Transition metal-catalyzed reactions of heteroatom-substituted alkynes

Abstract

La catàlisi homogènia d'or(I) és una eina per a la construcció de complexitat molecular mitjançant l'activació selectiva d'enllaços múltiples C-C. El nostre grup ha desenvolupat una sèrie de reaccions d'alquins amb alquens catalitzades per or(I) tant en forma intramolecular com intermolecular. Aquestes reaccions s’inicien amb l'atac nucleofílic del doble enllaç a l'alquí per formar un intermedi tipus ciclopropil carbé d'or(I) que evoluciona per donar diferents productes. En aquesta tesi doctoral es descriu una sèrie de noves reaccions intermoleculars de alquens amb alquins substituïts amb heteroàtoms catalitzades per or(I). A més, es presenten els estudis mecanístics corresponents, realitzats mitjançant experiments i càlculs DFT. En les reaccions entre bromolaquins i alquens catalitzades per or(I), inicialment es genera un 1-brom ciclopropil carbé d'or(I) que evoluciona a través d'un catió bromoni ciclic per formar un vinilidè d'or(I) o en un catió vinilidilareni estabilitzat per or. Els càlculs DFT demostren que aquests dos intermedis són confòrmers de la mateixa espècie però tenen diferent reactivitat. D'una banda, el vinilidè d'or(I) pot participar en reaciones d'activació C-H o de hidroarilació, mentre que el catió vinilidilareni participa en transposicions 1,2 de l'areni per a formar un triple enllaç. A més, els alquinil èters terminals participen en cicloaddicions [2 + 2] amb alquens per formar ciclobutens que poden convertir-se fàcilment en les corresponents ciclobutanones.

La catálisis homogénea de oro(I) es una poderosa herramienta para la construcción de complejidad molecular en condiciones suaves mediante la activación selectiva de enlaces múltiples C-C. Nuestro grupo ha desarrollado una serie de reacciones de alquinos con alquenos catalizadas por oro(I), tanto de forma intramolecular como intermolecular. Estas reacciones comienzan con el ataque nucleofílico del doble enlace al alquino para formar un intermedio tipo ciclopropil carbeno de oro(I), que evoluciona para dar lugar a diferentes productos. En esta Tesis Doctoral se describen una serie de nuevas reacciones intermoleculares entre alquenos y alquinos sustituidos con heteroátomos catalizadas por oro(I). Además, se presentan los estudios mecanísticos correspondientes, realizados mediante experimentos y cálculos DFT. En las reacciones entre bromoalquinos y alquenos catalizadas por oro(I), inicialmente se genera un 1-bromo ciclopropil carbeno de oro(I) que evoluciona a través de un catión bromonio cíclico para formar un vinilideno de oro(I) o un catión vinilidilarenio estabilizado por oro. Los cálculos DFT demuestran que estos dos intermedios son confórmeros de la misma especie pero tienen diferente reactividad. Los vinilidenos de oro(I) pueden participar en reacciones de activacion C-H o de hidroarilación, mientras que los cationes vinilidilarenio participan en transposiciones 1,2 del areno para formar enlaces triples.

Homogeneous gold(I) catalysis is a powerful tool for the construction of molecular complexity under mild conditions by mean of the selective activation of C-C multiple bonds. Our group developed a series of gold(I)-catalyzed reactions of alkynes with alkenes both in intramolecular and intermolecular settings. These reactions start with the nucleophilic attack of the double bond on the alkyne to form a cyclopropyl gold(I) carbene intermediate that than rearranges into a variety of products. In this Doctoral Thesis we present a series of new gold(I)-catalyzed intermolecular reactions of heteroatom-substituted alkynes with alkenes and the mechanistic investigation we performed by means of experimental work and DFT calculations. In the gold(I) catalyzed reactions of bromoalkynes with alkenes, the 1-bromo-cyclopropyl gold(I) carbene initially formed rearranges into gold(I) vinylidenes and vinylidenephenonium gold(I) cations passing through a cyclic bromonium intermediate. DFT calculations demonstrated that these two reactive intermediates are conformers of the same species but have different reactivity. On one side gold(I)-vinylidenes can undergo hydroarylation or C-H insertion, while vinylidenephenonium gold(I) cations easily undergo 1,2-aryl shift forming a triple bond. Moreover, we found that terminal alkynyl ethers are undergoing efficiently [2+2] cycloaddition with alkenes to form cyclobutene derivatives that can be easily transformed into the corresponding cyclobutanones.