Summary
Gedetailleerde en algemene protocollen worden gepresenteerd voor de synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6, een algemene koper-gebaseerde fotoredox katalysator, en voor het gebruik ervan in de synthetische chemie voor de directe Arylation van C-H obligaties in (hetero) Arenes en radicale cyclisatie van organische Halonen.
Abstract
Onze groep meldde onlangs het gebruik van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 als een algemene koper-gebaseerde fotoredox katalysator die bleek efficiënt om de activering van een breed scala van organische halogenen te bevorderen, met inbegrip van niet-geactiveerde Ones. Deze kunnen dan deelnemen aan verschillende radicale transformaties zoals reductie-en cyclisatie reacties, alsook in de directe arylation van verschillende (hetero) Arenes. Deze transformaties bieden een eenvoudige toegang tot een reeks van kleine moleculen van belang in de synthetische chemie, alsmede tot biologisch actieve natuurlijke producten. Totaal, [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 fungeert als een handige fotoredox katalysator die lijkt te zijn een aantrekkelijk, goedkoop en complementair alternatief voor de State-of-the-art Iridium-en ruthenium-based fotoredox katalysatoren. Hier rapporteren we een gedetailleerd protocol voor de synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6, evenals NMR en spectroscopie karakteriseringen, en illustreren we het gebruik ervan in de synthetische chemie voor de directe arylation van (hetero) Arenes en radicale cyclisatie van organische Halonen. In het bijzonder, de directe arylation van n-methylpyrrole met 4-iodobenzonitrile te veroorloven 4-(1-methyl-1H-Pyrrol-2-yl) benzonitrile en de radicale cyclisatie van N-benzoylperoxide-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] stikstof te veroorloven natuurlijke product luotonin A zijn gedetailleerd. De reikwijdte en beperkingen van deze op koper gebaseerde fotoredox katalysator worden ook kort besproken.
Introduction
Radicale transformaties zijn al tientallen jaren bekend om opvallend efficiënte trajecten in de synthetische chemie te bieden die vaak complementair zijn aan transformaties op basis van kationische, anionische of pericyclische processen1. Hoewel in het bijzonder veelbelovend voor verschillende soorten transformaties, radicaal-gebaseerde chemie is echter al lang onderbenut, vooral vanwege de noodzaak van zeer toxische reagentia die aanzienlijk beperkt zijn aantrekkelijkheid. Bovendien zijn radicale processen al lang beschouwd als transformaties in verband met slechte controleniveaus in termen van regio-en/of stereo selectiviteit, of leiden tot uitgebreide dimerisatie en/of polymerisatie problemen.
Er zijn onlangs alternatieve strategieën ontwikkeld om de opwekking te vergemakkelijken en de reactiviteit van radicale soorten beter te controleren. Onder hen, fotoredox katalyse is uitgegroeid tot een van de meest krachtige methoden als het mogelijk maakt de handige generatie van radicale soorten met behulp van een licht-responsieve verbinding, namelijk de fotoredox katalysator, en zichtbaar licht bestraling2,3 . Zichtbaar licht zelf is inderdaad in staat om de bevolking van de opgewekte toestand van de fotoredox katalysator die wordt, bijgevolg, zowel een sterkere reductie en oxidant dan in de overeenkomstige grond staat te bevorderen. Deze verbeterde Redox eigenschappen maken single-Electron overdracht processen, niet haalbaar in de grond staat, mogelijk onder milde omstandigheden van de opgewonden staat. In de afgelopen tien jaar, zichtbaar licht fotoredox katalyse is uitgegroeid tot een aantrekkelijke en krachtige techniek in de organische synthese en heeft het mogelijk gemaakt de ontwikkeling van tal van opmerkelijk efficiënte en selectieve transformaties op basis van radicale tussenproducten geproduceerd onder duurzame, milde en gebruiksvriendelijke omstandigheden.
Terwijl de meeste fotoredox processen gerapporteerd tot op heden worden gedomineerd door het gebruik van Iridium-en ruthenium-based fotoredox katalysatoren, evenals door sommige organische kleurstoffen zoals pyryliumzout en acridinium derivaten4, goedkopere alternatieven zijn nog steeds zeer geëist voor de ontwikkeling van complementaire processen van belang voor industriële toepassingen. In dit verband lijkt het gebruik van op koper gebaseerde fotoredox katalysatoren bijzonder aantrekkelijk omdat ze niet alleen goedkoper zijn, maar ook mogelijkheden bieden om een breder en/of ander scala van substraten te activeren, waardoor nieuwe perspectieven worden geopend in de katalyse van fotoredox5,6,7,8. Ondanks een aantal veelbelovende vroege werken gerapporteerd door de Kutael9, Mitani10 en Sauvage11 groepen, photoactivatable Kopercomplexen hebben echter slechts nauwelijks gebruikt in de katalyse van de fotoredox, waarschijnlijk vanwege hun kortstondig opgewekte Staten in vergelijking met hun ruthenium-en Iridium-gebaseerde congeneren. Meer recentelijk, recente opmerkelijke bijdragen van Peters en Fu12,13,14,15, Reiser16,17,18, 19 , 20 en andere groepen21,22,23,24,25 hebben duidelijk de aandacht gebracht terug naar koper-gebaseerde fotoredox katalysatoren en toonden hun unieke potentieel.
