Applications of the Hofmann-Löffler reaction for C-H functionalization in Total Synthesis

Abstract

Aquesta tesi doctoral representa alguns avenços en el camp de la funcionalització d’enllaç C-H alifàtics. És necessari el desenvolupament de nous mètodes per a la funcionalització selectiva en molècules orgàniques. Per portar a terme aquestes estratègies, els radicals de nitrogen semblen perfectes candidats per generar selectivament enllaços de C-X en posicions no activades. Aquests radicals de nitrogen han estat usats com a intermedis reactius en química sintètica en les darreres dècades, portant a cap la química de transferència d’àtoms d’hidrogen, on la coneguda reacció de Hofmann-Löffler va ser pionera. El primer projecte està basat en el concepte de reacció de Hofmann interrompuda per a l’halogenació selectiva de molècules orgàniques. Per això, vam usar sulfonamides y èsters de sulfamats com a grups dirigents de processos de 1.5 i 1,6 de transferència d’àtoms d’hidrogen per generar radicals centrats en carboni en posicions γ o δ. Aquests radicals son atrapats per àtoms d’halògens donant accés a compostos orgànics amb múltiples halògens en la seva estructura com a estructures cícliques i acícliques. En alguns casos, halogenació veïnal o geminal va ser observada. La segona i tercera part de la tesi aquesta relacionada amb l’ús de la reacció de Hofmann-Löffler per a la formació de l’anell de pirrolidina en alcaloides. La combinació de iode hipervalent amb quantitat catalítica de iode va ser una bona estratègia per a l'aminació en l'última etapa de la síntesi enantioselectiva de la nicotina. Per últim, en la tercera part de la Tesis demostra que aquesta metodologia podria aplicar-se a molècules més complexes podent sintetitzar l’estructura del hasubanan de forma enantioselectiva on la formació de pirrolidina es produeix en els darrers passos de la síntesi.

Esta tesis doctoral representa algunos avances en el campo de la funcionalización de enlace C-H alifáticos. Es necesario el desarrollo de nuevos métodos para la funcionalización selectiva en moléculas orgánicas. Para llevar a cabo estas estrategias, los radicales de nitrógeno parecen perfectos candidatos para generar selectivamente enlaces de C-X en posiciones no activadas. Estos radicales de nitrógeno han sido usados como intermedios reactivos en química sintética en las últimas decadas, llevando a cabo la química de transferencia de átomos de hidrógeno, donde la conocida reacción de Hofmann-Löffler fue pionera. El primer Proyecto esta basado en el concepto de reacción de Hofmann interrumpida para la halogenación selectiva de moléculas orgánicas. Para ello, empleamos sulfonamidas y esteres de sulfamatos como grupos dirigentes de procesos de 1.5 y 1,6 de transferencia de átomos de hidrógeno para generar radicales centrados en carbono en posiciones γ or δ. Estos radicales son atrapados por átomos de halógenos dando acceso a compuestos orgánicos con múltiples halógenos en su estructura como estructuras cíclicas y acíclicas. En algunos casos, halogenacion vecinal o geminal fue observada. La segunda y tercera parte de la tesis esta relacionada con el uso de la reacción de Hofmann-Löffler para la formación del anillo de pirrolidina en alcaloides. La combinación de yodo hipervalente con cantidad catalítica de yodo pareció ser una buena estrategia para la aminación en la última etapa de la síntesis enantioselectiva de la nicotina. Por último, en la tercera parte de la Tesis demostramos que esta metodología podría aplicarse a moléculas más complejas pudiendo sintetizar la estructura del hasubanan de forma enantioselectiva donde la formación de pirrolidina se produce en los últimos pasos de la síntesis.

This doctoral Thesis summarizes advances in the field of C-H functionalization of aliphatic bonds. Methods for remote functionalization are necessary to expand the transformations available in the organic molecules. For this transformation, nitrogen-centered radicals are the perfect candidates to promote selective C-X bond formation over unactivated and distal C-H bonds. Nitrogen-centered radicals have been widely used as reactive intermediates in synthetic chemistry in the last decades, carrying out hydrogen atom transfer chemistry, where the well-known Hofmann-Löffler reaction was pioneering. The first research project is based on the concept of ‘interrupted Hofmann-Löffler’ reaction to the selective halogenation of organic molecules. For that, we employed sulfonamides or sulfamates esters as directing/protecting group of the transformation. These directing groups promote 1,5 or 1,6-hydrogen atom transfer generating the carbon-centered radical at γ or δ-positions. This radical is trapped by the addition of a halogen atom at this position. This protocol provided access to multiple halogenated organic compounds, such as cyclic and acyclic structures. In some cases, vicinal and geminal halogenation is observed. The second and the third part of my doctoral Thesis is related to the application of the Hofmann-Löffler reaction for the formation of the pyrrolidine ring into some alkaloids. The combination of hypervalent iodine(III) species with catalytic amount of molecular iodine seemed to be a robust tool for late-stage amination in the enantioselective synthesis of nicotine. In this regard, in the last part of the Thesis we demonstrated that this methodology could be applied to more complex molecules being able to synthesize the enantioselective hasubanan core where the pyrrolidine formation occurred in the last steps of the synthesis.