Reactivity and Characterization of Gold(I) Carbenes: Key Intermediates in Gold(I) Catalysis

Abstract

Els carbens d'or(I) s'han proposat com a intermedis fonamentals en reaccions catalitzades per or(I) i la seva estructura genera gran interès des de l'inici de la catàlisi d'or. A través d'aquests intermedis, els catalitzadors d'or(I) exhibeixen selectivitat a les cicloisomeritzacions d'1,n-enins. No obstant això, les transformacions intermoleculars d'alquins són més complexes i la dificultat augmenta quan es vol induir elevades enantioselectivitats. En aquesta tesi doctoral, s'han estudiat dos temes centrals de la catàlisi homogènia d'or(I), la síntesi enantioselectiva de ciclobutens i la caracterització de carbens d'or(I). El nostre grup ha demostrat que la cicloaddició [2+2] intermolecular catalitzada per or(I) és un mètode senzill per a la síntesi racèmica de ciclobutens. Considerant aquests precedents, es va desenvolupar la síntesi asimètrica de ciclobutens emprant catalitzadors bimetàl·lics d'or(I) amb lligands quirals Josiphos. Els estudis mecanístics realitzats indiquen que la reacció té lloc en un únic or, mentre el segon és imprescindible per induir quiralitat. A més, aquests estudis demostren que tant l'intercanvi de lligands com l'addició electròfila poden ser les etapes determinants de la velocitat de reacció. D'altra banda, volíem estudiar en detall la possibilitat d'emprar carbenoides com a precursors de carbens. Per a això, es va desenvolupar una síntesi senzilla per obtenir carbenoides d'or de clorometils que, després de patir deshalogenació, reaccionen seguint els patrons típics dels carbens d'or. Basant-nos en l'anterior projecte, es va modificar l'estructura dels carbenoides d'or fins que, després d´abstreure el clorur, va ser possible generar carbens d'or(I) caracteritzables. Aquests complexos promouen la ciclopropanació d'alquens, la inserció en enllaços C-H i es descomponen a través d'una reacció bimolecular generant alquens. A més, corresponen als intermedis reactius generats per “decarbenació” de cicloheptatriens en catàlisi d'or(I). Estudis computacionals van aclarir la natura de l'enllaç or-carboni d'aquests complexos.

Los carbenos de oro(I) se han propuesto como intermedios fundamentales en reacciones catalizadas por oro(I) y su estructura genera gran interés desde el inicio de la catálisis de oro. A través de estos intermedios, los catalizadores de oro(I) exhiben selectividad en las cicloisomerizaciones de 1,n-eninos. Sin embargo, las transformaciones intermoleculares de alquinos son más complejas y la dificultad aumenta cuando se pretende inducir altas enantioselectividades. En esta tesis doctoral, se han estudiado dos temas centrales de la catálisis homogénea de oro(I), la síntesis enantioselectiva de ciclobutenos y la caracterización de carbenos de oro(I). Nuestro grupo ha demostrado que la cicloadición [2+2] intermolecular catalizada por oro(I) es un método sencillo para sintetizar ciclobutenos de forma racémica. Basados en esto, se desarrolló la síntesis asimétrica de ciclobutenos usando catalizadores bimetálicos de oro(I) con ligandos quirales Josiphos. Los estudios mecanísticos realizados indican que la reacción tiene lugar en un único oro, mientras el segundo es imprescindible para inducir quiralidad. Además, estos estudios demuestran que tanto el intercambio de ligandos como la adición electrofílica pueden ser los pasos determinantes de la velocidad de reacción. Por otra parte, queríamos estudiar en detalle la posibilidad de usar carbenoides como precursores de carbenos. Para ello, se desarrolló una síntesis sencilla para obtener carbenoides de oro de clorometilos que, tras sufrir deshalogenación, reaccionan siguiendo los patrones típicos de los carbenos de oro. Basándonos en el anterior proyecto, modificamos la estructura de los carbenoides de oro hasta que, tras abstraer el cloruro, generaron carbenos de oro(I) que pudieron ser caracterizados. Estos complejos promueven la ciclopropanacion de alquenos, la inserción en enlaces C-H y se descomponen a través de una reacción bimolecular generando alquenos. Además, corresponden a los intermedios reactivos generados por decarbenación de cicloheptatrienos en catálisis de oro(I). Estudios computacionales aclararon la situación electrónica de estos complejos.

Gold(I) carbenes have been proposed as key intermediates in gold(I)-catalyzed transformations and their structure have attracted great interest from the outset of the homogeneous gold catalysis era. Through these intermediates, gold(I) catalysts exert such exquisite control over the intramolecular cyclosiomerization of 1,n-enynes. However, the corresponding intermolecular transformations are more challenging and the complexity increased when, moreover, high levels of enantioselectivity must be induced in these processes. In this doctoral thesis, we explored two top subjects of homogeneous gold(I) catalysis, namely the enantioselective synthesis of cyclobutenes and the characterization of gold(I) carbene complexes. Our group implemented the intermolecular gold(I)-catalyzed [2+2] cycloaddition of alkynes with alkenes to access racemic cyclobutenes. In this context, we developed the enantioselective gold(I)-catalyzed synthesis of cyclobutenes using non C2-chiral Josiphos digold(I) complexes as catalysts. Our mechanistic studies indicate that only one of the gold(I) centers is directly involved in the activation of the alkyne, although the second one is required to induce the enantioselectivity. Our work also reveals that both ligand exchange and electrophilic addition can be turnover-limiting steps in this catalytic cycloaddition. We next focused our attention on the role of carbenoid complexes as carbenes precursors. To this end, we developed a convenient approach to access chloromethylgold(I) carbenoids bearing bulky ligands which, upon dehalogenation, display the typical reactivity of gold(I) carbenes in solution, namely homocoupling, cyclopropanation and Buchner reaction. Finally, we have characterized aryl gold(I) carbenes in solution from substituted gold(I) carbenoids. These aryl gold(I) carbene complexes promote cyclopropanation, C-H insertion and oxidation. In the absence of nucleophiles, a bimolecular reaction, similar to that observed for other metal carbenes, leads to a symmetrical alkene. Furthermore, they correspond to the reactive intermediates generated in the gold(I)-catalyzed decarbenation of cycloheptatrienes. Computationally studies have been carried out to gain more insights into the gold-carbon bond situation in these complexes.