Zugl.: Hamburg, Univ., Diss., 2006 u.d.T.: Jürs, Stefan: Die Claisen-Umlagerung von Kohlenhydratderivaten als Methode zum Aufbau hoch funktionalisierter Carbocyclen und Saccharidanaloga / Hergestellt on demand

The present dissertation covers the total synthesis of viridiofungin triesters and studies toward the total synthesis of xeniolide F. In both cases, sigmatropic rearrangements of α-allyloxy substituted α,β-unsaturated esters are employed: for the viridiofungin ester synthesis a [2,3]-Wittig rearrangement and for the xeniolide F synthesis a catalytic asymmetric Claisen rearrangement CAC. For both rearrangement reactions the historical development, main characteristic and important variations are discussed. The viridiofungin triester synthesis represents a convergent and highly flexible route toward these natural products. The [2,3]-Wittig rearrangement allowed the diastereoselective synthesis of the polar head group with two adjacent stereogenic centers. The E-configured double bond was formed by a Julia-Kocienski olefination. During the studies toward the total synthesis of xeniolide F a new, diastereoselective strategy for the generation of allyl vinyl ethers with E-configured vinyl ether double bond was established employing rhodium catalyzed OH-insertion and an E-selective Horner-Wadsworth-Emmons olefination. Under the conditions of the catalytic asymmetric Claisen rearrangement (CAC) this highly substituted allyl vinyl ether rearranged diastero- and enantioselectively to the corresponding a-keto ester. This example clearly illustrates the high potential of the CAC as synthetic tool for natural product synthesis. / In der vorliegenden Arbeit wird die Totalsynthese von Tirestern der Viridiofungine A, A2 und A4 sowie die Synthese eines Schlüsselintermediates für die Totalsynthese von Xeniolid F dargestellt. In beiden Fällen wird ausgehend von einem α-allyloxysubstituierten α,β-ungesättigten Ester eine Umlagerungsreaktion als Schlüsselschritt eingesetzt: im Falle der Viridiofunginester eine diastereoselektive [2,3]-Wittig-Umlagerung, bei den Arbeiten zur Totalsynthese von Xeniolid F eine diastero- und enantioselektive, katalytische Claisenumlagerung. Für beide Umlagerungsreaktionen werden ausführlich die theoretischen Hintergründe sowie die historische Entwicklung und wichtige Varianten besprochen. Mit der Viridiofungintriestersynthese wird eine konvergente und bezüglich der lipophilen Seitenkette sehr flexible Syntheseroute vorgestellt. Die [2,3]-Wittig-Umlagerung konnte dabei erfolgreich für die diastereoselektive Synthese der hochsubstituierten, polaren Kopfgruppe der Viridiofunginester mit zwei benachbarten stereogenen Zentren (davon eines quartär) eingesetzt werden. Zur Bildung der E-konfigurierten Doppelbindung wurde die Julia-Kocienskie-Olefinierung ausgenutzt. Bei den Arbeiten zur Totalsynthese von Xeniolid F wurde eine neuartige Strategie zur diastereoselektiven Synthese eines Allylvinylethers mit E-konfigurierter Vinyletherdoppelbindung eingesetzt. Die Horner-Wadsworth-Emmons-Olefinierung (HWE-Olefinierung) generierte dabei E-selektiv die Vinyletherdoppelbindung. Das für die HWE-Olefinierung benötigte Phosphonat wurde durch rhodiumkatalysierte OH-Insertion aus einem Allylalkohol und einem Diazaphosphonoacetat hergestellt. Der hochsubstituierte Allylvinylether wurde unter den Bedingungen der katalytisch asymmetrischen Claisenumlagerung umgesetzt und führte mit exzellenter Diastereo- und Enantioselektivität zum entsprechenden α-Ketoester. Anhand dieses Beispiels konnte das Potential der katalytisch asymmetrischen Claisenumlagerung zum Aufbau von hochfunktionalisierten Bausteinen für die Naturstoffsynthese verdeutlicht werden.

