Modeling the mechanism of ester-substituted alkynes in acyloxy migration followed by various cycloaddition reactions
Ester sübstitüye alkinlerin asiloksi göçü ve ardından çeşitli halka katılma reaksiyon mekanizmalarının modellenmesi
- Tez No: 485331
- Danışmanlar: PROF. DR. NURCAN Ş .TÜZÜN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Metal katalizörlü sentezler organik kimyacıların sıkça kullandığı metodlardandır. Elde edilen ürün ya da ürünler katalizörün kimliğine, ligandlara, tepkenlere ve deney şartlarına çoğu zaman bağlılık göstermekte fakat hangi aşamalardan geçerek ürün elde edildiği bilinememektedir. Mekanizmanın bilinmesi, ürün dağılımına etki eden faktörlerin anlaşılması, o tepkimenin kontrolüne ve isteğe özel ürün elde edilmesine olanak sağlayacaktır. Bu tez kapsamında bir seri propargil esterlerin Rh katalizör varlığında gerçekleşen asiloksi göç ve ardından siklokatılma tepkimelerinin hangi mekanizma üzerinden ilerlediği ve hangi ürünü verdiği kuantum mekanik yöntemlerle incelenmiştir. İlk bölümde konuya ilişkin literatür bilgisi verilmektedir. İkinci bölümde, kuantum kimyası teorik çerçevede sunulmuştur. Üçüncü ve dördüncü bölümlerde bu tez kapsamında yapılan çalışmaların sonuçları tartışılmıştır. Son bölümde ise tezin sonuçları özetlenmiştir. Bu çalışmanın amacı asiloksi göçü ve halka katılması ile oluşan fonksiyonelleştirilmiş siklohekzenon ve siklopentenon reaksiyon mekanizmalarını kuantum mekaniksel yöntemlerle detaylı olarak aydınlatılmasıdır. Elde edilen yapılar bir çok kullanım alanına sahip olduklarından organik sentez açısından kıymetli ürünlerdir. Bu tez iki çalışmadan oluşmaktadır. İlk çalışmada, birbiriyle yarışan 1,2- ve 1,3-asiloksi göçleri tartışılmıştır. Alkinlerin yapısının regio seçiliğe etkisini incelemek için uç ve iç alkinli 3-asiloksi 1,4-enin esterlerin (ACE) [4+1] ve [5+1] siklokatılmaları araştırılmıştır. İkinci çalışmada ise, siklopropil sübstitüye propargil esterlerin ardarda gerçekleşen 1,3-asiloksi göçü ve [5+1] siklokatılma mekanizmaları araştırılmıştır. Ürün dağılımına neden olan siklopropil halka açılma mekanizmasını açıklayabilmek için siklopropile bağlı grupların etkisi üzerinde çalışılmıştır. Bu tezin ilk aşamasında, siklohekzen sübstitüye ACElerin [RhCl(CO)2]2-katalizörlü molekül içi asilosi göç eşliğinde halka katılma mekanizmaları Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (YFT) ile B3LYP/6-31+G(d) baz seti kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Rh atomu için LANL2DZ kullanılmıştır. Birbiriyle yarışan 1,2- ve 1,3-asiloksi göçleri ile uç ve metil sübstitüye başlangıç eninlerinin geçiş ve ara ürünleri modellenerek alkinlerin yapısının etkisi açıklanmaya çalışılmıştır. Deneysel ve mekaniksel çalışmalar göstermektedir ki uç alkinli ACEler Rautenstrauch 1,2-asiloksi göçü ve [5+1] katılması ile siklohekzadienon oluşumunu sağlarken, iç alkinli ACE'lerle Saucy-Marbet 1,3-asiloksi göçü ve [4+1] katılması ile siklopentenon elde edilmektedir. Reaksiyon ACE-RhCl(CO)-π bileşiğinin CO ve Cl ligandların pozisyonuna göre iki izomer ile başlamaktadır. Hem uç hem iç alkinlerde karbonilin alkin grubuna trans olduğu izomer enerjik olarak daha kararlıdır çünkü Rh metali hem alkin hem de alken yapısına koordine olmuştur. Diğer izomerde ise rodyum alkin yapısıyla güçlü bir bağ kurarken alken yapısından uzakta olmayı tercih etmiştir. YFT çalışması ile asiloksi göçünün hem uç hem de iç alkinlerin halkalaşma reaksiyonlarında tepkimenin hızını belirleyen basamak olduğu ve regio seçiciliğin deneysel sonuçlarla uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. 