Stereoselective Catalytic Processes for the Synthesis of Polycyclic Aromatic Compounds

In this PhD-thesis, two methodologies for enantioselective intramolecular ring closing reaction on indole cores are presented. The first methodology represents a highly stereoselective alkylation of the indole N1-nitrogen, leading to 3,4-dihydro-pyrazinoindol-1-ones – a structural class which is known for its activity on the CNS and therefore of high pharmacological interest concerning related diseases. In this approach, N-benzyl cinchona-alkaloids were used for the efficient catalysis of intramolecular aza-Michael reactions. Furthermore, computational studies in collaboration with the research group Prof. Andrea Bottoni (Department of Chemistry “G. Ciamician”, Bologna) were accomplished in order to get insight into the key interactions between catalyst and substrate, leading to enantiomeric excesses up to 91%. The results of the calculations on a model system are in accordance with the experimental results and demonstrate the high sensibility of the system towards structural modifications. The second project deals with a metal catalyzed, intramolecular Friedel-Crafts (FC)-reaction on indolyl substrates, carrying a side chain which on its behalf is furnished with an allylic alcohol unit. Allylic alcohols are part of the structural class of “π-activated alcohols” – alcohols, which are more easily activated due to the proximity to a π-unit (allyl-, propargyl-, benzyl-). The enantioselective intramolecular cyclization event is catalyzed efficiently by employment of a chiral Au(I)-catalyst, leading to 1-vinyl- or 4-vinyl-tetrahydrocarbazoles (THCs) under the formation of water as byproduct. This striking and novel process concerning the direct activation of alcohols in catalytic FC-reactions was subsequently extended to similar precursors, leading to functionalized tetrahydro-β-carbolines. These two methodologies represent highly efficient approaches towards the synthesis of scaffolds, which are of enormous pharmaceutical interest and amplify the spectra of enantioselective catalytic functionalisations of indoles.

Nanocapsules for self-healing materials

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze für das Konzept der kapselbasierten Selbstheilungsmaterialien untersucht. Die Verkapselung von Selbstheilungsreagenzien in funktionellen Nanokapseln wurde dabei mittels drei verschiedener Herstellungsmethoden in Miniemulsion durchgeführt. Zunächst wurde die Synthese von Kern-Schale-Partikeln mit verkapselten Monomeren für die Ringöffnungs-Metathese-Polymerisation über freie radikalische Polymerisation in Miniemulsionstropfen beschrieben. Durch orthogonale Reaktionen wurden dabei verschiedene chemische Funktionalisierungen in die Schale eingebracht. Die Rolle des Tensides, das Verhältnis von Kernmaterial zu Monomer sowie die Variation der Lösungsmittelqualität hatte dabei einen Einfluss auf die Struktur der Kolloide. Die Heilungsreagenzien blieben auch nach der Verkapselung aktiv, was durch erfolgreich durchgeführte Selbstheilungsexperimente gezeigt werden konnte. Im zweiten Abschnitt wurde die Synthese von Silica-Nanocontainern für Selbstheilungsmaterialien über Hydrolyse und Polykondensation von Alkoxysilanen an der Grenzfläche der Miniemulsionstropfen beschrieben. Dieser Ansatz ermöglichte die effiziente Verkapselung sowohl von Monomeren als auch von Lösungen der Katalysatoren für die Metathese-Polymerisation in einem Einstufenprozess. Die Größe der Kapseln, die Dicke der Schale und der Feststoffgehalt der Dispersionen konnte dabei in einem weiten Bereich variiert werden. Anhand von erfolgreich durchgeführten Selbstheilungsreaktionen, die über Thermogravimetrie und 13C-NMR-Spektroskopie verfolgt wurden, konnte gezeigt werden, dass die Selbstheilungsreagenzien nach der Verkapselung aktiv blieben. Das dritte Konzept behandelte die Herstellung von polymeren Nanokapseln mittels Emulsions-Lösungsmittelverdampfungstechnik, welche eine milde Methode zur Verkapselung darstellt. Es wurde eine allgemeine und einfache Vorgehensweise beschrieben, in der Selbstheilungsreagenzien in polymeren Nanokapseln unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Polymeren als Schalenmaterial verkapselt wurden. Zudem wurden Copolymere aus Styrol und verschiedenen hydrophilen Monomeren über freie radikalische Polymerisation sowie über polymeranaloge Reaktionen hergestellt. Diese statistischen Copolymere waren ebenso wie Blockcopolymere zur Herstellung von wohldefinierten Kern-Schale-Nanopartikeln mittels Emulsions-Lösungsmittelverdampfungsprozess geeignet. rnrnDes Weiteren wurde ein neues Konzept für die Synthese von pH-responsiven Nanokapseln aus tensidfreien Emulsionen unter Verwendung von Copolymeren aus Styrol und Trimethylsilylmethacrylat beschrieben. Der vorgeschlagene synthetische Ansatz ermöglicht dabei die erste Synthese von Nanokapseln über den Emulsions-Lösungsmittelverdampfungsprozess in Abwesenheit eines Tensides. Eine vollständig reversible Aggregation ermöglichte eine leichte Trennung der Nanokapseln von der kontinuierlichen Phase sowie eine Erhöhung der Konzentration der Nanokapseldispersionen auf das bis zu fünffache. Darüber hinaus war es möglich, Selbstheilungsreagenzien in stabilem Zustand zu verkapseln. Abschließend wurde die elektrochemische Abscheidung von mit Monomer gefüllten Nanokapseln in eine Zinkschicht zur Anwendung im Korrosionsschutz behandelt.