Als onderdeel van onze recente interesse in koper-gekatalyseren radicale processen26,27, rapporteerden we onlangs een algemene en algemeen toepasbare koper-gebaseerde fotoredox katalysator, [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 (DPEPhos: bis [(2- difenylfosfino) fenyl] ether; BCP: bathocuproine), wat bijzonder efficiënt bleek te zijn voor de activatie van organische halonen onder zichtbare lichtstraling (Figuur 1a)28,29,30. Bij bestraling met zichtbaar licht en in aanwezigheid van een amine als opofferings middel, werd een brede waaier van niet geactiveerde aryl en alkyl halonen getoond om gemakkelijk door katalytische hoeveelheden van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 worden geactiveerd en daarom deel te nemen in verschillende radicale transformaties met inbegrip van reducties, cyclizations en directe arylation van verschillende elektron-rijke (hetero) Arenes. Bovendien, [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 heeft ook bewezen succesvol op het bevorderen van fotogeïnduceerde radicale Domino cyclizations van ynamides en cyaanamides, waardoor een efficiënte en eenvoudige toegang tot complexe Tri-, Tetra-en Pentacyclische stikstof azine op de kern structuren van diverse natuurlijke producten. Deze strategie liet de efficiënte synthese van rosettacin, luotonin A, en deoxyvasicinone, natuurlijke producten die vertonen AntiKanker, antimicrobiële, anti-inflammatoire en Antidepressivum activiteiten. Deze transformaties worden geïllustreerd in figuur 1c. Vanuit een mechanistische oogpunt, de fotogeïnduceerde activering van organische halonen met [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 gaat door een zeldzame cu (i)/Cu (i) */Cu (0) katalytische cyclus, die is bevestigd door uitgebreide mechanistische en fotofysische studies. In het bijzonder, excitatie van de grond staat [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 [cu (I)] op bestraling door zichtbaar licht leidt tot de vorming van de overeenkomstige opgewonden complex [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6* [cu (I) *], die vervolgens wordt verlaagd door de offer amine voor het genereren van de overeenkomstige [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 [cu (0)] soorten. Dit cu (0) intermediair is reductief genoeg om de koolstof-halogeen band van verschillende organische halogenen te verminderen om de overeenkomstige radicalen te genereren, die vervolgens kunnen deelnemen aan de bovengenoemde transformaties, samen met de regeneratie van de start katalysator (Figuur 1b).
In de volgende sectie, beschrijven we eerst het protocol om de photoactivatable [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 (waarvan de NMR-en spectroscopie karakteriseringen worden gepresenteerd in de representatieve resultaten sectie) te synthetiseren. De synthese is eenvoudig en bijzonder handig, en vereist gewoon toevoeging van 1 equivalent van DPEPhos en 1 equivalent van BCP aan een oplossing van tetrakisacetonitrile koper (I) hexafluorfosfaat in dichloormethaan. De gewenste [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 wordt vervolgens geïsoleerd door precipitatie van diethyl ether en kan gemakkelijk verkregen worden op een multigram schaal (Figuur 2a). Belangrijk is dat de geïsoleerde koperen complex is niet bijzonder gevoelig voor zuurstof en vocht en kan daarom gemakkelijk worden behandeld met geen specifieke voorzorgsmaatregelen, andere dan wordt opgeslagen uit de buurt van het licht.
Ten tweede, beschrijven we de protocollen voor het activeren van organische halonen met behulp van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 onder zichtbare lichtstraling door zich te concentreren op twee verschillende transformaties. De eerste reactie is de directe arylation van N-methylpyrrole met 4-iodobenzonitrile met behulp van katalytische hoeveelheden van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 als fotoredox katalysator, dicyclohexylisobutylamine als de offer-reductiemiddel en kalium carbonaat als basis onder bestraling bij 420 nm (Figuur 2b). De tweede reactie is de radicale cyclisatie van n-benzoylperoxide-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] stikstof, met behulp van dezelfde katalysator en offer reductiemiddel, waarvan de cyclisatie rechtstreeks leidt tot luotonin a, een natuurlijk product weergeven interessante anti-kanker activiteiten (figuur 2c). Voor beide transformaties zijn gedetailleerde protocollen voorzien.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6
- Voeg 3,73 g (10,00 mmol) van tetrakisacetonitrile koper (I) hexafluorfosfaat en 5,39 g (10,00 mmol) van DPEPhos toe aan een 2 L ronde bodem kolf uitgerust met een magneet roerstaaf.
- Past de ronde bodem kolf met een drie-hals vacuüm adapter aangesloten op een vacuüm lijn en een argon lijn.
- De kolf onder vacuüm en aanvulling met argon drie maal evacueren. Vervang de drie nek vacuüm adapter door een rubberen septum.
Nota: de reactie kan onder lucht met lichtjes verminderde efficiency worden uitgevoerd (Zie besprekings sectie voor details). - Voeg 800 mL droge dichloormethaan toe.
Opmerking: dichloormethaan wordt vers gedistilleerd van detwee. De reactie kan ook worden uitgevoerd in reguliere dichloormethaan (99,8%) met gelijkaardige efficiency (Zie besprekings sectie voor details). - Roer het reactiemengsel voor 2 h in het donker (reactiekolf bedekt met aluminiumfolie) bij kamertemperatuur (23-25 ºC) onder een argon-atmosfeer.
