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Applica'ons  of  Silylenes  in  Organic  Synthesis  

Njamkou  N.  Nouc'  The  University  of  North  Carolina  at  Chapel  Hill  

Literature  Seminar  17  February  2012  

 1  

Silylenes  

2  Skell,  P.  S.;  Goldstein,  E.  J.  J.  Am.  Chem.  Soc.  1964,  86,  1442–1443.  

Si

First  observed  by  P.S.  Skell  and  E.J.  Goldstein  in  1964  

Short–lived    intermediate  

Inser9on  into    Si–H  bond  

Me SiMe

MeH

Me SiMe

MeSiMeH

Me

MeSi

Me

MeSiCl

Me Cl Na–K

260–280 °CSiMeMe

Silacyclo–  propane  

MeSiCl

Me Cl

Reac'ons  of  Free  Silylenes  

3  

–Dimeriza'on  to  disilenes  

–Inser'on  into  polar  bonds  

–Reac'ons  with  olefins  

SiMeMe

2 Si SiMe

Me Me

Me

SiMeMe MeOH Si

Me

Me

MeO

H

protectedsilylene

H2C CH2 SiMeMe

SiMeMe

4  4  

R1 R2

SitBu tBu

R1 R2

•R3R4

R1R2

SitBu tBu

R1

R2R3

R4

R1 R2O

SiO R2

R1tButBu

R1R2

SitBu tBu

R1 R1

R1O

O

OR2

R1

HO2C

R2

OH

OR2

R1

O Si

R2R1

tButBu

SitBu tBu

Silylenes  

5  

–  No  electrical  charge  �  Non–octet  species  

 

–  Divalent  silicon  atom  �  Unshared  electrons  �  Vacant  p  orbital  

 

Si

Transi'on  Metal  Bonding  

–  Back–dona'on  much  weaker  in  a  metal–silylene  complex            rela've  to  metal–carbene  complex    

�  Silicon  remains  Lewis  acidic  

�  Silicon  o^en  stabilized  with  Lewis  base  

M Si

6  

M Si

Ground  State  

–  Silylenes  react  via  singlet  ground  state  

7  Balasubramanian,  K.  J.  Chem.  Phys.  1986,  9,  5117–5119.  Gaspar  et.  al.  J.  Organomet.  Chem.    2002,  646,  68–79.  

–  Larger  orbital  size  on  silicon  lowers  pairing  energy  

ENERGY

8–10 kcal/mol

Singlet

Triplet

CR2

21 kcal/mol

Singlet

Triplet

SiR2ENERGY

Synthesis  of  Silylenes  

8  Zybill,  C.;  Müller,  G.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  1987,  26,  669–670.  Straus,  D.;  Tilley,  D.;  Geib,  S.;  Rheingold,  A.  J.  Am.  Chem.  Soc.  1987,  109,  5872–5873.  

–  Products  used  mainly  for  structural  and  characteriza'on  studies    –  Synthe'c  applica'ons  of  silylenes  remains  largely  underexplored  

Cp*Ru

SiMe3PMe3P NaBPh4

+ MeCN-NaOTf

Ph Ph

OTf BPh4

Cp*Ru

SiMe3PMe3P Ph

Ph

NC

Me

(tBuO)2SiCl2 Na2Fe(CO)4 (OC)4Fe SiOtBu

OtBuTHF- 2 NaCl

THF

Synthesis  of  Silylenes  

9  

Masked  Silylene  

Boudjouk  P.;  Chrusciel,  J.  et.  al.  J.  Am.  Chem.  Soc.  1991,  10,  2095–2096.  

High  reac9vity  and  short  life9me  of  silylene  

intermediate  limits  further    explora9on  

Harsh  thermal  condi9ons  and  long  reac9on  9mes  greatly  limits  substrate  

scope  

tBuSi

Cl

tBu Cl2 Li0

THF SitButBu

2 LiCl

R R1

- EthyleneSi

tButBu

R

R1

SitButBu

SitButBu

- Ethylenehν or Δ

Cataly'c  Variant  

10  Cirakovic,  J.;  Driver,  T.;  Woerpel,  K.  A.    J.  Am.  Chem.  Soc.  2002,  124,  9370–9371.  

Entry MXn T (°C) Time (h) Yield (%)

1 -- 130 36 85

2 Zn(OTf)2 55 12 60

3 Cu(OTf)2 25 0.28 96

4 CeCl3 25 15 87

5 AgOTf -27 2 90

6 AgCO2CF3 -27 2 86

7 Ag3PO4 25 16 94

Si(tBu)2 RMXn (10 mol %)

