Optically active (chiral) compounds are of great biological importance. Accordingly, significant efforts have been devoted to developing methods of synthesizing chiral compounds with high optical purity and chiral analysis, such as the determination of identity, concentration, and the relative ratio of chiral compounds, is indispensable in contemporary synthetic, medicinal, and biological chemistry. Thus it has been a great challenge to develop the efficient and readily available chiral catalysts and sensors. Easily tunable and rigid structure, multiple functional groups that allow them to bind to reactive metal centers, and minimal structural requirements for signal amplification are necessary to be efficient and readily available chiral ligands and sensors. Fortunately, we found that 2,2’-dihydroxyphenyl carbonyl structures such as 2,2'-dihydroxybenzophenone and 2,2'-dihydroxybenzil satisfy these requirements. These compounds can be synthesized from the commercially available starting materials in one step and their derivatives contain rigid structure and multiple functional groups. Herein, we introduce 2,2'-dihydroxyphenyl carbonyl structures as the privileged scaffold for chiral sensing, asymmetric coordination chemistry and chiral-at-metal complexes.
Chapter 1. 2,2’-Dihydroxyphenyl Carbonyl: Its Unprecedented Reactivity and Synthetic Applications The 2-hydroxyphenyl carbonyl compounds are the most versatile because they constitute a major class of naturally occurring biologically active compounds and ligands for transition-metal catalysis. They have a hydrogen bond between carbonyl group and ortho-hydroxy group. Such hydrogen bond facilitates the imine formation by stabilizing transition state. The enhanced reaction rate of imine formation enables synthesis of various imine products which can be converted to versatile compounds. Although the studies about this enhanced reactivity have already been reported, there was no study about imine formation of 2,2'-dihydroxyphenyl carbonyl compounds such as 2,2'-dihydroxybenzophenone (DHBP). Because 2,2'-dyhydrxoyphenyl carbonyl compounds have a large potential for the privileged scaffold for the ligand design and chiral sensor, we herein report kinetics and DFT calculations to explain its unprecedented reactivity and show synthetic applications.
Chapter 2. 2,2'-Dihydroxybenzil: A Stereodynamic Probe for Primary Amines and Amino Alcohols The induced circular dichroism (ICD) analysis has been used for fast, convenient, sensitive, and accurate determination of configuration and enantiomeric excess (ee) of chiral analytes such as amines, alcohols, carboxylic acids, and others. However, the most reported stereodynamic probes are not readily available due to their lengthy synthetic procedures or difficult to understand the origin of stereoselectivity. Hence, developing simple stereodynamic probe is highly desirable and we became interested in the rational design of a small organic compound with minimal structural requirements for signal amplification of chiral analytes. Herein we report a remarkably simple 1,1'-binaphthalene-like axial compound, 2,2'-dihydroxybenzil, that combines with 2 equiv of monodentate primary amines or amino alcohols to form a diimine, of which axial chirality is controlled by steric strain or hydrogen bond with moderate (1.4:1) to good (> 50:1) stereoselectivity. The observed circular dichroism (CD) spectra have been closely simulated by TD-DFT computations and can be used for determining the absolute chirality and enantiomeric excess of primary amines and amino alcohols.
Chapter 3. Controlling Helical Chirality of Metal Complexes and Its Applications Ever since the 1911 discovery of metal-centered chirality by Alfred Werner, chiral octahedral metal complexes have received increasing attention in catalysis, material science, and pharmaceutics. Unlike well-established asymmetric control of carbon-centered chirality, controlling metal-centered chirality has proved to be challenging because stereogenic metal centers often tend to racemize or epimerize due to the reversible metal？ligand bonds or the structural isomerism of coordination complexes. Given that the asymmetric coordination chemistry is still under development. In light of these challenges, we became interested in controlling chirality of metal complexes and its applications. At first, we report stereoselective cis-trans isomerism and generation of metal-centered helical chirality of an unprecedented $Co^{III}-N_2O_2$ complex by chirality transfer from chiral vicinal diamines to stereodynamic metal complexes. The induced metal-centered helical chirality can be exploited for chirality amplification and asymmetric coordination chemistry. Next, we describe the selective control of metal-centered chirality in an octahedral geometry to prepare negatively charged $Al^{III}$ complexes, which can be used as versatile ^{1}H NMR chiral solvating agents for chiral molecules such as amines, carboxylic acid and alcohol. As a chiral solvating agent, $Al^{III}$ complexes display an unprecedentedly broad substrate scope, good solvent compatibility, and operational simplicity. This simple protocol will find wide application in the analysis of the chirality of chiral compounds.
