Stereoselective Transformations of meso Bicyclic Hydrazines: Versatile Access to Functionalized Aminocyclopentanes

Abstract

Bicyclic hydrazines, prepared by cycloaddition of cyclopentadiene and diazo compounds, have great synthetic potential. Numerous asymmetric transformations of these building blocks have been developed, involving the electrophilicity of their strained double bond, ring-opening reactions or skeletal rearrangements. All these transformations are fully diastereoselective, and, in some cases­, enantioselective, enabling the preparation of a wide range of useful synthetic intermediates from a single precursor in a few synthetic steps.

1 Introduction

2 Preparation and Conformational Properties of Bicyclic
Hydrazines

3 Synthetic Transformations without Ring Fragmentation

3.1 Hydroboration

3.2 Hydroformylation and Halocarbomethoxylation

3.3 Dihydroxylation and Aminohydroxylation

3.4 Hydroarylation

3.5 Sequential Arylation-Alkynylation

3.6 Arylative Cyclization

3.7 Cyclopropanation

3.8 Pauson-Khand Reaction

3.9 Cycloaddition Reactions

4 Synthetic Transformations with Ring Fragmentation

4.1 Palladium-Catalyzed Ring-Opening Reactions

4.2 Copper-Catalyzed Ring-Opening Reactions

4.3 Rhodium-Catalyzed Ring-Opening Reactions

4.4 Ruthenium-Catalyzed Ring-Opening-Metathesis Reactions and Oxidative Cleavage

5 Rearrangements

5.1 Rearrangements Involving Allylic Cations

5.2 Rearrangements Involving Aziridiniums

6 Synthetic Applications

7 Conclusion

Key words

asymmetric synthesis - bicyclic hydrazines - ring-opening­ reactions - amines - asymmetric catalysis

References

• 1 Diels O. Alder K. Liebigs Ann. Chem.  1928,  460:  98 
• 2 Diels O. Blom JH. Koll W. Liebigs Ann. Chem.  1925,  443:  242 
• 3a Roth WR. Martin M. Liebigs Ann. Chem.  1967,  702:  1 
• 3b Roth WR. Martin M. Tetrahedron Lett.  1967,  4695 
• 3c Allred EL. Smith RL. J. Am. Chem. Soc.  1967,  89:  7133 
• 4 Little D. Chem. Rev.  1986,  86:  875 
• 5a Engel PS. Chem. Rev.  1980,  80:  99 
• 5b Simpson CJSM. Wilson GJ. Adam WJ. J. Am. Chem. Soc.  1991,  113:  4728 
• 5c Reyes MB. Carpenter BK. J. Am. Chem. Soc.  2000,  122:  10163 
• 5d Khuong KS. Houk KN. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  14867 
