Development of Highly Enantioselective Oxazaborolidinone Catalysts for the Reactions of Acyclic α,β-Unsaturated Ketones

Abstract

Chiral Lewis acid catalysis for ketones is one of the ­active areas in enantioselective reactions to expand the scope of substrates previously limited to aldehydes and bidentate carbonyl compounds. In this account, we describe the development of new oxazaborolidinone (OXB) catalysts derived from allo-threonine for asymmetric Mukaiyama-Michael and Diels-Alder reactions of acyclic α,β-unsaturated ketones. The scope of these reactions is outlined with particular emphasis on the origin of the enantioselective activation by the oxazaborolidinone catalysts.

1 Introduction

2 Asymmetric Mukaiyama-Michael Reactions

2.1 Design of the Oxazaborolidinone Catalysts

2.2 Evaluation of Intrinsic Enantioselectivity

2.3 Suppression of the Silyl Cation Catalyzed Racemic ­Pathway

2.4 Use of a Phenolic Additive

2.5 Use of an Ethereal Additive

2.6 O-Dimethylsilyl Ketene S,O-Acetal

2.7 Scope and Limitations

2.8 Activated Complex Model

2.9 Michael Reaction of Propionate-Derived Nucleophiles

3 Asymmetric Diels-Alder Reactions

3.1 Oxazaborolidinone Catalysis in Asymmetric Diels-Alder Reactions

3.2 Origin of s-cis-anti Conformation

3.3 Origin of High Activity

4 ¹H NMR Spectroscopic Study of Oxazaborolidinone-Amine Complexes

4.1 Top-Face Selectivity of Pyridines

4.2 Electrostatic Interaction for Top-Face Coordination

5 Summary

Key words

asymmetric catalysis - Lewis acids - Michael additions - Diels-Alder reactions

References

• 1 Yamamoto HE. Lewis Acids in Organic Synthesis   Wiley-VCH; Weinheim: 2000. 
• Alkylation:
• 2a Dosa PI. Fu GC. J. Am. Chem. Soc.  1998,  120:  445-446  
• 2b Waltz KM. Gavenonis J. Walsh PJ. Angew. Chem. Int. Ed.  2002,  41:  3697 
• For leading references, see:
• 2c Betancort JM. García C. Walsh PJ. Synlett  2004,  749 
• Allylation:
• 3a Casolari S. D’Addario D. Tagliavini E. Org. Lett.  1999,  1:  1061 
• 3b Cunningham A. Woodward S. Synthesis  2002,  43 
• 3c Kii S. Maruoka K. Chirality  2003,  15:  67 
• 3d Wada R. Oisaki K. Kanai M. Shibasaki M. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  89101 
• 3e

  See also reference 2b.