Totalsynthesen von Fungerin und strukturmodifizierten Analoga

Es wurden drei Ansätze zur Totalsynthese von Fungerin verfolgt, dessen charakteristisches Strukturmerkmal ein N-methylierter in 4,5-Position disubstituierter Imidazolkern ist. Zunächst wurde ein Syntheseweg eingeschlagen, bei dem die Bildung des Imidazolrings nach Marckwald erfolgte. Das hierfür benötigte α-Aminoketon wurde in einer konvergenten Synthesesequenz aus zwei Bausteinen zusammengesetzt. Die anschließende Ringschlussreaktion mit Kaliumthiocyanat lieferte ein Thioimidazolderivat, welches erfolgreich zum angestrebten Zielmolekül entschwefelt werden konnte. Die Gesamtausbeute betrug 8,1 % über sieben Stufen. In einem zweiten Syntheseweg wurde ein in 4- und 5-Position orthogonal geschütztes Imidazolderivat synthetisiert, um eine höhere Flexibilität bei geplanten Strukturvariationen der Seitenketten zu erreichen. Nach sequentieller Entschützung und Funktionalisierung sollten verschiedene Substituenten angebracht werden. Die Bildung des Imidazolkerns erfolge über eine Kondensationsreaktion von Methylamin mit einem N-formylierten α-Aminoketon, welches über eine Claisen-Kondensation erhalten wurde. Die zur Einführung der C5-Seitenkette geplante Grignard- bzw. Schlosser-Fouquet-Kupplung erwies sich als nicht zuverlässig reproduzierbar. In der Folge wurde in einer dritten Synthesesequenz ein Imidazolderivat mit zwei unterschiedlichen Anknüpfungspunkten in 4- und 5-Position synthetisiert. Dadurch war es möglich über Julia-Kocienski Olefinierungen verschiedene Seitenketten in 5-Position anzubringen. In 4-Position erfolgte die Einführung über Heck-Kupplungen. Insgesamt konnten so, neben Fungerin, noch sieben weitere Fungerinderivate erhalten werden.

The Synthesis of Macrocyclic Polystyrene by Sequential Atom Transfer Radical Reactions

A method for the production of macrocyclic polystyrene via ring closing of a linear !,"-dibrominated polystyrene by an Atom Transfer Radical Coupling (ATRC) reaction is described. The dibrominated polystyrene chain was produced from two simultaneous atom transfer radical polymerizations (ATRPs) originating from a dibrominated benzal bromide initiator. To ensure the retention of the halogen end groups polymerization was allowed to proceed to less than 50% conversion. Using this precursor in an intramolecular ATRC (ring closing) reaction was found to yield in excess of 90% cyclic product based on refractive index-gel permeation chromatography (GPC) analysis. The cyclic architecture of the polymer was verified by GPC, Nuclear Magnetic Resonance (NMR), and mass spectrometry analysis. The utility of this method has been expanded by the addition of 2-methyl-2-nitrosopropane to the coupling reaction, which allows for the coupling to proceed at a faster rate and to yield macrocycles with incorporated alkoxyamine functionality. The alkoxyamine functionality allows for degradation of the cycles at high temperatures (>125° C) and we hypothesize that it may allow the macrocycles to act as a macroinitiator for a ring expansion polymerization in future studies.