• 5e Adam W. Diedering M. Trofimov AV. J. Phys. Org. Chem.  2004,  17:  643 
• 5f Abe M. Ishihara C. Kawanami S. . J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  10 
• 6 Spandl RJ. Bender A. Spring DR. Org. Biomol. Chem.  2008,  6:  1149 
• 7 Eliel EL. Wilen SH. Stereochemistry of Organic Compounds   Wiley; New York: 1994.  p.758 
• 8 Hoffman RW. Angew. Chem. Int. Ed.  2003,  42:  1096 
• 9 Houben-Weyl Methods of Organic Synthesis   4th ed., Vol. E21:  Helmchen G. Hoffmann RW. Mulzer E. Thieme; Stuttgart: 1995.  p.5451 
• 10 Needleman SB. Kuo CC. Chem. Rev.  1962,  62:  405 
• 11 MacKenzie JCJ. Rodgmen A. Wright GF. J. Org. Chem.  1952,  17:  1666 
• 12 Gassman PG. Mansfield KT. Org. React.  1969,  49:  1 
• 13 Stout DM. Takaya T. Meyers AI. J. Org. Chem.  1975,  40:  563 
• 14 Carpino LA. Terry PH. Crowley PJ. J. Org. Chem.  1961,  26:  4336 
• 15 Heyman ML. Snyder JP. Tetrahedron Lett.  1973,  2859 
• 16 Masamune S. Nakamura N. Spadaro J. J. Am. Chem. Soc.  1975,  97:  918 
• 17 Adam W. Berkessel A. Chem. Ber.  1985,  118:  5018 
• 18 Houben-Weyl Methods of Organic Synthesis   4th ed., Vol. E21:  Helmchen G. Hoffmann RW. Mulzer E. Thieme; Stuttgart: 1995.  p.5469 
• 19a Gillis BT. Hagarty JD. J. Org. Chem.  1967,  32:  330 
• 19b Cookson RC. Gilani SSH. Stevens IDR. J. Chem. Soc. C  1967,  1905 
• 19c Moore JA. Muth R. Sorace R. J. Org. Chem.  1974,  39:  3799 
• 19d Snyder JP. Bandurco VT. Darack F. Olsen H. J. Am. Chem. Soc.  1974,  96:  5158 
• 19e Warmhoff H. Kunz G. Angew. Chem. Int. Ed.  1981,  20:  797 
• 20 Corey EJ. Snider BB. J. Org. Chem.  1973,  38:  3632 
• 21a Nelsen SF. Hollinsed WC. Grezzo LA. Parmelee WP. J. Am. Chem. Soc.  1979,  101:  7347 
• 21b Kealy TJ. J. Am. Chem. Soc.  1962,  84:  966 
• 22 Campbell JA. Mackay D. Sauer TD. Can. J. Chem.  1972,  50:  1568 
• 23 Miesel JL. Tetrahedron Lett.  1974,  15:  3847 
• 24 Agmon I. Kaftory M. Nelsen SF. Blackstock SC. J. Am. Chem. Soc.  1986,  108:  4477 
• 25 Pandey B. Athawale AA. Reddy RS. Chem. Lett.  1991,  1173 
• 26 Anderson JE. Lehn J.-M. Tetrahedron  1968,  24:  123 
• 27a Nomura Y. Masai N. Takeguchi Y. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1974,  307 
• 27b

