SynthesemethodenDOI: 10.1002/ange.200903409
Hoch Z- und enantioselektive Ring�ffnungs/Kreuzmetathesereaktionen und Z-selektiveRing�ffnungsmetathesepolymerisationen**Armando C�rdova* und Ramon Rios*
Alkene · Asymmetrische Katalyse ·Enantioselektivit�t · Metathese · Molybd�n
Die Entwicklung von Reaktionen und Katalysatoren zumgezielten und selektiven Aufbau kleiner Molek�le ist f�r dieSynthesechemie von gr�ßter Bedeutung.[1] Die metallkataly-sierte Olefinmetathese hat in diesem Bereich die Leistungs-f�higkeit der chemischen Synthese enorm verbessert.[2] DieEntwicklungen in den letzten beiden Jahrzehnten machtendiese bemerkenswerte Umsetzung zu einer grundlegendenReaktion sowohl in wissenschaflichen Laboratorien als auchf�r industrielle Anwendungen. Einige Herausforderungenliegen jedoch noch vor uns. Eine große Herausforderung istseit langem die Steuerung der Olefingeometrie (E/Z-Selek-tivit�t). Die Entwicklung eines Katalysators f�r eine hoch E/Z-diastereoselektive Olefinmetathese w�rde die effizienteSynthese von entweder E- oder Z-Olefinen erm�glichen, waseine wichtige Aufgabe der organischen Synthesechemie ist.Tats�chlich liefert die Olefinmetathese oft Produktgemische.Im Fall der Ringschlussmetathese (RCM) kleiner oder mit-telgroßer Ringe werden im Allgemeinen bevorzugt die Z-Isomere gebildet, da deren Ringspannung geringer ist. Beider Synthese von Makrocyclen durch RCM und bei derKreuzmetathese fehlt jedoch dieses hohe Maß an Selektivit�t,und Methoden zur gezielten Synthese von Z-Olefinen sindbislang unbekannt.[2] In nahezu allen F�llen katalysieren dieRu- oder Mo-Komplexe die Ring�ffnungs/Kreuzmetathese-(ROCM)-Reaktionen mit E-Selektivit�t.[3–5] Lediglich in sel-tenen nichtenantioselektiven Reaktionen, wenn eines der
Olefinsubstrate einen sp-hybridisierten Substituenten tr�gt(Enine oder Acrylnitril), kann Z-Selektivit�t auftreten.[6] Sokatalysieren Ru- oder Mo-Komplexe die Kreuzmetathesezwischen Olefinen und Acrylnitril mit einem Z/E-Verh�ltniszwischen 3:1 und 9:1.[6a,b] Dar�ber hinaus kann die RCM ineinigen F�llen mit hoher Selektivit�t makrocyclische Alkeneentweder als E- oder als Z-Isomere liefern, wenn die Reak-tion unter kinetischer bzw. thermodynamischer Kontrolledurchgef�hrt wird.[3b,c] Die Ringschlussalkinmetathese gefolgtvon der stereoselektiven Reduktion des gebildeten Cycloal-kins bietet einen zweistufigen Zugang zu Z-Alkenen.[3c,d] Umdas Problem der Z-Selektivit�t zu l�sen, m�ssen neue Kata-lysatoren entwickelt werden.