1,2- ve 1,3-asiloksi göçü arasındaki ~5 kcal/mol Gibbs serbest enerji farkı, uç alkinler için 1,2-asiloksi göçünün tercih edildiğini göstermektedir. Bu durum deneysel ve teorik bulgular ile de tutarlıdır. 1,2-asiloksi göç ürünü olan Rh-allil bileşiğine karbonil katılması için iki yol önerilmiştir: rodyum katalizörüne CO eklenmesi ve ardından CO grubunun halkaya katılması ya da CO eklenmesinden önce daha düşük enerjili izomer oluşumu. CO katılması ve ardından gelen reaksiyon basamaklar izomer ürününü takip eden mekanizmanın enerji bakımında tercih edildiği göstermektedir. Diğer yandan, karbonil grubunun keten oluşumuna neden olan alken tarafı yerine siklohekzan tarafından katıldığı gösterilmiştir. Oluşan rodyum-sikloheptadienon indirgeyici eliminasyona uğramış ve katalizörün farklı bir ACE ile koordine olup ayrılmasıyla siklohekzadienon elde edilmiştir. İç alkinlerin 1,3-asiloksi göçü tercihi 1,2-asiloksi göçüne göre yeterince kuvvetli olmadığı için her iki mekanizma da modellenmiştir. 1,2-asiloksi göçünü takip eden basamakların bariyerlerinin 1,3-asiloksi göçünü takip eden basamaklara göre daha yüksek olduğu bulunmuştur. Aynı zamanda 1,2- göç ürünü olan Rh-allil bileşiği ile tepkenin enerjisi hemen hemen aynı olduğu için bir denge durumundan bahsedilebilir. Diğer yandan, 1,3-asiloksi göçü sonrası oluşan Rh-allenil bileşiği daha düşük enerjiye sahip ve daha kararlıdır. Aynı zamanda deneysel olarak da gözlemlenmiştir. Uç alkinlerde olduğu gibi, direk CO eklenmesi yerine önce izomerleşmenin gerçekleşmesinin ve karbonil grubunun siklohekzana yakın kısımdan katılmasının enerjik olarak tercih edildiği görülmüştür. Oluşan rhodasiklohekzenon indirgeyici eliminasyona uğramış ve katalizör başka bir ACE molekülü ile koordinasyona girerek sistemi terk etmiştir. Olefinik karbonların yüklerinin asiloksi göçü etkilediği literatürde bahsedilmektedir. Bunu incelemek için uç ve iç alkinlerin tepkenlerinin olefinik karbon yükleri karşılaştırılmıştır. Buna göre asiloksi grubunun negatif yüklü karbonil oksijeni olefinik karbonlardan daha pozitif yüklü olana saldırmaktadır. Uç alkinlerde 1,2-asiloksi göçünün gerçekleşmesine neden olan karbonun daha pozitif olduğu görülürken, iç alkinlerde ise 1,3-asiloksi göçüne sebep olan karbon atomunun daha pozitif olduğu görülmüştür. Bu bulgular ile literatürde altın analoğu ile yapılan çalışmanın uyum sağladığı görülmektedir. Bunun dışında, iç alkinler üzerinde sübstitüentin etkisini araştırmak için metil grubu fenil, para-metoksifenil ve vinil gruplarıyla değiştirilmiş fakat baskın bir 1,3-asiloksi göçü tercihi görülmemiştir. Diğer yandan bu yapıların 1,3-asiloksi göçü ile oluşan Rh-allenil bileşiklerinin 1,2-asiloksi göçü ile oluşan Rh-allil bileşiklerine göre daha kararlı olduğu enerji değerlerinden anlaşılmaktadır. Bu da iç alkinlerin 1,3- göç tercihinin oluşan allen yapısının daha kararlı olmasıyla açıklanabilir. 1,3-göç verimliliğini artırmak için, deneysel çalışma yapanların rezonans kararlığını kolaylaştıran uygun sübstitüyeli gruplar ile daha kararlı allen elde etmeye odaklanabilirler. Ayrıca, çözücünün mekanizma üzerinde etkisi gözlemlenmemiştir. Birinci kısımda sunulan sonuçlar Rh-katalizörlü 1,2- ve 1,3-asiloksi göç ve ardından gerçekleşen halka katılmaları ile istenen bisiklik siklohekzadienon ve siklopentenon türevlerinin elde edilmesine olanak sağlamaya ve oluşan ürünü kontrol etmeye katkı sağlamaktadır. Tez çalışmasının ikinci kısmında, siklopropil sübstitüye propargil esterlerin siklokarbonlaşma mekanizması YFT ile WB97XD/6-31+G(d) baz seti kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Rh atomu için LANL2DZ kullanılmıştır. İlk çalışmada kullanılan B3LYP fonksiyonunun bu mekanizmanın aydınlatılmasında yeterince başarılı