Computational study on the asymmetric aminocatalysed Michael addition reaction of cyclohexanone to trans–β–nitrostyrene

Asymmetric organocatalysed reactions are one of the most fascinating synthetic strategies which one can adopt in order to induct a desired chirality into a reaction product. From all the possible practical applications of small organic molecules in catalytic reaction, amine–based catalysis has attracted a lot of attention during the past two decades. The high interest in asymmetric aminocatalytic pathways is to account to the huge variety of carbonyl compounds that can be functionalized by many different reactions of their corresponding chiral–enamine or –iminium ion as activated nucleophile and electrophile, respectively. Starting from the employment of L–Proline, many useful substrates have been proposed in order to further enhance the catalytic performances of these reaction in terms of enantiomeric excess values, yield, conversion of the substrate and turnover number. In particular, in the last decade the use of chiral and quasi–enantiomeric primary amine species has got a lot of attention in the field. Contemporaneously, many studies have been carried out in order to highlight the mechanism through which these kinds of substrates induct chirality into the desired products. In this scenario, computational chemistry has played a crucial role due to the possibility of simulating and studying any kind of reaction and the transition state structures involved. In the present work the transition state geometries of primary amine–catalysed Michael addition reaction of cyclohexanone to trans–β–nitrostyrene with different organic acid cocatalysts has been studied through different computational techniques such as density functional theory based quantum mechanics calculation and force–field directed molecular simulations.

Aziridinazione stereoselettiva di chetoni α,β-insaturi α-sostituiti via organocatalisi

Il lavoro della presente Tesi è stato lo sviluppo della sintesi asimmetrica di aziridine chirali a partire da chetoni α,β-insaturi α-sostituiti, verificando la possibilità di applicare ammine primarie come organocatalizzatori attraverso un meccanismo tandem ione imminio-enammina. Nelle nostre prove le migliori ammine primarie si sono rivelate gli pseudoenantiomeri 9-ammino-9-deossi-epi-idrochinina e idrochinidina, e i migliori acidi per formare il sale catalitico sono stati acido trifluoroacetico (TFA) e acido salicilico. Il fattore chiave per le reazioni di aziridinazione è stata la scelta della molecola sorgente di azoto, che deve avere comportamento nucleofilico nel primo step di aza-Michael (via ione imminio), e comportamento elettrofilico nello step di chiusura del ciclo (via enammina). Le prove preliminari sono state condotte con il sale catalitico formato dalla 9-ammino-9-deossi-epi-idrochinina e TFA in toluene a 50 °C. Migliori risultati sono stati ottenuti sostituendo la sorgente di azoto utilizzata inizialmente e utilizzando il sale catalitico composto da 9-ammino-9-deossi-epi-idrochinidina e acido salicilico in toluene a 50 °C. In questo caso la resa è stata pari a 56% ed eccesso enantiomerico (ee) del 90%. Sfruttando quindi le condizioni ottimizzate inizialmente, abbiamo provato la reazione su altri due chetoni con maggiore ingombro sterico rispetto a quello utilizzato per l’ottimizzazione iniziale del processo. In entrambi i casi la reattività è stata sensibilmente inferiore a quanto atteso, con rese non superiori al 14%. Inoltre anche i valori di ee sono stati poco soddisfacenti. Ipotizziamo che questi risultati deludenti siano causati dall’ingombro sterico della catena in posizione β che impedisce l’avvicinamento del catalizzatore, il quale, non creando un intorno asimmetrico, non crea una distinzione tra le due possibili direzioni di attacco del nucleofilo. Da questi ultimi risultati sembra che la reazione di aziridinazione da noi ottimizzata sia per ora limitata al solo chetone utilizzato nella fase iniziale del lavoro. Al fine di estendere l’applicazione di queste condizioni, nel futuro saranno effettuate prove anche con altri chetoni α,β-insaturi α-sostituiti, ma che non presentino sostituzione in posizione β, dato che abbiamo osservato che essa rappresenta il maggiore limite per la reattività e selettività. Infine sarà importante determinare la configurazione assoluta del prodotto finora ottenuto, mediante spettroscopia ECD e VCD. E’ infatti importante conoscere tutte le caratteristiche chimiche e fisiche di prodotto ottenuto, in modo da avere maggiore conoscenza del processo da noi sviluppato, per poterlo migliorare ed estenderne l’applicabilità in futuro.

