Intramolecular Direct Functionalization of Cyclopropanes via Silver-Mediated, Palladium Catalysis

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la fonctionnalisation directe des liens C–H a connu un intérêt croissant, en raison de la demande de processus chimiques moins dispendieux, plus efficaces et plus écologiques. . Les cyclopropanes représentent un motif structural souvent retrouvé dans des agents biologiquement actifs importants et dans des intermédiaires de synthèse permettant l'accès à des architectures complexes. Malgré leur valeur intrinsèque, la fonctionnalisation directe des cyclopropanes n’a pas été largement explorée. Ce mémoire traitera de deux méthodologies liées, mais tout aussi différentes, impliquant la fonctionnalisation directe des liens C–H cyclopropaniques impliquant des réactions intramoléculaires catalysées par un complex de palladium et assistées par l’argent. Le premier chapitre présentera d’abord un bref survol de la littérature sur les fondements de la fonctionnalisation directe ainsi que les contributions majeures réalisées dans ce domaine. L’accent sera notamment mis sur la fonctionnalisation des centres sp3 et sera souligné par des exemples pertinents. Les découvertes clés concernant le mécanisme et les cycles catalytiques de ces processus seront discutées. Le second chapitre décrira comment les 2-bromoanilides peuvent être utilisés pour accéder à des motifs particuliers de type spiro 3,3’ oxindoles cyclopropyliques. L'optimisation et l’étendue de la réaction seront abordés, suivis par des études mécanistiques réfutant l’hypothèse de la formation d’un intermédiaire palladium-énolate. Ces études mécanistiques comprennent une étude cinétique de l'effet isotopique ainsi que des études sur épimérisation; celles-ci ont confirmé que la réaction se produit par arylation directe. Sur la base des résultats obtenus dans le deuxième chapitre, nous aborderons ensuite la fonctionnalisation directe des benzamides cyclopropyliques lesquels, après une ouverture de cycle, donneront de nouveaux produits benzo [c] azépine-1-ones (chapitre trois). Après avoir présenté une brève optimisation et l’étendue de la réaction, nous discuterons des études mécanistiques impliquées à déduire l'ordre des événements dans le cycle catalytique et à déterminer le rôle des réactifs. Celles-ci permetteront de conclure que la fonctionnalisation de l’unité cyclopropyle se produit avant l’ouverture de cycle et que l'acétate est responsable de la déprotonation-métalation concertée. Le dernier chapitre (chapitre quatre) traitera en rétrospective de ce qui a été appris à partir de deux méthodologies divergentes et connexes et de comment ces résultats peuvent être exploités pour explorer d’autres types de fonctionnalisations directes sur des cyclopropanes.

New palladium catalysed reactions of bromoporphyrins: synthesis and crystal structures of nickel(II) complexes of primary 5-aminoporphyrin, 5,5’-bis(porphyrinyl) secondary amine, and 5-hydroxyporphyrin

Primary aminoporphyrin, secondary bis(porphyrinyl)amine and hydroxyporphyrin complexes have been isolated and characterised both spectroscopically and crystallographically from the reaction of 5-bromo-10,15,20-triphenylporphyrinato-nickel(II) with hydrazine under palladium catalysis.

Palladium-mediated reductive coupling, a stereoselective approach to the 8-dehydropumiliotoxin skeleton

Reductive cyclisation of ail E-vinyl bromide with ail allylic acetate proceeds under palladium catalysis 10 give the 8-dehydropumiliotoxin skeleton, a potential advanced precursor to 8-deoxypumiliotoxin alkaloids. Control of the stereochemistry of the E-vinyl bromide precursor is achieved readily using the Kogen or Bruckner bromophosphonate reagents and the reductive cyclisation proceeds with retention of the vinyl bromide stereochemistry. The mechanism for the cyclisation involves an in situ conversion of the allylic acetate to ail allyl stannane followed by ail intramolecular Stille-type coupling.