• Cyanosilylation:
• 4a Hamashima Y. Kanai M. Shibasaki M. J. Am. Chem. Soc.  2000,  122:  7412 
• 4b Yabu K. Masumoto S. Yamasaki S. Hamashima Y. Kanai M. Du W. Curran DP. Shibasaki M. J. Am. Chem. Soc.  2001,  123:  9908 
• 4c Ryu DH. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  5384 
• 5 Aldol reaction: Oisaki K. Zhao D. Kanai M. Shibasaki M. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  7164 
• For the recent advancement in asymmetric direct Michael reactions involving in situ generation of enolate anions, see:
• 6a Sawamura H. Hamashima H. Ito Y. J. Am. Chem. Soc.  1992,  114:  8295 
• 6b Yamaguchi M. Shiraishi T. Hirama M. Angew. Chem. Int. Ed.  1993,  32:  1176 
• 6c Sasai H. Arai T. Shibasaki M. J. Am. Chem. Soc.  1994,  116:  1571 
• 6d Yamaguchi M. Shiraishi T. Hirama M. J. Org. Chem.  1996,  61:  3520 
• 6e Itoh K. Kanemasa S. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  13394 
• 6f Harada S. Kumagai N. Kinoshita T. Matsunaga S. Shibasaki M. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  2582 
• 6g Halland N. Aburel PS. Jørgensen KA. Angew. Chem. Int. Ed.  2003,  42:  661 
• 6h Halland N. Hansen T. Jørgensen KA. Angew. Chem. Int. Ed.  2003,  42:  4955-4957  
• 6i Wu F. Li H. Hong R. Deng L. Angew. Chem. Int. Ed.  2006,  45:  947 
• 7a Narasaka T. Soai K. Mukaiyama T. Chem. Lett.  1974,  1223 
• For leading references, see:
• 7b Otera J. Fujita Y. Sakuta N. Fujita M. Fukuzumi S. J. Org. Chem.  1996,  61:  2951 
• 8a Kitajima H. Ito K. Katsuki T. Tetrahedron  1997,  53:  17015 
• 8b Kitajima H. Katsuki T. Synlett  1997,  568 
• 8c Nishikori H. Ito K. Katsuki T. Tetrahedron: Asymmetry  1998,  9:  1165 
• 9 Kobayashi S. Suda S. Yamada M. Mukaiyama T. Chem. Lett.  1994,  97 
• 10a Evans DA. Rovis T. Kozlowski MC. Tedrow JS. J. Am. Chem. Soc.  1999,  121:  1994 
• 10b Evans DA. Willis MC. Johnston JN. Org. Lett.  1999,  1:  865 
• 10c Evans DA. Johnston JS. Olhava EJ. J. Am. Chem. Soc.  2000,  122:  1635 
• 10d Evans DA. Rovis T. Kozlowski MC. Downey CW. Tedrow JS. J. Am. Chem. Soc.  2000,  122:  9134 
• 10e Evans DA. Scheidt KA. Johnston JN. Willis MC. J. Am. Chem. Soc.  2001,  123:  4480 
• 10f Desimoni G. Faita G. Filippone S. Mella M. Zampori MG. Zema M. Tetrahedron  2001,  57:  10203 
• 11 For the chiral quaternary ammonium salt catalyzed reaction of chalcones with enolsilanes, see: Zhang F.-Y. Corey EJ. Org. Lett.  2001,  3:  639 
• 12 For the enantioselective organocatalytic reaction of enals with siloxyfurans, see: Brown SP. Goodwin NC. MacMillan DWC. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  1192 
• 13a Carreira EM. Singer RA. Tetrahedron Lett.  1994,  35:  4323 
• 13b Carreira EM. Singer RA. Lee W. J. Am. Chem. Soc.  1994,  116:  8837 
• 13c Hollis TK. Bosnich B. J. Am. Chem. Soc.  1995,  117:  4570 
• 13d Hiraiwa Y. Ishihara K. Yamamoto H. Eur. J. Org. Chem.  2006,  1837 
• 14a Takasu M. Yamamoto H. Synlett  1990,  194 
• 14b Sartor D. Saffrich J. Helmchen G. Synlett  1990,  197 
• 15a Kiyooka S.-i. Kaneko Y. Komura M. Matsuo H. Nakano M. J. Org. Chem.  1991,  56:  2276 
• 15b Corey EJ. Loh T.-P. J. Am. Chem. Soc.  1991,  113:  8966 
• 15c Parmee ER. Tempkin O. Masamune S. Abiko A. J. Am. Chem. Soc.  1991,  113:  9365 
• For leading references, see:
• 15d Ishihara K. Kondo S. Yamamoto H. J. Org. Chem.  2000,  65:  9125 
• 16a Seerden J.-PG. Scheeren HW. Tetrahedron Lett.  1993,  34:  2669 
• 16b Seerden J.-PG. Boeren MMM. Scheeren HW. Tetrahedron  1997,  53:  11843 ; and references cited therein
• 17a Kinugasa M. Harada T. Oku A. J. Org. Chem.  1996,  61:  6772 
• 17b Kinugasa M. Harada T. Oku A. J. Am. Chem. Soc.  1997,  119:  9067 
• 17c Kinugasa M. Harada T. Oku A. Tetrahedron Lett.  1998,  39:  4529 
• 17d Harada T. Nakamura T. Kinugasa M. Oku A. Tetrahedron Lett.  1999,  40:  503 
• 17e Harada T. Yamanaka H. Oku A. Synlett  2001,  61 
• 17f Harada T. Sekiguchi K. Nakamura T. Suzuki J. Oku A. Org. Lett.  2001,  3:  3309 
• 17g Harada T. Imai K. Oku A. Synlett  2002,  972 
• 17h Harada T. Egusa T. Igarashi Y. Kinugasa M. Oku A. J. Org. Chem.  2002,  67:  7080 
• 17i Harada T. Shiraishi K. Synlett  2005,  1999 
• 17j Suzuki J. Harada T. Synthesis  2006,  2483 
• 18a Glushkov VA. Tolstikov AG. Russ. Chem. Rev. (Engl. Transl.)  2004,  73:  581 
• 18b Deloux L. Srebnik M. Chem. Rev.  1993,  93:  763 
