A Computational Glance at Organometallic Cyclizations and Coupling Reactions
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A Computational Glance at Organometallic Cyclizations and Coupling Reactions Doctoral Thesis presented by Béla Fiser to The Department of Organic Chemistry I The University of the Basque Country UPV/EHU Donostia, Gipuzkoa July 2016 (c)2016 BELA FISER © 2016 - Béla Fiser All rights reserved. Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser A Computational Glance at Organometallic Cyclizations and Coupling Reactions Abstract Organometallic chemistry is one of the main research topics in chemical science. Nowadays, organometallic reactions are the subject of intensive theoretical inves- tigations. However, in many cases, only joint experimental and theoretical efforts could reveal the answers what we are looking for. The fruits of such experimental and theoretical co-operations will be presented here. In this work, we are going to deal with homogeneous organometallic cataly- sis using computational chemical tools. Particularly, DFT study of palladium and gold-catalyzed reactions and special carbometalations will be described. Chapter 1 gives an introductory overview of organometallic chemistry and catalysis in general using a historical perspective. It covers the 9 thousand years history of catalysis from 7000 BC (the earliest concrete evidence of man-made fer- mentation/biocatalysis) through several milestones (Libavius, Berzelius etc.) up to the present days of organometallic chemistry. Chapter 2 is a short methodological summary and intended to shed some light on the theoretical foundations of the applied quantum chemical tools, but it is nei- ther complete, nor deep, just enough to scratch the surface and give insight into the complexity of the theory. The results of our calculations presented in three separate chapters, (Chapter 3, 4 and 5) in each of which the calculations discussed along with the vii Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser corresponding experimental findings of our collaborators and/or other scientists. Chapter 3 describe specific issues of palladium-catalyzed reactions. In this part of the work, palladium(II)-catalyzed dynamic kinetic asymmetric C–P coupling for the asymmetric synthesis of QUINAP and other atropos P,N-ligands is dis- cussed and the reaction investigated at the M06/6-31+G(d,p)/SDD//B3LYP/6- 31G(d)/LANL2DZ level of theory. The computational results along with xperi- mental evidences collected by our collaborators allowed to propose a mechanism based on the formation of cationic oxidative addition intermediates which under the reaction conditions, undergo a fast interconversion (Figure 0.0.1). Coordina- tion of the isoquinoline N atom to Pd is essential to facilitate this process. Figure 0.0.1: Proposed Mechanism for the Epimerization of Diastereomeric Oxidative Addition Intermediates (OAI and OAI’). The calculations also show that the energy requirements for a dynamic kinetic processaremet, sincethefastequilibratingpalladacyclicintermediatesevolvethrough viii Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser diastereomeric transmetalation steps of very large energy difference. The easiness of the final reductive elimination ensures the irreversibility of the process. Chapter 4 can be divided into two parts in which gold(I)-catalyzed reactions are studied. In the first section, the tandem gold(I)-catalyzed rearrangement/Nazarov re- action of propargylic ester derivatives studied in deeply computationally and the calculations revealed the details of the reaction mechanism (Figure 0.0.2) which allowed us to evaluate energetically the influence of the substrate structures onthe reaction rate and on the regio- and stereoselectivity. Figure 0.0.2: Reaction Mechanism. Top: Acetate Rearrangement in the Ini- tial Steps of the Mechanism. Bottom: Cyclization Step from the pre-Nazarov cyclization complex III and Protodeauration. Gibbs Free Energy Changes (ΔG) and Barrier Heights (ΔGz) are Given in kcal/mol. ix Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser In the second section, gold(I)-catalyzed cycloisomerizations calculated (Figure 0.0.3). The calculations showed that with both types of substrates, the oxyaura- tion step has a low barrier or almost no barrier at all when it involves the inter- nal position of a terminal triple bond, resulting in a 5-exo-dig process. In contrast, the 6-endo-dig mechanism is always favoured with substituted alkynes. The pref- erence being purely geometrical and irrespective of the type of substitution, thus providing either β-enaminones or their reduced equivalents, β-amino ketones, in a robust, reliable, and convenient way. Figure 0.0.3: Transition State Structures and the Corresponding Barrier Heights for Terminal Alkynes and