Anwendungen der geminalen Hydrierung von Alkinen: Hydrierende Cyclopropanierung und Metathese. Hydrierende Furan- und Butenolid-Synthese

Basierend auf der unorthodoxen geminalen Hydrierung von Alkinen wurden neuartige hydrierende Transformationen entwickelt, deren synthetischer Nutzen an ausgewählten Beispielen demonstriert, und zugrundeliegende mechanistische Fragestellungen experimentell und computergestützt untersucht. Im ersten Teil wurden Enine mittels Ruthenium-Katalysatoren zu Cycloalkenen oder Cyclopropanen umgesetzt, wobei die Selektivität der Reaktion über das Substitutionsmuster des olefinischen Carbenakzeptors kontrolliert werden konnte.Diese hydrierende Cyclopropanierung bzw. hydrierende Metathese erlaubt den katalytischen Zugang zu bicyclischen Cyclopropanen und funktionalisierten Cycloolefinen und vereinigt damit die gem-Hydrierung zur Erzeugung reaktiver Carben-Intermediate mit der vormals nur eingeschränkt bekannten Reaktivität von Pianostuhl-Rutheniumcarben-Komplexen. Mechanistische Untersuchungen umfassten die Isolation und Charakterisierung des instabilen Modellintermediats, die strukturierte Evaluierung der substitutionsabhängigen Reaktivität alkenylischer Substrate, die Identifikation der sekundären Carbenspezies, sowie den Nachweis volatiler Beiprodukte (F) aus der metathetischen Spaltung des Olefinakzeptors. Diese grundlegenden experimentellen Resultate wurden durch computergestütze Einblicke in die Ursache der mechanistischen Divergenz (Cyclopropanierung / Metathese) erweitert, was zur Erarbeitung eines intuitiven Modells und der Aufstellung eines detaillierten, katalytischen Zyklus führte: Hiernach bestimmt das Substitutionsmuster eines Ruthenacyclobutan-Intermediats, ob es zur reduktiven Eliminierung oder Cycloreversion und der damit verbundenen Bildung von Cyclopropan- bzw. Metatheseprodukten kommt. Einschränkungen in der Anwendbarkeit beider Reaktionstypen wurden systematisch anhand der Strukturaufklärung isolierter Nebenprodukte untersucht, während die rationale Optimierung des Katalysators eine Ausweitung der hydrierenden Metathese auf die Darstellung von (Hetero-)Cyclohexenen ermöglichte. Weiterhin konnte die hydrierende Metathese zur Darstellung einer Reihe cyclischer Allylsilane und als Schlüsselschritt in der konvergenten Totalsynthese der beiden marinen Naturstoffe Sinularon E und F eingesetzt werden. Während dieser Studie konnte ferner die hydrierende CH-Insertion katalytisch generierter Acylcarbene als unerwartete Nebenreaktion erstmalig beschrieben werden. Im zweiten Teil wurden Enine mit angebundener Carbonylfunktionalität (L) unter hydrierenden Bedingungen in hochsubstituierte Furan-Derivate (M) umgewandelt (Schema 3). Bemerkenswerterweise ist der mechanistische Ablauf dieser Transformation insofern uneinheitlich, als dass Ester und Ketone auf divergierenden Reaktionspfaden zunächst vollkommen andersartige Carben-Intermediate bilden. Im ersten Fall erfolgt die Carbenbildung durch geminale Hydrierung des Alkins (→ N) und anschließendem nucleophilen Angriff des Esters auf das elektrophile Zentrum (Cyclisierung). Demgegenüber cyclisieren die entsprechenden Ketonderivate bereits ohne Inkorporation von H2 zu intermediären Furylcarben-Komplexen (→ O, π-Säure-Aktivierung), welche im folgenden Schritt durch Hydrogenolyse des Carbens die Furan-Produkte freisetzen. Diese neuartigen Methodik erlaubt den praktischen Zugang zu hochsubstituierten Furanen (P), Alkoxyfuranen (Q) und Butenoliden (R), wobei statt Diazoverbindungen als Carbenvorläufer stabile und leicht zugängliche Alkinen eingesetzt wurden. Die kristallographische Analyse des durch gemiale Hydrierung gebildeten Modellintermediats S erbrachte erstmalig den Nachweis, dass elektrophile Metallcarbene (analog isolobaler Carbonylverbindungen) entlang der Bürgi-Dunitz-Trajektorie von Nucleophilen angegriffen werden. Desweiteren kann der alternative Reaktionspfad über die carbophile Aktivierung des Alkins und anschließender Carben-Hydrogenolyse als das erste Beispiel für die katalytische Anwendung einer H2-Insertionsreaktion von Metallcarbenen angesehen werden. Untersuchungen zur Speziierung der Furylcarben-Komplexe T und U beleuchteten das empfindliche Gleichgewicht zwischen deren Tendenz, verbrückte dinucleare Rutheniumkomplexe auszubilden, und der ihr entgegenwirkenden sterischen Abschirmung des Carbenzentrums. Wie im ersten Teil vermittelt auch hier die Aufklärung zugänglicher Nebenreaktionspfade ein umfassenderes Bild des katalytischen Systems und den damit verbundenen Beschränkungen in der präparativen Anwendbarkeit