Carbonyl-Sulfur Bond Activation for Cross-Coupling Chemistry

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit den katalytischen Umwandlungen von Carbonyl-Schwefel-Bausteinen unter Verwendung von späten Übergangsmetallkatalysatoren, welche wertvolle Umwandlungen für organische Synthesen mittels selektiver Aktivierung von C-S-Bindungen unter milden Bedingungen ermöglichen. Hierfür wurden Kreuzkupplungsreaktionen erforscht, da diese entscheidende Reaktionen bei organischen Synthesen darstellen in kleinem oder großem Maßstab und bei denen in der Regel späte Übergangsmetallkatalysatoren eingesetzt werden. Palladium ist zwar immer noch ein wichtiges Katalysatormetall für solche Umwandlungen, aber der Ersatz dieses Edelmetalls durch Eisen, Kobalt oder Nickel wird durch eine günstigere Kosteneffizienz, höheres natürliches Vorkommen oder den geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck der Metalle begünstigt, was in Kapitel 1 dieser Arbeit erläutert wurde. Zu diesem Zweck wurden in nachfolgenden Kapiteln historische Entwicklungen, Zusammenfassungen über aktuelle Methoden und mechanistische Details von eisen- und kobaltkatalysierten Kreuzkupplungen von Grignard-Reagenzien diskutiert.

In Kapitel 2 wurde eine eisenkatalysierte Kreuzkupplung von Thioestern mit Alkylmangan- Reagenzien entwickelt. Diese Reagenzien ermöglichten die Reaktion unter sehr milden Bedingungen, kurzen Reaktionszeiten und mittleren Katalysatorladungen eines preisgünstigen Eisen-Präkatalysators, während nur ein geringer Überschuss des Manganreagenzes erforderlich war. Dies führte zur Synthese eines breiten Spektrums von Ketonen mit Beispielen von hochfunktionalisierten Verbindungen, wie Naturstoff- oder pharmazeutische Derivate. Die Regioselektivität der Methode sowie die Toleranz gegenüber Aryl(pseudo)halogeniden ermöglichten eine vorteilhafte orthogonale Reaktivität. Darüber hinaus verdeutlichte die beobachtete Bildung von intermediären Eisenthiolaten während der Reaktion einen Vorteil von Schwefel-basierten Bausteinen für die Gesamtreaktion, wie eine Stabilisierung intermediärer Alkyleisen-Spezies durch die Thiolatanionen.

In Kapitel 3 wurde die Übergangsmetall-katalysierte (Co, Ni) Umwandlung von S-Arylthioformiaten in S-Arylthiocarbamate untersucht. Die Carbonyl-Schwefel-Bausteine wurden für Reaktionen mit organometallischen Reagenzien unter Übergangsmetall-katalytischen Bedingungen untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Formylierung von Organozinkreagenzien unter Verwendung von S-Thioformaten als Formyl-Donatoren durch Kobalt-Katalyse ermöglicht wird. Die Ergebnisse zeigten eine komplexe Reaktivität der Ausgangsstoffe und der Aldehydprodukte bei mittleren Ausbeuten. Zusätzlich wurden beide Bausteine als maskierte Thiolatquelle für die Synthese von Thioethern untersucht, die unter reduktiven oder Kreuzkupplungsbedingungen unterschiedlichen Ausbeuten ergaben. Bei den Thiocarbamaten erfolgte die kobaltkatalysierte Kreuzkupplungsreaktion auch mit zusätzlichem Styrol über eine mögliche Hydromagnesiierungsreaktion.

This thesis deals with catalytic conversions of carbonyl-sulfur building blocks using late transition metal-catalysts to provide valuable transformations for organic syntheses, by exploiting selective C-S bond activation under mild conditions. For this, cross-coupling reactions are crucial transformations in small to large scale organic syntheses and usually employ late transition metal-catalysts. While palladium is still an important catalyst for such conversions, replacement of this precious metal by iron, cobalt or nickel is incentivized by a favorable cost-efficiency, abundance or carbon-footprint, which was presented in chapter 1 of this thesis. To this end, historical developments, overviews of current state-of-the-art methodologies and mechanistic studies of iron- and cobalt-catalyzed cross-couplings of Grignard reagents were reviewed in respective chapters.

In chapter 2, the iron-catalyzed cross-coupling of thioesters with alkyl manganese reagents was developed. These reagents enabled the reaction to proceed under mild conditions, short reaction times, medium catalyst loadings of a cheap iron-precatalyst while only necessitating low excess of manganese reagent. This led to the synthesis of a broad scope of ketones with examples of highly functionalized compounds such as derivatives of natural or pharmaceutical compounds. The regioselectivity of the method as well as the tolerance of aryl (pseudo-)halides allowed for beneficial orthogonal reactivity. Furthermore, the observed formation of iron thiolates during the reaction demonstrated an advantage of thio-based building blocks on the overall reaction such as the stabilization of potential alkyl iron intermediates in presence of thiolate.

In chapter 3, the transition metal-catalyzed (Co, Ni) conversions of S-aryl thioformates or S-aryl thiocarbamates was studied. The carbonyl-sulfur building blocks were probed for reactions with organometallic reagents under catalytic conditions. The formylation of organozinc reagents by employing S-thioformates as formyl donors, was found to be promoted by cobalt-catalysis. With only fair yields, the results exhibited a complex reactivity of the starting materials as well as the aldehyde products. Additionally, both building blocks were studied as masked thiolate sources for the synthesis of thioethers, which proceeded with varying yields under reductive or cross-coupling conditions. For thiocarbamates, the cobalt-catalyzed cross-coupling reaction also proceeded in the presence of styrene via hydromagnesiation.