Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

[(DPEPhos) (BCP) cu] PF6: en allmän och i stort sett tillämplig kopparbaserad Photoredox Catalyst

Published: May 21, 2019 doi: 10.3791/59739
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1, 2, 1
1Laboratoire de Chimie Organique, Service de Chimie et PhysicoChimie Organiques, Université libre de Bruxelles (ULB), 2Laboratoire de Chimie Organique et Photochimie, Service de Chimie et PhysicoChimie Organiques, Université libre de Bruxelles (ULB)

Summary

Detaljerade och allmänna protokoll presenteras för syntesen av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, en allmän kopparbaserad photoredox katalysator, och för dess användning i syntetisk kemi för direkt arylering av C-H obligationer i (hetero) Arenes och radikal cyklisering av organiska halogenider.

Abstract

Vår grupp rapporterade nyligen användning av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som en allmän kopparbaserad photoredox katalysator som visade sig vara effektiva för att främja aktiveringen av en bred variation av organiska halogenider, inklusive oaktiverade sådana. Dessa kan sedan delta i olika radikala transformationer såsom Reduktions-och cykliseringsreaktioner, liksom i den direkta arylationen av flera (hetero) Arenes. Dessa transformationer ger en enkel till gång till en rad små molekyler av intresse för syntetisk kemi, såväl som biologiskt aktiva naturliga produkter. Sammantaget [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 fungerar som en bekväm photoredox katalysator som verkar vara en attraktiv, billig och kompletterande alternativ till State-of-the-art Iridium-och rutenium-baserade photoredox katalysatorer. Här rapporterar vi ett detaljerat protokoll för syntesen av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, samt NMR och spektroskopiska karakteriseringar, och vi illustrerar dess användning i syntetisk kemi för direkt arylering av (hetero) Arenes och radikal cyklisering av organiska halogenider. I synnerhet den direkta arylering av n-metylpyrrol med 4-iodobenzonitril att ge 4-(1-metyl-1H-pyrrol-2-yl) benzonitril och radikal cyklisering av n-bensoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) metyl] cyanamid har råd med natur produkter luotonin A är detaljerade. Omfattningen och begränsningarna av denna kopparbaserade photoredox katalysator är också kortfattat diskuteras.

Introduction

Radikala transformationer har varit kända i årtionden för att ge anmärknings värt effektiva vägar i syntetisk kemi som ofta kompletterar transformationer baserade på katjoniska, anjoniska eller pericykliska processer1. Även om det är särskilt lovande för olika typer av transformationer, har radikal-baserad kemi dock länge varit underutnyttjad, främst på grund av behovet av mycket giftiga reagenser som avsevärt begränsar dess attraktionskraft. Dessutom har radikala processer länge ansetts som transformationer förknippade med dåliga kontroll nivåer när det gäller Regio-och/eller stereoselektivitet, eller leder till omfattande dimeriserings-och/eller polymeriseringsproblem.

Alternativa strategier har nyligen utvecklats för att under lätta generering och bättre kontroll av reaktivitet av radikala arter. Bland dem, photoredox katalys har blivit en av de mest kraftfulla metoder som det gör den bekväma generationen av radikala arter med hjälp av en ljus-lyhörd förening, nämligen photoredox katalysatorn, och synlig ljus bestrålning2,3 . Synligt ljus i sig självt kan främja befolkningen i den upphetsade tillstånd photoredox katalysator som blir, följaktligen, både en starkare reduktant och oxidations medel än i motsvarande mark tillstånd. Dessa förbättrade Redox egenskaper gör Single-Electron överförings processer, inte genomförbart i mark tillstånd, möjligt under milda förhållanden från upphetsad tillstånd. Under det senaste decenniet har synlig ljus photoredox katalys blivit en attraktiv och kraftfull teknik i organisk syntes och har möjliggjort utvecklingen av många anmärknings värt effektiva och selektiva transformationer baserade på radikala intermediärer skapas under hållbara, milda och användarvänliga förhållanden.