  Pérez Luna, A.; unpublished results.

• 28 Allred EL. Anderson CL. Smith RL. Tetrahedron Lett.  1966,  9:  951 
• 29 Allred EL. Smith RL. J. Org. Chem.  1966,  31:  3498 
• 30 Allred EL. Anderson CL. Smith RL. J. Org. Chem.  1966,  31:  3493 
• 31a Burgess K. Ohlmeyer MJ. Chem. Rev.  1991,  91:  1179 
• 31b Beletskaya I. Pelter A. Tetrahedron  1997,  53:  4957 
• 31c Hayashi T. In Comprehensive Asymmetric Catalysis   Jacobsen EN. Pfaltz A. Yamamoto H. Springer-Verlag; Berlin: 1999. 
• 31d Crudden CM. Edwards D. Eur. J. Org. Chem.  2003,  4695 
• 31e Caroll A.-M. O’Sullivan TP. Guiry PJ. Adv. Synth. Catal.  2005,  347:  609 
• 32a Burgess K. Ohlmeyer MJ. J. Org. Chem.  1988,  53:  5178 
• 32b Hayashi T. Matsumoto Y. Ito Y. J. Am. Chem. Soc.  1989,  111:  3426 
• 32c Sato M. Miyaura N. Suzuki A. Tetrahedron Lett.  1990,  31:  231 
• 32d Brown JM. Lloyd-Jones GC. Tetrahedron: Asymmetry  1991,  1:  869 
• 32e Hayashi T. Matsumoto Y. Ito Y. Tetrahedron: Asymmetry  1991,  2:  601 
• 32f Burgess K. Van der Donk WA. Ohlmeyer MJ. Tetrahedron: Asymmetry  1991,  2:  613 
• 32g Zhang J. Lou B. Guo G. Dai L. J. Org. Chem.  1991,  56:  1670 
• 32h Brown JM. Hulmer DI. Langzell TP. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1993,  1673 
• 32i Togni A. Breutel C. Schnyder A. Spindler F. Landert H. Tijani A. J. Am. Chem. Soc.  1994,  116:  4062 
• 32j Schnyder A. Hintermann L. Togni A. Angew. Chem., Int. Ed. Engl.  1995,  34:  931 
• 32k Doucet H. Fernandez E. Layzell TP. Brown JM. Chem. Eur. J.  1999,  5:  1320 
• 32l Brunel J.-M. Buono G. Tetrahedron Lett.  1999,  40:  3561 
• 32m Fernandez E. Maeda K. Hooper MW. Brown JM. Chem. Eur. J.  2000,  6:  1840 
• 32n McCarthy M. Guiry P. Polyhedron  2000,  19:  541 
• 32o Demay S. Volant F. Knochel P. Angew. Chem., Int. Ed.  2001,  40:  1235 
• 33 Pérez Luna A. Ceschi M.-A. Bonin M. Micouin L. Husson H.-P. J. Org. Chem.  2002,  67:  3522 
• 34 Bunlaksananusorn T. Polborn K. Knochel P. Angew. Chem. Int. Ed.  2003,  42:  3941 
• 37 Bournaud C. Thesis   Université Paris Descartes; France: 2006. a temperature-dependent inversion of enantioselectivity has been observed with pinacolborane in DME (but not in THF)
• 38a Evans DA. Fu GC. Hoveyda AH. J. Am. Chem. Soc.  1992,  114:  6671 
• 38b Westcott SA. Marder TB. Organometallics  1993,  12:  975 
• 39 Pérez Luna A. Bonin M. Micouin L. Husson H.-P. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  12098 
• 40 Bunlaksananusorn T. Pérez Luna A. Bonin M. Micouin L. Knochel P. Synlett  2003,  2240 
• 41 Alexakis A. Polet D. Bournaud C. Bonin M. Micouin L. Tetrahedron: Asymmetry  2005,  16:  3672 
• 42a Crudden CM. Hleba YB. Chen AC. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  9200 
• 42b Black A. Brown JM. Pichon C. Chem. Commun.  2005,  5284 
• 42c Edwards DR. Hleba YB. Lata CJ. Calhoun LA. Crudden CM. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  7799 
• 43a Consiglio G. Morandini F. Scalone P. Pino P. J. Organomet. Chem.  1985,  279:  195 
• 43b Parrinello G. Deschenaux R. Stille JK. J. Org. Chem.  1986,  51:  4189 
• 43c Parrinello G. Stille JK. J. Am. Chem. Soc.  1987,  109:  7122 
• 43d Lu S. Li X. Wang A. Catalysis Today  2000,  63:  531 