From 3,3,4,4-Tetraethoxybut-1-yne to furan derivatives

The starting material for this project was the highly functionalized compound 3,3,4,4- tetraethoxybut-1-yne (TEB) and it can be prepared from ethyl vinyl ether by a 4-steps synthesis. The third and the fourth step in TEB synthesis were sensitive to reaction conditions, so it was developed a strategy to try to optimize the third step and obtain TEB with higher yields. An approach, which tries to optimize also the fourth step, will be developed in further works. Several γ-hydroxy-α,β-unsaturated acetylenic ketones can be prepared from 3,3,4,4- tetraethoxybut-1-yne. TEB and γ-hydroxy-α,β-unsaturated acetylenic ketones have been previously synthesized in good yields using various reaction routes. In this work will be shown the synthesis of 1,1-diethoxy-5-hydroxyhex-3-yn-2-one, 1,1-diethoxy-5-hydroxyundec-3-yn-2-one and 1,1-diethoxy-5-hydroxydodec-3-yn-2-one, which will react with ethyl acetoacetate to give, respectively, ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)-2,5-dimethylfuran-3-carboxylate, ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)-5-hexyl-2-methylfuran-3-carboxylate and ethyl 4-(3,3-diethoxy-2-oxopropyl)- 5-heptyl-2-methylfuran-3-carboxylate furan derivatives. This thesis project was carried out during the year 2011, at the Department of Chemistry of the University of Bergen.

Idrossiamminazione asimmetrica di nitroolefine catalizzata da derivati degli alcaloidi della cinchona

Questo lavoro di tesi ha riguardato lo studio della reazione di addizione coniugata enantioselettiva di idrossilammine N-Cbz-protette a nitroolefine, attraverso l’utilizzo di una serie di catalizzatori organici bi-funzionali in grado di attivare contemporaneamente la nucleofilicità dell’idrossilammina, per mezzo di una reazione acido-base, e il trans-β-nitrostirene, attraverso interazione via legame a idrogeno.

Regio- e stereocontrollo nell'addizione viniloga di alchilidenossindoli a nitrostireni via organocatalisi.

The topic of this work is the simultaneous activation, promoted by 9-epi-NH2-DHQA-TU, of alkylideneoxindole and nistirene derivatives, respectively via base catalysis and hydrogen-bond catalysis. The chosen substrates, of high biological interest, are used as starting materials for a vinylogous Michael addition where we wish to control the stereochemistry of the two asymmetric carbons far away from the active site, respectively in γ and δ position. Due to the particular structure of the starting oxindoles, it is hereby presented the first variant of this reaction performed at its highest level of stereochemical complexity. It is possible as a matter of fact, to generate 24 isomers of the product. Specifically, given that the nucleophilic attack can occur from various, non equivalent regions of the starting molecule, our main goal was to achieve a complete regio- and stereocontrol of the reaction. We have verified that the reported organocatalyzed vinylogous reaction represents a valid integration of the metal-catalyzed one, since it affords highly stereochemically complex products in good to high yields and excellent optical purity.

Synthesis of novel ribose-based thioimidate n-oxides

This work is based on the study of new synthetic paths to obtain thioimidate N-oxides (TINOs) from D-ribose and to study their reactivity with the purpose to obtain ketonitrones. TINOs, aren’t well known molecules, but these enantiomerically pure backbones could be valuable intermediates in the synthesis of novel ketonitrones which are key intermediates in the synthesis of iminosugars. TINOs were discovered from the study of glucoraphanin, a particular glucosinolate, that unexpectedly cyclized into a TINO after desulfatation, by a spontaneous intramolecular Michael addition. The first part of this work was to synthetize the TINO 3 from D-ribose 1. The key step was the desilylative cyclisation of a suitably functionalized thiohydroximate 2. Based on precedent work developed in the laboratory, we could obtain the thiohydroximate from D-ribose. We then focused our studies on the cyclisation step trying to find the suitable substituents that could give the TINO in good yield by desilylative cyclisation. The second part of the project is to obtain ketonitrones 4 by palladiumcatalyzed coupling reaction.

