Design, Synthesis, and Application of a Nucleophilic Octahedral Stereogenic-Only-at-Metal Iridium(III) Catalyst

Autor: Cruchter, Thomas Josef
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2018
Předmět:
DOI: 10.17192/z2018.0107
Popis: ««Main Topic»» The design, synthesis, and application of a versatile chiral nucleophilic iridium(III) catalyst, which features a stereogenic octahedral metal center as its exclusive element of chirality ('stereogenic-only-at-metal'), is presented. The devised catalyst features two custom-tailored bidentate cyclometalated phenylbenzoxazole ligands as well as a bidentate deprotonated 7-chloro-3H-imidazo[4,5-h]quinoline ligand, which serves as the catalyst's nucleophilic catalytically active site. At first, 28 different stereogenic-only-at-metal iridium(III) complexes were synthesized, evaluated, and the best-performing complex eventually selected. In this regard, it was revealed that the selected catalyst candidate was in fact the protonated precatalytic form of the actual catalyst. Next, it could be demonstrated that the developed stereogenic-only-at-metal complex serves as an efficient catalyst for the asymmetric Steglich rearrangement of O-acylated azlactones (up to 96% ee, up to 99% yield), for the asymmetric Black rearrangement of O-acylated benzofuranones (up to 94% ee, up to 99% yield), and for the asymmetric addition of 2-cyanopyrrole to aryl alkyl ketenes (up to 95% ee, up to 99% yield). Insights into the mechanism of the Steglich and the Black rearrangements with the developed stereogenic-only-at-metal catalyst, in particular into the catalyst's manner of enantioinduction, could be gained with a crystal structure of the active catalyst, with a crystal structure of a catalysis intermediate analog in combination with a DFT-assisted active site accessibility analysis, and with the explicit quantum chemical modeling of the stereogenic step of a showcase Black rearrangement with a slightly simplified model of the devised catalyst. The respective theoretical calculations were planned and coordinated in close collaboration with and performed by cooperation partner Michael G. Medvedev. ««Secondary Topic»» Secondary topic of the present thesis is the attempted development of a cooperative bifunctional stereogenic-only-at-metal enamine/hydrogen-bonding catalyst, which was intended to catalyze Michael additions of enolizable aldehydes and / or ketones to nitroalkenes and / or nitroacrylates. A synthetic access to the envisioned catalysts could be successfully established, however, stability problems with the complexes as well as unsatisfactory catalysis results ultimately led to the termination of this project. In spite of that, important knowledge could be attained regarding the synthesis of amine-functionalized bis-cyclometalated iridium(III) complexes and C2-symmetric bis-cyclometalated bispyrazole iridium(III) complexes, which has already contributed to successfully accomplished projects from the Meggers group and which may accordingly be helpful for future projects.
««Hauptthema»» Die Entwicklung, Synthese und Anwendung eines vielseitigen chiralen nukleophilen Iridium(III)-Katalysators, welcher als einziges Chiralitätselement ein stereogenes oktaedrisches Metallzentrum besitzt ('stereogenic-only-at-metal'), wird vorgestellt. Der entwickelte Katalysator verfügt neben zwei maßgeschneiderten bidentaten cyclometallierten Phenylbenzoxazol-Liganden über einen bidentaten deprotonierten 7-Chloro-3H-imidazo[4,5-h]chinolin-Liganden, welcher als nukleophiles katalytisch aktives Zentrum fungiert. Zunächst wurden 28 verschiedene 'stereogenic-only-at-metal' Iridium(III)-Komplexe synthetisiert, diese evaluiert und schließlich der leistungsfähigste Komplex ausgewählt. In diesem Zusammenhang wurde dargelegt, dass es sich bei dem ausgewähltem Komplex zunächst um die protonierte, katalytisch inaktive Präkatalysatorform des eigentlichen Katalysators handelte. Es konnte gezeigt werden, dass der entwickelte 'stereogenic-only-at-metal' Komplex als effizienter Katalysator für die asymmetrische Steglich-Umlagerung von O-acylierten Azlactonen (bis zu 96% ee, bis zu 99% Ausbeute), die asymmetrische Black-Umlagerung von O-acylierten Benzofuranonen (bis zu 94% ee, bis zu 99% Ausbeute) und für die asymmetrische Addition von 2-Cyanopyrrol an Arylalkylketene (bis zu 95% ee, bis zu 99% Ausbeute) dient. Einblicke in den Mechanismus der Steglich- und Black-Umlagerungen mit dem entwickelten Katalysator, insbesondere in Hinblick auf die Art und Weise der Enantioinduktion, konnten erlangt werden mit Hilfe einer Kristallstruktur des Katalysators, mit Hilfe einer Kristallstruktur eines Katalyseintermediat-Analogons in Kombination mit DFT-unterstützer Analyse der Zugänglichkeit des katalytisch aktiven Zentrums sowie mit Hilfe der expliziten quantenmechanischen Modellierung des stereogenen Schrittes einer exemplarischen Black-Umlagerung mit einem leicht vereinfachten Modell des entwickelten Katalysators. Die entsprechenden theoretischen Berechnungen wurden in enger Zusammenarbeit geplant und abgestimmt mit und durchgeführt von Kooperationspartner Michael G. Medvedev. ««Nebenthema»» Nebenthema der vorliegenden Dissertation ist die versuchte Entwicklung eines kooperativen bifunktionalen 'stereogenic-only-at-metal' Enamin/Wasserstoffbrücken-bindungs-Katalysators, der als Katalysator für die asymmetrische Michael-Addition von enolisierbaren Aldehyden und / oder Ketonen an Nitroalkene und / oder Nitroacrylate angedacht war. Ein synthetischer Zugang zu den angedachten Katalysatoren konnte erfolgreich etabliert werden, jedoch führten Stabilitätsprobleme mit den Komplexen sowie unbefriedigende Katalyseergebnisse schließlich zum Abbruch des Projektes. Dessen ungeachtet konnten wichtige Erkenntnisse in Bezug auf die Synthese Amin-funktionalisierter bis-cyclometallierter Iridium(III)-Komplexe sowie C2-symmetrischer bis-cyclometallierter Bispyrazol-Iridium(III)-Komplexe erlangt werden, welche bereits zu erfolgreich abgeschlossenen Projekten des AK Meggers beigetragen haben und daher auch für zukünftige Projekte wieder relevant werden könnten.
Databáze: OpenAIRE
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