Medan de flesta photoredox processer rapporterade hittills domineras av användning av Iridium-och rutenium-baserade photoredox katalysatorer, liksom av vissa organiska färg ämnen såsom pyryliumsalter och acridinium derivat4, billigare alternativ är fortfarande högt efterfrågade för utveckling av kompletterande processer av intresse för industriella tillämpningar. I detta hänseende förefaller användningen av kopparbaserade photoredox katalysatorer särskilt tilltalande eftersom de inte bara är billigare utan också ger möjligheter att aktivera ett bredare och/eller olika typer av substrat, vilket därför öppnar nya perspektiv i photoredox katalys5,6,7,8. Trots några lovande tidiga verk som rapporter ATS av Kutal9, mitani10 och Sauvage11 grupper, photoactivatable koppar komplex har dock endast knappast använts i photoredox katalys, troligen på grund av deras kortvariga upphetsade stater jämfört med deras rutenium-och Iridium-baserade kongener. På senare tid har de senaste anmärknings värda bidragen från Peters och Fu12,13,14,15, Reiser16,17,18, den 19 , 20 och övriga grupper21,22,23,24,25 har tydligt fört uppmärksamheten tillbaka till kopparbaserade photoredox-katalysatorer och visat en unik potential.

Som en del av vårt senaste intresse för kopparkatalyserade radikala processer26,27, rapporterade vi nyligen en allmän och i stort sett tillämpliga kopparbaserade photoredox katalysator, [(dpephos) (BCP) cu] PF6 (dpephos: BIS [(2- diffenylfosfino) fenyl] eter; BCP: bathocuproine), som visade sig vara särskilt effektivt för aktivering av organiska halogenider under synlig ljus bestrålning (figur 1a)28,29,30. Vid bestrålning med synligt ljus och i närvaro av en Amin som offer reductant, ett brett spektrum av oaktiverade aryl och alkylhalogenider visades lätt aktive ras av katalytiska mängder av [(dpephos) (BCP) cu] PF6 och därför att delta i olika radikala transformationer inklusive minskningar, cykliska och direkta arylering av flera elektron rika (hetero) Arenes. Dessutom, [(dpephos) (BCP) cu] PF6 har också visat sig framgångs rik på att främja fotoinducerad radikala Domino cykliseringar av ynamides och cyanamider, vilket ger en effektiv och enkel till gång till komplexa Tri-, Tetra-och pentacyclic kväve heterocykler på kärn strukturerna hos olika natur produkter. Denna strategi tillät effektiv syntes av rosettacin, luotonin A, och deoxyvasicinone, naturliga produkter som uppvisar cancer, antimikrobiella, antiinflammatoriska och antidepressiva aktiviteter. Dessa omvandlingar illustreras i figur 1c. Ur mekanistisk synvinkel, den fotoinducerad aktiveringen av organiska halogenider med [(dpephos) (BCP) cu] PF6 vinning genom en sällsynt cu (i)/cu (i) */cu (0) katalytisk cykel, som har bekräftats av omfattande mekanistiska och foto fysikaliska studier. I synnerhet excitation av mark tillstånd [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 [cu (i)] vid bestrålning av synligt ljus leder till bildandet av motsvarande upphetsad komplexa [(dpephos) (BCP) cu] PF6* [cu (I) *] som sedan reduceras med offer amine att generera motsvarande [(dpephos) (BCP) cu] PF6 [cu (0)] arter. Denna cu (0) mellanliggande är reduktiv nog att minska kol-halogenbindning av olika organiska halogenider att generera motsvarande radikaler, som sedan kan delta i de ovan nämnda transformationer, tillsammans med förnyelse av start katalysator (figur 1b).

I följande avsnitt beskriver vi först protokollet för att syntetisera photoactivatable [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 (vars NMR och spektroskopiska karakteriseringar presenteras i avsnittet representativa resultat). Syntesen är enkel och särskilt bekväm, och kräver helt enkelt tillsats av 1 motsvarighet till dpephos och 1 motsvarande BCP till en lösning av tetrakisacetonitrile koppar (I) hexafluorofosfat i diklormetan. Den önskade [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 isoleras sedan genom utfällning från dietyleter och kan lätt erhållas på en multigram skala (figur 2A). Det som är viktigt är att det isolerade koppar komplexet inte är särskilt känsligt för syre och fukt och därför kan hanteras bekvämt utan några särskilda försiktighets åtgärder än att förvaras avskilt från ljus.

