Bifunctional N-H activation and oxidative transition metal catalysed diamination of alkenes

par Jan Streuff

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Kilian Muniz.

Soutenue en 2008

à l'Université Louis Pasteur (Strasbourg) .

  • Titre traduit

    Activation biofonctionnelle de liaisons N-H et diamination d'alcènes catalysée par métaux de transition


  • Résumé

    Cette thèse traite de l'activation de liaisons N-H ainsi que du transfert catalytique d'atome d’azote vers des alcènes non-activés. Dans une première partie, l'activation des liaisons N-H par des métaux de transition du groupe VIII a été étudiée. Il a été démontré que les complexes de Ru, Rh et Ir basés sur les catalyseurs d'hydrogénation de transfert de Noyori activent la liaison N-H des amides avec une grande bande passante en acidité (Schéma 1). Ainsi, des complexes énantiomériquement purs d'acrylamide, benzamide et de divers sulfonamides ont pu être isolés. Ils présentent une grande stabilité et deux parmi douze ont été caractérisés à l'aide d'une structure aux rayons X. Pendant la formation extrêmement rapide du complexe (seulement quelques secondes à - 60°C dans THF-d8), un rapide échange des hydrogènes des atomes d'azote du ligand a eu lieu comme observé pour les amides deutérés. La seconde partie de la thèse traite de la transformation d'alcènes désactivés en une fonction azotée. La première diamination catalysée d'oléfines a ainsi été développée (Schéma 2). Les N-tosylurées, liées à un alcène, permettent une réaction de diamination hautement sélective lors de l’ajout, en quantités catalytiques, d'acétate de palladium, d’1 éq. NaOAc/Me4NCl (1:1, n/n) et de (diacetoxyiodo)benzène en tant qu’oxydant. Cette réaction permet d'obtenir de très bon rendement dans le cas d'une diamination. Elle est réalisable á température ambiante et ne nécessite pas de conditions strictes. Il n'y a pas de dépendance significative à la polarité du solvant ou à la source de Pd(II) utilisée. La réaction est entièrement diastéreoselective et se produit via un mécanisme Pd(II)/(IV) qui consiste en une syn-aminopalladation, une oxydation du Pd(II) en Pd(IV) et enfin une élimination anti réductrice de Pd(II) (Schéma 3). L'inconvénient majeur d'une telle méthode de développement réside en la déprotection difficile des imidazolidinones résultantes, en diamines libres. Ainsi la diamination des sulfamides correspondants, portant des groupes protecteurs différents, a été envisagée. Lorsque les conditions de la précédente catalyse au palladium ont été appliquées à ces substrats, une aminoacétoxylation selective a été observée. Etonnamment, une expérimentation plus poussée a révélé que, non seulement les urées, mais également les sulfamides et les guanidines cyclisent de façon sélective pour donner le produit de diamination. Les rendements sont élevés lorsque des sels de nickel(II) sont employés en tant que catalyseurs (Schéma 4). Des expériences sur des urées deutérées ont montré que l'une des deux étapes du mécanisme (aminométallation ou élimination réductrice) doit être inversée en comparaison avec la catalyse au palladium(II); étant donné que la configuration relative du produit est changée. Ainsi, cette diamination catalysée par du nickel est plus économique, les produits de départ sont facilement accessibles. Des expériences approfondies démontrent une déprotection facile, partielle ou totale, des sulfamides cyclisés. Ceci permet une application plus simple et plus diversifiée que le protocole palladium-urée. Pour démontrer l'applicabilité de la méthode décrite précédemment, une diamination de guanidines catalysée par du palladium a été établie. Plus précisément, l'oxydant dangereux pourrait être remplacé par du chlorure de cuivre(II) et 1 éq. De K2CO3 en tant que base se trouve être le meilleur choix. A nouveau, la réaction se fait de façon hautement sélective et conduit aux guanidines cycliques avec de très bons rendements. Ce protocole est une nette amélioration des guanidinylations connues dans la littérature qui consistent en de laborieuses synthèses multi-etapes (Schéma 5). Un travail sur une application de la diamination des guanidines dans la synthèse d'un produit naturel est toujours en cours et conclura la thèse en tant que dernier chapitre. Des recherches supplémentaires ont été effectuées sur la diamination des butadiènes et sont décrites en détail dans la thèse. Une variante de la diamination utilisant des bromures ainsi que des iodures en tant que catalyseurs a également été étudiée.


  • Résumé

    The thesis deals with the activation of N-H bonds and the catalytic nitrogen transfer to unactivated alkenes. According to this the activation of nitrogenhydrogen bonds by group 8 transition metals was explored in the first part of the thesis. It was shown that ruthenium-, rhodium- and iridiumcomplexes based on the Noyori transferhydrogenation catalyst activate N-H bonds of amides with a great bandwidth in acidity. Thus enantiomerically pure, extremely stable metal complexes of acrylamides, benzamides or diverse sulfonamides could besolated. Two complexes out of twelve have been characterized by crystal structures. During the ultrafast complex formation (a few seconds at -60°C in THF-d8) a fast scrambling of the hydrogens on the ligands' nitrogen atoms took place as observed for deuterated amides. The second Part of the thesis is about nitrogen functionalization of unactivated alkenes. The first catalyzed diamination of olefins was developed. N-tosylureas, tethered with an alkene, perform a highly selective diamination reaction when catalytic amounts of palladium acetate, 1eq. NaOAc/Me4NCl (1:1, n/n) and iodosobenzene diacetate as oxidant are added. The reaction gives very high yields of the diamination product, proceeds at room temperature and emerged to be very robust. There is no significant dependence on solvent polarity or the palladium(II) source applied. The completely diastereoselective reaction proceeds via a Pd(II)/(IV) mechanism which consists of a (syn)-Aminopalladation, oxidation to Pd(IV) and subsequent reductive (anti)- elimination of Pd(II). The major drawback of the such developed method is the difficult deprotection of the resulting imidazolidinones to the free diamine. Hence the diamination of corresponding sulfamides bearing different carbamate groups was envisioned. When the conditions of the previous palladium catalysis were applied to these substrates either selective aminoacetoxylation was observed. Surprisingly, further screening experiments revieled that not only ureas but also sulfamides and guanidines selectively cyclise to the diamination products in high yields when nickel(II) salts are employed as catalyst. Deuterium experiments on ureas showed that one of the two mechanistic steps (aminometallation or reductive elimination) must be inverted compared to the Pd(II) catalysis since the relative configuration of the product is changed. The thus developed nickel catalysed diamination is more economic, the starting materials are easily accessable and further experiments proof the facile partial or complete liberation of the free diamine from the cyclised sulfamides. This allows for an easier and more versatile follow-up chemistry compared to the palladiumurea protocol. To show the applicability of the previously described methodology a palladium catalysed diamination of guanidines was established. More precisely the hazardous oxidant could be changed to copper(II) chloride and as base 1 eq. Of K2CO3 prove to be the best choice. Again, the reaction proceeds highly selective and furnishes the cyclic guanidines in excellent yields. This protocol is a great improvement to literature known guanidinylations which consist of laborious multiple step syntheses. Work on an application of the diamination of guanidines in natural product synthesis is still in progress and will conclude the thesis as the last chapter. Additional investigations have been carried out on the diamination of butadienes and are described within the thesis in detail. Also a diamination variant employing bromides or iodides as catalysts has been worked out.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (III-362 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 347-362

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2008;5639
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