1. Rhodium-Catalyzed C-8 Alkylation and Alkynylation of Quinoline N-Oxides via C-H Bond Activation
Quinolines and their derivatives are an important class of N-heterocyclic compounds widely utilized in medicinal and materials chemistry. As a result, the derivatization of quinolines has received considerable attention in synthetic chemistry. We report herein a direct introduction of alkyl and alkynyl groups at the C-8 position of quinoline N-oxide, in which the N-oxide is an effective directing group. Under the optimized rhodium-catalyzed conditions, C-8 alkylation products are obtained using highly stabilized diazo compounds and C-8 alkynylation is achieved with the alkynylated hypervalent iodine reagent. The reaction is generally conducted at room temperature and proceeds efficiently with excellent regioselectivity. In addition, zinc-mediated deoxygenation of the N-oxide products takes place leading to the corresponding quinoline derivatives under mild conditions.
2. Catalytic Deoxygenation of N-Oxides via Oxygen Atom Transfer from N-Oxides to Copper-Carbenoids
A new catalytic procedure of deoxygenation of various types of N-oxides including both heterocyclic and amine derivatives has been developed. With use of diazo compounds as the oxygen acceptor, the reaction proceeds by the catalytic oxygen atom transfer from N-oxides to in situ generated copper-carbenoids. Deoxygenation occurs smoothly over a broad range of substrates with excellent functional group tolerance under mild conditions. In addition, the current method successfully applied to the one-pot synthesis of 8-functionalized quinoline by directly using quinoline. Therefore, this new procedure can be highly useful especially when it is combined with the direct C-H bond activation strategy for the derivatization of heterocyclic compounds using N-oxide as a directing group.
3. Rhodium-Catalyzed C-H Functionalization of Benzamides with Conjugated Ene-Yne-Ketones for the Synthesis of Heterocyclic Compounds
We have developed a novel rhodium-catalyzed C-H functionalization of benzamides employing conjugated ene-yne-ketones as the coupling partner. The dual reactivity of conjugated ene-yne-ketones allowed the formation of both furyl-substituted isoindolinones through rhodium-carbene migratory insertion followed by C-N bond formation and tricyclic isoquinolinones through alkyne insertion followed by intramolecular cyclization. This is the first example of incorporating conjugated ene-yne-ketones into the C-H bond activation, and provides new synthetic methods for heterocyclic compounds. Further studies will focus on controlling the dual reactivity of conjugated ene-yne-ketones and demonstrating the synthetic utility of this methodology.
본 연구에서는 효율적인 화학반응을 위해 다양하게 사용되는 카벤 금속 화합물의 전구체인 디아조 화합물 또는 콘쥬게이션된 엔-아인-케톤을 전이금속 촉매 하에서 탄소-수소 결합 활성화를 통한 탄소-탄소 결합 형성반응과 환원반응에 도입하여 기존의 방법에 비해 효율적으로 헤테로고리 화합물의 유도체를 합성할 수 있는 경로를 개발하였다.
첫째로, 의약 및 소재 산업에서 광범위하게 사용되고 있는 중요한 화합물인 퀴놀린 유도체의 8번 위치에 탄소-탄소 결합을 형성하는 반응을 개발하였다. 로듐 촉매 하에서 지향기인 엔옥사이드의 킬레이트화 도움을 통하여 기존에는 달성하기 어려웠던 8번 위치의 탄소-수소 결합을 높은 위치 선택성으로 활성화할 수 있었고, 디아조 화합물을 사용하여 부산물을 생성하지 않고 알킬기를 도입할 수 있었다. 또한 알키닐기를 포함하는 초원자가 아이오딘 화합물을 사용하여 알키닐화 반응도 개발할 수 있었으며, 새로운 탄소-탄소 결합은 모두 온화한 반응조건에서 높은 위치 선택성으로 형성됨을 확인하였다. 지향기로 사용된 엔옥사이드는 도입된 작용기에 영향을 주지 않고 쉽게 환원반응을 통해 제거할 수 있으므로 이 반응은 8번 위치에 알킬기 또는 알키닐기를 갖는 퀴놀린 유도체의 합성에 효과적으로 활용할 수 있다.
둘째로, 구리 촉매 하에서 디아조 화합물을 이용하여 다양한 헤테로고리 엔옥사이드를 선택적으로 환원시킬 수 있는 새로운 반응을 개발하였다. 본 반응에서 전자 주개-전자 끌개 작용기를 갖는 디아조 화합물은 구리 촉매와의 반응을 통해 카벤 구리 화합물을 형성하여 산소 받개의 역할을 한다. 기존에 알려진 헤테로고리 엔옥사이드의 환원반응에서는 달성할 수 없었던 온화한 반응조건과 높은 선택성으로 인해 다른 작용기에는 영향을 주지 않고 헤테로고리 화합물의 질소에 결합된 산소만 효과적으로 제거할 수 있었다. 따라서, 다양한 작용기를 가진 헤테로고리 엔옥사이드의 선택적인 환원이 가능하므로 이를 중간체로 사용하는 헤테로고리 유도화 반응에 광범위하게 활용될 수 있다. 또한, 본 반응이 헤테로고리 화합물뿐만 아니라 아민 엔옥사이드에도 적용될 수 있음을 확인하였다.
셋째로, 카벤 금속 화합물의 전구체로 디아조 화합물 대신 콘쥬게이션된 엔-아인-케톤을 사용하여 탄소-수소 결합 활성화를 통한 탄소-탄소 결합 형성반응을 통해 두 종류의 헤테로고리 화합물을 생성하는 반응을 개발하였다. 로듐 촉매를 이용한 탄소-탄소 결합 형성 반응에서 콘쥬게이션된 엔-아인-케톤의 이원적 반응성으로 인해 삼환계 이소퀴놀리논과 이소인돌리논이 생성되는 것을 확인했으며, 각 생성물의 구조와 기존의 연구결과를 참고하여 생성 메커니즘을 제안하였다. 촉매, 반응 기질 등에 대한 후속 연구를 통해 콘쥬게이션된 엔-아인-케톤의 이원적 반응성을 조절하여 각 반응에 대한 선택성이 향상된다면, 탄소-수소 결합 활성화를 통해 효율적으로 두 종류의 헤테로고리 화합물을 제조할 수 있으므로 그 활용가치가 높을 것으로 기대된다.
