Efectos del enlace mecánico en la organocatálisis con aminas secundarias entrelazadas y la reactividad de rotaxanos derivados de glutaconamida

Abstract

Esta Tesis Doctoral se encuentra estructurada en dos proyectos diferentes, de los cuales derivan tres publicaciones científicas en forma de artículo, dos correspondientes a uno de los proyectos, y el tercer y último artículo, correspondiente al segundo proyecto. OBJETIVOS El objetivo general de esta Tesis consiste en el desarrollo y estudio de sistemas entrelazados basados en [2]rotaxanos ensamblados por puentes de hidrógeno con amidas bencílicas. Se estudiará la reactividad en espacios confinados de nuevas funcionalidades orgánicas presentes en estos sistemas y se diseñarán nuevos organocatalizadores entrelazados útiles en aminocatálisis.

METODOLOGÍA Y RESULTADOS El desarrollo experimental de esta Tesis Doctoral se ha llevado a cabo en los laboratorios del Departamento de Química Orgánica, en la Facultad de Química de la Universidad de Murcia. Además, para la determinación de los compuestos obtenidos se han empleado diferentes técnicas de elucidación estructural; como la espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (NMR), la espectroscopía Infrarroja (IR), la Espectrometría de Masas de Alta Resolución (HRMS) y la Difracción de Rayos-X de Monocristal (SCXRD). Para el desarrollo del primer proyecto, se sintetizaron una serie de sistemas mecánicamente entrelazados que tienen una o dos succinamidas como sitios de unión. La presencia de una amina secundaria acíclica permite evaluar estos sistemas como organocatalizadores en transformaciones generalmente catalizadas por aminoácidos. En el caso de un sistema con dos sitios de unión se estudió la dinámica de desplazamiento y se calculó la velocidad de desplazamiento, observándose una mayor actividad catalítica para este sistema que para el que posee una sola zona de unión. Además se relacionó la velocidad del movimiento traslacional del anillo con la variación de los sustituyentes de éste, y por tanto con con la capacidad catalítica mediante el estudio cinético de una adición Michael entre crotonaldehído y acetilacetona, empleando estos sistemas como catalizadores. Para el desarrollo del segundo proyecto, se sintetizaron una serie de sistemas mecánicamente entrelazados con glutaconamidas como sitio de unión. Estos sistemas se probaron como materiales de partida en condiciones básicas para obtener nuevos productos derivados, obteniéndose el producto de oxidación alílica, mediante una oxidación aerobia a través del correspondiente anión y oxígeno molecular. Para el caso de las plantillas no entrelazadas, la formación del anión alílico y su posterior ataque nucleófilo a sus derivados oxidados (generados in situ), impide que la reacción se pueda detener en este intermedio, formando inicialmente el producto de adición Michael, y finalmente, tras un nuevo ataque nucleófilo intramolecular, una especie cíclica y dimérica con estructura de hidroxiciclohexeno. En cambio, la presencia del enlace mecánico en los sistemas entrelazados, además de aumentar los rendimientos en la oxidación alílica, previene la posterior adición Michael, evitando que la reacción avance y se formen los respectivos dímeros. Este efecto permite aislar estos intermedios, pudiendo utilizarlos posteriormente en una ciclación fotoquímica intramolecular para obtener, de forma divergente, sus correspondientes derivados cíclicos, una hidroxi-β-lactama y una oxazolidinona, entrelazadas.

CONCLUSIONES 1. Se han sintetizado dos ejes que contienen una y dos estaciones de succinamida, con una amina secundaria como centro catalítico, y dos stoppers de dibencilamina, empleados para catalizar la adición Michael de acetilacetona a crotonaldehído. Posteriormente, estos ejes se han empleado en la preparación de sus correspondientes [2]rotaxanos de amidas bencílicas. 2. Los estudios de catálisis revelaron una mayor actividad de los sistemas entrelazados respecto a la de sus correspondientes ejes libres, produciéndose una activación debido a la presencia del enlace mecánico. El rotaxano con dos estaciones de succinamida muestra una mayor actividad catalítica a causa del movimiento traslacional del anillo permitiendo la activación de los sustratos de la reacción. 3. Se han sintetizado una serie de catalizadores entrelazados ([2]rotaxanos) empleando el eje que posee dos estaciones de succinamida y modificando las propiedades electrónicas de los sustituyentes del macrociclo. Los estudios de catálisis de la adición Michael de acetilacetona a crotonaldehído con estos sistemas han permitido encontrar una relación lineal entre el valor del parámetro σm y la velocidad de reacción. Además, para los valores más bajos de dicho parámetro se obtienen las mejores conversiones y los movimientos de traslación del anillo son más rápidos. 4. Se han sintetizado una serie de ejes derivados de glutaconamidas y sus correspondientes [2]rotaxanos de amidas bencílicas, que se obtuvieron como mezcla de sus isómeros geométricos E y Z. 5. La oxidación alílica de las glutaconamidas se ha llevado a cabo empleado fosfato potásico como base obteniendo las correspondientes α-cetoamidas en el caso de emplear sustratos entrelazados y una especie dimérica con estructura de hidroxiciclohexeno cuando se emplean los ejes como sustratos. 6. La oxidación alílica de los [2]rotaxanos y de los ejes se ha llevado a cabo empleando dióxido de selenio como oxidante. Durante esta transformación se ha demostrado que el efecto protector del enlace mecánico estabiliza al producto de oxidación (α-cetoamidas), y aumenta el rendimiento de la transformación en el caso de emplear glutaconamidas entrelazadas como material de partida. 7. Las α-cetoamidas entrelazadas se han empleado en una ciclación Norrish/Yang de tipo II obteniendo hidroxi-β-lactamas y oxazolidinonas entrelazadas en diferentes proporciones dependiendo de las condiciones de reacción utilizadas. 1. J. M. Perez, J. Puigcerver, T. Orlando, A. Pastor, M. A. P. Martins, M. Alajarin, A. Martinez-Cuezva, J. Berna. Mechanical Bonding Activation in Rotaxane-Based Organocatalysts. Org. Chem. Front. 2021, 8, 4202-4210 2.J. M. Perez, M. Alajarin, A. Martinez-Cuezva, J. Berna. Modulating the Catalytic Activity by the Mechanical Bond: Organocatalysis with Poliamide [2]Rotaxanes Bearing a Secondary Amino Function at the Thread. Org. Chem. Front. 2022, 9, 2690-2696 3. J. M. Perez, M. Alajarin, A. Martinez-Cuezva, J. Berna. Reactivity of Glutaconamides Within [2]Rotaxanes: Mechanical Bond Controlled Chemoselective Synthesis of Highly Reactive α-KetoAmides and their Light-Triggered Cyclization. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202302681

