A simple route to N-acylaminophosphonoacetates (N-protected phosphonylglycine esters).

Rhodium(II) acetate catalyzed reaction of tri-Et diazophosphonoacetate with amides, carbamates or ureas gives a range of N-acyl phosphonylglycine derivs. by N-H insertion reaction of the intermediate rhodium carbenoid.

Sels de tétraarylphosphonium : synthèse et application à la synthèse de la (–)-coniine ; capacité trans-directrice du groupement amide en cyclopropanation d’oléfines

Le développement ainsi que l’amélioration des différentes techniques de purification sont des défis importants pour la chimie d’aujourd’hui. Certaines des méthodes actuelles, tel que le greffage d’un réactif sur un support solide permettant d’accéder à un produit pur par simple filtration du milieu, comportent toutefois certains inconvénients. En effet, les propriétés de solubilité de ces polymères rendent la mise en œuvre des réactions plus difficiles. C’est dans ce contexte que le groupe du Pr. Charette a rapporté l’utilisation de réactifs liés à un sel de tétraarylphosphonium (TAP). Ces sels peuvent être solubilisés dans un solvant tel que le dichlorométhane et aisément retirés du milieu réactionnel par précipitation à l’aide d’éther diéthylique (Chapitre 1). L’un des objectifs de cette thèse a donc été lié à la découverte de deux méthodes complémentaires qui, jusqu’à présent, sont considérées comme des méthodes de choix pour la synthèse des sels de TAP fonctionnalisés (Chapitre 2). L’une d’entre elles est utilisée par Soluphase inc., une entreprise qui commercialise ces sels de TAP. L’efficacité des sels en tant que support dans la synthèse de petites molécules a été démontrée lors de la synthèse d’un produit naturel, la (–)-coniine (Chapitre 3). L’isolement des intermédiaires synthétiques instables par simple précipitation à l’aide d’un support de TAP a permis de rendre cette synthèse plus efficace que celle déjà connue. Dans le deuxième volet de cette thèse, plusieurs problèmes reliés à la synthèse de dérivés cyclopropaniques 1,1-disubstitués ont été étudiés. Ces derniers font partie intégrale de plusieurs produits naturels et de médicaments. Cependant, leur formation par une réaction de cyclopropanation d’alcènes utilisant des réactifs diazoïques possédant deux groupements de type accepteur n’est pas tâche facile (Chapitre 4). En effet, cette réaction souffre d’un faible contrôle diastéréosélectif. Par le fait même, très peu de méthodologies de synthèse ont rapporté l’utilisation de ce type de réactifs diazoïques dans des réactions de cyclopropanation stéréosélectives. L’étude du mécanisme de la réaction de cyclopropanation catalysée au Rh(II) a proposé des indices favorisant un modèle ayant des précédents dans la littérature (Chapitre 5). Ces études nous ont mené à la découverte de la «capacité trans-directrice» du groupement amide lors des réactions de cyclopropanation d’oléfines. Nous avons donc utilisé cette propriété afin de résoudre plusieurs problèmes rencontrés dans la littérature. Nous avons montré qu’elle permet l’accès à des dérivés cyclopropaniques possédant deux groupements carboxyliques géminaux avec des sélectivités élevées (Chapitre 6). Ces produits étaient accessibles que par des séquences synthétiques nécessitant plusieurs étapes. De plus, nous avons démontrés que ces nouveaux dérivés cyclopropaniques sont des outils synthétiques fort utiles dans la synthèse de produits naturels d’intérêt biologique. Cette formidable «capacité trans-directrice» du groupement amide nous a permi de résoudre le problème de la synthèse asymétrique de dérivés carboxyliques α-cyano cyclopropaniques (Chapitre 7). De plus, ce projet nous a menées à la découverte de l’effet de divers additif achiraux permettant d’augmenter la sélectivité dans certaines réactions. Cette réaction possède une vaste étendue et l’utilité de ces nouveaux dérivés cyclopropaniques a été démontrée par plusieurs transformations de groupements fonctionnels.

