Synthetic and stereochemical aspects of intramolecular reactions of α-diazoketones catalysed by rhodium(II) carboxylates

Chapter 1 of this thesis is a brief introduction to the preparation and reactions of α-diazocarbonyl compounds, with particular emphasis on the areas relating to the research undertaken: C-H insertion, addition to aromatics, and oxonium ylide generation and rearrangement. A short summary of catalyst development illustrates the importance of rhodium(II)carboxylates for α-diazocarbonyl decomposition. Chapter 2 describes intramolecular C-H insertion reactions of α-diazo-β-keto sulphones to form substituted cyclopentanones. Rhodium(II) carboxylates derived from homochiral carboxylic acids were used as catalysts in these reactions and enantioselection achieved through their use is discussed. Chapter 3 describes intramolecular Buchner cyclisation of aryl diazoketones with emphasis on the stereochemical aspects of the cyclisation and subsequent reaction of the bicyclo[5.3.0]decatrienones produced. The partial asymmetric synthesis achieved through use of chiral rhodium(II) carboxylates as catalysts is discussed. The application of the intramolecular Buchner reaction to the synthesis of hydroazulene lactones is illustrated. Chapter 4 demonstrates oxonium ylide formation and rearrangement in the decomposition of an α-diazoketone. The consequences of the use of chiral rhodium(II) carboxylates as catalysts are described. Particularly significant was the discovery that rhodium(II) (S)-mandelate acts as a very efficient catalyst for α-diazoketone decompositions, in general. Moderate asymmetric induction was possible in the decomposition of α-diazoketones with chiral rhodium(II) carboxylates, with rhodium(II) (S)-mandelate being one of the more enantioselective catalysts investigated. However, the asymmetric induction obtained was very dependent on the exact structure of the α-diazoketone, the catalyst, and the nature of the reaction. Chapter 5 contains the experimental details, and the spectral and analytical data for all new compounds reported.

New chiral rhodium(II) carboxylates and their use as catalysts in carbenoid transformations

New chiral dirhodium(II) carboxylates were prepd. from Rh2(OAc)4 and half phthalate esters and or pyrroles. Their use as catalysts for the decompn. of diazocarbonyl compds. studied.

Intramolecular carbenoid insertions : the reactions of [alpha]-diazoketones derived from furanyl, thienyl, benzofuranyl and benzothienyl acetic acids with rhodium (II) acetate /

A number of synthetically useful ring systems can be prepared via the intramolecular insertion of a metal-stabilized carbenoid into a heteroaromatic systems. The chemical outcome of these reactions are dependent not only on the nature of the heteroatom but also on the length of the aliphatic tether linking the carbenoid moiety with the aromatic fragment. Our work with furanyl and thienyl systems containing a single methylene tether have allowed for some rather atypical chemistry. For example, treatment of l-diazo-3-(2-thienyl)-2-propanone (6) with catalytic rhodium (II) acetate yields 5,6- dihydro-4^-cyclopenta[Z>]thiophen-5-one (3) while, the isomeric l-diazo-3-(3-thienyl)-2- propanone(15) gives a spiro-disulphide (20). Novel chemistry was also exhibited in the analogous furanyl systems. While treatment of l-diazo-3-(3-furanyl)-2-propanone (52) with Rh2(OAc)4 resulted in the expected 2-(4-Oxo-2-cyclopentenyliden)acetaldehyde (54), isomeric l-diazo-3-(2- furanyl)-2-propanone (8) undergoes vinylogous Wolff rearrangement to give a mixture of 6a-methyl-2,3,3a,6a-tetrahydrofuro[2,i-^>]furan-2-one (44) and 2-(2-methyl-3-furyl)acetic acid (43). Rhodium acetate catalyzed decomposition of l-diazo-3-(3-benzofuranyl)-2- propanone (84) and l-diazo-3-(2-benzofuranyl)-2-propanone (69)also allows for vinylogous Wolff rearrangement, a chemistry unseen in benzofuranyl systems with longer tethers. A number of interesting products were isolated from the trapping of intermediate ketenes. Decomposition of l-diazo-3-(3-benzothienyl)-2-propanone (100) resulted in the formation of 2,3-dihydro-l//-benzo[^]cyclopenta[^thiophen-2-one (102). However, in addition to (102), a dimer was also generated from the decomposition of l-diazo-3-(2- benzothienyl)-2-propanone (109). The insight into the mechanistic underpinnings of the above reactions are provided by molecular modeling at a PM3 level.