För det andra beskriver vi protokollen för att aktivera organiska halogenider med hjälp av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 under synlig ljus bestrålning genom att fokusera på två olika transformationer. Den första reaktionen är den direkta arylationen av N-metylpyrrol med 4-iodobenzonitril som använder katalytiska mängder av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som photoredox-katalysator, dicyklohexylisobutylamin som offerreductant och kalium som bas under bestrålning vid 420 nm (figur 2b). Den andra reaktionen är den radikala cykliseringen av n-bensoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) metyl] cyanamid, med samma katalysator och offer reductant, vars cyklisering direkt leder till luotonin a, en naturlig produkt som visar intressanta cancer aktiviteter (figur 2C). Detaljerade protokoll finns för båda transformeringarna.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. syntes av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6

  1. Tillsätt 3,73 g (10,00 mmol) av tetrakisacetonitril koppar (I) hexafluorofosfat och 5,39 g (10,00 mmol) av DPEPhos till en 2 L rund botten kolv försedd med en magnetisk rör stång.
  2. Montera den runda botten kolven med en tre hals vakuum adapter ansluten till en vakuum linje och en argon linje.
  3. Evakuera kolven under vakuum och återfyllning med argon tre gånger. Byt ut tre hals vakuum adapter med en gummi septum.
    Anmärkning: reaktionen kan utföras under luft med något reducerad verknings grad (se diskussions avsnitt för detaljer).
  4. Tillsätt 800 mL torr diklormetan.
    Anmärkning: diklormetan är nydestillerad från CaH2. Reaktionen kan också utföras i vanlig diklormetan (99,8%) med liknande effektivitet (se diskussions avsnittet för mer information).
  5. Rör reaktions blandningen för 2 h i mörker (reaktions kol ven täckt med aluminiumfolie) vid rums temperatur (23-25 º C) under en argon-atmosfär.
  6. Tillsätt 3,60 g (10,00 mmol) BCP till en 500 mL rund botten kolv försedd med en magnetisk rör stång.
  7. Montera den runda botten kolven med en tre hals vakuum adapter ansluten till en vakuum linje och en argon linje.
  8. Evakuera kolven under vakuum och återfyllning med argon tre gånger. Byt ut tre hals vakuum adapter med en gummi septum.
  9. Tillsätt 200 mL torr diklormetan och rör försiktigt om SUS pensionen tills den fullständiga upplösningen av BCP.
  10. Tillsätt lösningen av BCP i diklormetan till reaktions blandningen med hjälp av en kanyl.
  11. Rör om ytterligare en timme i mörker (reaktions kol ven täckt med aluminiumfolie) vid rums temperatur (23-25 º C) under en argonatmosfär.
  12. Filtrera blandningen genom en pad av Celite, tvätta med ca. 100 mL diklormetan och koncentrera filtratet till ca 50-100 mL under reducerat tryck.
  13. Tillsätt droppvis av koncentrat till 1 L dietyleter med en tillsats av tratten och med kraftig omrörning för att framkalla utfällning av det önskade komplexet.
  14. Samla upp fällningen genom filtrering genom ett fritted glas (porstorlek 3) och Tvätta fällningen med ca. 100 mL dietyleter.
  15. Torka den ljusgula fällningen under vakuum vid rums temperatur (23-25 º C) i 5 timmar för att återvinna 10,1 g (91% avkastning) av koppar komplexet.
    Anmärkning: en avkastning på 75% erhölls när reaktionen utfördes under luft med hjälp av destillerat diklormetan. en avkastning på 89% erhölls när reaktionen utfördes under argon med hjälp av vanlig diklormetan. vid utförandet av reaktionen under luft med vanlig diklormetan, konstaterades reaktionen vara mindre effektiv och ledde till mycket lägre renhet (ca 70%, beräknad med 1H NMR med en intern standard).
  16. Karakterisera [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som tidigare rapporterat31.

