Different behavior of nitrenes and carbenes on photolysis and thermolysis: Formation of azirine, ylidic cumulene, and cyclic ketenimine and the rearrangement of 6-phenanthridylcarbene to 9-phenanthrylnitrene

Flash vacuum thermolysis (FVT) of 9-azidophenanthrene 8, 6-(5-tetrazolyl)phenanthridine 18, and [1,2,3]triazolo[1,5-f]phenanthridine 19 yields 9-cyanofluorene 12 as the principal product and 4-cyanofluorene as a minor product. In all cases, when the product is condensed at or below 77 K, the seven-membered ring ketenimine 24 is detectable by IR spectroscopy (1932 cm(-1)) up to 200 K. Photolysis of Ar matrix isolated 8 at lambda = 308 or 313 nm generates at first the azirine 26, rapidly followed by the ylidic cumulene 27. The latter reverts to azirine 26 at lambda > 405 nm, and the azirine reverts to the ylidic cumulene at 313 nm. Nitrene 9 is observed by ESR spectroscopy following FVT of either azide 8, tetrazole 18, or triazole 19 with Ar matrix isolation of the products. Nitrene 9 and carbene 21 are observed by ESR spectroscopy in the Ar matrix photolyses of azide 8 and triazole 19, respectively.

Nitrenes, diradicals, and ylides. Ring expansion and ring opening in 2-quinazolylnitrenes

Tetrazolo[1,5-a] quinazoline (9) is converted to 2-azidoquinazoline (10) on sublimation at 200 degrees C and above, and the azide-tetrazole equilibrium is governed by entropy. 2-Quinazolylnitrenes 11 and 27 and/ or their ring expansion products 14 and 29 can undergo type I (ylidic) and type II (diradicaloid) ring opening. Argon matrix photolysis of 9/10 affords 2-quinazolylnitrene (11), which has been characterized by ESR, UV, and IR spectroscopy. A minor amount of a second nitrene, formed by rearrangement or ring opening, is also observed. A diradical (19) is formed rapidly by type II ring opening and characterized by ESR spectroscopy; it decays thermally at 15 K with a half-life of ca. 47 min, in agreement with its calculated facile intersystem crossing (19T -> 19OSS) followed by facile cyclization/rearrangement to 1-cyanoindazole (21) (calculated activation barrier 1- 2 kcal/mol) and N-cyanoanthranilonitrile (22). 21 and 22 are the isolated end products of photolysis. 21 is also the end product of flash vacuum thermolysis. An excellent linear correlation between the zero-field splitting parameter D (cm(-1)) and the spin density F on the nitrene N calculated at the B3LYP/EPRIII level is reported (R-2 = 0.993 for over 100 nitrenes). Matrix photolysis of 3-phenyltetrazolo[1,5-a] quinazoline (25) affords the benzotriazacycloheptatetraene 29, which can be photochemically interconverted with the type I ring opening product 2-isocyano-alpha-diazo-alpha- phenyltoluene (33) as determined by IR and UV spectroscopy. The corresponding carbene 37, obtained by photolysis of 33, was detected by matrix ESR spectroscopy.

Time-Resolved Resonance Raman Spectroscopy: Exploring Reactive Intermediates

The study of reaction mechanisms involves systematic investigations of the correlation between structure, reactivity, and time. The challenge is to be able to observe the chemical changes undergone by reactants as they change into products via one or several intermediates such as electronic excited states (singlet and triplet), radicals, radical ions, carbocations, carbanions, carbenes, nitrenes, nitrinium ions, etc. The vast array of intermediates and timescales means there is no single ``do-it-all'' technique. The simultaneous advances in contemporary time-resolved Raman spectroscopic techniques and computational methods have done much towards visualizing molecular fingerprint snapshots of the reactive intermediates in the microsecond to femtosecond time domain. Raman spectroscopy and its sensitive counterpart resonance Raman spectroscopy have been well proven as means for determining molecular structure, chemical bonding, reactivity, and dynamics of short-lived intermediates in solution phase and are advantageous in comparison to commonly used time-resolved absorption and emission spectroscopy. Today time-resolved Raman spectroscopy is a mature technique; its development owes much to the advent of pulsed tunable lasers, highly efficient spectrometers, and high speed, highly sensitive multichannel detectors able to collect a complete spectrum. This review article will provide a brief chronological development of the experimental setup and demonstrate how experimentalists have conquered numerous challenges to obtain background-free (removing fluorescence), intense, and highly spectrally resolved Raman spectra in the nanosecond to microsecond (ns-mu s) and picosecond (ps) time domains and, perhaps surprisingly, laid the foundations for new techniques such as spatially offset Raman spectroscopy.