PhMeR

Si(tBu)2

Silylene  Transfer  

11  

Si(tBu)2AgOTf (2 mol %)PhMe, -27 °C

(1.06 eq)R1R1Si(tBu)2 R2

R2

R3

R4

R1

R2

(0.5 eq)

Ag3PO4 (21 mol %)PhMe, -19 °C to rt

SitButBu

R1

R2

R3R4

R1

R2

Ag3PO4 (12 mol %)PhMe, rt

Si(tBu)2R1

R2

(1 eq)

Clark,  T.  B.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2004,  126,  9522–9523.  Cirakovic,  J.;  Driver,  T.;  Woerpel,  K.  A.    J.  Am.  Chem.  Soc.  2002,  124,  9370–9371.  Buchner,  K.  M.;  Clark,  T.  B.;  Loy,  J.  M.  N.;  Nguyen,  T.  X.;  Woerpel,  K.  A.  Org.  LeL.  2009,              11,  2173–2175.  

Proposed  Mechanism  

12  Cirakovic,  J.;  Driver,  T.;  Woerpel,  K.  A.    J.  Org.  Chem.  2004,  69,  4007–4012.  

SiAgX

tButBu

R

R

β–silyl elimination

RSi(tBu)2

Elimination

Si [Ag]tButBu

X

R

R

1,2–addition

AgX Si(tBu)2

Si

[Ag]

X

tButBu

Transmetallation

Ter'ary  α–Hydroxy  Acids  

13  Howard,  B.  E.;  Woerpel  K.  A.  Org.  LeL.  2007,  9,  4651–4653.  

PhnBu

HO CO2H

yield: 72%

tBuPh

HO CO2H

yield: 47%

PhPh

HO CO2H

yield: 71%

PhCH2OTBDMS

HO CO2H

yield: 71%

EtPh

HO CO2H

yield: 84%

R1

OO

O

R2 R1

R2

HO CO2HAgOTs (10 mol %)-25 °C

2) HF•Pyr, rt

SiMeMe

tButBu1)

≥97% diastereoselectivity

Ter'ary  α–Hydroxy  Acids  

14  Howard,  B.  E.;  Woerpel  K.  A.  Org.  LeL.  2007,  9,  4651–4653.  

[3,3]SiO

O

tButBu

R1O

R2

R1

OO

O

R26π electro–cyclization

OR2

OSiO

tButBu

R1

HF•Pyr, rtR1

R2

HO CO2H

R1

OO

O R2

SitBu tBu

AgOTs (10 mol %)-25 °C

SiMeMe

tButBu

1,2–Oxasilacyclopentanes  

Franz,  A.  K.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Am.  Chem.  Soc.  1999,  121,  949–957.  

yield: 82%d.r.: 91:9

(tBu)2SiO

Ph

iPr

H

yield: 74%d.r.: 98:2

(tBu)2SiO

iPr

H

Me

yield: 75%d.r. > 99:1

(tBu)2SiO

iPr

H

Me

Me

NO REACTION

(tBu)2Si OnPr

iPr

H

yield: 78%d.r.: 62:38

(tBu)2Si O

iPr

Me

MeMe

Si(tBu)2

AgOTf (5–10 mol %)

PhMe-27 °C

Si(tBu)2iPr R1 R2

O

CuBr2 (10 mol %)-78 °C to rt

(tBu)2Si OiPr R1

iPr

R2(3 eq)

(1.3 eq)

15  

Proposed  Mechanism  

16  Franz,  A.  K.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Am.  Chem.  Soc.  1999,  121,  949–957.  

Si(tBu)2iPr CuX

Cu

Si

X

tButBuiPr

Si

iPr

CutBu

tBuX Si

iPr

CutBu

tBuX

O

Me

Cu

OSi

iPr

MeX

tBu tBu

(tBu)2Si O

iPr

H

Me

-CuXSi

iPr

CutBu

tBuX

O

Me

1,3–Oxasilacyclopentanes  

17  Cirakovic,  J.;  Driver,  T.  G.;  Woerpel,  K.  A.    J.  Org.  Chem.  2004,  69,  4007–4012.  

(tBu)2SiO

OMenBu

yield: 87%regioselectivity: >99:1

d.r.: 76:24

(tBu)2SiO

OMeiPr

yield: 92%regioselectivity: >99:1

d.r.: 70:30

(tBu)2SiO

OMetBu

yield: 75%regioselectivity: 74:26

d.r.: 70:30 (major) 91:9 (minor)

