A new strategy for the alpha-vinylation of ketones: Application to an enantioselective synthesis of sesquiterpene (+)-alpha-elemene

A new, simple and preparatively useful protocol for the construction of a-vinyl ketones, particularly those bearing a quaternary carbon centre, from the corresponding alkenes has been devised. Our four-step strategy consists of dichloroketene addition, base catalysed ring contraction to 'push-pull' cyclopropane esters, reduction and eliminative cyclopropane fragmentation to unravel the a-vinyl ketone moiety. The generality of this approach has been demonstrated with a few representative olefins and good regio- and stereocontrol has been observed. As an application of this methodology, an enantioselective synthesis of sesquiterpene hydrocarbon (+)-alpha-elemene (42) from R-(+)-limonene (43) has been accomplished.

Regioselective Synthesis of Vinyl Halides, Vinyl Sulfones, and Alkynes: A Tandem Intermolecular Nucleophilic and Electrophilic Vinylation of Tosylhydrazones

A diazo species is trapped in an intermolecular fashion by two independent ion species in tandem at the carbene center to install an electrophile and a nucleophile on the same carbon. This metal-free concept, which is unprecedented, has been illustrated by regioselective synthesis of a variety of vinyl halides, vinyl sulfones, and alkyne derivatives.

Palladium-Catalyzed Decarboxylative and Decarbonylative Transformations in the Synthesis of Fine and Commodity Chemicals

Decarboxylation and decarbonylation are important reactions in synthetic organic chemistry, transforming readily available carboxylic acids and their derivatives into various products through loss of carbon dioxide or carbon monoxide. In the past few decades, palladium-catalyzed decarboxylative and decarbonylative reactions experienced tremendous growth due to the excellent catalytic activity of palladium. Development of new reactions in this category for fine and commodity chemical synthesis continues to draw attention from the chemistry community.

The Stoltz laboratory has established a palladium-catalyzed enantioselective decarboxylative allylic alkylation of β-keto esters for the synthesis of α-quaternary ketones since 2005. Recently, we extended this chemistry to lactams due to the ubiquity and importance of nitrogen-containing heterocycles. A wide variety of α-quaternary and tetrasubstituted α-tertiary lactams were obtained in excellent yields and exceptional enantioselectivities using our palladium-catalyzed decarboxylative allylic alkylation chemistry. Enantioenriched α-quaternary carbonyl compounds are versatile building blocks that can be further elaborated to intercept synthetic intermediates en route to many classical natural products. Thus our chemistry enables catalytic asymmetric formal synthesis of these complex molecules.

In addition to fine chemicals, we became interested in commodity chemical synthesis using renewable feedstocks. In collaboration with the Grubbs group, we developed a palladium-catalyzed decarbonylative dehydration reaction that converts abundant and inexpensive fatty acids into value-added linear alpha olefins. The chemistry proceeds under relatively mild conditions, requires very low catalyst loading, tolerates a variety of functional groups, and is easily performed on a large scale. An additional advantage of this chemistry is that it provides access to expensive odd-numbered alpha olefins.

Finally, combining features of both projects, we applied a small-scale decarbonylative dehydration reaction to the synthesis of α-vinyl carbonyl compounds. Direct α-vinylation is challenging, and asymmetric vinylations are rare. Taking advantage of our decarbonylative dehydration chemistry, we were able to transform enantioenriched δ-oxocarboxylic acids into quaternary α-vinyl carbonyl compounds in good yields with complete retention of stereochemistry. Our explorations culminated in the catalytic enantioselective total synthesis of (–)-aspewentin B, a terpenoid natural product featuring a quaternary α-vinyl ketone. Both decarboxylative and decarbonylative chemistries found application in the late stage of the total synthesis.

Nickel complexes catalyzed Heck reaction of iodobenzene and methyl acrylate

Nickel appears the most promising for the replacement of palladium among the inexpensive transition metals for that it is active for Heck reaction and about 500 times cheaper than palladium. In this article, we describe our recent results in the area of nickel-catalyzed Heck vinylations. Main focus is on the influence of ligand concentration in different organic solvents and the effects of the addition of water. The conversion is high in NMP and increases with increasing of PPh3/Ni ratio; in ethanol and toluene the conversion presents a maximum value on Ni(PPh3)(2). The effect of the addition of water is sensitive to the concentration of PPh3 and the nature of solvent, it was well explained with the formation and transfer of the active species in the different solvent systems.