Synthesis and Redox and Photophysical Properties of Benzodifuran-Spiropyran Ensembles

Two benzodifuran (BDF)-coupled spiropyran (SP) systems and their BDF reference compounds were obtained in good yields through HuisgenMeldalSharpless click chemistry and then subjected to investigation of their electrochemical and photophysical properties. In both SP and merocyanine (MC) forms of the coupled molecules, the BDF-based emission is quenched to around 1 of the quantum yield of emission from the BDF reference compounds. Based on electrochemical data, this quenching is attributed to oxidative electron-transfer quenching. Irradiation at 366nm results in ring opening to the MC forms of the BDF-coupled SP compounds and the SP reference compound with a quantum efficiency of about 50. The rate constants for the thermal ring closing are approximately 3.4x103s1. However, in the photostationary states the MC fractions of the coupled molecules are substantially lower than that of the reference SP compound, attributed to the observed acceleration of the ring-closing reaction upon irradiation. As irradiation at 366nm invariably also excites higher-energy transitions of the BDF units in the coupled compounds, the ring-opening reaction is accelerated relative to the SP reference, which results in lower MC fractions in the photostationary state. Reversible photochromism of these BDF-coupled SP compounds renders them promising in the field of molecular switches.

Ruthenium complexes as potential aqueous romp catalysts

The research described herein relates to studies into the Aqueous Ring-Opening Metathesis Polymerisation (ROMP) of bicyclic monomers using ruthenium complex catalysts. Two monomers were synthesised for the purpose of these studies, namely exo, exo-7-oxabicyclo[2.2.1]hept-5-ene-2,3-dicarboxylic acid (7-oxanorbornenedicarboxylic acid) and exo, exo-bicyclo[2.2.1]hept-5-ene-2,3-dicarboxylic acid (norbornene dicarboxylic acid). A number of ruthenium complexes were synthesised, amongst them a novel complex containing the water soluble phosphine ligand trist(hydroxymethyl)phosphine P(CH2OH)3. Its synthesis and characterisation are described and its physical properties compared and contrasted to analogous compounds of platinum and palladium. Its peculiar properties are ascribed to a trans-placement of the phosphine ligands. Dilatometry was investigated as a technique for the acquisition of kinetic data from aqueous metathesis reactions. For the attempted polymerisation of 7-oxanorbonenedicarboxylic acid the results are explained in terms of a reverse Diels-Alder reaction of the monomer. The reaction between Ru(CO)Cl2(H2O) and 7-oxanorbonenedicarboxylic acid was monitored using UV/Vis spectrometry and kinetic data retrieved. The data are explained in terms of a two stage reaction consisting of consecutive first order processes.The reaction between 7-oxanorbornenedicarboxylic acid and Ru(CO)Cl2(H2O) or Ru(P(CH2OH)3)3Cl2 was found to produce fumaric acid as one of the major products. This reaction is previously unreported in the literature and a mechanism is proposed.

