Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis 1 A. B. Charette J. Am. Chem. So


Download 138.07 Kb.
Pdf ko'rish
Sana03.09.2017
Hajmi138.07 Kb.
#14874

Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

1

A.B. Charette J. Am. Chem. Soc. 2001123, 11829.



Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

German inorganic chemist. Born in Munich

on November 10, 1918. Studied at Munich

Technical University and spent his career

there. Became director of the inorganic

chemistry institute in 1964. In the 1960s,

discovered a metal alkylidene and alkylidyne

complexes, referred to as Fischer carbenes

and Fischer carbynes. Shared the Nobel Prize

in Chemistry with Geoffery Wilkinson in 1973,

for the pioneering work on the chemistry of

organometallic compounds.



Ernst Otto Fischer (1918 - )

Isolation of first transition-metal carbene complex:

(CO)

5

W CO

LiMe

(CO)

5

W

Me

O

CH

2

N

2

(CO)

5

W

Me

OMe

E. O. Fischer, A. Maasbol, Angew. Chem. Int. Ed., 1964, 3, 580.



Representative Fischer Carbenes:

Me

OMe

W(CO)

5

Ph

Ph

Cr(CO)

5

Ph

NEt

2

Fe(CO)

4

Ph

OTiCp

2

Cl

Mn(CO)

2

(MeCp)

Me

OMe

Co(CO)

3

SnPh

3

Comparision of Fisher Carbene and Schrock carbene:

Schrock carbenes are found with:

  high oxidation states 

  early transition metals Ti(IV), Ta(V) 

  non pi-acceptor ligands 

  non pi-donor substituents

Schrock carbene, named after Richard R. Schrock, is nucleophilic 

at the carbene carbon atom in an unpaired triplet state.

Representatives:

Cp

2

Ta

CH

2

CH

3

Fischer carbenes are found with :

  low oxidation state metals;

  middle and late transition metals Fe(0), Mo(0), Cr(0), W(0);

  pi-electron acceptor metal ligands;

  pi-donor substituents on methylene group such as alkoxy and 

  amino groups.

Persistent carbenes, isolated as a crystalline solid by Anthony J. 

Arduengo in 1991, can exist in the singlet state or the triplet state.

Foiled carbenes were defined as "systems where stabilization is

obtained by the inception of the facile reaction which is foiled by 

the impossibility of attaining the final product geometry". They only 

exist in the singlet state.

Other Types of Stabilized Carbenes:

Rolf Gleiter, Ronald Hoffman J. Am. Chem. Soc. 196890, 5457 - 5460.

Jean-Luc Mieusset and Udo H. Brinker J. Am. Chem. Soc. 2006128, 

15843 - 15850.



Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

2

Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

Advantages over regular carbenes 

        - From fleeting intermediates to powerful reagents

1. Improved stability

Typical carbenes such as diphenyl carbene have lifetimes in the 

nanosecond regime.

Most Fischer carbene complexes are stable to air and water and to

dilute acids and bases. Despite the high dipole moment of these

complexes (~ 4 - 5 Debye), most complexes can be purified by

chromatography on silica gel with hexane as eluent and are usually

the first compounds to elute. Identification of the fractions from the

column containing the carbene complex can simply be done by eye

on the basis of their color. The colors of complexes bearing alkoxy

groups as the heteroatom-stabilizing group tend to correlate with the 

hybridzation of the carbon substituent of the carbene carbon. Those

with sp

3

carbons usually are yellow, those with sp



2

carbons are

normally red and those with sp hybridized carbon substituents are

invariably an intense purple/black color.



2. Excellent functional group compatibility - serving as blocking groups 

   in organic synthesis.

J. Barluenga.  J. Am. Chem. Soc. 2002124, 9056 -9057.



3. Improved reactivity and selectivity

MeO

Cr(CO)

5

RT, 3 h

70 %

MeO

Cr(CO)

5

MeO

Cr(CO)

5

MeO

O

thermal conditions: RT, 7 months, 54 %

MeO

O

MeO

O

92           :               8

70           :               30

W. Wulff.  J. Am. Chem. Soc. 1990112, 3642.

http://www.chemistry.msu.edu/faculty/wulff/myweb

26

/research/carbenes.htm



AlCl

3

, 0.5 h , 50 %                                    95           :                5

[Cr]

OMe

Ph

OTMS

Et

Ph

O

[Cr]

OMe

Et

O

[Cr]

