Nghiên cứu về phản ứng chuyển giao carbene nội phân tử xúc tác vào liên kết σ và π

Luận án tiến sĩ phân tích catalytic intramolecular carbene transfer reactions into σ and π bonds, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri thức mới cho ngành.

Trường đại học

Toyohashi University of Technology

Chuyên ngành

Applied Chemistry and Life Science

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2020

191
3
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

ACKNOWLEDGEMENTS

ABSTRACT

1. CHAPTER 1: Introduction

1.1. Carbenes

2. CHAPTER 2: Highly efficient synthesis of oxindole derivatives via catalytic intramolecular C-H insertion reactions of diazoamides

2.1. Results and discussions

3. CHAPTER 3: Synthesis of a new entries of chiral ruthenium complexes containing Ru-Colefin(sp2) bond and their application for catalytic asymmetric cyclopropanation reactions

3.1. Results and discussions

4. CHAPTER 4: Highly stereoselective intramolecular buchner reactions of diazo acetamides catalyzed by Ru(II)-Pheox complex

4.1. Results and discussions

5. CHAPTER 5: Conclusion

6. CHAPTER 6: Experimental analytical data

6.1. Experimental analytical data for chapter 2

6.2. Experimental analytical data for chapter 3

6.3. Experimental analytical data for chapter 4

LIST OF SCHEMES

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

LIST OF ABBREVIATIONS

IR SPECTRAL DATA

NMR SPECTRAL DATA

Tóm tắt

I. Giới thiệu về carbene

Carbene là một loại hợp chất carbon hoạt động, có công thức tổng quát là R-(C:)-R' hoặc R=C:. Chúng được phân loại thành hai loại: singlet và triplet, tùy thuộc vào cấu trúc điện tử của chúng. Carbene có vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học, đặc biệt là trong các phản ứng chuyển giao carbene. Sự hình thành liên kết giữa carbene và kim loại tạo ra các phức hợp kim loại-carbene, cho phép thực hiện các phản ứng chuyển giao vào các liên kết σ và π. Điều này mở ra nhiều cơ hội trong tổng hợp hóa học, đặc biệt là trong việc phát triển các hợp chất sinh học có hoạt tính. Việc nghiên cứu về phản ứng chuyển giao carbene đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong hóa học hữu cơ tổng hợp.

1.1. Tính chất của carbene

Carbene có tính chất hóa học đặc biệt, bao gồm khả năng tham gia vào các phản ứng C-H và C-C. Các carbene có thể tồn tại dưới dạng các phức hợp với kim loại, cho phép chúng hoạt động như các tác nhân xúc tác trong nhiều phản ứng hóa học. Tính chất hóa học của carbene rất đa dạng, từ khả năng tạo ra các liên kết mới đến khả năng tham gia vào các phản ứng phức tạp hơn. Sự phát triển của các phương pháp tổng hợp mới dựa trên carbene đã mở ra nhiều hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm và hóa học hữu cơ.

II. Phản ứng chuyển giao carbene nội phân tử

Phản ứng chuyển giao carbene nội phân tử là một trong những phương pháp hiệu quả để tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp. Phản ứng này thường được thực hiện với sự hỗ trợ của các xúc tác kim loại, như Ru(II)-Pheox, cho phép thực hiện các phản ứng chuyển giao vào các liên kết σ và π. Phản ứng chuyển giao này không chỉ giúp tạo ra các sản phẩm mới mà còn cải thiện hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng. Việc sử dụng các xúc tác mới như Ru(II)-Pheox đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc tổng hợp các hợp chất như oxindole và các vòng lactam, mở ra nhiều cơ hội trong nghiên cứu và phát triển các hợp chất sinh học.

2.1. Ứng dụng trong tổng hợp hóa học

Các phản ứng chuyển giao carbene nội phân tử đã được áp dụng rộng rãi trong tổng hợp hóa học, đặc biệt là trong việc tạo ra các hợp chất có hoạt tính sinh học. Việc sử dụng các xúc tác như Ru(II)-Pheox đã cho thấy khả năng tạo ra các sản phẩm với độ chọn lọc cao và hiệu suất tốt. Hóa học hữu cơ đã được cải thiện đáng kể nhờ vào các phương pháp này, cho phép các nhà nghiên cứu phát triển các hợp chất mới với tính chất và hoạt tính mong muốn. Sự phát triển của các phương pháp tổng hợp mới dựa trên phản ứng chuyển giao carbene đã mở ra nhiều hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm.