- Voeg 3,60 g (10,00 mmol) van BCP toe aan een 500 mL ronde bodem kolf uitgerust met een magnetische roerstaaf.
- Past de ronde bodem kolf met een drie-hals vacuüm adapter aangesloten op een vacuüm lijn en een argon lijn.
- De kolf onder vacuüm en aanvulling met argon drie maal evacueren. Vervang de drie nek vacuüm adapter door een rubberen septum.
- Voeg 200 mL droge dichloormethaan en roer voorzichtig de schorsing tot volledige ontbinding van de BCP.
- Voeg de oplossing van bcp in dichloormethaan aan de reactiemengsel met behulp van een bril.
- Beweeg een extra uur in het donker (reactiekolf bedekt met aluminiumfolie) bij kamertemperatuur (23-25 ºC) onder een argon-atmosfeer.
- Filtreer het mengsel door middel van een pad van Celite, wassen met ca. 100 mL dichloormethaan en concentreer het filtraat tot ca. 50-100 mL onder verminderde druk.
- Voeg de concentraat dropwise toe aan 1 L diethyl ether met behulp van een toevoeging trechter en met krachtige roeren om neerslag van het gewenste complex te induceren.
- Verzamel het neerslag door filtratie door middel van een fritted glas (poriegrootte 3) en was het neerslag met ca. 100 mL diethyl ether.
- Droog het heldere gele neerslag onder vacuüm bij kamertemperatuur (23-25 ºC) voor 5 h om 10,1 g (91% opbrengst) van het kopercomplex terug te vorderen.
Nota: een opbrengst van 75% werd verkregen toen de reactie onder lucht gebruikend gedistilleerde dichloormethaan werd uitgevoerd; een opbrengst van 89% werd verkregen wanneer de reactie onder Argon werd uitgevoerd met regelmatige dichloormethaan; bij het uitvoeren van de reactie onder lucht met regelmatige dichloormethaan, werd de reactie gevonden om minder efficiënt te zijn en leidde tot veel lagere zuiverheid (ca 70%, zoals geschat door 1H NMR met een interne norm). - Karakteriseren [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 zoals eerder gemeld31.
2. directe arylation van N-methylpyrrole met 4-iodobenzonitrile
- Voeg 55 mg (0,05 mmol) van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6, 59 mg (0,25 mmol) van Dicyclohexylisobutylamine (CY2NiBu), 138 mg (1,0 mmol) van K2co3 en 114 mg (0,50 mmol) van 4-iodobenzonitrile tot een oven gedroogd 10 ml flacon.
- Voeg een magnetische roer Bar, sluit de flacon met een rubberen septum, evacueren de flacon onder vacuüm en aanvulling met argon drie keer.
- Voeg 5 mL acetonitril en 890 l (10,00 mmol) van N-methylpyrrole toe. Vervang het rubber septum door een schroefstop.
Opmerking: acetonitril wordt vers gedestilleerd uit de Ceusters en ontgast met behulp van Freeze-Pump-ontdooicycli voorafgaand aan het gebruik om hoge opbrengsten en reproduceerbaarheid te garanderen. - Roer de reactiemengsel gedurende 3 dagen bij kamertemperatuur (23-25 ºC) in een fotoreactor onder 420 nm golflengte bestraling.
Nota: als alternatief voor het gebruik van een fotoreactor, kan de reactie ook gemakshalve worden uitgevoerd gebruikend blauwe LEDs stroken of een Fotochemie apparaat met een blauwe LEIDENE lamp (440 nm, 34 W). Deze experimentele opstellingen worden getoond in Figuur 3 (Zie representatieve resultaten) en een bespreking over hun respectieve resultaten wordt verstrekt in de sectie van de "bespreking". - Filtreer het reactiemengsel door een pad van Celite, was met ca. 5 mL diethyl ether en concentreer het filtraat onder verminderde druk.
- Zuiveren van de ruwe residu door Flash Kolomchromatografie over silica gel (eluens systeem petroleumether/EtOAc: 90/10).
- Droog de zuivere verbinding onder vacuüm bij kamertemperatuur (23-25 ºC) voor 3 h om 65 mg (72% opbrengst) van de gewenste C2-arylated Pyrrole terug te krijgen.
Opmerking: het gebruik van blauwe LEDs strips bood een 76% rendement (69 mg), terwijl het gebruik van een Fotochemie apparaat met een blauwe LED-lamp (440 nm, 34 W) bood een 86% opbrengst (78 mg). - Karakteriseren de pure compound zoals eerder gemeld32.
3. cyclisatie van n-benzoylperoxide-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] stikstof luotonin een
- Voeg 37 mg (0,09 mmol) van N-benzoylperoxide-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] stikstof, 9 mg (9,0 μmol) van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6, 11 mg (0,04 mmol) van CY2NiBu en 25 mg (0,18 mmol) van K2co3 tot een oven-gedroogd 7 mL flacon uitgerust met een magnetische roer bar.
- Seal de flacon met een rubberen septum, evacueren de flacon onder vacuüm en aanvulling met argon drie keer.
- Voeg 2 mL acetonitril toe. Vervang het rubber septum door een schroefstop.
