Ester sübstitüye alkinlerin asiloksi göçü ve ardından çeşitli halka katılma reaksiyon mekanizmalarının modellenmesi

Metal katalizörlü sentezler organik kimyacıların sıkça kullandığı metodlardandır. Elde edilen ürün ya da ürünler katalizörün kimliğine, ligandlara, tepkenlere ve deney şartlarına çoğu zaman bağlılık göstermekte fakat hangi aşamalardan geçerek ürün elde edildiği bilinememektedir. Mekanizmanın bilinmesi, ürün dağılımına etki eden faktörlerin anlaşılması, o tepkimenin kontrolüne ve isteğe özel ürün elde edilmesine olanak sağlayacaktır. Bu tez kapsamında bir seri propargil esterlerin Rh katalizör varlığında gerçekleşen asiloksi göç ve ardından siklokatılma tepkimelerinin hangi mekanizma üzerinden ilerlediği ve hangi ürünü verdiği kuantum mekanik yöntemlerle incelenmiştir. İlk bölümde konuya ilişkin literatür bilgisi verilmektedir. İkinci bölümde, kuantum kimyası teorik çerçevede sunulmuştur. Üçüncü ve dördüncü bölümlerde bu tez kapsamında yapılan çalışmaların sonuçları tartışılmıştır. Son bölümde ise tezin sonuçları özetlenmiştir. Bu çalışmanın amacı asiloksi göçü ve halka katılması ile oluşan fonksiyonelleştirilmiş siklohekzenon ve siklopentenon reaksiyon mekanizmalarını kuantum mekaniksel yöntemlerle detaylı olarak aydınlatılmasıdır. Elde edilen yapılar bir çok kullanım alanına sahip olduklarından organik sentez açısından kıymetli ürünlerdir. Bu tez iki çalışmadan oluşmaktadır. İlk çalışmada, birbiriyle yarışan 1,2- ve 1,3-asiloksi göçleri tartışılmıştır. Alkinlerin yapısının regio seçiliğe etkisini incelemek için uç ve iç alkinli 3-asiloksi 1,4-enin esterlerin (ACE) [4+1] ve [5+1] siklokatılmaları araştırılmıştır. İkinci çalışmada ise, siklopropil sübstitüye propargil esterlerin ardarda gerçekleşen 1,3-asiloksi göçü ve [5+1] siklokatılma mekanizmaları araştırılmıştır. Ürün dağılımına neden olan siklopropil halka açılma mekanizmasını açıklayabilmek için siklopropile bağlı grupların etkisi üzerinde çalışılmıştır. Bu tezin ilk aşamasında, siklohekzen sübstitüye ACElerin [RhCl(CO)2]2-katalizörlü molekül içi asilosi göç eşliğinde halka katılma mekanizmaları Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (YFT) ile B3LYP/6-31+G(d) baz seti kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Rh atomu için LANL2DZ kullanılmıştır. Birbiriyle yarışan 1,2- ve 1,3-asiloksi göçleri ile uç ve metil sübstitüye başlangıç eninlerinin geçiş ve ara ürünleri modellenerek alkinlerin yapısının etkisi açıklanmaya çalışılmıştır. Deneysel ve mekaniksel çalışmalar göstermektedir ki uç alkinli ACEler Rautenstrauch 1,2-asiloksi göçü ve [5+1] katılması ile siklohekzadienon oluşumunu sağlarken, iç alkinli ACE'lerle Saucy-Marbet 1,3-asiloksi göçü ve [4+1] katılması ile siklopentenon elde edilmektedir. Reaksiyon ACE-RhCl(CO)-π bileşiğinin CO ve Cl ligandların pozisyonuna göre iki izomer ile başlamaktadır. Hem uç hem iç alkinlerde karbonilin alkin grubuna trans olduğu izomer enerjik olarak daha kararlıdır çünkü Rh metali hem alkin hem de alken yapısına koordine olmuştur. Diğer izomerde ise rodyum alkin yapısıyla güçlü bir bağ kurarken alken yapısından uzakta olmayı tercih etmiştir. YFT çalışması ile asiloksi göçünün hem uç hem de iç alkinlerin halkalaşma reaksiyonlarında tepkimenin hızını belirleyen basamak olduğu ve regio seçiciliğin deneysel sonuçlarla uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. 1,2- ve 1,3-asiloksi göçü arasındaki ~5 kcal/mol Gibbs serbest enerji farkı, uç alkinler için 1,2-asiloksi göçünün tercih edildiğini göstermektedir. Bu durum deneysel ve teorik bulgular ile de tutarlıdır. 