Catalytic Asymmetric Synthesis and Stereospecific Transformation of Alkylboron Compounds

Abstract

The development of novel strategies for new carbon-carbon bond formation is central to organic chemistry. Over decades, transition-metal-catalyzed cross-coupling has served as a versatile protocol for enabling efficient access to complex molecules. Among them, the Suzuki-Miyaura cross-coupling reaction has been regarded as the most attractive toolkit owing to the numerous advantages of organoboron compounds, which are used as nucleophiles in Suzuki cross-coupling, over other types of organometallic reagents. These advantages include their less toxic nature, safety for the environment, and easier preparation and application under milder reaction conditions. As such, synthetic organic communities have required more efficient methods for the synthesis of organoboron compounds. At the same time, significant attempts have been made to broaden the utility of organoboron compounds as useful synthetic handles. Despite the advancement of these approaches, the majority of them are mainly limited to C(sp2)-based organoboron reagents. Therefore, the extension of these protocols to the efficient use of C(sp3)-hybridized alkylboron would provide facile access to previously inaccessible chemical space. In this context, our efforts to develop more effective strategies for the synthesis and functionalization of alkylboron compounds are presented in this dissertation. Chapter 1 provides a brief introduction to the importance of the synthesis and transformation of C(sp3)-based organoboron compounds. Then, in Chapter 2, we mainly discuss the use of gem-diborylalkanes for the synthesis of alkylboron species, highlighting the relevant seminal work and recent advances. Chapter 3 describes our development of the asymmetric conjugate addition of gem-diborylalkanes to α,β-unsaturated enones, which enabled the construction of complexity-added chiral alkylboron compounds. In Chapter 4, we next focus on the stereospecific functionalization of alkylboron compounds, specifically the stereospecific Suzuki-Miyaura cross-coupling of enantioenriched C(sp3)-based organoboron compounds. Then, we describe our recent contribution to the development of stereospecific acylative Suzuki-Miyaura cross-coupling, exhibiting highly efficient stereochemical transfer, in Chapter 5.

새로운 탄소-탄소 결합 형성을 위한 방법론 개발은 유기화학 분야에서 핵심적인 주제로 간주된다. 지난 수십 년 동안, 전이금속 촉매를 활용한 교차-결합 반응은 복잡한 분자에 효율적인 접근을 가능케 하는 다재다능한 방법으로 인정받아왔다. 이러한 교차-결합 반응 중 스즈키-미야우라 교차-결합 반응은 친핵성으로 이용되는 유기붕소 화합물이 가지는 다양한 이점들, 예를 들면 낮은 독성, 환경 안전성, 온화한 반응 조건, 용이한 합성 등, 때문에 탄소-탄소 결합 형성에 있어 가장 매력적인 방법으로 평가되며, 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 이에 따라 합성 유기화학 분야의 연구 공동체는 더욱 효율적인 유기붕소 화합물 합성 방법들을 지속적으로 요구하고 있으며, 또한 유기붕소 화합물을 유용한 합성 중간체로서 더 널리 활용하기 위해 많은 노력과 연구가 진행되고 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 방법들의 대부분은 주로 sp2 혼성탄소 기반의 유기붕소 화합물의 사용으로 제한되어 왔다. 이는 sp3 혼성탄소 기반의 유기금속 화합물의 내재적인 낮은 반응성 및 생성된 알킬금속 반응중간체로부터의 발생하는 부반응 경로 등 때문이다. 따라서, 이전에 미처 접근하지 못했던 3차원의 새로운 화학 공간으로 쉽게 접근 가능하게 하는 핵심 중간체로서 활용될 수 있는 sp3 혼성탄소 기반의 유기붕소화합물의 효율적인 합성 및 활용에 대한 방법론의 개발은 여전히 도전적이며 해결해야할 중요한 과제로 남아있다. 이러한 맥락으로, sp3 혼성탄소 기반의 알킬붕소 화합물의 합성 및 기능화에 대해 더 효과적인 전략을 개발하고자 하였다. 제1장에서는 sp3 혼성탄소 기반의 유기붕소 화합물의 합성과 기능화의 중요성을 간략히 소개하며, 그 다음 제2장에서는 알킬붕소 화합물의 합성을 위해 주로 같은자리-이붕소화합물의 활용법에 대해 논의한다. 이와 함께 선구적 연구들과 최근의 발전 사례를 강조하였다. 제3장에서는 새롭게 개발한 구리촉매 기반의 같은자리-이붕소화합물의 α,β-불포화 이논으로의 비대칭 1,4-첨가반응을 설명하며, 이로써 복잡성이 더해진 새로운 구조의 카이랄성 알킬붕소 화합물을 합성할 수 있었다. 제4장에서는 알킬붕소 화합물의 입체특이적 기능화에 초점을 맞추고, 특히 카이랄성이 풍부한 sp3 혼성탄소 기반의 유기붕소 화합물에 대한 입체특이적 스즈키-미야우라 교차-결합을 다룬다. 이어서 제5장에서는 매우 효율적인 입체화학적 전달을 보여주는 입체특이적 아실화 스즈키-미야우라 교차-결합에 대한 최근 개발 내용을 소개한다.