Computational studies on organocatalysis

Abstract

Durant molt temps, catàlisi homogènia ha estat gairebé sinònim amb catàlisi amb met¬alls de transició, amb un petit espai reservat a la biocatàlisi. Les coses han canviat molt en els últims anys. Des d'aproximadament l'any 2000, l'organocatàlisi, on el catalitzador és una molècula orgànica petita, sovint amb propietats quirals, ha crescut ràpidament fins a esdevenir un dels camps més importants de la química orgànica. A mesura que el camp de la investigació s'expandeix, el coneixement mecanístic esdevé més crítica per entendre les subtileses de la reacció i ajudar en el desenvolupament de processos més eficients. La química teòrica, amb la seva capacitat per localitzar els intermedis i estats de transició, pot ser molt útil en aquesta direcció. Aquesta tesi tracta de l'estudi com¬putacional del mecanisme de tres reaccions organocatalítiques representatives.

1. Hidroxialquilació Friedel-Crafts asimètrica d'indoles catalitzada per àcids de Brønsted quirals La catàlisi per àcids de Brønsted quirals és una àrea de ràpid creixement en organocatàlisi. L'aigua és una de les molècules més simples que pot actuar com a àcid de Brønsted. La coordinació de les molècules d'aigua a la funció carbonil en reaccions de Diels¬Alder i reordenaments de Claisen resulta en un increment de la velocitat de reacció. Carmona i col•laboradors van utilitzar una molècula d'aigua unida a un fragment d'iridi quiral com a catalitzador àcid de Brønsted per produir una reacció Friedel¬Crafts (FC) entre acetat de 3,3,3-trifluoromethylpyruvat i indole a baixa temperatura. Basant¬se en els seus resultats experimentals, hem dut a terme un estudi computacional en el mecanisme d'aquesta reacció i avaluat el paper catalític del complex de l'aigua amb iridi en aquesta reacció. La primera etapa de la reacció és la formació d'un enllaç C¬C juntament amb la transferència d'un protó de la molècula d'aigua al substrat, el segon pas és la l'etapa determinant, consistent en la transferència d'un protó de l'indole cap al grup OH provinent de la molècula d'aigua. El paper catalític del complex metàl.lic és la modulació de les propietats àcid / base de l'aigua coordinada, ja que la molècula d'aigua actua com a donador i acceptor de protons en les diferents etapes. Hem estat també capaços d'explicar l'origen de la l'estereoselectivitat del procés, que és el resultat d'una combinació subtil de les interaccions no covalents, tant atractives com repulsives, entre el catalitzador i el substrat.

2. Mecanisme de la síntesi enantioselectiva d'una cetona de Wieland-Miescher La cetona Wieland¬Miescher (WM) és un intermedi clau per a moltes reaccions. La preparació eficaç dels compostos de tipus cetona Wieland¬Miescher amb alta enantioselectivitat és per tant un desafiament en química orgànica. En un intent d'abordar aquest problema, el grup de Bonjoch ha dut a terme una síntesi enantioselectiva d'alta eficiència d'una cetona WM utilitzant N¬Ts¬(Sa)¬binam¬L¬prolinamida com a organocatalitzador, sota condicions lliures de dissolvent amb l'assistència d'àcid benzoic. El pas clau és una reacció d'anul • lació de Robinson, el procés requereix un 1% en mols de trietilamina com a base per a la reacció de Michael inicial i un 1% en mols de N¬Ts¬(Sa)¬Binam¬L¬prolinamida i 2,5% en mols d'àcid benzoic per a la reacció aldòlica intramolecular. Es va estudiar el mecanisme de la reacció aldòlica intramolecular en col • laboració amb el grup experimental. Hem estat capaços d'aclarir el mecanisme de la reacció amb prolinamida. Segueix les tendències generals del mecanisme amb prolina, amb l'important matís que la presència d'un àcid carboxílic com a co¬catalitzador és necessària en els passos inicials de la reacció, en particular per a la formació del intermedi imini. En contrast, l'àcid carboxílic no té cap efecte sobre la enantioselectivitat, perquè surt del sistema després de la formació de l'enamina, i està absent en l'estat de transició que condueix a la formació d'enllaços C¬C, on es decideix la enantioselectivitat de la reacció. L'origen de l'enantioselectivitat de la reacció també s'ha aclarit. Es basa en la rigidesa del catalitzador, que té dos punts d'ancoratge per al substrat, el doble enllaç C = N format a l'intermedi enamina, i els enllaços d'hidrogen NH ... O entre el catalitzador i el substrat. El substrat s'ha de distorsionar per unir¬se adequadament a aquest punts d'ancoratge, i aquesta distorsió és menor per a l'estat de transició que condueix a l'enantiòmer afavorit.

