Nickel-catalyzed Hydrosilylation of Alkenes and Transition-Metal-Free Intermolecular alpha-CH ...

211 Pages·2016·5.62 MB·English

by  Buslov, Ivan

Nickel-catalyzed Hydrosilylation of Alkenes and Transition-
Metal-Free Intermolecular α-C-H Amination of Ethers
THÈSE NO 7129 (2016)
PRÉSENTÉE LE 28 JUILLET 2016
À LA FACULTÉ DES SCIENCES DE BASE
LABORATOIRE DE SYNTHÈSE ET DE CATALYSE INORGANIQUE
PROGRAMME DOCTORAL EN CHIMIE ET GÉNIE CHIMIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Ivan BUSLOV
acceptée sur proposition du jury:
Prof. K. Severin, président du jury
Prof. X. Hu, directeur de thèse
Prof. E. P. Kündig, rapporteur
Prof. M. Driess, rapporteur
Prof. H.-A. Klok, rapporteur
Suisse
2016

Acknowledgements
First, I would like to thank my scientific advisor, Prof. Xile Hu, for giving me the
opportunity to carry out my doctoral studies in his group. I am deeply grateful for his support,
encouragement and guidance during my time as a Ph.D. student at EPFL. His optimistic
energy and confidence in my research always inspired me and helped me to move forward.
I would like to thank my thesis jury: Prof. Kay Severin, Prof. Ernst Peter Kündig, Prof.
Matthias Driess and Prof. Harm-Anton Klok for accepting to examine this manuscript.
Many thanks to the people working at EPFL: Annelise Carrupt, Gladys Pache and
Benjamin Kronenberg - the team of BCH chemical store - for their excellent work; Dr. Pascal
Miéville for his help with NMR machines and methods; Dr. Rosario Scopelliti and Dr. Euro
Solari for performing the X-ray and elemental analyses; Dr. Laure Menin, Daniel Baumann
and Francisco Sepulveda for the mass spectrometry analyses; Christina Zamanos-Epremian
and Anne Lene Odegaard for their kind support and for the administrative work.
I would like to thank my apprentice, Sébastien Keller, for helping me with synthesis of
many complexes and substrates for Chapter 3 and also for our conversations in French.
Many thanks to Dr. Gerald Bauer and Lucinda Batchelor for the proof reading of this
manuscript and help with the SNSF application.
It was a big pleasure to work in such a nice atmosphere created by LSCI group members. I
am thankful to Pablo M. Perez Garcia for taking care about me upon my arrival to the lab and
for teaching me some important laboratory techniques. I want to express my gratitude to Dr.
Fang Song for helping me with microscopy methods. I enjoyed sharing the lab with two
awesome co-workers: Dr. Tao Xu and Dr. Chi Wai Cheung. I thank them for fruitful
scientific discussions and pleasant working environment. I will never forget many enjoyable
moments spent with Jan, Jésus, Thomas, Yeonji and Gerald in and outside the lab. Special
thanks to Gerald for our unforgettable trips and sharing various activities.
Finally, I am very thankful to my family for the encouragements I received during these
years. I give my deepest thanks to my wife for her love and support.