III. Kết luận

Nghiên cứu về phản ứng chuyển giao carbene nội phân tử đã chỉ ra rằng đây là một lĩnh vực đầy tiềm năng trong hóa học hữu cơ. Các xúc tác mới như Ru(II)-Pheox không chỉ cải thiện hiệu suất của phản ứng mà còn mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các hợp chất sinh học mới. Việc hiểu rõ về cơ chế và tính chất của các phản ứng này sẽ giúp các nhà khoa học phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả hơn trong tương lai. Hóa học hữu cơ sẽ tiếp tục được thúc đẩy nhờ vào những tiến bộ trong nghiên cứu về carbene và các phản ứng liên quan.

3.1. Triển vọng nghiên cứu

Triển vọng nghiên cứu trong lĩnh vực phản ứng chuyển giao carbene là rất lớn. Các nhà khoa học có thể tiếp tục khám phá các xúc tác mới và các phương pháp tổng hợp mới để phát triển các hợp chất có hoạt tính sinh học. Sự kết hợp giữa hóa học lý thuyết và thực nghiệm sẽ giúp tối ưu hóa các phản ứng và mở rộng ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ dược phẩm đến vật liệu mới.

09/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Catalytic Intramolecular Carbene Transfer Reactions into σ and π Bonds (σ及びπ結合への触媒的分子内カルベン移動反応) March, 2020 Doctor of Philosophy (Engineering) PHAN THI THANH NGA ファン ティ タン ガ Toyohashi University of Technology ACKNOWLEDGEMENTS First and foremost, I would like to express my deep thanks to my supervisor, Professor Dr. Seiji Iwasa, for everything he did for me during my study within four years. Actually, there is no words can express my deep sense of gratitude towards him. I would like to thanks him for his endless support, encouragement, advices and patience throughout my PhD work.

I would like to express Prof. Kazutaka Shibatomi for his investing time and providing interesting and valuable feedback throughout my research period. And I would like to thank to my doctoral committee members, Prof. Shinichi Itsuno for his valuable suggestions.

I am thankful for Dr. Ikuhide Fujisawa for his hospitality and for assisting me with the X- ray measurements. I am very grateful to Mr. Masaya Tone, Mr.

Hayato Inoue, Ms. Huong for their cooperation, suggestion, and valuable discussion throughout my research period. I also would like to acknowledge all the labmates whom I had the pleasure of working with: Dr. Zolzaya and all other research scholars of the department who have been very friendly and helped me in various ways.

I acknowledge all the staff members of the international and educational affairs division at Toyohashi University of Technology for their support during the progress of my graduation steps. I would like to thank all the friends that I have met in Toyohashi: Mona, Hằng, Huế, Bảo, Trinh, Hường, Khôn, Hoài. I really cherish the great time we spent together: the dinner parties, summer barbecues, autumn red leaves, skiing and Tết. With my appreciation and respect, this work would not have been possible without the financial support of the Hitachi Global Foundation, they gave me the chance to study in Japan under their financial support to my work.

I want to thank all the staffs of Faculty of Chemical Engineering, HCMC University of Technology for their supports in the fulfilment of my PhD program. I also acknowledge Prof. Le Thi Kim Phung – director external relations office of HCMC University of Technology for her support and encouragement. i My deepest gratitude is reserved for my family, for having filled my life with every joy, helping me to get through so many gloomy days and lighting up every last corner.

For my parents, my brother Ấn who have always been there for me. Needless to say, they have helped immeasurably to get me to this point in my life. Thank you very much! PHAN THI THANH NGA Department of Applied Chemistry and Life Science Toyohashi University of Technology, 1-1 Tempaku-cho, Toyohashi, Aichi 441-8580 (Japan) E-mail: phanthanhnga@hcmut.vn ii ABSTRACT Keywords: asymmetric synthesis, cyclopropanation, Buchner reaction, Ru(II)-Pheox catalyst. A carbene known as a most active intermediate is complexed with a transition metal, which affords the corresponding metal-carbene complex and catalytically inserts into σ and π bonds of the organic compound.