PALLADIUM CATALYZED TANDEM CYCLIZATION-ANION CAPTURE PROCESSES .1. BACKGROUND AND HYDRIDE ION CAPTURE BY ALKYL-PALLADIUM AND PI-ALLYL-PALLADIUM SPECIES

A new, wide ranging, synthetically powerful, catalytic tandem cyclisation-anion capture process is proposed which depends on the rate of cyclisation of an organopalladium specifies (RPdX) onto a proximate alkene or diene being significantly faster than anion exchange and reductive elimination in the sequence RPdX --> RPdY --> RY + Pd(0). The catalytic cyclisation - anion capture sequence is illustrated for hydride capture by a wide variety of substrates giving rise to fused- and spiro-, carbo- and hetero-cyclic systems, regio- and stereo-specifically.

THE SYNTHESIS OF BRIDGED-RING CARBOCYCLES AND HETEROCYCLES VIA PALLADIUM CATALYZED REGIOSPECIFIC CYCLIZATION REACTIONS

A catalyst system comprising 10 mol % (Pd(OAc) and 20 mol % PPh3 effects the cyclisation of aryl halides onto proximate alkenes via 5-, 6-, and 7-exo-trig, and 7-endo-trig processes giving a variety of bridged-ring carbo- and hetero-cycles in excellent yield. Double bond isomerisation in the product is rarely encountered and may be suppressed by the addition of Tl(1) salts. One example of diastereospecific bis-cyclisation is given and the crystal structure of 1-aza-2-sulphonyl-3,4-benzobicyclo[3.2.1]nona-6-ene is reported.

Carbon-carbon bond formation : from transition metal catalysis to base-promoted homolytic aromatic substitution

Cette thèse de doctorat porte sur la catalyse à partir de métaux de transition et sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base visant à former de nouvelles liaisons C–C, et à ainsi concevoir de nouvelles structures chimiques. Au cours des vingt dernières années, des nombreux efforts ont été réalisés afin de développer des méthodologies pour la fonctionnalisation de liens C–H, qui soient efficaces et sélectives, et ce à faible coût et en produisant le minimum de déchets. Le chapitre d'introduction donnera un aperçu de la fonctionnalisation directe de liens C–H sur des centres sp2 et sp3. Il sera également discuté dans cette partie de certains aspects de la chimie radicalaire reliés a ce sujet. Les travaux sur la fonctionnalisation d’imidazo[1,5-a]pyridines catalysée par des compleces de ruthénium seront présentés dans le chapitre 2. Malgré l'intérêt des imidazo[1,5-a]azines en chimie médicinale, ces composés n’ont reçu que peu d'attention dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C–H. L'étendue de la réaction et l'influence des effets stériques et électroniques seront détaillés. Les cyclopropanes représentent les 10ème cycles carbonés les plus rencontrés dans les petites molécules d’intérêt pharmacologique. Ce sont aussi des intermédiaires de synthèse de choix pour la création de complexité chimique. Malgré de grands progrès dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C(sp3)–H, l'étude des cyclopropanes comme substrats dans les transformations directes est relativement nouvelle. Le chapitre trois présentera l'arylation intramoléculaire directe de cyclopropanes. Cette réaction est réalisée en présence de palladium, en quantité catalytique, en combinaison avec des sels d’argent. Des études mécanistiques ont réfuté la formation d'un énolate de palladium et suggéreraient plutôt une étape de métallation - déprotonation concertée. En outre, les cycles de type benzoazepinone à sept chaînons ont été synthétisés par l'intermédiaire d'une séquence d'activation de cyclopropane/ouverture/cyclisation. Une arylation directe intermoléculaire des cyclopropanes a été réalisée en présence d'un auxiliaire de type picolinamide (Chapitre 4). Les deux derniers chapitres de ce mémoire de thèse décriront nos études sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base. Le mécanisme de la réaction de cyclisation intramoléculaire d'halogénures d'aryle, réalisée en présence de tert-butylate de potassium, a été élucidé et se produit via une voie radicalaire (Chapitre 5). La transformation, exempte de métaux de transition, ne nécessite que la présence d’une base et de pyridine comme solvant. Cette réaction radicalaire a été étendue à la cyclisation d'iodures d'alkyle non activés en présence d'un catalyseur à base de nickel et de bis(trimethylsilyl)amidure de sodium comme base (Chapitre 6). Des études de RMN DOSY ont démontré une association entre le catalyseur, la base et le matériel de départ.