Nota: acetonitril wordt gedistilleerd van de2 van de Ceusters en ontgast gebruikend bevriezen-pomp-ontdooicycli voorafgaand aan gebruik om hoge opbrengsten en reproduceerbaarheid te verzekeren. - Roer de reactiemengsel gedurende 5 dagen bij kamertemperatuur (23-25 ºC) in een fotoreactor onder 420 nm golflengte bestraling.
- Filtreer het reactiemengsel door middel van een pad van Celite, wassen met ca. 2 mL dichloormethaan en concentreer het filtraat onder verminderde druk.
- Zuiveren van de ruwe residu door Flash Kolomchromatografie over silica gel (eluens systeem: petroleumether/EtOAc 60:40).
- Droog de zuivere stof onder vacuüm bij kamertemperatuur (23-25 ºC) voor 3 uur tot 20 mg (79% opbrengst) van de gewenste luotonin A. te herstellen.
- Karakteriseren de gewenste luotonin A zoals eerder gemeld29.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6
Zoals blijkt uit het protocol beschreven in de bovenstaande sectie, de synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 is bijzonder handig en kan gemakkelijk worden uitgevoerd op een multi gram schaal. De 1H en 13C NMR Spectra geven de vorming van het zuivere complex aan (Figuur 4A, B). De spectroscopie gegevens corresponderen met de eerder gemelde31.
1 H NMR (400 MHz, CDCl3) δ (ppm): 7,83 (s, 2H), 7.60-7.47 (m, 12u), 7.40-7.32 (m, 2H), 7.29-7.17 (m, 8H), 7.11-6.94 (m, 18u), 2,52 (s, 6 uur). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 158,5, 150,3, 144,0, 136,5, 133,9, 133,1, 133,0, 132,9, 132,5, 132,2, 132,0, 131,7, 130,1, 129,6, 129,5, 129,2, 128,7, 128,7, 128,6, 125,8, 125,8.
De UV/VIS absorptie en emissie Spectra zijn ook opgenomen en worden weergegeven in Figuur 4C, D. Het UV/Vis absorptiespectrum (acetonitril M) toont twee hoofd absorptie banden met twee maxima bij 385 nm en 485 nm. Het emissiespectrum (acetonitril M) , verkregen door excitatie op 445 nm, geeft een maximum van 535 nm.
Koper-gekatalyseert fotoredox directe arylation van (hetero) Arenes met aryl halonen
De directe arylation van N-methylpyrrole met 4-iodobenzonitrile is representatief voor het gebruik van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 om de directe arylation van diverse elektron-rijke (hetero) Arenes onder zichtbare lichtstraling te bevorderen. De reikwijdte van de transformatie is afgebeeld in Figuur 5. Deze resultaten worden kort besproken in de volgende paragraaf.
Als voor de karakterisering van 4-(1-methyl-1h-Pyrrol-2-yl) benzonitrile, de 1h en 13C NMR Spectra geven de vorming van de zuivere verbinding (Figuur 6A, B). De spectroscopie gegevens komen overeen met die eerder gemeld32.
1 H NMR (400 MHz, CDCl3) δ (ppm): 7,66 (d, J = 8,6 Hz, 2H), 7,50 (d, j = 8,6 Hz, 2H), 6,78 (app. t, j = 2,1 Hz, 1h), 6,35 (DD, j = 3,7 en 1,8 Hz, 1h), 6,23 (DD, j = 3,7 en 2,7 Hz, 1h), 3,71 (s, 3H). 13 C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 137,8, 132,7, 132,3, 128,4, 125,9, 119,1, 110,8, 109,8, 108,7, 35,6.
Figuur 3 illustreert de drie experimentele opstellingen die met succes zijn gebruikt om de directe arylation van (hetero) Arenes met aryl halonen onder fotoredox voorwaarden uit te voeren. De reactie kan worden uitgevoerd in een fotoreactor met bestraling bij 420 nm golflengte (Figuur 3a), met behulp van in de handel verkrijgbare blauwe leds strips (Figuur 3B), of met behulp van een Fotochemie apparaat met een blauwe LED-lamp (440 nm, 34 W) (Figuur 3C). Een korte discussie over het verschil in efficiëntie tussen de drie experimentele opstellingen wordt gegeven in de volgende sectie.
Fotogeïnduceerde radicale Domino cyclisatie van ynamides en cyaanamides
De cyclisatie van n-benzoylperoxide-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] stikstof aan luotonin A is representatief voor het gebruik van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 ter bevordering van de radicale Domino cyclisatie van ynamides en cyaanamides met een geschikt-geplaatste iodoaryl subeenheid. Deze cyclizations, die een efficiënte en eenvoudige toegang bieden tot Tri-, Tetra-en Pentacyclische stikstof azine in de kern structuren van verschillende natuurlijke producten, zijn weergegeven in Figuur 7. Deze resultaten worden kort besproken in de volgende paragraaf.
De 1H en 13C NMR Spectra wijzen op de vorming van het zuivere natuurlijke product luotonin a (Figuur 8a, B). De spectroscopie gegevens komen overeen met die eerder gemeld33.