Synthèse de sulfilimines et de sulfoximines catalysée par les métaux de transition

Les sulfilimines et les sulfoximines sont des motifs structuraux dont l’intérêt synthétique est grandissant, notamment du fait de leurs applications en chimie médicinale et en agrochimie. Les travaux rapportés dans cet ouvrage décrivent le développement de nouvelles méthodes de synthèse efficaces pour la production de ces unités atypiques. Ces méthodes sont basées sur la réactivité d’une source d’azote électrophile, vis-à-vis de thioéthers et de sulfoxydes. L’utilisation d’un complexe métallique introduit en quantité catalytique a permis de favoriser le processus réactionnel. En tirant bénéfice de l’expertise de notre groupe de recherche sur le développement de réactions d’amination stéréosélectives de liaisons C-H et d’aziridination de styrènes, nous avons d’abord étudié la réactivité des N-mésyloxycarbamates comme source d’azote électrophile. Après avoir optimisé sa synthèse sur grande échelle, ce réactif chiral a été utilisé dans des réactions d’amination de thioéthers et de sulfoxydes, catalysées par un dimère de rhodium (II) chiral. Un processus diastéréosélectif efficace a été mis au point, permettant de produire des sulfilimines et des sulfoximines chirales avec d’excellents rendements et sélectivités. Au cours de l’optimisation de cette méthode de synthèse, nous avons pu constater l’effet déterminant de certains additifs sur la réactivité et la sélectivité de la réaction. Une étude mécanistique a été entreprise afin de comprendre leur mode d’action. Il a été observé qu’une base de Lewis telle que le 4-diméthylaminopyridine (DMAP) pouvait se coordiner au dimère de rhodium(II) et modifier ses propriétés structurales et redox. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que l’espèce catalytique active est un dimère de rhodium de valence mixte Rh(II)/Rh(III). Nous avons également découvert que l’incorporation de sels de bispyridinium avait une influence cruciale sur la diastéréosélectivité de la réaction. D’autres expériences sur la nature du groupe partant du réactif N-sulfonyloxycarbamate nous ont permis de postuler qu’une espèce nitrénoïde de rhodium était l’intermédiaire clé du processus d’amination. De plus, l’exploitation des techniques de chimie en débit continu nous a permis de développer une méthode d’amination de thioéthers et de sulfoxydes très performante, en utilisant les azotures comme source d’azote électrophile. Basée sur la décompositon photochimique d’azotures en présence d’un complexe de fer (III) simple et commercialement disponible, nous avons été en mesure de produire des sulfilimines et des sulfoximines avec d’excellents rendements. Le temps de résidence du procédé d’amination a pu être sensiblement réduit par la conception d’un nouveau type de réacteur photochimique capillaire. Ces améliorations techniques ont permis de rendre la synthèse plus productive, ce qui constitue un élément important d’un point de vue industriel.

Greener methodology for the synthesis of alpha-diazocarbonyl compounds and a novel approach to dioxinone derivatives