카이랄성을 나타내는 화합물은 생물학적으로 아주 중요하기 때문에 카이랄 화합물을 높은 광학 순도로 만드는 반응과 이들의 절대 배열, 거울상이성질체 순도를 측정하는 카이랄 분석은 합성, 의약, 생화학 분야에서 아주 중요하다. 따라서 효율적이고 쉽게 사용할 수 있는 카이랄 촉매와 센서를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 개발하기 위해서는 쉽게 튜닝할 수 있고, 반응성 있는 금속 중심에 결합할 수 있는 여러 작용기를 가지며 신호 증폭을 할 수 있는 최소한의 구조 요소를 갖춘 출발 물질이 필요하다. 우리는 2,2'-다이하이드록시벤조페논과 2,2'-다이하이드록시벤질 같은 2,2'-다이하이드록시카보닐 구조가 이런 조건을 만족하는 구조임을 발견하였다. 이 화합물은 상업적으로 이용 가능한 출발 물질로부터 한 단계만에 합성할 수 있고 이들로부터 쉽게 합성할 수 있는 이민과 아민 같은 유도체는 여러 작용기를 가지고 있으므로, 우리는 2,2'-다이하이드록시페닐 카보닐 구조를 이용한 카이랄성 분석, 비대칭 배위 화학, 금속 중심 카이랄성 화합물에 관한 연구를 진행하였다.
제 1 장. 2,2'-다이하이드록시페닐 카보닐 구조의 높은 반응성과 합성적 응용에 관한 연구 2-하이드록시페닐 카보닐 화합물은 생리활성 물질과 리간드 합성에 많이 쓰이는 유용한 화합물 중 하나이다. 이들은 카보닐기와 오쏘-하이드록시기 사이에 수소결합이 존재하는데, 이는 반응 중 전이 상태를 안정화함으로써 화합물의 반응성을 증가시킨다. 이 증가한 반응성으로 인해 다양한 화합물로 변환이 가능한 이민 화합물을 만들 수 있게 된다. 2-하이드록시페닐 카보닐 화합물의 이 같은 반응성에 관한 연구는 많이 보고 되어있지만 2,2'-다이하이드록시벤조페논 같은 2,2'-다이하이드록시페닐 카보닐 화합물에 대한 연구는 거의 진행되어 있지 않다. 우리는 2,2'-다이하이드록시페닐 카보닐 구조가 리간드 설계와 카이랄성 센서 등에 활용될 가능성이 큰 구조로 보고, 이들의 반응성을 이해하기 위한 반응속도 실험 및 계산을 수행하였고, 다양한 이민 화합물로의 변환이 가능함을 보여주는 연구를 진행하였다.
제 2 장. 2,2'-다이하이드록시벤질 구조의 일차 아민과 아미노 알코올 센서로서의 응용에 관한 연구 유도 원편광 이색성 분석은 카이랄 아민, 알코올, 카복실산 등의 절대배열이나 거울상 이성질체 순도를 빠르고, 정확하게 결정하는 데 주로 사용되어왔다. 그러나 이를 위해 사용하는 센서들은 합성 과정이 길거나 입체 선택성이 나타나는 원리를 이해하기 힘든 문제를 가지고 있어서 쉽게 사용하기 어려운 단점이 있다. 그러므로 간단한 구조를 가지는 센서를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 우리는 1,1'-바이나프탈렌과 같은 구조를 가지는 2,2'-다이하이드록시벤질 구조를 이용하여 카이랄 물질을 분석할 수 있는 센서를 개발하였다. 이는 최소한의 구조 요소를 가지는 작은 유기물질로서, 2 당량의 일차 아민이나 아미노 알코올과 반응하여 축 방향 카이랄성을 가지는 다이이민을 형성하고 이 구조가 나타내는 원편광 이색성 스펙트럼은 일차 아민과 아미노 알코올의 절대 배열과 거울상 이성질체 순도를 결정하는 데 사용할 수 있음을 보고하였다.
제 3 장. 금속 착물의 나선형 카이랄성 조절과 응용에 관한 연구 1911년 알프레드 베르너에 의해 금속 중심 카이랄성이 발견된 이후, 카이랄 팔면체 착물은 촉매 반응, 재료 과학, 의약학 등에서 널리 이용되어왔다. 하지만, 이미 잘 연구된 탄소 중심 카이랄성과 다르게 금속 중심 카이랄성을 조절하는 것은 어려운 과제인데, 이는 입체 금속 중심과 리간드 사이의 가역적인 결합때문에 금속 착물이 라세믹화 또는 에피머화 되기 때문이다. 이를 해결하기 위한 비대칭 배위 화학에 대한 연구는 활발히 진행 중인데, 우리는 금속 착물의 카이랄성 조절과 이들의 응용에 관해 연구를 진행하였다. 먼저 이웃 자리 다이아민으로부터 금속 착물로의 카이랄성 전이에 의한 코발트 착물의 입체 선택적 시스-트랜스 이성질화와 금속 중심 나선형 카이랄성 발생에 대해 관찰하였고, 이 금속 중심 나선형 카이랄성은 카이랄성 증폭과 비대칭 배위 화학에 이용될 수 있음을 보고하였다. 다음으로 금속 중심 카이랄성 조절을 통해 만든 음전하를 띤 알루미늄 착물이 아민, 카복실산, 알코올 같은 카이랄 분자의 카이랄성을 분석하는데 사용하는 카이랄 용매화제로 사용할 수 있음을 보고 하였다. 이 카이랄 용매화제는 넓은 분석 적용 범위와 용매 적합성, 간단한 사용법으로 인해 카이랄 화합물의 분석에 널리 이용될 것으로 예상한다.