Palladium Catalyzed Carbon-Carbon/Carbonheteroatom Bond Formation Reactions Utilizing Pentafulvene Derived Bicyclic Hydrazines

The reactions involving fulvenes and its derivatives have received a great deal of attention over the years in synthetic organic chemistry. Functionalizations of fulvenes provide versatile and powerful approaches to various polycyclic systems and natural products. They serve as versatile intermediates in the construction of various ring systems through inter- as well as intramolecular cycloadditions. Compared to the rich literature on the cycloaddition reactions of pentafulvenes, much less attention has been paid to the synthetic utilization of their cycloadducts. Tactical manipulations on the chosen adduct offer the prospects for designing a variety of useful molecular skeletons. Addition of heterodienophiles to fulvenes offers an efficient strategy towards the synthesis of azabicyclic olefins. However, there have been no serious attempts to study the synthetic utility of these substrates. In this context and with the intention of utilizing pentafulvenes towards synthetically important molecules, author decided to explore the reactivity of pentafulvene derived azabicyclic olefins. Our attention was focused on the synthetic potential associated with the ring opening of fulvene derived bicyclic hydrazines under palladium catalysis. It was envisioned that the desymmetrization of these adducts using various soft nucleophiles will provide a novel access to synthetically and biologically important alkylidene cyclopentenes. The investigations along this line form the focal theme of this thesis entitled “PALLADIUM CATALYZED CARBONCARBON/ CARBON-HETEROATOM BOND FORMATION REACTIONS UTILIZING PENTAFULVENE DERIVED BICYCLIC HYDRAZINES

Palladium and organocatalysis: an excellent recipe for asymmetric synthesis

The dual activation of simple substrates by the combination of organocatalysis and palladium catalysis has been successfully applied in a variety of different asymmetric transformations. Thus, the asymmetric a-allylation of carbonyl compounds, a-fluorination of acyl derivatives, decarboxylative protonation of β-dicarbonyl compounds, cyclization reactions of alkynyl carbonyl compounds and β-functionalization of aldehydes have been efficiently achieved employing this double-catalytic methodology.

Catalytic reactions with palladium supported on mesocellular foam : Applications in hydrogenation, isomerization, and C-C bond forming reactions

The major part of this thesis concerns the development of catalytic methodologies based on palladium nanoparticles immobilized on aminopropyl-functionalized siliceous mesocellular foam (Pd0-AmP-MCF). The catalytic activity of the precursor to the nanocatalyst, PdII-AmP-MCF is also covered by this work. In the first part the application of Pd0-AmP-MCF in Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions and transfer hydrogenation of alkenes under microwave irradiation is described. Excellent reactivity was observed and a broad range of substrates were tolerated for both transformations. The Pd0-AmP-MCF exhibited high recyclability as well as low metal leaching in both cases. The aim of the second part was to evaluate the catalytic efficiency of the closely related PdII-AmP-MCF for cycloisomerization of various acetylenic acids. The catalyst was able to promote formation of lactones under mild conditions using catalyst loadings of 0.3 - 0.5 mol% at temperatures of up to 50 oC in the presence of Et3N. By adding 1,4-benzoquinone to the reaction, the catalyst could be recycled four times without any observable decrease in the activity. The selective arylation of indoles at the C-2 position using Pd-AmP-MCF and symmetric diaryliodonium salts is presented in the third part. These studies revealed that Pd0-AmP-MCF was more effective than PdII-AmP-MCF for this transformation. Variously substituted indoles as well as diaryliodonium salts were tolerated, giving arylated indoles in high yields within 15 h at 20 - 50 oC in H2O. Only very small amounts of Pd leaching were observed and in this case the catalyst exhibited moderate recyclability. The final part of the thesis describes the selective hydrogenation of the C=C in different α,β-unsaturated systems. The double bond was efficiently hydrogenated in high yields both under batch and continuous-flow conditions. High recyclability and low metal leaching were observed in both cases.