1 H NMR (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): 8.49-8.41 (m, 3 H), 8,12 (d, J = 7,8 Hz, 1h), 7,95 (d, J = 7,5 Hz, 1 h), 7.89-7.82 (m, 2 h), 7.71-7.66 (m, 1 h), 7,58 (t, J = 8,1 Hz, 1 H), 5,34 (s, 2 h). 13 C NMR (75 MHz, CDCl3) δ (ppm): 160,8, 152,7, 151,3, 149,5 (2 c), 134,7, 131,6, 130,8 (2 c), 129,5, 128,9 (2 c), 128,6, 128,0, 127,5, 126,5, 121,4, 47,4.
Figuur 1 . [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 als een algemene koper-gebaseerde fotoredox katalysator. (A). Algemene eigenschappen van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6. (B). algemeen mechanisme voor de activering van organische Halonen. C. representatieve transformaties met inbegrip van reductie, directe arylation en cyclisatie reacties. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2 . Synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 en toepassing in de organische/natuurlijke product synthese. (A). Synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6. B. directe Arylation van N-methylpyrrole. C. radicale cyclisatie aan luotonin a. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3 . Experimentele opstellingen gebruikt voor de directe arylation van (hetero) Arenes onder fotoredox voorwaarden. (A). Fotoreactor. (B). blauwe leds stroken. (C). Fotochemie apparaat en blauwe LED-lamp. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4 . Karakterisering van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6. A. 1H NMR-spectrum (CDCl3, 400 MHz, 23 °c). (B). 13C NMR-spectrum (CDCl3, 100 MHz, 23 °c). C. UV/Vis-absorptiespectrum (acetonitril, argon, 23 °c). (D). emissiespectrum (acetonitril, argon, 23 °c). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5 . Koper-gekatalyseert fotoredox directe arylation van (hetero) Arenes met aryl Halonen. Substraat Scope. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6 . Karakterisering van 4-(1-Methyl-1H-Pyrrol-2-yl) benzonitrile. A. 1H NMR-spectrum (CDCl3, 400 MHz, 23 °c). (B). 13C NMR-spectrum (CDCl3, 100 MHz, 23 °c). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7 . Fotogeïnduceerde radicale Domino cyclisatie van ynamides en cyaanamides. Substraat Scope. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8 . Karakterisering van luotonin A. A. 1H NMR-spectrum (CDCl3, 300 MHz, 23 °c). (B). 13C NMR-spectrum (CDCl3, 75 MHz, 23 °c). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6
De synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 wordt meestal uitgevoerd met behulp van droge dichloormethaan (gedistilleerd voorafgaand aan het gebruik) en onder argon om de hoogste opbrengst, zuiverheid en goede reproduceerbaarheid te waarborgen. Zoals vermeld in het Protocol, de synthese van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 kan worden uitgevoerd met regelmatige dichloormethaan (99,8%) en/of onder lucht met variabele efficiency. Inderdaad, terwijl het gebruik van reguliere dichloormethaan onder argon bood dezelfde efficiëntie (89% rendement), het uitvoeren van de reactie met gedistilleerde dichloormethaan onder lucht alleen biedt het gewenste complex in een 75% rendement. Ten slotte, het uitvoeren van de reactie met niet-gedistilleerde dichloormethaan onder de lucht biedt het gewenste complex met een merkbaar lagere zuiverheid (ca 70%, zoals geschat door 1H NMR met behulp van een interne standaard). Als gevolg daarvan kan men concluderen dat de kwaliteit van de gebruikte dichloormethaan niet een sterke invloed op de efficiëntie van de reactie (hoge opbrengst en zuiverheid), op voorwaarde dat de reactie wordt uitgevoerd onder argon. Aan de andere kant, het uitvoeren van de reactie onder de lucht wordt niet aanbevolen, omdat het biedt het gewenste complex met verminderde efficiëntie en, nog belangrijker, met een lagere zuiverheid in combinatie met niet-gedistilleerde dichloormethaan.
Koper-gekatalyseert fotoredox directe arylation van (hetero) Arenes met aryl halonen
Zoals geïllustreerd in Figuur 5, bleek de reactie vrij algemeen te zijn met een reeks van 2-arylated pyrroles die in eerlijke tot goede opbrengsten wordt verkregen. Opmerkelijk, aryl jodiden vervangen door een bromide of een boronate zijn handige uitgangsmaterialen en dus veroorloven een uitgangspunt voor verdere functionalization en valorisatie van de overeenkomstige biaryls. Boc-beschermde pyrroles werden ook getoond gemakkelijk arylated met een verscheidenheid van aryl jodiden te zijn terwijl de reactie ook zou kunnen worden uitgebreid tot arylation van sommige elektronen-rijke benzeenringen zoals 2, 4, 6-mesitylene, 2, 4, 6-trimethoxybenzene en 1, 3- dimethoxybenzene. Tot slot, meer uitdagende elektron-arme aryl bromiden kan ook worden gebruikt voor de directe arylation van N-methylpyrrole, terwijl niet-geactiveerde aryl bromiden en aryl chloriden zijn niet reactief onder de reactie omstandigheden, die waarschijnlijk vertegenwoordigen de belangrijkste beperking van deze procedure. In totaal, deze resultaten tonen aan dat [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 efficiënt activeert de Carbon-halogeen binding van verschillende aryl halogenen aan de directe arylation van sommige (hetero) Arenes die moeten worden gebruikt in grote overmaat aan een goede efficiëntie te bereiken te bevorderen. Deze beperking is echter gemeenschappelijk voor de meeste procedures gemeld tot op heden het bevorderen van dezelfde transformatie.
