The Development of Chiral Titanocenes as Photoredox Catalysts

Abstract

This dissertation describes the advances in photochemically activated (chiral) titanocenes as both electron transfer and photoredox catalysts in epoxide opening reactions. Based on the discovery of the photoredox-active properties of titanocene dichloride and the resulting successful employment as photoredox catalyst, the applicability of these properties in other types of titanocene catalyzed reactions was investigated. The performance of various other titanocenes with different photochemical and electronic properties was also examined. Moreover, newly developed reaction conditions enabled the renunciation of previously required unsustainable and toxic reagents by replacing them with catalytic alternatives. <br /> For radical arylations, as well as regio- and diastereodivergent epoxide openings, the chiral and enantiomerically pure titanocene known as Kagan’s complex has been successfully used either in combination with an external, organic photoredox catalyst or as photoredox catalyst itself in the synthesis of various new compounds. <br /> Gratifyingly, novel reaction conditions tolerating the presence of commonly used and previously obstructive silyl-protecting groups have been found, giving access to selectively monoprotected, enantio- and diastereomerically pure 1,3- and 1,4-diol-structures. Moreover, the yields of the originally used conditions for already established REO reaction products could be matched. <br /> By this photochemical approach, not only an improvement regarding sustainability has been achieved, but also the substrate scope has been extended. This renders the method a potentially useful and reliable tool for the synthesis of naturally occurring and often biologically active diol-moieties in natural product or pharmaceutical drug synthesis.

Die vorliegende Dissertation beschreibt die aktuellen Fortschritte in der Entwicklung von photochemisch aktivierten (chiralen) Titanocenen sowohl als Elektronen-Transfer-Katalysator als auch als Photoredoxkatalysator in Epoxidöffnungsreaktionen. Basierend auf der Entdeckung der photoredox-aktiven Eigenschaften von Titanocendichlorid und den daraus resultierenden erfolgreichen Anwendungen als Photoredoxkatalysator, sollte die Einsetzbarkeit als solcher in weiteren bekannten titanocenkatalysierten Reaktionen getestet werden. Zudem wurde die Nutzung anderer Titanocene mit verschiedenen photochemischen und elektronischen Eigenschaften untersucht. Durch die Entwicklung neuer Reaktionsbedingungen konnte außerdem der Verzicht auf vorher notwendige, nicht nachhaltige und giftige Reagenzien realisiert werden, indem diese durch Alternativen in katalytischen Mengen ersetzt werden konnten. <br /> Radikalische Arylierungen sowie regio- und diastereodivergente Epoxidöffnungsreaktionen wurden durch Einsatz des als Kagan Komplexes bekannten chiralen und enantiomerenreinen Titanocens erfolgreich unter Herstellung verschiedener neuer Moleküle durchgeführt, einerseits in Kombination mit einem externen, organischen Photoredoxkatalysator, andererseits indem das Titanocen selbst diese Funktion übernimmt. <br /> Erfreulicherweise werden bisher störende aber in der Synthese beliebte Silylschutzgruppen unter den neuen Reaktionsbedingungen toleriert, was die Darstellung selektiv einfach geschützter, enantio- und diastereomerenreiner 1,3- und 1,4-Diole ermöglicht. Hierbei werden außerdem die erzielten Ausbeuten der ursprünglichen Reaktionsbedingungen für bereits etablierte REO-Reaktionsprodukte erreicht. <br /> Durch Anwendung der photochemischen Methode kann nicht nur eine wesentliche Verbesserung im Hinblick auf die Nachhaltigkeit erreicht werden, sondern auch eine Erweiterung der umsetzbaren Substratpalette, wodurch diese neuen Bedingungen auch für die Synthese von natürlich vorkommenden und oft biologisch aktiven Diolstrukturen in der Naturstoffsynthese oder der Herstellung von Pharmazeutika genutzt werden können.