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Silyl Cation-promoted C-F Activation


Allemann, Oliver. Silyl Cation-promoted C-F Activation. 2014, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Using a highly reactive silyl cation paired with a carborane anion, carbon- fluorine (Ar–F) bonds could be activated towards intramolecular aryl-aryl coupling. Exposure of a fluorophenyl substrate to one equivalent of triisopropylsilyl cation and a sterically hindered base, causes the generation of a short-lived phenyl cation that is intramolecularly attacked by an aromatic moiety, thereby forming a cyclized polyaromatic hydrocarbon. The general concept was extended to a catalytic reaction protocol, which takes advantage of the highly acidic proton liberated during the product formation by reforming silyl cations from dimethyldimesityl silane upon protodesilylation. To start the reaction, a catalytic amount of silyl cation or a very strong Brønsted acid (e.g. protonated mesitylene) can be employed. A further enhancement was achieved by application of microwave irradiation. The reaction time was decreased substantially and the necessary amount of initiator could be reduced. The methodology was implemented on various substrates, resulting in formation of five- and six-membered rings being part of small Polycyclic aromatic hydrocarbons. The scope could be expanded to substrates containing fluoropyridyl moieties, although at the cost of the necessity of an additional equivalent of silyl cation to saturate the Lewis basic lone pairs of the nitrogen atom contained in the molecule. Molecules bearing a TIPS- protected alcohol group could not only be transformed to cyclized product, but were also deprotected during the course of the reaction. Furthermore, these transformations could be performed in a catalytic fashion, 5 mol-% of silyl cation was sufficient. A different reactivity was observed for substrates that posses a methyl group close to the C–F bond within the same molecule. The abstraction of fluoride results in formation of a carbon-carbon bond between methyl and fluorophenyl to give cycclized product. Deuterium labeling studies provided further insight into the reaction mechanism and a 1,2-insertion reaction of phenyl cation into the C–H bond was suggested to explain this cyclization. Benzylic and non- benzylic methyl groups could be activated towards such a reactivity, therby forming five- or six-membered rings. Carefully designed starting materials can then provide the base for the synthesis of novel compounds, using either method presented in this thesis, the intramolecular arylation or the CH–insertion reaction protocol.
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Mit Hilfe von Silylkationen konnten Kohlenstoff-Fluor-Bindungen (Ar–F) aktiviert werden, was zu intramolekularen Ringschlüssen durch Aryl-Aryl Verknüpfungen führte. Die Verwendung von einem Equivalent von Triisopropylsily Carboran Derivat und einem Equivalent einer sterisch gehinderten Base zur Umsetzung eines Fluorophenyl Substrats führt zur kurzzeitigen Entstehung eines Phenyl Kations, welches intramolekular von einer Arylgruppe angegriffen wird und somit zyklisiertes polyaromatisches Kohlenwasserstoff hervorbringt. Die Methode wurde weiterentwickelt, sodass eine katalytische Menge an Silylkation ausreicht für die Umsetzung von Startmaterial zu Produkt. Dies wurde erreicht durch den Einsatz von Dimethyldimesitylsilan, welches die beim Ringschluss entstehenden Protonen abfängt und somit Silylkationen durch Protodesilylierung regeneriert. Um die Reaktion zu starten kann entweder ein Silylkation oder eine sehr starke Brønsted-Säure (z.B. Mesitylen–H+) benutzt werden. Durch Heizen der Reaktion mit Mkrowellenstrahlung kann die Reaktionsdauer und die Menge an eingesetztem Initiator deutlich reduziert werden. Die Methodik wurde auf eine Reihe verschiedener Substrate angewendet, was zur Entstehung von 5-und 6-gliedrigen Ringen führte. Der Anwendungsbereich der Reaktion konnte auf Substrate, welche ein Fluoropyridin beinhalten ausgeweitet werden. Dazu ist allerdings die Verwendung von einem zusätzlichen Equivalent Silylkation nötig. Moleküle welche eine TIPS-geschützte Alkoholfunktion besitzen können ebenfalls umgesetzt werden, und man erhält nicht bloss zyklisiertes, sondern auch entschütztes Produkt. In Substraten welche eine Methylgruppe in der Nähe der C–F Bindung aufweisen, konnte eine neuartige Reaktivität beobachtet werden. Durch Abstrahierung von Fluorid entsteht zwischen der Methylgruppe und dem Fluorophenyl ine neue Bindung und somit ein zusätzlicher Ring. Ein Experiment in dem eine Deuterium-markierte Methylgruppe verwendet wurde, gibt Hinweise auf den Mechanismus der Kopplung zwischen Fluoroaryl und Methyl. Die Deuteriumverteilung im Produkt legt eine 1,2-Insertion vom Phenylkation in die C–H Bindung der Methylgruppe nahe. Durch die Synthese von passenden Ausgangsverbindungen können durch Verwendung der in dieser Arbeit beschriebenen Methoden (intramolekulare Arylierung und C–H Insertion) neuartige Substanzen hergestellt werden, welche ein konjugiertes Kohlenwasserstoff-Skelett aufweisen.