Intramolecular carbenoid insertion : reactions of [alpha] -diazoketones derived from benzothienyl, pyrolyl and indolyl alkanoic acids with rhodium (II) acetate

Recent studies have shown that the rhodium (II) acetate decomposition chemistry observed for a-diazoketones tethered to thienyl, furanyl, and benzofuranyl moieties is dependent not only on the nature of the heteroatom but also on the length of the aliphatic tether linking the diazoketone moiety with the aromatic fragment. The present thesis expands on these results and focuses on a-diazoketones tethered to benzothiophenes, pyrroles and indoles by a methylene linker. In the case of benzothiophenes, it was shown that the rhodium catalyst decomposition of I-diazo-4-(3-benzothienyl)-2-butanone (146) and 1-diazo-4-(3benzothienyl)- 2-butanone (152) allow for the isolation of 1,2,3a,3b-tetrahydro-3Hbenzo[ b]cyclopenta[1,3]cyclopropa- [1 ,2-d]thiophen-3-one (147) and 1,2,3a,3btetrahydro- 3H-benzo[b]cyclopenta[1,3]cyclopropa[1,2-d]thiophen-3-one (153). However treatment of 1-diazo-3-(3-Benzothienyl)-2-Propanone (165) with Rh(II) acetate results in the formation of 2,3-Dihydro-1H-benzo[b]cyclopenta[d]thiophen-2-one (159), while 1diazo- 3-(2-Benzothienyl)-2-Propanone with the same condition gives 5,5-bis( 1benzothiophen- 2-ylmethyl)-2(5H)-furanone (166) along with the tricycle 159. The chemistry of the pyrrolyl and the indolyl moieties linked to terminal adiazoketone systems was also investigated. The decomposition of I-diazo-(2-pyrrolyl)-2propanone (173) results in the formation of two products; the N-H insertion product IHpyrrolizin- 2(3H)-one (176) and the alkylation product 4,6-dihydrocyclopenta[b]pyrrol5( 1 H)-one (180). When 1-Diazo-3-(3-indoly)-3-propanone (194) is treated with catalytic amount of Rh (II) 3,4-dihydrocyclopenta[b]indol-2(1H)-one (193) is isolated quantitatively. The later reaction when monitored using IH NMR the intermediate 200 can be seen whose structure was confirmed by the comparison to series of model compounds. The mechanisms underlying these reactions as well as their synthetic utility is discussed.

Synthèse formelle de l’hormaomycine et de la bélactosine A par utilisation d’une réaction de cyclopropanation intramoléculaire catalysée par un complexe de rhodium (II)

Ce mémoire présente trois approches différentes vers la synthèse du 3–(trans–2–nitrocyclopropyl)alanine, un intermédiaire synthétique de la hormaomycine. Cette molécule naturelle démontre d’intéressantes activités biologiques et pharmacologiques. Il est intéressant de souligner que ce dérivé donne facilement accès au 3–(trans–2–aminocyclopropyl)alanine, unité centrale de la bélactosine A. Ce composé naturel possédant lui aussi d’intéressantes propriétés biologiques, plusieurs études relationnelles structures-activités menant à des dérivés plus actifs de cette molécule ont été entreprises, démontrant l’intérêt toujours présent de synthétiser de façon efficace et optimale ces dérivés cyclopropaniques. Une méthodologie développée au sein de notre groupe de recherche et basée sur une réaction de cyclopropanation intramoléculaire diastéréosélective sera mise à profit afin d’élaborer une nouvelle voie de synthèse aussi élégante qu’efficace à la construction du 3–(trans–2–nitrocyclopropyl) alanine. En utilisant un carbène de rhodium généré soit par la dégradation d’un dérivé diazoïque, soit par la formation d’un réactif de type ylure d’iodonium, une réaction de cyclopropanation diastéréosélective permettra la formation de deux autres centres contigus et ce, sans même utiliser d’auxiliaire ou de catalyseur énantioenrichis. Ensuite, un réarrangement intramoléculaire précédant deux réactions synchronisées d’ouverture de cycle et de décarboxylation permettront l’obtention du composé d’intérêt avec un rendement global convenable et en relativement peu d’étapes. De cette manière, la synthèse formelle de la bélactosine A et de l’hormaomycine a été effectuée. Cette synthèse se démarque des autres par l’utilisation d’une seule transformation catalytique énantiosélective.

