Strained Alkenes in Natural Product Synthesis

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Strained  Alkenes  in   Natural  Product  Synthesis   15  October  2013   Denmark  Group  MeeAng   Hyung  Min  Chi  

Overview   •  Types  of  strains  in  alkene  system   •  PreparaAon  of  strained  alkenes   •  Strained  alkenes  used  in  natural  product  synthesis   •  Strained  Alkenes  in  [4+2]  CycloaddiAons   – 

Rubrolone  aglycon,  Platensimycin,  CorAstaAn  A,  Cycloclavine,  Asteriscanolide,  Pleocarpenone  &   Pleocarpenene,  Vinigrol  

•  Sigmatropic  Strain-­‐Driven  Siloxy-­‐Cope  Rearrangement   – 

Phomoidride  B  

•  Metal-­‐Catalyzed  ReacAons   – 

Spirofungin  A,  RouAennocin,  Pentalenene,  Isoquinoline  alkaloids  

•  Nucleophilic  AddiAon   – 

Hyacinthacine  A2  

Types  of  Strains  in  alkene  system   •  Angle  compression  

•  TwisAng  

•  PyramidalizaAon   Distor'on  energy:  The  deformaAon  of  the  reactants  required  for  an  opAmal   transiAon-­‐state  geometry   Interac'on  energy:  Stabilizing  electrostaAc,  charge-­‐transfer  &  repulsion   interacAons  between  approaching  reactants   Houk  and  Bickelhaupt  suggests  that  the  lower  acAvaAon  energy  correlates  most   accurately  with  distorAon/interacAon  energy   Schoenebeck,  F.;  Ess,  D.  H.;  Jones,  G.  O.;  Houk,  K.  N.,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2009,  131,  8121   van  Zeist,  W.  J.;  Bickelhaupt,  F.  M.,  Org.  Biomol.  Chem.  2010,  8,  3118  

AcAvaAon,  DistorAon  and  InteracAon   energies   •  DistorAon/InteracAon  model  (acAvaAon/strain  model)   –  –  –  – 

Diene  distorAon  energy:  green   Dienophile  distorAon  energy:  blue   InteracAon  energy:  red   AcAvaAon  energy:  black  

Paton,  R.  S.;  Kim,  S.;  Ross,  A.  G.;  Danishefsky,  S.  J.;  Houk,  K.  N.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2011,  50,  10366  

PreparaAon  of  the  strained  alkenes   •  Barton-­‐Kellogg’s  olefinaAon  

•  Tying-­‐back  methods  

•  Carbene  coupling  methods  

Lenoir,  D.;  Wahenbach,  C.;  Liebman,  J.  F.,  Struct.  Chem.  2006,  17,  419.  

Strained  alkenes   •  First  synthesis  of  cyclopropene  (1922)   –  Dem’yanov  &  Doyarenko  

•  Strained  alkenes  used  in  synthesis  

D.  L.  Boger,  C.  E.  Brotherton,  Tetrahedron  1986,  42,  2777  

Cyclopropene  Ketals   •  Boger,  1986   –  Accelerate  both  normal  and  inverse  electron  demand  Diels-­‐Alder  reacAon   –  Cyclopropene  ketals  show  exclusive  exo  selecAvity  

D.  L.  Boger,  C.  E.  Brotherton,  Tetrahedron  1986,  42,  2777  

Cyclopropene  Ketals   •  Boger,  2000   –  Synthesis  of  rubrolone  aglycon   –  UAlizing  cyclopropene  ketal  to  access  tropone  moiety  

D.  L.  Boger,  S.  Ichikawa,  H.  Jiang,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2000,  122,  12169.  

Cyclopropene  Ketals   •  Boger,  2000   –  [4+2]  cycloaddiAon  with  cyclopropene  ketals  show  high  exo  selecAvity   –  nearly  quanAtaAve  yield  of  cycloadduct  as  a  single  exo  diastereomer.  

