Carbene and nitrene rearrangements: A theoretical study of cyclic allenes and carbenes, carbodiimides, and azirines

B3LYP/6-31G(d) calculations of structures, energies, and infrared spectra of several rearrangement products of (hetero)aromatic nitrenes and carbenes are reported. 3-Isoquinolylnitrene 36 ring closes to the azirine 37 prior to ring expansion to the potentially stable but unobserved seven-membered-ring carbodiimide 38 and diazacycloheptatrienylidene C-s-39S. A new, stable cycloheptatrienylidene, C-s-19S, is located on the naphthylcarbene energy surface. 4-Quinolylnitrene undergoes reaction via the azirine 50 in solution, but ring expansion to the stable seven-membered-ring ketenimine 47 under Ar matrix photolysis conditions. There is excellent agreement between calculated infrared spectra of 1,5-diazacyclohepta-1,2,4,6-tetraene 54 (obtained by photolysis of 4-pyridyl azide), 1-azacyclohepta-1,2,4,6-tetraene 5, 1-azacyclohepta-1,3,5,6-tetraene 55, and 1-azacyclohepta-1,3,4,6-tetraene 56 and the available experimental data.

A suite of novel allenes from Australian melolonthine scarab beetles. Structure, synthesis, and stereochemistry

A suite of allenic hydrocarbons, previously unknown as a molecular class from insects, has been characterized from several Australian melolonthine scarab beetles. The allenes are represented by the formula CH3(CH2)nCH=.=CH(CH2)(7)CH3 with n being 11-15, 17 and 19, and thus, all have Delta(9,10)-unsaturation. These structures have been confirmed by syntheses and comparisons of spectral and chromatographic properties with those of the natural components. The enantiomers of (+/-)-Delta(9,10)-tricosadiene and Delta(9,10)-pentacosadiene were separable on a modified beta-cyclodextrin column (gas chromatography), and the natural Delta(9,10)-tricosadiene (n = 11) and Delta(9,10)-pentacosadiene (n = 13) were shown to be of >85% ee. Syntheses of nonracemic allenes of known predominating chirality were acquired using both organotin chemistry and sulfonylhydrazine intermediates, and comparisons then demonstrated that the natural allenes were predominantly (R)-configured.

A dramatic effect of double bond configuration in N-oxy-3-aza Cope rearrangements: a simple synthesis of functionalised allenes

The first examples of low temperature N-oxy-3-aza Cope rearrangements, leading to functionalised allenes are described, where the Z-configuration of the enaminic double bond in the rearranging system proves critical.

Formation of cumulenes, triple-bonded, and related compounds by flash vacuum thermolysis of five-membered heterocycles

Flash vacuum thermolysis of a large variety of heterocyclic compounds is a useful means of production of ketenes, ketenimines, thioketenes, allenes, iminopropadienones, bis(imino)propadienes, iminopropadienethiones, carbodiimides, isothiocyanates, acetylenes, fulminic acid, nitrile imines and nitrile ylides, nitriles, cyanamides, cyanates, and other compounds, often in preparatively useful yields.

Insect chemistry and chirality

Examination of the chemistry of a number of Australian insect species provided examples of unusual structures and encouraged determinations of their absolute stereochemistry by stereocontrolled syntheses and chromatographic comparisons. Inter alia, studies with the fruit-spotting bug (Amblypelta nitida), certain parasitic wasps (Biosteres sp.), the aposematic shield bug (Cantao parentum), and various species of scarab grubs are summarized. The determination of enantiomeric excesses (ee's) for component epoxides, lactones, spiroacetals, and allenes are described. Stereochemical and related aspects of the biosynthesis of spiroacetals in certain fruit-fly species (Bactrocerae sp.) are also presented.