Synthèse stéréosélective de dérivés cyclopropaniques di-accepteurs par catalyse avec des complexes de rhodium(II)

Les dérivés cyclopropaniques di-accepteurs représentent des intermédiaires synthétiques précieux dans l’élaboration de structures moléculaires complexes, ayant des applications dans plusieurs domaines de la chimie. Au cours de cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à la synthèse de ces unités sous forme énantioenrichie en utilisant la cyclopropanation d’alcènes par catalyse avec des complexes de Rh(II) utilisant des composés diazoïques di-accepteurs comme substrats. Suite au développement initial d’une méthode de cyclopropanation d’alcènes catalytique asymétrique utilisant des nitro diazocétones, de multiples études expérimentales quant au mécanisme de stéréoinduction dans ce type de réaction ont été effectuées. Nous avons alors pu identifier le groupement p-méthoxyphénylcétone du substrat et le catalyseur Rh2(S-TCPTTL)4 comme étant une combinaison clé pour l’atteinte de diastéréosélectivités et d’excès énantiomères élevés. Ceci a mené au développement de deux autres méthodes de cyclopropanation stéréosélectives distinctes, utilisant soit une cyano diazocétone ou un céto diazoester. Nous avons démontré l’utilité des dérivés cyclopropaniques énantioenrichis obtenus par ces trois méthodes dans une panoplie de manipulations synthétiques, dont l’addition nucléophile d’amines et de cuprates, la cycloaddition formelle avec un aldéhyde, et la synthèse de dérivés cyclopropaniques importants en chimie médicinale. Une étude structurelle approfondie des complexes de Rh(II) chiraux nous a permis de déterminer les facteurs responsables de leur pouvoir d’énantioinduction dans notre système réactionnel, ce qui a d’énormes implications dans d’autres méthodologies utilisant ces mêmes catalyseurs. Le dévoilement d’une conformation inattendue dite ‘All-up’, ainsi que de la présence d’interactions stabilisantes régissant la rigidité de cet arrangement se sont avérés cruciaux dans notre compréhension du mécanisme. Dans le cadre de cette investigation, nous avons développé une méthode générale pour la synthèse de complexes de Rh(II) hétéroleptiques, multipliant ainsi le nombre de catalyseurs accessibles dans l’élaboration éventuelle de nouvelles réactions stéréosélectives, et nous permettant d’effectuer une étude structurelle plus détaillée. De plus, nous avons développé une méthode particulièrement efficace pour la synthèse d’un autre type de dérivé cyclopropanique di-accepteur par catalyse avec des complexes de Rh(II), les cyano-cyclopropylphosphonates. Les produits de cette transformation sont obtenus avec des énantiosélectivités élevées, et sont des substrats intéressants pour des réactions tandem d’ouverture de cycle par addition nucléophile / oléfination de composés carbonylés. De plus, ces composés sont des précurseurs de molécules utiles en chimie médicinale tels que les acides aminocyclopropylphosphoniques.

Rhodium(II) azavinyl carbenes and their recent application to organic synthesis

This highlight solely focusses on the synthetic applications of azavinyl rhodium(II) carbenes derived from N-sulfonyl triazoles. An overview of their use in intermolecular reactions to form a variety of heterocycles is examined, in addition to intramolecular annulations and rearrangements.