D.  L.  Boger,  S.  Ichikawa,  H.  Jiang,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2000,  122,  12169.  

Tetrabromocyclopropene  

•  Oblak  &  Wright,  2011   –  near  instantaneous  exo-­‐selecAve  [4+2]  cycloaddiAon   –  Synthesis  of  a  Key  Oxabicyclo[3.2.1]octadiene  Intermediate  

E.  Z.  Oblak,  D.  L.  Wright,  Org.  LeD.  2011,  13,  2263.  

Intramolecular  [4+2]:  Cyclopropene  

•  Magnus  and  Lilch,  2009   –  corAstaAn  A   –  tandem  nucleophilic  addiAon/intramolecular  cyclopropene  Diels–Alder  reacAon  

P.  Magnus,  R.  Lilch,  Org.  LeD.  2009,  11,  3938.  

Intramolecular  [4+2]:  Cyclopropene  

•  De  Clercq,  1979/1982   –  Failed  with  unstrained  alkene  system  (De  Clercq)   –  Intramolecular  Diels-­‐Alder  furan  approach  

P.  Magnus,  R.  Lilch,  Org.  LeD.  2009,  11,  3938.   P.  J.  De  Clercq,  L.  A.  Van  Royen,  Synth.  Commun.  1979,  9,  771.   L.  A.  Van  Royen,  R.  Mijngheer,  P.  J.  De  Clercq,  Tetrahedron  LeD.  1982,  23,  3283.  

Intramolecular  [4+2]:  Methylenecyclopropane  

•  Petronijevic  &  Wipf,  2011   –  ergot  alkaloid  cycloclavine   –  simultaneous  installaAon  of  the  quaternary  cyclopropane  stereocenter  and  the  trans-­‐hydroindole   ring  system   –  The  observed  rate  acceleraAon  results  from  methylenecyclopropane  ring  strain  (40  kcal/mol)   –  single  trans  diastereomer  

F.  R.  Petronijevic,  P.  Wipf,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2011,  133,  7704.  

Intramolecular  [4+2]:  Methylenecyclopropane   •  Parker  and  Iqbal,  1987   –  Diels–Alder  reacAons  with  unstrained  dienophile   –  200  oC  for  10  hours  gave  cycloadducts  less  than  20%  yield  and  with  poor  cis/  trans  selecAvity  

F.  R.  Petronijevic,  P.  Wipf,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2011,  133,  7704.   K.  A.  Parker,  T.  Iqbal,  J.  Org.  Chem.  1987,  52,  4369.  

Intramolecular  [4+2]:  Cyclobutadiene  

•  Snapper,  2000   –  (+)-­‐asteriscanolide   –  [4+2]  cycloaddiAon  upon  oxidaAve  decomplexaAon   –  Cross-­‐metathesis  followed  by  in  situ  Cope  rearrangement  

J.  Limanto,  M.  L.  Snapper,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2000,  122,  8071.  

Intramolecular  [4+2]:  Cyclobutadiene   •  Snapper,  2007   –  Pleocarpenone  and  pleocarpenene  

M.  J.  Williams,  H.  L.  Deak,  M.  L.  Snapper,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2007,  129,  486.  

Intramolecular  [4+2]:  Bicyclo[2.2.2]octene  

•  Baran,  2009   –  Vinigrol   –  intramolecular  Diels–Alder  reacAon/Grob  fragmentaAon   –  Diels–Alder  cycloaddiAon  with  acyclic  alkadiene  results  in  only  46%  aper  90  hours  at  162oC.  

T.  J.  Maimone,  A.  F.  Voica,  P.  S.  Baran,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2008,  47,  3054   T.  J.  Maimone,  J.  Shi,  S.  Ashida,  P.  S.  Baran,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2009,  131,  17066.   Y.  T.  Lin,  K.  N.  Houk,  Tetrahedron  LeD.  1985,  26,  2269.  

