Ion-aggregation and its impact for asymmetric catalysis

Abstract

Angesichts des wachsenden Bewusstseins für wirtschaftliche und nachhaltige chemische Umwandlungen ist das Gebiet der Katalyse von besonderem Interesse. Mit der hohen Nachfrage nach enantiomerenreinen Produkten für pharmazeutische und landwirtschaftliche Anwendungen wurden katalytische Reaktionen mit chiralen Katalysatoren in den letzten Jahrzehnten besonders attraktiv.Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und Anwendung neuer chiraler Katalysatoren für asymmetrische Transformationen. Insgesamt wurden vier verschiedene Teilprojekte durchgeführt.(1) Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Anwendung von ionisch modifizierten chiralen Liganden für Ruthenium-katalysierte asymmetrische Transferhydrierungen in wässrigen Medien. Die Feinabstimmung der Ligandenstruktur zusammen mit der Wahl des Anions führte zu wasserlöslichen chiralen Liganden, die unter umweltfreundlichen, wässrigen Bedingungen eine hohe katalytische Aktivität und eine hohe Enantioselektivität zeigten.(2) Der zweite Teil befasst sich mit der Entwicklung einer neuen Strategie für organokatalytische asymmetrische Transferhydrierungen. Das Konzept der gegenionenverstärkten Katalyse beruht auf der Ionenpaarung natürlicher L-Aminosäuren als Quelle der Chiralität mit racemischen atropisomeren Phosphorsäuren. Diese chiralen Gerüste erwiesen sich in Kombination mit Hanztschestern als biomimetische Wasserstoffquelle als leistungsstarkes Werkzeug für die asymmetrische Transferhydrierung cyclischer Enone und bieten gleichzeitig eine einfachere Alternative zu aktuellen Katalysatorsystemen.(3) Das dritte Projekt konzentriert sich auf die Synthese und Anwendung von modularen Trost- Liganden mit P,O-Bindungsmotiv. Ein kleines Set einfach hergestellter Carbamat-Monophosphat-Liganden wurde für asymmetrische allylische Alkylierung unter Verwendung aktivierter Allylelektrophilen angewendet. Eine hohe katalytische Aktivität und eine gute bis ausgezeichnete Enantioselektivität wurden sowohl für die Allylierung von Carbonucleophilen als auch von Aminen beobachtet.(4) Das letzte Projekt konzentriert sich auf die direkte α-Allylierung von α-verzweigten Aldehyden mit Allylalkoholen. Das katalytische Drei-Komponenten-System bestehend aus einem chiralen Amin, einer atropisomeren Phosphorsäure und einer Palladiumquelle ermöglichte die reibungslose Quaternisierung von Aldehyden mit schwach elektrophilen Allylalkoholen über Pd/Enamin-Doppelaktivierung, was zu hohen isolierten Ausbeuten und ausgezeichneter Enantioselektivität führte.

In light of the growing awareness for economic and sustainable chemical transformations, the field of catalysis is of special interest. Given the high demand for enantiomerically pure products for pharmaceutical and agricultural applications, catalytic reactions involving chiral catalysts became particularly attractive in the last decades. This thesis is dedicated to the synthesis and application of new chiral catalysts for asymmetric transformations. In total, four different sub-projects were carried out.(1)The first part of this work concentrates on the application of ion-tagged chiral ligands for ruthenium-catalyzed asymmetric transfer hydrogenations in aqueous media. The fine tuning of the ligand structure together with the choice of anion resulted in water-soluble chiral ligands, which showed high catalytic activity and high enantioselectivity under environmentally benign, aqueous conditions.(2)The second part focuses on the development of a novel strategy for organocatalytic asymmetric transfer hydrogenations. The concept of counterion enhanced catalysis relies on the ion-pairing of natural L-amino acids as source of chirality with racemic, atropisomeric phosphoric acids. These chiral frameworks, in combination with Hanztsch esters as biomimetic hydrogen source were found to be a powerful tool for the asymmetric transfer hydrogenation of cyclic enones while providing a simpler alternative to current state-of-art catalyst systems.(3)The third project concentrates on the synthesis and application of Trost Modular Ligands with P,O-binding motif. A small set of easily prepared carbamate-monophosphate ligands was applied for asymmetric allylic alkylations using activated allylic electrophiles. High catalytic activity and good to excellent enantioselectivity was observed both for the allylation of carbonucleophiles and amines.(4)The last project focuses on the direct α-allylation of α-branched aldehydes with allylic alcohols. The three-component catalyst system comprising of a chiral amine, an atropisomeric phosphoric acid and a palladium source enabled the smooth quaternization of aldehydes with poorly electrophilic allylic alcohols via Pd/enamine dual activation, yielding high isolated yields and excellent enantioselectivity.