Reactivity Parameters for Nitrogen Nucleophiles: from the Alpha-Effect
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Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Fakultät für Chemie und Pharmazie der Ludwig-Maximilians-Universität München Reactivity Parameters for Nitrogen Nucleophiles: From the α-Effect to Applications as Organocatalysts and Photo-leaving Groups Tobias Alexander Nigst aus Freising 2012 Erklärung Diese Dissertation wurde im Sinne von §7 der Promotionsordnung vom 28. November 2011 von Herrn Prof. Dr. Herbert Mayr betreut. Eidesstattliche Versicherung Diese Dissertation wurde eigenständig und ohne unerlaubte Hilfe erarbeitet. München, 03.09.2012 ………………………………… Tobias Alexander Nigst Dissertation eingereicht am 14.09.2012 1. Gutachter Prof. Dr. Herbert Mayr 2. Gutachter Prof. Dr. Hendrik Zipse Mündliche Prüfung am 11.10.2012 FÜR MEINE ELTERN Danksagung Danksagung In erster Linie möchte ich mich herzlich bei Prof. Dr. Herbert Mayr dafür bedanken, dass er mir die Möglichkeit zur Durchführung meiner Arbeit auf so interessanten wie auch diversen Themengebieten gegeben hat. Seine beispielhafte Betreuung durch geduldige Hilfs- und Diskussionsbereitschaft sowie die exzellenten Arbeitsbedingungen haben maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Besonderer Dank gilt Dr. Andrew Smith für die Möglichkeit drei Monate in seinen Laboren in St. Andrews forschen zu dürfen und dabei ein völlig anderes Arbeitsgebiet kennenzulernen. Seinen Mitarbeitern, besonders Dr. Caroline Joannesse und Dr. Eoin Gould danke ich für die überaus freundliche Aufnahme in die Gruppe, ihre Kollegialität und Hilfsbereitschaft. Mit freudigen Erinnerungen blicke ich auf die schöne Zeit zurück, in der ich so viel erleben durfte. Dem Fonds der Chemischen Industrie gebührt mein Dank für die zweijährige Finanzierung meiner Doktorarbeit. Weiterhin ermöglichte mir dieses Stipendium meinen Auslandsaufenthalt in Schottland und die Teilnahme an internationalen Konferenzen. Ich danke allen Mitgliedern des Prüfungsausschusses für ihre Teilnahmebereitschaft, besonders auch Prof. Dr. Hendrik Zipse für die Übernahme des Zweitgutachtens, sowie für seine hilfreichen Anregungen auf dem Gebiet der Pyridinkatalyse. Bei Dr Armin Ofial möchte ich für die kritische Durchsicht meiner Publikationen und die hilfreichen Verbesserungsvorschläge bedanken. Besonderer Dank gilt auch allen aktuellen und ehemaligen Mitgliedern des Arbeitskreises, vor allem den Kollegen aus meinem Labor, Johannes Ammer, Dominik Allgäuer, Dr. Wei Han, Dr. Jan Keller, Dr. Jörg Lippstreu, Dr. Dorothea Richter, Dr. Nicolas Streidl, Konstantin Troshin, Alexander Wagner und besonders meinem Mentor im Forschungspraktikum Dr. Martin Westermaier. Dank Danksagung der angenehmen Arbeitsatmosphäre und der zahlreichen gemeinsamen Aktivitäten innerhalb sowie außerhalb der Universität wird mir die gemeinsame Zeit in schöner Erinnerung bleiben. Mögen die entstanden Freundschaften noch lange fortbestehen. Erik Breuer, Nathalie Hampel, Brigitte Janker und Hildegard Lipfert danke ich für die übernommenen organisatorischen Angelegenheiten sowie für bedachte Ratschläge und Hilfestellungen bei so manchen nicht trivialen Synthesen. Meinem Forschungspraktikant, Andreas