olmadığı, WB97XD fonksiyonunun asiloksi göçünün aydınlatılmasında etkili olduğu görülmüştür. Asimetrik sübstitüye siklopropanların farklı C-C σ-bağlarının koparılması ile farklı isomerler elde edilmektedir. Koparılan C-C σ-bağların regio seçiciliğinin siklopropil grubun stereokimyasına, metal katalizörün yapısına ve sübstitüyentlerin elektronik özelliklerine bağlı olduğu bulunmuştur. Bu çalışmada, 3-(2-Hidroksimetil-siklopropil)-1,1-dimetil-prop-2-ynil esterin cis ve trans konformerleri ile 3-(2-Fenil-siklopropil)-1,1-dimetil-prop-2-ynil esterin trans konformeri için reaksiyon mekanizması aydınlatılmış ve ürün dağılımı incelenmiştir. Daha az veya daha fazla sübstitüye C-C σ-bağının kopmasını tercih eden ikişer konformer bulunmaktadır. Reaksiyon mekanizmasını aydınlatmak ve seçiciliği göstermek için her izomer için bu dört konformerin reaksiyon mekanizması modellenmiştir. Cis-sübstitüye siklopropanın halka açılımı trans benzeri gibi sübstitüyente sahip olmayan ya da daha az sübstitüyente sahip olan C-C σ-bağının kopmasıyla meydana gelmektedir. Diğer yandan, cis yapısı trans yapısına göre daha yüksek regio seçiciliğe sahip olduğu deneysel olarak gözlemlemiştir. Ayrıca, hidroksimetil ve fenil sübsitüye siklopropanların trans konformerlerinin karşıt regio seçiciliğe sahip olduğu görülmüştür. Siklopropil sübstitüye propargil esterlerin 1,3-asiloksi göçü iki aşamada gerçekleşen bir işlemdir. Oluşan Rh-allenil bileşiği sırasıyla izomerizasyona, CO eklenmesine ve en son olarak halka açılmasına uğrar. Yeni oluşan metal içeren halka önce CO katılması sonra indirgeyici eliminasyon geçirir. Son basamakta, katalizör başka bir ACE molekülü ile koordine olarak sistemi terk eder ve alkilidin siklohekzenon ürünü oluşur. Ana mekanizmaya alternatif olup siklohekzenon ürünü verebilecek mekanizmalar da dikkate alınıp incelenmiştir. İlk olarak halka açılmasının CO eklenmesinden önce geldiği mekanizma modellenmiştir. İkinci olarak ise önce CO eklenmesi ardından halka açılması incelenmiştir. İlk alternatif başarısız olduğu için ikinci mekanizma ile reaksiyonun aydınlatılmasına devam edilmiştir. İlk çalışmada olduğu gibi allen bileğişinin izomerizasyona uğrayarak daha kararlı bir yapıya dönüştüğü izomere karbonil katılmasının, direk karbonil katılmasına göre daha düşük bariyer ile gerçekleştiği görülmüştür. Ayrıca, CO katılması hem siklopropan tarafından hem de alken tarafından modellenmiştir. Siklopropan tarafından katılma daha düşük enerjiyle gerçekleşirken, alken tarafından katılma rodyumun π-bağlarını kaybederek daha yüksek enerjili rodasiklohexene dönüşmesi ile gerçekleşmektedir. Bu yüzden, karbonilin siklopropan tarafından katıldığı kabul edilmektedir. Ayrıca, karbonil katılmasının siklopropilin C-C σ-bağları arası seçiciliği de incelenmiştir. Hesaplamalar başlangıç tepkeni enerjilerinin ve karbonil katılması için gerekli enerji bariyerinin cis ve trans konformerlerin ürün dağılımında büyük bir etkisi olduğunu göstermektedir. Trans-hidroksimetillerin daha az sübstitüye C-C σ-bağı tercihi CO katılması geçiş durumdaki 4.9 kcal/mol enerji farkı ile açıklanırken, cis benzerinin daha az sübstitüye C-C σ-bağı tercihinin hem tepkenler arası 3 kcal/mol enerji farkı hem de CO katılması durumdaki 4.8 kcal/mol enerji farkından kaynaklandığı görülmektedir. Bu da cis izomerin trans benzerine göre neden daha yüksek seçiciliğe sahip olduğunu açıklamaktadır. Trans- fenil siklopropil propargil esterlerin daha fazla sübstitüye C-C σ-bağını tercih ederek halka genişlemesi gerçekleştirmesinin nedeni C-C bağına bitişik fenil grubunun π-elektron sisteminin elektronik etkisiyle açıklanmaktadır. Her iki ürüne neden olan konformerlerin