Lewis Acidic Catalysis of Silyl Cyanometallates in Transformations of Phenol and Aniline Derivatives
Fenil ve Anilin Türevlerinin Transformasyonunda Silil Siyanometalatların Lewis Asidik Katalizi
- Tez No: 770889
- Danışmanlar: PROF. DR. TAKESHI OHKUMA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hokkaıdo Unıversıty
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Kimyasal Bilimler ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Organik Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Organosilikon bileşikler genellikle düşük toksisiteye sahip, hava ve nem açısından kararlı etken maddelerdir; ve, bu bileşiklerden bazıları on yıllardır farmasötik maddeler, zirai kimyasallar ve fonksiyonel maddeler endüstrisi gibi bir çok araştırma alanında kullanılabilmektedir ve ticari anlamda erişilebilir konumdadırlar. Reaktivite anlamındaki üstünlükleri ve ticari bakımdan erişilebilir olmaları sebebiyle sentetik organik endüstrisinde bu bileşiklere ilgi doğmuştur. Organosilikon etken maddelerin kullanımı vesilesiyle oksidasyon, aminasyon, halojenasyon ve çapraz-bağlı reaksiyonlar gibi çeşitli organik transformasyonlar geliştirilmiştir. Tetraalkilsilanlar ve tetraalkoksisilanlar gibi yüksek düzeyde kararlılığa sahip organosilikon bileşikler nötr bileşiklerdir; ve, organik etken maddelerin aktivasyonu için bir katalizör olarak bu bileşikler fazlasıyla güçsüzdür. Bununla birlikte, triflat (OTf) veya iyodür (I) iyonu gibi silikon üzerindeki dört bağlanmış gruptan bir tanesi Lewis bazı olarak değiştirildiğinde, bir koordinasyon bölgesi barındıran Lewis asitleri haline gelirler. Lewis asiditesinin gücü esas olarak zıt anyonların özelliklerine bağlıdır. Nötral ve Katyonik olarak sınıflandırılan Silil Lewis Asitlerinin (SLA'lar) üzerinde onlarca yıldır araştırmalar yapılmaktadır. Diğer metal merkezli aktivatörlere ve metal halojenürlere kıyasla kullanımlarının birçok avantajı olduğunun ortaya çıkması, aldol tipi reaksiyonlar, halka yapılaşmaları ve alilasyonlar gibi birçok organik reaksiyon açısından katalizör olarak tercih edilmelerine neden olmuştur. Son zamanlarda, Ohkuma, Yurino ve arkadaşları tarafından katyonik SLA'ların hazırlanması bağlamında yeni bir yaklaşım, diğer bir deyişle geçiş metal tuzlarından (MXn) ve aşırı miktarda trimetilsilil siyanürden (TMSCN) yerinde oluşan silil siyanometalat kompleksleri, bildirilmiştir. Bu komplekslerin tersinir özelliğinin Lewis asiditesinin yoğunluğunu uygun şekilde kontrol ettiği öne sürülmüştür. Söz konusu protokol, bir elektrofil olarak alilik fosfat kullanılmak suretiyle alilik izosiyanasyona başarıyla tatbik edilmiştir. Bu (TMS)[Pd(CN)3] ve/veya (TMS)2[Pd(CN)4] kompleks maddeler TMSCN ve Pd(OAc)2 'den yerinde oluşturulmuş olup bu kompleks maddelerin her ikisi de alilik fosfat ve (CN-) siyanit n-nükleofillerini etkinleştiren Lewis Asitleri olarak iş görmektedir. Benzer bir şekilde, Ag2O ile TMSCN 'in bileşimi benzilik izosiyanasyonunun etkili bir biçimde katalizörlüğünü yapmıştır. Bu durumda, (TMS)[Ag(CN)2] aktif bir türdür. Yazar geri dönüşebilir şekilde oluşan silil siyanometalatların bazı oksidasyonlar ile Friedel-Crafts tipteki yer değiştirme gibi, izosiyanasyonlar dışındaki Lewis Asit tarafından katalize edilmiş çeşitli reaksiyonlarda kendine has özellikler ortaya komasını beklemektedir. Bu tez, üç bölümden oluşmakta olup çalışmanın temeli genel giriş bölümünde izah edilmektedir. Bölüm No 1: Yazar fenol ve anisol türevlerinden sentezlenmiş obtusastiren (C-sinamil fenol) türevlerinin sentezine yoğunlaşmıştır. Obtusastirenler genellikle fotokimyasal özellikleri ile bilinirler, mühim derecede biyoaktivite ortaya koyarlar ve kompleks ürünlerin yapımı aşamasında aracı olarak rol üstlenirler. Obtusastirenlerin sentezlenmesi açısından aromatik bileşiklerin alilasyonu güvenilir bir stratejidir. Geçiş Metal Katalizli Alilikalkilasyonun para-yer değiştirme bileşiklerinin