Maier, danke ich für die überaus erfolgreiche Zusammenarbeit die seinem großen Engagement bei den durchgeführten Experimenten zu verdanken ist. Mögen sich viele deiner Schüler dich zum Vorbild nehmen. Für die sorgfältige und zügige Durchsicht dieser Arbeit danke ich Johannes Ammer, Dr. Jörg Bartl, Dominik Allgäuer, Dr. Saloua Chelli, Francisco Corral, Hans Laub, Konstantin Troshin, Alexander Wagner und Elija Wiedemann. Weiterhin möchte ich mich bei meinen Kooperationspartnern Johannes Ammer, Anna Antipova, Dr. Caroline Joannesse, Lydia Klier und ihrem Doktorvater Prof. Dr. Paul Knochel sowie Raman Tandon und seinem Doktorvater Prof. Dr. Hendrik Zipse erkenntlich zeigen für die Hilfsbereitschaft bei der Planung der Experimente und der Interpretation der Ergebnisse, ohne die ein großer Teil dieser Arbeit nicht zustande gekommen wäre. Zuletzt möchte ich mich bei all meinen Freunden sowie bei meiner Familie bedanken, in erster Linie Michael und Iris, die mit mir nicht nur die schönen Augenblicke genießen konnten, sondern mich auch in so manchen schwierigen Zeiten ertragen mussten. Der größte Dank gebührt sicherlich meinen Eltern. Ihre steten Ermutigungen, der grenzenlose Rückhalt, sowie ihre immerwährende Unterstützung haben mir das Studium und die Promotion erst ermöglicht. Publikationsverzeichnis und Konferenzbeiträge Publikationsverzeichnis [1] Spectroscopic and structural characterization of cationic N-(2-aminoethyl)- aziridine-N,N’ chelate complexes of the d6-metals Rh(III) and Ir(III) R. Bobka, J. N. Roedel, B. Neumann, T. Nigst, I.-P. Lorenz, Polyhedron 2008, 27, 955– 961 [2] Nucleophilic Reactivities of Pyrroles T. A. Nigst, M. Westermaier, A. R. Ofial, H. Mayr in Eur. J. Org. Chem. 2008, 2369– 2374 (Titelbild) [3] Nucleophilic Reactivities of Primary and Secondary Amines in Acetonitrile T. Kanzian, T. A. Nigst, A. Maier, S. Pichl, H. Mayr, Eur. J. Org. Chem. 2009, 6379– 6385 [4] Nucleophilicities and Lewis Basicities of Isothiourea Derivatives B. Maji, C. Joannesse, T. A. Nigst, A. D. Smith, H. Mayr, J. Org. Chem. 2011, 76, 5104–5112 [5] Ambident Reactivities of Methylhydrazines [Ambidente Reaktivität von Methylhydrazinen] T. A. Nigst, J. Ammer, H. Mayr, Angew. Chem. 2012, 124, 1381–1385; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 1353–1356 (VIP) [6] Isothiourea-Mediated Asymmetric O- to C-Carboxyl Transfer of Oxazolyl Carbonates: Structure-Selectivity Profiles and Mechanistic Studies C. Joannesse, C. P. Johnston, L. C. Morrill, P. A. Woods, M. Kieffer, T. A. Nigst, H. Mayr, T. Lebl, D. Philp, R. A. Bragg, A. D. Smith, Chem. Eur. J. 2012, 18, 2398–2408 [7] Lewis Acid-Triggered Selective Zincation of Chromones, Quinolones, and Thiochromones: Application to the Preparation of Natural Flavones and Isoflavones L. Klier, T. Bresser, T. A. Nigst, K. Karaghiosoff, P. Knochel, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13584–13587 Publikationsverzeichnis und Konferenzbeiträge [8] Photogeneration of Benzhydryl Cations by Near-UV Laser Flash Photolysis of Pyridinium Salts T. A. Nigst, J. Ammer, H. Mayr, J. Phys. Chem. A 2012, 116, 8494–8499 [9] Nucleophilic Reactivities of Hydrazines and Amines: The Futile Search for the α-Effect in Hydrazine Reactivities T. A. Nigst, A. Antipova, H. Mayr, J. Org. Chem. 