enerjileri birbirine yakın olmakla birlikte daha fazla sübstitüye C-C σ-bağını tercih eden konformerin tepken ve allen bileşikleri biraz daha kararlıdır. Bu da trans- fenil siklopropil propargil esterlerin diğer yapılara göre aksi seçiciliğe neden olmasına karşın seçiciliğin çok da baskın olmadığını enerji değerleri de göstermektedir. Bu çalışmada, Rh-katalizörlü ard arda gerçekleşen 1,3-asiloksi göçü ve [5+1] siklokatılma reaksiyonu siklopropil propargil esterlerin mekanizması aydınlatılmış ve siklopropana bağlı grupların trans ve cis izomerlerinin regio seçiciliğe etkisi incelenmiştir. Bu tez kapsamında uluslararası kongrede bir poster bildiri sunumu ile , SCI indeksli hakemli dergide bir yayın (10.1016/j.jorganchem.2017.09.017) gerçekleştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
In the present thesis quantum chemical methods have been used to model the mechanism of Rh-catalyzed acyloxy migrations followed by cycloaddition reactions of propargyl esters. The necessary background information and the literature are introduced in Chapter 1. The theoretical framework of quantum chemistry is presented in Chapter 2. The results of the thesis are discussed in Chapter 3 and Chapter 4. Finally, the main conclusions are summarized in Chapter 5. One of the main targets of synthetic chemistry is an effective production of desired compounds. In this respect, metal catalyzed reactions have contributed to this area by enabling many synthetic utilities including regioselective or stereoselective synthesis. However, in most of these cases, the mechanism of the metal catalyzed reactions are recondite. At this point, mechanistic studies, especially quantum mechanical modelling of reactions are very valuable as they exhibit wide range of information on the dynamics of a reaction, including the structural factors that affect product distribution, transition state structures, ligand effect, metal's contibution to mechanism. The main aim of this study is to investigate the reaction mechanisms for the formation of functionalized cyclohexenone and cyclopentenone derivatives via tandem acyloxy migration and cycloaddition via Rh catalyst. This thesis consists of two parts of work. In the first part, the two competitive 1,2- and 1,3-acyloxy migrations have been discussed and the effect of the nature of alkynes, terminal vs internal, in regioselectivity has been investigated by considering [4+1] and [5+1] cycloadditions of 3-acyloxy 1,4-enynes (ACEs) with terminal and internal alkynes. In the second part, the mechanism of a tandem 1,3-acyloxy migration [5+1] cycloaddition of cyclopropyl substituted propargyl esters has been investigated. The effect of the substituent in the cyclopropane has been studied to elucidate the mechanism of cyclopropyl ring opening which leads to product distribution. In the first part of the thesis, the mechanisms of the [RhCl(CO)2]2-catalyzed intramolecular cycloadditions of ACEs with a cyclohexene moiety by CO with concominant acyloxy (OAc) migrations have been extensively investigated using density functional theory (DFT) calculations. All geometries were optimized at the B3LYP/6-31+G(d) level (LANL2DZ for Rh). The effect of the nature of alkynes has been rationalized by modelling possible intermediates and transition states for competitive 1,2- vs 1,3-migrations of acyloxy group and for further possible transformations with terminal and methyl substituted starting enynes. Experimental and mechanistic studies indicate that the formation of cyclohexadienones proceeded by a [5+1] type cycloaddition of ACEs with terminal alkynes involving a Rautenstrauch 1,2-OAc migration by carbonylation while the formation reaction of functionalized cyclopentenones involved a Saucy-Marbet 1,3-OAc migration of ACEs of substituted alkynes and subsequent [4 + 1] cycloaddition with CO. The reaction initiates with two isomers of ACE-RhCl(CO) π-complex by switching the positions of CO and Cl ligands. The isomer in which CO is trans to the alkyl group has been found to be more stable because Rh metal coordinates to both alkyne and alkene fragments strongly. The acyloxy migration is found to be the rate determining step from the DFT study and the predicted regioselectivity is in harmony with the experimental result. The ~5 kcal/mol of Gibbs free energy difference between 1,2 and 1,3-acyloxy migration transition states favor 1,2-acyloxy migration for terminal or H-substituted alkynes which is consistent with the experimental and theoretical findings. The Rh-allyl complex, can undergo CO insertion with two possible reaction pathways. In the first path, CO addition to rhodium in Rh-allyl complex and then CO insertion to the cycle take place. In the second path, isomerization takes place before CO addition which leads to a more stable isomer. The following CO insertion steps prove that the isomerized intermediate is energetically favored through the reaction mechanism. On the other hand, the insertion of carbonyl group from cyclohexane side is found to be favored compared to the alkene side which leads to the ketene formation when Rh is expelled from the system by complexing to another ACE. The rhodacycloheptadienone which is obtained through CO insertion from cyclohexane side undergoes reductive elimination. The cyclohexadienone product is obtained when the catalyst leaves the system by coordinating with another ACE molecule and the starting Rh-ACE complex is regenerated. In internal alkynes, the preference of 1,3- is not strong as compared to 1,2-acyloxy migration, therefore, both mechanisms were modeled. The barrier heights for the following steps of 1,2-migration are found to be higher than that of 1,3-acyloxy migration. Furthermore, a probable equilibrium between Rh-allyl complex and Rh-ACE complex indicates that 1,2-acyloxy migration is a less facile path for internal alkynes. Additionally, 1,3-acyloxy migration intermediate called Rh-allenyl complex is also experimentally proposed. As it is discussed in the terminal part, calculations have shown that the isomerization step is energetically preferable compared to a direct CO addition and CO insertion from the cyclohexane side is energetically favored. The resulting rhodacyclohexenone undergoes reductive elimination and the catalyst leaves the system by coordinating with another ACE. The calculations presented herein have contributed to understanding and thus will lead to controlling this effective Rh (I) catalyzed transformation reactions of 1,2 and 1,3-acyloxy migration followed by cycloaddition for further cyclohexadienone and cyclopentenone derivatives in obtaining custom made products. In the second part of the thesis, the carbonylation mechanism of cyclopropyl substituted propargyl esters has been modeled with DFT at WB97XD/6-31+G(d) level (LANL2DZ for Rh). Although B3LYP functional was used in the fist part of the thesis, it was not succesful enough to investigate 1,3-acyloxy migration of cyclopropyl substituted propargyl esters in solution. On the other hand, a long range WB97XD functional is found to be good at highlighting the acyloxy migration. The cleavage of different cyclopropane C-C σ-bonds led to different isomers for the unsymmetrically substituted cyclopropanes. The regioselectivity for the cleavage of C-C σ-bonds is found