For the first time, successful synthesis of an unknown class of compounds, 3-azido-2H-azirines, which are implicated as highly reactive intermediates in the thermolysis of the corresponding 1,1-diazidoethenes, has been performed. These elusive heterocycles have been detected and characterised by low-temperature NMR and in situ IR spectroscopy. Even the parent compound, 3-azido-2H-azirine, has been observed via low-temperature photolysis of 1,1-diazidoethene, as a highly reactive species with a half-life period of only 12 min at −40 °C. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von a-Azidoalkoholen, welche über die Reaktion von aliphatischen sowie aromatischen Aldehyden mit HN3 leicht zugänglich sind und die im Gleichgewicht mit den jeweiligen Ausgangsstoffen vorliegen. Bei Raumtemperatur stellt sich dieses Gleichgewicht sehr schnell ein und man erhält spezifische Konzentrationen an Eduktaldehyd, Stickstoffwasserstoffsäure und a-Azidoalkohol. Die Reaktion von Aldehyden mit HN3 generiert dabei ein neues Chriralitätszentrum, wodurch die Umsetzung chiraler Aldehyde, wie z. B. von Zuckerderivaten, zwei anomere Produkte hervorbringt. Die erstmalig erfolgreichen Synthesen zur Erzeugung von 4-Brom-4-methylpentanal sowie 4-Azido-4-methylpentanal werden ebenfalls beschrieben. Letztere Verbindung reagiert dabei ebenso wenig via einer intramolekularen 1,3-dipolaren Cycloaddition zum entsprechenden 4,5-Dihydro-1,2,3,4-oxatriazol-Derivat wie das analoge-Azidobutanal, was im Gegensatz zu Literaturangaben steht. Des Weiteren werden einige interessante Reaktionen der a-Azidoalkohole untersucht. Die Oxidation mit Pyridiniumchlorochromat (PCC) bei –60°C führt zu Carbonylaziden. Die Photolyse bei –50°C generiert unter Stickstofffreisetzung Nitrene, welche mittels Wasserstoffwanderung und anschließender Tautomerisierung des resultierenden Intermediats zu Säureamiden umlagern. Die ebenfalls mögliche 1,2-Wanderung einer Gruppe R in a-Position führt dabei zu einem Intermediat, aus welchem sofort das entsprechende Formamid-Derivat entsteht. a-Azidoalkohole reagieren mit PBr3 in einer sauberen Reaktion durch die Substitution der Hydroxylfunktion unter Bildung der jeweiligen 1-Azido-1-brom-Verbindung. / In this work, α-azido alcohols which exist in equilibrium with the starting materials have been studied by the reactions of aliphatic and aromatic aldehydes with HN3. In some cases the title compounds can be isolated from the mixture at low temperature. At room temperature, however, the equilibrium is fast and there are again specific concentrations of the aldehyde, hydrazoic acid, and the α-azido alcohol. The reaction of aldehydes with HN3 creates a new chiral center and a chiral aldehyde, e.g. sugar derivatives, produces two anomeric products. The first procedures to prepare 4-bromo-4-methylpentanal and 4-azido-4-methylpentanal are also reported. The latter compound and also the parent 4-azidobutanal do not lead to 4,5-dihydro-1,2,3,4-oxatriazoles by intramolecular 1,3-dipolar cycloaddition, although it was claimed in the literature. Furthermore, some interesting reactions of the α-azido alcohols have been investigated. The oxidation of α-azido alcohols with pyridinium chlorochromate (PCC) at −60 °C leads to formation of carbonyl azides. The photolysis of α-azido alcohols at −50 °C generates nitrenes with liberation of dinitrogen, which lead to the formation of acid amides after the migration of hydrogen and subsequent tautomerism of the intermediate. 1,2-Migration of a group R in the α-position can produce an intermediate stage which is rapidly converted into formamide derivative. α-Azido alcohols react with PBr3 to give 1-azido-1-bromo derivatives in a clean reaction by substitution of hydroxyl group at the α-position.