Synthèse totale de la (+)-Désoxygaliéllalactone et les N-tosyloxycarbamates comme source de nitrènes pour l'aziridination énantiosélective des styrènes

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Zur Synthese von alpha-Aminoaldehyden und Aminosäuren mit alpha-quartären Zentren durch Aziridinierung funktionalisierter Olefine

Ziel dieser Arbeit war, durch Aziridinierung homochiraler 5-Methyl-4H-1,3-dioxinen eine neue Methode zur Synthese von alpha-Aminoaldehyden und den ableitbaren Aminosäuren mit alpha-quartären Zentren zu entwickeln. Die chiralen 5-Methyl-4H-1,3-dioxine sind mit hohen Enantiomerenüberschüssen durch asymmetrische Doppelbindungsisomerisierung von 5-Methylen-1,3-dioxanen zugänglich. Die Metall-katalysierte Aziridinierung der 5-Methyl-4H-1,3-dioxine mit der Nitrenquelle (N-Tosylimino)phenyliodinan führte direkt zu N-Tosyl-geschützen 4-Methyl-1,3-oxazolidin-4-carbaldehyden. Vermutlich über ein Aziridin als nicht isolierbare Zwischenstufe werden über eine Ringöffnungs-/Ringverengungsreaktion die Oxazolidinderivate gebildet, vorzugsweise in Gegenwart von Cu(I)-Katalysatoren, während die Rhodium-katalysierte Reaktion ausschließlich zu Insertionsprodukten führt. In der Cu-katalysierten Aziridinierung ist das Verhältnis von Aziridinierung/Insertion abhängig von der Katalysatorkonzentration. Die Aziridinierung mit N-(p-Nitrobenzolsulfonyl)- und N-(Trimethylsilylethylsulfonyl)- substituierten Nitrenquellen führt zu Oxazolidinderivaten mit leichter abspaltbaren Schutzgruppen. Diese Nitrenquellen können in situ aus den korrespondierenden Sulfonamiden mit Iodosobenzol dargestellt werden. Bei dem Einsatz homochiraler 4H-1,3-Dioxine ist Erhalt der Stereoinformation abhängig vom Substituenten in 2-Position der Dioxine sowie von der Polarität des Lösungsmittels. Die höchsten Selektivitäten wurden in tert-Butylmethylether erzielt. In Falle des 2-tert-Butyl-4-methyl-3-(toluol-4-sulfonyl)-1,3-oxazolidin-4-carbaldehyds kristallisiert das Hauptdiastereomer in enantiomerenreiner Form. Die Absolutkonfiguration wurde durch Röntgenkristallstrukturanalyse ermittelt. Das Anwendungspotential dieser neuen Methode konnte durch Überführen der Serinale in Aminoalkohole und alpha-Methylserin-Derivate sowie in der Synthese der unnatürlichen Aminosäure alpha-Vinylalanin gezeigt werden.

Zur Herstellung von chiralen α-Aminosäuren mit α-quartären Zentren und deren Verwendung als Synthone in der organischen Synthese

Ziel dieser Arbeit war, ausgehend von alpha-Aminoaldehyden eine kurze und effiziente Synthese zur Darstellung von Aminosäuren mit alpha-quartären Zentren in enantiomerenreiner Form und davon ableitbare wichtige Synthone in der organischen Synthese zu entwickeln. Der enantiomerenreine 2-tert-Butyl-4-methyl-1,3-oxazolidin-4-carbaldehyd ist via kupfer-katalysierter Aziridinierung des enantiomerenangereicherten 2-tert-Butyl-5-methyl-4H-1,3-dioxins mit der Nitrenquelle (N-Tosylimino)phenyliodinan zugänglich. Eine anschließende Oxidation mit Natriumhyperchlorid und Wasserstoffperoxid führt zur korrespondierenden Carbonsäure, die via sauer katalysierter Acetalspaltung und nachfolgender Abspaltung der Tosyl-Schutzgruppe in enantiomerenreines alpha-Methylserin in sehr guten Ausbeuten umgewandelt werden kann. Mit dem Einsatz von in C5-Position Ethyl-substituiertem 2-tert-Butyl-4H-1,3-dioxin ist analog das N-Tosyl geschützte alpha-Ethylserin darstellbar. Um die bestehende Lösungsmittelabhängigkeit in weniger polaren Losungsmitteln wie Dichlormethan oder Diethylether der Aziridinierung in Bezug auf ihre Diastereoselektivität und Reaktivität zu minimieren, wurden unterschiedliche Nitrenquellen untersucht. [N-(p-Methoxybenzolsulfonyl)imino]methoxyphenyliodinan stellte sich als die potenteste Nitrenquelle heraus und die Ausbeute konnte auf bis zu 70% gesteigert werden. Die Anwendbarkeit des N-Tosyl geschützten alpha-Methylserins konnte mit der Synthese des β-Lactons und 2-Carboxylethylether-2-aziridin unter Mitsunobu-Bedingungen gezeigt werden. Dabei ist die Reaktion durch einfache Variation des Lösungsmittels und der Reaktionstemperatur zu beiden Produkten in sehr guten Ausbeuten hin steuerbar. Das β-Lacton konnte anschließend erfolgreich in das N-Tosyl- und S-Acetyl- geschützte alpha-Methylcystein überführt werden.

Intermolecular crosslinking of fatty acyl chains in phospholipids: Use of photoactivable carbene precursors

Phospholipids containing photolysable carhene precursors (beta-trifluoro-a-diazopropionoxy and m-diazirinophenoxy groups) in w-positions of sn-2 fatty acyl chains were prepared. Photolysis of their vesicles produced crosslinked products in 40-60 % yields. Crosslinking was mostly intermolecular and occurred bv carbene insertion into the C-H bonds of a second fatty acyl chain. Crosslinking products were characterized by (i) their gel permeation behavior, (ii) analysis of produets formed by base-catalyzed transesterification. (iii) degradation with phosphoiipases A2 and C, (iv) gas chromatography/mass spectrometry, and-(v) use of mixtures of phospholipids carrying thf' carhene precursors and a phospholipid containing radioactively labeled fatty acyl groups. Nitrenes generated from the aliphatic or aromatic azido groups in phospholipids were unsatisfactory for forming crosslinks by insertion in C-H bond

Réaction d’amination intramoléculaire de liens C-H à partir de N-mésyloxycarbamates catalysée par des complexes de rhodium et d’autres métaux de transition : s ynthèse verte d’oxazolidinones

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes.

Réaction d’amination intramoléculaire de liens C-H à partir de N-mésyloxycarbamates catalysée par des complexes de rhodium et d’autres métaux de transition : s ynthèse verte d’oxazolidinones

La réaction d’amination de liens C-H, impliquant la transformation directe d’un lien C-H en lien C-N constitue une approche synthétique d’avenir pour la préparation de composés azotés. L’application de cette stratégie de manière intramoléculaire apparaît comme une approche puissante pour la synthèse de composés hétérocycliques. En particulier, les oxazolidinones, carbamates cycliques à cinq chaînons, constituant une nouvelle classe d’antibiotiques très prometteuse, pourraient être synthétisées par cette méthode. Il y a moins d’une dizaine d’années, notre groupe de recherche a travaillé sur le développement de méthodologies utilisant des espèces nitrènes métalliques pour l’amination intra et intermoléculaire. Les N-tosyloxycarbamates, en présence d’une base et d’un catalyseur dimère de rhodium (II) tétracarboxylate sont les précurseurs de ces espèces nitrènes métalliques, capables de faire l’insertion de liens C(sp3)-H. Dans ces travaux de thèse, nous avons travaillé sur le développement d’une méthode plus « verte » d’amination intramoléculaire. Les N-mésyloxycarbamates, plus légers que leurs homologues N-tosyloxycarbamates, ont été identifiés comme d’excellents précurseurs de nitrènes. La méthodologie développée ne nécessite que 3 mol % de dimère de rhodium Rh2(tpa)4 et de 1,5 équivalents de solution aqueuse saturée de K2CO3, le tout dans l’acétate d’éthyle et donne de bons rendements de cyclisation. Une étude de l’étendue réactionnelle a été effectuée, montrant la tolérance et les limitations de notre système catalytique : les hétéroatomes ne posent pas de problèmes hormis l’atome d’azote, qui doit être protégé afin de garantir la transformation. En outre, nous avons constaté que les liens C-H aliphatiques secondaires sont moins réactifs que les liens tertiaires. Après avoir tenté de développer des conditions réactionnelles spécifiques aux liens C-H non activés, nous avons montré la possibilité d’aminer des liens C-H propargyliques de manière chimiosélective ; la triple liaison C-C peut ensuite être dérivatisée efficacement, donnant accès à la formule saturée correspondante ainsi qu’à d’autres motifs. Dans un désir de substituer les complexes de rhodium par d’autres complexes de métaux plus abondants et moins dispendieux, nous nous sommes tournés, dans un premier temps, vers les complexes de fer et par la suite, vers les pinceurs de nickel. Les phtalocyanines de fer ont été identifiées comme étant de bons catalyseurs de l’amination intramoléculaire de N-mésyloxycarbamates. Le chlorure de phtalocyanine de fer (III), en présence d’un sel de AgBF4 et de K2CO3, dans le 1,1,2,2-tétrachloroéthane anhydre, permet l’obtention de la 4-phenyloxazolidin-2-one avec 63% de rendement. En outre, il est possible d’atteindre un rendement de 49% à partir du même substrat N-mésyloxycarbamate, par catalyse avec un pinceur de nickel de type POCN, en présence d’un sel de mésylate. Des indices sur le mécanisme des ces deux transformations ont pu être recueillis lors de la courte étude de ces systèmes.

