Enantioselektive Synthese von chiralen Bispidinen, 9-Oxabispidinen und Bispidinersatzstoffen und ihre Anwendung in der asymmetrischen Synthese

• Main Author: Hein, David
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2014
• Subjects: Enantioselektivität; Bispidin; Asymmetrische Synthese; Bispidinderivate; Pyrrolidin; Pyrrolidinderivate; ddc:540
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/9370; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-93709; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-93709; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/9370/Hein_David_Oxabispidine.pdf

Diverse synthetische Zugänge zu einer neuen Verbindungsklasse, nämlich den chiralen 9- Oxabispidinen wurden realisiert. Als gemeinsame Ausgangsverbindung diente das Aminodiol. Die Route über ein Bispidinlactam stellte sich aufgrund der geringen Ausbeute (~5%) über 8 Stufen als wenig effektiv heraus. Ein Nitril eignete sich wesentlich besser als Zwischenstufe und lieferte die Zielverbindungen in 9-27% Gesamtausbeute über 8-12 Stufen. Auch ein Syntheseweg zur Darstellung von Bispidinen konnte ausgehend vom Naturstoff (–)-Cytisin, der aus den Samen des Gemeinen Goldregens isoliert wurde, etabliert werden. Hierzu wurde in Analogie zu O’Briens Arbeiten zunächst die freie Aminofunktion als Carbamat geschützt und der aromatische Ring zum Lactam reduziert, um dann in 5-Position derivatisieren zu können. Verschiedene Substituenten (Me, iPr, F, cPr) konnten sowohl in axialer als auch in äquatorialer Position eingeführt werden. Ein weiterer Reduktionschritt am Ende der Sequenz lieferte die trizyklischen Diamine in 15-38% Ausbeute über nur 4-6 Stufen ausgehend von (–)-Cytisin. Eine Cyclopropylgruppe wurde durch Einführung einer Methoxymethylgruppe, Eliminierung und eine Cyclopropanierung mit Diiodmethan/ Diethylzink generiert. Alle synthetisierten Verbindungen wurden als chirale Liganden in verschiedenen enantioselektiven Reaktionen evaluiert. Im Fokus standen hierbei zunächst die 9-Oxabispidine, die sich–im Gegensatz zu den bekannten Bispidinen–leider nicht als chirale Liganden in enantioselektiven Deprotonierungen einsetzen lassen, da sie selbst deprotoniert werden. In enantioselektiven Henry-Reaktionen stellte sich das trizyklische 9-Oxabispidin als hervorragender Ligand heraus, der als Kupferkomplex mit einer Vielzahl an Aldehyden (aliphatisch, aromatisch) und Nitromethan umgesetzt wurde. Sowohl die Ausbeuten (44-95%) als auch die Enantiomerenüberschüsse (91-98%) waren exzellent und können mit den Ergebnissen der besten Literatur-bekannten Katalysatoren mithalten. Auch in einer diastereoselektiven Umsetzung mit Nitroethan konnte ein dr von 80:20 mit sehr guten 94% ee für das Hauptdiastereomer erzielt werden. Die bizyklischen 9-Oxabispidine eignen sich weniger für Henry-Reaktionen, da die Verbindungen mit sterisch weniger anspruchsvollen Reste nur mittelmäßige Resultate (33-46% ee) ergeben. Mit zunehmender Sterik ist auch eine steigende Tendenz zu einem höheren Enantiomerenüberschuss [z.B. R = Ph, 56/57% ee] zu erkennen. Interessant ist die Stereoselektivität der bizyklischen Oxabispidine: Während das trizyklische Bispidin zu einer S-Konfiguration im Produkt führt–wie es von einem (+)-Spartein-Ersatzstoff zu erwarten ist–liefern R = Et, iPr. cHex und Ph das R-Produkt - genau wie (–)-Spartein. Der Grund hierfür ist wahrscheinlich die exponierte Stellung der äußeren Methylgruppe im annelierten Piperidinring. Ein ähnlicher Effekt trat mit dem 9-Oxabispidin R = tBuPh, das ebenfalls einen weit ausladenden aromatischen Ring besitzt, ein. Auch hier wurden unter Induktionsumkehr im Vergleich zu R = Et, iPr, cHex, Ph das S-konfigurierte Produkt in 38-39 % ee erhalten. Im Gegensatz zu den 9-Oxabispidinen können die Bispidine in enantioselektiven Deprotonierungsreaktionen eingesetzt werden. Die bei der Umsetzung erzielten Ergebnisse mit den Monomethyl-Verbindungen (92% ee, äquatoriale Me-Gruppe und 79% ee, axiale Me-Gruppe) zeigen, dass eine axiale Methylgruppe den Chiralitätstransfer eher negativ beeinflusst, wohingegen eine äquatoriale Methylgruppe keinen Einfluss ausübt auf den ee (gleicher ee mit 92% wie das trizyklische Bispidin). Bei größeren äquatorialen Substituenten wie iPr (51%) sinkt ebenfalls der Enantiomerenüberschuss. Zwei gleichartige Substituenten (≠ H) in 5-Position stören die Reaktion so sehr, dass der ee-Wert stark abfällt (34% ee bei zwei 5-Methylgruppen). Bei Einführung von kleinen Substituenten in äquatorialer und axialer Position, wie F (65% ee) oder -CH2-CH2- (40% ee) liegen die erzielten ee-Werte auch viel niedriger. === Several synthetic pathways to a new substance class, the chiral 9-oxabispidines have been realized using an amino alcohol as the starting material. Because of the low yield of ~5% over all 8 steps, the synthesis via a bispidine lactam seems to be not very efficient. As a better intermediate for all prepared derivatives a nitrile was chosen, which could be synthesized and converted into the 9-oxabispidines with 9-27% yield over 10-12 steps. A synthetic route to the bispidines was realized starting from the natural product (–)-cytisine, which was isolated from the seeds of Laburnum anagyroides cytisus. In analogy to O’Brien`s work, the free amino function was protected as a carbamate followed by reduction of the aromatic ring. Afterwards, the resulting lactam was derivatised in 5-positions. Bispidines with different substituents (Me, iPr, F, cPr) in both axial and equatorial position were synthesized. A reduction step at the end of the sequence led to the (+)-sparteine surrogate in 15-38% yield over 4-6 steps starting from (–)-cytisine. The cyclo propyl group was built up by addition of a methoxy methyl group, basic elimination to create the double bond and cyclopropation with diethyl zinc/diiodomethane. All prepared compounds should be tested in different enantioselective reactions. The first interesting substance class in focus for enantioselective Henry reactions were the 9- oxabispidines, which are unsuitable for deprotonation reactions. The tricyclic 9-oxabispidine seems to be an excellent ligand, the copper complexes of which were used in a large number of reactions with aldehydes (aliphatic, aromatic) and nitromethane. Both, the yields (44-95%) and the enantiomeric excesses (86-98% S), are very satisfying and comparable with the results of the best catalysts known. In a diastereoselective reaction, a good dr of 80:20 with an excellent ee of 94% for the major diastereomer was found. Because of moderate yields (R = Et, iPr, cHex: 33-39%/38-46% ee R) due to the less sterical demanding groups, the bicyclic 9-oxabispidines are less suitable for Henry reactions. It could be shown that with growing sterical demand of the substituent, the enantiomeric excess increases (R = Ph, aromatic ring, 56/57% ee R). The stereoselectivity of the bicyclic oxabispidines is very interesting. As expected for a (+)-sparteine-surrogate, the tricyclic compound leads to a S-configuration, whereas R = Et, iPr, cHex and Ph give the R-product like (–)-sparteine. The reason for this is probably the influence of the outermost C-5 methylene group. To further increase the optical yields and to collect more information about the effects of maximum sterical hindrance, the 9-oxabispidine with R = tBuPh was tested. In accordance with the expectations inversion of induction (38/39% ee S!) occured. In contrast to the 9-oxabispidines the bispidines can be used in enantioselective deprotonation reactions. The obtained results confirmed the expectations. From the results with the monomethyl compounds (92% ee, equatorial Me-group and 79% ee, axial Me-group), it can be concluded that an axial methyl group has a negative influence on the stereoselectivity, whereas an equatorial methyl group has no influence on the enantiomeric excess identical 92% ee like the compound with two hydrogen atoms). By using bispidines with larger equatorial substituents like iPr (51%), the enantiomeric excess decreases. Two equal substituents (≠ H) in 5-position have a bad influence on the chirality transfer by decreasing the ee (34% ee for two 5-methyl groups). The introduction of substituents in equatorial and axial position, which are larger than a proton, but smaller than a methyl group (F: 65% ee, -CH2-: 40% ee), ee values that are much lower than with the tricyclic bispidine were obtained.