[(DPEPhos) (BCP) cu] PF6: en generel og bredt anvendelig kobber-baseret Photoredox Catalyst
Summary
Detaljerede og generelle protokoller er præsenteret for syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, en generel kobber-baseret photoredox katalysator, og for dets anvendelse i syntetisk kemi til direkte arylering af C-H obligationer i (hetero) arener og radikale af organiske halogenider.
Abstract
Vores gruppe har for nylig rapporteret brugen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som en generel kobber-baseret photoredox katalysator, som viste sig effektiv til at fremme aktivering af en bred vifte af organiske halogenider, herunder uaktiverede dem. Disse kan derefter deltage i forskellige radikale transformationer såsom reduktion og cyclisering reaktioner, samt i direkte arylering af flere (hetero) Arenes. Disse transformationer giver en nem adgang til en række små molekyler af interesse i syntetisk kemi, samt til biologisk aktive naturprodukter. Helt, [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 fungerer som en bekvem photoredox katalysator, som synes at være et attraktivt, billigt og komplementært alternativ til den state-of-the-art Iridium-og ruthenium-baserede photoredox katalysatorer. Her rapporterer vi en detaljeret protokol for syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, samt NMR og spektroskopiske karakteriseringer, og vi illustrerer dens anvendelse i syntetisk kemi til direkte arylering af (hetero) arener og radikal cyclisering af organiske halogenider. Især direkte arylering af n-methylpyrrollemed 4-iodobenzonitril til at give 4-(1-methyl-1H-pyrrol-2-yl) benzonitril og radikal cyclisering af n-Benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] Cyanamid til at give naturligt produkt luotonin A er detaljerede. Omfanget og begrænsningerne af denne kobberbaserede photoredox-katalysator diskuteres også kort.
Introduction
Radikale transformationer har været kendt i årtier for at give bemærkelsesværdigt effektive veje i syntetisk kemi, som ofte supplerer transformationer baseret på kationiske, anioniske eller pericykliske processer1. Selv om det er særlig lovende for forskellige typer af transformationer, har radikal-baseret kemi dog længe været underudnyttet, hovedsagelig på grund af behovet for meget giftige reagenser, som i betydelig grad begrænser dens tiltrækningskraft. Desuden har radikale processer længe været betragtet som transformationer i forbindelse med dårlig kontrolniveauer i form af regio-og/eller stereoselektivitet, eller fører til omfattende dimeriseringsadfærd og/eller polymeriserings problemer.
Der er for nylig blevet udviklet alternative strategier for at lette produktionen og forbedre kontrollen med de radikale arters reaktivitet. Blandt dem, photoredox katalyse er blevet en af de mest kraftfulde metoder, da det giver mulighed for bekvem generation af radikale arter ved hjælp af en let reagerende sammensatte, nemlig photoredox katalysator, og synlige lys bestråling2,3 . Synligt lys selv er faktisk i stand til at fremme befolkningen i den ophidsede tilstand af photoredox katalysator, der bliver derfor både en stærkere redutant og oxidant end i sin tilsvarende jord tilstand. Disse forbedrede redox egenskaber gør enkelt-elektron Transfer processer, ikke muligt i jorden tilstand, mulig under milde forhold fra ophidset tilstand. I løbet af det seneste årti, synlig lys photoredox katalyse er blevet en attraktiv og kraftfuld teknik i organisk syntese og har gjort det muligt at udvikle talrige bemærkelsesværdigt effektive og selektive transformationer baseret på radikale mellemprodukter frembragt under bæredygtige, milde og brugervenlige forhold.
Mens de fleste fooredox processer rapporteret til dato er domineret af brugen af iridium-og ruthenium-baserede photoredox katalysatorer, samt af nogle organiske farvestoffer såsom pyrylium og acridinium derivater4, billigere alternativer er stadig meget forlangt for udvikling af komplementære processer af interesse for industrielle applikationer. I denne forbindelse forekommer brugen af kobberbaserede fotocelle katalysatorer særlig tiltrækkende, da de ikke blot er billigere, men også giver mulighed for at aktivere et bredere og/eller forskelligt sortiment af substrater, hvilket derfor åbner nye perspektiver i photoredox-katalyse5,6,7,8. På trods af nogle lovende tidlige værker rapporteret af Kutal9, mitani10 og Sauvage11 grupper, photoactivatable kobber komplekser har dog kun været næppe brugt i photoredox katalyse, sandsynligvis på grund af deres kortlivede ophidsede stater i forhold til deres ruthenium-og Iridium-baserede kongenere. For nylig er de seneste bemærkelsesværdige bidrag fra Peters og Fu12,13,14,15, Reiser16,17,18, 19 ud af , 20 og andre gruppe21,22,23,24,25 har tydeligvis bragt opmærksomhed tilbage til kobber-baserede photoredox katalysatorer og demonstreret deres enestående potentiale.
Som en del af vores nylige interesse for kobber-katalyserede radikale processer26,27, vi for nylig rapporterede en generel og bredt anvendelig kobber-baserede photoredox katalysator, [(dpephos) (BCP) cu] PF6 (dpephos: bis [(2- diphenylphosphino) phenyl] ether; BCP: bathocuproin), som viste sig at være særlig effektiv til aktivering af organiske halogenider under synligt lys bestråling (figur 1a)28,29,30. Ved bestråling med synligt lys og i tilstedeværelse af en Amin som offer reducerende, blev det påvist, at en lang række uaktiverede aryl-og alkylhalogenider let kunne aktiveres af katalytiske mængder af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 og derfor deltage i forskellige radikale omdannelser, herunder reduktioner, cycliseringer og direkte arylering af flere elektron-rige (hetero) arener. Desuden har [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 også vist sig at være vellykket med hensyn til at fremme foto fremkaldte radikale Domino-cybe ringer af ynamider og cyanamider, hvilket giver en effektiv og ligetil adgang til komplekse Tri-, Tetra-og pentacycliske nitrogen heterocycles på de centrale strukturer af forskellige naturlige produkter. Denne strategi tillod effektiv syntese af rosettacin, luotonin A, og deoxyvasicinon, naturlige produkter, der udviser anticancer, antimikrobielle, antiinflammatoriske og antidepressivt aktiviteter. Disse transformationer er illustreret i figur 1c. Fra et mekanisk synspunkt indtægter den foto inducerede aktivering af organiske halogenider med [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 gennem en sjælden cu (i)/cu (i) */cu (0) katalytisk cyklus, som er blevet bekræftet af omfattende mekanistiske og foto ofysiske undersøgelser. Især excitation af jord tilstanden [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 [cu (i)] ved bestråling af synligt lys fører til dannelsen af det tilsvarende spændte kompleks [(dpephos) (BCP) cu] PF6* [cu (i) *], som derefter reduceres med offeramin til at generere de tilsvarende [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 [cu (0)] arter. Denne cu (0) mellemprodukt er reduktiv nok til at reducere Carbon-halogen binding af forskellige organiske halogenider til at generere de tilsvarende radikaler, som derefter kan deltage i de førnævnte transformationer, sammen med regenerering af start katalysator (figur 1b).
I det følgende afsnit beskriver vi først den protokol, der skal syntetisere den fotoaktivatable [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 (hvis NMR og spektroskopiske karakterisering er præsenteret i afsnittet repræsentative resultater). Syntesen er ligetil og særlig praktisk, og kræver blot tilsætning af 1 ækvivalent af DPEPhos og 1 ækvivalent af BCP til en opløsning af tetrakisacetonitril kobber (I) hexafluorophosphat i dichlormethan. Den ønskede [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 isoleres derefter ved udfældning fra diethylether og kan let opnås på en multigram skala (figur 2a). Det er vigtigt, at det isolerede kobber kompleks ikke er særligt følsomt over for ilt og fugt, og at det derfor kan håndteres bekvemt uden andre specifikke forholdsregler end at blive opbevaret væk fra lys.
For det andet beskriver vi protokollerne til aktivering af organiske halogenider ved hjælp af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 under synligt lys bestråling ved at fokusere på to forskellige transformationer. Den første reaktion er direkte arylering af N-methylpyrrollemed 4-iodobenzonitril ved hjælp af katalytiske mængder af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som photoredox katalysator, dicyclohexylisobutylamin som offer redukterende og kalium karbonat som base under bestråling ved 420 nm (figur 2b). Den anden reaktion er den radikale cyklisering af n-Benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] Cyanamid, ved hjælp af den samme katalysator og offer reduktionsmiddel, hvis cyklisering direkte fører til luotonin a, et naturligt produkt, der viser interessante anticancer aktiviteter (figur 2c). Der findes detaljerede protokoller for begge transformationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Syntese af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6
Syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 udføres typisk ved hjælp af tør dichlormethan (destilleret før brug) og under argon for at sikre det højeste udbytte, renhed og god reproducerbarhed. Som nævnt i protokollen kan syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 udføres med almindelig dichlormethan (99,8%) og/eller under luft med variable effektivitetsgevinster. Mens brugen af almindelig dichlormethan under argon gav samme effektivitet (…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Université Libre de Bruxelles (ULB), Fédération Wallonie-Bruxelles (ARC Konsolidator 2014-2019), Innoviris (projekt Fotokopiop) og COST-aktion CM1202. H.B. anerkender fonds pour la formation à la Recherche dans l’Industrie et dans l’Agriculture (F.R.I.A.) for Graduate Fellowship. C.T. anerkender fonds de La recherche scientifique (FNRS) for forskningsstipendiat.
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 |
References
- 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).