Ph

Et

H

H

BuLi, THF, -78 

o

C

75 %

3 equiv of CH

2

CHCH

2

Li, THF

-78 

o

C to RT, then SiO

2

71 %

Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

3

Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

Synthesis of Fischer carbene complexes:

1. Standard Fischer route

M(CO)

6

R

1

Li

(OC)

5

M

OLi

R

1

RX

(OC)

5

M

OR

2

R

1

HN

R

3

R

4

HS R

3

(OC)

5

M

SR

3

R

1

(OC)

5

M

NR

3

R

4

R

1

M = Cr, Mo, W

R

1

 = alkyl, aryl, vinyl



RX = R

2

3



O

+

BF



4

-

, R



2

OSO


3

F

R



3

, R


4

 = H, alkyl



(OC)

5

M

OLi

R

1

Me

4

N

+

Br

-

(OC)

5

M

O

-

NMe

4

+

R

1

X

R

2

O

(OC)

5

M

O

R

1

R

2

O

R

3

OH

(OC)

5

M

OR

3

R

1

M = Cr, W

R

1

 = alkyl, aryl, vinyl



R

2

 = Me, tBu



X = Br, Cl

R

3



 = terpene, sugar skeletons

2. Hegedus-Semmelhack approach

M(CO)

6

C

8

K

K

2

[M(CO)

5

]

R

1

Cl

O

(OC)

5

M

OK

R

1

R

2

X

(OC)

5

M

OR

2

R

1

(OC)

5

M

O

-

R

1

R

1

NR

3

R

4

O

NR

3

R

4

TMSCl

(OC)

5

M

NR

3

R

4

R

1

M = Cr, W

R

1

 = alkyl, aryl, vinyl



This is the most direct and general approach to Fischer carbene

complexes;

Limitations are the availability of organolithium compound

and the alkylation reagent.

This is the standard approach to optically active Fischer carbene

complexes bearing alkoxy substituents.

R

2



X = R

2

3



O

+

BF



4

-

, R



2

OSO


3

F

R



3

, R


4

 = H, alkyl



This strategy combining an organoelectrophile and a metal nucleophile

can be extended to the synthesis of aminocarbene complexes.

Recent reviews:

W. D. Wulff, in Comprehensive Organometallic Chemistry II, ed.

A. W. Abel, F. G. A. Stone and G. Wilkinson, pergamon Press, Oxford, 1995, vol. 12, p. 469

L. S. Hegedus, ibid., vol. 12, p. 549.

Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

4

Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

Reaction pattern of carbene complexes:

OC

Cr

CO

OC

OC

CO CR

2

O R

H

E

Nu

B

C

A

B

(OC)

5

M

OR

R

(OC)

5

M

OR

R

Part I: Ligand-centered

Pattern A: Addition of nucleophiles

(OC)

5

Cr

OMe

Ph

NH

2

R

(OC)

5

Cr

OMe

Ph

NHR

H

(OC)

5

Cr

NHR

Ph

- MeOH

(OC)

5

Cr

OMe

Ph

N

MeO

Ph

Cr(CO)

5

N

?

(OC)

5

Cr

OMe

O

Ph

OLi

Li

O

O

Ph

Cr(CO)

5

THF, -80 

o

C to RT

50 %

J. Barluengal, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1993, 1068

H. Fischer, Chem. Ber. 1980113, 193

Pattern B: Bond formation via metal carbene anions

(OC)

5

Cr

OMe

1. nBuLi

2.

O

(OC)

5

Cr

OMe

OLi

(OC)

5

Cr

O

(OC)

5

Cr

OMe

O

OMe

pKa = 12

pKa = 25

(OC)

4

Cr

N

CH

3

N

O

H

3

C

Ph

CH

3

1. nBuLi

2. PhCHO

3. HOAc / Ce(IV)

60 %, > 96 % de

N

O

N

O

Ph

OH

Ph

CH

3

CH

3

Pattern C: Transformation of metal carbenes to metal carbynes

W. Wulff, J. Org. Chem., 1994, 6882.

B. A. Anderson, J. Am. Chem. Soc., 1993115, 4602.

For reviews on reaction pattern of carbene complexes, see "Carbene Chemistry : From Fleeting 

Intermediates to Powerful Reagents", chapter 8.