3. Mechanisme de la reacció de cicloaddició [4+2] catalitzada per derivats quirals de l'àcid fosfòric Els compostos heterocíclics amb àtoms de nitrogen i oxigen són abundants en la naturalesa i exhibeixen una àmplia gamma de propietats biològiques interessants, incloent comportament antihipertensiu i anti¬isquèmic. Els grups piranobenzopirà i furanobenzopirà, amb tres anells fusionats, són particularment interessants. Un enfocament atractiu per a la síntesi d'aquests compostos és una cicloaddició [4 +2] entre una hidroxibenzaldimina i un furà. Aquesta reacció és catalitzada per derivats d'àcid fosfòric. Hem analitzat en detall els resultats contradictoris publicats recentment pels grups de Fochi i Rueping. Fochi i col • laboradors van publicar el 2010 la síntesi de furanobenzopirans fusionats en cis mitjançant la cicloaddició [4 +2] amb demanda electrònica inversa (IED) de ο¬hidroxibenzaldimines amb 2,3¬dihidro¬2H-furà (DHF) catalitzada per derivats d'àcid fosfòric amb (S)¬BINOL. En el mateix any, Rueping i Lin van publicar la síntesi de furanobenzopirans fusionats en trans a partir dels mateixos reactius però amb un catalitzador del tipus (S)¬BINOL derivat de la N-triflilfosforamida. Els mateixos reactius i catalitzadors lleugerament diferents produeixen diferents diastereòmers del producte. L'estat de transició per a l'atac del furà a l'adducte entre hidroxibenzldimina i catalitzador controla la selectivitat del procés. Els enllaços d'hidrogen juguen un paper crític en l'estructura de l'estat de transició, però la seva força no decideix la selectivitat. Els estats de transició d'energia més baixa tenen un enllaç d'hidrogen, mentre que alguns estats de transició d'energia més alta en tenen dos de força similar. La selectivitat està controlada per interaccions atractives anell¬anell entre catalitzador i substrats. Els estats de transició d'energia afavorits tenen més interaccions, o les tenen amb distàncies més curtes (i per tant, probablement més fortes). La diferència entre el derivat de l'àcid fosfòric amb (S)¬BINOL (sistema de Fochi), que porta a un furanobenzopirà fusionat en cis, i el derivat de N¬triflylfosphoramida amb S)¬BINOL (sistema de Rueping), que porta a un furanobenzopirà fusionat en trans, va poder ser reproduida i explicada. La presència del substituent triflil sobre l'àtom de nitrogen del sistema de Rueping limita les possibles orientacions de l'àtom d'hidrogen sobre el mateix centre, i com a resultat impedeix l'orientació òptima de l'anell de furà clau per estabilitzar l'estat de transició que condueix al producte fusionat en cis. Com a resultat, el catalitzador de Rueping porta al producte fusionat en trans. Aquest impediment no existeix en el sistema de Fochi, que per això dóna lloc al producte fusionat en cis.