Sigmatropic  Strain-­‐driven  Siloxy-­‐Cope   Rearrangement  

•  Clive,  1997/1997   –  Phomoidride  B  

•  Leighton,  2003   –  one-­‐pot  Pd-­‐catalyzed  carbonylaAon/siloxy-­‐Cope  rearrangement  with  enol  triflate  

P.W.  M.  Sgarbi,  D.  L.  J.  Clive,  Chem.  Commun.  1997,  2157;  D.  L.  J.  Clive,  S.  Sun,  X.  He,  J.  Zhang,  V.  Gagliardini,  Tetrahedron  LeD.  1999,  40,  4605.     M.  M.  Bio,  J.  L.  Leighton,  J.  Am.  Chem.  Soc.  1999,  121,  890;  M.  M.  Bio,  J.  L.  Leighton,  Org.  LeD.  2000,  2,  2905.   M.  M.  Bio,  J.  L.  Leighton,  J.  Org.  Chem.  2003,  68,  1693.  

Cross-­‐Metathesis:  Cyclopropenone  Ketal   •  Marjanovic  and  Kozmin,  2007   –  spirofungin  A  

J.  Marjanovic,  S.  A.  Kozmin,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2007,  46,  8854.  

Cross-­‐Metathesis:  Cyclopropenone  Ketal   •  Mazumoto  and  Kozmin,  2008   –  rouAennocin  

K.  Matsumoto,  S.  A.  Kozmin,  Adv.  Synth.  Catal.  2008,  350,  557.  

Intramolecular  Pauson-­‐Khand  ReacAon   •  Pallerla  and  Fox,  2007   –  mulAcomponent  formal  [2+2+1]  cycloaddiAon   –  (-­‐)-­‐Pentalenene   –  higher  reacAvity  of  strained  alkenes  in  Pauson–Khand  reacAons  results  from  greater  back  donaAon   to  the  lower-­‐lying  LUMO  of  a  strained  alkene  

M.  K.  Pallerla,  J.  M.  Fox,  Org.  LeD.  2007,  9,  5625.  

AddiAon  to  Strained  Azabicyclic  Alkenes  

•  Lautens,  2008   –  Isoquinoline  alkaloids   –  [4+2]  cycloaddiAon  of  benzyne  intermediate,  generated  in  situ  from  dibromobenzene  

H.  A.  McManus,  M.  J.  Fleming,  M.  Lautens,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2007,  46,  433;  M.  J.  Fleming,  H.  A.  McManus,  A.  Rudolph,  W.  H.  Chan,  J.  Ruiz,   C.  Dockendorff,  M.  Lautens,  Chem.  Eur.  J.  2008,  14,  2112.  

Nucleophilic  AddiAon:  Intramolecular  trans-­‐ Cyclooctene  HydroaminaAon   •  Fox,  2011   –  Hyacinthacine  A2   –  The  increased  reacAvity  likely  results  from  significant  twisAng  of  the  alkene  p-­‐system   –  HOMO  of  the  alkene  becomes  significantly  higher  in  energy,  allowing  the  destabilizing  NH  lone  pair   to  encounter  the  electron-­‐rich  olefin  p-­‐system  

M.  Royzen,  M.  T.  Taylor,  A.  DeAngelis,  J.  M.  Fox,  Chem.  Sci.  2011,  2,  2162.  

Conclusion   •  Use  of  strained  alkenes  allow  access  to  reacAons  than  typically   require  significant  acAvaAon.   •  Strategic  use  of  strained  alkenes  can  promote  complex   transformaAons  in  natural  product  syntheses.   –  CycloaddiAons,  rearrangements,  metal-­‐catalyzed  reacAons,  and  nucleophilic  addiAons  

•  Development  of  syntheAc  methods  has  facilitated  access  to   highly  strained  alkenes  

