Nucleophile Eisen-Komplexe als Katalysatoren in Sulfonierungsreaktionen

Abstract

Sulfone, insbesondere Allylsulfone, stellen wichtige Syntheseintermediate in der organischen Chemie dar. Die bis heute entwickelten Methoden der allylischen Sulfonierung sind jedoch weitestgehend limitiert und lassen noch Entwicklungsbedarf offen bezüglich Regioselektivität, der Übertragung funktionalisierter Sulfonylreste oder der isomerisierungsfreien Darstellung sekundärer Allylsulfone. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag daher auf der Weiterentwicklung der Eisen-katalysierten, allylischen Sulfonierung in ein breit anwendbares Protokoll und der Entwicklung von Lösungen für vorstehend genannte Probleme. In einem ersten Schritt konnte eine regioselektive, Eisen-katalysierte, allylische Sulfonierung ausgehend von tertiären Allylcarbonaten und Natriumsulfinaten ausgearbeitet werden. Die Reaktion erwies sich als breit anwendbar auf eine Reihe von aromatischen Sulfinaten, zusätzlich gelang auch die Allylierung eines heteroaromatischen Sulfinats. Weiterhin weist diese Methode eine hohe funktionelle Gruppentoleranz auf und verläuft unter Retention der Stereoinformation am neugebildeten Stereozentrum. Die Methode zeigte sich allerdings limitiert auf tertiäre Allylcarbonate, da sekundäre Allylsulfone unter den Reaktionsbedingungen in die entsprechenden Vinylsulfone isomerisiert werden. Aufgrund dieser Isomerisierungsproblematik wurde in einem zweiten Teil dieser Arbeit ein neues Protokoll der allylischen Sulfonierung ausgearbeitet, was sich auf eine Freisetzung der Sulfinate in situ aus Sulfinatdonoren stützt. Die aus der Abgangsgruppe des Allylcarbonats generierte Alkoholatbase bewirkt hierbei in einer beta-Eliminierung die Freisetzung des Sulfinats aus dem Sulfinatdonor und wird dadurch kontinuierlich verbraucht, wodurch die Reaktion unter quasi-neutralen Bedingungen abläuft. Die Vorteile dieser Methode liegen zum einen in der Möglichkeit aufgrund der neutralen Reaktionsbedingungen sekundäre Allylcarbonate isomerisierungsfrei zu sulfonieren. Zum anderen sind durch die einfache Zugänglichkeit der Sulfinatdonoren funktionalisierte Sulfinate, welche als isolierte Sulfinate nur schwer darstellbar sind, einsetzbar. Mit dem optimierten System lassen sich sekundäre Allylcarbonate bei Temperaturen von 40 °C sulfonieren. Als Sulfinatdonor erwiesen sich alpha-Sulfonylsuccinimide als optimale Reagenzien. Auch diese Reaktion verläuft unter Retention der Stereoinformation und weist eine gute funktionelle Gruppentoleranz auf. Zusätzlich konnte eine als Nebenreaktion in der allylischen Sulfonierung entdeckte Eisen-katalysierte Aldolkondensation ausgearbeitet werden. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde eine duale Katalyse aus Eisen-katalysierter allylischer Sulfonierung und Amin-katalysierter Isomerisierung zur Darstellung synthetisch wertvoller (E)-Vinylsulfone ausgehend von Allylcarbonaten entwickelt. Eine Kombination aus Metall- und Organokatalyse ist in diesem Fall gut möglich, was die Robustheit des Katalysators TBAFe beweist. Auch in diesem Fall konnte eine breite funktionelle Gruppentoleranz nachgewiesen werden. Die Isomerisierung beschränkt sich dabei auf Allylsulfone mit monosubstituierter Doppelbindung. Es entsteht daher nur ein regioisomeres Vinylsulfon. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschiedene Phosphin-substituierte Allyl-Eisen-Komplexe dargestellt, teilweise kristallisiert und anhand der erhaltenen Röntgenstrukturen analysiert. Die dargestellten Phosphin-substituierten Allyl-Eisen-Komplexe wurden schließlich als Katalysatoren in der allylischen Sulfonierung eingesetzt und in ihrer Aktivität verglichen. Eine Aktivierung der Komplexe mit einem NHC-Liganden erwies sich als notwendig. Die Komplexe weisen in ihrer Aktivität einen Phosphin-Effekt auf. Eine asymmetrische Induktion chiraler Allyl-Eisen-Komplexe konnte nicht erreicht werden.

Sulfones, especially allylic sulfones, are valuable intermediates in organic synthesis. Until now, methods for allylic sulfonation still suffer some limitations and leave space for further development concerning regioselectivity, transfer of functionalized sulfonyl moieties or the isomerization-free preparation of secondary allylic sulfones. Thus, in the present work the development of various iron-catalyzed sulfonation methods is described with the goals of expanding the scope of sulfinate nucleophiles towards aliphatic, heteroaromatic and functionalized nucleophiles and controlling the pi-bond-isomerization of secondary allylic sulfones. As a first protocol the regioselective iron-catalyzed allylic sulfonation of tertiary allylic carbonates with aryl sulfinates was developed. This reaction was shown to proceed with retention of configuration and showed a broad substrate scope and functional group tolerance. Nevertheless this method proved to be limited to tertiary allylic carbonates, as secondary allylic sulfones underwent pi-bond-isomerization into the corresponding vinylic sulfones under the reaction conditions. The problem of pi-bond-isomerization was addressed in a completely new access to allylic sulfones by a salt-free iron-catalyzed allylic sulfonation with sulfinate donors. Here, the sulfinate nucleophiles are generated in situ through a base-promoted elimination reaction from the sulfinate donors. alpha-Sulfonyl succinimides proved to be easily accessible sulfinate donors, thus solving synthetic problems of sulfinate synthesis. With this protocol a variety of different functionalized aryl, heteroaryl or alkyl allyl sulfones were easily prepared under mild reaction conditions without any isomerization of the double bond. Again, this reaction was shown to proceed under retention of configuration. Additionally, the iron-catalyzed aldol condensation, a side reaction of the allylic sulfonation, could be optimized. As a further extension of this sulfonation method the iron+amine-catalyzed tandem-allylic sulfonation-isomerization was developed. In a dual catalysis iron-catalyst TBAFe and organocatalyst DBU act as cocatalysts selectively yielding (E)-configured vinylic sulfones from secondary allylic carbonates, thus again controlling the configuration of the double bond. The reaction showed a broad functional group tolerance, but the isomerization step is limited to allylic sulfones with a monosubstituted double bond, yielding only one regioisomeric vinyl sulfone. Furthermore, some investigations into the structure and catalytic properties of phosphine-substituted pi-allyl-iron complexes in allylic sulfonations were undertaken. A range of phosphine-substituted allyl iron complexes was synthesized, partly crystallized and structurally analyzed by X-ray analysis. The synthesized phosphine-substituted allyl-iron complexes were utilized as precatalysts and their catalytic activity compared. A reactivation with a NHC-ligand proved to be necessary for a catalytic activity, which was shown to be phosphine-dependent. An asymmetric induction of chiral allyl-iron complexes could not be achieved.