Nuevos procesos tándem iniciados por transferencias de hidruro desde funciones acetálicas

Abstract

Objetivos: Estudiar la capacidad de funciones acetálicas tales como 1,3-dioxolano, 1,3-ditiolano y sus análogas de seis miembros, para participar en procesos tándem iniciados por una transferencia de hidruro. Se evaluarán como unidades receptoras potenciales de dicho anión agrupaciones cetena, cetenimina, aleno, fulveno y fragmentos benciliden malonato. Metodología: 1) Diseñar y sintetizar acetal compuestos aptos para experimentar dichos procesos tándem. 2) Estudiar su reactividad química mediante inducción térmica y catalítica. 3) Caracterizar los productos de reacción mediante diferentes técnicas espectroscópicas. 4) Postular rutas mecanísticas que expliquen las transformaciones acontecidas en los materiales de partida. 5) Estudiar computacionalmente tales transformaciones. Resultados: 1) Se ha estudiado la reactividad térmica de -diazoceto compuestos portadores de funciones 1,3-dioxolano y 1,3-dioxano. Estos compuestos experimentan un reagrupamiento de Wolff proporcionando orto-acetal-cetenas transitorias que sufren un proceso tándem [1,5]-H/CEA-6 para concluir en la formación de ortoésteres cíclicos. También se han investigado C-alcoxicarbonil N-aril ceteniminas en procesos tándem similares. Las 1,3-dioxolano-ceteniminas estudiadas evolucionan a espiro 1-(2H)isoquinoleínas a través de la secuencia migración [1,5]-H/CEA-6 planeada. Este estudio se ha extendido a ceteniminas que soportan funciones 1,3-ditiolano y 1,3-ditiano, aislándose isoquinoleíntionas y 4-quinolonas, respectivamente. Se ha examinado la capacidad de N-(hetero)arilvinil ceteniminas y carbodiimidas, sustituidas en la posición 2 del fragmento (hetero)arilo por una función 1,3-dioxolano, de participar en reagrupamientos sigmatrópicos [1,7]-H. Sin embargo, dichos heterocumulenos, bajo activación térmica, experimentan un proceso tándem CEA-6/reacción ene retro-quelotrópica con extrusión de 2-carbeno-1,3-dioxolano. 2) Se ha estudiado la capacidad del carbono central de una función aleno de actuar como término de un reagrupamiento [1,5]-H desde una función acetálica. Se ha descrito que alenos portadores de funciones acetal cíclicas, se convierten en espirodihidronaftalenos por un proceso tándem [1,5]-H/CEA-6. Se ha observado que dimetoximetil-alenos experimentan además de la migración habitual [1,5]-H, la transferencia [1,5] de un grupo metoxilo, siendo los productos mayoritarios los resultantes de la migración inicial de hidrógeno. Cuando el aleno de partida contiene sólo un grupo metoxilo se produce exclusivamente la migración [1,5] de un hidrógeno bencílico. El estudio teórico realizado de las transformaciones de 1,3-dixolano-alenos revela que tanto el anillo acetálico como grupos aceptor electrónicos sustituidos en la unidad aleno favorecen la etapa de transferencia [1,5]-H respecto a compuestos estructuralmente similares en los que no estén presentes. Adicionalmente, se ha comprobado que alenos portadores de funciones 1,3-dioxolano, 1,3-dioxano y 1,3-oxatiolano sufren un proceso de ciclación intramolecular cuando se tratan con hexafluoroantimoniato de plata y/o ácido trifluoroacético proporcionando indeno-1,4-dioxepanos, -1,5-dioxocanos y -1,4-oxotiepanos, respectivamente. 3) Se ha explorado la viabilidad de funciones acetálicas para participar en procesos de transferencia de hidrógeno no clásicos. Benciliden malonatos orto sustituidos por funciones (ditio)acetálicas se transforman, en presencia de Sc(OTf)3, en indan-1-onas protegidas mediante una transferencia inicial 1,4 del hidrógeno acetálico hasta el carbono β del fragmento estirilo, seguida de un cierre de anillo 1,5. 4) Benzofulvenos que contienen una función acetálica en posición orto, bajo activación térmica, se transforman en benzo[f]indenos 4 y 9 sustituidos en proporción relativa 1 a 2. Tales transformaciones son mecanísticamente explicables implicando una migración inicial 1,4, [1,5], 1,6, o [1,7]-H. Mediante experimentos de marcaje isotópico con deuterio se ha descartado una transferencia inicial 1,4-H. El estudio computacional realizado de la transformación de un 1,3-dioxolano-fulveno revela a) que la migración 1,6-H es más favorable energéticamente que los alternativas [1,5]-H y [1,7]-H y b) que las conversiones tándem de los fulvenos de partida en los isómeros benzo[f]indénicos son procesos exergónicos, siendo los derivados 9-sustituidos los productos de control termodinámico.

