Stereoselective Synthesis of Sulfones and Amino Acids from Functionalized Heterocycles

Abstract

L'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament de nous mètodes catalítics estereoespecífic i enantioselectius, aprofitant la reactivitat dels carbonats cíclics (COCs) funcionalitzats i altres heterocicles relacionats (lactones), usant-los com a precursors en la síntesi catalítica de molècules orgàniques més complexes, (específicament emprant Pd i Cu com metalls de transició). Tres projectes de recerca conformen aquesta tesi. El primer projecte mostra una nova metodologia enfocada a la síntesi estereoselectiva de tioèters al·lílics amb configuració (Z), i les seves respectives sulfones. Aquest protocol està basat en la descarboxilació catalitzada per pal·ladi de COC-vinílics en presència de tiols. Aquesta reacció ocorre amb bons rendiments i alta selectivitat. Tot i que existeixen metodologies conegudes per a la síntesi de tioèters / sulfones al·líliques, encara no hi ha una metodologia general per a la preparació de tioèters al·lílics tri- o tetrasubstituïts. Per tant, la nostra metodologia ofereix un potencial sintètic complementari. El segon projecte descriu la primera síntesi asimètrica de sulfones propargíliques terciàries. Aquests compostos presenten un gran interès tant en síntesi orgànica com en química medicinal. En aquest cas els COCs substituïts amb un alquí, recentment descoberts, ens van inspirar per desenvolupar la síntesi d'aquests compostos mitjançant una substitució propargílica catalitzada per coure, usant sals de sulfinat com nucleòfils. A més, aquesta metodologia obre un nou camí cap a la preparació de compostos de sofre amb centres tetrasubstituïts, amb una alta enantioselectivitat i diversitat sintètica. L'aplicabilitat d'aquesta metodologia es va demostrar mitjançant la funcionalització selectiva de les sulfones quirals obtingudes. Finalment, l'últim projecte d'aquesta tesi mostra el descobriment d'una nova reacció propargílica catalitzada per coure que permet la síntesi quiral de gamma-aminoàcids que contenen centres quaternaris. Aquest protocol es basa en l'obertura enantioselectiva de lactones substituïdes amb un grup alquí, en presència d'amines. Cal destacar que aquest tipus d'aminoàcids són molt interessants tant des del punt de vista biològic com sintètic, i ens han permès accedir a altres compostos també interessants coneguts com gamma-lactames.

El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de nuevos métodos catalíticos estéreo- y enantioselectivos, aprovechando la reactividad de los carbonatos cíclicos (COCs) funcionalizados y otros heterociclos relacionados (lactonas), usándolos como precursores en la síntesis catalítica de moléculas orgánicas más complejas, (específicamente empleando Pd y Cu como metales de transición). Tres proyectos de investigación conforman esta tesis. El primer proyecto muestra una nueva metodología enfocada en la síntesis estereoselectiva (Z) de tioéteres alílicos con configuración, y sus respectivas sulfonas. Este protocolo está basado en la descarboxilación catalizada por paladio de COC-vinílicos en presencia de tioles. Esta reacción ocurre con buenos rendimientos y alta selectividad. A pesar de que existen metodologías conocidas para la síntesis de tioéteres/sulfonas alílicas, todavía no existe una metodología general para la preparación de tioéteres alílicos tri- o tetrasustituidos. Por tanto, nuestra metodología ofrece un potencial sintético complementario. El segundo proyecto describe la primera síntesis asimétrica de sulfonas propargílicas terciarias. Estos compuestos presentan un gran interés tanto en síntesis orgánica como en química medicinal. En este caso los COCs sustituidos con un alquino, recientemente descubiertos, nos inspiraron para desarrollar la síntesis de estos compuestos mediante una sustitución propargílica catalizada por cobre, usando sales de sulfinato como nucleófilos. Además, esta metodología abre un nuevo camino hacia la preparación de compuestos de azufre con centros tetrasustituidos, con una alta enantioselectividad y diversidad sintética. La aplicabilidad de esta metodología se demostró mediante la funcionalización selectiva de las sulfonas quirales obtenidas. Finalmente, el último proyecto de esta tesis muestra el descubrimiento de una nueva reacción propargílica catalizada por cobre que permite la síntesis quiral de gamma-aminoacidos que contienen centros cuaternarios. Este protocolo se basa en la apertura enantioselectiva de lactonas sustituidas con un grupo alquino, en presencia de aminas. Cabe destacar que este tipo de aminoácidos son muy interesantes tanto desde el punto de vista biológico como sintético.

The main goal of this thesis is the development of new stereo- and enantio-selective catalytic methodologies taking advantage of the intrinsic reactivity of functionalized cyclic carbonates and related heterocycles (e.g., nonstrained lactones) and use them as starting materials for the synthesis of more complex chiral organic targets, by means of transition-metal (TM) catalysis (specifically Pd and Cu).Three main research projects are collected in this thesis. In the first project, a new methodology aiming at the stereoselective synthesis of highly functionalized (Z)-configured allylic thioethers and their corresponding sulfones has been developed. This protocol based on a Pd-catalyzed thiolation of vinyl cyclic carbonate substrates features good yields and high (Z)-selectivity. Although effective methodologies for the synthesis of allylic thioether/sulfones are well stablished, a general catalytic methodology for the stereoselective synthesis of (Z)-configured tri- and tetra-substituted allylic thioethers/sulfones remained previously elusive. Our newly developed procedure therefore offers complementary synthetic potential. The second project, describes the first asymmetric synthesis of tertiary propargylic sulfones. These building blocks are of significant importance in organic synthesis and medicinal chemistry. The recently introduced alkyne-functionalized cyclic organic carbonates inspired us to pursue a Cu-catalyzed asymmetric propargylic sulfonylation reaction of these precursors by using versatile sulfinate salts. This practical method provided a new approach targeting the construction of sulfur-containing, tetrasubstituted carbon stereocenters featuring high enantioselectivity and wide functional group diversity. The applicability of the transformation was demonstrated by various functionalization reactions of the tertiary sulfone building blocks. Finally, the last project shows the discovery of a new protocol that enables the efficient assembly of biologically relevant gamma-amino acids bearing quaternary stereocenters. Notably, in this project we took advantage of the catalytic formation of copper-allenylidene intermediates that can be intercepted by a series of amine nucleophiles in an enantioselective fashion allowing the ring opening aminolysis of minimally strained, alkyne-substituted lactones.