2. direkt arylering av N-metylpyrrol med 4-iodobenzonitril

  1. Tillsätt 55 mg (0,05 mmol) av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, 59 mg (0,25 mmol) dicyklohexylisobutylamin (CY2NiBu), 138 mg (1,0 mmol) K2co3 och 114 mg (0,50 mmol) 4-iodobenzonitril till en ugnstorkad 10 ml injektions flaska.
  2. Tillsätt en magnetisk rör stång, täta injektions flaskan med en gummi septum, evakuera flaskan under vakuum och återfyllning med argon tre gånger.
  3. Tillsätt 5 mL acetonitril och 890 μL (10,00 mmol) N-metylpyrrol. Ersätt gummi septumen med ett skruv lock.
    Anmärkning: acetonitril är nydestillerad från CaH2 och avgasas med frys-pumpen-Tina cykler före användning för att säkerställa hög avkastning och reproducerbarhet.
  4. Rör reaktions blandningen i 3 dagar vid rums temperatur (23-25 º C) i en foto reaktor under 420 nm våglängd bestrålning.
    Anmärkning: som ett alternativ till användningen av en foto reaktor, kan reaktionen också utföras bekvämt med hjälp av blå lysdioder remsor eller en foto kemi enhet med en blå LED-lampa (440 nm, 34 W). Dessa experimentella inställningar visas i figur 3 (se representativa resultat) och en diskussion om deras respektive resultat finns i avsnittet "diskussion".
  5. Filtrera reaktions blandningen genom en pad av Celite, tvätta med ca. 5 mL dietyleter och koncentrera filtratet under reducerat tryck.
  6. Rena den råa rester av Flash kolonnkromatografi över kiselgel (eluent system Petroleum Ether/EtOAc: 90/10).
  7. Torka den rena substansen under vakuum vid rums temperatur (23-25 º C) i 3 timmar för att återvinna 65 mg (72% avkastning) av önskad C2-arylerad pyrrole.
    Obs: användningen av blå lysdioder remsor ges en 76% avkastning (69 mg) medan användningen av en foto kemi enhet med en blå LED-lampa (440 nm, 34 W) ges en 86% avkastning (78 mg).
  8. Karakterisera den rena föreningen som tidigare rapporterat32.

3. cyklisering av n-Bensoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) metyl] cyanamid till luotonin A

  1. Tillsätt 37 mg (0,09 mmol) av N-Bensoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) metyl] cyanamid, 9 mg (9,0 μmol) av [(dpephos) (BCP) cu] PF6, 11 mg (0,04 mmol) av cy2Nibu och 25 mg (0,18 mmol) av K2co3 till en 7 mL injektions flaska försedd med en magnetisk rör stång.
  2. Täta injektions flaskan med en gummi septum, evakuera flaskan under vakuum och återfyllning med argon tre gånger.
  3. Tillsätt 2 mL acetonitril. Ersätt gummi septumen med ett skruv lock.
    Anmärkning: acetonitril destilleras från CAH2 och avgasas med frys-pumpen-Tina cykler före användning för att säkerställa hög avkastning och reproducerbarhet.
  4. Rör reaktions blandningen i 5 dagar vid rums temperatur (23-25 º C) i en foto reaktor under 420 nm våglängd bestrålning.
  5. Filtrera reaktions blandningen genom en pad av Celite, tvätta med ca. 2 mL diklormetan och koncentrera filtratet under reducerat tryck.
  6. Rena den råa rester av Flash kolonnkromatografi över kiselgel (eluent system: Petroleum Ether/EtOAc 60:40).
  7. Torka den rena substansen under vakuum vid rums temperatur (23-25 º C) i 3 timmar för att återvinna 20 mg (79% avkastning) av den önskade luotonin A.
  8. Karakterisera den önskade luotonin A som tidigare rapporterat29.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Syntes av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6
Som framgår av protokollet som beskrivs i ovanstående avsnitt, syntesen av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 är särskilt bekvämt och kan enkelt utföras på en multigram skala. 1H och 13C NMR Spectra visar bildandet av det rena komplexet (figur 4A, B). De spektroskopiska uppgifterna motsvarar de som tidigare rapporter ATS31.

1 den första H NMR (400 MHz, CDCl3) δ (ppm): 7,83 (s, 2H), 7.60-7.47 (m, 12h), 7.40-7.32 (m, 2H), 7.29-7.17 (m, 8h), 7.11-6.94 (m, 18H), 2,52 (s, 6H). 13 det 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, 125,5, 125,4, 120,4, 27,5.

UV/VIS absorption och emissions spektra har också registrerats och visas i figur 4C, D. UV/VIS absorptionsspektrum (acetonitril, 10-4 M) visar två huvudsakliga absorptionsband med två maxima vid 385 nm och 485 nm. Emissions spektrumet (acetonitril, 10-4 M), som erhålls genom excitation vid 445 Nm, visar ett maximum vid 535 nm.