Internal. x Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser Chapter 5isasystematicalstudyofintramolecularmetalcatalyzedcyclizations. Group 10 alkyl metalations are studied systematically by means of DFT calcu- lations and based on the results the extension of the Baldwin’s rules for metal cat- alyzed ring closure reactions is proposed (Figure 0.0.4). Figure 0.0.4: Studied Group 10 Alkyl Metalations. An intuitive summary of the qualitative results created and the results could serve as a guide to explore not yet described cyclization processes based on the ac- cessible computed activation energies and the qualitative comparison of the pref- erences. Our manuscripts published in connection with the topics discussed in the thesis can be found in the Appendix. xi Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser A Computational Glance at Organometallic Cyclizations and Coupling Reactions Abstract La química organometálica es uno de los campos más activos de investigación en ciencias químicas. Hoy en día, las reacciones organometálicas son sujeto de nu- merosas investigaciones teóricas. Sin embargo, en muchos casos, sólo los esfuer- zos conjuntos teóricos y experimentales son capaces de encontrar las respuestas que buscamos. En este trabajo se presentan los frutos de tales colaboraciones experimentales/teóricas. Hemos empleado herramientas computacionales para estudiar reacciones catalizadas en condiciones homogéneas, y más concretamente describimos a continuación estudios DFT de reacciones de ciclación catalizadas por Paladio y Oro, así como algunos tipos de carbometalación. Capítulo 1. Se da un repaso introductorio de la catálisis organometálica y catálisis en general usando una perspectiva histórica. Cubre los 9000 años de his- toria de la catálisis desde el 7000 a. C. (la más antigua evidencia de fermentación / biocatálisis hecha por el hombre) a través de diversos hitos (Libavius, Berzelius, etc) hasta la química organometálica de nuestros días. Capítulo 2. Es una breve descripción metodológica que intenta dar luz sobre las formulaciones teóricas que se aplican en las herramientas químicas cuánticas, sin la intención de ser completa ni profusa, sino solamente arañando la superficie de esta parte tan compleja de la teoría. Los resultados de nuestros cálculos se presentan en tres capítulos separados xii Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser (capítulos 3, 4 y 5), en cada uno de los cuales se entremezclan con los resultados experimentales de nuestros colaboradores y otros grupos de investigación. Capítulo 3. Describe algunas características especiales de la química del pal- adio. En esta parte de la Tesis, se han estudiado reacciones de síntesis asimétrica de QUINAP, mediante un acoplamiento C-P dinámico cinético asimétrico catal- izado por complejos de paladio (II). Además de QUINAP, se han estudiado otros atropo-ligandos P, N por métodos DFT al nivel de cálculo M06/6-31+G(d,p)/SDD//B3LYP/6-31G(d)/LANL2DZ. Figure 0.0.1: Mecanismo Propuesto para la Epimerización de los Intermedios Diastereoméricos de Adición Oxidante). xiii Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser Los resultados computacionales junto a las evidencias experimentales recopi- ladas por nuestros colaboradores nos permiten proponer un mecanismo de reac- ción basado en la formación de intermedios catiónicos de adición oxidante, que en las condiciones de reacción sufren una interconversión rápida entre diferentes isómeros(Figura 0.0.1). Lacoordinacióndelnitrógenodelaisoquinolinaalátomo de Pd es esencial para facilitar el proceso. Los cálculos también muestran que se cumplen los requisitos energéticos para una resolución cinética dinámica, ya que los intermedios de reacción equilibran rápidamente y evolucionan por estados de transición de transmetalación de bar- reras de activación muy diferentes. xiv Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser Capítulo 4. Se divide en dos partes en las que se estudian dos reacciones catal- izadas por Au(I) diferentes. En la primera sección, se ha estudiado computacional- mente al detalle la reacción tándem de transposición / ciclación Nazarov catal- izadas por Au(I) de ésteres propargílicos, y nuestros cálculos revelan el mecanismo detallado en la Figura 0.0.2, permitiéndonos evaluar energéticamente la influen- cia de las estructuras de los substratos en la velocidad de reacción y en la regio- y estereoselectividad. Figure 0.0.2: Mecanismo de Reacción. Arriba: Transposición de Acetato en los Inicios de la Reacción. Abajo: Paso de Ciclación desde el Complejo pre- Nazarov III y Protodesauración. Los Cambios en la Energía Libre de Gibbs (ΔG) y Barreras de Activación (ΔGz) se dan en kcal/mol. xv Supervisor: Prof. Enrique Gómez Bengoa Author: Béla Fiser Enlasegundasección, sehancalculadoreaccionesdecicloiosomerizacióncatal- izadas por Au(I)