This thesis outlines a more environmentally benign approach to diazo transfer, and the investigation of the reactivity of -diazocarbonyl compounds when subjected to transition metal and lanthanide catalysis. Extensive studies were carried out to find the optimum conditions for a greener diazo transfer methodology, and this was also applied to a continuous process for the synthesis of -diazo--ketoesters. The first chapter includes a literature review of the synthesis and subsequent reactivity of -diazocarbonyl compounds. An overview of the applications of flow chemistry for the synthesis of hazardous intermediates is also included. The applications of lanthanide catalysts in organic synthesis is also discussed. The second chapter outlines the extensive studies undertaken to determine the optimum conditions for a greener diazo transfer methodology, including base and solvent studies. Use of water as a viable solvent for diazo transfer was successfully investigated. Diazo transfer to a range of -diazo--ketoesters was achieved using 5 mol% triethylamine or DMAP in water with high conversions. Polystyrene-supported benzenesulfonyl azide as an alternative diazo transfer reagent was also explored, as well as investigations into cheaper generation of this safer reagent. This polymer-supported benzenesulfonyl azide was used with 25 mol% of base in water to achieve successful diazo transfer to a range of -diazo--ketoesters. The third chapter describes the application of the new methodology developed in Chapter 2 to a continuous processing approach. Various excellent conditions were identified for both batch and flow reactions. A series of -diazo--ketoesters were synthesised with excellent conversions using 25 mol% triethylamine in 90:10 acetone water using flow chemistry. Successful diazo transfer was also achieved using a polymer-supported benzenesulfonyl azide in water under flow conditions. The fourth chapter discusses the reactivity of -diazo--ketoesters under transition metal and lanthanide catalysis. This chapter describes the synthesis of a range of -ketoesters via transesterification, which were used to synthesise a range of novel -diazo--ketoesters that were used in subsequent decomposition reactions. A novel route to dioxinones via rhodium(II) catalysis is reported. Attempted OH and SH insertion reactions in the presence of various lanthanide(II) catalysts are outlined, leading to some unexpected and interesting rearrangement products. The experimental details, including spectroscopic and analytical data for all compounds prepared, are reported at the end of each chapter.

Synthèse de sulfilimines et de sulfoximines catalysée par les métaux de transition

Les sulfilimines et les sulfoximines sont des motifs structuraux dont l’intérêt synthétique est grandissant, notamment du fait de leurs applications en chimie médicinale et en agrochimie. Les travaux rapportés dans cet ouvrage décrivent le développement de nouvelles méthodes de synthèse efficaces pour la production de ces unités atypiques. Ces méthodes sont basées sur la réactivité d’une source d’azote électrophile, vis-à-vis de thioéthers et de sulfoxydes. L’utilisation d’un complexe métallique introduit en quantité catalytique a permis de favoriser le processus réactionnel. En tirant bénéfice de l’expertise de notre groupe de recherche sur le développement de réactions d’amination stéréosélectives de liaisons C-H et d’aziridination de styrènes, nous avons d’abord étudié la réactivité des N-mésyloxycarbamates comme source d’azote électrophile. Après avoir optimisé sa synthèse sur grande échelle, ce réactif chiral a été utilisé dans des réactions d’amination de thioéthers et de sulfoxydes, catalysées par un dimère de rhodium (II) chiral. Un processus diastéréosélectif efficace a été mis au point, permettant de produire des sulfilimines et des sulfoximines chirales avec d’excellents rendements et sélectivités. Au cours de l’optimisation de cette méthode de synthèse, nous avons pu constater l’effet déterminant de certains additifs sur la réactivité et la sélectivité de la réaction. Une étude mécanistique a été entreprise afin de comprendre leur mode d’action. Il a été observé qu’une base de Lewis telle que le 4-diméthylaminopyridine (DMAP) pouvait se coordiner au dimère de rhodium(II) et modifier ses propriétés structurales et redox. Les résultats que nous avons obtenus suggèrent que l’espèce catalytique active est un dimère de rhodium de valence mixte Rh(II)/Rh(III). Nous avons également découvert que l’incorporation de sels de bispyridinium avait une influence cruciale sur la diastéréosélectivité de la réaction. D’autres expériences sur la nature du groupe partant du réactif N-sulfonyloxycarbamate nous ont permis de postuler qu’une espèce nitrénoïde de rhodium était l’intermédiaire clé du processus d’amination. De plus, l’exploitation des techniques de chimie en débit continu nous a permis de développer une méthode d’amination de thioéthers et de sulfoxydes très performante, en utilisant les azotures comme source d’azote électrophile. Basée sur la décompositon photochimique d’azotures en présence d’un complexe de fer (III) simple et commercialement disponible, nous avons été en mesure de produire des sulfilimines et des sulfoximines avec d’excellents rendements. Le temps de résidence du procédé d’amination a pu être sensiblement réduit par la conception d’un nouveau type de réacteur photochimique capillaire. Ces améliorations techniques ont permis de rendre la synthèse plus productive, ce qui constitue un élément important d’un point de vue industriel.

Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters

Abstract Title of Document: Diversity in Catalytic Reactions of Propargylic Diazoesters Huang Qiu, Doctor of Philosophy, 2016 Directed By: Professor Michael P. Doyle, Department of Chemistry and Biochemistry Propargylic aryldiazoesters, which possess multiple reactive functional groups in a single molecule, were expected to undergo divergent reaction pathways as a function of catalysts. A variety of transition metal complexes including rhodium(II), palladium(II), silver(I), mercury(II), copper(I and II), and cationic gold (I) complexes have been examined to be effective in the catalytic domino reactions of propargylic aryldiazoesters. An unexpected Lewis acid catalyzed pathway was also discovered by using FeCl3 as the catalyst. Under the catalysis of selected gold catalysts, propargylic aryldiazoesters exist in equilibrium with 1-aryl-1,2-dien-1-yl diazoacetate allenes that are rapidly formed at room temperature through 1,3-acyloxy migration. The newly formed allenes further undergo a metal-free rearrangement in which the terminal nitrogen of the diazo functional group adds to the central carbon of the allene initiating a sequence of bond forming reactions resulting in the production of 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones in good yields. These 1,5-dihydro-4H-pyrazol-4-ones undergo intramolecular 1,3-acyl migration to form an equilibrium mixture or quantitatively transfer the acyl group to an external nucleophile with formation of 4-hydroxypyrazoles. In the presence of a pyridine-N-oxide, both E- and Z-1,3-dienyl aryldiazoacetates are formed in high combined yields by Au(I)-catalyzed rearrangement of propargyl arylyldiazoacetates at short reaction times. Under thermal reactions the E-isomers form the products from intramolecular [4+2]-cycloaddition with H‡298 = 15.6 kcal/mol and S‡298= -27.3 cal/ (mol•degree). The Z-isomer is inert to [4+2]-cycloaddition under these conditions. The Hammett relationships from aryl-substituted diazo esters ( = +0.89) and aryl-substituted dienes ( = -1.65) are consistent with the dipolar nature of this transformation. An unexpected reaction for the synthesis of seven-membered conjugated 1,4-diketones from propargylic diazoesters with unsaturated imines was disclosed. To undergo this process vinyl gold carbene intermediates generated by 1,2-acyloxy migration of propargylic aryldiazoesters undergo a formal [4+3]-cycloaddition, and the resulting aryldiazoesters tethered dihydroazepines undergo an intricate metal-free process to form observed seven-membered conjugated 1,4-diketones with moderate to high yields.

Dynamic axial ligand-site exchange in facially discriminated ruthenium(II) carbonyl and rhodium(III) halide metalloporphyrins

For a series of six-coordinate Ru(II)(CO)L or Rh(III)(X–)L porphyrins which are facially differentiated by having a naphthoquinol- or hydroquinol-containing strap across one face, we show that ligand migration from one face to the other can occur under mild conditions, and that ligand site preference is dependent on the nature of L and X–. For bulky nitrogen-based ligands, the strap can be displaced sideways to accommodate the ligand on the same side as the strap. For the ligand pyrazine, we show 1 H NMR evidence for monodentate and bidentate binding modes on both faces, dependent on ligand concentration and metalloporphyrin structure, and that inter-facial migration is rapid under normal conditions. For monodentate substituted pyridine ligands there is a site dependence on structure, and we show clear evidence of dynamic ligand migration through a series of ligand exchange reactions.

Synthesis, characterisation and thermal analysis of copper (II) and chromium (II, III) hydrazine carboxylates

Copper(II) hydrazine carboxylate monohydrate, Cu(N2H3COO)2·H2O and chromium (II, III) hydrazine carboxylate hydrates, Cu(N2H3COO)2·H2O and Cu(N2H3COO)2·3H2O have been prepared and characterised by chemical analysis, IR, visible spectra and magnetic measurements. Thermal analysis of the copper complex yields a mixture of copper metal and copper oxide. Chromium complexes on thermal decomposition yield Cr2O3 as residue. Decomposition of chromium(HI) complex under hydrothermal conditions yield CrOOH, a precursor to CrO2.