Kopparkatalyserad fotoredox direkt arylering av (hetero) Arenes med arylhalogenider
Riktaarylationen av N-methylpyrrole med 4-iodobenzonitrile är representativt av bruket av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 att främja riktaarylationen av olikt elektron-Rich (hetero) Arenes under synligt ljust bestrålning. Omformnings omfånget beskrivs i figur 5. Dessa resultat diskuteras kortfattat i nästa avsnitt.

När det gäller karakterisering av 4-(1-metyl-1h-pyrrol-2-yl) benzonitril, 1h och 13C NMR spektra visar bildandet av den rena föreningen (figur 6A, B). De spektroskopiska uppgifterna motsvarar de som tidigare rapporterades32.

1 den första 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 och 1,8 Hz, 1H), 6,23 (dd, J = 3,7 och 2,7 Hz, 1H), 3,71 (s, 3H). 13 det 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.

Figur 3 illustrerar de tre experimentella uppställningar som framgångs rikt har använts för att utföra den direkta arylationen av (hetero) Arenes med arylhalogenider under photoredox förhållanden. Reaktionen kan utföras i en foto reaktor med bestrålning vid 420 nm våglängd (figur 3a), med hjälp av kommersiellt tillgängliga blå lysdioder (figur 3B), eller med en foto kemi anordning med en blå LED-lampa (440 nm, 34 W) (Figur 3C). En kort diskussion om skillnaden i effektivitet mellan de tre experimentella uppställningar ges i nästa avsnitt.

Fotoinducerad radikal dominocyklisering av ynamides och cyanamider
Cykliseringen av n-Bensoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) metyl]-cyanamid till luotonin A är representativ för användningen av [(dpephos) (BCP) cu] PF6 för att främja radikal dominocyklisering av ynamides och cyanamider som innehåller en lämplig iodoarylsubenhet. Dessa konjunkturer, som ger en effektiv och enkel till gång till Tri-, Tetra-och pentacyclic kvävgasheterocykler vid kärn strukturerna hos olika natur produkter, visas i figur 7. Dessa resultat diskuteras kortfattat i nästa avsnitt.

1H och 13C NMR Spectra visar bildandet av den rena natur produkten luotonin a (figur 8a, B). De spektroskopiska uppgifterna motsvarar de som tidigare rapporterades33.

1 den första 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 det 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.

Figure 1
Figur 1 . [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som en generell kopparbaserad photoredox-katalysator. (A). Allmänna egenskaper hos [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6. (B). allmän mekanism för aktivering av organiska halogenider. (C) representativa transformationer inklusive reduktion, direkt arylering och cykliseringsreaktioner. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 . Syntes av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 och tillämpning i organisk/naturlig produkt syntes. (A). Syntes av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6. B. direkt arylering av N-metylpyrrol. (C). radikal cyklisering till luotonin a. vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 . Experimentella uppställningar används för direkt arylering av (hetero) Arenes under photoredox villkor. (A). Foto reaktor. (B). blå lysdioder remsor. (C). Photochemistry-enhet och blå LED-lampa. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 . Karaktärisering av [(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 absorptionsspektrum (acetonitril, argon, 23 ° c). (D) utsläpps spektrum (acetonitril, argon, 23 ° c). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5 . Kopparkatalyserad fotoredox direkt arylering av (hetero) Arenes med arylhalogenider. Substratets omfattning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6 . Karaktärisering av 4-(1-metyl-1H-pyrrol-2-yl) benzonitril. (A). 1H NMR Spectrum (cdcl3, 400 MHz, 23 ° c). (B). 13C NMR Spectrum (cdcl3, 100 MHz, 23 ° c). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7 . Fotoinducerad radikal dominocyklisering av ynamides och cyanamider. Substratets omfattning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8 . Karaktärisering av luotonin A. (A). 1H NMR Spectrum (cdcl3, 300 MHz, 23 ° c). (B). 13C NMR-spektrum (cdcl3, 75 MHz, 23 ° c). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Syntes av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6
Syntesen av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 utförs vanligt vis med hjälp av torr diklormetan (destilleras före användning) och under argon för att säkerställa högsta avkastning, renhet och god reproducerbarhet. Som nämns i protokollet kan syntesen av [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 utföras med vanlig diklormetan (99,8%) och/eller under luft med varierande verknings grad. Även om användningen av vanlig diklormetan under argon har samma verknings grad (89% avkastning), ger reaktionen med destillerat diklormetan under luft endast det önskade komplexet i en 75% avkastning. Slutligen ger reaktionen med icke-destillerad diklormetan under luft den önskade anläggningen med en märkbart lägre renhets grad (ca 70% beräknad med 1H NMR med en intern standard). Därför kan man dra satsen att kvaliteten på den använda diklormetan inte har någon stor inverkan på reaktionens verknings grad (hög avkastning och renhet), förutsatt att reaktionen utförs under argon. Å andra sidan, att utföra reaktionen under luft rekommenderas inte, eftersom det ger den önskade komplex med minskad effektivitet och, ännu viktigare, med lägre renhet i kombination med icke-destillerad diklormetan.

