[(NHC)AuI]-Catalyzed Formation of Conjugated Enones and Enals: An Experimental and Computational Study

• Published in: Chemistry : a European journal Vol. 13; no. 22; pp. 6437 - 6451
• Main Authors: Marion, Nicolas, Carlqvist, Peter, Gealageas, Ronan, de Frémont, Pierre, Maseras, Feliu, Nolan, Steven P.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 01.01.2007; WILEY‐VCH Verlag; Wiley
• Subjects: carbenes; Chemistry; Chemistry, Multidisciplinary; density functional calculations; enones; gold; Physical Sciences; potential energy surface; Science & Technology; CATALYZED CYCLOISOMERIZATION; GOLD CATALYSIS; NUCLEOPHILIC-SUBSTITUTION; carbenes; PROPARGYL ALCOHOLS; PTCL2-CATALYZED CYCLOISOMERIZATIONS; enones; potential energy surface; gold; EFFICIENT FORMATION; REARRANGEMENT; density functional calculations; ACETATES; ELECTRON-RICH ARENES; TETRABUTYLAMMONIUM PERRHENATE(VII)
• ISSN: 0947-6539; 1521-3765
• DOI: 10.1002/chem.200700134

The [(NHC)AuI]‐catalyzed (NHC = N‐heterocyclic carbene) formation of α,β‐unsaturated carbonyl compounds (enones and enals) from propargylic acetates is described. The reactions occur at 60 °C in 8 h in the presence of an equimolar mixture of [(NHC)AuCl] and AgSbF6 and produce conjugated enones and enals in high yields. Optimization studies revealed that the reaction is sensitive to the solvent, the NHC, and, to a lesser extent, to the silver salt employed, leading to the use of [(ItBu)AuCl]/AgSbF6 in THF as an efficient catalytic system. This transformation proved to have a broad scope, enabling the stereoselective formation of (E)‐enones and ‐enals with great structural diversity. The effect of substitution at the propargylic and acetylenic positions has been investigated, as well as the effect of aryl substitution on the formation of cinnamyl ketones. The presence or absence of water in the reaction mixture was found to be crucial. From the same phenylpropargyl acetates, anhydrous conditions led to the formation of indene compounds via a tandem [3,3] sigmatropic rearrangement/intramolecular hydroarylation process, whereas simply adding water to the reaction mixture produced enone derivatives cleanly. Several mechanistic hypotheses, including the hydrolysis of an allenol ester intermediate and SN2′ addition of water, were examined to gain an insight into this transformation. Mechanistic investigations and computational studies support [(NHC)AuOH], produced in situ from [(NHC)AuSbF6] and H2O, instead of cationic [(NHC)AuSbF6] as the catalytically active species. Based on DFT calculations performed at the B3LYP level of theory, a full catalytic cycle featuring an unprecedented transfer of the OH moiety bound to the gold center to the CC bond leading to the formation of a gold–allenolate is proposed. Es descriu la reacció de formació de compostos de carbonil α,β‐insaturats (enones i enals) a partir d′acetats propargílics catalitzada per [(NHC)AuI] (NHC=carbè N‐heterocíclic). Les reaccions tenen lloc a 60 °C en 8 h en presència d′una mescla equimolar de [(NHC)AuCl] i AgSbF6 i produeix rendiments alts d′enones i enals conjugats. Estudis d′optimització van mostrar que la reacció era sensible al solvent, el NHC, i, en menor grau, a la natura de la sal de plata emprada; això va portar a escollir [(ItBu)AuCl]/AgSbF6 en THF com a sistema catalític eficient. La transformació va mostrar posseir un ampli espectre, i es va aconseguir la formació estereoselectiva d′(E)‐enones i ‐enals amb gran diversitat estructural. La influència de la substitució en les posicions propargílica i acetilènica va ser investigada, així com la substitució d′aril per donar lloc a la formació de cinamilcetones. La presència o absència d′aigua en el medi de reacció es va mostrar com a crucial. A partir dels mateixos fenilpropargilacetats, condicions anhidres van portar a la formació de compostos indènics mitjançant una reacció tàndem de reorganització sigmatròpica [3,3] i hidroarilació intramolecular, mentre que l′addició d′aigua a la reacció portava de manera neta a derivats del tipus enona. Diverses hipòtesis mecanístiques, entre elles la hidròlisi d′un intermedi del tipus al.lenol ester i l′addició SN2′ d′aigua, han estat examinades per millorar la comprensió del procés. Les dades mecanístiques i els estudis computacionals suggereixen que l′espècie catalítica activa és [(NHC)AuOH], produït in situ a partir de [(NHC)AuSbF6] i H2O, i no el complex catiònic [(NHC)AuSbF6]. A partir d′estudis DFT realitzats al nivell B3LYP, es proposa un cicle catalític complet, que inclou un nou tipus d′etapa consistent en la transferència d′un grup OH des de l′or cap a l′enllaç CC per produir un complex or‐al.lenolat. [(NHC)AuI] complexes catalyze the formation of α,β‐unsaturated carbonyl compounds (enones and enals) from propargylic acetates in the presence of water. Based on calculations, a full catalytic cycle is proposed featuring an unprecedented transfer of the OH moiety bound to the gold center to the CC bond (see scheme).