4. Observacions generals Hem estudiat tres processos organocatalíticas diferents que condueixen a productes quirals amb mètodes del funcional de la densitat (DFT) i amb mètodes híbrids funcional de la densitat / mecànica molecular (DFT / MM), i hem estat capaços d'obtenir un acord raonable amb els resultats experimentals, i de donar explicacions qualitatives per l'origen de l'enantioselectivitat en cadascun dels casos. L'estudi computacional de l'organocatàlisi enantioselectiva s'assembla molt a la de la catàlisi enantioselectiva amb metalls de transició, però hi ha alguns matisos significatius. En primer lloc, la descripció electrònica del sistema organocatalític és, en principi, més fàcil, tot i que la introducció de les correccions de dispersió és obligatori, com en qualsevol procés en què les interaccions estèriques poden tenir un paper important. En segon lloc, els problemes relacionats amb la complexitat isomèrica i conformacional són molt més crítics en organocatàlisi. La densitat dels isòmers conformacionals d'energia baixa és molt més gran, i això planteja una complicació en l'esforç que ha de ser fet per obtenir barreres d'energia quantitativament precises. El conjunt del treball d'aquesta tesi es confirma poder de la química computacional per a l'estudi de l'organocatàlisi quiral. També dóna una idea dels diferents mecanismes pels quals la enantioselectivitat es pot transmetre en organocatàlisi: des de les interaccions estèriques habituals entre catalitzador i el substrat, fins al paper clau de la rigidesa catalitzador observada en el sistema prolinamida. El camp de l'organocatàlisi enantioselectiva computacional està tot just començant, i podem esperar nous resultats interessants en el futur pròxim.

For a long time, homogeneous catalysis was almost synonymous with transition metal catalysis, with a small niche reserved to biocatalysis. Things have changed very much in recent years. Since about the year 2000, organocatalysis, where the catalyst is a small organic molecule, often with chiral properties, has grown rapidly to become one of the most important fields in organic chemistry. As the research field is expanding its role, mechanistic knowledge becomes more critical to understand the reaction modes and as¬sist in the development of more efficient processes. Theoretical chemistry, with its abil¬ity to locate intermediates and transition states, can be very helpful in this concern. This thesis is devoted to the computational study of the mechanism of three representative organocatalytic reactions.

1. Asymmetric Friedel-Crafts hydroxyalkylation of indoles catalyzed by chiral Brønsted-acids Chiral Brønsted¬acid catalysis is a rapidly growing area of organocatalysis. Water is one of the simplest molecules with Brønsted–acid capabilities. The coordination of water molecules to the carbonyl function in Diels–Alder reactions and Claisen rearrangements results in the enhancement of the reaction rate. Carmona and co¬workers used a water molecule attached to a chiral iridium fragment as a Brønsted–acid catalyst to yield the Friedel–Crafts (FC) reaction between ethyl 3,3,3 trifluoromethylpyruvate and indole at the low temperature. Based on their experimental results, we have carried out a computational study on the mechanism of this reaction and evaluated the catalytic role of the metal complex and water in this reaction. The mechanism of this reaction is stepwise, the first step is the formation of a C¬C bond together with the transfer of a proton from water molecule to the substrate; the second step is the rate determining one, which is the transfer of a proton from indole to the ¬OH moiety of the water molecule. The catalytic role of the metal complex is the modulation of the acid/base properties of the coordinated water, and the water molecule acts as a proton donor and acceptor. We have been also able to explain the origin of the the stereoselectivity of the process, which is a result of a subtle combination of the non¬covalent interactions, both attractive and repulsive, between catalyst and substrate.

2. Mechanism for the enantioselective synthesis of a Wieland-Miescher ketone The Wieland¬Miescher (W¬M) ketone is a key intermediate for many reactions. The efficient preparation of Wieland¬Miescher ketone¬type compounds with high enantioselectivity is thus a challenging problem in organic chemistry. In an attempt to address this issue, the Bonjoch group reported a highly efficient and enantioselective synthesis of a W¬M ketone using N¬Ts-(Sa)¬Binam¬L¬prolinamide as the organocatalyst, under solvent¬free conditions and the assistance of benzoic acid. The key step is a Robinson annulation reaction; it requires 1 mol% triethylamine as the base in the initial Michael process and 1 mol% of N¬Ts¬(Sa)¬binam¬L-prolinamide and 2.5 mol% of benzoic acid in the intramolecular aldol process. We studied the mechanism of the intramolecular aldol process in collaboration with the experimental group. We were able to clarify the mechanism of the reaction with prolinamide. It follows the general trends of the mechanism with proline, with the important caveat that the presence of a carboxylic acid as co¬catalyst is mandatory in the initial steps of the reaction, in particular for the formation of the iminium intermediate. In contrast, the carboxylic has no effect on the enantioselectivity, as it departs the system after enamine formation, and is absent in the transition state leading to C¬C bond formation, where the enantioselectivity of the reaction is decided. The origin of the enantioselectivity of the reaction has been also clarified. It is based on the rigidity of the catalyst, which has two anchoring points for the substrate, the C=N double bond in the enamine intermediate, and the N¬H...O hydrogen bonds between catalyst and substrate. The substrate has to distort to bind properly to this anchoring points, and this distortion is smaller for the transition state leading to the favored enantiomer.