Kopparkatalyserad fotoredox direkt arylering av (hetero) Arenes med arylhalogenider
Som illustreras i figur 5, reaktionen konstaterades vara ganska allmän med en serie av 2-arylated pyrroles erhålls i rättvist till bra avkastning. Anmärknings värt, aryl jodider ersättas med en bromid eller en boronate är bekväma utgångs material och därför råd med en utgångs punkt för ytterligare funktionalisering och valorizationen av motsvarande biaryls. BOC-skyddade pyrroles visades också vara lätt arylated med en variation av aryl jodider, stunder som reaktionen kunde också utvidgas till arylationen av några elektron-rika bensen ringer liksom 2, 4, 6-mesitylene, 2, 4, 6-trimethoxybensen och 1, 3- dimetoxibensen. Slutligen, mer utmanande elektron-fattiga aryl bromider kan också användas för direkt arylering av N-metylpyrrol medan oaktiverade aryl bromider och arylklorider är inte reaktiva under reaktions förhållanden, som förmodligen representerar de viktigaste begränsning av detta förfarande. Sammantaget visar dessa resultat att [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 effektivt aktiverar kol-halogenbindningen av flera arylhalogenider för att främja direkt arylering av vissa (hetero) Arenes som måste användas i stora överskott för att uppnå god effektivitet. Denna begränsning är dock gemensam för de flesta förfaranden som hittills har anmälts för att främja samma omvandling.

Som nämnts i avsnittet protokoll, den kopparkatalyserade photoredox direkt arylering av (hetero) Arenes med aryl halogenider utförs huvudsakligen med hjälp av en foto reaktor med bestrålning vid 420 nm. Alternativt, användning av enklare och mer lättillgängliga experimentella uppställningar har också visats, med användning av kommersiellt tillgängliga blå lysdioder remsor, samt en foto kemi enhet med en blå LED-lampa (440 nm, 34W). Intressant, små men märkbara skillnader i effektivitet observeras med hjälp av dessa tre enheter. Medan foto reaktor och blå lysdioder ger den önskade arylated produkten i jämförbara avkastningar (72% respektive 76%), den foto kemiska enheten med en blå LED-lampa ger den högsta avkastningen i önskad produkt (86). Detta beror troligt vis på den mängd ljus som faktiskt tränger in i reaktions blandningen, eftersom det är välkänt att synlig ljus inträngning i lösning som innehåller fotoaktiva arter är ganska låg. Som en följd, den mängd photoredox katalysator som faktiskt aktive ras i lösning, och som är ansvarig för katalys, kan också på något sätt begränsas och bli den begränsande faktorn. Bland de tre experimentella uppställningar som används för direkt arylering av N-metylpyrrol med 4-iodobenzonitril, den fotokemi enheten med en blå LED-lampa är verkligen den mest intensiva, vilket leder till den högsta mängden upphetsad komplexa och därmed, till en högre effektivitet. Sådana överväganden är också avgörande för att skala upp sådana fotoinducerad processer som förmodligen är mer bekvämt utförs under kontinuerligt flöde villkor på större skalor34,35.

