Title: NEW METHODOLOGIES FOR THE INTERCONVERSION OF REDUCING SUGARS BY ACTIVATION OF THE ANOMERIC CARBON
Language: English
Authors: Draskovits, Markus 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Kohlehydrat-Chemie; Organokatalyse; metallorganische Chemie; Carbene
carbohydrate chemistry; organocatalysis; organo-metallic chemistry; carbenes
Advisor: Mihovilovic, Marko  
Assisting Advisor: Stanetty, Christian  
Issue Date: 2020
Number of Pages: 243
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Kohlenhydrate werden regelmäßig als der größte chirale Pool der Natur bezeichnet, jedoch ist nur eine vergleichsweise kleine Gruppe von Vertretern tatsächlich leicht verfügbar (kommerziell und synthetisch). Dies führt zu zwei Mängeln: Einerseits wird nur ein relativ kleiner Satz von „Standard“ -Zuckern als chirales Ausgangsmaterial verwendet und andererseits werden Methoden typischerweise nur für denselben Satz von Sacchariden entwickelt, wodurch ein Teufelskreis entsteht. Wir sehen nun großes Potenzial in der Entwicklung direkter Methoden, die den reaktivsten Teil eines reduzierenden Zuckers im Fokus haben: Die Aldehydgruppe. Die Verwendung Carbonyl-selektiver Reagenzien soll den Bedarf an ausgefeilter Schutzgruppenchemie verringern.Diese Arbeit befasst sich einerseits mit der Indium-vermittelten Acyloxyallylierung ungeschützter Aldosen zur Verlängerung der Kohlenstoffkette und andererseits mit einer organokatalytischen Dehomologisierung von teilgeschützten Monosacchariden.Die Acyloxyallylierung wurde vor mehr als einem Jahrzehnt eingeführt, um ein ungeschütztes Monosaccharid durch zwei Kohlenstoffe (nach Ozonolyse) zu homologisieren. Dies führte jedoch nicht zu einer breiten Anwendung in der Kohlenhydratchemie. In einer detaillierten methodologischen Untersuchung wollten wir nun diese Transformation im Detail verstehen. Diese zeigte, dass das Reaktionsergebnis vorhersehbar ist und dass eine diastereodivergente Addition an das Carbonyl in Abhängigkeit von der Substitution des Eduktes erfolgt. Es wurde auch erreicht Indium mit Zink zu ersetzen, jedoch mit einem vollständigen Verlust an Selektivität, der durch eine neu entwickelte Quantifizierungsmethode mittels kalibrierter GC leicht bestimmt werden konnte. Diese Methode ermöglichte es uns auch, winzige Unterschiede in der Produktverteilung darzustellen, wenn sterisch unterschiedlich anspruchsvolle Reagenzien verwendet wurden. Die N-heterocyclische Carben (NHC) katalysierte Dehomologisierung von halbgeschützten Aldosen ist ein völlig neues Konzept in der Kohlenhydratchemie. Es wird ein in situ gebildetes stabiles Carben verwendet, das selektiv das Carbonyl angreift. Wir konnten nicht nur dieses Konzept einer kontrollierten und unterbrechbaren Dehomologation zeigen, sondern auch Schlüsselparameter identifizieren, die genau kontrolliert werden müssen, um eine selektive Transformation zu ermöglichen. Zusätzlich wurde geschafft, den Reaktionsausgang mittels Katalysatoren jeweils zu unterschiedlichen Produkten zu steuern. Weitere mechanistische Studien, um den gesamten Prozess besser zu verstehen, wurden ebenfalls durchgeführt. Sie zeigten, dass der Aldehyd eines reduzierenden Zuckers tatsächlich durch das im Konzept vorgeschlagene NHC aktiviert wird.

Carbohydrates are regularly referred to as the Nature’s largest chiral pool. However, only a comparably small set of representatives is actually readily available (commercially and synthetically). This leads to two shortcomings: On one hand, only a relatively small set of ‘standard’ sugars is used as chiral starting materials and on the other hand, methods are typically developed only for this same set of saccharides, creating a vicious cycle. We now see great potential in the development of straight forward methods, targeting the intrinsically most reactive part of any reducing sugar: the aldehyde moiety. The use of selective reagents to target only the carbonyl should decrease the need for elaborative protective group chemistry.On one hand this thesis deals with the indium mediated acyloxyallylation of unprotected aldoses to achieve an elongation of the carbon chain and on the other hand with an organocatalytic dehomologation of semi-protected monosaccharides. The acyloxyallylation was introduced more than a decade ago as an elegant way to homologate an unprotected monosaccharide by two carbons (upon ozonolysis). Anyhow, this did not lead to a broad applicability in carbohydrate chemistry. We aimed to understand this transformation in detail by conducting an in-depth methodological investigation. This showed that the reaction outcome is indeed predictable and moreover a diastereodivergent addition was observed, depending on the substitution pattern of the substrate. The mediation with zinc was also achieved for the first time for reducing sugars, but with a complete loss of selectivity, which was easily determined by a newly developed quantification method via calibrated GC. This method also allowed us to display minute differences in the product distribution when varying steric bulk was introduced in the used reagent. The N-heterocyclic carbene (NHC) catalysed dehomologation of semi-protected aldoses is a completely new concept in carbohydrate chemistry. It uses a stable carbene, formed in situ, as a highly aldehyde selective organocatalyst. We could not only prove the concept of a controlled interceptable dehomologation, but were also able to identify key parameters, which have to be precisely controlled to allow a selective transformation. In addition, a catalyst controlled divergent reaction outcome was found. Further mechanistic studies to understand the whole process in more detail were also carried out, which showed that the aldehyde moiety of a reducing sugar is indeed activated by the NHC as proposed in the concept.
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.81483
http://hdl.handle.net/20.500.12708/15243
DOI: 10.34726/hss.2020.81483
Library ID: AC15713451
Organisation: E163 - Institut für Angewandte Synthesechemie 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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