Even though there are many reports on the carbene transfer process to develop a new approach for the synthesis of medicine and other bioactive compounds, the regio-, stereo- and chemoselective approaches are still limited and remained as the main subject in the field of synthetic organic chemistry. For this background, I developed an efficient catalytic intramolecular carbene transfer reactions by using originally developed ruthenium catalyst into σ and π bonds and successfully applied for the synthesis of γ-lactam ring fused aromatics (oxindoles), γ-lactone ring fused cyclopropanes, and γ-lactam ring fused seven-membered rings via Buchner reaction. Although the ruthenium complex is a newcomer in the field of catalytic carbene transfer reaction, it has emerged as a useful transition metal for the carbenoid chemistry of diazo compounds, besides copper and rhodium. And recently, we have developed a Ru(II)-Pheox complex, which is efficient for carbene transfer reactions, in particular, asymmetric cyclopropanation, N-H insertion, C-H insertion and Si-H insertion reactions.

Therefore, driven by my interests in the catalytic asymmetric carbene transfer reaction and the efficiency displayed by the Ru(II)-Pheox catalyst, I started to explore the asymmetric cyclopropanation, C-H insertion, Buchner reactions of various diazo compounds, which are potentially building blocks and expectant to be applied in pharmaceutical and medicinal fields. In my thesis, Chapter 1 describes the importance of carbene transfer reactions. And a short review of the metal carbene intermediates in C-H insertion, asymmetric cyclopropanations, and Buchner reaction have been also illustrated in this chapter. In addition, the application of metal carbene complexes in the synthesis of biologically-active or natural product-like compounds is also mentioned.

Chapter 2 is for the synthesis of oxindoles. The oxindole ring is prevalent as an important scaffold found in numerous natural products and pharmaceutically active compounds. Over the past few decades, the emerging therapeutic potential of the structural motif of oxindole has encouraged the medicinal chemists to synthesize novel oxindole derivatives. I report Ru(II)-Pheox iii was found to be a highly efficient catalyst for the synthesis of oxindole derivatives in excellent yields.

We developed the efficient synthesis of oxindole derivatives via intramolecular ArCsp2-H insertion reaction of diazo acetamides derived from the corresponding anilines by using Ru(II)- Pheox catalyst. The reaction proceeds smoothly under mild conditions, providing the corresponding oxindole derivatives in excellent yield (up to 99%). No other side reactions related to metal-carbene reactivity such as dimerization, aromatic ring expansion and Csp3-H on amide nitrogen insertion reaction were observed. On the other hand, the cyclopropane subunit is also present in many biologically important compounds and it shows a large spectrum of biological properties.

Transition metal-catalyzed cyclopropanation involving carbene intermediate is powerful and useful methods for constructing important substructures of targeted molecules, and therefore they have been extensively studied for the past couple of decades. Thus, Chapter 3 presents the development of asymmetric catalysts based on Ru(II)-Pheox complexes, I developed a new series of Ru-Colefin(sp2) bond-containing organometallic complexes and successfully applied them to the catalytic asymmetric inter- and intramolecular cyclopropanations, which are carbene transfer reaction. It is noteworthy that high yields and stereoselectivity were achieved for trans-cyclopropane carboxylates even with a low catalyst loading. Catalytic asymmetric cyclopropanations of diazoesters with olefins in the presence of the Ru-Colefin(sp2)-phenyloxazoline complexes proceeded smoothly to give the corresponding optically active cyclopropanes in high yields, with a trans/cis ratio 97/3 to >99/1 and 97% to >99% ee (trans).

The enantioselectivities were affected by the geminal substituent on the Ru-Colefin (sp2) bond; the highest enantioselectivities were obtained when using Ru(II)-Prox catalyst with no substituent at the germinal position of the metal. Furthermore, medium ring-containing organic molecules, such as seven-membered rings, are also the cornerstone of many bioactive natural compounds such as guaiane sesquiterpenes, guaianolide sesquiterpene lactones. However, there are few reports on their synthesis. Thus, the development of an efficient method to prepare these scaffolds has attracted a significant amount of research attention.

This unique strategy toward seven-membered carbocycles has been utilized in natural product synthesis. In Chapter 4, I report the development of an intramolecular Buchner reaction of a variety of N-benzyl diazoamide derivatives in the presence of a chiral Ru(II)–Pheox catalyst. The aromatic rings are converted into the corresponding γ-lactam ring fused seven- membered ring system with high regio- and stereoselectivity. A variety of γ-lactam fused 5,7- iv bicyclic-heptatriene derivatives have been prepared from diazoacetamides in up to 99% yield with high enantioselectively (up to 99% ee) using a chiral Ru(II)-Pheox catalyst under mild reaction conditions.

In conclusion, Chapter 5, the Ru(II)−Pheox catalyzed C-H insertion reaction and asymmetric Buchner reaction proved to be the efficient and straightforward methods for the preparation of oxindole and seven-membered ring which are important intermediates in the synthesis of many biologically active compounds. Moreover, we have successfully designed and synthesized a novel Ru-Prox type catalyst. This catalyst showed excellent reactivities and selectivities in asymmetric cyclopropanation reactions. And it is expected to provide many further opportunities in asymmetric catalysis.

And in Chapter 6, all the experimental and analytical data as the evidence for Chapter 2 to 4 are described. iii LIST OF SCHEMES………………………………………………………….… x LIST OF FIGURES…………………………………………………………….……… xii LIST OF TABLES…………………………………………………………….… xiii LIST OF ABBREVIATIONS……………………………………………………. xv CHAPTER 1: Introduction 1. The history of carbenes………………………………….

Carbene-metal bond formation…………………………………………. Fischer carbene complexes………………………………………. Schrock carbene complexes…………………………. Generation of carbene………………………….

Properties of α-diazo carbonyl compounds……………………………. Reactivity of α-diazo carbonyl compounds………………. Transition-metal-catalyzed aromatic C-H insertion reactions……………. Intermolecular aromatic C-H insertion reactions.

Intramolecular aromatic C-H insertion reactions………. Simmons–Smith cyclopropanation…………. Transition-metal-catalyzed decomposition of diazoalkanes. The history of Buchner reaction………………………….

Transition-metal-catalyzed intramolecular Buchner reaction…………. Buchner reaction vs C-H insertion. Rhodium catalyzed intramolecular Buchner reaction…………. Copper catalyzed intramolecular Buchner reaction…………….

Synthesis bioactive compounds by intramolecular Buchner reaction………. 31 CHAPTER 2: Highly efficient synthesis of oxindole derivatives via catalytic intramolecular C-H insertion reactions of diazoamides 2. Results and discussions………………………. Catalyst loading and solvent screening for catalytic intramolecular C-H insertion reactions of diazoamides.

Ru(II)-pheox catalyzed intramolecular C-H insertion reactions of diazo- amides. 39 CHAPTER 3: Synthesis of a new entries of chiral ruthenium complexes containing Ru- Colefin(sp2) bond and their application for catalytic asymmetric cyclopropanation reactions 3. Results and discussions……………………. Preparing the ruthenium complexes.

Ruthenium complexes containing Ru-Colefin(sp2) bond catalyzed inter molecular cyclopropanation………………….1 Catalyst screening and optimization conditions for the catalytic intermolecular cyclopropanation. The substrate scope for the catalytic intermolecular cyclo- propanation reaction. Ruthenium complexes containing Ru-Colefin(sp2) bond catalyzed intra molecular cyclopropanation…………………….1 Catalyst screening and optimization conditions for the catalytic intramolecular cyclopropanation. The substrate scope for the catalytic intramolecular cyclo propanation reaction.……… 48 CHAPTER 4: Highly stereoselective intramolecular buchner reactions of diazo acetamides catalyzed by Ru(II)-Pheox complex 4.

Results and discussions……………………. Catalyst screening for intramolecular asymmetric Buchner reaction………. Solvent screening for intramolecular asymmetric Buchner reaction. Ru(II)-Pheox catalyzed intramolecular Buchner .…… 56 CHAPTER 5: Conclusion 57 CHAPTER 6: Experimental analytical data 6.

Experimental analytical data for chapter 2………………. Procedure for the synthesis of diazoacetamides…………. Analytical data for diazoacetamides………………. General procedure for the intramolecular C-H insertion reaction of diazo acetamides by using Ru(II)-Pheox catalyst………………….

Analytical data for the intramolecular C-H insertion reaction of diazo acetamides by using Ru(II)-Pheox catalyst……………………. Experimental analytical data for chapter 3………………. General procedure for catalytic asymmetric intramolecular cyclopropanation reaction…………. Analytical data for asymmetric intermolecular cyclopropanation reaction products………………….

Experimental analytical data for chapter 4………. Preparation of diazoacetamides. Analytical data for diazoacetamides……………. General procedure for catalytic asymmetric intramolecular Buchner reaction of diazoacetamides.

Analytical data for asymmetric intramolecular Buchner reaction products…. 76 IR SPECTRAL DATA………….… 85 NMR SPECTRAL DATA………….… 165 ix LIST OF SCHEMES Scheme 1. Generation of the first stable radical. Synthesis of tropolone-derivatives via the insertion of a methylene intermediate.

