Untersuchungen zur regioselektiven Veresterung durch Trichlormethylketone in Verbindung mit NMO und Entwicklung einer Methode zur oxidativen Spaltung cyclischer β-Hydroxyether

Abstract

Die Funktionalisierung von Kohlenhydraten stellt selbst nach Jahrzehnten intensiver Forschungsarbeiten immer noch eine Herausforderung für den Synthesealltag dar, wollen Aspekte wie Selektivität und Ausbeutenoptimierungen aber auch Löslichkeit der oft sehr polaren Substanzen sowie Reproduzierbarkeit von Experimenten berücksichtigt werden. Ein weitreichendes Problem ist hierbei, eine geeignete Schutzgruppenstrategie zu entwickeln um die Regioselektivität bei Transformationsreaktionen einzelner Hydroxidfunktionen zu gewährleisten. Das Potenzial einer effizienten, ökologisch nachhaltigen Methode zur selektiven Einführung von Schutzgruppen ist somit enorm, da Kohlenhydrate in vielen Bereichen der synthetischen und medizinischen Chemie im Multitonnenmaßstab zum Einsatz kommen und der Bedarf nach neuen Verfahren groß ist. In Anbetracht der Ausgangslage beschäftigt sich die vorliegende Doktorarbeit mit der Entwicklung einer neuen, milden und ökologisch nachhaltigen, da katalytischen Methode zur regioselektiven Veresterung von primären Hydroxidfunktionen in komplexen Polyolen. Als Reagenzien wurden Trichlormethylketone verwendet, die im Zusammenspiel mit N-Methylmorpholin-N-Oxid als aktive Spezies bei der Veresterung eingesetzt werden konnten. Auf diesem Weg gelang es somit, eine ausgedehnte Reihe an Substraten unterschiedlichster Struktur und Funktionalisierung in die jeweiligen Monoester umzuwandeln. Erste Überlegungen zum Reaktionsmechanismus sowie Versuche zur Kinetik der Reaktion wurden darüber hinaus mithilfe von 1H-NMR- sowie GC-MS-Experimenten durchgeführt und konnten bereits einige wertvolle Informationen liefern. Das zweite Projekt dieser Arbeit behandelt die Etablierung einer neuartigen Methode zur Herstellung von γ-Lactonen ausgehend von tertiären, cyclischen β-Hydroxyethern. Eine oxidative C-C-Spaltungsreaktion analog zur Glykolspaltung nach Malaprade bildet hier die Grundlage der Methodik. Im Vergleich zu bereits bewährten Varianten, in denen toxische Chrom(VI)-Reagenzien zum Einsatz kommen lag in diesem Teilprojekt der Fokus auf nachhaltigen Aspekten. Als Ersatz für das kanzerogene Pyridiniumchlorochromat wurde ein System aus Eisen(II,III)-oxid und Oxone® entwickelt und erfolgreich an einigen ausgewählten Substraten getestet. Durch ausgewählte Experimente konnten auch hier erste Schlüsse auf den Mechanismus der Reaktion gezogen werden. Aufgrund der peroxidischen Eigenschaften des Oxones® kann davon ausgegangen werden, dass es sich um einen single electron transfer (SET) Prozess handelt. Die vorliegende Methode könnte eine Grundlage für sinnvolle Ergänzungen bei der Herstellung von komplexeren Lactonen sein, welche vor allen Dingen in der medizinischen Chemie als beispielsweise Antibiotika oder Antimykotika Verwendung finden.

The functionalisation of carbohydrates and their derivatives respectively, provide a challenge for synthetic chemistry, even after decades of intensive research. Considering aspects like selectivities, yield optimization, reproducibility of experiments and even solubility of predominantly polar substances, there is still a high demand for new and economically efficient methods. A far-reaching problem is to find a suitable strategy to induce protecting groups such as esters, and to ensure the regioselectivities of said transformation reactions on particular hydroxyl groups. Carbohydrates and related compounds are widely used in the fields of synthetic and medicinal chemistry, and therefore the potential and need for new sustainable procedures, to introduce protecting groups selectively, is still high. This doctoral thesis concentrates on the development of a new and ecologically sustainable method regarding a regioselective esterification of primary hydroxyl groups in complex polyols. The reagents were trichloromethylketones, which presumably form a nucleophilically active intermediate when combined with N-Methylmorpholine N-Oxide, and could be used for esterifications. Thus, a new method under mild conditions could be established and was then tested successfully on an extended scope of substrates with varying structure und functionalization, leading to the corresponding monoesters. First mechanistic approaches and kinetical experiments aided by 1H-NMR and GC-MS experiments resulted in quite interesting information. The second project of this thesis covered the establishment of a novel method to furnish γ-lactones originating from tertiary, cyclic β-hydroxy ethers. An oxidative C-C cleavage reaction similar to the Malaprade reaction was fundamental to this method. Compared to already established variants from the Stark group where toxic chrome(VI) based reagents such as pyridinium chlorochromate were utilized, the focus of this effort lay on sustainable and health reasons. A substitution for carcinogenic PCC delivered a system, consisting of catalytic amounts of iron(II,III) oxide and Oxone®. This method could also be tested successfully on several chosen substrates. Regarding the mechanism, some initial experiments and considerations led to first conclusions of how the reaction might work. Considering the chemical characteristics of Oxone® as an inorganic peroxide, the reaction assumingly follows a single electron transfer path. This reaction could function as a fundament, eventually leading to more advanced possibilities to produce more complex macrolides, which are first of all used in medicinal chemistry as antibiotics or antifungal drugs.