3. Mechanism of [4+2] cycloaddition reaction catalyzed by chiral phosphoric acid derivatives N¬ and O¬containing heterocyclic compounds are prominent in nature and exhibit a wide range of interesting biological properties, including antihypertensive and anti¬ischemic behavior. Pyranobenzopyran and furanobenzopyran frameworks, containing three fused rings are particularly interesting. An appealing approach to the synthesis of these compounds is a [4+2] cycloaddition between a hydroxybenzaldimine and a furan. This reaction is catalyzed by phosphoric acid derivatives. We have analyzed in detail the recent puzzling results by the groups of Fochi and Rueping. Fochi and co¬workers reported in 2010 the synthesis of cis¬fused furanobenzopyrans obtained through inverse¬electron¬demand (IED) [4+2] cycloaddition of ο-hydroxybenzaldimines with 2,3¬dihydro¬2H¬furan (DHF) catalyzed by (S)¬BINOL¬derived phosphoric acid. In the same year, Rueping and Lin reported the synthesis of the trans¬fused furanobenzopyrans from the same reactants but with a (S)¬BINOL¬derived N-triflylphosphoramide catalyst. The same reactants and slightly different catalysts produced different diastereomers of the product. The transition state for the attack of DHF on the adduct between hydroxybenzldimine and catalyst controls the selectivity of the process. Hydrogen bonds play a critical role on the structure of the transition state, but their strength does not rule the selectivity. The lowest energy transition states have one hydrogen bond, while some higher energy transition states have two hydrogen bonds of similar strength. The selectivity is instead controlled by attractive ring¬ring interactions between catalysts and substrates. The lower energy transition states have more interactions, or shorter (thus likely stronger) ones. The difference between the (S)¬BINOL¬derived phosphoric acid (Fochi system), leading to a cis¬fused furanobenzopyran, and the (S)¬BINOL¬derived N¬triflylphosphoramide system (Rueping system), leading to a trans¬fused furanobenzopyran, could be reproduced and explained. The presence of the triflyl substituent on the nitrogen atom of the Rueping system constrains the possible orientations of the hydrogen atom on this same atom, and as a result precludes the optimal orientation of the furan ring that led to the stabilization of the key transition state in the Fochi system leading to the cis¬fused product. The cis¬fused product being disfavored because of this constraint, the trans¬fused product is formed with the Rueping catalyst.

4. General observations We have studied three different organocatalytic processes leading to chiral products with density functional theory (DFT) and density functional theory / molecular mechan¬ics (DFT/MM) methods and we have been able to obtain a reasonable agreement with experimental results, and to provide qualitative explanations for the origin of enantiose-lectivity in each of the cases. The computational study of enantioselective organocatalysis closely resembles that of enantioselective transition metal catalysis, but there are some significant nuances. In first place, the electronic description of the organocatalytic system is in principle easier, although the introduction of dispersion corrections is mandatory, as in any process where steric interactions may play an important role. In second place, the problems re¬lated to isomeric and conformational complexity are much more critical in organocatal¬ysis. The density of available isomers, conformational or not, available at low energy is much higher, and this poses a severe strain in the effort that has to be made to obtain quantitatively accurate energy barriers. The whole body of work in this thesis confirms the power of computational chemistry for the study of chiral organocatalysis. It also gives insight into the different mechanisms by which enantioselectivity can be transmitted in organocatalysis, from the usual steric interactions between catalyst and substrate to the less frequent key role of catalyst rigidity observed in the prolinamide system. The field of computational enantioselective organocatalysis is just starting, and we can expect new exciting results in the foreseeable future.