Der Entwurf und die Synthese von chiralen, metallba-sierten Katalysatoren mit dem Metall als stereogenem Zen-trum sind selten, und es ist besonders schwierig, enantiome-renreine Katalysatoren mit stereogenen Metallzentren zukonzipieren und zu synthetisieren, die keine mehrz�hnigenLiganden enthalten, nicht leicht isomerisieren und daher alseffektive chirale Katalysatoren dienen k�nnen. Die durchzwei- oder mehrz�hnige Liganden verursachte Rigidit�tk�nnte in den F�llen unvorteilhaft sein, in denen ein flexiblerKatalysator eine h�here Aktivit�t und/oder Enantioselekti-vit�t zur Folge hat; deshalb w�re ein Katalysator mit stereo-genem Metallzentrum und einz�hnigem Liganden w�n-schenswert. Daher k�nnte ein genaues Verst�ndnis derWechselwirkung zwischen der Chiralit�t des Ligandenger�stsund der des Metallzentrums neuartige Strategien beim Ka-talysatordesign zur Folge haben. Die erfolgreiche Zusam-menarbeit der Arbeitsgruppen von Hoveyda und Schrockf�hrte k�rzlich zur Entwicklung neuartiger Katalysatoren miteinem asymmetrisch substituierten Molybd�natom f�r dieasymmetrische Ringschlussmetathese,[7] und rationales De-sign erm�glichte ihnen nun einen Durchbruch in der Ent-wicklung hoch Z- und enantioselektiver ROCM-Reaktionen,indem sie neuartige Komplexe mit stereogenem Molybd�n-atom als Katalysator einsetzten.[8]
Chirale Ru- und Mo-Komplexe dienen als Katalysatorenf�r die enantioselektive ROCM,[5] wobei die Metallkomplexe1,[5a,10] 2[5c,9a] und 3[5c,9b] (Abbildung 1) hoch E-selektiv sindund die trans-Produkte mit einer Selektivit�t > 98% liefern.Beispielsweise katalysieren die chiralen Ru-Komplexe 1aund 1b die asymmetrische ROCM der gesch�tzten bicycli-
[*] Prof. Dr. A. C�rdovaDepartment of Organic ChemistryBerzelii Center EXSELENT on Porous MaterialsThe Arrhenius Laboratory, Stockholm University10691 Stockholm (Sweden)Fax: (+ 46)8-154-908E-Mail : [email protected]
Dr. R. RiosICREA-Juniorprofessor an der Universitat de BarcelonaDepartament Qu�mica Org�nicaMart� i Franqu�s 1–11, 08028 Barcelona (Spanien)E-Mail : [email protected]
[**] Wir danken den Magn.-Bergvall-, Lars-Hierta- und Wenner-Gren-Stiftungen f�r ihre finanzielle Unterst�tzung. Das Berzelii-ZentrumEXSELENT wird durch VR und VINNOVA gef�rdert. Unser Dank giltAssistenzprofessor Joseph Samec f�r wertvolle Diskussionen.
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schen Verbindungen 4 und 4’ mit Olefinen 5 zu den entspre-chenden funktionalisierten Tetrahydropyranen 6 bzw. 6’ mithoher E- und Enantioselektivit�t (Schema 1a,b).[5a] Die Eig-nung dieser Reaktion f�r Synthesen wurde durch den Einsatzdes chiralen Ru-Komplexes 1d (2 Mol-%) als Katalysator f�rdie asymmetrische ROCM von 4b mit Styrol demonstriert,die das vollst�ndig funktionalisierte Tetrahydropyran 6b(>98 % trans-Olefin) in 76% Ausbeute mit 89% ee ergab
(Schema 1c). Die Reaktion wurde daraufhin als Schl�ssel-schritt in der eleganten Totalsynthese von Baconipyron Cgenutzt.[10]
Die chiralen Mo-Komplexe 2 und 3 katalysieren dieROCM der Azabicyclen 7.[5c] Besonders Komplex 3 ist in derLage, die asymmetrische ROCM der Azabicyclen 7 mit Sty-rolen 5 zu den entsprechenden Piperidinen 8 in hohen Aus-beuten und mit hoher E- und Enantioselektivit�t zu kataly-sieren [Gl. (1); Cbz = Benzyloxycarbonyl].[5c] Die Mo- und
Ru-basierten Katalysatoren erg�nzen sich hinsichtlich ihrerToleranz gegen�ber funktionellen Gruppen.[5a,c,11] Wie weiterunten gezeigt werden wird, beg�nstigen Ru-Carbene dieReaktion von Substraten, die eine Hydroxygruppe tragen,w�hrend Mo-basierte Katalysatoren ihre hohe Aktivit�t inGegenwart von terti�ren Aminen behalten.[11]