5

Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

Reaction pattern of carbene complexes:

Part I: Ligand-centered

Cycloaddition reactions:

[2 + 2]

(OC)

5

W

OMe

CH

3

OMe

RT, 12 h

87 %

CH

3

OMe

(OC)

5

W

H

3

CO

[3 + 2]

K. L. Faron,  J. Am. Chem. Soc. 1988110, 8727 -8729.



(OC)

5

W

OMe

CH

3

TMSCHN

2

hexanes, RT

4.5 h, 87 %

(OC)

5

W

OMe

N

NH

H

3

C

W. D. Wulff,  J. Am. Chem. Soc. 1986108, 5229 -5236.



[4 + 2]

(OC)

4

Cr

N

N

O

H

3

C

Ph

CH

3

DCM, RT, 12 h

80 %,single isomer

CH

3

OCH

3

TBSO

(OC)

4

Cr

N

N

O

H

3

C

Ph

CH

3

OTBS

CH

3

CH

3

O

W. D. Wulff,  J. Am. Chem. Soc. 1997119, 6438 -6439.



Diels-Alder reaction of boroxycarbene complexes:

Br

N

1. t-BuLi, Et

2

O

2. Cr(CO)

6

, Et

2

O

3. BF

3



Et

2

O, RT

N

B

O

F

F

(OC)

5

Cr

N

Me

Ph

1.THF, -78 

o

C to RT

85%

2. 3N HCl, THF, RT

95 %

N

B

O

F

F

(OC)

5

Cr

O

HBr, DCM, RT

85 %

CHO

N

O

J. Barluenga.  J. Am. Chem. Soc. 1998120, 2514 -2522.



Intramolecular Pauson -Khand reaction:

(OC)

5

W

NH

Ph

[Co

2

(CO)

8

]

75 %

(OC)

5

W

Ph

O

J. M. Moreto.  Angew. Chem. Int. Engl.  1991, 11,1470.



Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

Miscellaneous cases

(OC)

5

W

OLi

(-) -Ipc

2

BCl, Et

2

O

 -78 

o

C to RT

B

O

H

Ipc

H

2

O

2

, NaOH

83 %, > 99 % de

Ph

Ph

OH

OH

Ph

J. Barluenga, J. Am. Chem. Soc,, 1996118, 6090 -6091.



6

Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

Reaction pattern of carbene complexes:

Part II: Metal-centered

(OC)


5

Cr

OR



1

R

2



(OC)

4

Cr



OR

1

R



2

(OC)


4

Cr

R



2

OR

1



Olefin Metathesis

Cyclopropanation

1. Reaction with olefins

"The functionalized Ru Fischer-type

complexes are active in a variety of

olefin metathesis reactions, although

with significantly lower rates than the 

corresponding carbon analogues."



General carbene complexes used in cyclopropanation reactions:

Fe

Cp

OC

R*Ph

2

P

H

Me

Fe

Cp

CH

2

OC

OC

Cr(CO)

5

Me

OMe

W(CO)

5

Ph

OMe

W(CO)

5

Ph

H

Mo(CO)

5

Bu

OMe

Cr(CO)

5

Ph

OMe

Cr(CO)

5

OMe

(leads to olefin

metathesis product)

(less stable )

Suitable olefins:

EWG

EWG

Alkyl

EWG

Alkyl

R

2

R

1

R

2

R

1

R

1

, R

2

 = akyl, aryl

R

2

R

1

R

3

R

1

, R

2

 and R

3

 = alkyl

requires stronger

 electrophilic metal carbenes

R, H. Grubbs,  Organometallics. 200221, 2153 -2164.



Cr(CO)

5

Me

OMe

Et

THF, 100

o

C

55 %

Me

MeO

H

Et

Cr

Et

MeO

H

R

(CO)

4

H

R

Et

MeO

Cr(CO)

4

Cr

MeO

Et

H

R

(CO)

4

H

R

MeO

Et

Cr(CO)

4

Me

MeO

H

Et

J. Am. Chem. Soc. , 113, 23, 1991, 8916-8921

(OC)

5

Cr

OMe

Fe

DMF, 152 

o

C

88 %, 97 % de

Fe

H

OMe

Cr(CO)

5

OMe

O

Cl

85

o

C,12 h

O

O

O

Chemtracts - Organic Chemistry. 17, 67 -71, 2004

Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

85 %

intermediate 

A

favored

disfavored

O

7

Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

D. L. Boger, J. Am. Chem. Soc,, 1995, 11839.



Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

2. Benzannulation (Dotz reaction)

OMe

Cr(CO)

5

OMe

Cr(CO)