oluşumuna yönelik boronik asit türleri, Grignard etken maddesi ya da organo-çinko türleri gibi bir nükleofil olarak aril metalin kullanımı ile gerçekleştiği rapor edilmiştir. Ancak, aril metaller kullanılmaksızın fenollerin C-katılma yerine O-katılması kullanılmaktadır. Diğer tarafta, Friedel-Crafts tipteki alilasyon özellikle elektron açısından zengin fenol türevlerinin transformasyonu için öne çıkan bir stratejidir. Lewis veyahut Bronsted asidik katalizörler aril metalde herhangi değişiklik olmaksızın fenollerin C-alilasyonunu hızlandırır. Ancak, orto-para oryantasyon açısından Friedel-Crafts tipteki alilasyonlarda stratejinin kontrolü en zor noktalardan bir tanesidir. Bu sebeple, sentetik organik kimya ve ayrıca biyokimya alanlarında bu bileşiklerin yüksek-regio seçimli formasyonu için etkili bir yönteme ihtiyaç duyulmaktadır. Yazar nükleofil olarak fenol türevlerini ve elektrofil olarak alilik fosfatların Friedel-Crafts tipteki alilasyonu sürecine silil siyanometalatların Lewis Asidik Katalizini başarılı bir şekilde tatbik etmiştir. AgTFA/TMSCN ile Pd(OAc)2/TMSCN bileşik sistemlerinden yerinde oluşmuş silil siyanometalatlar yüksek verim vermek sureti ile C-alilatlanmış ürünlerin ortaya çıkmasına ortam hazırlamaktadır. AgTFA/TMSCN kombinasyonunun para-alileştirilmiş anisollerin oluşumu için uygun etken katalitik sistem olduğu tespit edilmiştir. Pd(OAc)2 ile TMSCN 'in kombinasyonu fenollerin para-yer değiştirme bağlamında yeterli düzeyde rol üstlenmiştir. Alilasyonun reaktivitesi nükleofil ve elektrofilin her ikisisnin de elektronik özelliklerinden etkilenmiştir. Alilik fosfatların kimyasal ve regio-seçici reaksiyonu bir dizi işe yarar sinamil-ikameli bileşiklerin ortaya çıkmasına vesile olmuştur. Bölüm 2: Pd(OAc)2/TMSCN bileşimi Friedel-Crafts tipteki aromatikleştirme süreci aracılığı ile N-arilmandelamitlerden türemiş dietilfosfatlardan oksindollerin oluşmasına başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Oksindol türevlerinin mükemmel biyoetkin maddeler olduğu gözlemlenmiştir; bu sebeple, tıbbi kimyada kilit öneme sahip bileşenler şeklinde kullanılmaktadırlar. Aril indollerin sentezi anlamında birkaç stratejinin var olduğu bildirilmiştir. Yine de, tüm önceki işlemlerin kullanım öncesi değiştirilmiş bileşiklerin hazırlanması, kuvvetli bazların kullanımı, yüksek katalizör yüklemesi gibi dezavantajları bulunmaktadır. Oksindol türevlerinin sentezi için basit ve güvenilir bir işlemler silsilesine ihtiyaç duyulmaktadır. Yazar yüksek verimli bir şekilde 3-ariloksindol ürünlerinin geniş bir yelpazesine söz konusu metodu uygulamıştır. Azot üzerinde metil, izopropil, tert-butil ve fenil gruplarının ikame edilmesine ürün verimi üzerinde küçük bir etki oluşturulması koşuluyla izin verilmektedir. N-Alil ve N-benzil ikame maddelerine Pd kompleks maddelerince zarar verilmemiştir. Anilin-fenil halkasına sahip başlangıç maddesi yanı sıra mandelik asite metil, metoksi ve halojenür gruplar başarılı bir şekilde dâhil edilmiştir. Mandelik fenil halkalar naftil ve tiyenil gruplar ile değiştirilebilir; bu da nicel anlamda aromatikleştirilmiş ürünlerin oluşmasına ortam oluşturmaktadır. Reaksiyon bir başlangıç maddesi olarak N, N-dibenzilmandelamit ile gerçekleştirildiğinde, nicel bağlamda benzo kaynaşık б-laktam elde edilmiştir. C3-yer değiştirme reaksiyonlarına oksindol ürününün uygulanması farklı iki aromatik halkalı 3,3-diaryloksindolün oluşmasına imkan tanımıştır. Dahası, optimal koşullar altında, herhangi verim kaybı olmaksızın, gram ölçekli bir reaksiyon gerçekleştirilmiştir. Bölüm 3: α-amino nitrillerin oluşmasını sağlamak maksadıyla benzotrifloridler vasıtasıyla aracılık edilen nitrometan ve TMSCN 'nin mevcudiyetinde silil siyanoargentat tarafından katalize edilen oksidatif siyanometilasyon sürecine N-alkiyanilinler elde edilmiştir. N-Alkil-N-siyanometilanilin türevleri 1,2-diaminler, α-amino ketonlar ve