Abstract

Using a highly reactive silyl cation paired with a carborane anion, carbon- fluorine (Ar–F) bonds could be activated towards intramolecular aryl-aryl coupling. Exposure of a fluorophenyl substrate to one equivalent of triisopropylsilyl cation and a sterically hindered base, causes the generation of a short-lived phenyl cation that is intramolecularly attacked by an aromatic moiety, thereby forming a cyclized polyaromatic hydrocarbon. The general concept was extended to a catalytic reaction protocol, which takes advantage of the highly acidic proton liberated during the product formation by reforming silyl cations from dimethyldimesityl silane upon protodesilylation. To start the reaction, a catalytic amount of silyl cation or a very strong Brønsted acid (e.g. protonated mesitylene) can be employed. A further enhancement was achieved by application of microwave irradiation. The reaction time was decreased substantially and the necessary amount of initiator could be reduced. The methodology was implemented on various substrates, resulting in formation of five- and six-membered rings being part of small Polycyclic aromatic hydrocarbons. The scope could be expanded to substrates containing fluoropyridyl moieties, although at the cost of the necessity of an additional equivalent of silyl cation to saturate the Lewis basic lone pairs of the nitrogen atom contained in the molecule. Molecules bearing a TIPS- protected alcohol group could not only be transformed to cyclized product, but were also deprotected during the course of the reaction. Furthermore, these transformations could be performed in a catalytic fashion, 5 mol-% of silyl cation was sufficient. A different reactivity was observed for substrates that posses a methyl group close to the C–F bond within the same molecule. The abstraction of fluoride results in formation of a carbon-carbon bond between methyl and fluorophenyl to give cycclized product. Deuterium labeling studies provided further insight into the reaction mechanism and a 1,2-insertion reaction of phenyl cation into the C–H bond was suggested to explain this cyclization. Benzylic and non- benzylic methyl groups could be activated towards such a reactivity, therby forming five- or six-membered rings. Carefully designed starting materials can then provide the base for the synthesis of novel compounds, using either method presented in this thesis, the intramolecular arylation or the CH–insertion reaction protocol.
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Mit Hilfe von Silylkationen konnten Kohlenstoff-Fluor-Bindungen (Ar–F) aktiviert werden, was zu intramolekularen Ringschlüssen durch Aryl-Aryl Verknüpfungen führte. Die Verwendung von einem Equivalent von Triisopropylsily Carboran Derivat und einem Equivalent einer sterisch gehinderten Base zur Umsetzung eines Fluorophenyl Substrats führt zur kurzzeitigen Entstehung eines Phenyl Kations, welches intramolekular von einer Arylgruppe angegriffen wird und somit zyklisiertes polyaromatisches Kohlenwasserstoff hervorbringt. Die Methode wurde weiterentwickelt, sodass eine katalytische Menge an Silylkation ausreicht für die Umsetzung von Startmaterial zu Produkt. Dies wurde erreicht durch den Einsatz von Dimethyldimesitylsilan, welches die beim Ringschluss entstehenden Protonen abfängt und somit Silylkationen durch Protodesilylierung regeneriert. Um die Reaktion zu starten kann entweder ein Silylkation oder eine sehr starke Brønsted-Säure (z.B. Mesitylen–H+) benutzt werden. Durch Heizen der Reaktion mit Mkrowellenstrahlung kann die Reaktionsdauer und die Menge an eingesetztem Initiator deutlich reduziert werden. Die Methodik wurde auf eine Reihe verschiedener Substrate angewendet, was zur Entstehung von 5-und 6-gliedrigen Ringen führte. Der Anwendungsbereich der Reaktion konnte auf Substrate, welche ein Fluoropyridin beinhalten ausgeweitet werden. Dazu ist allerdings die Verwendung von einem zusätzlichen Equivalent Silylkation nötig. Moleküle welche eine TIPS-geschützte Alkoholfunktion besitzen können ebenfalls umgesetzt werden, und man erhält nicht bloss zyklisiertes, sondern auch entschütztes Produkt. In Substraten welche eine Methylgruppe in der Nähe der C–F Bindung aufweisen, konnte eine neuartige Reaktivität beobachtet werden. Durch Abstrahierung von Fluorid entsteht zwischen der Methylgruppe und dem Fluorophenyl ine neue Bindung und somit ein zusätzlicher Ring. Ein Experiment in dem eine Deuterium-markierte Methylgruppe verwendet wurde, gibt Hinweise auf den Mechanismus der Kopplung zwischen Fluoroaryl und Methyl. Die Deuteriumverteilung im Produkt legt eine 1,2-Insertion vom Phenylkation in die C–H Bindung der Methylgruppe nahe. Durch die Synthese von passenden Ausgangsverbindungen können durch Verwendung der in dieser Arbeit beschriebenen Methoden (intramolekulare Arylierung und C–H Insertion) neuartige Substanzen hergestellt werden, welche ein konjugiertes Kohlenwasserstoff-Skelett aufweisen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Siegel Jay S, Baldridge Kim K
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2014
Deposited On:27 Mar 2019 13:29
Last Modified:25 Sep 2019 00:16
Number of Pages:137
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod010149394&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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