• 43e Huang J. Bunel E. Allgeier A. Tedrow J. Storz T. Preston J. Correl T. Manley D. Soukup T. Jensen R. Syed R. Moniz G. Larsen R. Martinelli M. Reider PJ. Tetrahedron Lett.  2005,  46:  7831 
• 44 Wilson RM. Schnapp KA. Merwin RK. Ranganathan R. Moats DL. Conrad TT. J. Org. Chem.  1986,  51:  4028 
• 45 Bournaud C. Lecourt T. Micouin L. Méliet C. Agbossou-Niedercorn F. Eur. J. Org. Chem.  2008,  2298 
• 46 Ham S.-W. Chang W. Dowd P. J. Am. Chem. Soc.  1989,  111:  4130 
• 47a Mellor JM. Smith NM. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1  1984,  2927 
• 47b Grabowski S. Armbruster J. Prinzbach H. Tetrahedron Lett.  1997,  38:  5485 
• 47c Micouin L, Dardel F, Tisné-Vicrobeck C, Maurice F, Bonin M, Bournaud C, and Bégis G. inventors; WO 2006/024784  A2. 
• 48 Kolb HC. Sharpless BK. In Transition Metals for Organic Synthesis   2nd ed., Vol. 2:  Beller M. Bolm C. Wiley-VCH; Weinheim: 2004.  p.309 
• 50 Storsberg J. Nandakumar MV. Sankaranarayanan S. Kaufmann DE. Adv. Synth. Catal.  2001,  343:  177 
• 51a Kaufmann DE, Nandakumar MV, and Storsberg J. inventors; WO 02/36528  A2.  ; Incorrect structural assignments have been reported several times in this area, mainly because of the low resolution of NMR spectra caused by several rotameric species
• 51b Yao M.-L. Adiwidjaja G. Kaufmann DE. Angew. Chem. Int. Ed.  2002,  41:  3375 
• 52 Menard F. Lautens M. Angew. Chem. Int. Ed.  2008,  47:  2085 
• 53 Catellani M. Motti E. Della Ca’ N. Acc. Chem. Res.  2008,  41:  1512 
• 54 Lautens M. Mancuso J. J. Org. Chem.  2004,  69:  3478 
• 55 Tseng N.-W. Mancuso J. Lautens M. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  5338 
• 56 Tenaglia A. Marc S. J. Org. Chem.  2006,  71:  3569 
• 57 Bigeault J. Giordano L. de Riggi I. Gimbert Y. Buono G. Org. Lett.  2007,  9:  3567 
• 58a Allred EL. Hinshaw JC. Johnson AL. J. Am. Chem. Soc.  1969,  91:  3382 
• 58b Olsen H. Snyder JP. J. Am. Chem. Soc.  1977,  99:  1524 
• 59 Pauson PL. Khand IU. Ann. N. Y. Acad. Sci.  1977,  295:  2 
• 60 Derdau V. Laschat S. J. Organomet. Chem.  2002,  642:  131 
• 61a Warrener RN. Bina S. Butler DN. Pitt IG. Russel RA. Tetrahedron Lett.  1990,  31:  7073 
• 61b Warrener RN. Pitt IG. Nunn EE. Tetrahedron Lett.  1994,  35:  621 
• 62a Huisgen R. Stangle H. Sturm HJ. Wagenhofer H. Angew. Chem.  1961,  73:  170 
• 62b Huisgen R. Moebius L. Mueller G. Stangl H. Szeimies G. Vernon JM. Chem. Ber.  1965,  98:  3992 
• 62c Wade PA. Hinney HR. J. Am. Chem. Soc.  1979,  101:  1319 
• 62d Rieber N, Boehm H, Platz R, and Fuchs W. inventors; EP 0046188  A1. 
• 62e Rieber N, Platz R, and Fuchs W. inventors; EP 0046192  A1. 
• 62f Aitken RA. Carcas K. Hill L. Massil T. Raut SV. Tetrahedron Lett.  1997,  53:  2261 
• 63 Kuderna JG. Sims JW. Wikstrom JF. Soloway SB. J. Am. Chem. Soc.  1959,  81:  382 
• 64 Sajisha VS. Smitha M. Anas S. Radhakrishnan KV. Tetrahedron  2006,  62:  3997 
• 65a Radhakrishnan KV. Sajisha VS. Anas S. Krishnan KS. Synlett  2005,  2273 
• 65b Sajisha VS. Radhakrishnan KV. Adv. Synth. Catal.  2006,  348:  924 
• 66a John J. Sajisha VS. Mohanlal S. Radhakrishnan KV. Chem. Commun.  2006,  3510 
• 66b Anas S. John J. Sajisha VS. John J. Rajan R. Suresh E. Radhakrishnan KV. Org. Biomol. Chem.  2007,  5:  4010 
• 67 John J. Anas S. Sajisha VS. Viji S. Radhakrishnan KV. Tetrahedron Lett.  2007,  48:  7225 
