Stereoselektive [3,3]-sigmatrope Umlagerung von 3-Aza-1-oxa-Cope-Systemen

Aufgrund ihrer hochgeordneten Übergangszustände bieten [3,3]-sigmatrope Umlagerungen einen effizienten Zugang zu neuen Stereozentren. Im Gegensatz zur Claisen-Umlagerung wurden jedoch die möglichen Anwendungen anderer Hetero-Cope-Reaktionen in der asymmetrischen Synthese weniger umfassend untersucht. Im Falle der 3-Aza-1-oxa-Cope-Umlagerung, die eine attraktive Methode zur allylischen O,N-Transposition darstellt, konzentrierte sich das Interesse auf Chiralitätstransfer durch Asymmetriezentren im umlagernden System selbst.

In dieser Arbeit werden 3-Aza-1-oxa-Cope-Umlagerungen unter dem Einfluß eines entfernten Stereozentrums untersucht. Durch Einbinden der Imidat-Doppelbindung in ein chirales, cyclisches System konnten Umlagerungen von Allylimidaten zu Allylamiden mit sehr hoher Diastereoselektivität realisiert werden. Dazu wurden verschiedene, chirale 4-Oxazolidinone und 4-Imidazolidinone synthetisiert und in die 3-Aza-1-oxa-Cope-Systeme überführt, die sich unter Katalyse von [PdCl₂(PhCN)₂] umlagern ließen.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Synthese der Ausgangsverbindungen beschrieben. Die verschiedenen Versuche, homochirale α -Hydroxycarbonsäureamide mit Aldehyden oder ihren Acetalen zu kondensieren, liefen aber nicht mit ausreichend hoher Diastereoselektivität ab, auch wenn sterisch anspruchsvolle Carbonylverbindungen mit (R)-3,3-Dimethyl-2-hydroxy-buttersäureamid (R)-53 umgesetzt wurden, das durch enzymatische Racematspaltung in hoher optischer Reinheit gewonnen werden konnte. Zwei 4-Oxazolidinone, (2R,5S)-81 und (2S,5R)-83, konnten mit hoher Diastereomerenreinheit gut durch Umkristallisation erhalten werden. Die Umsetzungen von 4-Imidazolidinonen wurden anhand der racemischen Ausgangsverbindungen 92 und 93 untersucht.

Diese Fünfring-Lactame wurden durch Umsetzung mit den unterschiedlich substituierten Allylbromiden 117a-k und Silber(I)oxid in 4-Allyloxy-2,5-dihydro-oxazole und -imidazole überführt. Während Reaktionen mit trans-konfigurierten Allylhalogeniden mit guter Ambidoselektivität bezüglich des Substrats und hoher Chemoselektivität am Allylsystem verliefen, ließen sich auf diesem Weg nur wenige komplexere O-Allylimidate gewinnen.

Die Umlagerung der 3-Aza-1-oxa-Cope-Systeme verlief unter vollständiger Diastereoselektivität, die homochiralen 4-Allyloxy-2,5-dihydro-oxazole 124 und 126 ergaben nur ein einziges Diastereomer, und die Reaktion der racemischen, von 4-Imidazolidinonen abgeleiteten O-Allylimidate 130 und 131 führte zu nur einem Enantiomerenpaar.

Als ein weiterer Aspekt dieses Konzepts der asymmetrischen Induktion in 3-Aza-1-oxa-Cope-Reaktionen wurde eine Umlagerung unter spiroasymmetrischer Induktion untersucht. Dazu wurde das von (–)-Menthon abgeleitete, diastereomerenreine 4-Imidazolidinon 99 in die O-Allylimidate 135 überführt, aber hierbei kam es zu einer S_N’-Nebenreaktion. Außerdem ließen sich die spirocyclischen 3-Aza-1-oxa-Cope-Systeme nur mit moderater Diastereoselektivität umlagern. Dies scheint auf eine Konkurrenz zwischen Wannen- und Sessel-Übergangszustand zurückzuführen zu sein.

Due to their highly ordered transition states [3,3]-sigmatropic rearrangements represent a most efficient strategy to create new chiral centers. But in contrast to Claisen-rearrangements the possible applications of other hetero-Cope-reactions for asymmetric synthesis have not been examined in a similar extensive way. For 3-aza-1-oxa-Cope-rearrangements, which offer an attractive method for allylic O,N-transpositions, the interest concentrated on chirality transfer involving a stereogenic center inside the electrocyclicarena.

In this thesis 3-aza-1-oxa-Cope-rearrangements under the influence of a remote stereogenic center were studied. By the incorporation of the imidate double bond in a chiral cyclic auxiliary, rearrangements of allylic imidates to allylic amides could be realized with high diastereoselectivity. Therefore different chiral 4-oxazolidinones and 4-imidazolidinones were synthesized and transformed into their allylic imidate derivatives, which could be rearranged under catalysis of [PdCl₂(PhCN)₂].

The first part of this work deals with the synthesis of the starting compounds. Despite various attempts the cyclization of homochiral α -hydroxycarboxylic acid amides with aldehydes or their acetals to 4-oxazolidinones did not proceed with sufficient diastereoselectivity, even if sterically demanding carbonyl compounds were reacted with (R)-3,3-dimethyl-2-hydroxy-butyric acid amide (R)-53, which could be obtained in high optical purity by enzymatic resolution. But two 4-oxazolidinones, (2R,5S)-81 and (2S,5R)-83, could be obtained conveniently and with high diastereomeric purity by recrystallisation. Reactions of 4-imidazolidinones were investigated with racemic starting materials 92 and 93.

These g -lactams were converted to 4-allyloxy-2,5-dihydro-oxazoles and -imidazoles by reaction with differently substituted allylic bromides 117a-k and silver(I)oxide. While reactions with trans-configured allylic halides proceeded smoothly and with high ambidoselectivity of the substrate and chemoselectivity at the allylic moiety, only few examples of more complex O-allylic imidates could be obtained by this method.

The rearrangement of the 3-aza-1-oxa-Cope-systems proceeded with complete diastereoselectivity, the homochiral 4-allyloxy-2,5-dihydro-oxazoles 124 and 126 yielded only one diastereomer and the reaction of racemic O-allylic imidates 130 and 131 derived from 4-imidazolidinones led only to one pair of enantiomers.

As a further aspect of this concept of asymmetric induction in 3-aza-1-oxa-Cope-reactions a rearrangement under spiroasymmetric induction was studied. Therefore a diastereomerically pure 4-imidazolidinone 99 derived from (–)-menthone was converted into the O-allylic imidates 135, but here an S_N2’-reaction also occurred. Unfortunately, the spirocyclic 3-aza-1-oxa-Cope-systems could be rearranged with moderate diastereoselectivity only. This seems to be caused by a competition of boat- and chair-like-transition state.