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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von a-Azidoalkoholen, welche über die Reaktion von aliphatischen sowie aromatischen Aldehyden mit HN3 leicht zugänglich sind und die im Gleichgewicht mit den jeweiligen Ausgangsstoffen vorliegen. Bei Raumtemperatur stellt sich dieses Gleichgewicht sehr schnell ein und man erhält spezifische Konzentrationen an Eduktaldehyd, Stickstoffwasserstoffsäure und a-Azidoalkohol. Die Reaktion von Aldehyden mit HN3 generiert dabei ein neues Chriralitätszentrum, wodurch die Umsetzung chiraler Aldehyde, wie z. B. von Zuckerderivaten, zwei anomere Produkte hervorbringt. Die erstmalig erfolgreichen Synthesen zur Erzeugung von 4-Brom-4-methylpentanal sowie 4-Azido-4-methylpentanal werden ebenfalls beschrieben. Letztere Verbindung reagiert dabei ebenso wenig via einer intramolekularen 1,3-dipolaren Cycloaddition zum entsprechenden 4,5-Dihydro-1,2,3,4-oxatriazol-Derivat wie das analoge-Azidobutanal, was im Gegensatz zu Literaturangaben steht. Des Weiteren werden einige interessante Reaktionen der a-Azidoalkohole untersucht. Die Oxidation mit Pyridiniumchlorochromat (PCC) bei –60°C führt zu Carbonylaziden. Die Photolyse bei –50°C generiert unter Stickstofffreisetzung Nitrene, welche mittels Wasserstoffwanderung und anschließender Tautomerisierung des resultierenden Intermediats zu Säureamiden umlagern. Die ebenfalls mögliche 1,2-Wanderung einer Gruppe R in a-Position führt dabei zu einem Intermediat, aus welchem sofort das entsprechende Formamid-Derivat entsteht. a-Azidoalkohole reagieren mit PBr3 in einer sauberen Reaktion durch die Substitution der Hydroxylfunktion unter Bildung der jeweiligen 1-Azido-1-brom-Verbindung. / In this work, α-azido alcohols which exist in equilibrium with the starting materials have been studied by the reactions of aliphatic and aromatic aldehydes with HN3. In some cases the title compounds can be isolated from the mixture at low temperature. At room temperature, however, the equilibrium is fast and there are again specific concentrations of the aldehyde, hydrazoic acid, and the α-azido alcohol. The reaction of aldehydes with HN3 creates a new chiral center and a chiral aldehyde, e.g. sugar derivatives, produces two anomeric products. The first procedures to prepare 4-bromo-4-methylpentanal and 4-azido-4-methylpentanal are also reported. The latter compound and also the parent 4-azidobutanal do not lead to 4,5-dihydro-1,2,3,4-oxatriazoles by intramolecular 1,3-dipolar cycloaddition, although it was claimed in the literature. Furthermore, some interesting reactions of the α-azido alcohols have been investigated. The oxidation of α-azido alcohols with pyridinium chlorochromate (PCC) at −60 °C leads to formation of carbonyl azides. The photolysis of α-azido alcohols at −50 °C generates nitrenes with liberation of dinitrogen, which lead to the formation of acid amides after the migration of hydrogen and subsequent tautomerism of the intermediate. 1,2-Migration of a group R in the α-position can produce an intermediate stage which is rapidly converted into formamide derivative. α-Azido alcohols react with PBr3 to give 1-azido-1-bromo derivatives in a clean reaction by substitution of hydroxyl group at the α-position.