α-amino aldehitler gibi birkaç organik bileşik açısından önemli aracılar olarak vazife görmektedir. Farmasötik ürünlerde, zirai kimyasallarda ve katalizörlerde bulunmaktadırlar. Geçiş metal katalizörlerin kullanılması vesilesi ile üçüncül arilaminlerden başarılı bir şekilde sentezlenmişlerdir; ancak, nadiren ikincil aminlerden sentezlenmişlerdir. Bildirilen yöntemlerin birçok dezavantajı bulunmaktadır. Örneğin, aminlerin, birincil alkol ve TMSCN 'in oksidatif yoğunlaşımı mükemmel bir yöntemdir; fakat, yüksek katalizör yüklenimi gerekmektedir ve verim orta düzeydedir. Siyanometilatlanmış bileşiklerin oluşturulmasına yönelik diğer strateji metilen bir kaynak olarak dimetilformamitin ortamında bir Cu-katalizörü kullanmaktadır. Ancak, bu yöntem de yüksek düzeyde (10mol%) katalizör yüklenimini gerektirmektedir. Bu sebeple, sentetik organik kimya alanında yeni katalitik yöntem arzu edilen bir yöntemdir. Yazar hava altında N-Alkil-N-Siyanometilanilin oluşumuna optimizasyon koşullarını etkili bir şekilde uygulamıştır. Fark edilebilir şekilde, benzotriflörit yokluğunda reaksiyon pürüzsüz bir şekilde ilerlemedi. Bu gözlemin oksidasyonun benzotriflorit vesilesi ile hızlandırılması şeklinde olması önerilmektedir. Yöntem ile N-alil anilinlerden siyanometilleştirilmiş ürünlerin meydana getirilmesi mümkün olmamıştır ki bu da söz konusu işlem sürecinin başlıca kısıtlayıcı yönüdür. Bir çözücü olarak nitrometan yerine asetonitril ortaamında istenen ürün elde edilmemiştir. Bu da çözücü olmasının yanı sıra, nitrometanın bir metilen kaynağı olduğunu göstermektedir. N,N-dimetilanilin sürece dâhil edildiğinde hedef ürün elde edilmemiştir. Bu sonuçtan şu çıkarılmıştır: oksidatif siyanometilasyon yerinde oluşmuş N-metilanilin ile nitrometan baz alınarak mümkün olmamaktadır. Bu çalışma neticesinde yeni tasarlanmış silil siyanometalatların moleküller-arası ve molekül-içi Friedel-Crafts tipteki reaksiyonlar için etkili katalizörler olarak vazife görmekte olduğu ortaya konmuştur. Bu katalizörler ayrıca hava koşullarında anilin türevlerinin N-siyanometilasyonu açısından yeni bir sentetik strateji ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
Organosilicon compounds are generally low toxic and air and moisture stable reagents, and some of them are commercially available that have been used in many research areas such as pharmaceuticals, agrochemicals, and functionalized materials for decades. Their superiority of reactivity and availability is created interest in synthetic organic chemistry. A variety of organic transformations such as oxidation, amination, halogenation, and cross-coupling reaction, have been developed by using organosilicon reagents. Most stable organosilicon compounds, such as tetraalkylsilanes and tetraalkoxysilanes, are neutral, and the Lewis acididty of these compounds is too weak as a catalyst for activation of the organic reagents. However, when one of the four substituents on silicon is changed to Lewis base, such as triflate (OTf) or iodide (I) ion, they become Lewis acids bearing one coordination site. The strength of Lewis acidity mainly depends on the features of the counter anions. Silyl Lewis acids (SLAs) that classified as neutral and cationic have studied for decades. They have shown many advantages for their use over other metal-centered activators and metal halides made them to be chosen as catalysts for many organic reactions like aldol-type reactions, ring constructions, and allylations. Recently, a new approach for the preparation of cationic SLAs has been reported by Ohkuma, Yurino, and cowokers, that is, silyl cyanometallate complexes formed in situ from transition metal salts (MXn) and an excess amount of trimethylsilyl cyanide (TMSCN). The reversible property of these complexes is proposed to appropriately control the intensity of Lewis acidity. This proctocol was successfully applied to