Synthesis of vaulted N-heterocyclic carbenes

Abstract

In Chapter I, we describe our efforts to synthesize novel “vaulted” N-heterocyclic carbenes (NHCs) designed to function as organocatalysts compatible with aqueous reaction conditions. Despite the explosion of research on the topic of NHCs and their applications in organocatalysis, one major remaining limitation is that their use is so far incompatible with water as the solvent or cosolvent. Inspired by the simple method for the synthesis of arylated naphthlamines reported by the Daugulis group, we sought to use them as N-substituents on imidazolium salts that sterically block the top and bottom faces of the heterocycle. In the resulting stabilized NHCs model, the axial attack of water at C2 would therefore be blocked, preventing any undesired hydrolytic ring-opening degradation reaction. We report our synthetic explorations toward the preparation of vaulted NHCs by diverse routes, with different aryl group substituents. In Chapter II, we expand our efforts toward the synthesis of vaulted NHCs by introducing spirobifluorenes as a replacement for the arylated naphthylamines. 9,9’-Spirobifluorene have become an important molecular scaffold featuring high steric demand and rigid structure with perpendicular arrangement between the planes of the two fluorene units. Our synthetic route toward spirobifluorenylamines, inspired by the Chinese patent literature, relies the tandem 1,2-addition of an aryl Grignard reagent onto first an aryne intermediate, and then the ketone group of 9-fluorenone. The preparation of vaulted NHCs bearing spirobifluorene substituents would broaden the possible applications of the vaulted NHC model concept.;본 연구는 물에서도 유지될 수 있는 새로운 아치형의 N-heterocyclic carbenes (NHCs) 유기 촉매의 분자구조를 설계하였다. 현재까지 NHC와 관련된 많은 연구들이 진행되어왔지만, 반응성이 높은 카빈 탄소 구조로 NHC를 이용한 촉매 반응은 무수조건으로만 진행되어야 하는 한계점이 있다. 따라서 이중 고리 구조의 기능기를 통해 NHC의 C2 부분을 위, 아래 수직 방향으로 보호하여 물의 공격을 막아내, 기존 NHC의 문제점이었던 고리 열림 분해로부터 NHC를 안정화시키는 분자구조를 설계하였다. 본 논문에서는 이와 관련된 다양한 aryl 기능기를 붙인 합성법들을 소개한다. 제 1장에서는 Daugulis 팀의 aryl기가 달린 나프틸아민 합성법을 통해 아이디어를 얻은 aryl기를 붙인 나프틸아민을 NHC의 기능기로 설계한 아치형 NHC 합성법에 대해 소개한다. 다양한 aryl기를 붙여보며 많은 합성법들을 접근시켜본 결과, 나프틸아민으로부터 formamidine 형성하는 방법이 가장 좋은 결과를 낸다는 것을 밝혀냈다. 이렇게 형성된 formamidine은 포화된 아치형의 imidazolium salt와 불포화 된 아치형의 imidazolium salt 형성에 사용될 수 있으며, 각각의 타겟 물질 역시 성공적으로 합성 시킬 수 있었다. 제 2 장에서는 제 1 장에서와 달리, 나프틸아민 대신에 아민기가 달린 spirobifluorene을 NHC의 기능기로 붙인 구조를 설계하였다. 9,9’-spirobifluorene은 입체적으로 단단한 구조를 지니며 두 개의 fluorene가 서로 수직 배열의 특징을 지닌 중요한 분자적 scaffold가 되었다. Spirobifluorenyl-아민의 합성은 중국의 특허논문으로부터 영감을 얻을 수 있었다. 이는 aryne 중간체에 aryl 그리냐드 반응물을 1,2-첨가를 한 후 이어서 9-fluorenone의 케톤에 첨가하는 방식이다. 현재까지는 spirobifluorenyl-아민의 합성을 성공해낸 상태이며 모든 신물질의 합성은 HRMS로 확인할 수 있었다. 제 1장에서의 합성 접근법들을 참고하여 spirobifluorenyl-아민기를 이용한 다양한 imidazolium salt 형성의 합성법들이 연구 중에 있다. Spirobifluorene 기능기를 단 아치형의 NHC 구조는 아치형의 NHC 구조 컨셉의 적용방안을 훨씬 넓혀줄 것이다.