Mechanistic Investigation of the Diastereodivergent Asymmetric Allylic Alkylation of Cyclobutenes

The Pd-catalyzed asymmetric allylic alkylation of cyclobutenes with stabilized nucleophiles represents a unique example of a diastereodivergent deracemization and de-epimerization. In the present work, a comprehensive mechanistic analysis is reported, encompassing the preparation of putative Pd–allyl intermediates, ¹H/³¹P-NMR reaction monitoring, ²H-labeling studies, ESI-HRMS analysis of reaction mixtures, kinetic rate order determination, and ²H/¹³C-KIE studies. As a result, an unprecedented mechanistic scenario with a stereochemical dichotomy for both oxidative addition and nucleophilic attack is proposed. Oxidative addition exhibits a convergent course, allowing for de-epimerization to a rapidly interconverting mixture of η¹- and η³-coordinated Pd–allyl intermediates with the η1-species as resting states of the reaction. This suprafacial η¹–η³–η¹ equilibrium enables deracemization via a dynamic kinetic asymmetric transformation type I. Nucleophilic attack of displays a ligand-controlled divergent behavior, establishing a diastereodivergent access to enantioenriched products.

Die Pd-katalysierte asymmetrische allylische Alkylierung von Cyclobutensubstraten mit stabilisierten Nukleophilen stellt ein einzigartiges Beispiel für eine diastereodivergente Deracemisierung und Deepimerisierung dar. In der vorliegenden Arbeit wird eine umfangreiche mechanistische Studie vorgestellt. Diese beinhaltet die Synthese mutmaßlicher Pd-Allylintermediate, Reaktionsverfolgung mittels ¹H- und ³¹P-NMR, Experimente mit ²H-markierten Edukten, ESI-HRMS-Untersuchungen der Reaktionsmischungen, die Bestimmung kinetischer Reaktionsordnungen sowie die Ermittlung von ²H- und ¹³C-KIEs. Basierend auf den Ergebnissen dieser Experimente wird ein beispielloses mechanistisches Szenario mit einer stereochemischen Dichotomie sowohl für die oxidative Addition als auch für den Angriff des Nukleophils vorgeschlagen. Die oxidative Addition weist dabei ein konvergentes Verhalten auf, wodurch die Deepimerisierung von zu einer im schnellen Gleichgewicht stehenden Mischung aus η¹- und η³-koordinierten Pd-Allylintermediaten mit den η¹-Spezies als Ruhezustand ermöglicht wird. Basierend auf diesem suprafacialen η¹–η³–η¹ Gleichgewicht wird die Deracemisierung von über eine dynamischkinetische asymmetrische Umwandlung Typ I erreicht. Der nukleophile Angriff zeigt ein divergentes Verhalten, welches durch den Liganden kontrolliert wird und dadurch den Zugang zu enantiomerenangereicherten Produkten eröffnet.