Zoals vermeld in het protocol sectie, de koper-gekatalyseert fotoredox directe arylation van (hetero) Arenes met aryl halonen wordt voornamelijk uitgevoerd met behulp van een fotoreactor met bestraling op 420 nm. Alternatief, is het gebruik van eenvoudigere en gemakkelijkere beschikbare experimentele opstellingen ook aangetoond, met het gebruik van commercieel beschikbare blauwe LEDS stroken, evenals van een Fotochemie apparaat met een blauwe LEIDENE lamp (440 nm, 34W). Interessant, kleine maar merkbare verschillen in efficiëntie worden waargenomen met behulp van deze drie apparaten. Terwijl de fotoreactor en de blauwe LEDs stroken het gewenste arylated product in vergelijkbare opbrengsten (72% en 76%, respectievelijk) veroorloven, biedt het Fotochemie apparaat met een blauwe LEIDENE lamp de hoogste opbrengst in gewenst product (86%) aan. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de hoeveelheid licht die daadwerkelijk doordringt in de reactiemengsel, want het is bekend dat zichtbare lichtpenetratie in oplossing met fotoactieve soorten is vrij laag. Als gevolg daarvan, het bedrag van de fotoredox katalysator die daadwerkelijk is geactiveerd in oplossing, en dat is verantwoordelijk voor de katalyse, kan ook een of andere manier worden beperkt en worden de beperkende factor. Onder de drie experimentele opstellingen gebruikt voor de directe arylation van N-methylpyrrole met 4-iodobenzonitrile, de fotochemie apparaat met een blauwe LED-lamp is zeker de meest intense, die leidt tot de hoogste hoeveelheid opgewonden complex en dus, om een hogere efficiency. Dergelijke overwegingen zijn ook van cruciaal belang voor het opschalen van dergelijke fotogeïnduceerde processen die waarschijnlijk meer gunstig worden uitgevoerd onder continue stroom voorwaarden op grotere schalen34,35.
Fotogeïnduceerde radicale Domino cyclisatie van ynamides en cyaanamides
Zoals geïllustreerd in Figuur 7, [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 werd aangetoond dat een effectieve promotor onder zichtbare lichtstraling voor de radicale Domino cyclisatie van verschillende ynamides en cyaanamides, bieden Tri-, Tetra-of Pentacyclische stikstof azine, in eerlijke tot goede opbrengsten uit direct beschikbare precursoren, op de kern structuren van verschillende natuurlijke producten. Deze strategie liet de synthese van rosettacin, luotonin A, en deoxyvasicinone, natuurlijke producten van groot belang die AntiKanker, antimicrobiële, anti-inflammatoire en Antidepressivum activiteiten bezitten. Opmerkelijk, de cyclisatie van ynamides en cyaanamides was al beschreven door Malacria met behulp van meer klassieke tin-gebaseerde voorwaarden33,36, of onder fotoredox voorwaarden door Yu met behulp van de sterk verminderen fac-IR (ppy) 3 als de katalysator37van fotoredox. In vergelijking met die eerder gerapporteerde methoden, de nieuwe koper-based fotoredox systeem dat we gemeld lijkt een aantrekkelijk alternatief als het biedt soortgelijke substraat reikwijdte en opbrengsten, terwijl het vermijden van het gebruik van zeer toxisch Bu3SnH (Malacria) of dure fac-IR (ppy)3 (Yu). Globaal, heeft dit systeem zijn efficiency voor de activering van diverse niet geactiveerde aryl-of alkyl-koolstof-halogeen banden bewezen die tot zeer belangrijke structuren in organische synthese, evenals in drugontdekking en natuurlijke product synthese leiden.