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The thesis entitled “Design and Development of Synthetic Methods using Metal-mediated and Metal-free Redox Reactions: Novel C-H Activations, Reductions and Oxidative Transformations” is presented in 4 chapters Chapter 1; Iodine catalyzed amination of benzoxazoles: efficient metal free route to 2-aminobenzoxazoles under mild conditions. The Chapter 1 of this thesis describes iodine catalyzed C-H activation of benzoxazole with primary and secondary amines to form oxidative aminated products. Selective C-H oxidation is a frontline area of modern chemical research as it offers the opportunities to new avenues and more direct synthetic strategies for the synthesis of complex organic molecules.1 In this context, transition metals such as palladium copper, nickel etc, are used extensively for the functional group directed C-H activation, and thus provides new, rapid, low-cost, and environmentally benign protocols for the construction of new chemical bonds.2 During the past two decades iodine and hypervalent iodine have been focus of great attention as they provide mild, chemoselective and environmentally benign strategies in contrast to toxic metal oxidants.3 In this chapter, a facile metal-free route of oxidative amination of benzoxazole with secondary or primary amines in the presence of catalytic amount of iodine (5 mol%) in aq tert-butyl hydroperoxide (1equiv) and AcOH (1.1 equiv) at ambient temperature, under the solvent-free reaction condition is presented. This user-friendly method to form C-N bonds produces tert-butanol and water as the by-products, which are environmentally benign. A wide range of benzoxazole derivatives containing electron-donating and electron-withdrawing groups were coupled with both primary and secondary amines (Scheme 1). Application of this methodology is demonstrated by synthesizing therapeutically active benzoxazoles by reacting 5-chloro-7-methylbenzoxazole with N-methylpiperazine and N-ethylhomopiperazine to obtain corresponding N-aminatedbenzaxozoles, which exhibit antidiarrhetic activity (Scheme 2).4 Scheme 2 Chapter 2: NIS catalyzed reactions. amidation of acetophenones and oxidative amination of propiophenones Chapter 2 is divided in to 2 parts. Part 1 describes the synthesis of α-ketoamides by using acetophenone and secondary amine in the presence of N-iodosuccinamide and TBHP in acetonitrile at room temperature, whereas Part 2 reveals the synthesis of 2-aminoketones by reacting aryl alkyl ketones and suitable secondary amine in the presence of NIS and TBHP. Part 1: Oxidative amidation, synthesis of α-ketoamide: Alpha α-ketoamides are important intermediates in organic synthesis that are present in a variety of natural products, and pharmaceutically active compounds. Herein, a mild and efficient conversion of acetophenones to α-ketoamide is documented by using aq.TBHP and N-iodosuccinamide (NIS) as a catalyst, at ambient temperature. This amidation reaction was found to be versatile as several aetophenone derivitives containing electron-withdrawing and electron-donating substituents underwent a facile amidation. It was also found that acetyl derivatives of heterocylic compounds could be easily converted to their corresponding ketoamides (few examples are shown in Scheme 3).5 Scheme3 Part 2 of Chapter 2 narrates a novel amination of propiophenone and its derivatives catalysed by NIS in the presence of TBHP to furnish their corresponding 2-aminoketone derivatives (Scheme 4). These derivatives are ubiquitous scaffolds that are present in a wide variety of therapeutic agents. Some of these compounds are used in the treatment of depression, smoking cessation, as monoamine uptake inhibitors, rugs for cancer. They are photoinitiators, precursors to β-aminoalcohols, such as pseudoephedrine analogues. 2-Aminoacetophenone analogues are also important intermediates for the formation of several heterocyclic compounds and are active moieties in several important drugs such as ifenprodil, Scheme 4. Chapter 3: Efficient oxidation of primary azides to nitriles This Chapter is divided in to 2 parts, which presents the oxidation of primary azides to their corresponding nitriles. Part 1: An Efficient oxidation of primary azides catalyzed by copper iodide: a convenient method for the synthesis of nitriles In Part 1, an efficient oxidation of primary azides catalyzed by copper iodide to their corresponding nitriles is reported. Herein, the oxidation of primary azide to nitrile is performed using catalytic amount of copper iodide, and aq TBHP in water at 100 ° C. This methodology