(tBu)2Si O

iPr

yield: 58%regioselectivity: >99:1

EtEt

(tBu)2Si O

iPr

yield: 70%regioselectivity: >99:1

d.r.: 55:45

Me

Si(tBu)2

AgOTf (2 mol %)

PhMe-27 °C

Si(tBu)2R1 H R2

O

ZnBr2 (15 mol %)-78 °C to rt

(tBu)2Si O

R1R1 R2

(1 eq)

(1.06 eq)

(3 eq)

Proposed  Mechanism  

18  Franz,  A.  K.;  Woerpel,  K.  A.    Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2000,  39,  4295–4299.  

H R2

OBr2Zn

(tBu)2Si

R1 (tBu)2Si O

R1 R2

Br ZnBr

Preferred  orienta9on  of  aLack  

Disfavored  approach    

SitBu

tBu

R1

H H

HBr

BrZnO

H R2

(tBu)2Si O

R2R1-ZnBr2

SitBu

tBu

H

H H

R1Br

BrZnO

H R2

SitBu

tBu

H

H H

R1Br

BrZnO

H R2

Oxasilacyclopentenes  

19  Clark,  T.  B.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2004,  126,  9522–9523.  

(tBu)2Si O

yield: 83%

MePh

Ph

(tBu)2Si O

yield: 94%

MePh

PhMe

(tBu)2Si O

yield: 54%

nPr

PhMe

(tBu)2Si O

yield: 68%

HOEt

Ph

(tBu)2Si O

yield: 78%

nPr

SiMe3

R1

R2

Si(tBu)2

Ag3PO4 (12 mol %)

PhMert

Si(tBu)2R1

R2

R3 R4

O

CuXn (15 mol %)-22 °C

(tBu)2Si O

R1R3

R4

R2

(1 eq)

(1 eq)Xn = I, Br2, OTf

(tBu)2Si O

yield: 72%

MePh

NBn

Me

(tBu)2Si O

yield: 90%

MePh

OTIPS

Product  Diversifica'on  

20  

(tBu)2SiO

MeMe

X

X = NR2, OMe, OAc

Nu

Lewis Acid

(tBu)2SiO

MeMe

Nu

Me Nu

OH

Me

OH

[O]

Clark,  T.  B.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2004,  126,  9522–9523.  Bear,  T.  J.;  Shaw,  J.  T.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Org.  Chem.  2002,  67,  2056–2064.  

(tBu)2Si O MePh

Ph

KOtBu, nBu4NFOHMePh

PhMe

Me84%

SiO

tBu

tBuMePh

nPr 1) H2, Pd(OH)2

2) tBuOOH, KH, nBu4NF, 75 °C

Me nPr

OH

Ph

OH(tBu)2Si O

PhMe

nPr

Nucleophilic  Subs'tu'on  

21  Bear,  T.  J.;  Shaw,  J.  T.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Org.  Chem.  2002,  67,  2056–2064.  

Nu

1

3

2

O(tBu)2Si

MeMe

O(tBu)2Si

MeMeNu

1

3

"inside" attack

favored2

Nu

"outside" attack

disfavored

1

3

2

O(tBu)2Si

MeMe

Nu

1

3

2

O(tBu)2Si

MeMe

NuH

eclipsed product

=

(tBu)2SiO

MeMe

OAcMe

O SiMe3(tBu)2Si

O

MeMe

MeO

yield: 60%d.r.: 98:2 SnBr4

DCM, -78 °CSnBr4

DCM, -78 °C

(tBu)2SiO

MeMe

Ph

O SiMe3

PhO

yield: 79%d.r.: 96:4

1

3

2

O(tBu)2Si

MeMe Nu

=

staggered product

Nucleophilic  Subs'tu'on  

22  

ENER

GY  

PATH  OF  REACTION  

B    

A  

A

B

Bear,  T.  J.;  Shaw,  J.  T.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Org.  Chem.  2002,  67,  2056–2064.  

(tBu)2Si O

MeMe

MeO

(tBu)2SiO

MeMe

OAcMe

O SiMe3(tBu)2Si

O

MeMe

MeO

yield: 60%d.r.: 98:2 SnBr4

DCM, -78 °CSnBr4

DCM, -78 °C

(tBu)2SiO

MeMe

Ph

O SiMe3

PhO

yield: 79%d.r.: 96:4

tBu

Si OtBu

Me

Me

OSi

Me

tButBu

Me

A

B

small    nucleophile  

Nucleophilic  Subs'tu'on  

23  

ENER

GY  

PATH  OF  REACTION  

B    

A  

A

B

Bear,  T.  J.;  Shaw,  J.  T.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Org.  Chem.  2002,  67,  2056–2064.  

(tBu)2Si O

MeMe

MeO

(tBu)2SiO

MeMe

PhO

(tBu)2SiO

MeMe

OAcMe

O SiMe3(tBu)2Si

O

MeMe

MeO

yield: 60%d.r.: 98:2 SnBr4

DCM, -78 °CSnBr4

DCM, -78 °C

(tBu)2SiO

MeMe

Ph

O SiMe3

PhO

yield: 79%d.r.: 96:4

tBu

Si OtBu

Me

Me

OSi

Me

tButBu

Me

A

B

small    nucleophile  

large    nucleophile  

(+/-­‐)–1’–epi–stegobinone  

24  

Stegobinium  Paniceum  (drugstore  beetle)  

−  Natural    isomer  readily  isomerizes  to  epi–stegobinone    �  Epimer  is  a  repellent  to  male  species  

Calad,  S.  A.;  Cirakovic,  J.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Org.  Chem.  2007,  72,  1027–1030.  

O

Me

O

Et

OMe

Me

Me

Naturally occuringstegobinone

* O

Me

O

Et

OMe

Me

Me

1'–epi–stegobinone

*

Retrosynthesis  

25  

O

Me

O

Et

OMe

Me

Me

1'–epi–stegobinone

MeMe

OH

Me Me

OPGOH

Me

O

acid promotedcyclization

Si

MeMe

tBu tBu

carbonyl insertion

Calad,  S.  A.;  Cirakovic,  J.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Org.  Chem.  2007,  72,  1027–1030.  

Si OEt

O

MeMe

Me

tButBu

oxasilacyclopentaneoxidation

stereoselective aldol

Forward  Synthesis  

26  Calad,  S.  A.;  Cirakovic,  J.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Org.  Chem.  2007,  72,  1027–1030.  

MeEt

OSiMe3

SnBr4, 95%

Si O

Et

O

MeMe

Me

tBu

tBu

Me Et

OH

Me

OH

Me

CH21. Ph3PCH3Br, nBuLi, 79%

2. PhMe2C(OOH)

KF, CsF, 94%

1. tBu2Si(OTf)2,

2,6–lutidine, 80%

2. O3; PPh3, 99% Me Et

O

Me

O

Me

OSi

tBu tBu Sn(OTf)2,

-15 °C, 2 h;

N Et

EtCHO, -78 °C, 2h97%

Me

O

Me

O

Me

OSi

tBu tBu

Me

Et

OH

Si

MeMe

tBu tBu

Me Me AgOCOCF3(1–2 mol%)

Si(tBu)2Bn N

CHO

MeCuI (20 mol %);

CuSO4 (aq); Ac2O74%, 4 steps

Si O

Me

Me

tButBu

OAc

Forward  Synthesis  

27  Calad,  S.  A.;  Cirakovic,  J.;  Woerpel,  K.  A.  J.  Org.  Chem.  2007,  72,  1027–1030.  

1. (COCl)2, DMSO, Et3N2. CF3CO2H

87%, 2 stepsO

Me

O

Et

OAcMe

Me

Me

iBu2AlH

93%O

Me

OH

Et

OHMe

Me

Me

OI

O

(OAc)3

O

Me

O

Et

OMe

Me

Me

48%

17 steps8.8% overall yield

1'–epi–stegobinone

Me

O

Me

O

Me

OSi

tBu tBu

MeEt

OH

1. Ac2O, 97 %2. HF.pyridine3. TBDMSCl

Me

TBDMSO

Me

OH

Me

O

MeEt

OAc

58%, 2 steps

Conclusion  

Metal  catalysts  facilitate  silylene  transfer  to  olefins  and  

acetylenes  

28  

SiR

R""

Si

R R

Silacyclopropanes  readily  insert  into  carbonyl    

electrophiles    

Allylic  alcohols  and  1,3–diols  

[O]HO

R2R1

R4

R3R1 R3

OH

R2

OHH2/Pd

[O]

(tBu)2SiO

R2R1

R4

R3R4

O

MeO

Et

OMe

MeMe

(+/-­‐)–1’–epi–stegobinone  

SiR R R2Si O R2

R1

O

R1 R2

Thank  You    

El  Jefe  Erik  J.  Alexanian  

 Post-­‐Doc  

Rahul  Edwankar    

Graduate  Students  Kayla  S.  Bloome  Andy  T.  Brusoe  Benjamin  Giglio  

Brendan  C.  Lainhart  Rebecca  McMahen  Caitlin  McMahon  

Ryan  Quinn  Valerie  A.  Schmidt  

 Undergraduate  James  Lancaster  

29  

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