Totaal, de hierboven besproken resultaten markeren de efficiëntie van [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 als een alternatief voor Iridium-en ruthenium-based fotokatalysatoren. Vergelijkbare niveaus van efficiëntie kan worden verkregen met een koper-gebaseerde katalysator die zowel veel gemakkelijker te bereiden en veel minder duur. De synthese van de koper-gebaseerde foto katalysator is daarnaast zeer modulair, die de weg effent voor het ontwerp en de ontwikkeling van de tweede generatie katalysatoren het aanpakken van de belangrijkste beperkingen voldaan met [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 (dat wil zeggen, de vrij hoge katalysator laden nog steeds vereist in de meeste gevallen en het onvermogen om te activeren sommige aryl bromiden en aryl chloriden).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de Université Libre de Bruxelles (ULB), de Fédération Wallonie-Bruxelles (ARC consolider 2014-2019), Innoviris (project PhotoCop), en de kosten actie CM1202. H.P. erkent het Fonds pour la Formation à la Recherche dans l'Industrie et dans l'Agriculture (F.R.I.A.) voor Graduate Fellowship. C.T. erkent het Fonds de la Recherche Scientifique (FNRS) voor Research Fellowship.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Material | |||
| Bathocuproine (bcp) | Acros | 161340010 | |
| Acetonitrile, 99.9+ | Acros | 326811000 | |
| Celite 545 | Acros | 349670025 | |
| Bis[(2-diphenylphosphino)phenyl] ether (DPEphos) | Acros | 383370050 | |
| Calcium hydride | Acros | C/1620/48 | |
| Dichloromethane, 99.8% | Fisher Chemical | D/1852/25 | |
| Dietyl ether, >= 99% | Fisher Chemical | D/2400/MS21 | |
| Ethyl acetate | Fisher Chemical | E/0900/25 | |
| N-Methylpyrrole, 99% | Sigma Aldrich | M78801 | |
| 4-Iodobenzonitrile, 98% | Combi-Blocks | OR-3151 | |
| Petroleum ether (40-60 °) | Fisher Chemical | P/1760/25 | |
| Potassium carbonate, anhydrous | Fisher Chemical | P/4120/60 | |
| Tetrakisacetonitrile copper(I) hexafluorophosphate, 97% | Sigma Aldrich | 346276 | |
| Equipment | |||
| 1H and 13C NMR spectrometer | Bruker | Avance 300 Spectrometer | |
| 1H and 13C NMR spectrometer | Varian | VNMRS 400 Spectrometer | |
| 420 nm light tubes | Luzchem | LZC-420 | |
| Blue LEDs lamp | Kessil | H150-Blue | |
| Blue LEDs strips | Eglo | 92065 | |
| Photochemistry Device PhotoRedOx Box | Hepatochem | HCK1006-01-016 | |
| Photoreactor | Luzchem | CCP-4V | |
| Spectrofluorimeter | Shimadzu | RF-5301PC | |
| UV/Vis spectrometer | Perkin Elmer | Lambda 40 |
References
- Encyclopedia of Radicals in Chemistry, Biology and Materials. Chatgilialoglu, C., Studer, A. , Chechester. (2012).
- Narayanam, J. M. R., Stephenson, C. R. J. Visible light photoredox catalysis: applications in organic synthesis. Chemical Society Reviews. 40, 102-113 (2011).
- Prier, C. K., Rankic, D. A., MacMillan, D. W. C. Visible Light Photoredox Catalysis with Transition Metal Complexes: Applications in Organic Synthesis. Chemical Reviews. 113 (7), 5322-5363 (2013).
- Romero, N. A., Nicewicz, D. A.
- Paria, S., Reiser, O.
- Reiser, O. Shining Light on Copper: Unique Opportunities for Visible-Light-Catalyzed Atom Transfer Radical Addition Reactions and Related Processes. Accounts of Chemical Research. 49 (9), 1990-1996 (2016).
- Boyer, C., et al. Copper-Mediated Living Radical Polymerization (Atom Transfer Radical Polymerization and Copper(0) Mediated Polymerization): From Fundamentals to Bioapplications. Chemical Reviews. 116 (4), 1803-1949 (2016).
- Paria, S., Reiser, O. Visible Light and Copper Complexes: A Promising Match in Photoredox Catalysis. Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry. Stephenson, C. R. J., Yoon, T. P., MacMillan, D. W. C. , Wiley-VCH. 233-252 (2018).
- Grutsch, P. A., Kutal, C. Photobehavior of copper(I) compounds. Role of copper(I)-phosphine compounds in the photosensitized isomerization of norbornadiene. Journal of the American Chemical Society. 101 (15), 4228-4233 (1979).
- Mitani, M., Kato, I., Koyama, K. Photoaddition of alkyl halides to olefins catalyzed by copper(I) complexes. Journal of the American Chemical Society. 105 (22), 6719-6721 (1983).
- Kern, J. -M., Sauvage, J. -P. Photoassisted C-C coupling via electron transfer to benzylic halides by a bis(di-imine) copper(I) complex. Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. , 546-548 (1987).
- Creutz, S. E., Lotito, K. J., Fu, G. C., Peters, J. C. Photoinduced Ullmann C-N coupling: demonstrating the viability of a radical pathway. Science. 338 (6107), 647-651 (2012).
- Kainz, Q. M., Matier, C. D., Bartoszewicz, A., Zultanski, S. L., Peters, J. C., Fu, G. C. Asymmetric copper-catalyzed C-N cross-couplings induced by visible light. Science. 351 (6274), 681-684 (2016).
- Matier, C. D., Schwaben, J., Peters, J. C., Fu, G. C. Copper-Catalyzed Alkylation of Aliphatic Amines Induced by Visible Light. Journal of the American Chemical Society. 139 (49), 17707-17710 (2017).
- He, J., Chen, C., Fu, G. C., Peters, J. C. Visible-Light-Induced, Copper-Catalyzed Three-Component Coupling of Alkyl Halides, Olefins and Trifluoromethylthiolate to Generate Trifluoromethyl Thioethers. ACS Catalysis. 8 (12), 11741-11748 (2018).
- Pirtsch, M., Paria, S., Matsuno, T., Isobe, H., Reiser, O. [Cu(dap)2Cl] As an Efficient Visible-Light-Driven Photoredox Catalyst in Carbon-Carbon Bond-Forming Reactions. Chemistry - A European Journal. 18 (24), 7336-7340 (2012).
- Paria, S., Pirtsch, M., Kais, V., Reiser, O. Visible-Light-Induced Intermolecular Atom-Transfer Radical Addition of Benzyl Halides to Olefins: Facile Synthesis of Tetrahydroquinolines. Synthesis. 45 (19), 2689-2698 (2013).
