New catalysts and new substrates in ring-closing metathesis

Abstract

In den letzten 20 Jahren entwickelte sich die Olefin-Metathese zu einer ausgezeichneten Methode um Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindungen zu manipulieren. Trotz des ernormen Fortschritts bezüglich Stabilität von Katalysatoren, deren hohe Aktivitäten und deren Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen sind weitere Verbesserungen von grosser Bedeutung. Diese Dissertation ist dem Ziel gewidmet neuartige Katalysatoren zu synthetisieren und deren Verhalten in der Ringschlussmethatese (RCM) zu untersuchen. Der erste Abschnitt dieser Arbeit, welcher im zweiten Kapitel beschrieben ist, konzentriert sich auf die Entwicklung von einer Reihe auf Ruthenium basierende Metathesekatalysatoren der Hoveyda-Blechert-Familie. Diese Katalysatoren bestehen aus N-heterozyklische Carbene mit einer substituierten Naphthyl-Seitenkette. Zum ersten Mal war eine chromatographische Trennung und Aufreinigung der syn- und anti-Isomere einiger Katalysatoren erfolgreich. Durch verschiedene kinetische Untersuchungsreihen an den isolierten Isomeren konnten entscheidende Unterschiede in der Aktivität und Stabilität zwischen anti- und syn-Konformeren des Katalysators festgestellt werden. Intensive Studien zur Auswirkung der Konzentration auf die Reaktionsrate von RCM-Reaktionen wurden zusätzlich durchgeführt mit dem Ergebnis, dass unter bestimmten Konditionen, sehr hohe Konzentrationen des Vorläufer-Diens zu RCM führen kann mit einer Vielfalt von Substraten mit extrem niedrig katalytischer Ladung. Im dritten Kapitel wird die Synthese und Charakterisierung einer neuen Familie von NHC mit mono- oder disubstituierten Seitenketten behandelt. Das Ziel dieser Arbeit war das Erlangen von Liganden, welche vorwiegend die anti–Konformation einnehmen. Dadurch wird erreicht, dass diese Komponenten vielseitiger in der Organischen Chemie und als Organokatalysatoren einsetzbar sind. Insbesonders können durch Inkorporation der Liganden diese Ru-Katalysatoren zu Metathese-Reaktionen verwendet werden. Im vierten Kapitel wird zum Abschluss die Entwicklung jener katalytischen Methoden, um Alkenbromide durch RCM-Reaktionen zu erhalten, angestrebt. Dafür werden katalytische Mengen von kommerziell erwerblichen Katalysatoren verwendet. Diese Produkte stellen ein grosses Interesse, nicht nur als Bausteine in der Organischen Synthese dar, sondern auch als Möglichkeit neuwertige milde synthetische Wege einzuschlagen. Eingeschlagene Versuche diese Reaktionsmechanismen zu klären werden in dieser Arbeit vorgestellt.


In the past twenty years, olefin metathesis has developed into an excellent method to manipulate carbon-carbon double bonds. Despite the enormous progress in terms of stability of catalysts, their activities and their high tolerance of functional groups, further improvements are of great importance. The aim of this dissertation is to synthesize novel catalysts and investigate their behavior in ring closing metathesis reactions (RCM). The first section of this work, which is described in the second chapter, focuses on the development of a series of ruthenium-based metathesis catalysts of the Hoveyda-Blechert family. These compounds contain an N-heterocyclic carbene ligand that features substituted naphthyl side chains. For the first time, a chromatographic separation and purification of the syn and anti isomers of some of these catalysts was successfully performed. Crucial differences in the activity and stability between anti and syn conformers of the catalysts were determined through various kinetic study on a series on isolated isomers. Intensive studies on the effect of concentration on the reaction rate of RCM reactions were carried out. It was discovered that, under certain specific conditions, very high concentrations of the precursor diene can lead to RCM reactions with an extremely low catalytic loading for a variety of substrates. In the third chapter the synthesis and characterization of a new family of NHC with mono-or disubstituted side chains is treated. The aim of this work is the synthesis of a series of ligands which display a strong preference for the anti-conformation. This can ensures an higher versatility of the obtained ligands and the possibility of using this compounds in organocatalysis. In the last chapter is described the development of a new, catalytic method to obtain cyclic vinyl bromide by RCM reactions using a commercially available catalyst. These products are particularly interesting building block for organic synthesis and very few other synthetic routes are known. Attempts to clarify the reaction mechanism are presented in this work.