2012, 77, 8142–8155 Konferenzbeiträge März 2008 SFB 749-Symposium, Wildbad Kreuth, Vortrag: “Ambident Reactivities of N-Acylpyridinium Ions” nd Sept. 2008 2 EUCHEMS CHEMISTRY CONGRESS, Turin, Italien, Posterpräsentation: “Observation of the Individual Steps in Pyridine-Catalyzed Acylation Reactions” März 2009 SFB 749-Symposium, Wildbad Kreuth, Vortrag: “Electrophilic Reactivities of Acyl Compounds” Apr. 2009 SymPOC 2009, Glasgow, Schottland, Posterpräsentation: “Observation of the Individual Steps in Pyridine-Catalyzed Acylation Reactions” Table of Contents Table of Contents 1 SUMMARY 1 2 INTRODUCTION AND OBJECTIVES 17 3 NUCLEOPHILIC REACTIVITIES OF PRIMARY AND SECONDARY 27 AMINES IN ACETONITRILE 3.1 INTRODUCTION 27 3.2 RESULTS AND DISCUSSION 28 3.2.1 Product Characterization 28 3.2.2 Kinetics of the Reactions of the Amines 2–15 with the Reference 30 Electrophiles 1 3.3 CONCLUSION 41 3.4 EXPERIMENTAL SECTION 42 3.4.1 General Comment 42 3.4.2 Kinetic Experiments 43 3.4.3 Product Characterization 60 3.5 REFERENCES 65 4 NUCLEOPHILIC REACTIVITIES OF HYDRAZINES AND AMINES: 68 THE FUTILE SEARCH FOR THE α-EFFECT IN HYDRAZINE REACTIVITIES 4.1 INTRODUCTION 68 4.2 RESULTS AND DISCUSSION 72 4.2.1 Product Characterization 72 4.2.2 Kinetics of the Reactions of 1–15 with the Reference Electrophiles 16 77 4.2.3 Ambident Reactivities of Asymmetrical Hydrazines 86 4.2.4 Structure Reactivity Relationship 92 4.2.5 Correlation of Kinetic with Thermodynamic Data 97 4.2.6 Computational Results 106 4.3 CONCLUSION 108 4.4 EXPERIMENTAL SECTION 109 4.4.1 General Comment 109 4.4.2 Kinetic Experiments 113 4.4.3 Determination of Equilibrium Constants 157 4.4.4 Product Characterization 162 4.4.4 Computational Details 177 4.5 REFERENCES 184 5 LIMITATIONS OF THE BENZHYDRYLIUM-BASED 192 NUCLEOPHILICITY SCALES FOR PREDICTING RATES OF ACYLATION REACTIONS 5.1 INTRODUCTION 192 5.2 RESULTS AND DISCUSSION 196 5.2.1 Reaction Products 196 Table of Contents 5.2.2 Kinetic Investigations 197 5.2.3 Correlation Analysis 202 5.3 CONCLUSION 210 5.4 EXPERIMENTAL SECTION 211 5.4.1 General Comment 211 5.4.2 Kinetic Experiments 213 5.4.3 Product Characterization 238 5.5 REFERENCES 239 6 REACTIVITIES OF PYRIDINES AND N-ACYLPYRIDINIUM IONS: 243 KINETICS OF MODEL REACTIONS OF AN ORGANOCATALYTIC CYCLE 6.1 INTRODUCTION 243 6.2 RESULTS AND DISCUSSION 246 6.2.1 Synthesis of N-Acylpyridinium Ions 246 6.2.2 Kinetics of the Reactions of the Benzoyl Chlorides 2a–n with the 248 Pyridines 1a–q 6.2.3 Kinetics of the Reactions of DMAP (2a) with Other Acyl Chlorides and 256 Anhydrides 6.2.4 Kinetics of the Reactions of N-Acylpyridinium ions with Benzylamine (9) 261 6.3 CONCLUSION 269 6.4 EXPERIMENTAL SECTION 271 6.4.1 General Comment 271 6.4.2 Kinetic Experiments 275 6.4.3 Product Characterization 311 6.5 REFERENCES 315 7 INDUCTIVE EFFECTS THROUGH ALKYL GROUPS — 317 HOW LONG IS LONG ENOUGH? 7.1 INTRODUCTION 317 7.2 RESULTS AND DISCUSSION 318 7.3 CONCLUSION 327 7.4 EXPERIMENTAL SECTION 327 7.4.1 General Comment 327 7.4.2 Kinetic Experiments 328 7.5 REFERENCES 332 8 PHOTOGENERATION OF BENZHYDRYL CATIONS BY NEAR-UV 333 LASER FLASH PHOTOLYSIS OF PYRIDINIUM SALTS 8.1 Introduction 333 8.2 RESULTS AND DISCUSSION 336 8.2.1 Photo-generation of Benzhydrylium Ions