carbene intermediate. For product formation a 1,2-fluoride shift must occur, which mandates rotation around the Cu-C-axis to ensure orbital overlap. The direction of this rotatory movement within the C2-symmetric catalyst is the enantiodetermining factor. This model is in accordance with the absolute configuration of the resulting alpha-fluoroester as determined by an X-ray structure of crystals obtained by capillary crystallization. In the second part, novel bismuth-rhodium complexes with TIPS-substituted phenylglycine ligands were synthesized and examined. These catalysts exhibit outstanding enantioselectivity and reactivity in cyclopropanation and cyclopropenation reactions as well as C−H and Si−H insertion reactions. At the same time, the substrate scope was found to be considerably wider than that of previous generations of bismuth-rhodium catalysts. London Dispersion as a non-covalent, attractive force significantly shapes the structures of these catalysts, as shown by computational, kinetic and crystallographic investigations. The resulting stabilization of the ligand sphere in the desired conformation leads to a very tight and well-defined chiral pocket, which explains the excellent application profile of these catalysts. In the third part of this thesis, bismuth-rhodium complexes with chiral carboxamidate ligands were prepared. In the well-known dirhodium(II) carboxamidate complex [Rh2(4S-MEPY)4] each rhodium center is surrounded by two O- and two N-donor sites of the ligand, whereas the structure of [BiRh(4S-MEPY)4] is very different. For the high oxophilicity of bismuth, all four O-atoms of the ligands bind to this center. Although [Rh2(4S-MEPY)4] is one of the most proficient dirhodium(II) catalysts, [BiRh(4S-MEPY)4] was found to be incapable of catalyzing reactions passing through a transition-metal-carbene or -nitrene. This could be ascribed mainly to an energetically unfavorable positioning of the frontier orbitals, by means of a computational analysis.