Part 1. Rh-N-Heterocyclic Carbene(NHC) Catalyst Systems in C-H Functionalization
2.Rh(NHC)-Catalyzed Direct and Selective Arylation of Quinolines at the 8-Position
A new catalytic protocol for the regioselective direct arylation of quinoline derivatives at the 8-position has been developed. The reaction is catalyzed by a Rh(NHC) system, and the choice of the NHC ligand was most important for achieving high reactivity and selectivity.
3. Rollover Cyclometalation Pathway in Rhodium Catalysis: Dramatic NHC Effects in the C-H Bond Functionalization
Organometallic chelates are readily obtained upon coordination of metal species to multidentate ligands. Because of the robust structural nature, chelation frequently serves as a driving force in the molecular assembly and chemical architecture, and they are used also as an efficient catalyst in numerous reactions. Described herein is the development of a Rh(NHC) catalytic system for the hydroarylation of alkenes and alkynes with 2,2′-bipyridines (bipy) and 2,2′-biquinolines; the most representative chelating molecules. Initially generated (bipy)Rh(NHC) chelates become labile because of the strong trans-effect of N-heterocyclic carbenes, thus weakening a rhodium-pyridyl bond, which is trans to the bound NHC. Subsequent rollover cyclometalation leads to the C-H bond activation, eventually giving rise to double functionalization of chelate molecules. Density functional calculations are in good agreement with our mechanistic proposal based on the experimental data. The present study elucidated for the first time the dramatic NHC effects on the rollover cyclometalation pathway enabling highly efficient and selective bisfunctionalization of 2,2′-bipyridines and 2,2′-biquinolines.
4. Ir(III)-Catalyzed Mild C-H Amidation of Arenes and Alkenes: An Efficient Usage of Acyl Azides as the Nitrogen Source
Reported herein is the development of the Ir(III)-catalyzed direct C-H amidation of arenes and alkenes using acyl azides as the nitrogen source. This procedure utilizes an in situ generated cationic half-sandwich iridium complex as a catalyst. The reaction takes place under very mild conditions, and a broad range of sp2 C-H bonds of chelate group-containing arenes and olefins are smoothly amidated with acyl azides without the intervention of the Curtius rearrangement. Significantly, a wide range of reactants of aryl-, aliphatic-, and olefinic acyl azides were all efficiently amidated with high functional group tolerance. Using the developed approach, Z-enamides were readily accessed with a complete control of regio- and stereoselectivity. The developed direct amidation proceeds in the absence of external oxidants and releases molecular nitrogen as a single byproduct, thus offering an environmentally benign process with wide potential applications in organic synthesis and medicinal chemistry.
Part 1. 로듐-N-헤테로고리 카벤 리간드 촉매 시스템을 이용한 탄소-수소 결합 활성화 반응
탄소-수소 결합 활성화 반응은 반응성이 매우 낮은 탄소-수소 결합을 선택적으로 활성화하여 새로운 화학결합의 생성을 가능하게 한다. 따라서 매우 복잡한 구조의 화합물의 합성에 있어서 효율적인 합성경로를 제공하며, 하나의 분자에서 높은 수준의 분자다양성을 얻을 수 있기 때문에 많은 분야에서 각광을 받고 있다. 하지만 한 분자 내에 존재하는 여러 탄소-수소 결합들간의 반응성의 차이가 크지 않기 때문에 선택적으로 원하는 위치의 탄소-수소 결합을 활성화 하는데 아직 많은 어려움이 있다.
본 연구에서는 최근에 개발된 로듐-N-헤테로고리 카벤(N-heterocyclic carbene, NHC) 리간드 촉매 시스템을 이용한 탄소-수소 결합 활성화 반응을 더욱 더 확장하여 유도기가 없는 퀴놀린 분자의 8번 위치의 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응을 개발하였다. 로듐 촉매와 IMes 리간드, 그리고 당량의 sodium tert-butoxide 염기를 이용하였을 때 높은 수율과 높은 위치선택성을 보여주었으며, 다른 포스핀 계열 리간드를 사용하였을 때에는 반응성이 매우 낮은 것을 알 수 있었다. 이러한 반응 조건을 이용하여 다양한 치환기가 있는 퀴놀린 유도체에 아릴화 반응을 수행하였을 때, 높은 수준의 위치선택성을 지닌 아릴화 생성물을 높은 수율로 얻을 수 있었다. 반응 내에서 두 분자 혹은 그 이상의 로듐이 관여하여 열역학적으로 안정한 5각형 고리금속화 반응을 통하여 8번 위치가 활성화 될 것으로 예상하며, 2 이상의 동위원소 효과가 있는 것으로 보아 탄소-수소 결합 활성화 반응이 속도결정단계에 관여하는 것을 알 수 있었다.
두 번째로는 두자리 킬레이션이 가능한 2,2’-bipyridine 유도체의 수소화 아릴첨가 반응에 대한 연구이다. 2,2’-Bipyridine 계열의 화합물은 전이금속과 강한 두자리 킬레이트 금속착물을 형성하기 때문에 전이금속의 리간드로서 주로 사용되고 있다. 이렇게 형성된 킬레이트 착물은 매우 안정하기 때문에 금속에 배위된 2,2’-bipyridine은 다른 화학반응에 참여하지 못한다. NHC 리간드는 매우 높은 전자밀도를 금속에 주는 것으로 알려져 있으며, 높은 트랜스 효과 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서 로듐-NHC 시스템은 매우 안정한 두자리 킬레이션을 끊어서 고리금속화 반응을 가능할 것으로 예상되며, 실제로 본 연구에서 이를 이용하여 알켄과 반응하여 수소화 아릴첨가 반응이 가능한 것을 보였다. 이 반응의 경우에 로듐 촉매와 IMes 리간드, 촉매량의 sodium tert-butoxide를 이용하며, 다양한 종류의 2,2’-bipyridine 유도체와 알켄을 이용하여 높은 수율의 생성물을 얻을 수 있었다. 다양한 메커니즘 연구와 양자계산을 통하여 두자리 킬레이트 로듐-NHC 금속착물에서 NHC 리간드에 의한 트랜스 효과가 실제로 반응에 중요한 역할을 하는 것을 밝혔다. 또한 이 반응을 이용하여 최근에 각광을 받고 있는 유기촉매의 한 종류인 2,2’-bipyridine-N,N’-dioxide 구조를 지닌 화합물을 3 단계 만에 효율적으로 얻을 수 있었다.
Part 2. 이리듐 촉매 시스템을 이용한 탄소-질소 결합 활성화 반응
일반적으로 이리듐(III)-Cp* (pentamethylcyclopentadienyl) 의 경우, 유도기를 지닌 화합물과 반응하여 고리금속화 착물을 매우 잘 형성하는 것으로 알려져 있다. 하지만 이렇게 생성된 고리금속화 착물은 매우 안정하기 때문에 다른 반응을 촉진시키는 촉매로 사용된다. 따라서 이리듐-Cp* 착물은 낮은 반응온도에서 탄소-수소 결합 활성화에 매우 효과적이지만 생성된 착물이 반응성이 매우 낮기 때문에 탄소-수소 결합 활성화 반응에 있어서 촉매로서의 가능성은 매우 낮다. 본 연구에서는 매우 안정한 이리듐-Cp* 착물을 유기아자이드를 이용하여 높은 산화수를 지닌 이리듐-nitrenoid 중간체를 형성하도록 하여 효율적인 탄소-질소 결합 반응의 촉매로서 작용할 수 있는 것을 보여주었다. 다양한 종류의 아미드 화합물과 유기아자이드를 이용하여 상온에서 낮은 촉매량 만으로도 효과적으로 탄소-질소 결합이 생성되는 것을 알 수 있었으며, 아미드가 치환된 알켄 화합물에도 적용하여 합성적으로 유용한 Z-선택적인 인아마이드 화합물의 합성에 적용할 수 있었다. 메커니즘 연구를 통하여 탄소-수소 결합 활성화 단계가 속도결정단계에 관여하는 것을 알 수 있었으며, 고리금속화 착물을 통하여 촉매반응이 진행되는 것을 알 수 있었다.
