Quimioselectividad (S)-2,7-difenil-5-isopropil-6-oxo-6,7-dihidro-5Himidazo[2,1-b]tiazol-4-io-3-olato frente a trans-nitroestireno

Abstract

En este Trabajo de Fin de Máster se ha llevado a cabo un estudio de la reactividad 1,3-dipolar del heterociclo mesoiónico (S)-2,7-difenil-5-isopropil-6-oxo-6,7-dihidro-5H imidazo[2,1-b]tiazol-4-io-3-olato, derivado de L-valina. Este 1,3-dipolo puede sufrir una tautomería originando el (S)-2,7-difenil-5-isopropil-3-oxo-3,7-dihidro-2H-imidazo[2,1- b]tiazol-4-io-6-olato. Se ha realizado un estudio teórico de las cicloadiciones de ambos sistemas frente a tres dipolarófilos (fumarato de dimetilo, metil vinil cetona y trans-nitroestireno), utilizando el método ONIOM(M06-2X/6-311++G(d,p):PM6) implementado en el paquete de programas Gaussian16. Este estudio reveló un comportamiento similar de ambos heterociclos, mostrando barreras de energía similares para la formación de los distintos cicloaductos, que puede transcurrir a través de mecanismos concertados o por etapas. Experimentalmente, se ha estudiado la reacción de cicloadición del (S)-2,7-difenil- 5-isopropil-6-oxo-6,7-dihidro-5H-imidazo[2,1-b]tiazol-4-io-3-olato con trans nitroestireno. Bajo condiciones básicas, en DMF, a temperatura ambiente y bajo atmósfera inerte, se aisló el (S)-2,7-difenil-5-isopropil-5-((R)-1-feniletil-2-nitro)-6-oxo-6,7-dihidro- 5H-imidazo-[2,1-b]-tiazol-4-io-3-olato, como resultado de la adición conjugada tipo Michael sobre el C-2 del trans-nitroestireno. Este resultado confirma la reactividad dual del heterociclo mesoiónico. Por último, con objeto de realizar estas reacciones de forma más sostenible, se optimizó la cicloadición del (S)-2,7-difenil-5-isopropil-6-oxo-6,7-dihidro-5H-imidazo[2,1- b]tiazol-4-io-3-olato con trans-nitroestireno llevándola a cabo bajo ultrasonicación en una mezcla DMF-agua y medio ácido para obtener la (3S,6S,7R,8R,8aS)-1,6,7-trifenil-3- isopropil-8-nitrodihidro-1H-6,8a-epitioimidazo-[1,2-a]piridin-2,5(3H,6H)-diona.

This MSc thesis in Sustainable Chemistry reports the the dual reactivity of a bicyclic mesoionic heterocycle (a 1,3-dipole) derived from amino acid L-valine, namely (S)-5-isopropyl-6-oxo-2,7-diphenyl-6,7-dihydro-5H-imidazo[2,1-b]thiazol-4-ium-3-olate. This compound can undergo tautomeric rearrangement to give a structurally related system, (S)-5-isopropyl-3-oxo-2,7-diphenyl-3,7-dihydro-2H-imidazo[2,1-b]thiazol-4-ium- 6-olate. A theoretical analysis of the cycloadditions involving the above heterocycles and a series of dipolarophiles (dimethyl fumarate, methyl vinyl ketone and trans-nitrostyrene) was conducted at the ONIOM(M06-2X/6-311++G(d,p):PM6) level, as implemented in the Gaussian16 package. The computational study reveals the feasibility of such cycloadditions, which take place with similar energy barriers, and can proceed by either concerted or stepwise mechanisms depending on the regiochemistry. From an experimental viewpoint, the cycloaddition of (S)-5-isopropyl-6-oxo-2,7- diphenyl-6,7-dihydro-5H-imidazo[2,1-b]thiazol-4-ium-3-olate and trans-nitrostyrene was performed under basic conditions in DMF as solvent, at room temperature, and under an inert argon atmosphere. The reaction did not afford the expected cycloaddition product; instead a different product (S)-5-isopropyl-5-((S)-2-nitro-1-phenylethyl)-6-oxo-2,7- diphenyl-6,7-dihydro-5H-imidazo[2,1-b]thiazol-4-ium-3-olate could be isolated, which arises from a Michael-type conjugate addition of trans-nitroestyrene to the 1,3-dipole, thus evidencing the dual reactivity of this type of mesoionic heterocycles. In addition, these cycloadditions were carried out under more sustainable and milder conditions using ultrasonic irradiation. The reaction of (S)-5-isopropyl-6-oxo-2,7- diphenyl-6,7-dihydro-5H-imidazo[2,1-b]thiazol-4-ium-3-olate and trans-nitrostyrene in DMF-water under acid conditions and ultrasonic irradiation led smoothly to the cycloaddition product (3S,6S,7R,8R,8aS)-3-isopropyl-8-nitro-1,6,7-triphenyldihydro-1H- 6,8a-epithioimidazo[1,2-a]pyridine-2,5(3H,6H)-dione.