Les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques et les dérivés cyclopropaniques 1,2,3-substitués : synthèses et applications

Les cyclopropanes sont des motifs d’une grande importance puisqu’ils sont présents dans plusieurs molécules biologiquement actives en plus d’être de puissants intermédiaires dans la synthèse de molécules complexes. Au cours de cet ouvrage, nous avons développé une nouvelle méthode générale pour la synthèse d’ylures d’iodonium de malonates, soit d’importants précurseurs d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques. Ainsi, à l’aide de ces ylures, une méthode très efficace pour la synthèse d’esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques racémiques a été développée. Des travaux ont aussi été entrepris pour la synthèse énantiosélective de ces composés. Par ailleurs, les esters cyclopropane-1,1-dicarboxyliques ont été utilisés dans le développement de deux nouvelles méthodologies, soit dans une réaction de cycloaddition (3+3) avec des imines d’azométhines et dans la formation d’allènes par l’addition-1,7 de cuprates. Nous avons aussi poursuivi l’étude synthétique du cylindrocyclophane F impliquant l’utilisation de cyclopropanes pour le contrôle des centres chiraux. Ainsi l’addition-1,5 d’un cuprate sur un ester cyclopropane-1,1-dicarboxylique a été utilisée comme l’une des étapes clés de notre synthèse. L’autre centre chiral a pu être contrôlé par l’hydrogénolyse sélective d’un cyclopropylméthanol. Ces études ont, par ailleurs, mené au développement d’une nouvelle réaction d’arylcyclopropanation énantiosélective utilisant des carbénoïdes de zinc générés in situ à partir de réactifs diazoïques. Cette méthode permet d’accéder très efficacement aux cyclopropanes 1,2,3-substitués. De plus, nous avons développé la première réaction de Simmons-Smith catalytique en zinc menant à un produit énantioenrichi.

Synthèse et utilisation de dérivés de cyclopropane-1,1-diesters énantioenrichis vers l'obtention d'allènes hautement substitués

Le présent mémoire a pour sujet le développement d’une méthode rapide et efficace vers la production d’allènes hautement substitués à partir de dérivés cyclopropaniques électrophiles énantioenrichis. L’avancement de méthodes synthétiques intéressantes pour la production asymétrique de ces dérivés de cyclopropane-1,1-diesters sera également présenté. Dans un premier temps, les différentes méthodes de synthèses des cyclopropanes activés seront abordées, ainsi que leur utilisation dans la préparation de molécules plus complexes. Par la suite, les techniques précédentes de préparation asymétrique des allènes seront introduites, démontrant ainsi la difficulté de leur accessibilité. Le développement d’une méthode fiable pour la synthèse de cyclopropane-1,1-diesters utilisant les ylures d’iodonium sera présenté. Finalement, l’accessibilité à plusieurs types d’allènes hautement substitués par l’utilisation de cuprates sera détaillée. Dans une seconde partie, il sera davantage question de l’accessibilité des cyclopropane-1,1-diesters énantioenrichis. Ces derniers sont d’un intérêt particulier, car ils constituent le point de départ de notre méthodologie précédente. Le développement d’une méthode pouvant être utilisée à grande échelle et à faible coût a donc été explorée. Les deux derniers chapitres présenteront donc les tentatives de générer ces cyclopropanes activés par résolution cinétique ou encore par l’hydrogénation asymétrique des cyclopropènes correspondants.

Hydrolyse assistée par micro-ondes : synthèse de cystéines a-substituées sur échelle multi-grammes; Synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs

Le présent mémoire est subdivisé en deux principaux sujets. Le premier porte sur le développement d’une hydrolyse de thiazolidines assistée par micro-ondes en vue d’obtenir des cystéines a-substituées. Le second est axé sur le développement d’une méthodologie pour la synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs. Dans un premier temps, les rôles et les utilités des acides aminés quaternaires, plus spécifiquement des cystéines a-substituées, seront abordés, puis une revue des différentes méthodes énantiosélectives pour accéder à ces unités sera effectuée. Par la suite, le développement d’une méthode rapide et efficace d’hydrolyse sous irradiation aux micro-ondes de thiazolines sera présenté. Finalement, les études menant à l’application de cette méthode à la synthèse de cystéines -substituées sur grande échelle au moyen de réacteurs en écoulement dynamique et à haut criblage seront détaillées. Dans la seconde partie, les applications ainsi que les synthèses générales des alkylidènecyclopropanes en synthèse organique seront décrites. Plus particulièrement, les applications spécifiques des alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs ainsi que leurs synthèses seront traitées de manière exhaustive. Par la suite, le développement d’une méthodologie énantiosélective catalytique pour la synthèse d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs sera présenté. L’extension de cette méthodologie à la synthèse de dérivés cyclopropanes et cyclopropènes, ainsi que l’application de réactions stéréospécifiques pour les alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs seront brièvement discutées.