The present dissertation covers the total synthesis of viridiofungin triesters and studies toward the total synthesis of xeniolide F. In both cases, sigmatropic rearrangements of α-allyloxy substituted α,β-unsaturated esters are employed: for the viridiofungin ester synthesis a [2,3]-Wittig rearrangement and for the xeniolide F synthesis a catalytic asymmetric Claisen rearrangement CAC. For both rearrangement reactions the historical development, main characteristic and important variations are discussed. The viridiofungin triester synthesis represents a convergent and highly flexible route toward these natural products. The [2,3]-Wittig rearrangement allowed the diastereoselective synthesis of the polar head group with two adjacent stereogenic centers. The E-configured double bond was formed by a Julia-Kocienski olefination. During the studies toward the total synthesis of xeniolide F a new, diastereoselective strategy for the generation of allyl vinyl ethers with E-configured vinyl ether double bond was established employing rhodium catalyzed OH-insertion and an E-selective Horner-Wadsworth-Emmons olefination. Under the conditions of the catalytic asymmetric Claisen rearrangement (CAC) this highly substituted allyl vinyl ether rearranged diastero- and enantioselectively to the corresponding a-keto ester. This example clearly illustrates the high potential of the CAC as synthetic tool for natural product synthesis. / In der vorliegenden Arbeit wird die Totalsynthese von Tirestern der Viridiofungine A, A2 und A4 sowie die Synthese eines Schlüsselintermediates für die Totalsynthese von Xeniolid F dargestellt. In beiden Fällen wird ausgehend von einem α-allyloxysubstituierten α,β-ungesättigten Ester eine Umlagerungsreaktion als Schlüsselschritt eingesetzt: im Falle der Viridiofunginester eine diastereoselektive [2,3]-Wittig-Umlagerung, bei den Arbeiten zur Totalsynthese von Xeniolid F eine diastero- und enantioselektive, katalytische Claisenumlagerung. Für beide Umlagerungsreaktionen werden ausführlich die theoretischen Hintergründe sowie die historische Entwicklung und wichtige Varianten besprochen. Mit der Viridiofungintriestersynthese wird eine konvergente und bezüglich der lipophilen Seitenkette sehr flexible Syntheseroute vorgestellt. Die [2,3]-Wittig-Umlagerung konnte dabei erfolgreich für die diastereoselektive Synthese der hochsubstituierten, polaren Kopfgruppe der Viridiofunginester mit zwei benachbarten stereogenen Zentren (davon eines quartär) eingesetzt werden. Zur Bildung der E-konfigurierten Doppelbindung wurde die Julia-Kocienskie-Olefinierung ausgenutzt. Bei den Arbeiten zur Totalsynthese von Xeniolid F wurde eine neuartige Strategie zur diastereoselektiven Synthese eines Allylvinylethers mit E-konfigurierter Vinyletherdoppelbindung eingesetzt. Die Horner-Wadsworth-Emmons-Olefinierung (HWE-Olefinierung) generierte dabei E-selektiv die Vinyletherdoppelbindung. Das für die HWE-Olefinierung benötigte Phosphonat wurde durch rhodiumkatalysierte OH-Insertion aus einem Allylalkohol und einem Diazaphosphonoacetat hergestellt. Der hochsubstituierte Allylvinylether wurde unter den Bedingungen der katalytisch asymmetrischen Claisenumlagerung umgesetzt und führte mit exzellenter Diastereo- und Enantioselektivität zum entsprechenden α-Ketoester. Anhand dieses Beispiels konnte das Potential der katalytisch asymmetrischen Claisenumlagerung zum Aufbau von hochfunktionalisierten Bausteinen für die Naturstoffsynthese verdeutlicht werden.