This Doctoral Thesis is structured in two different projects, from which three scientific publications in the form of articles derive, two corresponding to one of the projects, and the third and last article, corresponding to the second project. GOALS The general goal of this Thesis consists of the development and study of interlocked systems based on [2]rotaxanes assembled by hydrogen bonds with benzylic amides. The reactivity in confined spaces of new organic functionalities present in these systems will be studied and new interlocked organocatalysts, useful in aminocatalysis, will be designed.

METHODOLOGY AND RESULTS The experimental development of this Doctoral Thesis has been carried out in the laboratories of the Department of Organic Chemistry, in the Faculty of Chemistry of the University of Murcia. Furthermore, different structural elucidation techniques have been used to determine the compounds obtained; such as Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR), Infrared Spectroscopy (IR), High Resolution Mass Spectrometry (HRMS) and Single Crystal X-ray Diffraction (SCXRD). For the development of the first project, a series of mechanically interlocked systems that have one or two succinamides as binding sites were synthesized. The presence of an acyclic secondary amine allows these systems to be evaluated as organocatalysts in transformations generally catalyzed by amino acids. In the case of a system with two binding sites, the displacement dynamics was studied and the displacement speed was calculated, observing greater catalytic activity for this system than for the one with a single binding zone. Furthermore, the speed of the translational movement of the ring was related to the variation of its substituents, and therefore to the catalytic capacity through the kinetic study of a Michael addition between crotonaldehyde and acetylacetone, using these systems as catalysts. For the development of the second project, a series of mechanically interlocked systems with glutaconamides as binding site were synthesized. These systems were tested as starting materials under basic conditions to obtain new derivative products, obtaining the allylic oxidation product, through aerobic oxidation through the corresponding anion and molecular oxygen. In the case of non- interlocked templates, the formation of the allylic anion and its subsequent nucleophilic attack on its oxidized derivatives (generated in situ), prevents the reaction from stopping in this intermediate, initially forming the Michael addition product. Finally, after a new intramolecular nucleophilic attack, a cyclic and dimeric species is formed as a hydroxycyclohexene structure. On the other hand, the presence of the mechanical bond in the interlocked systems, in addition to increasing the yields in allylic oxidation, prevents the subsequent Michael addition, preventing the reaction from progressing and the respective dimers from forming. This effect allows these intermediates to be isolated, and can subsequently be used in an intramolecular photochemical cyclization to obtain, in a divergent way, their corresponding cyclic interlocked derivatives, a hydroxy-β-lactam and an oxazolidinone.

CONCLUSIONS 1. Two templates containing one and two succinamide stations have been synthesized, with a secondary amine as the catalytic site, and two dibenzylamine stoppers, used to catalyze the Michael addition of acetylacetone to crotonaldehyde. Subsequently, these templates have been used in the preparation of their corresponding [2]rotaxanes of benzylic amides. 2. The catalysis studies revealed a greater activity of the interlocked systems with respect to that of their corresponding free axes, producing activation due to the presence of the mechanical bond. Rotaxane with two succinamide stations shows greater catalytic activity due to the translational movement of the ring allowing the activation of the reaction substrates. 3. A series of interlocked catalysts ([2]rotaxanes) have been synthesized using the thread that has two succinamide stations and modifying the electronic properties of the substituents of the macrocycle. Catalysis studies of the Michael addition of acetylacetone to crotonaldehyde with these systems have allowed us to find a linear relationship between the value of the parameter σm and the reaction rate. Furthermore, for the lowest values of said parameter, the best conversions are obtained and the translation movements of the ring are faster. 4. A series of axes derived from glutaconamides and their corresponding [2]rotaxanes of benzylic amides have been synthesized, which were obtained as a mixture of their geometric isomers E and Z. 5. The allylic oxidation of glutaconamides has been carried out using potassium phosphate as a base, obtaining the corresponding α-ketoamides in the case of using interlocked substrates, and a dimeric species with a hydroxycyclohexene structure when the nude axes are used as substrates. 6. The allylic oxidation of the [2]rotaxanes and the axes has been carried out using selenium dioxide as an oxidant. During this transformation it has been shown that the protective effect of the mechanical bond stabilizes the oxidation product (α-ketoamides), and increases the transformation yield in the case of using interlocked glutaconamides as starting material. 7. Interlocked α-ketoamides have been used in a type II Norrish/Yang cyclization obtaining interlocked hydroxy-β-lactams and oxazolidinones in different proportions depending on the reaction conditions used.