Catalytic diboration reaction towards the organic functionalization

Abstract

Els compostos organoborats són intermedis de reacció molt valuosos en síntesi orgànica, degut a que l'enllaç carboni-bor pot ser derivatitzat de múltiples maneres. La diboració catalitzada d'alquins i alquens ha estat ampliament estudiada en els darrers quinze anys, essent la diboració catalitzada d'alquins un procés en el que s'han obtingut elevats rendiments i activitats. No obstant això, en la diboració catalitzada d'alquens la presència de la reacció secundaria de b-eliminació de H sempre s'ha presentat com un seriós inconvenient, impedint un bon compromís entre activitat catalítica i quimioselectivitat. <br/>En el primer capítol de la present tesi es recull l'evolució a través de la bibliografia de les reaccions de diboració d'alquens i alquins, els diferents metalls i lligands utilitzats en la reacció catalítica de diboració i els estudis mecanístics que s'han realitzat fins a data d'avui. Tanmateix, s'han posat de manifest les diferents derivatitzacions que s'han dut a terme a partir d'intermitjos organoborats. També es descriu breument la tècnica de les microones. Com a punt final del capítol, s'introdueixen els objectius de la tesi, incloent-hi el desenvolupament de nous sistemes catalítics que millorin l'activitat, quimioselectivitat i enantioselectivitat dels catalitzadors reportats prèviament en la reacció de diboració catalítica, l'estudi del mecanisme de la reacció de diboració d'alquens catalitzada per rodi, i la busqueda de nous mètodes de fluorofuncionalització d'esters vinic(bisboronics). <br/>En el segon capítol es descriu l'activitat, quimioselectivitat i enantioselectivitat de diferents precursors catalítics en la diboració catalitzada d'alquens i alquins. En el primer apartat es porta a terme un estudi en profunditat de la diboració d'alquens catalitzada per compostos de Rh(I), observant-se que en aquest cas els efectes estèrics en el diborà tenen un efecte dramàtic en la quimioselectivitat de la reacció. També s'observa que el lligand que ofereix una major quimioselectivitat es el DPPM (bis(difenilfosfino)metà), mostrant una influència del bite angle del lligand, mentre que el lligand QUINAP (1-(2-difenilfosfino-1-naftil)isoquinolina) és el que ofereix una major enantioselectivitat. En els següents apartats es descriu la utilització de diferents complexos d’or, argent, coure i platí modificats amb lligands carbens, els quals augmenten la quimioselectivitat de la reacció, reduïnt la producció de subproductes de b-eliminació de H. Malgrat que s’han utilitzat diferents carbens quirals, només en un cas s’ha aconseguit induir asimetria, utilitzant un complex de Cu(I) modificat amb un lligand carbé quiral, però comprometent la quimioselectivitat. També es descriu l’aplicació de carbens de platí i coure a la diboració catalitzada d’alquins, obtenint-se bons resultats d’activitat i quimioselectivitat. La utilització d’unes noves condicions de reacció, en les que es requereix un excés de diborà (2 eq.) i l’addició d’una base (NaOAc), fa que precursors catalítics en principi inactius, com complexos d’Au(I) modificats amb lligands difosfina tipus BINAP (2,2'-bis(difenilfosfino)-1,1'-binaftil), donin bons resultats d’activitat i quimioselectivitat, encara que malauradament no indueixen asimetria. Per últim, es descriu l’aplicació de les tècniques de microones com a mitjà d’acceleració en la diboració d’alquins catalitzada per Pt(0), disminuint-se espectacularment els temps de reacció. En el tercer capítol de la tesi es porta a terme un estudi mecanístic de la reacció de diboració d’alquens catalitzada per Rh(I)-QUINAP. En primer lloc es porta a terme un estudi de RMN (Ressonància Magnètica Nuclear) per a detectar les possibles espècies metàl·liques implicades. A partir d’aquí, es realitza un estudi computacional DFT (Density Functional Theory) del mecanisme de reacció, observant-se que després de l’addició oxidant es produeix la inserció de l’alqué en un enllaç Rh-B, seguida d’un reordenament per a ocupar la posició vacant creada, finalitzant amb la eliminació reductora del producte, essent el camí més favorable aquell en el qual l’alquè queda coordinat trans al nitrogen del lligand QUINAP. L’estudi de la reacció secundària de b-eliminació de H demostra que la utilització de BINAP com a lligand l’afavoreix, en comparació amb la utilització del lligand QUINAP. <br> En el quart capítol es descriu la flurofuncionalització d’ésters vinil (bisborònics), la qual dóna lloc a la formació de cetones a,a-difluorades a través d’un procés de fluoració electròfila. Primer de tot, es fa una petita introducció als processos de fluoració electròfila, amb especial interès en la fluoració electròfila de compostos organosilats, els quals estan força relacionats amb els compostos organoborats. La reacció es duu a terme a partir dels alquins, a través d’un procés tandem de diboració catalítica/fluoració electròfila. Només els esters vinil(bisborònics) derivats del bis(pinacolato)diborà són susceptibles d’ésser derivatitzats d’aquesta manera. Els alquins interns són més actius que els alquins terminals. També es descriu la síntesi d’a,a-difluoroimines directament a partir d’alquins mitjançant un procés tandem de diboració catalítica/fluoració electròfila/iminació, l’eficiència del qual depen de les propietats electròniques del sustrat. <br>Per últim, en el capítol 5 es descriu la fluoració electròfila asimètrica d’a- nitroésters, la qual es porta a terme mitjançant la utilització d’auxiliars quirals derivats d’alcaloids de cincona, obtenint-se excessos enantiomèrics de fins a un 40%.