1,2-asiloksi göç ürünü olan Rh-allil bileşiğine karbonil katılması için iki yol önerilmiştir: rodyum katalizörüne CO eklenmesi ve ardından CO grubunun halkaya katılması ya da CO eklenmesinden önce daha düşük enerjili izomer oluşumu. CO katılması ve ardından gelen reaksiyon basamaklar izomer ürününü takip eden mekanizmanın enerji bakımında tercih edildiği göstermektedir. Diğer yandan, karbonil grubunun keten oluşumuna neden olan alken tarafı yerine siklohekzan tarafından katıldığı gösterilmiştir. Oluşan rodyum-sikloheptadienon indirgeyici eliminasyona uğramış ve katalizörün farklı bir ACE ile koordine olup ayrılmasıyla siklohekzadienon elde edilmiştir. İç alkinlerin 1,3-asiloksi göçü tercihi 1,2-asiloksi göçüne göre yeterince kuvvetli olmadığı için her iki mekanizma da modellenmiştir. 1,2-asiloksi göçünü takip eden basamakların bariyerlerinin 1,3-asiloksi göçünü takip eden basamaklara göre daha yüksek olduğu bulunmuştur. Aynı zamanda 1,2- göç ürünü olan Rh-allil bileşiği ile tepkenin enerjisi hemen hemen aynı olduğu için bir denge durumundan bahsedilebilir. Diğer yandan, 1,3-asiloksi göçü sonrası oluşan Rh-allenil bileşiği daha düşük enerjiye sahip ve daha kararlıdır. Aynı zamanda deneysel olarak da gözlemlenmiştir. Uç alkinlerde olduğu gibi, direk CO eklenmesi yerine önce izomerleşmenin gerçekleşmesinin ve karbonil grubunun siklohekzana yakın kısımdan katılmasının enerjik olarak tercih edildiği görülmüştür. Oluşan rhodasiklohekzenon indirgeyici eliminasyona uğramış ve katalizör başka bir ACE molekülü ile koordinasyona girerek sistemi terk etmiştir. Olefinik karbonların yüklerinin asiloksi göçü etkilediği literatürde bahsedilmektedir. Bunu incelemek için uç ve iç alkinlerin tepkenlerinin olefinik karbon yükleri karşılaştırılmıştır. Buna göre asiloksi grubunun negatif yüklü karbonil oksijeni olefinik karbonlardan daha pozitif yüklü olana saldırmaktadır. Uç alkinlerde 1,2-asiloksi göçünün gerçekleşmesine neden olan karbonun daha pozitif olduğu görülürken, iç alkinlerde ise 1,3-asiloksi göçüne sebep olan karbon atomunun daha pozitif olduğu görülmüştür. Bu bulgular ile literatürde altın analoğu ile yapılan çalışmanın uyum sağladığı görülmektedir. Bunun dışında, iç alkinler üzerinde sübstitüentin etkisini araştırmak için metil grubu fenil, para-metoksifenil ve vinil gruplarıyla değiştirilmiş fakat baskın bir 1,3-asiloksi göçü tercihi görülmemiştir. Diğer yandan bu yapıların 1,3-asiloksi göçü ile oluşan Rh-allenil bileşiklerinin 1,2-asiloksi göçü ile oluşan Rh-allil bileşiklerine göre daha kararlı olduğu enerji değerlerinden anlaşılmaktadır. Bu da iç alkinlerin 1,3- göç tercihinin oluşan allen yapısının daha kararlı olmasıyla açıklanabilir. 1,3-göç verimliliğini artırmak için, deneysel çalışma yapanların rezonans kararlığını kolaylaştıran uygun sübstitüyeli gruplar ile daha kararlı allen elde etmeye odaklanabilirler. Ayrıca, çözücünün mekanizma üzerinde etkisi gözlemlenmemiştir. Birinci kısımda sunulan sonuçlar Rh-katalizörlü 1,2- ve 1,3-asiloksi göç ve ardından gerçekleşen halka katılmaları ile istenen bisiklik siklohekzadienon ve siklopentenon türevlerinin elde edilmesine olanak sağlamaya ve oluşan ürünü kontrol etmeye katkı sağlamaktadır. Tez çalışmasının ikinci kısmında, siklopropil sübstitüye propargil esterlerin siklokarbonlaşma mekanizması YFT ile WB97XD/6-31+G(d) baz seti kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. Rh atomu için LANL2DZ kullanılmıştır. İlk çalışmada kullanılan B3LYP fonksiyonunun bu mekanizmanın aydınlatılmasında yeterince başarılı olmadığı, WB97XD fonksiyonunun asiloksi göçünün aydınlatılmasında etkili olduğu görülmüştür. Asimetrik sübstitüye siklopropanların farklı C-C σ-bağlarının koparılması ile farklı isomerler elde edilmektedir. Koparılan C-C σ-bağların regio seçiciliğinin siklopropil grubun stereokimyasına, metal katalizörün yapısına ve sübstitüyentlerin elektronik özelliklerine bağlı olduğu bulunmuştur. Bu çalışmada, 3-(2-Hidroksimetil-siklopropil)-1,1-dimetil-prop-2-ynil esterin cis ve trans konformerleri ile 3-(2-Fenil-siklopropil)-1,1-dimetil-prop-2-ynil esterin trans konformeri için reaksiyon