Application of ionic liquids in organic reactions

Room-temperature ionic liquids are good solvents for a wide of organic, inorganic and organometallic compounds. Typically consisting of nitrogen-containing organic cations and inorganic anions, they are easy to recycle, nonflammable, and have no detectable vapor pressure. More recently, ionic liquids have been found to be excellent solvents for a number of chemical reactions, e. g. hydrogenation, alkylation, epoxidation, Heck-vinylation, Suzuki cross-coupling reactions and enzyme catalyzed organic reactions. This paper focuses on the recent development of using ionic liquids as solvents for transition metal and enzyme catalyzed reactions.

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.

Direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés.

Introduction of vinyl and hydroxymethyl functionalities at C-4 of glucose-derived substrates: synthesis of spirocyclic, bicyclic, and tricyclic nucleosides

Installing hydroxymethyl and hydroxyethyl substitutions at C-4 through vinylation and hydroboration-oxidation reactions of the C-4 bis-hydroxymethyl derivative of D-glucose based substrate, and inserting heteroatoms thereafter permitted formation of N-, O-, or S-heterocycles leading to [4,5]or [5,5]-spirocycles and a bicyclo[3.3.0]octane product. Some of the spirocycles were converted to spironucleosides under Vorbruggen glycosidation reaction conditions. Similarly, the bicyclic product was elaborated to the corresponding bicyclic nucleoside as well as an unexpected tricyclic nucleoside.

Synthese und Eigenschaften Silizium-verknüpfter Oligo(phenylenvinylen)e

Im Vordergrund der vorliegenden Arbeit stand die Synthese konjugierter Oligomere und Polymere vom Phenylenvinylen-Typ, die Elektronenakzeptorsubstituenten tragen, sowie die Darstellung von Oligo(phenylenvinylen)en mit reaktiven Alkoxysilylgruppen, die durch Hydrolyse und Polykondensation zu amorphen und filmbildenden Materialien mit definierten Chromophoren umgewandelt werden können.Der Aufbau von Oligo(phenylenvinylen)en (OPVs) und Poly(phenylenvinylen)en (PPVs) mit Elektronenakzeptoren an den aromatischen Kernen wurde über die Heck-Reaktion substituierter Divinylaromaten mit Dibromaromaten durchgeführt. Dazu wurde eine einfache Synthese von Divinylaromaten mit Elektronenakzeptor-substituenten über die zweifache Vinylierung der 1,4-Dibromaromaten mit Ethen bei erhöhtem Druck entwickelt.OPVs haben sich als Emitter in lichtemittierenden Dioden (LEDs) bewährt, ein zentrales Problem bei der Verwendung wohldefinierter niedermolekularer Verbindungen ist deren Kristallisationstendenz. Eine hier angewendete Strategie zur Unterdrückung der Rekristallisation beinhaltet die Verknüpfung stilbenoider Chromophore über ein gemeinsames Silizium-Atom, zu dreidimensionalen Verbindungen. Alternativ können durch die Verknüpfung definierter Chromophore mit Alkoxysilanen Monomere erzeugt werden, die für den Aufbau von Kammpolymeren mit Polysiloxanhauptkette oder von Siloxan-Netzwerken genutzt werden können, um amorphe und filmbildende Materialien aufzubauen. Die Darstellung der Tetrakis-OPV-silane wurde über Horner-Olefinierungen stilbenoider Aldehyde mit einem tetraedrischen Phosphonester mit Si-Zentralatom durchgeführt. Die Verknüpfung stilbenoider Chromophore mit Alkoxysilanen zu polykondensierbaren Monomeren erfolgte über Heck-Reaktion oder gekreuzte Metathese Reaktionen. Eine Verknüpfung über flexible Spacer wird durch Kondensation der Oligostyrylbenzaldehyde mit Aminopropylethoxysilanen zu Schiffschen Basen und deren Reduktion mit Cyanoborhydrid zu sekundären Aminen erzeugt. Die Chromophore, OPVs oder Diaryloxadiazole, mit Kieselsäureestergruppen lassen sich durch saure Hydrolyse und Kondensation zu gut löslichen, fluoreszierenden Oligomeren umwandeln, die entweder ringöffnend polymerisierbar oder zu unlöslichen Filmen vernetzbar sind.