References   •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  •  • 

Wilson,  R.;  Taylor,  R.  E.,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2013,  52,  4078.   Meijere,  A.  de.;  Blechert,  S.,  Strain  and  its  implicaKons  in  organic  chemistry  :  organic  stress  and  reacKvity.  Dordrecht  ;  Kluwer  Academic  Publishers,  1989.   Liebman,  J.  F.;  Greenberg,  A.,  Chem.  Rev.  1976,  76,  311.   Shea,  K.  J.,  Tetrahedron,  1980,  36,  1683   Paquehe,  L.  A  et  al,    J.  Am.  Chem.  Soc.  1971,  93,  4516.   Vazquez,  S.;  Camps,  P.  Tetrahedron  2005,  61,  5147.   Schoenebeck,  F.;  Ess,  D.  H.;  Jones,  G.  O.;  Houk,  K.  N.,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2009,  131,  8121   van  Zeist,  W.  J.;  Bickelhaupt,  F.  M.,  Org.  Biomol.  Chem.  2010,  8,  3118   Paton,  R.  S.;  Kim,  S.;  Ross,  A.  G.;  Danishefsky,  S.  J.;  Houk,  K.  N.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2011,  50,  10366   Lenoir,  D.;  Wahenbach,  C.;  Liebman,  J.  F.,  Struct.  Chem.  2006,  17,  419.   D.  L.  Boger,  S.  Ichikawa,  H.  Jiang,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2000,  122,  12169.   E.  Z.  Oblak,  D.  L.  Wright,  Org.  LeD.  2011,  13,  2263.   P.  Magnus,  R.  Lilch,  Org.  LeD.  2009,  11,  3938.   P.  J.  De  Clercq,  L.  A.  Van  Royen,  Synth.  Commun.  1979,  9,  771.   L.  A.  Van  Royen,  R.  Mijngheer,  P.  J.  De  Clercq,  Tetrahedron  LeD.  1982,  23,  3283.   F.  R.  Petronijevic,  P.  Wipf,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2011,  133,  7704.   K.  A.  Parker,  T.  Iqbal,  J.  Org.  Chem.  1987,  52,  4369.   J.  Limanto,  M.  L.  Snapper,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2000,  122,  8071.   M.  J.  Williams,  H.  L.  Deak,  M.  L.  Snapper,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2007,  129,  486.   T.  J.  Maimone,  A.  F.  Voica,  P.  S.  Baran,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2008,  47,  3054   T.  J.  Maimone,  J.  Shi,  S.  Ashida,  P.  S.  Baran,  J.  Am.  Chem.  Soc.  2009,  131,  17066.   Y.  T.  Lin,  K.  N.  Houk,  Tetrahedron  LeD.  1985,  26,  2269.   P.W.  M.  Sgarbi,  D.  L.  J.  Clive,  Chem.  Commun.  1997,  2157;   D.  L.  J.  Clive,  S.  Sun,  X.  He,  J.  Zhang,  V.  Gagliardini,  Tetrahedron  LeD.  1999,  40,  4605.     M.  M.  Bio,  J.  L.  Leighton,  J.  Org.  Chem.  2003,  68,  1693.   J.  Marjanovic,  S.  A.  Kozmin,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2007,  46,  8854.   K.  Matsumoto,  S.  A.  Kozmin,  Adv.  Synth.  Catal.  2008,  350,  557.   M.  K.  Pallerla,  J.  M.  Fox,  Org.  LeD.  2007,  9,  5625.   H.  A.  McManus,  M.  J.  Fleming,  M.  Lautens,  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2007,  46,  433   M.  J.  Fleming,  H.  A.  McManus,  A.  Rudolph,  W.  H.  Chan,  J.  Ruiz,  C.  Dockendorff,  M.  Lautens,  Chem.  Eur.  J.  2008,  14,  2112.   M.  Royzen,  M.  T.  Taylor,  A.  DeAngelis,  J.  M.  Fox,  Chem.  Sci.  2011,  2,  2162.