allylic isocyanation using allylic phosphate as an electrophile. The ate complexes (TMS)[Pd(CN)3] and/or (TMS)2[Pd(CN)4] were generated in situ from Pd(OAc)2 and TMSCN, and these served as both Lewis acids activating allylic phosphates and N-nucleophiles of cyanide (CN–). In a similar manner, the combination of Ag2O and TMSCN effectively catalyzed the benzylic isocyanation. In this case, (TMS)[Ag(CN)2] is the active species. The author expected that the reversibly formed silyl cyanometallates show unique properties in a variety of Lewis acid-cataltzed reactions other than isocyanations, such as Friedel–Crafts-type substitutions and some oxidations. This thesis consists of three chapters and the background of this research was described on a general introduction. Chapter 1: The author focused on synthesis of obtusastyrene (C-cinnamyl phenol) derivatives from phenol and anisole derivatives. Obtusastyrenes are well known for their photochemical properties, show significant bioactivities, and could be used as intermediates for construction of complex products. Allylation of aromatic compounds are reliable strategy for synthesizing obtusastyrenes. Transition metal catalyzed allylic alkylation has been reported that using an aryl metal as a nucleophile such as boronic acid species, Grignard reagent or organizinc species for formation of the para-substituted compounds. However, O-addition takes place instead of C-substitution of phenol without usage of aryl metals. On the other hand, Friedel– Crafts-type allylation is an outstanding strategy especially for the transformation of electron rich phenol derivatives. Lewis or Bronsted acidic catalyst accelerates the C-allylation of phenol without modification of aryl metal. However, control of the strategy is one of the most challenging points of Friedel–Crafts-type allylation for the ortho-para orientation. Because of this, an effective method is needed for highly regio-selective formation of these compounds in the fied of synthetic organic chemistry and also biochemistry. The author successfully applied Lewis acidic catalysis of silyl cyanometallates to the Friedel–Crafts-type allylation of allylic phosphates as electrophiles and phenol derivatives as nucleophiles. The in situ formed silyl cyanometalates from combined system of AgTFA/TMSCN and Pd(OAc)2/TMSCN were afforded regioselectively C-allylated products in high yield. It was found that AgTFA/TMSCN combination is suitable active catalytic system for formation of para-allylated anisoles. The combination of Pd(OAc)2 and TMSCN worked sufficiently for the para-substitution of phenols. Reactivity of the allylation was affected by the electronic properties of both nucleophile and electrophile. The chemo- and regio-selective reaction of the allylic phosphates produced a series of useful cinnamyl-substituted compounds. Chapter 2: The combination of Pd(OAc)2/TMSCN successfully applied to generation of oxindoles from diethylphosphates derived from N-arylmandelamides through Friedel–Crafts-type cyclization. Oxindole derivatives are shown outstanding bioactivies, and have been used as key components in medicinal chemistry. Several strategies have been reported for the synthesis of the aryl indoles. However, all previous procedures have disadvantages such sas high catalyst loading, usage of strong base, and preparation of modified compound before use. A facile and reliable procedure is needed for the synthesis of oxindole derivatives. The author successfully employed the method to broad range of the 3-aryloxindole products in high yield. Substitution of methyl, isopropyl, tert-butyl, and phenyl groups on the nitrogen was allowed with little influence on the product yield. N-Allyl and N-benzyl substituents were not injured by the Pd complexes. Methyl, methoxy, and halide groups were successfully introduced on the mandelic as well