Die Nitron-Cycloaddition an ein dearomatisiertes Phenol ermöglichte den leichten Aufbau des Phenanthrengerüstes von Codein in der gewünschten Konfiguration. Weitere Schritte führten mit kompletter Diastereoselektivität zu Allopseudocodein und nach Allylverschiebung durch Hydrolyse der Chlorcodide schließlich zu (±)-Codein.

Die Nitron-Cycloaddition an ein dearomatisiertes Phenol ermöglichte den leichten Aufbau des Phenanthrengerüstes von Codein in der gewünschten Konfiguration. Weitere Schritte führten mit kompletter Diastereoselektivität zu Allopseudocodein und nach Allylverschiebung durch Hydrolyse der Chlorcodide schließlich zu (±)-Codein.

Ziel der Arbeit war es, Katalysatoren zu entwickeln, in Modellsystemen zu testen und Rückschlüsse auf deren Aktivität und Verbesserungspotential zu ziehen. Dabei standen sowohl theoretische Betrachtungen mittels quantenmechanischer Berechnungen, aber auch experimentelle Arbeiten im Mittelpunkt. Die Untersuchungen wurden an ausgewählten Beispielen der Claisen-Umlagerung und der Morita-Baylis-Hillmann-Reaktion sowie verbrückter Bis(NHC)metallkomplexe auf der Basis von Triazolen in der Mizoroki-Heck-Reaktion durchgeführt. Claisen-Umlagerung. Die Wechselwirkung zwischen Substrat und dem Katalysator sollte hierbei auf eine bidendate Ausbildung von Wasserstoffbrücken zum Substrat entsprechend dem Design nach Jørgensen[1-4] abzielen. Die Auswahl der „Organokatalysatoren“ erstreckte sich von den Thioharnstoffen, über L-Milchsäure, einem Phosphorsäure-Derivat bis hin zu 2,2,2-Trifluorethanol (TFE). Mit dem Allyl Vinyl Ether (AVE) 83 wurden die theoretischen Betrachtungen der Wechselwirkung und der sich daraus ergebende Einfluss auf die Umlagerungs-geschwindigkeit durchgeführt. Der Thioharnstoff 1 und dessen Wechselwirkung mit 83 standen dabei im Mittelpunkt der Betrachtungen. Es wurden zwei mögliche entscheidende Übergangszustände postuliert. Im Vergleich zum konkurrierenden Übergangszustand [s-cis-83b•1A]# war [s-trans-83b•1A]# in Summe bevorzugt. Gegenüber der thermischen Claisen-Umlagerung von 83 war [s-trans-83b•1A]# für ΔG#[3,3] um +3,1 Kcal mol-1 erniedrigt, was einer leichten Erhöhung der Umlagerungsgeschwindigkeit entsprach. Dies konnte durch experimentelle Untersuchungen bestätigt werden. Das Phosphorsäure-Derivat 94 war im Vergleich zur L-Milchsäure 91 besser in der Lage, die Barriere des sigmatropen Umlagerungsschrittes abzusenken. Es zeigte sich, dass die Kombination von 91 mit einem Wassermolekül 8 zu dem Komplex 92 zu einer verbesserten Stabilisierung des Übergangszustandes führte. Bei beiden Systemen wurde jedoch beobachtet, dass die Barrieren über den Gesamtverlauf der Reaktion nicht ausreichend stark abgesenkt werden konnten. Für die Berechnungen mit dem Lösungsmittel TFE wurde gezeigt, dass die Betrachtung der Wechselwirkung einzelner TFE-Moleküle mit dem Substrat 83 nicht ausreichte. Morita-Baylis-Hillman-Reaktion. Mit der Morita-Baylis-Hillman-Reaktion[5, 6] (MBH) kann im Sinne einer C-C-Verknüpfungs-reaktion neben der atomökonomischen Durchführung zusätzlich ein Stereozentrum erzeugt werden. Basierend auf den Ergebnissen von Cheng et al.