Block co-polymerization by transformation reactions

The aim of this study was to use the transformation of anionic to metathesis polymerization to produce block co-polymers of styrene-b-pentenylene using WC16 /PStLi and WC16/PStLi/ AlEtC12 catalyst systems. Analysis of the products using SEC and 1H and 13C NMR spectroscopy enabled mechanisms for metathesis initiation reactions to be proposed. The initial work involved preparation of the constituent homo-polymers. Solutions of polystyryllithium in cyclohexane were prepared and diluted so that the [PStLi]o<2x10-3M. The dilution produced initial rapid decay of the active species, followed by slower spontaneous decay within a period of days. This was investigated using UV / visible spectrophotometry and the wavelength of maximum absorbance of the PStLi was found to change with the decay from an initial value of 328mn. to λmax of approximately 340nm. after 4-7 days. SEC analysis of solutions of polystyrene, using RI and UV / visible (set at 254nm.) detectors; showed the UV:RI peak area was constant for a range of polystyrene samples of different moleculor weight. Samples of polypentenylene were prepared and analysed using SEC. Unexpectedly the solutions showed an absorbance at 254nm. which had to be considered when this technique was used subsequently to analyse polymer samples to determine their styrene/ pentenylene co-polymer composition. Cyclohexane was found to be a poor solvent for these ring-opening metathesis polymerizations of cyclopentene. Attempts to produce styrene-b-pentenylene block co-polymers, using a range of co-catalyst systems, were generally unsuccessful as the products were shown to be mainly homopolymers. The character of the polymers did suggest that several catalytic species are present in these systems and mechanisms have been suggested for the formation of initiating carbenes. Evidence of some low molecular weight product with co-polymer character has been obtained. Further investigation indicated that this is most likely to be ABA block copolymer, which led to a mechanism being proposed for the termination of the polymerization.

The Synthesis and properties of functionalised polymers

The aim of this project was to synthesise fluorinated polymers that might act as hot material in a guest-host system for use in non-linear optical applications. These polymers would be expected to have the advantage over materials such as poly(vinylidene fluoride) which is known to be incompatible with many nlo active materials. A series of bicyclic fluorinated monomers was prepared by the reaction of fluorinated dienophiles with cyclopentadiene in a series of Diels-Alder reactions. The monomers were purified and then used in ring opening metathesis polymerisation. The materials were then characterised by gel permeation chromatography and nuclear magnetic resonance spectroscopy and cast as films for determination of their activities as nlo materials using a Nd/YAG laser system. The second harmonic intensity of each was measured relative to quartz. However no materials of significant activity were produced. In an attempt to produce polymers that might subsequently be functionalised the polymerisation of 1,2-methylenedioxybenzene and 1,4-benzodioxane was investigated.

Ring-opening of cycloalkane epoxides and aziridines with aromatic amines : toward the total synthesis of pactamycin

Résumé Cette thèse consiste en trois thèmes résumés dans les paragraphes ci-dessous. L’influence de différents groupements protecteurs du groupe hydroxyle lors des réactions d’ouverture des cis- et trans- 3-hydroxy-1,2-époxycycloalcanes a été étudiée. Il a été montré que Yb(OTf)3 constituait un catalyseur doux pour l’ouverture régiosélective de cycles afin d’obtenir les -anilino cycloalcanols correspondants avec de bons rendements. Le chauffage du milieu réactionnel dans le toluène comme solvant a permis d’augmenter la cinétique de la réaction, au dépend du rendement. La partie aniline a été régiosélectivement introduite en position vicinale du groupe hydroxyle ou éther afin d’obtenir un unique régioisomère. La même tendance a été observée avec les époxydes du 3-azidocyclohex-1-ène et du 3-carbamate correspondant. Le temps de réaction a été réduit lorsque Yb(OTf)3 a été dissous dans l’acétonitrile. Le triflate d’ytterbium (III) a également été utilisé comme catalyseur pour l’ouverture de cycle régiosélective d’aziridines non-activées sur des cyclohexanes portant des substituants azotures ou éthers de benzyle. L’ion azoture ou l’aniline forment les produits trans correspondants, donnant alors accès à des diamines vicinales avec de bons rendements. Un éther ω-alcoxy p-méthoxybenzylique racémique, inhibiteur de HDAC, a été ainsi préparé en huit étapes synthétiques (rendement total de 26%) à partir du 1-((tert-butyldiphénylsilyl)oxy)hept-6-èn-2-ol. Ceci représente un progrès par rapport à la précédente méthode (9 étapes, rendement total de 16%). La métathèse croisée se montre particulièrement efficace et pratique dans cette stratégie et l’alkylation par le trichloroacétimidate de p-méthoxybenzyle en présence de Sc(OTf)3 améliore le rendement global de la synthèse. Un aminoalcool présent dans la pactamycine et contenant le squelette carboné, les groupements fonctionnels et la stéréochimie requise a été synthétisé en 27 étapes à partir de la L-thréonine. La méthodologie décrite dans cette thèse permet la synthèse de cet intermédiaire clé à l’échelle multigramme.