I
Abstract
Transition-metal-catalyzed hydrosilylation of olefins is one of the most important methods
for the preparation of organosilicon compounds, which have broad applications in both
synthetic and material chemistry. For decades, precious metals, principally platinum-based
complexes, have been utilized as catalysts for olefin hydrosilylation. However, due to the
high and volatile cost and low abundance of Pt, the development of active and selective
catalysts based on Earth-abundant metals is highly desirable. In the first chapter, a short
overview of state-of-the-art Pt catalysts and recent advances in development of Fe, Co and
Ni-catalysts for olefin hydrosilylation is given. The applications, mechanisms and remaining
challenges of transition-metal-catalyzed hydrosilylation are discussed.
In the chapter 2, chemoselective anti-Markovnikov hydrosilylation of functionalized
alkenes using well-defined bis(amino)amide nickel pincer complexes is described. The
catalysts exhibit both high turnover frequencies and turnover numbers. Alkenes containing
amino, ester, amido, ketone, and formyl groups are selectively hydrosilylated with Ph SiH .
2 2
Chemoselective hydrosilylation of carbon-carbon double bond in the presence of formyl
group using a base metal catalyst is reported for the first time. A modification of reaction
conditions allows tandem isomerization-hydrosilylation reactions of internal alkenes to give
terminal alkyl silanes.
Hydrosilylation of alkenes with tertiary silanes is more attractive from practical point of
view. The screening of various nickel alkoxide complexes with reduced steric bulk led us to
discovery of an efficient heterogeneous catalyst for alkene hydrosilylation with commercially
relevant tertiary silanes (chapter 3). The catalyst exhibits high activity in anti-Markovnikov
hydrosilylation of unactivated terminal alkenes and isomerizing hydrosilylation of internal
alkenes. The catalyst can be applied to synthesize a single terminal alkyl silane from a
mixture of internal and terminal alkene isomers. Furthermore, the same catalyst can be used
to remotely functionalize an internal alkene derived from a fatty acid.
Chapter 4 describes a catalytic system composed of a nickel amido(bisoxazoline) complex
and NaOtBu for an unexpected synthetic transformation, leading to the synthesis of
functionalized alkyl hydrosilanes from readily available alkenes and alkoxysilanes. This
method provides a convenient and safe alternative to hydrosilylation using flammmable and
II
potentially dangerous Me SiH , MeSiH and SiH . The reaction mechanism was also
2 2 3 4
described.
Efficient and atom-economical creation of C-N bond is one of the major tasks in synthetic
organic chemistry. Direct C-H amination has emerged as an attractive method for the
construction of new C-N bonds. In the chapter 5 a new transition-metal free method for the
intermolecular amination of the α-C-H bonds of ethers is described. Using a hypervalent
iodine reagent as oxidant the amination of cyclic and acyclic alkyl ethers with a wide range of
amides, imides, and amines was achieved. The utility of this method was demonstrated in the
synthesis of Tegafur and its analogues. This transition-metal-free method provides a rapid
access to a large number of nitrogen-containing organic molecules that may serve as useful
synthetic intermediates or biologically active agents.

Key words: hydrosilylation, olefins, silanes, nickel, pincer ligands, chemoselectivity,
isomerization, nanoparticles, C-H amination, hypervalent iodine

III
Résumé
La reaction d’hydrosilylation d'oléfines catalysée par les métaux de transition est l'une des
méthodes en laboratoire et industrielle la plus importante pour la préparation de composés
organosiliciés. Ces composés trouvent de vastes champs d'application en chimie synthétique
et en chimie des matériaux. Pendant des décennies, les métaux précieux, principalement des
complexes à base de platine, ont été utilisés comme catalyseurs pour l'hydrosilylation
d'oléfines. Toutefois, en raison du coût élevé et fluctuant, et de la faible abondance en Pt, le
développement de catalyseurs actifs et sélectifs à base de métaux abondant sur Terre est
hautement souhaitable. Dans le premier chapitre, un bref aperçu de l'état de l’art des
catalyseurs à base de Pt et les progrès récents dans le développement de catalyseurs à base de
Fe, Co et Ni pour l'hydrosilylation d'oléfines est donné. Les applications, les mécanismes et
les défis restants de hydrosilylation catalysée par les métaux de transition sont également
discutés.
Dans le chapitre 2, l'hydrosilylation chimiosélective anti-Markovnikov d'alcènes
fonctionnalisés en utilisant des complexes pincer bis(amino)amide de nickel bien définis est
décrite. Les catalyseurs montrent de hautes fréquences de rotation (TOF) et de hauts nombres
de rotations (TON). Les alcènes contenant des groupes amino, ester, amido, cétone et formyle
sont sélectivement hydrosilylés avec Ph SiH . L'hydrosilylation chimiosélective d'une double
2 2
liaison carbone-carbone en présence d'un groupe formyle et en utilisant un catalyseur à base
de métal non précieux est décrite pour la première fois. Une modification des conditions de
réaction permet la réaction d'alcènes internes en tandem hydrosilylation-isomérisation pour
donner les produits terminaux.
L'hydrosilylation d'alcènes avec des silanes tertiaires ne contenant qu'une seule liaison Si-
H est plus attrayante d'un point de vue pratique. La procédure de sélection de divers
complexes d'alcoolate de nickel avec un encombrement stérique réduit nous a conduits à la
découverte d'un catalyseur hétérogène efficace pour l'hydrosilylation d’alcène avec des
silanes tertiaires commercialement utiles (chapitre 3). Le catalyseur montre une activité
élevée pour l'hydrosilylation anti-Markovnikov des alcènes terminaux inactivés et
l’isomérisation-hydrosilylation des alcènes internes. Le catalyseur peut être utilisé pour
synthétiser un alkylsilane terminal à partir d'un mélange d'isomères d'alcènes internes et
terminaux. En outre, le même catalyseur peut être utilisé pour fonctionnaliser à distance un
alcène interne dérivé d'un acide gras.
IV
Le chapitre 4 décrit l'emploi d'un complexe amido(bisoxazoline) de nickel et d'une
quantité catalytique de NaOtBu utilisés pour une transformation synthétique inhabituelle, ce
qui conduit à la synthèse d'alkylhydrosilanes fonctionnalisés à partir d'alcènes et
d'alcoxysilanes facilement disponibles. Cette méthode offre une alternative pratique et sans
danger à l'hydrosilylation utilisant les composés inflammables et potentiellement dangereux
Me SiH , MeSiH et SiH . Le mécanisme réactionnel a été étudié.
2 2 3 4
La création efficace et économique en atome d'une liaison C-N est l'une des principales
tâches de la chimie organique de synthèse. L'amination directe d'une liaison C-H a émergé
comme une méthode importante pour la construction de nouvelles liaisons C-N. Dans le
chapitre 5, une nouvelle méthode pour l'amination intermoléculaire des liaisons α-C-H
d'éthers est décrite. La méthode se fait sans métal de transition. En utilisant un réactif d'iode
hypervalent comme oxydant, l'amination des éthers d'alkyle cycliques et acycliques a été
effectuée avec une large gamme d'amides, d'imides et d'amines. L'utilité de cette méthode a
été démontrée dans la synthèse du Tégafur et de ses analogues. Ce procédé exempt de métal
de transition fournit un accès rapide à un grand nombre de molécules organiques contenant
un azote qui peuvent servir comme intermédiaires de synthèse utiles ou des agents
biologiquement actifs.
Mots-clés: hydrosilylation, oléfines, silanes, nickel, ligands pincer, chimiosélectivité,
isomérisation, nanoparticules, amination C-H, iode hypervalent

V
List of Symbols and Abbreviations
Å angstrom
δ chemical shift
o degree
acac acetylacetonate
APCI atmospheric pressure chemical ionisation
APPI atmospheric pressure photoionization
Ar aryl
ArF 3,5-ditrifluoromethylphenyl
aq. aqueous
atm atmosphere
Bn Benzyl
Boc tert-butyloxycarbonyl
Bopa bis(oxazolinylphenyl)amine
BOZ bisoxazoline
br broad
Bu butyl
Bz benzyl
calcd calculated
cat. catalyst
COD 1,5-cyclooctadiene
Coord. coordination
Cp cyclopentadienyl ligand
Cy cyclohexyl
d doublet
DCM dichloromethane
dd doublet of doublets
DFT density functional theory
DHS dehydrogenative silylation
DIB (diacetoxy)benzene
DMA N,N-dimethylacetamide
DMAP 4-Dimethylaminopyridine
DME 1,2-dimethoxyethane
VI
DMF N,N-dimethylformamide
DMSO dimethyl sulfoxide
dppe 1,2-bis(diphenylphosphino)ethane
dt doublet of triplets
E- entgegen (olefin isomer)
EDX Energy-dispersive X-ray spectroscopy
eq. equation
equiv. equivalent
ESI electrospray ionization
Et ethyl
Et2O diethylether
FG functional group
FID flame ionization detector
g gram
GC gas chromatography
GC-MS gas chromatography coupled with mass detector
HAADF high-angle annular dark-field imaging
HIV human immunodeficiency virus
h hour
HRMS high resolution mass spectrometry
HS hydrosilylation
Hz hertz (s-1)
Ins. insertion
iPr iso-propyl
J coupling constant in NMR spectroscopy
K Kelvin
KOtBu potassium tert-butoxide
KIE kinetic isotopic effect
m milli / multiplet
M mega (106) / molar
μ micro
MD’M 1,1,1,3,3,5,5,5-heptamethyltrisiloxane
Me methyl
MeCN acetonitrile
VII
mg mili-gram
min. minutes
mL mili-liter
μL microliter
mmol mili-mole
mol mole
MS mass spectrometry
NaOMe sodium methoxide
NaOtBu sodium tert-butoxide
nBu normal-butyl
nDec normal-decyl
NHC N-heterocyclic carbene ligand
nHex normal hexyl
nm nanometer
NMP N-Methylpyrrolidone
NMR nuclear magnetic resonance
N N bis(amino)amide
2
NRTI nucleoside analog reverse-transcriptase inhibitor
nOct normal-octyl
nOctadecyl normal-octadecyl
O. A. oxidative addition
OAc acetate
OTf trifluoromethylsulfonate
PG protecting group
PDI pyridine diimine
Ph phenyl
PMB para-methoxybenzyl
PMDS pentamethyldisiloxane
PPh3 triphenylphosphine
ppm part per million
q quartet
QTOF quadrupole-time-of-flight
R. E. reductive elimination
rt room temperature
VIII