Palladium-Catalyzed Cross-Couplings of 2-Alkylaziridines and Alkenylboronic Acids

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

meso-Porphyrinylphosphine Oxides: Mono- and Bidentate Ligands for Supramolecular Chemistry and the Crystal Structures of Monomeric [10,20-Diphenylporphyrinatonickel(II)-5,15-diyl]-bis-[P(O)Ph2] and Polymeric Self-Coordinated ([10,20-Diphenylporphyrinatozinc(II)-5,15-diyl]-bis-[P(O)Ph2])

A series of porphyrins substituted in one or two meso-positions by diphenylphosphine oxide groups has been prepared by the palladium catalysed reaction of diphenylphosphine or its oxide with the corresponding bromoporphyrins. Compounds {MDPP-[P(O)Ph2]n} (M = H2, Ni, Zn; H2DPP = 5,15-diphenylporphyrin; n = 1, 2) were isolated in yields of 60-95%. The reaction is believed to proceed via the conventional oxidative addition, phosphination and reductive elimination steps, as the stoichiometric reaction of η1-palladio(II) porphyrin [PdBr(H2DPP)(dppe)] (H2DPP = 5,15-diphenylporphyrin; dppe = 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane) with diphenylphosphine oxide also results in the desired mono-porphyrinylphosphine oxide [H2DPP-P(O)Ph2]. Attempts to isolate the tertiary phosphines failed due to their extreme air-sensitivity. Variable temperature 1H NMR studies of [H2DPP-P(O)Ph2] revealed an intrinsic lack of symmetry, while fluorescence spectroscopy showed that the phosphine oxide group does not behave as a "heavy atom" quencher. The electron withdrawing effect of the phosphine oxide group was confirmed by voltammetry. The ligands were characterised by multinuclear NMR and UV-visible spectroscopy as well as mass spectrometry. Single crystal X-ray crystallography showed that the bis(phosphine oxide) nickel(II) complex {[NiDPP-[P(O)Ph2]2} is monomeric in the solid state, with a ruffled porphyrin core and the two P=O fragments on the same side of the average plane of the molecule. On the other hand, the corresponding zinc(II) complex formed infinite chains through coordination of one Ph2PO substituent to the neighbouring zinc porphyrin through an almost linear P=O---Zn unit, leaving the other Ph2PO group facing into a parallel channel filled with disordered water molecules. These new phosphine oxides are attractive ligands for supramolecular porphyrin chemistry.

Exploration of novel routes to azo-linked oligoporphyrins

This research explored new ways of chemically combining porphyrins, which are vital biomolecules, to produce new pigments known as azoporphyrins, for applications in advanced technologies. Although the final targets have not yet been realized, numerous novel compounds and known compounds lacking experimental data in the literature were fully characterised by a range of techniques. The data will facilitate subsequent studies of other novel routes to azoporphyrins and related molecules.