Functional poly(phosphoester)s : the olefin metathesis route

Diese Dissertation zeigt zum ersten Mal den Ansatz gesättigte und ungesättigte Poly(Phosphorester) herzustellen, deren Polymergerüst und Seitenketten durch präzises Anbring-en von funktionellen und/oder solubilisierenden Gruppen modifiziert werden können. Durch Kombinieren der Vorteile der Olefinmetathese mit der Vielseitigkeit der Phos-phorchemie, eröffnet dieser variable Ansatz den Zugang zu einer neuen Klasse ungesättigter Poly-phosphate. Die zu Grunde liegende Idee ist das maßgeschneiderte Anpassen der Architektur und der Mikrostruktur dieser Polymere. Lineare, verzweigte, markierte und telechele Poly(Phosphorester) können in großem Maßstab mit hohen Funktionalisierungsgrad hergestellt werden.rnEiner der größten Vorteile dieses Ansatzes ist es, das Polymerrückrat modifizieren zu können, was weder bei der Ringöffnungs- noch bei klassischen Polymerisationen möglich ist, bei denen nur eine limitierte Anzahl an Monomeren existieren.rnDie Eigenschaften des Phosphors werden in neue Polymerarchitekturen übertragen, was von Nutzen für flammenhemmenden Materialen und Anwendung bei Gewebetherapeutika ist. Diese Doktorarbeit führt auch einzigartige Poly(Phosphorester) ein, welche im Feld der Op-toelektronik als Sauerstofffänger eingesetzten werden können. Die beschriebenen Synthese-vorschriften können einfach in größeren Maßstab durchgeführt werden und sind vielversprechend für industrielle Anwendungen, da ungesättigte Polyester einen sehr wichtigen Markt repräsentieren.

Supporting Cubane’s Renaissance: Metathesis reactions on 4-iodo-1-vinylcubane and Stetter reaction on 1-iodocubane-4-carboxaldehyde

Cubane is a peculiar cube-shaped alkane molecule with a rigid, regular structure. This makes it a good scaffold, i.e. a molecular platform to which the substituents are arranged in a specific and fixed orientation. Moreover, cubane has a body diagonal of 2.72 Å, very similar to the distance across the benzene ring, i.e. 2.79 Å. Thus, it would be possible to use cubane as a scaffold in medicinal and material chemistry as a benzene isostere 1,2. This could lead to advantages in terms of solubility and toxicity and could provide novel properties. For this purpose, the possibility of performing “modern organic chemistry” on the cubane scaffold has to be studied. This project was entirely carried out in the framework of the Erasmus+ mobility programme at the Trinity College (Dublin, IRL) under the supervision of prof. M. O. Senge. The main goal of this project was to widen the knowledge on cubane chemistry. In particular, it was decided to test reactions that were never applied to the scaffold before, such as metathesis of 4-iodo-1-vinylcubane and Stetter reaction of 1-iodocubane-4-carboxaldehyde. These two molecules were synthesized in 10 and 9 steps respectively from commercially available cyclopentanone, following a known procedure. Unfortunately, metathesis with different olefins, such as styrene, α,β unsaturated compounds and linear α-olefins failed under different conditions, highlighting cubane behaves as a Type IV, challenging olefin under metathesis conditions. Even the employment of a specific catalyst for hindered olefins failed in the cross-coupling with linear α-olefins. On the other hand, two new molecules were synthesized via Stetter reaction and benzoin condensation respectively. Even if the majority of the reactions were not successful, this work can be seen as an inspiration for further investigation on cubane chemistry, as new questions were raised and new opportunities were envisioned.

A multi-hypothesis topological SLAM approach for loop closing on edge-ordered graphs

We present a method for topological SLAM that specifically targets loop closing for edge-ordered graphs. Instead of using a heuristic approach to accept or reject loop closing, we propose a probabilistically grounded multi-hypothesis technique that relies on the incremental construction of a map/state hypothesis tree. Loop closing is introduced automatically within the tree expansion, and likely hypotheses are chosen based on their posterior probability after a sequence of sensor measurements. Careful pruning of the hypothesis tree keeps the growing number of hypotheses under control and a recursive formulation reduces storage and computational costs. Experiments are used to validate the approach.