• 19 Corey EJ. Loh T.-P. Roper TD. Azimioara MD. Noe MC. J. Am. Chem. Soc.  1992,  114:  8290 
• 20 Vedejs E. Chapman RW. Lin S. Muller M. Powell DR. J. Am. Chem. Soc.  2002,  122:  3047 
• 21 Salvatella L. Ruiz-López F. J. Am. Chem. Soc.  1999,  121:  10772 ; and references cited therein
• For a similar structural motif in the design of chiral Lewis acids, see reference 19 and:
• 22a Furuta K. Shimizu S. Miwa Y. Yamamoto H. J. Org. Chem.  1989,  54:  1481 
• 22b Ishihara K. Gao Q. Yamamoto H. J. Am. Chem. Soc.  1993,  115:  10412 
• 23a Harada T. Iwai H. Takatsuki H. Fujita K. Kubo M. Oku A. Org. Lett.  2001,  3:  2101 
• 23b Wang X. Harada T. Iwai H. Oku A. Chirality  2003,  15:  28 
• 23c Wang X. Adachi S. Iwai H. Takatsuki H. Fujita K. Kubo M. Oku A. Harada T. J. Org. Chem.  2003,  68:  10046 
• 24 Harada T. Adachi S. Wang X. Org. Lett.  2004,  6:  4877 
• For chloride ion promoted aldol and Michael reactions of DMS enolates, see:
• 26a Miura K. Sato H. Tamaki K. Ito H. Hosomi A. Tetrahedron Lett.  1998,  39:  2585 
• 26b Miura K. Tamaki K. Nakagawa T. Hosomi A. Angew. Chem. Int. Ed.  2000,  39:  1958 
• 26c Miura K. Nakagawa T. Hosomi A. Synlett  2003,  2068 
• 27 Harada T. Inui C. J. Org. Chem.  2006,  71:  1277 
• 28 Liu D. Hong S. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  8160 
• 29 Kim KS. Tarakeshwar P. Lee JY. Chem. Rev.  2000,  100:  4145 
• 30 Wong MW. J. Org. Chem.  2005,  70:  5487 
• 31 Harada T. Yamauchi T. Adachi S. Synlett  2005,  2151 
• 32 Evans DA. Barnes DM. Johnson JS. Lectka T. Matt P. Miller SJ. Murry JA. Norcross RD. Shaughnessy SA. Campos KR. J. Am. Chem. Soc.  1999,  121:  7582 
• 33a Kagan HB. Riant O. Chem. Rev.  1992,  92:  1007 
• 33b Dias LC. J. Braz. Chem. Soc.  1997,  8:  289 
• 33c Evans DA. Johnson JS. In Comprehensive Asymmetric Catalysis   Vol. 3:  Jacobsen EN. Pfaltz A. Yamamoto H. Springer; New York: 1999.  p.1177 
• 33d Maruoka K. In Catalytic Asymmetric Synthesis   2nd ed.:  Ojima I. Wiley-VCH; New York: 2000.  p.467 
• 33e Corey EJ. Angew. Chem. Int. Ed.  2002,  41:  1650 
• 33f Hayashi Y. In Cycloaddition Reactions in Organic Synthesis   Kobayashi S. Jorgensen KA. Wiley-VCH; Weinheim: 2002.  p.5 
• 34a Corey EJ. Shibata T. Lee TW. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  3808 
• 34b Ryu DH. Lee TW. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  9992 
• 34c Ryu DH. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  6388 
• 34d Zhou G. Hu Q.-Y. Corey EJ. Org. Lett.  2003,  5:  3979 
• 34e Ryu DH. Zhou G. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  4800 
• 34f Hu Q.-Y. Rege PD. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  5984 
• 34g Hu Q.-Y. Zhou G. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  13708 
• 34h Snyder SA. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  740 
• 34i Liu D. Canales E. Corey EJ. J. Am. Chem. Soc.  2007,  129:  1498 
• 35 Hawkins JM. Nambu M. Loren S. Org. Lett.  2003,  5:  4293 
• 36a Northrup AB. MacMillan DWC. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  2458 
• 36b Futatsugi K. Yamamoto H. Angew. Chem. Int. Ed.  2005,  44:  1484 
• 36c Nakashima D. Yamamoto H. Org. Lett.  2005,  7:  1251 
• 36d Nakashima D. Yamamoto H. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  9626 
• 37 Singh RS. Harada T. Eur. J. Org. Chem.  2005,  3433 
• 38a Rücker C. Lang D. Sauer J. Frige H. Sustman R. Chem. Ber.  1980,  113:  1663 
• 38b Fringuelli F. Taticchi A. Dienes in the Diels-Alder Reaction   Wiley & Sons; New York: 1990. 
• 40a Ishihara K. In Lewis Acids in Organic Synthesis   Vol. 1:  Yamamoto H. Wiley-VCH; Weinheim: 2000.  p.135 
• 40b Ishihara K. Yamamoto H. Eur. J. Org. Chem.  1999,  527 
• 41a Sartor D. Saffrich J. Helmchen G. Richards CJ. Lambert H. Tetrahedron: Asymmetry  1991,  2:  639 
• 41b Corey EJ. Rohde JJ. Tetrahedron Lett.  1997,  38:  37 
• 41c Corey EJ. Barnes-Seeman D. Lee TW. Tetrahedron Lett.  1997,  38:  4361 
• 42 For a relevant study on the equilibrium behavior of OXB complexes, see reference 21 and: Vedejs E. Fields ESC. Lin S. Schrimpf MR. J. Org. Chem.  1995,  60:  3028 
• 43 Harada T. Yamamoto Y. Kusukawa T. Chem. Commun.  2005,  859 

25

Hexafluoropropan-2-ol, which has been reported to be an effective additive for a similar purpose,⁸ did not give us improved enantioselectivity.

39

Harada, T.; Yamauchi, T. unpublished results.