4

R

S

R

L

OMe

Cr(CO)

4

R

S

R

L

OMe

R

S

R

L

Cr

OC

CO

OC CO

minimization

of interaction

OMe

R

S

O

R

L

O

R

L

R

S

OMe

Cr(CO)

3

Cr(CO)

3

HO

R

L

R

S

OMe

Cr(CO)

3

Reaction pattern of carbene complexes:

Part II: Metal-centered

Suitable metal:

Cr (metal of choice)

Mo ( furan formation occasionally)

W (favor 3 + 2 cycloaddtion)

Mg (low yields)

Compatible substitution pattern:

Aryl carbenes with various substituents

Naphthyl and heteroaryl carbenes

Vinyl carbenes bearing alkyl substituents

Electron - neutral alkynes with various

substituents

OMe

Cr(CO)

5

O

O

ether, reflux

OMe O

O

nPr

O

OH

51 %

(OC)

5

Cr

OMe

OCPh

3

TBSCl, hunig base

OTBS OCPh

3

Cr(CO)

3

> 92 % d. e.

MeO

O

O

Cr(CO)

5

OMe

O

O

N

EtO

TBSO

OTBS

O

O

MeO

O

O

OMe

OH

OTBS

N

OTBS

BnO

EtO

fredericamycin A

OMe

BnO

35 %

M. F. Semmelhack, Tetrahedron, 1985, 5803.



W. D. Wulff, J. Am. Chem. Soc,, 1994116, 6449.

- CO

+ CO

8

Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

3. General Annulation of Fischer carbenes with alkynes and alkenes:

Reaction pattern of carbene complexes:

Part II: Metal-centered

(OC)

5

Cr

CH

3

OMe

O

Ph

C

3

H

7

THF, 105 

o

C, 15h

O

CH

3

OMe

CH

3

Ph

O

O

CH

3

OMe

CH

3

Ph

O

48 %

18 %

J. Am. Chem. Soc. 1991113, 5459 - 5461

(OC)

5

Cr

CH

3

OMe

O

Me

MeO

O

OMe

Me

13 %                      10 %

Organometallics, 19909, 3014 - 3015

CO

2

Et

(OC)

5

Cr

CH

3

OMe

H

Bu

OMe

CO

2

Et

66 %

J. Am. Chem. Soc. 1994116, 6719 - 6732

(OC)

5

Cr

Ph

OMe

O

O

THF, 70 

o

C, 24 h

 CO, 73 %, d. r. = 3 :1

O

O

OMe

Ph

H

J. Am. Chem. Soc. 1992114, 10665 - 10666

(OC)

5

Mo

OMe

Me

Ph

O

CH

3

THF, 70 

o

C, 14 h, 40 %

O

CH

3

Ph

O

CH

3

OMe

J. Am. Chem. Soc. 1990112, 1645 - 1647

(OC)

5

Cr

OEt

SiMe

3

NMe

2

Ph

THF

3

EtO

Ph

Ph

Ph

NMe

2

EtO

Ph

Ph

Ph

NMe

2

64                 :           36

Angew. Chem. 1999111, 1369

(OC)

5

Cr

OMe

Ph

Me

Me

TMSO

OTMS

THF, 90 

o

C

71 %

O

O

Ph

Ph

MeO

Me

Me

J. Barluenga, Org. Lett., 20068, 2703 -2706.



9

Baran Group Meeting

1/31/2007

Ke Chen

Fischer Carbene Complexes in Organic Synthesis

State of art:

Group 6 metal carbenes in catalytic carbene transfer reactions

(OC)

5

M

R

OMe

M = Cr, W

stable, storable, less reactive

L

n

M

R

OMe

M = Pd, Cu, Rh

reactive, unstable

multi-faced 

chemistry

(OC)

5

Cr

O

O

1. [Cu(MeCN)

4

][PF

6

], DCM

2. DCM, Et

2

O

Cu

O

O

Et

2

O

MeCN

PF

6

J. Barluenga, Angew. Chem. Int. Ed., 200140,  3392.



(OC)

5

Cr

NMe

2

Br

CO

2

Me

2 mol %Pd(OAc)

2

, Et

3

N

 

THF, reflux, 8 h, 80 %

O

CO

2

Me

Br

M. A. Sierra, J. Am. Chem. Soc., 2001123,  851 -861.



Louis S. Hegedus

William D. Wulff

Daniel F. Harvey

Jose Barluenga

Download 138.07 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling