[(DPEPhos) (BCP) cu] PF6: en allmän och i stort sett tillämplig kopparbaserad Photoredox Catalyst
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.
Protocol
Representative Results
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 v…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
Riferimenti
- Chatgilialoglu, C., Studer, A. . Encyclopedia of Radicals in Chemistry, Biology and Materials. , (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. Organic Photoredox Catalysis. Chemical Reviews. 116 (17), 10075 (2016).
- Paria, S., Reiser, O. Copper in Photocatalysis. ChemCatChem. 6 (9), 2477-2483 (2014).
- 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., Stephenson, C. R. J., Yoon, T. P., MacMillan, D. W. C. Visible Light and Copper Complexes: A Promising Match in Photoredox Catalysis. Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry. , 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. A Visible-Light-Mediated Synthesis of Carbazole. Angewandte Chemie International Edition. 52 (48), 12696-12700 (2013).
- 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. Copper-catalyzed direct alkylation of heteroarenes. Chemical Science. 8, 3465-3470 (2017).
- 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. Palladium-Catalyzed 2-Arylation of Pyrroles. The Journal of Organic Chemistry. 74 (24), 9517-9520 (2009).
- 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., Stephenson, C. R. J., Yoon, T. P., MacMillan, D. W. C. Accelerating Visible-Light Photoredox Catalysis in Continuous-Flow Reactors. Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry. , 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).