Free Rhodium (II) citrate and rhodium (II) citrate magnetic carriers as potential strategies for breast cancer therapy

Abstract Background Rhodium (II) citrate (Rh2(H2cit)4) has significant antitumor, cytotoxic, and cytostatic activity on Ehrlich ascite tumor. Although toxic to normal cells, its lower toxicity when compared to carboxylate analogues of rhodium (II) indicates Rh2(H2cit)4 as a promising agent for chemotherapy. Nevertheless, few studies have been performed to explore this potential. Superparamagnetic particles of iron oxide (SPIOs) represent an attractive platform as carriers in drug delivery systems (DDS) because they can present greater specificity to tumor cells than normal cells. Thus, the association between Rh2(H2cit)4 and SPIOs can represent a strategy to enhance the former's therapeutic action. In this work, we report the cytotoxicity of free rhodium (II) citrate (Rh2(H2cit)4) and rhodium (II) citrate-loaded maghemite nanoparticles or magnetoliposomes, used as drug delivery systems, on both normal and carcinoma breast cell cultures. Results Treatment with free Rh2(H2cit)4 induced cytotoxicity that was dependent on dose, time, and cell line. The IC50 values showed that this effect was more intense on breast normal cells (MCF-10A) than on breast carcinoma cells (MCF-7 and 4T1). However, the treatment with 50 μM Rh2(H2cit)4-loaded maghemite nanoparticles (Magh-Rh2(H2cit)4) and Rh2(H2cit)4-loaded magnetoliposomes (Lip-Magh-Rh2(H2cit)4) induced a higher cytotoxicity on MCF-7 and 4T1 than on MCF-10A (p < 0.05). These treatments enhanced cytotoxicity up to 4.6 times. These cytotoxic effects, induced by free Rh2(H2cit)4, were evidenced by morphological alterations such as nuclear fragmentation, membrane blebbing and phosphatidylserine exposure, reduction of actin filaments, mitochondrial condensation and an increase in number of vacuoles, suggesting that Rh2(H2cit)4 induces cell death by apoptosis. Conclusions The treatment with rhodium (II) citrate-loaded maghemite nanoparticles and magnetoliposomes induced more specific cytotoxicity on breast carcinoma cells than on breast normal cells, which is the opposite of the results observed with free Rh2(H2cit)4 treatment. Thus, magnetic nanoparticles represent an attractive platform as carriers in Rh2(H2cit)4 delivery systems, since they can act preferentially in tumor cells. Therefore, these nanopaticulate systems may be explored as a potential tool for chemotherapy drug development.

Synthesis and reactivity of pyridine substituted α-diazocarbonyl compounds and exploration of rhodium carboxylates as asymmetric catalysts

The primary objective of this thesis was the preparation of a series of pyridine-containing α-diazocarbonyl compounds and subsequent investigation of the reactivity of these compounds on exposure to transition metal catalysts. In particular, the reactivity of the pyridyl α-diazocarbonyls was compared to that of the analogous phenyl α-diazocarbonyl compounds to ascertain the impact of replacement of the phenyl ring with pyridine. The first chapter initially provides a brief introduction into α-diazocarbonyl chemistry, comprising a compendium of well-established and recently developed methods in the preparation of these compounds, as well as an outline of the reactivity of these versatile substrates. The substantive element of this introductory chapter comprises a detailed review focused on transition metal-catalysed transformations of heterocyclic α-diazocarbonyl compounds, highlighting the extraordinary diversity of reaction products which can be accessed. This review is undertaken to set the work of this thesis in context. The results of this research are discussed in the second and third chapters together with the associated experimental details, including spectroscopic and analytical data obtained in the synthesis of all compounds during this research. The second chapter describes the preparation of a range of novel pyridine-containing α-diazocarbonyl compounds via a number of synthetic strategies including both acylation and diazo transfer methodologies. In contrast to the phenyl analogues, the generation of the pyridine α-diazocarbonyl substrates was complicated by a number of factors including the inherent basicity of the pyridine ring, tautomerism and existence of rotamers. Rhodium- and copper-mediated transformations of the pyridine-containing α-diazocarbonyl compounds is discussed in detail displaying very different reactivity patterns to those seen with the phenyl analogues; oxidation to 2,3- diketones, 1,2-hydride shift to form enones and oxonium and sulfonium ylide formation/rearrangement are prominent in the pyridyl series, with no evidence of aromatic addition to the pyridine ring. The third chapter focuses on exploration of novel chiral rhodium(II) catalysts, developed in the Maguire team, in both intermolecular cyclopropanations and intramolecular C–H insertion reactions. In this chapter, the studies are focused on standard α-diazocarbonyl compounds without heteroaryl substituents. The most notable outcome was the achievement of high enantiopurities for intramolecular C–H insertions, which were competitive with, and even surpassed, established catalyst systems in some cases. This work has provided insight into solvent and temperature effects on yields as well as enantio- and diastereoselectivity, thereby providing guidance for future development and design of chiral rhodium carboxylate catalysts. While this is a preliminary study, the significance of the results lie in the fact that these are the first reactions to give substantial asymmetric induction with these novel rhodium carboxylates. While the majority of the α-diazocarbonyl compounds explored in this work were α-diazoketones, a number of α-diazoesters are also described. Details of chiral stationary phase HPLC analysis, single crystal analysis and 2D NMR experiments are included in the Appendix (Appendix III-V).