Die Katalysatoren 1–3 enthalten zweiz�hnige Liganden,die zum Erreichen hoher Selektivit�ten als unerl�sslich an-gesehen wurden. Es stellte sich jedoch heraus, dass diestrukturelle Rigidit�t der zweiz�hnigen Liganden zu unzu-reichenden Aktivit�ten in der bei der asymmetrischen Syn-these von (+)-Quebrachamin erforderlichen katalytischenRCM f�hrte.[7a] Daraus schlossen die Arbeitsgruppen vonHoveyda und Schrock, dass ein strukturell flexibler Kataly-sator die unterschiedlichen sterischen Anforderungen imKatalysezyklus leichter erf�llen k�nnen sollte. Um dieseFlexibilit�t zu erreichen, wurden einz�hnige Alkoxide alsLiganden ausgew�hlt. Somit wurde eine neue Klasse vonOlefinmetathesekatalysatoren eingef�hrt, die am Metallzen-trum stereogen sind.[7, 12] Die Katalysatoren, die diastereo-merenangereicherten Aryloxidpyrrolidinkomplexe 11, wur-den durch Behandlung des Bispyrrolid-Mo-Komplexes 9 a mitden mono-TBS-gesch�tzten Diolen 10 in situ erzeugt undeingesetzt (Schema 2). Diese neuen Mo-Alkylidene 11 sindausgezeichnete Katalysatoren f�r asymmetrische Ring-schlussmetathesereaktionen. Beispielsweise gelang mit demMo-Komplex 11a als Katalysator des RCM-Schl�sselschrittseine beeindruckend schnelle enantioselektive Synthese von(+)-Quebrachamin.[7a]
Gest�tzt auf diese Ergebnisse nahmen die Arbeitsgrup-pen von Hoveyda und Schrock das schwierige Vorhaben inAngriff, eine Z-selektive enantioselektive ROCM-Reaktionzu entwickeln.[8] Das mechanistische Modell, auf dem dieEntwicklung dieses Verfahrens basierte, sah die Flexibilit�tder Mo-Monoaryloxide als entscheidend an (Abbildung 2).Deshalb fiel die Wahl auf einen Katalysator, bei dem einsperriger Aryloxidligand um die Mo-O-Bindung frei drehbarist und der Substituent am Imidliganden kleiner als der
Abbildung 1. Beispiele von Ru- und Mo-Komplexen f�r die ROCM.Mes = Mesityl.
Schema 1. a) ROCM von 4, katalysiert durch die Ru-Komplexe 1a und1b. b) ROCM von 4’, katalysiert durch die Ru-Komplexe 1a und 1b.c) ROCM von 4b, katalysiert durch den Ru-Komplex 1d. Bn =Benzyl,Cy = Cyclohexyl, TBS= tert-Butyldimethylsilyl.
Highlights
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Aryloxidligand ist. Den �berlegungen zufolge sollte die Re-aktion mit dem syn-Alkylidenisomer A beginnen und �berdas all-cis-Metallacyclobutan B das cis-Olefin und denKomplex C liefern. Da die starren zweiz�hnigen Aryloxid-liganden der Mo-Komplexe 2 und 3 (Abbildung 1) eine ge-ringere sterische Hinderung bedeuten, wird in diesen F�llendas trans-substituierte Metallacyclobutan gebildet, sodass dieReaktion E-selektiv ist.
Zur �berpr�fung dieser Hypothese wurde die ROCM-Reaktion der bicyclischen Verbindung 4a mit Styrol in Ge-genwart des Mo-Komplexes 11b untersucht [Gl. (2)]. Infolge
der sperrigen Liganden von 11 b, die die Bildung der erfor-derlichen syn- oder anti-Alkylidene A sowie die nachfolgendeKreuzmetathese erschweren, war der Umsatz �ußerst gering(< 2% in 1 h, minimale Bildung von Benzyliden). Um diesensterischen Effekt auszuschalten, wurden die Adamantylimi-do-Mo-Komplexe 14 durch Mischen des Bispyrrolido-Mo-Komplexes 9b mit den mono-TBS-gesch�tzten Diolen 10in situ hergestellt (Schema 3). Zu erw�hnen ist, dass erhebli-
che Mengen 9b bei diesem Vorgang verbraucht und inaktiveBisaryloxidkomplexe gebildet werden; dies bedeutet, dass dietats�chliche Menge an aktivem Katalysator geringer ist, als esdie Werte f�r die entsprechenden Vorstufen nahelegen. DieMo-Komplexe 14 katalysierten die Reaktion zwischen demOxabicyclus 4a und Styrol sehr gut und ergaben 15a hochenantioselektiv und in hohen Ausbeuten [Gl. (2)]. WichtigeBeobachtungen waren, dass bei den Alkylidenkomplexen 14 aund 14b die Z-Selektivit�t hervorragend war (> 98:2 Z/E)und dass im Falle des Mo-Komplexes 14c die Enantioselek-
Schema 2. Synthese der Mo-Komplexe 11.
Abbildung 2. Vorgeschlagener Modellkatalysator f�r eine Z-selektiveReaktion.
Schema 3. Synthese der Mo-Komplexe 14.