Synthesis and reactivity of alpha-thio-beta-chloroacrylamides and alpha-thio-beta-chloroenones

Development of novel synthetic methodology for selective transformation of organic compounds is a central element underpinning organic synthesis with control of chemo-, regio- and stereoselectivity a very high priority. Reactions which can be conducted under mild reaction conditions and, ideally in an environmentally attractive manner, are particularly advantageous. The principal objective of this thesis was to explore the synthesis, reactivity and synthetic utility of a series of α,β-thio-β-chloroenones. The stereochemical features of these transformations and the potential of this novel series of compounds in the synthesis of bioactive compounds were of particular interest. In exploring the reactivity of these compounds, the key transformations included nucleophilic additions and Stille cross-coupling at the β-carbon. Chapter 1 reviews the literature relevant to the research conducted, and focuses in particular on the synthesis of β-chloroenones and related unsaturated carbonyl compounds. The synthesis of chalcone compounds from various precursors is also discussed, with particular emphasis on the use of palladium cross-coupling reactions in the preparation of these compounds. The biological activity of chalcones is also summarised in this chapter. The second chapter delineates the stereoselective synthesis of the novel α-thio-β-chloroenones from the corresponding α-thioketones in a multistep reaction cascade initiated by a NCS-mediated chlorination. A range of both alkyl and aryl β-chloroenones were prepared in this work and the oxidation of these compounds to the corresponding sulfoxides and sulfones is also outlined. The electrophilicity of the β-carbon of the enones was examined in nucleophilic addition/substitution reactions with successful access to a variety of synthetically useful novel adducts including acetals and enaminoketones. Investigation of the synthetic potential of the Stille cross-coupling reaction with the novel α-thio-β-chloroenones was explored and provided an efficient route for the synthesis of a novel series of chalcones. Most importantly this new methodology provided a new and synthetically powerful approach for carbon-carbon bond formation at the β-carbon under mild neutral conditions. A preliminary investigation into the use of these β-chloroenones as dienophiles in Diels-Alder cycloaddition reactions is also discussed in this chapter. Chapter 2 also reports the nucleophilic addition of N, O, S and C nucleophiles to previously described β-chloroacrylamides and their corresponding sulfoxide derivatives. This work builds on previous research carried out in this programme and the reactivity of these β-chloroacrylamides at the sulfide and sulfoxide level is compared. Comparison of the reactivity of the β-chloroacrylamides, in nucleophilic substitution and Stille-coupling, with that of the novel β-chloroenones is of interest. Finally, the biological activity of both the β-chloroenones and the β-chloroacrylamides in terms of cytotoxicity is summarised in Chapter 2. The final chapter, Chapter 3, details the full experimental procedures, including spectroscopic and analytical data for the compounds prepared during this research.

Synthèse de motifs biarylés : fonctionnalisation directe catalysée par des métaux de transition d’espèces aromatiques non activées

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire.

Syntheses, structures and efficient catalysis for C–C coupling of some benzaldehyde thiosemicarbazone complexes of palladium

Reaction of the 4-R-benzaldehyde thiosemicarbazones (denoted in general as L-R; R = OCH(3), CH(3), H, Cl and NO(2)) with trans-[Pd(PPh(3))(2)Cl(2)] afforded a group of mixed-ligand complexes (denoted in general as 1-R) incorporating a N,S-coordinated thiosemicarbazone. a triphenylphosphine and a chloride. Similar reaction with Na(2)[PdCl(4)] afforded a family of bis-thiosemicarbazone complexes (denoted in general as 2-R), where each ligand is N,S-coordinated. Crystal structures of 1-CH(3), 1-NO(2), 2-OCH(3), 2-NO(2) and L-NO(2) have been determined. In all the complexes the thiosemicarbazones are coordinated to the metal center, via dissociation of the acidic proton, as bidentate N,S-donors forming five-membered chelate rings. With reference to the structure of the uncoordinated thiosemicarbazone, this coordination mode is associated with a conformational change around the C=N bond. All the 1-R and 2-R complexes display intense absorptions in the visible region. Catalytic activity of the 1-R and 2-R complexes towards some C-C coupling reactions (e.g. Suzuki, Heck and Sonogashira) has been examined and while both are found to be efficient catalysts, 1-R is much better catalyst than 2-R.