N-H insertion reactions of rhodium carbenoids. Part 2. Preparation of N-substituted amino(phosphoryl)acetates (N-substituted phosphorylglycine esters).

Rhodium(II) acetate-catalyzed reaction of Et 2-diazo-2-diethoxyphosphorylate, EtO2CC(:N2)PO(OEt)2, with carbamates, amides, ureas or anilines gives a range of N-substituted 2-amino-2-diethoxyphosphorylacetates, EtO2CCH(NHR1)PO(OEt)2 (where R1 = Boc, Cbz, acetyl, propionyl, pivaloyl, n-Pr, Ph and substituted Ph groups), by N-H insertion reaction of the intermediate rhodium carbenoid.

Competing O-H insertion and  -elimination in rhodium carbenoid reactions; synthesis of 2-alkoxy-3-arylpropanoates

Rhodium(II) carboxylate catalyzed decompn. of diazo esters 3 (shown as I) and PhCH2C(CO2Et)N2 4 in the presence of alcs. or water results in formation of 2-alkoxy- or 2-hydroxy-3-arylpropanoates, resp., by O-H insertion in competition with cinnamates by elimination; the ratio of insertion to elimination is dramatically affected by the carboxylate ligand on rhodium. Use of methanol-d as the alc. confirms that the alkene does not arise by elimination from the initial alkoxyester product.

Double stranded DNA-binding studies of potential Rhodium(ll) antitumor complexes

In 1952, Dwyer and coworkers began testing a series of metal complexes for potential inhibition of cancer cell proliferation in animals.[l] The complexes tested were unsuitable for such studies due to their high toxicity. Therefore, no further work was done on the project. However, in 1965, Rosenberg and coworkers revisited the possibility of potential metal-based drugs. Serendipitously, they discovered that cis-diamminedichloroplatinum(lI) (cisplatin) inhibits cell division in E. coli.[2] Further studies of this and other platinum compounds revealed inhibition of tumor cell lines sarcoma 180 and leukemia LI2l0 in mice.[l] Cisplatin was approved by the Food and Drug Administration in 1970 as a chemical chemotherapeutic agent in the treatment of cancer. The drug has primarily been used in the treatment of testicular and ovarian cancers, although the powerful chemotherapeutic properties of the compound indicate use against a variety of other cancers.[3] The toxicity of this compound, however, warrants the development of other metal-based potential antitumor agents. The success of cisplatin, a transition-metal-based chemotherapeutic, opened the doors to a host of research on the antitumor effects of other transition-metal complexes. Beginning in the 1970s, researchers looked to rhodium for potential use in antitumor complexes. Dirhodium complexes with bridging equatorial ligands (Figure I) were the primary focus for this research. The overwhelming majority of these complexes were dirhodium(II) carboxylate complexes, containing two rhodium(II) centers, four equatorial ligands in a lantero formation around the metal center, and an axial ligand on either end. The family of complexes in Figure 1 will be referred to as dirhodium(II) carboxylate complexes. The dirhodium centers are each d? with a metal-metal bond between them. Although d? atoms are paramagnetic, the two unpaired electrons pair to make the complex diamagnetic. The basic formula of the dirhodium(lI) carboxylate complexes is Rh?(RCOO)?(L)? with R being methyl, ethyl, propyl, or butyl groups and L being water or the solvent in which the complex was crystalized. Of these dirbodium(II) carboxylate complexes, our research focuses on Rb la and two other similar complexes Rh2 and Rh3 (Figure 2). Rh2 is an activated form of Rhla, with four acetonitrile groups in place of two of the bidentate acetate ligands. Rh3 is similar to Rhla, with trifluoromethyl groups in place of the methyl groups on the acetate ligands.