Síntese e análise estrutural de novos ciclopaladatos e síntese de N-heterociclos a partir de ciclopaladatos e alenos

Os compostos de paládio vêm apresentado uma vasta linha de aplicação, tanto como catalisadores como precursores em reações de síntese orgânica. Dentre esses compostos, os ciclopaladatos, que são compostos cíclicos com uma ligação Pd-heteroátomo, permite a formação de novas estruturas cíclicas contendo algum heteroátomo, como nitrogênio, oxigênio ou enxofre. Neste trabalho foram sintetizadas aminas propargílicas capazes de se coordenar a sais de paládio, formando novos ciclopaladatos através da reação de cloropaladação. Esses compostos se encontram na forma de dímeros e podem apresentar-se como diferentes isômeros. Estudos espectroscópicos, tais como RMN de 1H, 13C e raios-X de monocristais foram realizados para a elucidação estrutural desses novos compostos. Além dos isômeros geométricos clássicos (cisóide e transóide) foram observados pela primeira vez a formação de atropoisômeros. Esses ciclopaladatos, contendo nitrogênio ligado ao paládio, foram testados frente a alenos diferentemente substituídos, mostrando que ocorre a inserção do aleno na ligação Pd-C e, seguido da depaladação, ocorre a formação de novos compostos heterocíclicos a seis membros. Alguns ciclopaladatos, quando em solução, podem apresentar certa instabilidade, ocorrendo a decomposição do ciclopaladato com a regeneração do alcino precursor do respectivo ciclopaladato. Assim, estudou-se a reação de decomposição de diferentes ciclopaladatos, chamada de retrocloropaladação, utilizando a técnica de RMN de 1H em diferentes intervalos de tempo.

Transformations of bridging ligands in diiron complexes: unconventional routes to new functionalized multisite bound organic frames

The main scope of this Ph.D. thesis has concerned the possible transformations of bridging ligands in diiron complexes, in order to explore unconventional routes to the synthesis of new functionalized multisite bound organic frames. The results achieved during the Ph.D. can be summarized in the following points: 1) We have extended the assembling between small unsaturated molecules and bridging carbyne ligands in diiron complexes to other species. In particular, we have investigated the coupling between olefins and thiocarbyne, leading to the synthesis of thioallylidene bridging diiron complexes. Then, we have extended the study to the coupling between olefins and aminocarbyne. This result shows that the coupling between activated olefins and heteroatom substituted bridging carbynes has a general character. 2) As we have shown, the coupling of bridging alkylidyne ligands with alkynes and alkenes provides excellent routes to the synthesis of bridging C3 hydrocarbyl ligands. As a possible extension of these results we have examined the synthesis of C4 bridging frames through the combination of bridging alkylidynes with allenes. Also in this case the reaction has a general character. 3) Diiron complexes bearing bridging functionalized C3 organic frames display the presence of donor atoms, such as N and S, potentially able to coordinate unsaturated metal fragments. Thus, we have studied the possibility for these systems to act as ‘organometallic ligands’, in particular towards Pd and Rh. 4) The possibility of releasing the organic frame from the bridging coordination appears particularly appealing in the direction of a metal-assisted organic synthesis. Within this field, we have investigated the possibility of involving the C3 bridging ligand in cycloaddition reactions with alkynes, with the aim of generating variously functionalized five-membered cycles. The [3+2] cyclization does not lead to the complete release of the organic fragment but rather it produces its transformation into a cyclopentadienyl ring, which remains coordinated to one Fe atom. This result introduces a new approach to the formation of polyfunctionalised ferrocenes. 5) Furthermore, I have spent a research period of about six months at the Department of Inorganic Chemistry of the Barcelona University, under the supervision of Prof. Concepción López, with the aim of studying the chemistry of polydentate ferrocenyl ligands and their use in organometallic synthesis.

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.