Asymmetric rhodium carbene insertion into the Si-H bond: identification of new dirhodium(II) carboxylate catalysts using parallel synthesis techniques

Decomposition of methyl 2-diazophenylacetate in the presence of silanes and a chiral dirhodium(11) catalyst results in Si-H insertion of the intermediate carbenoid with varying degrees of enantioselectivity. New chiral dirhodium(11) carboxylate catalysts were identified using solution phase parallel synthesis techniques. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Bismuth carboxylates with Brucite- and Fluorite-related structures: synthesis structure and properties

Three new compounds of bismuth, C4N2H10]center dotBi(C7H4NO4)(C7H3NO4)]center dot H2O, I, Bi(C5H3N2O4) (C5H2N2O4)], II, and Bi(mu(2)-OH)(C7H3NO4)], III, have been prepared by the reaction between bismuth nitrate and heterocyclic aromatic dicarboxylic acids, 2,6-pyridinedicarboxylic acid, 4,5-imidazoledicarboxylic acid, and 3,4-pyridinedicarboxylic acid, respectively, under hydrothermal conditions. The structures of all the compounds have linkages between Bi2O2 and the corresponding dicarboxylate forming a simple molecular unit in I, a bilayer arrangement in II, and a three-dimensional extended structure in III. The topological arrangement of the nodal building units in the structures indicates that a brucite-related layer (II) and fluorite-related arrangement (III) can be realized in these structures. By utilizing the secondary interactions, one can correlate the structure of III to a Kagome-related one. The observation of such classical inorganic related structures in the bismuth carboxylates is noteworthy. Lewis acid catalytic studies on the formation of ketal suggest the possible participatory role of the lone pair of electrons. All the compounds are characterized employing elemental analysis, IR, UV-vis, and thermal studies.

Models of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II

In the five chapters that follow, I delineate my efforts over the last five years to synthesize structurally and chemically relevant models of the Oxygen Evolving Complex (OEC) of Photosystem II. The OEC is nature’s only water oxidation catalyst, in that it forms the dioxygen in our atmosphere necessary for oxygenic life. Therefore understanding its structure and function is of deep fundamental interest and could provide design elements for artificial photosynthesis and manmade water oxidation catalysts. Synthetic endeavors towards OEC mimics have been an active area of research since the mid 1970s and have mutually evolved alongside biochemical and spectroscopic studies, affording ever-refined proposals for the structure of the OEC and the mechanism of water oxidation. This research has culminated in the most recent proposal: a low symmetry Mn₄CaO₅ cluster with a distorted Mn₃CaO₄ cubane bridged to a fourth, dangling Mn. To give context for how my graduate work fits into this rich history of OEC research, Chapter 1 provides a historical timeline of proposals for OEC structure, emphasizing the role that synthetic Mn and MnCa clusters have played, and ending with our Mn₃CaO₄ heterometallic cubane complexes.

In Chapter 2, the triarylbenzene ligand framework used throughout my work is introduced, and trinuclear clusters of Mn, Co, and Ni are discussed. The ligand scaffold consistently coordinates three metals in close proximity while leaving coordination sites open for further modification through ancillary ligand binding. The ligands coordinated could be varied, with a range of carboxylates and some less coordinating anions studied. These complexes’ structures, magnetic behavior, and redox properties are discussed.

Chapter 3 explores the redox chemistry of the trimanganese system more thoroughly in the presence of a fourth Mn equivalent, finding a range of oxidation states and oxide incorporation dependent on oxidant, solvent, and Mn salt. Oxidation states from Mn^II₄ to Mn^IIIMn^IV₃ were observed, with 1-4 O^2– ligands incorporated, modeling the photoactivation of the OEC. These complexes were studied by X-ray diffraction, EPR, XAS, magnetometry, and CV.

