Universität zu Köln

Klare, Helge ORCID: 0000-0002-7026-3864 (2014). Entwicklung Phosphorbasierter Umpolungs- und Wasserstoffbrücken-Katalysatoren. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden chirale und nicht-chirale Phosphonate sowie Phosphinate synthetisiert und als Umpolungs-Katalysatoren in der Kreuzbenzoin-Reaktion getestet. Neue und verbesserte ortho-Lithiierungsprotokolle wurden für die Synthese von Terpenon-basierten Diolen entwickelt einschließlich neuer Diole mit flexibler Biaryl-Achse. Mit den hierauf aufbauenden Phosphonaten konnten in der Kreuzbenzoin-Reaktion enantiomere Überschüsse bis 72% erzielt werden. Analog hierzu wurden erstmals achirale und chirale Phosphinate als Präkatalysatoren in der Kreuzbenzoin-Reaktion getestet. Im Hauptteil der vorliegenden Arbeit wurden neue Wasserstoff-Brücken (WB) Strukturmotive konzipiert, synthetisiert und in mehreren Anwendungen getestet. Vier neue auf (S)-BINOL basierende (Thio)Phosphordiamide mit unterschiedlicher Substitution wurden synthetisiert und als WB-Katalysatoren in der 1,4-Addition von Indol an β-Nitrostyren eingesetzt. Die Strukturmotive zeigten eine gute katalytische Aktivität mit isolierten Ausbeuten von bis zu 82%, jedoch bei geringer Selektivität (bis zu 14% ee). Die Aktivität der Katalysatoren ist abhängig von der Acidität der NH-Protonen, wie an der Korrelation zwischen isolierten Ausbeuten und Tieffeld-Verschiebung dieser Protonen im 1H-NMR ersichtlich. Weiterhin wurde eine neue Klasse WB-Katalysatoren, vier chirale Cyclodiphosph(V)azane und zehn chirale Phosphoramide konzipiert und synthetisiert. Diese Katalysatoren wurden in der 1,4-Addition von 2-Hydroxy-Naphthochinon an β-Nitrostyren getestet mit isolierten Ausbeuten von 98% und enantiomere Überschüsse von bis zu 75%. Es konnte gezeigt werden, dass Cyclodiphosph(V)azane ausgezeichnete Katalysatoren darstellen und DFT-Berechnungen zur Bindung von Nitrobenzol als Modell-Substrat bestätigen die verbesserten WB-Donor Eigenschaften dieses Strukturmotivs im Vergleich zu Thioharnstoff (RE = 7.2 kcal mol-1 bzw. RE = 6.5 kcal mol-1). Cyclodiphosph(V)azane wurden hiernach als Anionen-Rezeptoren getestet. Es wurde eine verbesserte Bindung zu sphärischem Chlorid (logK = 5.43) sowie eine äquivalente Bindung zu trigonalem Acetat (logK = 6.72) im Vergleich zu Harnstoff (logK = 4.25 bzw. logK = 6.91) gemessen. Auf Grundlage von experimentellen, kristallographischen und theoretischen Untersuchungen wird die Anionen- Bindung durch Cyclodiphosph(V)azane mit Ihrer geometrischen Struktur erklärt, welche Squaramiden ähnelt. Ihr gewinkelter Aufbau bedingt kürzere Cα-H Abstände der Arlyl- Substituenten zum Substrat, dies erhöht den Effekt von meta-Substitution durch CF3- Gruppen. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden die Grundlage zum Design weiterer neuartiger Organokatalysatoren auf Basis des Cyclodiphosph(V)azan-Motivs.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Development of phosphorus based Umpolungs- and hydrogen bridging catalysts English
Translated abstract:	Abstract Language In the first part of the present work chiral and nonchiral phosphonates and phosphinates were synthesized as Umpolung precatalysts in the Benzoin-reaction. New or improved ortholithiation protocols were developed for the synthesis of terpenone-based diols, including novel diols with flexible biaryl-axes. Employing the phosphonates derived from these diols as precatalysts in cross-benzoin reaction enantiomeric excesses of up to 72% could be achieved. In analogy achiral and chiral phosphinates were tested in Umpolung-catalysis for the first time. In the main part of the present work novel hydrogen bonding (HB) structural motivs were designed, synthesized and tested in multiple applications. Four novel (thio)phosphorus diamides with different substitution-patterns based on (S)-BINOL were evaluated as HBcatalysts in the 1,4-addition of indole to β-nitrostyrene. These compounds revealed good catalytic activity with isolated yields of up to 82%, albeit with low selectivity (up to 14% ee). The catalytic activity of these catalysts could be attributed to acidity of the NH-protons as a direct correlation between the downfield-shift of these protons in 1H-NMR and the isolated product-yields in catalysis was observed. Furthermore a novel class of HB-catalysts, four cyclodiphosph(V)azanes and ten phosphorus triamides were designed and synthesized. These catalysts were evaluated in the 1,4-addition of 2-hydroxy-naphthoquinone to β-nitrostyrene, with isolated yields of up to 98% and enantiomeric excess of up to 75%. Cyclodiphosph(V)azanes were found to act as superior catalysts, and DFT-computations on the binding of model-compound nitro benzene confirmed improved HB-donor characteristics of this structural motif when compared to standard thiourea (RE = 7.2 kcal mol-1 vs. RE = 6.5 kcal mol-1, respectively). Further DFT-computations gave insight into the mechanism of catalysis. Cyclodiphosph(V)azanes were then tested as novel anion-receptors. They revealed improved affinity for spherical chloride (logK = 5.43) and equivalent affinity to trigonal acetate (logK = 6.72) compared to a classic urea anion-receptor (logK = 4.25 and logK = 6.91 respectively). Following experimental, crystallographic and computational studies the binding-mode of cyclodiphosph(V)azanes can be ascribed to their geometrical structure, which resembles that of squaramides. The canted cyclodiphosph(V)azane-structure results in greater substrate proximity to the Cα-H on the aryl-moieties on the catalyst, which increases the effects of meta-substitution by CF3-groups. The results presented in this work will be key to the design of further novel organocatalysts based on the cyclodiphosph(V)azane core. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Klare, Helge h.klare@web.de orcid.org/0000-0002-7026-3864 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-100816
Date:	17 November 2014
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Organic Chemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Organocatalysis English Chemistry English Cyclodiphosphazane English Anion recognition English Squaramide English Hydrogen bonding English
Date of oral exam:	26 January 2015
Referee:	Name Academic Title Goldfuss, Bernd Prof. Dr. Griesbeck, Axel Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10081