Fotoinducerad radikal dominocyklisering av ynamides och cyanamider
Som illustreras i figur 7, [(Dpephos) (BCP) cu] PF6 visades vara en effektiv promotor under synlig ljus bestrålning för radikal dominocyklisering av olika ynamides och cyanamider, ger Tri-, Tetra-eller pentacyclic kväve heterocykler, i rimlig till god avkastning från lätt tillgängliga prekursorer, i kärn strukturerna för olika natur produkter. Denna strategi tillät syntesen av rosettacin, luotonin A, och deoxyvasicinone, naturliga produkter av stort intresse som besitter cancer, antimikrobiella, antiinflammatoriska och antidepressiva aktiviteter. Anmärknings värt, hade cykliseringen av ynamides och cyanamider redan beskrivits av malacria med hjälp av mer klassiska tennbaserade villkor33,36, eller under photoredox villkor av Yu använder mycket minska FAC-IR (PPY) 3 som photoredox katalysator37. Jämfört med tidigare rapporterade metoder, den nya kopparbaserade photoredox system vi rapporterade verkar vara ett attraktivt alternativ eftersom det ger liknande substrat omfattning och avkastning samtidigt som man undviker användning av mycket giftiga bu3snh (Malacria) eller dyra FAC-IR (PPY)3 (Yu). Sammantaget har detta system visat sin effektivitet för aktivering av olika oaktiverade aryl-eller alkyl-kol-halogen obligationer som leder till viktiga strukturer i organisk syntes, liksom i Drug discovery och naturlig produkt syntes.

Sammantaget de resultat som diskuterats ovan belysa effektiviteten i [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som ett alternativ till Iridium-och rutenium-baserade photokatalysatorer. Liknande effektivitets nivåer kan erhållas med en kopparbaserad katalysator som är både mycket lättare att förbereda och mycket billigare. Syntesen av kopparbaserade foto katalysatorn är i tillägg mycket modulära, som banar väg för design och utveckling av andra generationens katalysatorer adressering de viktigaste begränsningarna möttes med [(dpephos) (BCP) cu] PF6 (dvs., den ganska höga katalysator lastning fortfarande krävs i de flesta fall och dess oförmåga att aktivera vissa aryl bromider och arylklorider).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Université Libre de Bruxelles (ULB), Fédération Wallonie-Bruxelles (ARC Consolidator 2014-2019), Innoviris (projektet PhotoCop) och COST-åtgärden CM1202. H.B. erkänner fonds pour la formation à la Recherche dans L' Industrie et dans L' Agriculture (F.R.I.A.) för forskar stipendium. C.T. erkänner fonds de la recherche scientifique (FNRS) för forskar gemenskap.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Encyclopedia of Radicals in Chemistry, Biology and Materials. Chatgilialoglu, C., Studer, A. , Chechester. (2012).
  2. Narayanam, J. M. R., Stephenson, C. R. J. Visible light photoredox catalysis: applications in organic synthesis. Chemical Society Reviews. 40, 102-113 (2011).
  3. 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).
  4. Romero, N. A., Nicewicz, D. A. Organic Photoredox Catalysis. Chemical Reviews. 116 (17), 10075 (2016).
  5. Paria, S., Reiser, O. Copper in Photocatalysis. ChemCatChem. 6 (9), 2477-2483 (2014).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Hernandez-Perez, A. C., Collins, S. K. A Visible-Light-Mediated Synthesis of Carbazole. Angewandte Chemie International Edition. 52 (48), 12696-12700 (2013).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Theunissen, C., Wang, J., Evano, G. Copper-catalyzed direct alkylation of heteroarenes. Chemical Science. 8, 3465-3470 (2017).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Gryko, D. T., Vakuliuk, O., Gryko, D., Koszarna, B. Palladium-Catalyzed 2-Arylation of Pyrroles. The Journal of Organic Chemistry. 74 (24), 9517-9520 (2009).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).

Tags

Kemi koppar katalys photoredox katalys synligt ljus radikala reaktioner C-H arylation radikal cyklisering natur produkter cyanamider ynamides luotonin A
[(DPEPhos) (BCP) cu] PF<sub>6</sub>: en allmän och i stort sett tillämplig kopparbaserad Photoredox Catalyst
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Baguia, H., Deldaele, C., Michelet,… More

Baguia, H., Deldaele, C., Michelet, B., Beaudelot, J., Theunissen, C., Moucheron, C., Evano, G. [(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6: A General and Broadly Applicable Copper-Based Photoredox Catalyst. J. Vis. Exp. (147), e59739, doi:10.3791/59739 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter