Part 1. Copper-Catalyzed Three-Component Reactions
1. Non-Conventional Hydrative Amide Synthesis
It is shown for the first time that N-sulfonyl amides can be efficiently prepared by an unconventional approach of the hydrative reaction between terminal alkynes, sulfonyl azides, and water in the presence of copper catalyst and amine base under very mild conditions. The present route is quite general, and a wide range of alkynes and sulfonyl azides are readily coupled catalytically with water to furnish amides in high yields. A variety of labile functional groups are tolerated under the conditions, and the reaction is regioselective in that only terminal alkynes react while double or internal triple bonds are intact. The reaction can be readily scaled up and is also adaptable to a solid-phase procedure with high efficiency. Furthermore, a wide range of propargyl alcohols and sulfonyl azides react to provide β-hydroxy N-sulfonamides in good to excellent yields. Polyhydroxy amides could be synthesized stereoselectively, proving this as a new practical aldol-surrogate strategy.
2. Preparation of 2-Imino Pyrroles
A new Cu-catalyzed three-component coupling reaction between 1-alkynes, sulfonyl azides, and pyrrole derivatives has been developed for making 2-functionalized pyrrole rings. This C-C bond formation offers high efficiency and selectivity, mild reaction conditions, and a wide substrate scope.
Part 2. Transition-Metal Catalyzed C-H Bond Functionalization: Facile Construction of C-C and C-N Bond
1. Pd-Catalyzed C-H Bond Functionalization of Pyridine N-Oxides
Two catalytic protocols of the oxidative C??C bond formation have been developed on the basis of the C-H bond activation of pyridine N-oxides. Pd-catalyzed alkenylation of the N-oxides proceeds with excellent regio-, stereo-, and chemoselectivity, and the corresponding ortho-alkenylated N-oxide derivatives are obtained in good to excellent yields. Direct cross-coupling reaction of pyridine N-oxides with unactivated arene was also developed in the presence of Pd catalyst and Ag oxidant, which affords ortho-arylated pyridine N-oxide products with high site-selectivity.
2. Silver-Mediated Direct Amination of Benzoxazoles
Formamides or parent amines were used as an amino group source for the silver-mediated amination of benzoxazoles. Although reactions with formamides proceeded at high temperatures, the direct amination with amines took place under much milder conditions. Optically active amino groups could also be installed without racemization.
3. Intramolecular Oxidative C-N Bond Formation Reactions
A new synthetic approach to carbazoles, starting from N-substituted amidobiphenyls, has been developed using either copper-facilitated or metal-free conditions in the presence of hypervalent iodine oxidants. While bis(trifluoroacetoxy)iodobenzene alone works as a single oxidant to provide carbazole products in acceptable yields, a combined use of copper(II) triflate and phenyliodonium diacetate, significantly accelerates the reaction efficiency, thus giving a diverse range of products with good to excellent yields. Although a Cu(I)/Cu(III) catalytic cycle was initially proposed in this intramolecular oxidative cyclization, it was later revealed that the copper species plays a role simply as a catalytic activator of phenyliodonium diacetate on the basis of detailed mechanistic studies including kinetic profile and isotope effects.
Part 1. Copper-Catalyzed Three-Component Coupling Reactions
다성분 짝지음 반응은 여러 반응제를 한번의 화학 반응으로 다양한 분자 결합을 형성할 수 있기 때문에 친환경적이고 경제적인 반응이다. 따라서 유기반응 방법론에서는 다성분 짝지음 반응의 개발이 크게 요구되고 있지만 발전은 더딘 상황이다.
본 연구에서는 구리 촉매를 이용한 알킨, 술폰 아지드, 물의 삼성분 짝지움 반응을 통해 효과적인 아미드 결합 형성 방법을 개발 하였다. 이 반응은 물을 첨가제가 아닌 용매로 사용할 수도 있으며, 이 경우 획기적으로 반응속도가 증가하게 된다. 또한 반응제의 조절을 통해 알돌 유도체를 만드는 새로운 접근 방법을 제시 할 수 있다. 뿐만 아니라 그램 스케일로도 합성이 가능해 유기 합성 및 제약 산업에서의 이용이 예상된다.
흥미로운 점은 반응에서 물 대신 피롤을 반응물질로 사용했을 경우 새로운 탄소-탄소 결합이 형성된다는 것이다. 생리 활성이 좋다고 알려진 피롤 유도체를 만드는 또 다른 접근 방법이 될 것으로 기대한다. 그리고 코롤 또는 포피린 유도체를 반응제로 사용하였을 때 반응이 원활하게 수행됨에 따라 금속 배위화학에 다양한 응용을 할 수 있을 것으로 기대 된다.
Part 2. Transition-Metal Catalyzed C-H Bond Functionalization: Facile Construction of C-C and C-N Bond
기존 클래식한 유기화학의 방법은 활성화된 작용기가 존재하는 출발물질로 사용하기 때문에 이를 만들기 위해 두 단계 이상의 화학 반응을 거쳐야 하고, 또한 반응이 종결된 후에도 수많은 부산물들이 생성되기 때문에 이를 줄이는 반응이 요구되고 있다. 즉, 활성화된 작용기가 없는 상태인 탄소-수소 결합을 선택적으로 활성화 하여 화학반응을 보낼 수 있다고 화합물을 경제적으로 제조할 수 있는 반응방법을 확립한다면 금세기 최대의 학문적 진보인 동시에 사회ㆍ경제ㆍ산업적으로 매우 큰 파급효과를 줄 것이다.
본 연구에서는 첫 번째로 피리딘-N-옥씨드 유도체의 2번 위치 탄소-수소를 팔라듐 촉매를 사용하여 선택적으로 활성화 한 뒤 알킨 (alkene) 유도체 및 벤젠 유도체를 도입하는 새로운 탄소-탄소 형성 반응을 개발 하였다. 그리고 N-옥씨드 작용기의 경우 쉽게 제거가 가능하기 때문에 다양한 피리딘 화합물을 효율적인 방법으로 합성할 수 있다는 것에 큰 의미가 있다.
두 번째로 벤즈옥사졸 유도체의 1번 위치의 탄소-수소 결합 자리에 은과 브뢴스테드 산 존재 하에서 DMF 또는 아민이 반응제로 사용하는 새로운 분자간 탄소-질소 형성반응을 개발 하였다. 특히 탄소-수소 활성화를 통해 분자간 반응으로 질소를 도입하는 반응은 어려움이 있었기에 이 반응의 의미가 크다 하겠다. 또한 합성한 2-아미노 벤즈옥사졸 유도체들의 경우 의약화학에서 다양한 생리 활성을 보인다고 알려져 있기 때문에 앞으로 다양한 응용이 기대된다.
세 번째로 구리 촉매를 이용한 분자내 탄소-수소 활성화 및 탄소-질소 결합을 통한 비대칭적 카바졸 합성방법을 개발 하였다. 비대칭 카바졸 화합물의 경우 고분자 화학뿐만 아니라 다양한 천연물의 골격으로 사용되고 있는 만큼 다양한 합성 방법이 요구되고 있는데, 본 연구에서는 값싼 구리 촉매와 산화제의 조합을 통해서 온건한 조건에서 원하는 반응이 진행됨을 관찰 하였다. 흥미로운 점은 구리 촉매가 존재 하지 않아도 적절한 산화제를 선택하게 되었을 때도 반응이 진행된다는 점이다. 그리고 우리는 이러한 반응 경로를 반응 차수 실험을 통해 밝힐 수 있었다.