Objectives: To study the ability of acetalic functions such as 1,3-dioxolane, 1,3-dithiolane and related six-members units to participate in tandem processes initiated by a hydride shift. Ketene, ketenimine, allene, fulvene and benzylydene malonate groups will be evaluated to act as receptor units of such anion. Methodology: 1) To design and synthesize acetal compounds capable to undergo those tandem processes. 2) To study their chemistry reactivity by thermal and catalytic induction. 3) To characterise reaction products by spectroscopic techniques. 4) To make mechanistic proposals for explaining start material transformations. 5) To carry out computational studies on such transformations. Results: 1) The thermal behaviour in solution of alkyl α-diazoacetoacetates bearing 1,3-dioxolane and 1,3-dioxane fragments has been studied. These species undergo Wolff rearrangements to give transient ortho-acetal-ketenes that experiment subsequent [1,5]-H/6π-ERC tandem processes giving rise to cyclic orthoesters. The suitability of analogous C-alkoxycarbonyl N-aryl ketenimines to undergo similar tandem processes has been also investigated. The 1,3-dioxolane-ketenimines transform into 1-(2H)-isoquinolines presumably through the expected [1,5]-H/6π-ERC sequence. The study has been extended to ketenimines supporting 1,3-dithiolane and 1,3-dithiane functions. These cases yield isoquinolinethiones and 4-quinolones, respectively. The suitability of β-(hetero)arylvinyl ketenimines and carbodiimides containing 1,3-dioxolane rings for experiencing [1,7]-H sigmatropic rearrangements has been tested. Instead, the heterocumulenes undergo a tandem 6π-ERC/retro-quelotropic ene reaction with extrusion of 2-carbena-1,3-dioxolane. 2) The ability of the central carbon atom of an allene unit to act as terminus of [1,5]-H shifts from acetalic carbon atoms has been studied. Allenes containing cyclic acetalic units, built in an ortho-phenylene scaffold, convert into spirodihydronaphthalenes by tandem [1,5]-H/6π-ERC processes. Similar dimethoxymethyl-allenes have been shown to experiment competitive [1,5]-H and [1,5]-OMe shift processes, the hydrogen migration initiating the reaction path leading to the major reaction product. Only [1,5]-H shifts occur in similar allenes bearing exclusively one methoxy group at the benzylic position. A computational study on these tandem processes reveals that the acetalic functions and electron-withdrawing groups at the allene unit both activate the rate-determining initial [1,5]-H shift. Moreover, the intramolecular cyclizations of the same allenes as above, bearing 1,3-dioxolane, 1,3-dioxane and 1,3-oxathiolane functions, by the catalytic action of either silver hexafluoroantimonate or trifluoroacetic acid yield the respective indene-1,4-dioxepanes, -1,5-dioxocanes and -1,4-oxathiepanes. 3) The ability of acetalic functions for participating in non-classic hydrogen shift processes has been examined. Benzylydene malonates bearing cyclic (dithio)acetalic functions transform into protected indanones under Sc(OTf)3 catalysis. 4) Benzofulvenes bearing (non)-cyclic acetal units in ortho position thermally transform into a mixture of 4 and 9-substitued benz[f]indenes in a 1:2 ratio. Mechanistic paths initiated by an initial 1,4, [1,5], 1,6 or [1,7]-H shift are conceivable for explaining those transformations. The results of deuterium labelling experiments exclude a 1,4 hydride shift as the initial step. A computational study on transformation of the plain 1,3-dioxolane reveals that a) the energy barrier of the 1,6-H shift is lower than those of the [1,5] or [1,7]-H shifts and b) the tandem conversions of the starting fulvenes into benz[f]indenes are exergonics, the major 9-susbtituted regiosiomer being the thermodynamically-controlled product.