Alkene cyclopropanation via methylene intermediate. Metal-carbon bonding in Fischer carbene complexes…. Metal-carbon bonding in Schrock carbene complexes. Generation of carbene.

The resonance structures of α-diazo carbonyls. Reactivity of α-diazo carbonyls. Copper-catalyzed intermolecular aromatic substitution reaction…………. Gold-catalyzed reaction of EDA with toluene…….

Catalyzed azacycle-directed intermolecular aromatic C-H functionalization. Rhodium(II)-catalyzed aromatic substitution reactions of α-diazo-β-keto esters……………………………………. Titanium BINOLate-catalyzed enantioselective intramolecular aromatic C-H functionalization……………………………………. Possible mechanisms for the Simmons–Smith reaction…………….

Accepted catalytic cycle for the carbenoid cyclopropanation reaction……. Mechanism of cobalt-porphyrin catalysis……………. Copper-bisoxazoline-catalyzed cyclopropanation of some diazoalkanes…. Cyclopropanation of styryldiazoacetates…………….

Enantioselective cyclopropanation with α-diazopropionate………………. Enantioselective synthesis of spirocyclopropyloxindoles…………………. Asymmetric cyclopropanation catalyzed by a rhodium(I) complex………. Asymmetric cyclopropanation of 1-tosyl-3-vinylindoles……………….

Ru(II)-pheox catalyzed asymmetric cyclopropanation of terminal alkenes. The Buchner reaction. Predominance of norcaradiene. Stabilization of norcaradiene.

Buchner reaction vs C-H insertion. Copper and rhodium catalyzed intramolecular Buchner reactions…. Rhodium catalyzed intramolecular Buchner reactions…………………. Buchner reactions of cyano-substituted diazoketones………………….

Enantioselective rhodium-catalyzed intramolecular Buchner reaction……. Enantioselective Copper-catalyzed intramolecular Buchner reaction…. Formal synthesis of (±)-confertin……………………………………. Synthesis of harringtonolide…………………………………….

Synthesis of gibberellin derivatives……………………………………. Transition metal catalyzed C-H insertion reaction of diazoacetamides…. The efficiency of Ru(II)-Pheox in the synthesis of oxindole derivatives and their spirocyclopropanation …………………. Intramolecular C-H insertion reaction of diazoacetamide 53g catalyzed by Ru(II)-Pheox………………………………………………………………… 37 Scheme 39.

Plausible mechanism of intramolecular C-H insertion reactions of diazo amides catalyzed by Ru(II)-Pheox……………. Procedure for the synthesis of a series of Ru(II) complexes………………. Synthesis of chiral ruthenium complexes containing Ru-Colefin(sp2) bond… 41 Scheme 42. Planarity of the substituent on β position of Ru-C(sp2) bond…………….

Transition metal catalytic carbene transfer reaction of diazoacetamides….

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Phản ứng chuyển giao carbene nội phân tử xúc tác vào liên kết σ và π" khám phá những tiến bộ trong lĩnh vực hóa học hữu cơ, đặc biệt là trong việc sử dụng carbene nội phân tử như một chất xúc tác hiệu quả cho các phản ứng hóa học. Tác giả trình bày các cơ chế phản ứng, ứng dụng thực tiễn và lợi ích của việc sử dụng carbene trong việc tối ưu hóa các quá trình tổng hợp hóa học. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách thức carbene có thể cải thiện hiệu suất và độ chọn lọc của các phản ứng, từ đó mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và ứng dụng mới trong ngành hóa học.

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về các nghiên cứu liên quan, hãy tham khảo bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu sử dụng vật liệu cumof74 làm xúc tác cho phản ứng ghép đôi cc giữa phenylactylene và ethyl glyoxalate, nơi bạn có thể khám phá thêm về các chất xúc tác khác trong hóa học. Ngoài ra, bài viết Luận án tiến sĩ hóa học nghiên cứu phản ứng chuyển hóa etylbenzen trên xúc tác zeolit y và các xúc tác khác cũng sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn sâu sắc về các phương pháp xúc tác hiện đại. Cuối cùng, bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học efficient anf reusable nibasedmetal organic framework catalyzed carboxylation of halides with co2 sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các khung hữu cơ kim loại và ứng dụng của chúng trong xúc tác. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và khám phá thêm nhiều khía cạnh thú vị trong lĩnh vực hóa học.