is compatible with a wide range of primary benzylic azides that contain electron-donating and electron-withdrawing functional groups. The oxidation was found to be selective and a number of oxidizable functional groups were well-tolerated during the reaction conditions (few examples are shown in Scheme 5).6 Scheme 6 Furthermore, oxidation of secondary azides furnished the corresponding ketones in excellent yields (Scheme 6).6 In the Part 2 of Chapter 3, a non-metal catalysed oxidation of primary azides to nitriles at ambient temperature is reported. This part reveals the oxidation of primary azides to nitriles by employing catalytic amounts of KI (25 mol%), DABCO (25 mol%) and aq. TBHP (3 equiv., 70% solution in water). This reaction provides a good selectivity, as double and triple bonds were not oxidized under the reaction conditions. Additionally, chemoselective oxidation of benzylicazides against aliphatic azides increases the potential application of the present method (Scheme 7).7 Chapter 4: Chemoeselective reduction of olefins Part 1: Iron chloride catalysed aerobic reduction of olefins using aqueous hydrazine at ambient temperature Chapter 4 describes the reduction olefins and acetylenes, which is presented in two Parts. Part 1 documents utility of hydrazine (1.5 equiv) for the chemoselective reduction of nonpolarised carbon-carbon bond using iron catalysts. In this part, a chemoselective reduction of alkenes and alkynes in the presence of a variety of reducible functional groups is demonstrated (Scheme 8). The highlight of the present method is that the reduction proceeds well at room temperature and requires only 1.5 equiv of hydrazine hydrate. The olefin reduction by hydrazine depends upon the controlled release of diimide during the reduction. Generally, metal catalyzed reduction of olefins employ a large excess of hydrazine (10-20 equiv), which might be attributed to uncontrolled release of diimide during the reduction.8 Scheme 8 Part 2: Guanidine catalyzed aerobic reduction: a selective aerobic hydrogenation of olefins using aqueous hydrazine In Chapter 4, part 2, organocatalytic generation of diimide and its utility to reduce the double bonds is presented. Generation of diimide in situ by using organo catalysts and its use for the reduction of carbon-carbon double bond is one of the interesting topics in organic chemistry. It has been shown in this part of the thesis that the reduction of olefin at room temperature can be efficiently performed by using 10 mol% of guanidine nitrate, 2 equiv of aqueous hydrazine in oxygen atmosphere. This method tolerates a variety of reducible functional groups such as nitro, azido, and bromo and protective groups such as methyl ethers, benzyl ethers, and Cbz groups. It is also shown that terminal olefin can be selectively reduced in the presence of internal olefin (Scheme 9). Unlike other methods that employ diimide strategy, the present method is shown to be efficient in reducing substrates those contain internal double bonds such as cinnamyl alcohol and its derivatives

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese von α-Azidoalkoholen durch die Reaktion von aliphatischen sowie aromatischen Aldehyden mit Stickstoffwasserstoffsäure. Dabei stellt sich ein Gleichgewicht ein, dessen Lage durch die Ermittlung der Gleichgewichtskonstanten quantitativ bestimmt wird. In jedem Fall besteht die Möglichkeit, den α-Azidoalkohol in der Gleichgewichtsmischung zu charakterisieren und teilweise gelingt die Isolierung der reinen α-Azidoalkohole bei tiefen Temperaturen sowie deren Charakterisierung mittels Tieftemperatur-NMR-Spektroskopie. Die Ausgangsaldehyde für die Synthese der α-Azidoalkohole besitzen elektronenschiebende oder elektronenziehende Substituenten oder sind prochiral oder besitzen funktionelle Gruppe für intramolekulare Reaktionen. Die Titelverbindungen werden mit Cyclooctin im Sinne einer 1,3-dipolaren Cycloaddition abgefangen oder mit Carbonsäurechloriden in die entsprechenden Ester der α-Azidoalkohole überführt. Das nur aus theoretischen Arbeiten bekannte Formylazid wird erstmals aus den α-Azidoalkoholen durch Oxidation hergestellt und in Lösung vollständig charakterisiert. Es werden zudem zahlreiche Alternativsynthesen für Formylazid erfolgreich durchgeführt.