to be dependent on the stereochemistry of the cyclopropyl group, the metal catalysts and the electronic properties of the substituents. In this thesis, cis and trans conformers of 3-(2-Hydroxymethyl-cyclopropyl)-1,1-dimethyl-prop-2-ynyl ester and trans conformer of 3-(2-Phenyl-cyclopropyl)-1,1-dimethyl-prop-2-ynyl ester have been modeled to highlight the reaction mechanism and explain the product distribution. Although both trans- and cis-disubstituted cyclopropanes with hydroxymethyl moiety prefer the cleavage of the less hindered C-C σ-bond of cyclopropane, a higher regioselectivity is observed in cis-substituted cyclopropane than the corresponding trans-counterpart. Moreover, trans conformers with hydroxymethyl and phenyl substituted cyclopropanes have opposite regioselectivities. 1,3-acyloxy migration of cyclopropyl substituted propargyl esters is a step-wise process which takes place in the first two transition states. The formed Rh-allenyl complex undergoes isomerization, CO addition and then ring opening. The resulting metallacycle undergoes CO insertion followed by reductive elimination. In the last step, alkylidene cyclohexenone product forms when the catalyst leaves the system by coordinating with another ACE. The energies of the intermediates formed by direct CO addition or isomerization followed by CO addition have been compared. As in the first part of the thesis, the resulting isomer is exothermically preferred. Isomerization leads to a lower energy transition state and an intermediate for the following CO insertion. Furthermore, CO insertion has been investigated in terms of the positions of carbonyl group to the cleavaged C-C σ-bond of cyclopropane. The calculations herein show that the initial reactant energies and the barrier heights for CO insertion have a large effect on product distribution for trans and cis conformers. The 4.9 kcal/mol of energy difference in CO insertions of trans-disubstituted cyclopropanes favors the cleavage of the least substituted C-C σ-bond, leading to the major product. While the high selectivity of the least substituted C-C σ-bond in cis conformers have been explained by 3 kcal/mol of energy difference in the initial complexes and 4.9 kcal/mol of energy difference in CO insertions. The opposite selectivity of trans-disubstituted cyclopropanes with phenyl group in which the most substituted C-C σ-bond is cleaved for ring expansion is due to the electronic effect of the adjacent π-system. Finally, the results in this study are consistent with the experimental findings. As a part of this thesis, a poster has been presented in an international symposium and a paper has been published in a SCI indexed peer-reviewed journal (10.1016/j.jorganchem.2017.09.017).
Benzer Tezler
- Fosfoinositid 3-kinaz (PI3K) enziminin lizin-hedefli kovalent inhibisyonu üzerine hesapsal modelleme
Computational modeling on the lysine-targetted covalent inhibition of phosphoinositide 3-kinase (PI3K) enzyme
BETÜL TUBA VARINCA GERÇİK
- Bazı α,ß-konjuge karbonil bileşiklerinin diazobiskarbonil bileşikleriyle reaksiyonları
Reactions of α,ß-conjugated carbonyl compounds with diazobiscarbonyl compounds
GÖKÇE MEREY
- Experimental and thereotical study of various chemical processes
Çeşitli kimyasal proseslerin teorik ve deneysel çalışılması
ŞAFAK ÖZHAN KOCAKAYA
- Fotobaşlatıcılar ile vinil/Divinil monomer kopolimerizasyonunda jel oluşumunun ve jel özelliklerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
HAMİD JAVAHERİAN NAGHAH
- β-Ketoesterlerin benzoin tepkimesinin kuantum mekanik hesaplamalarla modellenmesi
Modelling of β-ketoester by quantum mechanic methods
BURCU NAİR