as the aniline phenyl rings of substrates. The mandelic phenyl reing could be replaced with naphthyl and thienyl groups, affording the cyclized products quantitatively. When the reaction was conducted with N,N-dibenzylmandelamide as a substrate, the benzo-fuzed δ-lactam was obtained in a quantitative yield. Application of the oxindole product to the C3-substitution reactions afforded the 3,3-diaryloxindoles with two different aromatic rings. Furthermore, a gram-scale reaction was carried out without loss of the yield under optimal conditions. Chapter 3: N-alkyanilines were undergone oxidative cyanomethylation catalyzed by silyl cyanoargentate in the presence of TMSCN and nitromethane mediated by benzotrifluoride to generate α-amino nitriles. N-Alkyl-N-cyanomethylaniline derivatives are important intermediates for several organic compounds such as 1,2-diamines, α-amino ketones, and α-amino aldehydes. They can be found in pharmaceuticals, agrochemicals, and catalysts. They successfully synthesized from tertiary arylamines by using transition metal catalysts, but rarely synthesized from secondary amines. The reported methods have many drawbacks. For instance, the oxidative condensation of amines, primary alcohol and TMSCN is an outstanding method, but high catalyst loading was required, and the yield was medium. The other strategy for generation of cyanomethylated compounds uses a Cu-catalyst in the presence of dimethylformamide as a methylene source. However, this method also required high (10 mol%) catalyst loading. Therefore, a novel catalytic method is desireable in the synthetic organic chemistry. The author efficiently applied the optimized conditions to formation of the N-alkyl-N-cyanomethylaniline under air. Notably, the reaction was not proceeded smoothyl in the absence of benzotriflouride. This observation is suggested that the oxidation is promoted by benzotriflouride. The method was not possible to form cyanomethylated products from N-alyl anilines, and that was the main limitation of the procedure. Desired product was not obtained in the presence of acetonitrile instead of nitromethane as a solvent, indicating that nitromethane is the source of methylene as well as a solvent. No target product was obtained, when N,N-dimethylaniline was employed. This result suggested that the oxidative cyanomethylation did not proceed from in situ formed N-methylaniline and nitromethane. This research revealed that the newly devised silyl cyanometallates act as efficient catalysts for inter- and intramolecular Friedel–Crafts-type reactions. These catalysts also achieved a novel synthetic strategy of N-cyanomethylation of aniline derivatives under air.
Benzer Tezler
- Isomerization of alpha-pinene over superacidic and heteropolyacidic catalysts
Süperasidik ve heteropoliasidik katalizörler üzerinde alfa-pinen izomerizasyonu
BURCU ATALAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL GÜNDÜZ
- Thermal and photodehydrogenation reactions of terpenes over zeolites
Terpenlerin zeolitler üzerinde termal ve dehidrojenasyon tepkimeleri
ESRA TUZCUOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Kimyaİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT ARTOK
PROF. DR. SIDDIK İÇLİ
- Nanocomposite nafion and heteropolyacid incorporated mesoporous catalysts for dimethyl ether synthesis from methanol
Metanolden dimetil eter sentezi için nanokompozit yapıda mezogözenekli nafyon ve heteropoliasit içeren katalizörler
AYŞEGÜL ÇİFTÇİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. NAİME A. SEZGİ
PROF. DR. TİMUR DOĞU
- Kondüktametrik ve potansiyometrik titrasyon yöntemlerinin MFİ tipi zeolitlerin asit merkezlerinin karakterizasyonuna uygulanması
Başlık çevirisi yok
YASEMİN SÜSLER
- Determination of the surface acidities of various catalysts
Çeşitli katalizörlerin yüzey asitliklerinin belirlenmesi
HASİBE SANDIKÇIOĞLU
