[(DPEPhos) (BCP) cu] PF6: un catalizzatore di Photoredox a base di rame generale e ampiamente applicabile
Summary
Protocolli dettagliati e generali sono presentati per la sintesi di [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, un catalizzatore di fotoredox a base di rame generale, e per il suo uso in chimica sintetica per l’arilazione diretta di legami C-H in (Hetero) Arenes e radicali la ciclizzazione di alogenuri organici.
Abstract
Il nostro gruppo ha recentemente riferito l’uso di [(dpephos) (BCP) cu] PF6 come catalizzatore di foto-ossidoriduttiva a base di rame che si è rivelato efficace per promuovere l’attivazione di un’ampia varietà di alogenuri organici, compresi quelli non attivati. Questi possono quindi partecipare a varie trasformazioni radicali come la riduzione e le reazioni di ciclizzazione, così come nella arilazione diretta di diversi (Hetero) Arenes. Queste trasformazioni forniscono un accesso diretto a una gamma di piccole molecole di interesse nella chimica sintetica, nonché a prodotti naturali biologicamente attivi. Complessivamente, [(dpephos) (BCP) cu] PF6 agisce come un comodo catalizzatore foto-ossidoriduttiva che sembra essere un’alternativa attraente, economica e complementare ai catalizzatori di fotoredox a base di Iridium e rutenio. Qui, riportiamo un protocollo dettagliato per la sintesi di [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, così come NMR e le caratterizzazioni spettroscopiche, e ne illustriamo il suo uso nella chimica sintetica per l’arilazione diretta di (Hetero) Arenes e la ciclizzazione radicale di alogenuri organici. In particolare, l’arilazione diretta di n-metilpirrolo con 4-iodobenzonitrile per permettersi 4-(1-metil-1H-pirrol-2-il) benzonitrile e la ciclizzazione radicale di n-benzoil-n-[(2-iodoquinolin-3-il) metile] cyanamide per permettersi naturale prodotto luotonin a sono dettagliati. Anche la portata e le limitazioni di questo catalizzatore fotoredox a base di rame sono brevemente discusse.
Introduction
Le trasformazioni radicali sono conosciute da decenni per fornire percorsi straordinariamente efficienti nella chimica sintetica che sono spesso complementari alle trasformazioni basate su processi cationici, anionici o pericicliche1. Pur essendo particolarmente promettente per vari tipi di trasformazioni, la chimica basata sui radicali è stata da tempo sottosfruttata, soprattutto a causa della necessità di reagenti altamente tossici che ne limitano considerevolmente l’attrattiva. Inoltre, i processi radicali sono stati da tempo considerati come trasformazioni associate a livelli di controllo scarsi in termini di Regio-e/o stereoselettività, o che portano a problemi di dimerizzazione e/o polimerizzazione estesi.
Sono state recentemente sviluppate strategie alternative per facilitare la generazione e controllare meglio la reattività delle specie radicali. Tra questi, la catalisi foto-ossidoriduttiva è diventata uno dei metodi più potenti in quanto consente la generazione conveniente di specie radicali utilizzando un composto reattivo alla luce, vale a dire il catalizzatore foto-ossidoriduttiva, e la luce visibile irradiazione2,3 . La luce visibile stessa è infatti in grado di promuovere la popolazione dello stato eccitato del catalizzatore fotoredox che diventa, di conseguenza, sia un più forte riducente e ossidante che nel suo stato di terra corrispondente. Queste proprietà redox migliorate rendono i processi di trasferimento a singolo elettrone, non fattibile nello stato di terra, possibili in condizioni miti dallo stato eccitato. Negli ultimi dieci anni, la catalisi della luce visibile fotoredox è diventata una tecnica attraente e potente nella sintesi organica e ha permesso lo sviluppo di numerose trasformazioni straordinariamente efficienti e selettive basate su intermedi radicali generati in condizioni sostenibili, miti e di facile utilizzo.
Mentre la maggior parte dei processi fotoredox segnalati fino ad oggi sono dominati dall’uso di catalizzatori di fotoredox a base di Iridium e rutenio, così come da alcuni coloranti organici come il pyrylium e i derivati di acridinio4, le alternative più economiche sono ancora molto richieste per lo sviluppo di processi complementari di interesse per le applicazioni industriali. A questo proposito, l’uso di catalizzatori di fotoredox a base di rame appare particolarmente attraente in quanto non solo sono più economici, ma offrono anche l’opportunità di attivare una gamma più ampia e/o diversa di substrati, che quindi apre nuove prospettive in catalisi fotoredox5,6,7,8. Nonostante alcuni promettenti primi lavori segnalati dal Kutal9, Mitani10 e Sauvage11 gruppi, complessi di rame fotoattivabili, tuttavia, sono stati solo scarsamente utilizzati nella catalisi fotoredox, molto probabilmente a causa della loro stati eccitati di breve durata rispetto ai loro congeniti a base di rutenio e di iridio. Più recentemente, i recenti notevoli contributi di Peters e fu12,13,14,15, Reiser16,17,18, 19 anni di , 20 e altri gruppi21,22,23,24,25 hanno chiaramente portato l’attenzione ai catalizzatori a base di rame fotoredox e hanno dimostrato la loro un potenziale unico.
Come parte del nostro recente interesse nei processi radicali catalizzati di rame26,27, abbiamo recentemente riferito un catalizzatore fotoredox a base di rame generale e ampiamente applicabile, [(dpephos) (BCP) cu] PF6 (dpephos: bis [(2- fenilfosfina) fenil] etere; BCP: bathocuproine), che si è rivelato particolarmente efficiente per l’attivazione di alogenuri organici sotto irraggiamento della luce visibile (Figura 1a)28,29,30. In caso di irradiazione con luce visibile e in presenza di un’ammina come reductant sacrificale, è stato dimostrato che un’ampia gamma di alogenuri di arile e alchilici non attivati è stata facilmente attivata da quantità catalitiche di [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 e quindi a partecipare in varie trasformazioni radicali tra cui riduzioni, ciconazioni e arilazione diretta di diversi elettroni ricchi (Hetero) Arenes. Inoltre, [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 ha anche dimostrato di essere riuscito a promuovere le cicazioni di Domino radicale fotoindotta di ynamides e cyanamides, fornendo un accesso efficiente e diretto a Tri-, Tetra-e azoto pentaciclico complesso eterocicli alle strutture di base di vari prodotti naturali. Questa strategia ha permesso la sintesi efficace di rosettacina, luotonina a, e deoxyvasicinone, prodotti naturali che presentano attività anticancro, antimicrobica, anti-infiammatorie e antidepressivi. Queste trasformazioni sono illustrate nella Figura 1C. Dal punto di vista meccanicistico, l’attivazione fotoindotta degli alogenuri organici con [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 procede attraverso un ciclo catalitico raro cu (i)/cu (i) */cu (0), che è stato confermato da ampi studi meccanicistici e fotofisici. In particolare, l’eccitazione dello stato del suolo [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 [Cu (i)] al momento dell’irradiazione da parte della luce visibile conduce alla formazione del corrispondente complesso eccitato [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6* [Cu (i) *] che viene poi ridotto dal ammina sacrificale per generare le corrispondenti specie [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 [Cu (0)]. Questo intermedio cu (0) è abbastanza riduttivo per ridurre il legame carbonio-alogeno di vari alogenuri organici per generare i corrispondenti radicali, che possono poi partecipare alle suddette trasformazioni, insieme con la rigenerazione della partenza catalizzatore (Figura 1B).
Nella sezione seguente, descriviamo per prima cosa il protocollo per sintetizzare il fotoactivatable [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 (le cui NMR e le caratterizzazioni spettroscopiche sono presentate nella sezione dei risultati rappresentativi). La sintesi è semplice e particolarmente conveniente, e richiede semplicemente l’aggiunta di 1 equivalente di DPEPhos e 1 equivalente di bcp a una soluzione di rame tetrakisacetonitrile (I) Esafluorofosfato in diclorometano. Il desiderato [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 viene quindi isolato per precipitazione dall’etere dietilico e può essere facilmente ottenuto su una scala Multigram (Figura 2a). È importante sottolineare che il complesso di rame isolato non è particolarmente sensibile all’ossigeno e all’umidità e può quindi essere comodamente manipolato senza precauzioni specifiche, oltre a essere conservato lontano dalla luce.
In secondo luogo, descriviamo i protocolli per attivare alogenuri organici utilizzando [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 sotto irraggiamento della luce visibile concentrandosi su due diverse trasformazioni. La prima reazione è l’arilazione diretta di N-metilpirrolo con 4-iodobenzonitrile utilizzando una quantità catalitica di [(dpephos) (BCP) cu] PF6 come fotoredox catalizzatore, dicyclohexylisobutylamine come il riducente sacrificale e potassio carbonato come base sotto irradiazione a 420 Nm (Figura 2B). La seconda reazione è la ciclizzazione radicale di n-benzoil-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) metile] cianamide, utilizzando lo stesso catalizzatore e reductant sacrificale, la cui ciclizzazione conduce direttamente a luotonina a, un prodotto naturale che Mostra attività antitumorali interessanti (Figura 2C). Sono disponibili protocolli dettagliati per entrambe le trasformazioni.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sintesi di [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6
La sintesi di [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 viene tipicamente eseguita utilizzando il diclorometano secco (distillato prima dell’uso) e sotto l’argon per garantire la massima resa, purezza e buona riproducibilità. Come menzionato nel protocollo, la sintesi di [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 può essere eseguita con il diclorometano regolare (99,8%) e/o sott’aria con efficienze variabili. Infatti, mentre l’uso di diclorometano regolare sotto l’a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dall’Université Libre de Bruxelles (ULB), dalla Fédération Wallonie-Bruxelles (ARC Consolidator 2014-2019), Innoviris (progetto PhotoCop), e dall’azione COST CM1202. La beatitudine riconosce il Fonds pour la formation à la recherche dans l’industrie et dans l’Agriculture (F.R.I.A.) per la borsa di laurea. La TAC riconosce il Fonds de la recherche scientifique (FNRS) per la borsa di ricerca.
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).
