Organocatalytic addition of carbon and oxygen nucleophiles to C-O electrophiles

Abstract

Various methodologies utilizing alkyl metal compounds or metal salts in combination with a chiral ligand are used to transform aldehydes or ketones and terminal alkynes to propargylic alcohols. Virtually none of the established transition metal-catalyzed protocols are universally applicable to aliphatic as well as aromatic aldehydes and ketones. On the other hand simple procedures utilizing cheap and easy manageable alkaline bases are comparable concerning reactivity and tolerance but afford no chiral induction. We developed alkynylations of various aldehydes and ketones under practical phase-transfer conditions at room temperature. This straightforward methodology combines one-pot synthesis and simple workup with good to excellent yields for propargylic alcohols derived from aliphatic aldehydes and ketones. Even aromatic aldehydes and ketones could be transformed to the corresponding propargylic alcohols in slightly lower yields. As the coordination between the PT-catalyst and the in situ generated carbanion is implied in this and other PTC reactions, we also made efforts to develop stereoselective alkynylations utilizing chiral PT-catalysts. The addition of alcohols to epoxides leads to the synthetically important class of beta-alkoxy alcohols. As alcohols behave as poor nucleophiles in such substitution reactions the methodologies applied reach from simple BrØnsted acid catalysis to SET involving redox processes. Due to the SN2-akin reaction type, only racemic mixtures can be obtained from non-enantiopure material. Chiral Lewis acids lead to desymmetrizations in case of meso-epoxides and kinetic resolutions when unsymmetric racemic epoxides are implemented. We present a mild and efficient method for the completely regioselective alcoholysis of styrene oxides utilizing a cooperative Brønsted acid type organocatalytic system comprised of equimolar amounts of mandelic acid (1 mol%) and N,N´-bis-[3,5-bis- (trifluoromethyl)phenyl]-thiourea (1 mol%). Various styrene oxides are readily transformed into their corresponding beta-alkoxy alcohols in good to excellent yields at full conversion. Simple aliphatic, sterically demanding as well as unsaturated and acid sensitive alcohols can be employed. Utilizing mandelic acid as chiral catalyst stereoselective transformations of epoxides to the corresponding ß-alkoxy alcohols are under investigation. Zur Darstellung von Propargylalkoholen aus Aldehyden und Ketonen mit terminalen Alkinen existieren eine Reihe verschiedener Methoden, welche Alkyl-Metallverbindungen oder Metallsalze in Kombination mit chiralen Liganden benötigen. Keine der gängigen Übergangsmetall-katalysierten Methoden ist jedoch universell und auf aliphatische, sowie aromatische Aldehyde und Ketone anwendbar. Andererseits liefern einfache Prozeduren unter Verwendung kostengünstiger und einfach zu handhabender Alkalibasen vergleichbare Ergebnisse, bezogen auf Reaktivität und Toleranz, bieten aber nicht die Möglichkeit chiraler Induktion. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, welche Alkinylierungen von verschiedenen Aldehyden und Ketonen unter praktikablen Phasentransfer Bedingungen bei Raumtemperatur ermöglicht. Die unkomplizierte Prozedur kombiniert Eintopfsynthese-Bedingungen mit einfacher Aufarbeitung der Produkte, welche in guten bis exzellenten Ausbeuten im Falle aliphatischer Aldehyde und Ketone erhalten werden können. Selbst aromatische Aldehyde und Ketone konnten zu den entsprechenden Propargylalkoholen mit etwas niedrigeren Ausbeuten umgesetzt werden. Da, wie im Falle anderer PT-Reaktionen auch, eine Koordination des in situ dargestellten Carbanions und des Phasentransfer-Katalysators angenommen wird, wurden erste Versuche zur stereoselektiven Darstellung von Propargylalkoholen mit chiralen PT-Katalysatoren unternommen. Die nucleophile Addition von Alkoholen an Epoxide liefert beta-Alkoxyalkohole, eine synthetisch wichtige Substanzklasse. Da Alkohole aber schlechte Nucleophile für solche Substitutionsprozesse darstellen, existieren unterschiedliche Methoden, von einfacher Brønsted-Säure-Katalyse bis hin zu Redox-Systemen mit Ein-Elektonen-Übertragungsprozessen, welche das eingesetzte Elektrophil (hier das Epoxid) zusätzlich aktivieren. Aufgrund des SN2-artigen Verlaufs einer solchen Ringöffnung mit Inversion am elektrophilen Zentrum, liefern alle gängigen Reaktionsprotokolle ausschließlich racemische Gemische der entsprechenden ß-Alkoxyalkohole, für den Fall, dass das verwendete Epoxid ebenfalls als Racemat eingesetzt wurde. Chirale Lewis-Säuren führen im Falle von meso-Epoxiden zur Desymmetrisierung und im Falle unsymmetrischer Epoxide zu kinetischer Racematspaltung. Als Alternative zeigen wir ein mildes und effizientes Protokoll einer komplett regioselektiven Alkoholyse von Styroloxid mittels kooperativer Brønsted-Säure Katalyse, bestehend aus Mandelsäure (1 mol%) und N,N´-Bis-[3,5-bis-(trifluormethyl)phenyl]-thioharnstoff (1 mol%). Verschiedene Styroloxide konnten bequem zu den entsprechenden beta-Alkoxyalkoholen mit guten bis exzellenten Ausbeuten und vollem Umsatz umgewandelt werden. Einfache aliphatische und sterisch anspruchsvolle sowie ungesättigte und säurelabile Alkohole können hierzu eingesetzt werden. Die Verwendung von Mandelsäure als chirales Auxiliar eröffnet des Weiteren die Möglichkeit, stereoselektive Umsetzungen diesbezüglich zu untersuchen.