In contrast to the well-studied stoichiometric cyclometalation of half-sandwich iridium(III)-complexes with chelation group containing arenes via C-H cleavage, the development of iridium(III)-catalyzed direct C-H functionalization is still in infancy and the reported catalytic procedures are largely limited to C-N bond formation. In this context, herein we describe the development of iridium(III)-catalyzed oxidative C-H arylation reactions.
First, we have developed $Cp^\ast$Ir(III)-catalyzed mild and external oxidant free C-H arylation of arenes and alkenes using aryldiazonium salts as both an aryl precursor and an oxidant via $C-N_2$ bond cleavage. A series of mechanistic studies disclosed that the reaction proceeds via the formation of an Ir(V)-aryl intermediate, which is proposed to be the turnover-limiting step. Synthetic utility of the developed arylation procedure was also demonstrated for the (Z)-selective arylation of enamides and C8-selective arylation of quinoline N-oxides.
Second, $Cp^\ast$Ir(III)-catalyzed cross-coupling of C($sp^2$)-H bonds with arylsilanes, aryl nucleophiles, has also been developed. This arylation procedure clearly demonstrates that $Cp^\ast$Ir(III)-catalyst system can mediate the facile carbon-aryl bond formation under ambient reaction conditions in the presence of an oxidant. In addition, this is the first example of the iridium(III)-catalyzed oxidative C-H arylation being compatible with an external oxidant. Mechanistic investigations disclosed that either in-situ generated copper- or silver-aryl species might be involved in the transmetalation step, leading to the formation of isolable iridium(III)-aryl complex. In addition, it was also proved that a catalytic cycle involves the formation of a high-valent iridium-aryl species. The arylation proceeded smoothly over a range of benzamides and enamides.
펜타메틸싸이클로펜타다이에닐 리간드를 가지는 이리듐 착물의 탄소-수소 결합 활성화에 대한 반응성은 오래전부터 연구되어왔다. 특히, 이리듐 착물과 지향성기를 가지는 벤젠 유도체와의 탄소-수소 결합 활성화를 통한 화학량적 금속 고리화 반응은 매우 왕성하게 연구되어왔으며, 생성된 안정한 이리듐 함유 고리 화합물들은 다양한 화학 반응의 촉매로써 사용되어져 왔다. 그러나, 이러한 이리듐의 화학량적 탄소-수소 결합 활성화에 대한 높은 반응성에도 불구하고, 이리듐을 촉매로 하는 탄소-수소 결합 활성화 반응은 최근에서야 연구가 진행되기 시작하였으며, 개발된 반응들이 탄소-질소 결합 형성반응에만 치우쳐져 있었다. 이러한 맥락에서, 본 연구에서는 이리듐 촉매 시스템을 적용, 탄소-수소 결합 활성화 방법에 따른 산화성 아릴화 반응들을 개발하였다.
첫째로, 이리듐 촉매하에서 아릴다이아조늄 염을 반응제로 이용한 탄소-탄소 결합 형성 반응을 개발하였다. 기존의 탄소-수소 활성화를 통한 아릴화 반응들이 당량 이상의 산화제와 높은 반응온도를 필요로 하는데 반해서, 본 반응에서는 아릴다이아조늄 염을 아릴기 주개로 사용함과 동시에 반응의 산화제로 사용함으로써 외부 산화제를 필요로 하지 않고, 완만한 반응조건에서 진행되는 아릴화 반응을 개발할 수 있었다. 개발된 반응 조건을 이용하여 아미드 지향성기를 가지는 벤젠 및 올레핀 유도체, 그리고 퀴놀린엔옥사이드 8번 탄소 위치의 아릴화 반응을 수행할 수 있었다. 반응의 개발과 더불어 진행된 밀도범함수 이론을 이용한 메커니즘 연구는 본 촉매 반응이 +5 산화 상태의 이리듐-아릴 중간체를 거친다는 것을 암시하였다.
둘째로, 이리듐 촉매 시스템하에서 친핵성 반응제인 아릴 실레인을 이용한 아릴화 반응을 개발하였다. 반응 메커니즘 연구를 통해 은 첨가물이 외부 산화제로서의 역할을 하고, 구리 첨가물은 아세테이트 주개로써 촉매반응의 탄소-수소 활성화 효율을 높여주는 역할을 함과 동시에 반응 중에 생성된 아릴 실리케이트와의 반응을 통해 구리-아릴 중간체를 형성, 트랜스메탈레이션을 매개한다는 것을 밝힐 수 있었다. 또한, 실험결과와 밀도범함수 이론을 통해 계산한 결과 모두 본 아릴화 반응 역시 높은 산화 상태의 이리듐-아릴 중간체의 형성을 거쳐서 진행된다는 것을 암시하였다.