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Versuche zur Synthese von 1-Azido-1 alkinen (Ethinylaziden). Diese instabilen Verbindungen zersetzen sich leicht unter Stickstoffabspaltung zu hochreaktiven Carbenen, welche mit verschiedenen Reagenzien, explizit Tolan, Cyclooctin, DMSO sowie DMF, abgefangen werden konnten. Obwohl eine direkte spektroskopische Beobachtung der Titelverbindungen mittels Tieftemperatur-NMR-Spektroskopie nicht verwirklicht werden konnte, gelang der eindeutige Nachweis von Ethinylaziden via deren 1,3-dipolarer Cycloaddition mit dem hochgespannten cyclischen Alkin Cyclooctin. Als Strategie für die Synthese der Titelverbindungen wurden sowohl Substitutionsreaktionen ausgehend von (Chlorethinyl)aromaten als auch Eliminierungsreaktionen ausgehend von substituierten Vinylaziden herangezogen. Es konnten zahlreiche Sulfoxonium-Ylide sowie alpha-Oxocarbonsäureamide als eindeutige Folgeprodukte der Titelverbindungen isoliert und vollständig – größtenteils sogar anhand von Röntgeneinkristallstrukturanalysen – charakterisiert werden.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse concerne pour l'essentiel, l'utilisation des dialkylzincs en tant que médiateurs de réactions radicalaires. La particularité de ces organométalliques réside dans le fait qu'ils sont, d'une part, de très bons précurseurs de radicaux alkyle en présence d'oxygène, et d'autre part, qu'ils peuvent subir des réactions de substitution homolytique bimoléculaire permettant de passer au cours d'une même réaction d'une espèce radicalaire à une espèce organométallique. Ainsi, les dialkylzincs sont de très bons médiateurs de réactions radicalaires et polaires en cascade en milieu aérobie.Cette méthodologie a été appliquée à la synthèse one-pot stéréosélective de γ-lactones disubstituées et de pyrrolizidines à partir du fumarate de diéthyle. La synthèse inédite de dérivés fumariques tri- et tétrasubstitués a été réalisée, à partir de l'acétylènedicarboxylate de diéthyle. Des cétoesters ont également été préparés à partir du bromoacrylate d'éthyle et de cétones silylées. L'utilisation d'azoture d'alkyle comme accepteur de radicaux s'est révélée infructueuse mais a permis de détecter une réactivité originale des azotures d'alkyle, qui en présence d'iodure de tertiobutyle, sont convertis en iodures correspondants. Enfin, une étude fondamentale par RPE du mécanisme d'oxydation des dialkylzincs a été réalisée afin de mieux appréhender les différences de comportement observées pour les divers dialkylzincs à l'échelle préparative. / The research work reported in this thesis is essentially concerned with the use of dialkylzincs in radical reactions. The peculiar behavior of these organometallic reagents resides in the fact that they are good precursors of alkyl radicals in the presence of oxygen and that they are good partners for bimolecular homolytic substitution reactions that enable to generate polar species from radical ones. Thereby, dialkylzincs are reagents of choice to perform radical-polar cascades in aerobic medium.This methodology has been applied to the one-pot stereoselective synthesis of disubstituted γ-lactones and pyrrolizidines from diethylfumarate and to the original formation of tri- and tetrasubstituted fumaric derivatives from diethylacetylene dicarboxylate. Ketoesters have also been prepared from bromoethylacrylate and sylilated ketones. The use of alkyl azide as radical acceptor in this process failed but a new reactivity of alkyl azides was detected during this study, i.e, their original conversion into the corresponding alkyl iodides in the presence of t-BuI.Finally, mechanistic studies have been achieved to investigate the mechanism of the oxidation of dialkylzincs. EPR experiments have been performed with the aim to gain a better understanding of the behavior observed for various dialkylzincs at preparative scale.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Versuche zur Synthese von 1-Azido-1 alkinen (Ethinylaziden). Diese instabilen Verbindungen zersetzen sich leicht unter Stickstoffabspaltung zu hochreaktiven Carbenen, welche mit verschiedenen Reagenzien, explizit Tolan, Cyclooctin, DMSO sowie DMF, abgefangen werden konnten. Obwohl eine direkte spektroskopische Beobachtung der Titelverbindungen mittels Tieftemperatur-NMR-Spektroskopie nicht verwirklicht werden konnte, gelang der eindeutige Nachweis von Ethinylaziden via deren 1,3-dipolarer Cycloaddition mit dem hochgespannten cyclischen Alkin Cyclooctin. Als Strategie für die Synthese der Titelverbindungen wurden sowohl Substitutionsreaktionen ausgehend von (Chlorethinyl)aromaten als auch Eliminierungsreaktionen ausgehend von substituierten Vinylaziden herangezogen. Es konnten zahlreiche Sulfoxonium-Ylide sowie alpha-Oxocarbonsäureamide als eindeutige Folgeprodukte der Titelverbindungen isoliert und vollständig – größtenteils sogar anhand von Röntgeneinkristallstrukturanalysen – charakterisiert werden.