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tivit�t h�her, die Z-Selektivit�t dagegen etwas niedriger (95:5Z/E) war. Daher wurde der in situ erzeugte Komplex 14b alsKatalysator in mehreren enantioselektiven ROCM-Reaktio-nen mit den Oxabicyclen 4 und 4’ und verschiedenen Styrolen5 eingesetzt und lieferte dabei die entsprechenden Pyrane 15bzw. 15’ mit hoher Z-Selektivit�t (Schema 4).[8]
Trotz der sterischen und stereoelektronischen Einfl�sseder Styrolsubstituenten bleibt die Olefinbildung ausgepr�gtZ-selektiv. Sogar bei den sterisch anspruchsvolleren ortho-substituierten Styrolen ist die Z-Selektivit�t nur leicht abge-schw�cht (auf 87.5:12.5). Die enantioselektiven ROCM-Re-aktionen mit TBS-gesch�tztem 4a und 4a’ liefern die Pro-dukte 15 bzw. 15’ mit 92–98% ee. Eine Benzylschutzgruppeverringert die Enantioselektivit�t der Umsetzung geringf�gig.Die durch den Mo-Komplex 14 b katalysierte ROCM-Reak-tion ist bemerkenswerterweise nicht auf Styrole als Kreuz-metathesepartner beschr�nkt. So wurde gezeigt, dass das Mo-Alkyliden 14 b die asymmetrische ROCM des Bicyclus 4c mitdem TBS-gesch�tzten Allylalkohol 16 katalysierte und dasenantiomerenangereicherte Pyran 17 in mittlerer Ausbeutemit 72% ee und einem Z/E-Verh�ltnis von 95:5 ergab[Gl. (3)].[8]
Die Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen vonSchrock und Hoveyda f�hrte k�rzlich zu einer neuen Z-se-lektiven Ring�ffnungsolefinmetathesepolymerisation, kata-lysiert durch die Molybd�n-Hexaisopropylterphenoxid-monopyrrolid-Komplexe 14d und 14e.[13] Die hoch Z-selek-tive Ring�ffnungsmetathesepolymerisation des Dimethoxy-
carbonylnorbornadiens 18 in Toluol bei einer Katalysator-beladung von 2%, gefolgt vom Quenchen mit Benzaldehyd,ergab das Polymer 19 [Gl. (4)].[14]
Bisher war es nicht m�glich, diese Mikrostruktur in reinerForm herzustellen.[14] Wie bereits erw�hnt ist die hohe Z-Se-lektivit�t auf den Angriff am Metall trans zum Pyrrolidligan-den in einem syn-Komplex zur�ckzuf�hren, der Metallacy-clobutan-Intermediate liefert, in denen alle Substituentenzum „kleinen“ axialen Amidliganden zeigen und von der„großen“ axialen OR’’-Gruppe wegweisen (Schema 5). Da-her ist die Flexibilit�t am Metallzentrum f�r eine hohe Z-
Schema 4. Katalytische Z- und enantioselektive ROCM.Ar= 4-MeOC6H4, 4-CF3C6H4, 2-BrC6H4, 2-MeC6H4.
Schema 5. Modell zur Erkl�rung der hohen Z-Selektivit�t bei der Poly-merisationsreaktion.
Highlights
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Selektivit�t sehr wichtig, und das Polymer kann �ber das In-termediat 20 wachsen.
Den Arbeitsgruppen von Hoveyda und Schrock ist mitdem Nachweis, dass eine hoch Z-selektive Ring�ffnungs-kreuzmetathese m�glich ist, wenn neuartige Mo-Komplexeals chirale Katalysatoren eingesetzt werden, ein Durchbruchauf dem Gebiet der Olefinmetathese gelungen. Die wichtigsteVoraussetzung f�r die hohe Z-Selektivit�t ist die Verwendunggroßer Alkoxygruppen und kleiner Imidsubstituenten an denaxialen Positionen des Metallacyclobutan-Intermediats. Dieszwingt s�mtliche Substituenten am Metallacyclobutan, sichauf die „kleine“ Imidgruppe auszurichten, und f�hrt so zumZ-Olefin. Bis jetzt wurden Z-selektive enantioselektiveROCMs von Oxabicyclen mit Styrolen oder Allylethern be-schrieben, es ist jedoch vern�nftig anzunehmen, dass dieReaktion auch mit Azabicyclen und anderen Kreuzmetathe-separtnern erfolgreich ist. Zudem sollte es m�glich sein,Metallkomplexe, die am Metallzentrum stereogen sind, auchf�r enantioselektive Z-selektive Kreuzmetathesereaktioneneinzusetzen, an denen keine bicyclischen Substrate beteiligtsind.
Eingegangen am 23. Juni 2009,ver�nderte Fassung am 4. September 2009Online ver�ffentlicht am 16. Oktober 2009
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