mekanizması aydınlatılmış ve ürün dağılımı incelenmiştir. Daha az veya daha fazla sübstitüye C-C σ-bağının kopmasını tercih eden ikişer konformer bulunmaktadır. Reaksiyon mekanizmasını aydınlatmak ve seçiciliği göstermek için her izomer için bu dört konformerin reaksiyon mekanizması modellenmiştir. Cis-sübstitüye siklopropanın halka açılımı trans benzeri gibi sübstitüyente sahip olmayan ya da daha az sübstitüyente sahip olan C-C σ-bağının kopmasıyla meydana gelmektedir. Diğer yandan, cis yapısı trans yapısına göre daha yüksek regio seçiciliğe sahip olduğu deneysel olarak gözlemlemiştir. Ayrıca, hidroksimetil ve fenil sübsitüye siklopropanların trans konformerlerinin karşıt regio seçiciliğe sahip olduğu görülmüştür. Siklopropil sübstitüye propargil esterlerin 1,3-asiloksi göçü iki aşamada gerçekleşen bir işlemdir. Oluşan Rh-allenil bileşiği sırasıyla izomerizasyona, CO eklenmesine ve en son olarak halka açılmasına uğrar. Yeni oluşan metal içeren halka önce CO katılması sonra indirgeyici eliminasyon geçirir. Son basamakta, katalizör başka bir ACE molekülü ile koordine olarak sistemi terk eder ve alkilidin siklohekzenon ürünü oluşur. Ana mekanizmaya alternatif olup siklohekzenon ürünü verebilecek mekanizmalar da dikkate alınıp incelenmiştir. İlk olarak halka açılmasının CO eklenmesinden önce geldiği mekanizma modellenmiştir. İkinci olarak ise önce CO eklenmesi ardından halka açılması incelenmiştir. İlk alternatif başarısız olduğu için ikinci mekanizma ile reaksiyonun aydınlatılmasına devam edilmiştir. İlk çalışmada olduğu gibi allen bileğişinin izomerizasyona uğrayarak daha kararlı bir yapıya dönüştüğü izomere karbonil katılmasının, direk karbonil katılmasına göre daha düşük bariyer ile gerçekleştiği görülmüştür. Ayrıca, CO katılması hem siklopropan tarafından hem de alken tarafından modellenmiştir. Siklopropan tarafından katılma daha düşük enerjiyle gerçekleşirken, alken tarafından katılma rodyumun π-bağlarını kaybederek daha yüksek enerjili rodasiklohexene dönüşmesi ile gerçekleşmektedir. Bu yüzden, karbonilin siklopropan tarafından katıldığı kabul edilmektedir. Ayrıca, karbonil katılmasının siklopropilin C-C σ-bağları arası seçiciliği de incelenmiştir. Hesaplamalar başlangıç tepkeni enerjilerinin ve karbonil katılması için gerekli enerji bariyerinin cis ve trans konformerlerin ürün dağılımında büyük bir etkisi olduğunu göstermektedir. Trans-hidroksimetillerin daha az sübstitüye C-C σ-bağı tercihi CO katılması geçiş durumdaki 4.9 kcal/mol enerji farkı ile açıklanırken, cis benzerinin daha az sübstitüye C-C σ-bağı tercihinin hem tepkenler arası 3 kcal/mol enerji farkı hem de CO katılması durumdaki 4.8 kcal/mol enerji farkından kaynaklandığı görülmektedir. Bu da cis izomerin trans benzerine göre neden daha yüksek seçiciliğe sahip olduğunu açıklamaktadır. Trans- fenil siklopropil propargil esterlerin daha fazla sübstitüye C-C σ-bağını tercih ederek halka genişlemesi gerçekleştirmesinin nedeni C-C bağına bitişik fenil grubunun π-elektron sisteminin elektronik etkisiyle açıklanmaktadır. Her iki ürüne neden olan konformerlerin enerjileri birbirine yakın olmakla birlikte daha fazla sübstitüye C-C σ-bağını tercih eden konformerin tepken ve allen bileşikleri biraz daha kararlıdır. Bu da trans- fenil siklopropil propargil esterlerin diğer yapılara göre aksi seçiciliğe neden olmasına karşın seçiciliğin çok da baskın olmadığını enerji değerleri de göstermektedir. Bu çalışmada, Rh-katalizörlü ard arda gerçekleşen 1,3-asiloksi göçü ve [5+1] siklokatılma reaksiyonu siklopropil propargil esterlerin mekanizması aydınlatılmış ve siklopropana bağlı grupların trans ve cis izomerlerinin regio seçiciliğe etkisi incelenmiştir. Bu tez kapsamında uluslararası kongrede bir poster bildiri sunumu ile , SCI indeksli hakemli dergide bir yayın (10.1016/j.jorganchem.2017.09.017) gerçekleştirilmiştir.