Synthesis of and transition metal catalysis by novel asymmetric phosphorous linked diferrocene ligand prototypes

Philipp Honegger

doi:10.25365/thesis.43651

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1328911

Title (eng)

Synthesis of and transition metal catalysis by novel asymmetric phosphorous linked diferrocene ligand prototypes

Parallel title (deu)

Synthese von und Übergangsmetallkatalyse durch neuartige asymmetrische phosphorüberbrückte Diferrocenligand-Prototypen

Author

Philipp Honegger

Advisor

Michael Widhalm

Assessor

Michael Widhalm

Abstract (deu)

In Anbetracht der enormen asymmetrischen Induktionsmöglichkeiten der planaren Chiralität von Ferrocenen im Vergleich zu klassischer Centro- bzw. Axialchiralität wurden neue phosphorüberbrückte Diferrocenliganden ausgehend von Ferrocen mit Ugis Amin als chiraler Vorstufe entworfen und hergestellt, um möglichst asymmetrische chirale Reaktionsräume für homogene Katalysen über Organokatalyse oder Übergangsmetallkatalyse im Generellen zu erhalten. Es wurden einige Strukturen in guter Ausbeute hergestellt, deren zuvor identische Ferrocenuntereinheiten starke regioselektive Unterschiede in nachfolgenden Umsetzungen zeigten und deren relative Konfigurationen zum Teil durch Röntgenstrukturanalysen bestätigt werden konnten. Während dieses Projekts konnte wiederholt der synthetische Wert der funktionellen Gruppe Phosphinsulfid gezeigt werden. Diese Verbindungen waren einfach herzustellen und zu reinigen, oftmals kristallin und zeigten bemerkenswerte chemische Stabilität. Dank unerwarteter chemischer Reaktivitäten, die an Derivaten ohne der Gruppe nicht beobachtet wurden, und milden Methoden für die Entfernung kann Schwefel als nützliche Schutzgruppe für P(III) betrachtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass diese Phosphor(III)- oder (V)-überbrückten Diferrocenliganden einen enantiomeren Überschuss von bis zu 57% in einer übergangsmetallkatalysierten Testreaktion – asymmetrische allylische Alkylierung – erzeugen können, was einer Energiedifferenz der beiden konfigurationsbestimmenden Übergangszustände von 3.1 kJ/mol entspricht. Es war an dieser Stelle deutlich dass das Moleküldesign noch verbessert werden müsste. Daher wurde versucht, die Diferrocenylphenylphosphine an den dem Phosphor benachbarten Ethyl-Seitenketten zu überbrücken um Rigidität zu erhöhen. Es konnten neun neue Ferrocen-annelierte zyklische Phosphine über verschiedene Reaktionswege erhalten werden, die jeweils mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel überbrückt waren. Da einige dieser Verbindungen mäßig stabil und schwierig zu reinigen waren, wurden zwei weitere Syntheserouten zu anderen, aber ähnlichen Verbindungen entwickelt, um stabilere Diferroceno-P-Zyklen zu erhalten. Im ersten Fall geht man von Aminomethylferrocen, das einen Ephedrinsubstituenten am N trägt, aus, an dem diastereoselektive Substitution des Cp-rings durchgeführt werden kann. Der zweite Syntheseweg startet mit Ugis Amin, funktionalisiert aber den terminalen Kohlenstoff der Ethylseitenkette um Eliminierungsreaktionen zu erschweren. Beide Routen lieferten vielversprechende phosphorüberbrückte asymmetrische Diferrocenvorstufen in akzeptablen, nicht optimierten Ausbeuten, geeignet für daran anschließende Zyklisierungsschritte.

Abstract (eng)

Considering the enormous asymmetrically inductive capabilities demonstrated by ferrocene planar chirality in comparison to both carbon and axial chiralities, novel phosphorous-linked diferrocene ligands have been designed and synthesized starting from ferrocene using Ugi’s amine as an enantiopure key intermediate, planning a strongly asymmetrically inductive space for homogeneous catalysis via organocatalysis or transition metal catalysis in general. Several structures exhibiting strong regioselectivity in subsequent synthesis for one of the previously identical ferrocene moieties over the other were obtained in good yield and relative configurations have been confirmed by X-ray analysis. Throughout this work, the synthetic value of the phosphinesulfide functional group (R3P=S) became evident. These compounds are easily prepared and purified, frequently crystalline and display remarkable chemical stability. Together with unusual chemical reactivities not observed in derivatives lacking the sulfur protecting group and mild methods for cleavage by hydrogenation sulfur may be considered a useful protecting group for P(III). These phosphorous(III) or (V)–linked diferrocene ligands could be demonstrated to induce an enantiomeric excess up to 57% in a transition metal mediated catalytic benchmarking reaction – asymmetric allylic alkylation – corresponding to an energetic difference of 3.1 kJ/mol of the configuration determining transition states. It was clear at this point that the molecular design needed to be improved. Thus, bridging the diferrocenylphenylphosphorous compounds at the ethyl side chains at the carbons next to the phosphorous in order to enhance rigidity was attempted. Nine novel ferrocene-annulated cyclic phosphines were synthesized via different reaction pathways containing carbon, oxygen, nitrogen or sulfur variations. Since some of these compounds were only moderately stable and difficult to purify, two more synthetic routes have been established towards different but similar compounds in order to furnish more stable diferrocene-P-(macro)cycles. One starts at aminomethylferrocene bearing an ephedrine moiety at the N, enabling diastereoselective substitution of the Cp ring. The second synthetic path starts at Ugi’s amine but functionalizes the terminal carbon atom of the ethyl side chain in order to disfavor eliminations. Both routes yielded promising phosphorous-linked asymmetric diferrocene precursors in acceptable, not optimized yields for useful for follow-up cyclization.

Keywords (eng)

FerrocenesPhosphinesAsymmetric catalysisAminophosphine

Keywords (deu)

FerrocenePhosphineAsymmetrische KatalyseAminophosphine

Subject (deu)

Chemisches Labor, chemische Methoden

Subject (deu)

Katalyse

Subject (deu)

Organische Reaktionen, Stereochemie

Subject (deu)

Präparative Organische Chemie