Study of intramolecular ODDCOM (organocatalytic deoxygenative dicarbonyl-olefin metathesis)

Abstract

The olefin metathesis method relies on an organometallic catalyst as a method for synthesizing alkene. Despite its incomparable utility, the high cost of platinum group metal catalysts and their poor environmental sustainability represent limitations. Moreover, certain applications that are vulnerable to the presence of trace amounts of metal residues, such as in the pharmaceutical industry or the electronic organic materials industry, may be less well-suited for the use of these catalysts. More recently, carbonyl-olefin metathesis methods using an organic catalysts, and thus without the need for these metals, have been developed. Following these directions, the research project described in this thesis focuses on the development of organocatalytic deoxygenative dicarbonyl-olefin metathesis (ODDCOM) reactions. The ODDCOM reaction relies on the conversion of carbonyl compounds into carbogenic imines upon reactions with amines such as N-aziridinylamines. The resulting imines react with an N-heterocyclic carbene (NHC) catalyst to generate an N-heterocyclic olefin (NHO) intermediate, which itself react with a second carbongenic imine to result in the overall deoxygenative formation of an alkene. Mechanistically, this reaction is distinct from the McMurry approach for the formation of alkenes from carbonyls, which occurs through electron-transfer chemistry. On the contrary, the ODDCOM reaction is more closely related to the anionic cyclization of N-aziridinylimines reaction published by Sunggak Kim's lab in 1999, with the difference that the initiating nucleophile is an NHC organocatalyst. In this project, we studied intramolecular cyclizations using the ODDCOM reaction. For this, a series of dicarbonyl compounds was first synthesized. A total of five dicarbonyl compounds were successfully prepared, in addition to various unsuccessful examples that are included in this thesis. Among them, four dicarbonyl compounds were successfully reacted with N-aziridinylamines to produce N-aziridinylimines. The ODDCOM reaction was studied for a total of three imine compounds, in addition to fluorinated analogues differing only by the presence of fluorine atoms acting as 19F-NMR tags. The study explored four reaction variables: various NHC precursors (thiazoliums, triazoliums, imidazoliums scaffolds), base, solvent, and temperature (RT, 40˚C, 60˚C, 80˚C). The results confirm the production of the target alkenes, albeit in yields of 30% or less. In all cases, the reaction did not proceed at RT, and moderate heating (40-80˚C) was required to induce reactivity. In addition, optimal conditions (and/or conditions to be avoided) for each compound could be obtained. Unfortunately, each substrate required its own set of reaction conditions to obtain optimal results. In particular, success of the reaction requires the identification of an appropriate solvent depending on the substrate, different reactions behaviors were observed for different substrates in one given solvent. Similarly, no general trends regarding the best NHC catalysts were found. Furthermore, a background, uncatalyzed reaction that also features a high solvent-dependence can also take place. However, the use of K2CO3 as a base in THF solvent showed promising results for the three families of substrates. It is expected that better results will be obtained if more appropriate conditions are tried based on the characteristics of the optimal conditions identified in this study.;올레핀 복분해 (olefin metathesis) 방법은 알켄을 합성하는 방법으로 다양한 방면에서 유용하게 쓰인다. 그러나 이 방법이 의존하고 있는 백금족 금속(Platinum Group metal) 촉매는 높은 비용과 지속 불가능한 자원이라는 한계점이 있다. 더불어, 제약 산업 또는 전자 유기 재료 산업과 같이 미량의 금속 잔류물에도 민감한 특정 분야에는 이와 같은 금속 촉매 사용이 덜 적합할 수 있다. 보다 최근에는 유기 촉매를 사용하여 백금족 금속 촉매가 필요 없는 카보닐-올레핀 복분해 방법이 개발되었다. 이러한 연구 방향에 따라 이 논문은 유기 촉매 탈산소 다이카보닐-올레핀 복분해 (organocatalytic deoxygenative dicarbonyl-olefin metathesis, ODDCOM) 반응의 개발에 중점을 두고 있다. ODDCOM 반응은 N-아지리디닐 아민 (N-aziridinylamine) 같은 아민과의 반응에 따라 카보닐 화합물이 탄소 생성 (carbongenic) 이민으로 전환된 후, 생성된 이민은 N-헤테로사이클릭 카빈 (N-heterocyclic carbene, NHC) 촉매와 반응하여 N-헤테로사이클릭 올레핀 (N-heterocyclic olefin, NHO) 중간체를 생성한다. 이 중간체는 자체적으로 두 번째 탄소 생성 이민과 반응하여 탈산소 알켄 형성을 초래한다. 이 반응은 전자 전달 화학을 통해 카보닐로부터 알켄을 형성하는 McMurry 접근 방식과는 기계적으로 다르다. 또한, ODDCOM 반응은 1999년 김성각 연구실에서 발표한 N-aziridinylimines 반응의 음이온 고리화와 더 밀접하게 관련되어 있는데, 반응을 시작하는 친핵체가 NHC 유기촉매라는 차이점이 있다. 본 논문에서 우리는 분자내 고리화 ODDCOM을 연구하였다. 이를 위해 먼저 다이카보닐 화합물을 합성하였다. 이 논문에는 총 다섯 가지 다이카보닐 화합물을 합성하는 과정을 비롯하여 합성하지 못한 다이카보닐에 대한 여러가지 시도 또한 포함되어있다. 그 중 네 가지의 다이카보닐 화합물은 N-aziridinyl amine과 반응하여 N-aziridinyl imine을 생성하는 데 성공하였다. 그 중 19F-NMR 태그로서 작용하는 플루오린의 유무를 빼고는 서로 같은 화합물 하나를 제외하고 총 세 가지 이민 화합물에 대한 ODDCOM 반응을 연구하였다. 연구는 여러 NHC 전구체 (thiazoliums, triazoliums, imidazoliums scaffolds)와 염기, 용매와 온도 (RT, 40℃, 60℃, 80℃)라는 네 가지 변화 조건에 대해 탐색하였다. 결과적으로 약 30 퍼센트 이하의 생성율로 알켄화합물을 생성한다는 것을 확인할 수 있었다. 모든 경우에서 RT에서는 반응이 진행되지 않았으며 반응성을 일으키기 위해 적당한 가열 (40-80℃)이 필요하였다. 또한 각 화합물에 대한 최적조건이나 기피조건을 얻을 수 있었는데 안타깝게도 각 기질은 서로 최적의 조건을 공유하지 않았고 각자 고유한 반응 조건을 필요로 하였다. 특히 같은 용매에 대해 서로 극단적으로 다른 결과를 보여 기질에 따라 적절한 용매를 찾는 것이 중요했다. NHC 또한 공통적인 경향을 발견할 수 없었다. 그러나 THF 용매에서 K2CO3를 염기로 사용하는 것은 세 가지 기질에 대해 유망한 결과를 보여주었다. 본 연구에서 얻은 최적 조건의 특징을 바탕으로 더 적절한 조건을 시도해본다면 더욱 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대한다.