Transition Metal-Catalyzed Cycloaddition Reactions for the Formation of Eight- and Six-Membered Rings

Abstract

Throughout this dissertation, the versatility of metal-catalyzed cycloaddition reactions for synthesizing structurally diverse bicyclic systems has been demonstrated. Nickel-catalyzed intramolecular [4+4]-cycloadditions have led to cis-eight-membered fused [6.3.0] and trans- or cis- eight-membered fused [6.4.0] bicyclic systems. These intramolecular [4+4]-cycloadditions proceeded efficiently on a set of bis-dienes linked by a three- or four-atom chain to afford cis- or trans-configured bicyclic systems, with one cyclic motif being an eight-membered ring. Computational studies on the stereo-determining step of the reaction have helped rationalize the stereochemical outcome of the reaction. The mechanistic insights gained within the present work for nickel-catalyzed intramolecular [4+4]-cycloadditions contributed to developing an enantioselective version of this transformation with a thorough screening of enantiopure phosphorus- and nitrogen-containing ligands. Research activities within the present dissertation have also demonstrated the versatility and efficacy of XBPhos-Rh combined with silver BArF as catalysts for intramolecular [4+2] cycloadditions of dienynes. This cycloaddition reaction proceeded efficiently on a set of structurally diverse dienynes to afford six-membered carbocycles fused to a five-membered ring. The products were isolated as 1,4-unconjugated cyclohexenes, without aromatization taking place. A tentative rationalization of the reaction pathway involving a Rh/Ag cooperative mechanism has also been suggested.

Al llarg d’aquesta tesi doctoral, s’ha demostrat la versatilitat de les reaccions de cicloaddició catalitzades per metalls de transició amb l’objectiu de sintetitzar sistemes bicíclics estructuralment diversos. Les cicloaddicions intramoleculars [4+4] catalitzades per níquel han conduït a productes bicíclics de tipus [6.3.0] fusionats en cis i de tipus [6.4.0] fusionats en trans o cis. Aquestes cicloaddicions intramoleculars han funcionat en un conjunt de bisdiens units per una cadena de tres o quatre àtoms i han conduït a sistemes bicíclics fusionats en cis o en trans, on un dels anells és de vuit baules. Els estudis computacionals sobre l’etapa estereodeterminant de la reacció han ajudat a racionalitzar l’estereoquímica dels productes obtinguts. Els coneixements mecanístics obtinguts en el present treball per a les cicloaddicions intramoleculars [4+4] catalitzades amb níquel han contribuït al desenvolupament d’una versió enantioselectiva d’aquesta transformació mitjançant un ampli cribatge de lligands enantiopurs basats en fòsfor i nitrogen. Les activitats de recerca dins de la present tesis també han demostrat la versatilitat i eficàcia del complex XBPhos-Rh combinat amb AgBArF com catalitzadors de cicloaddicions intramoleculars [4+2] de dienins. Aquesta reacció de cicloaddició va funcionar de manera eficient en un conjunt de dienins estructuralment diversos per a generar carbocicles de sis membres fusionats a un anell de cinc membres. Els productes es van aïllar com els derivats 1,4-ciclohexènics no conjugats, sense que és produís l’aromatització de l’anell. També s'ha suggerit una racionalització mecanística provisional que implica un mecanisme cooperatiu con rodi i plata.

A lo largo de esta tesis doctoral, se ha demostrado la versatilidad de las reacciones de cicloadición catalizadas por metales de transición para sintetizar sistemas bicíclicos estructuralmente diversos. Las reacciones de cicloadición [4+4] intramoleculares catalizadas por níquel han dado lugar a sistemas bicíclicos de tipo [6.3.0] fusionados en cis y de tipo [6.4.0] fusionados en trans o cis. Estas cicloadiciones [4+4] intramoleculares se aplicaron de forma eficiente a un conjunto de bisdienos unidos por una cadena de tres o cuatro átomos para dar lugar a sistemas bicíclicos fusionados en cis o trans, en los que uno de los anillos era de ocho miembros. Los estudios computacionales sobre el paso estereodeterminante de la reacción han ayudado a racionalizar la estereoquímica de los productos de la reacción. Los conocimientos mecanísticos adquiridos en el presente trabajo sobre las cicloadiciones [4+4] intramoleculares catalizadas por níquel han contribuido a desarrollar una versión enantioselectiva de esta transformación con un cribado exhaustivo de ligandos enantiopuros basados en fósforo y nitrógeno. Las actividades de investigación de la presente tesis también han demostrado la versatilidad y eficacia del complejo XBPhos-Rh combinado con AgBArF como catalizadores para las cicloadiciones [4+2] intramoleculares de dieninos. Esta reacción de cicloadición se aplicó de manera eficiente a un conjunto de dieninos estructuralmente diversos para obtener ciclos carbonados de seis miembros fusionados a un anillo de cinco miembros. Los productos se aislaron como ciclohexenos 1,4-no conjugados, sin que tuviera lugar la aromatización. También se ha sugerido una racionalización mecanística provisional que implica un mecanismo cooperativo con rodio y plata.