[7] wurde ein systematischer Zusammenhang zwischen dem eingesetzen Vermittler/Katalysator und Ausbeute/Umsatz hergestellt. Die aus der Literatur bekannte pH-Wert-Abhängigkeit der Reaktion konnte auf einen Bereich zwischen 8 und 9 eingegrenzt werden. Unter Verwendung verschiedener Substitutionsmuster am Imidazol konnte gezeigt werden, dass 1H-substituierte Imidazole die Reaktion wesentlich langsamer als die in 1-Position unsubstituierten Imidazole vermittelten, was durch DFT-Rechnungen unterstrichen werden konnte. Im weiteren Verlauf der experimentellen Untersuchungen stellte sich heraus, dass TFE als Lösungsmittel ohne Zusatz einer weiteren Base für die Vermittlung der Reaktion gut geeignet ist. Verbrückte Bis(NHC)metallkomplexe auf der Basis von Triazolen. Die Synthese der Bis(NHC)metallkomplexe und deren Einsatz in der Katalyse wurde von Straßner et al.[8-15] sehr intensiv studiert. Teil dieser Arbeit war es, die Bandbreite der Katalysatoren zu erweitern und den Einfluss von einem Stickstoffatom im (NHC)-Rückgrat zu untersuchen. Die synthetische Zugänglichkeit der Konstitutionsisomere wurde bereits bei der Darstellung der aromatischen Triazole gewährleistet. Die sich anschließende Darstellung der entsprechenden Salze konnte für die Methoxy-Gruppe am Aromaten erfolgreich durchgeführt werden. Die Unterscheidung von Konstitutionsisomeren eines Komplexes wurde am Beispiel von 126 und 128 durchgeführt. Hierbei zeigten sich bereits im 1H-NMR-Spektrum feine Unterschiede in den Kopplungskonstanten und auch in den Signalen für die Methylenbrücke. Der tatsächliche Beweis wurde mit der 2D-Methode, der sogenannten „Heteronuclear Multiple Bond Correlation“ – HMBC, erbracht. Der Einsatz der dargestellten Palladium(II)komplexe zeigte für p-Bromacetophenon analoge Ergebnisse zu den Imidazol-Derivaten bei „gleicher“ Konzentration. Für die Komplexe, ausgehend von den asymmetrischen Triazolen (zum Beispiel 128), wurde eine erhöhte Reaktivität beobachtet. Weiterhin wurde ein signifikanter Unterschied in der Ausbeute bei Reaktionen mit p-Chloracetophenon beobachtet. Literatur. [1] D. L. Severance, W. L. Jorgensen, Journal of the American Chemical Society 1992, 114, 10966. [2] C. J. Cramer, D. G. Truhlar, Journal of the American Chemical Society 1992, 114, 8794. [3] W. L. Jorgensen, J. F. Blake, D. Lim, D. L. Severance, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 1994, 90, 1727. [4] M. M. Davidson, I. H. Hillier, Journal of Physical Chemistry 1995, 99, 6748. [5] A. B. Baylis, M. E. D. Hillman, (Celanese Corp.). Application: DE DE, 1972, p. 16 pp. [6] K. Morita, Z. Suzuki, H. Hirose, Bulletin of the Chemical Society of Japan 1968, 41, 2815. [7] S. Luo, P. G. Wang, J.-P. Cheng, Journal of Organic Chemistry 2004, 69, 555. [8] S. Ahrens, A. Zeller, M. Taige, T. Strassner, Organometallics 2006, 25, 5409. [9] M. A. Taige, A. Zeller, S. Ahrens, S. Goutal, E. Herdtweck, T. Strassner, Journal of Organometallic Chemistry 2007, 692, 1519. [10] A. Meyer, T. Strassner, unpublished results 2010. [11] M. Taige, TU Dresden (Dresden), 2009. [12] S. Ahrens, E. Herdtweck, S. Goutal, T. Strassner, European Journal of Inorganic Chemistry 2006, 1268. [13] S. Ahrens, T. Strassner, Inorganica Chimica Acta 2006, 359, 4789. [14] T. Strassner, M. Muehlhofer, A. Zeller, E. Herdtweck, W. A. Herrmann, Journal of Organometallic Chemistry 2004, 689, 1418. [15] M. Muehlhofer, T. Strassner, W. A. Herrmann, Angewandte Chemie, International Edition 2002, 41, 1745.

