Analysis of Stereochemical Convergence in Asymmetric Pd-Catalysed Allylic Alkylation Reactions Complicated by Halide and Memory Effects

• Published in: Chemistry : a European journal Vol. 8; no. 19; pp. 4443 - 4453
• Main Authors: Fairlamb, Ian J. S., Lloyd-Jones, Guy C., Vyskočil, Štěpán, Kočovský, Pavel
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 04-10-2002; WILEY‐VCH Verlag
• Subjects: allylic compounds; asymmetric catalysis; memory effects; palladium; stereochemical convergence
• ISSN: 0947-6539; 1521-3765
• DOI: 10.1002/1521-3765(20021004)8:19<4443::AID-CHEM4443>3.0.CO;2-3

A quantitative two‐term description of memory effects arising in Pd‐catalysed allylic alkylation reactions formally proceeding through ′meso′‐type π‐allylpalladium intermediates is presented. The utility of this description (stereochemical convergence (sc) and global enantiomeric excess (eeg)) is demonstrated by application to a series of Pd‐catalysed allylic alkylation reactions involving racemic cyclopentenyl esters. Analysis of such reactions, by employing a range of enantiomerically pure monophosphine ligands, reinforces the conclusion that selectivities (enantiomeric excess (ee) values) obtained under standard ′benchmark′ type conditions may be very misleading when powerful memory effects are operative. However, by comparison of sc and ee for a given ligand/solvent combination under a range of related conditions, one may predict the limiting (′latent′) selectivity that will be obtained when the memory effect is negated. This technique is exemplified with one particular ligand (4 b, ′MAP′) for which a number of strategies were employed to find conditions that negate the memory effect and reveal the limiting selectivity of the ligand. These conditions give a higher limiting global selectivity than that obtainable by using standard diastereoisomer equilibration methods such as added halide. Thus, the analysis of sc versus eeg also allows subtle changes in selectivity to be discerned. The difference in limiting selectivity (chloride versus non‐chloride conditions) is proposed to arise through the nucleophilic attack of neutral monodentate versus cationic bidentate MAP (4 b) or MOP (4 a) complexes.
Je prezentován kvantitativní popis pamět'ového efektu při palladiem katalyzované allylové substituci, která formálně probíhá přes ′meso′ π‐allylové intermediáty. Užitečnost tohoto popisu [stereochemická konvergence (sc) a globální enantiomerní přebytek(eeg)] je ukázána při jeho aplikací na serii palladiem katalyzovaných allylových alkylačních reakcí racemických cyklopentenylových esterů. Analýza takových reakcí s použitím řady enantiomerně čistých monofosfinových ligandů podporuje závěr, že selektivity (ee) získané za standardních podmínek mohou být velmi zvádějící, uplatňuje‐li se zároveň silný pamět'ový efekt. Porovnáním sc a ee pro danou kombinaci ligandu a rozpouštědla za různých podmínek lze však předpovědět limitní (latentní) selektivitu, které by bylo dosaženo v případě potlačení pamět'ového efektu. Tato analýza je demonstrována na příkladu jednoho z ligandů (4b, ′MAP′), pro nějž byla použita řada postupů k definování podmínek, které potlačují pamět′ový efekt, což vede k odhalení limitní slektivity. Za těchto podmínek lze dosáhnout vyšší limitní globální selektivity, než jaká je dosažitelná při použití standardní metody ekvilibrace diastereoisomerů, jakou je např. přídavek halidového iontu. Analýza sc proti eeg tak rovněž umožňuje rozlišit drobné změny v selektivitě. Původ rozdílů v limitní selektivitě (za přítomnosti a při absenci chloridu) lze hledat v rozdílné reaktivitě neutrálních monodentátních a kationoidních bidentátních komplexů MAP (4 b) a MOP (4 b).
Adverse effects on the reactivity, yield and selectivity of the “Pd‐MAP”‐catalysed reaction of cyclopentenyl substrates with dimethylmalonate (see scheme) are attributed to the presence of 5 mol % chloride ion, ubiquitous in Pd‐catalysed allylic substitution reactions. Graphical analysis of stereochemical convergence (sc) and global enantiomeric excess (ee) demonstrates that competing P,C‐ versus P‐ ligand coordination, and not a memory effect, is the probable origin of this phenomenon. Near‐complete attenuation of the memory effect, by use of a carbonate nucleofuge under halide‐free conditions, allows the limiting selectivity (ca. 60 % ee) to be approached.