Silylium and chiral bismuth lewis acid catalyzed organic transformations

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Organocatalysis has inspired the development of main-group Lewis acid catalytic systems, enabling access to novel synthetic methodologies under mild reaction conditions. Silylium ion Lewis acid catalysis facilitates the activation of electrophiles through a paradoxical combination of a highly reactive silylium ion and an unreactive weakly coordinating anion, which is in situ generated from a bench-stable precatalyst (e.g., trityl tetrakis(pentafluorophenyl)borate [Ph3C]+[B(C6F5)4]–). In addition, chiral organo-bismuth catalysis provides a promising platform for catalytic asymmetric transformations. Although a variety of ingenious Lewis acid catalytic methodologies have been developed over the past two decades, efficient synthetic transformations utilizing silylium ion- and chiral organo-bismuth catalysis still remain limited. This dissertation focuses on the development of organocatalytic methodologies involving silylium ion- and chiral organo-bismuth catalysis, along with associated mechanistic and synthetic investigations. These studies establish chemoselective C–N and C–S bond formations via non-asymmetric silylium ion Lewis acid catalysis, as well as the synthesis of compounds bearing carbon quaternary stereogenic centers through asymmetric synergistic organo-bismuth catalysis under “on-water” condition : (1) Synthesis of β-amino acids via silylium Lewis acid catalysis, (2) Silylium ion-promoted catalytic C(sp2)-SuFEx (Sulfur Fluoride(VI) Exchange) reaction, (3) Asymmetric multicomponent allylation via synergistic organo-bismuth catalysis.

국문 초록 (Abstract)

유기촉매 작용은 주족 원소 기반 루이스산 촉매 시스템의 개발에 영감을 주었으며, 이를 통해 온화한 반응 조건하에서 새로운 합성 방법론에 접근할 수 있게 되었다. 그중 실릴륨 이온 루이스 산 촉매는 반응성이 높은 실릴륨 이온과 반응성이 낮은 매우 약하게 배위된 음이온의 역설적인 조합을 통해 친전자체의 활성화를 촉진하며, 이는 공기 중에 안정한 조촉매 (예: 트리틸 테트라키스(펜타플루오로페닐)보레이트 ([Ph3C]+[B(C6F5)4]–))에서 생성된다. 더욱이, 카이랄 유기-비스무트 촉매는 비대칭 변환을 위한 유망한 촉매 플랫폼을 제공한다. 지난 20년 동안 효율적인 합성 변환을 달성하기 위해 다양하고 독창적인 루이스 산 촉매 방법론이 개발되었지만, 실릴륨 이온 및 카이랄 유기-비스무트 촉매의 광범위한 응용 및 개발은 여전히 제한적인 수준에 머물러 있다.
본 박사 학위 논문은 실릴륨 이온 및 카이랄 유기-비스무트 기반 루이스 산 촉매를 이용한 방법론 개발에 중점을 두고, 이들의 기전 및 합성 측면에 대한 관련 연구를 서술한다. 해당 연구는 실릴륨 이온 루이스 산 촉매를 통한 화학선택적 C–N 및 C–S 결합 형성과, "온–워터" 조건에서 비대칭 시너지 유기비스무트 촉매시스템을 통한 탄소 4차 입체 중심을 갖는 화합물의 합성을 다룬다. (1) 실릴륨 루이스 산 촉매를 통한 베타-아미노산 합성, (2) 실릴륨 산 촉매에 의한 C(sp2)-SuFEx (불소 황(VI) 교환) 반응, (3) 시너지 유기비스무트 촉매작용을 통한 비대칭 다성분 알릴화 반응.

목차 (Table of Contents)

• Part I. Introduction 1
• 1.1. Organocatalysis 1
• 1.2. Trityl Tetrakis(pentafluorophenyl)borate: Privileged Precursor of Silylium Lewis Acid Organocatalyst 8
• 1.3. Chiral Phosphoric Acid in Versatile Asymmetric Organocatalysis 15
• 1.4. Chiral Organo-Bismuth Catalysis in Bulk-Water 23
• Part II. Objectives of Dissertation 29
• Part III. Synthesis of β-Amino Acids via Silylium Lewis Acid Catalysis 30
• 3.1. Introduction 30
• 3.2. Results and Discussion 36
• 3.3. Conclusion 60
• Part IV. Silylium Ion-Promoted Catalytic C(sp2)-SuFEx (Sulfur Fluoride(VI) Exchange) Reaction 61
• 4.1. Introduction 61
• 4.2. Results and Discussion 66
• 4.3. Conclusion 84
• Part V. Asymmetric Multicomponent Allylation via Synergistic Organo-Bismuth Catalysis 85
• 5.1. Introduction 85
• 5.2. Results and Discussion 90
• 5.3. Conclusion 109
• Part VI. Experimental Section 110
• 6.1. General Information 110
• 6.2. Synthetic Protocols 112
• 6.3. Analytical Data of Products 119
• 6.4. NMR Spectra of Products 162
• 6.5. HPLC Spectra of Products 339
• 6.6. References 352