Organoboron compounds are very useful intermediates in organicsynthesis, because the carbon-boron bond can be cleaved in a variety of ways leading to the formation of useful functional groups. The catalyzed diboration ofalkenes and alkynes has been widely studied in the last 15 years, obtaining high yields and activities in the alkyne catalyzed diboration reaction. However, when alkenes are used as substrates in the catalyzed diboration reaction, the problem of b-hydride elimination could arise, preventing a good agreement between catalytic activity and chemoselectivity. <br>In the first chapter of this thesys an overview of the precedents of the diboration reactions of alkenes and alkynes is presented, including the different metals and ligands used in this reactions and the mechanistic studies published to date. Moreover, there has been collected the different derivatizations of organoboron intermediates carried out. The microwave technique is also described briefly. Finally, the scope of this thesys is explained, including the development of new catalytic systems which improve the activity, chemoselectivity and enantioselectivity of the catalytic systems previously reported, the study of the mechanism of the rhodium catalyzed alkene diboration reaction, and the search of new routes for the fluorofunctionalization of organoboron compounds. <br>In the second chapter, the activity, chemoselectivity and enantioselectivity of different catalytic precursors in the alkene and alkyne catalytic diboration reaction is described. In the first part, a deep study on the rhodium catalyzed alkene diboration reaction is carried out, finding in this case that the steric effects on the diborating reagent have a dramatic effect on the chemoselectivity of the reaction. It is also observed that the DPPM (bis(diphenylphosphino)methane) is the ligand which provide a better chemoselectivity, showing an important bite angle influence on the ligand, while QUINAP (1-(2-diphenilphosphino-1-naphthyl)isoquinoline) is the ligand which offers a higher enantioselectivity. In the next parts it is described the utilization of different gold, silver, copper and platinum complexes as catalyst precursors, which improve the chemoselectivity of the reaction, reducing the b-hydride elimination side reaction. Despite several chiral carbene modified complexes have been used, only in one case some enantioselectivity was induced, using a carbene modified copper complex, but reducing chemoselectivity. It is also described the application of arbene modified copper and platinum complexes as catalyst precursors in the alkyne diboration reaction, obtaining good results in activity and chemoselectivity. The utilization of new reaction conditions, in which an excess of the diborating reagent (2 eq.) and the addition of a base (NaOAc) is required, improve the activity of catalytic systems like BINAP 2,2’-bis(difenilfosfino)-1,1’-binaphthyl) modified gold complexes, whose activity was very low under the typical conditions; unfortunately, no enantioselectivity was obtained in this case. Finally, it is described the application of microwave techniques to the platinum catalyzed alkyne diboration reaction, in order to reduce the reaction times.In the third chapter, an in-depth study of the mechanism of the Rh(I)-catalyzed alkene diboration reaction is described. First of all, an NMR (Nuclear Magnetic Ressonance) study was carried out in order to identify plausible intermediates. Next, a DFT (Density Functional Theory) study of the reaction mechanism was carried out, finding that after the oxidative addition of the diborane, an insertion of the alkene into a Rh-B bond is produced, followed by an internal rearrangement in order to ocupy the vacant position created, and,finally, reductive elimination of the product is produced, being the most favourable path that in which the alkene is placed trans to the nitrogen of the QUINAP ligand. The study of the b-hydride elimination side reaction shows that the utilization of BINAP as ligand favours it, with respect to the utilization of QUINAP. <br>In the fourth chapter, the fluorofunctionalization of cis-1,2-bis(boryl)alkenes is described, leading to the formation of a,a-difluorinated ketones through an eletrophilic fluorination process. First of all, a little introduction to the electrophilic fluorination processes is made, with special interest to the electrophilic fluorination of organosilanes, which are quite similar to the organoboron compounds. The reaction is carried out starting from alkynes, through a tandem catalytic diboration/electrophilic fluorination process process. Only the cis-1,2-bis(boryl)alkenes derived from bis(pinacolato)diboron are susceptible to the fluorination process. Internal alkynes are more reactive than terminal ones. It is also described the synthesis of a,a-difluoroimines directly from alkynes through a tandem catalytic diboration/electrophilic fluorination/imination process, the efficiency of which depends on the electronic properties of the substrate.<br>Finally, in the fifth chapter, the asymmetric electrophilic fluorination of a-nitro esters is described. This process was carried out using cinchona derivatives chiral auxiliaries, obtaining enantiomeric excesses up to 40%.