A DFT study on chemodivergent preparation of piperidinic and morpholinic heterocycles

The topic of this thesis is the DFT computational study of the mechanisms for the synthesis of chiral 3,4,5-trisubstituted piperidines and 2,6-disubstituted morpholines. The goal of this synthesis is to use, the same substrate containing two electrophilic sites: an α,β-unsaturated ester and a ketone, which evolve according to the nucleophile used (cyanide, phenyl sulfide) through different addition and cyclization reactions. A quaternary ammonium salt is used as a catalyst for these reactions, which leads to a diastereoisomeric excess both for the reactions of morpholine and piperidine products. Studies in silico of the pathways of these reactions explain the chemoselection and diasteroselection deriving from the two nucleophiles used. In this case of piperidine products, it was also possible to validate the hypothesis of a concerted nucleophilic addition mechanism on the α,β-unsaturated site and cyclization due to an intramolecular Michael addition.

Addizione di Michael organocatalitica asimmetrica di composti 1,3-dicarbonilici ad orto-chinoni metidi: un nuovo e semplice approccio alla preparazione di 4H-cromeni e croman-2-oni otticamente attivi

The work described in this thesis deals with the development of the asymmetric organocatalytic conjugate addition reaction of 1,3-dicarbonyl compounds to ortho-quinone methides. Due to their instability, these synthetically appealing intermediates have not been fully exploited in catalytic asymmetric settings. In this work, the instability of ortho-quinone methides is overcome by their generation in situ under mild basic conditions, starting from the corresponding sulfonyl derivatives. The bifunctional catalysts used are able to activate both substrates for the reaction, by means of a synergic action of the two catalytic sites, inducing at the same time high enantioselection in the addition step. The reaction leads to the generation of a 2-alkylphenolic framework, featuring a chiral centre at the benzylic position. In particular, the employment of acetylacetone and Meldrum acid as nucleophiles has allowed the obtainment of 4H-chromenes and chroman-2-ones in good yields and generally excellent enantioselectivities. These compounds are synthetic precursors of several natural products, some of which showing interesting biological activity, and of some active pharmaceutical ingredients used in commercial drugs.

Addizione viniloga enantioselettiva di Michael di alchilidenossindoli a nitroolefine

Questo lavoro di tesi è frutto di uno studio sull’addizione viniloga enenantioselettiva di sistemi 3-alchilidenossindolici a nitrotrirene utilizzando un catalizzatore bifunzionale in grado di attivare la posizione gamma del suddetto ossindolo, per mezzo di una reazione acidobase, e di attivare il nitrostirene attraverso interazione via legame a idrogeno. Questo progetto nasce come novità assoluta nel mondo dell’organocatalisi.

Addizione coniugata di Michael atroposelettiva di composti 1,3-dicarbonilici su derivati maleimmidici

L'obiettivo di questa tesi sperimentale è quello di effettuare una reazione di addizione coniugata di Michael di sistemi 1,3-dicarbonilici atroposelettiva su substrati maleimmidici oppurtanamente sostituiti, catalizzata da derivati di alcaloidi naturali della Cinchona. Tale processo risulta importante ed innovativo in quanto si vuole ottenere una reazione di desimmetrizzazione atroposelettiva, contemporaneamente dell'asse prochirale e dei due atomi di carbonio del doppio legame della maleimmide stessa. Partendo dalla reazione di addizione del 2-acetilciclopetanone sulla (N-(2-tert- Butil)fenil)maleimmide, mediante reazioni di screening sono state determinate le condizioni ottimali. Si è poi proceduto a verificare l'estendibilità della reazione verso differenti substrati. Infine si è verificata la stabilità dell'asse di rotazione bloccato neosintetizzato. La sintesi di tali composti è importante per la possibilità di poter successivamente derivatizzare i gruppi sostituenti, in modo da creare building blocks per lo sviluppo di molecole ben più complesse.