Rearrangement of 2-quinolyl- and 1-isoquinolylcarbenes to naphthylnitrenes

2-Quinolylcarbene 23 and 1-isoquinolylcarbene 33 are generated by flash vacuum thermolysis (FVT) of the corresponding triazolo[1,5-a]quinoline and triazolo[5,1-a]isoquinoline 19 and 29, as well as 2-(5-tetrazolyl)quinoline and 1-(5-tetrazolyl)isoquinoline 20 and 30, respectively. These carbenes rearrange to 1- and 2-naphthylnitrene 21 and 31, respectively, and the nitrenes are also generated by FVT of 1- and 2-naphthyl azides 18 and 28. The products of FVT of both the nitrene and carbene precursors are the 2- and 3-cyanoindenes 26 and 27 together with the nitrene dimers, viz. azonaphthalenes 25 and 35, and the H-abstraction products, aminonaphthalenes 24 and 34. All the azide, triazole, and tetrazole precursors yield 3-cyanoindene 26 as the principal ring contraction product under conditions of low FVT temperature (340-400 degreesC) and high pressure (1 Torr N-2 as carrier gas for the purpose of collisional deactivation). This ring contraction reaction is strongly subject to chemical activation, which caused extensive isomerization of 3-cyanoindene to 2-cyanoindene under conditions of low pressure (10(-3) Torr). 2-Cyanoindene is calculated to be ca. 1.7 kcal/mol below 3-cyanoindene in energy; accordingly, high-temperature FVT of these cyanoindenes always gives mixtures of the two compounds with the 2-cyano isomer dominating. Photolysis of trizolo[1,5-a]quinoline 19 and triazolo[5,1-a]isoquinoline 29 in Ar matrixes causes partial ring opening to the corresponding 2-diazomethylquinoline 19' and 1-diazomethylisoquinoline 29'. The photolysis of the former gives rise to a small amount of the cyclic ketenimine 22, the intermediate connecting 2-quinolylcarbene and 1-naphthylnitrene.

The rearrangements of naphthyinitrenes: UV/Vis and IR spectra of azirines, cyclic ketenimines, and cyclic nitrile ylides

Ar matrix photolysis of 1- and 2-naphthyl azides 3 and 4 at 313 nm initially affords the singlet naphthyl nitrenes, (1)1 and (1)2. Relaxation to the corresponding lower energy, persistent triplet nitrenes (3)1 and (3)2 competes with cyclization to the azirines 15 and 18, which can also be formed photochemically from the triplet nitrenes. On prolonged irradiation, the azirines can be converted to the seven-membered cyclic ketenimines 10 and 13, respectively, as described earlier by Dunkin and Thomson. However, instead of the o-quinoid ketenimines 16 and 19, which are the expected primary ring-opening products of azirines 15 and 18, respectively, we observed their novel bond-shift isomers 17 and 20, which may be formally regarded as cyclic nitrile ylides. The existence of such ylidic heterocumulenes has been predicted previously, but this work provides the first experimental observation of such species. The factors which are responsible for the special stability of the ylidic species 17 and 20 are discussed.

The curtius rearrangement of acyl azides revisited - formation of cyanate (R-O-CN)

The Curtius rearrangement is a synthesis of isocyanates (R-N=C=O) by thermal or photochemical rearrangement of acyl acides and/or acylnitrenes. The photochemical rearrangement of benzoyl azide is now shown for the first time to produce a small amount of phenyl cyanate (Ph-O-CN) together with phenyl isocyanate.