$\Bf{Part 1. Rhodium-Catalyzed Conversion of Aldoximes to Amides Using N-Heterocyclic Carbene Ligands in Mild Reaction Conditions}$
It was found that the catalytic activity of rhodium complexes was highly sensitive to the type of $\It{N}$-heterocyclic carbene (NHC) ligands in the conversion of aldoximes to amides. Among those species examined, the (cyclooctadiene)rhodium chloride-carbene complex Rh(cod)(IMes)Cl exhibited the highest reactivity when it was employed in combination with a Brønsted acid, thus allowing mild reaction conditions. A significant rate acceleration effect resulting from the addition of nitrile additives was also observed. With the new protocol, the substrate scope of aldoximes has been widely expanded to include sterically congested and electronically varied derivatives. On the basis of detailed mechanistic studies, it is proposed that the reaction proceeds mainly via intramolecular electrophilic addition of aldoxime to rhodium-bound nitrile, which is different from the generally postulated two-step route: dehydration of aldoxime to nitrile followed by hydration of the latter intermediate.
$\Bf{Rhodium(NHC)-Catalyzed C-H Functionalization of Arenes via the Proton Abstraction Mechanism}$
A new catalyst system of rhodium was developed for the chelation-assisted direct intermolecular arylation with the help of electron-rich $\It{N}$-heterocyclic carbene (NHC) and phosphine ligands. The reaction is operationally simple, and proceeds smoothly under mild conditions to afford mono- or di- arylated products in excellent yields. The present protocol could be readily applied for the arylation at the $sp^3$ or $sp^2$ C-H bonds of 2-pyridyl-containing aryl, vinyl, or alkyl moieties.
$\Bf{Part 3. Rhodium(NHC)-Catalyzed C-N Bond Formation: Amination of Aryl Halides}$
The Rhodium-catalyzed amination reaction of aryl halides with amines has been developed with the use of $\It{N}$-heterocyclic carbene (NHC) ligand (IiPr = 1,3-diisopropylimidazol-2-ylidene). A practical route to the preparation of the active metal species was also revealed. The present procedure of the Rh-catalyzed $\It{N}$-arylation is convenient to carry out under mild conditions displaying a wide range of substrate scope and high degree of functional group tolerance.
탄소-질소 결합은 다양한 약학적 활성을 가지는 물질 및 우리 몸의 대사에 관계되는 물질에 기본 뼈대일 뿐 아니라, 합성적 그 중요성 역시 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 탄소-질소 결합을 효율적으로 형성하는 반응은 유기화학자의 주요한 관심사이다. 그 중에서도 할로겐화아릴과 아민을 결합시키는 짝지움 반응은 팔라듐과 구리 촉매를 중심으로 다양한 반응 조건과 반응 경로에 대한 연구가 다각도로 수행되어왔다. 그러나 여전히 좀 더 높은 활성과 독특한 반응성, 친환경적인 시스템을 위한 연구가 수행되고 있다.
로듐을 사용하는 탄소-질소 결합 생성 반응의 경우에는 하이드로아미네이션이라고 불리는 불포화탄화수소와 아민을 결합시키는 반응과, 산화제를 사용하는 형태의 탄소-수소 아미네이션 반응과 알릴자리 아미네이션등이 연구되고 있다. 하지만 로듐 촉매 시스템 하에서의 할로겐화아릴과 아민의 직접적인 짝지움 반응은 아직 학계에 보고된 예가 없다.
본 연구에서는 최근 보고한 일련의 로듐과 N-헤테로고리 카벤 리간드를 함께 사용하는 반응 조건으로 이러한 형태의 할로겐화아릴의 아미네이션 반응 역시 수행가능 할 것이라는 아이디어로 연구를 시작하게 되었다.
아릴레이션과 그 반응의 근원에 비슷한 점이 많다고 할 수 있는 할로겐화아릴의 아미네이션 반응 역시 로듐시스템에 N-헤테로고리 카벤 리간드를 사용할 때 그 활성을 보여주었지만, 아릴레이션과는 다르게 두 개의 알킬그룹으로 치환 된 형태의 N-헤테로고리 카벤 리간드만 그 활성을 나타내었다.
아미네이션 반응은 기존에 아릴레이션에서 극복하지 못했던 배위그룹이 달린 반응물들에 대하여서도 우수한 수율을 보여주었고, 다양한 형태의 반응물과 효과적으로 반응에 참여하였다. 뿐만 아니라, 염기를 강염기인 부톡사이드에서 세슘 카보네이트로 변경 가능하였는데, 이를 통해서 좀 더 다양한 작용기를 도입할 수 있었다. 그 예로 팔라듐과 구리 시스템에서는 어려울 것으로 예상되는 보론이 첨가되어있는 작용기에 대하여서도 우수한 선택성을 보여주었다.