- Knorn, M., Rawner, T., Czerwieniec, R., Reiser, O. [Copper(phenanthroline(bisisonitrile)]+-Complexes for the Visible-Light-Mediated Atom Transfer Radical Addition and Allylation Reactions. ACS Catalysis. 5 (9), 5186-5193 (2015).
- Bagal, D. B., Kachkovskyi, G., Knorn, M., Rawner, T., Bhanage, B. M., Reiser, O. Trifluoromethylchlorosulfonylation of Alkenes: Evidence for an Inner-Sphere Mechanism by a Copper Phenanthroline Photoredox Catalyst. Angewandte Chemie International Edition. 54 (24), 6999-7002 (2015).
- Hossain, A., et al. Visible-Light-Accelerated Copper(II)-Catalyzed Regio- and Chemoselective Oxo-Azidation of Vinyl Arenes. Angewandte Chemie International Edition. 57 (27), 8288-8292 (2018).
- Hernandez-Perez, A. C., Vlassova, A., Collins, S. K. Toward a Visible Light Mediated Photocyclization: Cu-Based Sensitizers for the Synthesis of [5]Helicene. Organic Letters. 14 (12), 2988-2991 (2012).
- Baralle, A., Fensterbank, L., Goddard, J. -P., Ollivier, C. Aryl Radical Formation by Copper(I) Photocatalyzed Reduction of Diaryliodonium Salts: NMR Evidence for a CuII/CuI Mechanism. Chemistry - A European Journal. 19 (23), 10809-10813 (2013).
- Hernandez-Perez, A. C., Collins, S. K.
- Tang, X. -J., Doldier, W. R. Efficient Cu-catalyzed Atom Transfer Radical Addition Reactions of Fluoroalkylsulfonyl Chlorides with Electron-Deficient Alkenes Induced by Visible Light. Angewandte Chemie International Edition. 54 (14), 4246-4249 (2015).
- Fumagalli, G., Rabet, P. T. G., Boyd, S., Greaney, M. F. Three-Component Azidation of Styrene-Type Double Bonds: Light-Switchable Behavior of a Copper Photoredox Catalyst. Angewandte Chemie International Edition. 54 (39), 11481-11484 (2015).
- Demmer, C. S., Benoit, E., Evano, G. Synthesis of Allenamides by Copper-Catalyzed Coupling of Propargylic Bromides and Nitrogen Nucleophiles. Organic Letters. 18 (6), 1438-1441 (2016).
- Theunissen, C., Wang, J., Evano, G.
- Michelet, B., Deldaele, C., Kajouj, S., Moucheron, C., Evano, G. A General Copper Catalyst for Photoredox Transformations of Organic Halides. Organic Letters. 19 (13), 3576-3579 (2017).
- Baguia, H., Deldaele, C., Romero, E., Michelet, B., Evano, G. Copper-Catalyzed Photoinduced Radical Domino Cyclization of Ynamides and Cyanamides: A Unified Entry to Rosettacin, Luotonin A, and Deoxyvasicinone. Synthesis. 50 (15), 3022-3030 (2018).
- Deldaele, C., Michelet, B., Baguia, H., Kajouj, S., Romero, E., Moucheron, C., Evano, G. A General Copper-based Photoredox Catalyst for Organic Synthesis: Scope Application in Natural Product Synthesis and Mechanistic Insights. CHIMIA. 72 (9), 621-629 (2018).
- Luo, S. -P., et al. Photocatalytic Water Reduction with Copper-Based Photosensitizers: A Noble-Metal-Free System. Angewandte Chemie International Edition. 52 (1), 419-423 (2013).
- Gryko, D. T., Vakuliuk, O., Gryko, D., Koszarna, B.
- Servais, A., Azzouz, M., Lopes, D., Courilon, C., Malacria, M. Radical Cyclization of N-Acylcyanamides: Total Synthesis of Luotonin A. Angewandte Chemie International Edition. 46 (4), 576-579 (2007).
- Cambié, D., Bottecchia, C., Straathof, N. J. W., Hessel, V., Noël, T. Applications of Continuous-Flow Photochemistry in Organic Synthesis, Material Science, and Water Treatment. Chemical Reviews. 116 (17), 10276-10341 (2016).
- Straathof, N. J. W., Noël, T. Accelerating Visible-Light Photoredox Catalysis in Continuous-Flow Reactors. Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry. Stephenson, C. R. J., Yoon, T. P., MacMillan, D. W. C. , Wiley-VCH. 389-413 (2018).
- Marion, F., Courillon, C., Malacria, M. Radical Cyclization Cascade Involving Ynamides: An Original Access to Nitrogen-Containing Heterocycles. Organic Letters. 5 (26), 5095-5097 (2003).
- Han, Y. -Y., Jiang, H., Wang, R., Yu, S. Synthesis of Tetracyclic Quinazolinones Using a Visible-Light-Promoted Radical Cascade Approach. The Journal of Organic Chemistry. 81 (16), 7276-7281 (2016).
![[(DPEPhos) (BCP) Cu] PF<sub>6</sub>: een algemene en in grote lijnen toepasbare koper-gebaseerde fotoredox katalysator](https://cloudfront.jove.com/CDNSource/teasers/59739.jpg)