• For related examples, see:
• 68a Bourgeois-Cury A. Doan D. Goré J. Tetrahedron Lett.  1992,  33:  1277 
• 68b Alonso DA. Bertilsson SK. Johnsson SY. Nordin SJM. Södergren MJ. Andersson PG. J. Org. Chem.  1999,  64:  2276 
• 68c Miller A. Procter G. Tetrahedron Lett.  1990,  31:  1043 
• 68d Mulvihill MJ. Surman MD. Miller MJ. J. Org. Chem.  1998,  63:  4874 
• 68e Surman MD. Miller MJ. Org. Lett.  2001,  3:  519 
• 68f Cowart M. Bennett MJ. Kerwin JF. J. Org. Chem.  1999,  64:  2240 
• 69 Pérez Luna A. Cesario M. Bonin M. Micouin L. Org. Lett.  2003,  5:  4771 
• 70 Modern Organocopper Chemistry   Krause N. Wiley-VCH; Weinheim: 2002. 
• 71 Pineschi M. Del Moro F. Crotti P. Macchia F. Org. Lett.  2005,  7:  3605 
• 72 Bournaud C. Falciola C. Lecourt T. Rosset S. Alexakis A. Micouin L. Org. Lett.  2006,  8:  3581 
• 73 Palais L. Mikhel IS. Bournaud C. Micouin L. Falciola CA. Vuagnoux-d’Augustin M. Rosset S. Bernardinelli G. Alexakis A. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  7462 
• 74 Bertolini F. Macchia F. Pineschi M. Tetrahedron Lett.  2006,  47:  9173 
• 75 Crotti S. Bertolini F. Macchia F. Pineschi M. Chem. Commun.  2008,  3127 
• 76 Menard F. Weise CF. Lautens M. Org. Lett.  2007,  9:  5365 
• 77 Ellis JM. King SB. Tetrahedron Lett.  2002,  43:  5833 
• 78 Van Velduizen JJ. Gillingham DG. Garber SB. Kataoka O. Hoveyda AH. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  12502 
• 79 Berlin JM. Goldberg SD. Grubbs RH. Angew. Chem. Int. Ed.  2006,  45:  7591 
• 80a Arakawa Y. Goto T. Kawase K. Yoshifuji S. Chem. Pharm. Bull.  1995,  43:  535 
• 80b Arakawa Y. Goto T. Kawase K. Yoshifuji S. Chem. Pharm. Bull.  1998,  46:  674 
• 81 Frauenrath H. Houben-Weyl Methods of Organic Synthesis   4th ed., Vol. E21:  Helmchen G. Hoffmann RW. Mulzer E. Thieme; Stuttgart: 1995.  p.3671 
• 82a Mackay D. Campbell JA. Jennison CPR. Can. J. Chem.  1970,  48:  81 
• 82b Campbell JA. Mackay D. Sauer TD. Can. J. Chem.  1972,  50:  371 
• 82c Chung CY.-J. Mackay D. Sauer TD. Can. J. Chem.  1972,  50:  3315 
• 82d Chung CY.-J. Mackay D. Sauer TD. Can. J. Chem.  1972,  50:  1568 
• 83 Dao LH. Mackay D. Can. J. Chem.  1978,  56:  1724 
• 84 Martins A. Lemouzy S. Lautens M. Org. Lett.  2009,  11:  181 
• 85a Raasch MS. J. Org. Chem.  1975,  40:  161 
• 85b Offereins B. Altona C. Romers C. Acta Crystallogr., Sect. B  1973,  29:  2098 
• 86 Bournaud C. Bonin M. Micouin L. Org. Lett.  2006,  8:  3041 
• 87 Feuvrie C. Blanchet J. Bonin M. Micouin L. Org. Lett.  2004,  6:  2333 
• 88 Bournaud C. Robic D. Bonin M. Micouin L. J. Org. Chem.  2005,  70:  3316 
• 89 Chung F. Tisné C. Lecourt T. Dardel F. Micouin L. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  4489 
• 90 Lombès T. Bégis G. Maurice F. Turcaud S. Lecourt T. Dardel F. Micouin L. ChemBioChem  2008,  9:  1368 

35

The low reactivity and selectivity observed with the QUINAP ligand could arise from the lower stability of the catalytic species generated from neutral rhodium precatalyst (Prof. J. M. Brown, personal communication to L.M.). Cationic rhodium sources have not been evaluated with this ligand in this study.

36

Pérez Luna, A.; unpublished results.

49

Bournaud, C.; unpublished results.