Ziel der Arbeit war es, Katalysatoren zu entwickeln, in Modellsystemen zu testen und Rückschlüsse auf deren Aktivität und Verbesserungspotential zu ziehen. Dabei standen sowohl theoretische Betrachtungen mittels quantenmechanischer Berechnungen, aber auch experimentelle Arbeiten im Mittelpunkt. Die Untersuchungen wurden an ausgewählten Beispielen der Claisen-Umlagerung und der Morita-Baylis-Hillmann-Reaktion sowie verbrückter Bis(NHC)metallkomplexe auf der Basis von Triazolen in der Mizoroki-Heck-Reaktion durchgeführt. Claisen-Umlagerung. Die Wechselwirkung zwischen Substrat und dem Katalysator sollte hierbei auf eine bidendate Ausbildung von Wasserstoffbrücken zum Substrat entsprechend dem Design nach Jørgensen[1-4] abzielen. Die Auswahl der „Organokatalysatoren“ erstreckte sich von den Thioharnstoffen, über L-Milchsäure, einem Phosphorsäure-Derivat bis hin zu 2,2,2-Trifluorethanol (TFE). Mit dem Allyl Vinyl Ether (AVE) 83 wurden die theoretischen Betrachtungen der Wechselwirkung und der sich daraus ergebende Einfluss auf die Umlagerungs-geschwindigkeit durchgeführt. Der Thioharnstoff 1 und dessen Wechselwirkung mit 83 standen dabei im Mittelpunkt der Betrachtungen. Es wurden zwei mögliche entscheidende Übergangszustände postuliert. Im Vergleich zum konkurrierenden Übergangszustand [s-cis-83b•1A]# war [s-trans-83b•1A]# in Summe bevorzugt. Gegenüber der thermischen Claisen-Umlagerung von 83 war [s-trans-83b•1A]# für ΔG#[3,3] um +3,1 Kcal mol-1 erniedrigt, was einer leichten Erhöhung der Umlagerungsgeschwindigkeit entsprach. Dies konnte durch experimentelle Untersuchungen bestätigt werden. Das Phosphorsäure-Derivat 94 war im Vergleich zur L-Milchsäure 91 besser in der Lage, die Barriere des sigmatropen Umlagerungsschrittes abzusenken. Es zeigte sich, dass die Kombination von 91 mit einem Wassermolekül 8 zu dem Komplex 92 zu einer verbesserten Stabilisierung des Übergangszustandes führte. Bei beiden Systemen wurde jedoch beobachtet, dass die Barrieren über den Gesamtverlauf der Reaktion nicht ausreichend stark abgesenkt werden konnten. Für die Berechnungen mit dem Lösungsmittel TFE wurde gezeigt, dass die Betrachtung der Wechselwirkung einzelner TFE-Moleküle mit dem Substrat 83 nicht ausreichte. Morita-Baylis-Hillman-Reaktion. Mit der Morita-Baylis-Hillman-Reaktion[5, 6] (MBH) kann im Sinne einer C-C-Verknüpfungs-reaktion neben der atomökonomischen Durchführung zusätzlich ein Stereozentrum erzeugt werden. Basierend auf den Ergebnissen von Cheng et al.[7] wurde ein systematischer Zusammenhang zwischen dem eingesetzen Vermittler/Katalysator und Ausbeute/Umsatz hergestellt. Die aus der Literatur bekannte pH-Wert-Abhängigkeit der Reaktion konnte auf einen Bereich zwischen 8 und 9 eingegrenzt werden. Unter Verwendung verschiedener Substitutionsmuster am Imidazol konnte gezeigt werden, dass 1H-substituierte Imidazole die Reaktion wesentlich langsamer als die in 1-Position unsubstituierten Imidazole vermittelten, was durch DFT-Rechnungen unterstrichen werden konnte. Im weiteren Verlauf der experimentellen Untersuchungen stellte sich heraus, dass TFE als Lösungsmittel ohne Zusatz einer weiteren Base für die Vermittlung der Reaktion gut geeignet ist. Verbrückte Bis(NHC)metallkomplexe auf der Basis von Triazolen. Die Synthese der Bis(NHC)metallkomplexe und deren Einsatz in der Katalyse wurde von Straßner et al.