As Ca²⁺ is a necessary component of the OEC, Chapter 4 discusses synthetic strategies for making highly structurally accurate models of the OEC containing both Mn and Ca in the Mn₃CaO₄ cubane + dangling Mn geometry. Structural and electrochemical characterization of the first Mn₃CaO₄ heterometallic cubane complex— and comparison to an all-Mn Mn₄O₄ analog—suggests a role for Ca²⁺ in the OEC. Modification of the Mn₃CaO₄ system by ligand substitution affords low symmetry Mn₃CaO₄ complexes that are the most accurate models of the OEC to date.

Finally, in Chapter 5 the reactivity of the Mn₃CaO₄ cubane complexes toward O- atom transfer is discussed. The metal M strongly affects the reactivity. The mechanisms of O-atom transfer and water incorporation from and into Mn₄O₄ and Mn₄O₃ clusters, respectively, are studied through computation and ¹⁸O-labeling studies. The μ3-oxos of the Mn₄O₄ system prove fluxional, lending support for proposals of O^2– fluxionality within the OEC.

New members of the chiral pool:  -hydroxypiperidine carboxylates from bakers' yeast reductions of the corresponding keto-esters.

. Knight, David W.; Lewis, Neil; Share, Andrew C.; Haigh, David. Chem. Dept., Univ. of Nottingham, Nottingham, UK. Tetrahedron: Asymmetry (1993), 4(4), 625-8. CODEN: TASYE3 ISSN: 0957-4166. Journal written in English. CAN 120:54423 AN 1994:54423 CAPLUS (Copyright (C) 2009 ACS on SciFinder (R)) Abstract Redn. of the keto-piperidinecarboxylates I and II with fermenting bakers' yeast produced the corresponding hydroxy-esters III and IV in good yields with >99% diastereomeric excess and >93% enantiomeric excess in both cases.

N-H insertion reactions of rhodium carbenoids. Part 1. Preparation of  -amino acid and  -aminophosphonic acid derivatives.

Rh(II) acetate-catalyzed decompn. of diazophenylacetates PhC(N2)CO2Me 1 and PhC(N2)CO2R* 3 [R*OH = (-)-borneol, (+)-menthol, (-)-8-phenylmenthol] in the presence of a range of N-H compds. results in an N-H insertion reaction of the intermediate carbenoids and formation of N-substituted phenylglycine derivs. PhCH(NR1R2)CO2Me 2 [R1 = R2 = Et; R1 = 4-MeOC6H4, COCH2CHMe2, CO2CH2Ph, (S)-CH(CO2Me)CH2Ph, (S)-CHMePh, R2 = H; 64-83% yields] and PhCH(NR1R2)CO2R* 4 (R1 = R2 = Et; R1 = COMe, CO2Me, R2 = H; same R*; 37-71% yields). The corresponding reactions of di-Me ?-diazobenzylphosphonate PhC(N2)P(O)(OMe)2 5 with primary amines constitute a simple route to aminophosphonates PhCH(NHR)P(O)(OMe)2 6 (R = COMe, COEt, CO2CH2Ph, CO2CMe3, 4-ClC6H4, 4-MeC6H4, 4-MeOC6H4; 13-96% yields).

Asymmetric rhodium carbenoid insertion into the Si-H bond.

Buck, Richard T.; Doyle, Michael P.; Drysdale, Martin J.; Ferris, Leigh; Forbes, David C.; Haigh, David; Moody, Christopher J.; Pearson, Neil D.; Zhou, Qi-Lin. Dep. Chemistry, Loughborough Univ., Loughborough, Leicestershire, UK. Tetrahedron Letters (1996), 37(42), 7631-7634. Publisher: Elsevier, CODEN: TELEAY ISSN: 0040-4039. Journal written in English. CAN 125:328854 AN 1996:644681 CAPLUS (Copyright (C) 2009 ACS on SciFinder (R)) Abstract Decompn. of Me 2-diazophenylacetate in the presence of dimethylphenylsilane and a chiral dirhodium(II) catalyst results in Si-H insertion of the intermediate carbenoid to give PhCH(SiMe2Ph)CO2Me with varying degrees of enantioselectivity (up to 47% ee; 47% using (S)-Rh2L4, LH = I).