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.

Synthetic and mechanistic aspects of the reactions of α-diazosulfoxides

The research described in this thesis focuses, principally, on synthesis of stable α-diazosulfoxides and investigation of their reactivity under various reaction conditions (transition-metal catalysed, photochemical, thermal and microwave) with a particular emphasis on the reactive intermediates and mechanistic aspects of the reaction pathways involved. In agreement with previous studies carried out on these compounds, the key reaction pathway of α-diazosulfoxides was found to be hetero-Wolff rearrangement to give α-oxosulfine intermediates. However, a competing reaction pathway involving oxygen migration from sulfur to oxygen was also observed. Critically, isomerisation of α-oxosulfine stereoisomers was observed directly by 1H NMR spectroscopy in this work and this observation accounts for the stereochemical outcomes of the various cycloaddition reactions, whether carried out with in situ trapping or with preformed solutions of sulfines. Furthermore, matrix isolation experiments have shown that electrocyclisation of α-oxosulfines to oxathiiranes takes place and this verifies the proposed mechanisms for enol and disulfide formation. The introductory chapter includes a brief literature review of the synthesis and reactivity of α-diazosulfoxides prior to the commencement of research in this field by the Maguire group. The Wolff rearrangement is also discussed and the characteristic reactions of a number of reactive intermediates (sulfines, sulfenes and oxathiiranes) are outlined. The use of microwave-assisted organic synthesis is also examined, specifically, in the context of α-diazocarbonyl compounds as substrates. The second chapter describes the synthesis of stable monocyclic and bicyclic lactone derivatives of α-diazosulfoxides from sulfide precursors according to established experimental procedures. Approaches to precursors of ketone and sulfimide derivatives of α-diazosulfoxides are also described. The third chapter examines the reactivity of α-diazosulfoxides under thermal, microwave, rhodium(II)-catalysed and photochemical conditions. Comparison of the results obtained under thermal and microwave conditions indicates that there was no evidence for any effect, other than thermal, induced by microwave irradiation. The results of catalyst studies involving several rhodium(II) carboxylate and rhodium(II) carboxamidate catalysts are outlined. Under photochemical conditions, sulfur extrusion is a significant reaction pathway while under thermal or transition metal catalysed conditions, oxygen extrusion is observed. One of the most important observations in this work was the direct spectroscopic observation (by 1H NMR) of interconversion of the E and Z-oxosulfines. Trapping of the α-oxosulfine intermediates as cycloadducts by reaction with 2,3-dimethyl-1,3-butadiene proved useful both synthetically and mechanistically. As the stereochemistry of the α-oxosulfine is retained in the cycloadducts, this provided an ideal method for characterisation of this key feature. In the case of one α-oxosulfine, a novel [2+2] cycloaddition was observed. Preliminary experiments to investigate the reactivity of an α-diazosulfone under rhodium(II) catalysis and microwave irradiation are also described. The fourth chapter describes matrix isolation experiments which were carried out in Rühr Universität, Bochum in collaboration with Prof. Wolfram Sander. These experiments provide direct spectroscopic evidence of an α-oxosulfine intermediate formed by hetero-Wolff rearrangement of an α-diazosulfoxide and subsequent cyclisation of the sulfine to an oxathiirane was also observed. Furthermore, it was possible to identify which stereoisomer of the α-oxosulfine was present in the matrix. A preliminary laser flash photolysis experiment is also discussed. The experimental details, including all spectral and analytical data, are reported at the end of each chapter. The structural interpretation of 1H NMR spectra of the cycloadducts, described in Chapter 3, is discussed in Appendix I.