[8-15] sehr intensiv studiert. Teil dieser Arbeit war es, die Bandbreite der Katalysatoren zu erweitern und den Einfluss von einem Stickstoffatom im (NHC)-Rückgrat zu untersuchen. Die synthetische Zugänglichkeit der Konstitutionsisomere wurde bereits bei der Darstellung der aromatischen Triazole gewährleistet. Die sich anschließende Darstellung der entsprechenden Salze konnte für die Methoxy-Gruppe am Aromaten erfolgreich durchgeführt werden. Die Unterscheidung von Konstitutionsisomeren eines Komplexes wurde am Beispiel von 126 und 128 durchgeführt. Hierbei zeigten sich bereits im 1H-NMR-Spektrum feine Unterschiede in den Kopplungskonstanten und auch in den Signalen für die Methylenbrücke. Der tatsächliche Beweis wurde mit der 2D-Methode, der sogenannten „Heteronuclear Multiple Bond Correlation“ – HMBC, erbracht. Der Einsatz der dargestellten Palladium(II)komplexe zeigte für p-Bromacetophenon analoge Ergebnisse zu den Imidazol-Derivaten bei „gleicher“ Konzentration. Für die Komplexe, ausgehend von den asymmetrischen Triazolen (zum Beispiel 128), wurde eine erhöhte Reaktivität beobachtet. Weiterhin wurde ein signifikanter Unterschied in der Ausbeute bei Reaktionen mit p-Chloracetophenon beobachtet. Literatur. [1] D. L. Severance, W. L. Jorgensen, Journal of the American Chemical Society 1992, 114, 10966. [2] C. J. Cramer, D. G. Truhlar, Journal of the American Chemical Society 1992, 114, 8794. [3] W. L. Jorgensen, J. F. Blake, D. Lim, D. L. Severance, Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 1994, 90, 1727. [4] M. M. Davidson, I. H. Hillier, Journal of Physical Chemistry 1995, 99, 6748. [5] A. B. Baylis, M. E. D. Hillman, (Celanese Corp.). Application: DE DE, 1972, p. 16 pp. [6] K. Morita, Z. Suzuki, H. Hirose, Bulletin of the Chemical Society of Japan 1968, 41, 2815. [7] S. Luo, P. G. Wang, J.-P. Cheng, Journal of Organic Chemistry 2004, 69, 555. [8] S. Ahrens, A. Zeller, M. Taige, T. Strassner, Organometallics 2006, 25, 5409. [9] M. A. Taige, A. Zeller, S. Ahrens, S. Goutal, E. Herdtweck, T. Strassner, Journal of Organometallic Chemistry 2007, 692, 1519. [10] A. Meyer, T. Strassner, unpublished results 2010. [11] M. Taige, TU Dresden (Dresden), 2009. [12] S. Ahrens, E. Herdtweck, S. Goutal, T. Strassner, European Journal of Inorganic Chemistry 2006, 1268. [13] S. Ahrens, T. Strassner, Inorganica Chimica Acta 2006, 359, 4789. [14] T. Strassner, M. Muehlhofer, A. Zeller, E. Herdtweck, W. A. Herrmann, Journal of Organometallic Chemistry 2004, 689, 1418. [15] M. Muehlhofer, T. Strassner, W. A. Herrmann, Angewandte Chemie, International Edition 2002, 41, 1745.