Trasition metal-catalyzed C−H functionalization has been extensively investigated to prepare complex molecules as an alternative to the conventional cross-coupling, where pre-functionalized starting materials were required. $Cp^*Ir$ and $Cp^*Rh$ complexes have been utilized in development of C−N and C−C bond construction with chelation-assisted C−H activation. Meanwhile, due to the unstability of metal-nitrenoid and metal-carbenoid, development of efficient reaction using these intermediacy has to be surmounted. In this context, herein I describe the development of C−N and C−C bond forming processes using $Cp^*M$ (M = Rh or Ir) system.
First, I have developed $Cp^*Rh(III)$-catalyzed intramolecular amido transfer as an efficient route to nitrogen-containing macrocycles for the first time. In contrast to the well-studied the conventional C−H insertion approach, which is able to synthesize 5- to 7-membered medium-sized rings, facile generation of rhodacycles and then imido intermediates was readily achieved from ketoximes tethered with azides. While substrates bearing aryl azides underwent a monomeric ring formation in high yields, a dimeric double cyclization took place exclusively with alkyl azide-tethered ketoximes affording up to 36-membered azamacrocyclic products.
Second, a new catalytic procedure for carbon-carbon bond formation has been developed using bidentate LX type ligand based $Cp^*Ir(III)$-carbenoid system. Although metal-carbenoid transfer reaction has been well studied to achieve a wide range of organic transformations, the development of $Cp^*Ir(III)$-carbenoid transfer is still in infancy owing to the lack of solid mechanistic understanding of these putative intermediates. In this study, $Cp^*Ir$-catalyzed carbene transfer reaction was developed using diazo compounds as a carbene precursor with a high turnover number under mild reaction conditions.
전이금속을 촉매로 하는 탄소-수소 결합 활성화에 대한 연구는 기존의 교차 짝지음 반응이 전처리과정이 선행되야 한다는 제한점을 극복할 수 있어 복잡한 분자를 합성 하는 데 대안점으로 매우 활발하게 연구되어 왔다. 특히 펜타메틸싸이클로펜타다이에닐 리간드를 가지는 로듐, 이리듐 착물은 지향성기를 가지는 벤젠 유도체와의 탄소-수소 결합 활성화를 통한 탄소-질소 및 탄소-탄소 결합 형성 반응에서의 촉매로써 사용되어져 왔다. 한편, 그 반응의 중간체인 나이트렌, 카벤은 불안정성 때문에 새로운 반응을 개발하는 데 어려움으로 여겨져 왔다. 이러한 맥락에서, 본 연구에서는 펜타메틸싸이클로펜타다이에닐 리간드를 가지는 로듐, 이리듐 촉매 시스템을 적용하여 분자 내 탄소-수소 결합 활성화 방법에 따른 탄소-질소 형성반응/탄소-탄소 형성반응을 개발하였다.
첫째로, 로듐 촉매하에서 아자이드를 포함한 기질을 사용하여 아민기를 포함하는 거대고리 화합물을 합성하였다. 기존의 탄소-수소 삽입반응을 통한 분자 내 탄소-질소 결합 형성반응으로는 5~7 각의 중간 크기의 고리를 합성 할 수 있어 제한적인데 반해서, 본 반응에서는 케톡심 말단에 아자이드기를 도입함으로써 지향성기인 동시에 반응 기질로 활용할 수 있어 완만한 반응조건에서 로듐 함유 고리와 그 이미도 중간체의 형성을 통해 9~36 각형의 질소분자를 포한 거대고리 화합물을 합성할 수 있었다. 아릴 아자이드를 도입한 경우, 내재된 구조적 경직성으로 인해 분자 내 반응을 통하여 단량체를 높은 수율로 얻을 수 있는 반면, 알킬 아자이드는 두 번의 분자 간/분자 내 탄소-질소 결합 형성반응을 통해 이량체를 얻을 수 있었다.
둘째로, 두 자리 리간드가 포함된 이리듐 착물을 이용하여 반응성이 높은 이리듐-카벤 중간체의 형성을 통한 탄소-탄소 결합 형성반응을 개발하였다. 금속-카벤 전달 반응을 통한 탄소-수소 결합 활성화 반응은 매우 활발하게 연구되어 왔으나, 펜타메틸싸이클로펜타다이에닐 리간드가 포함된 이리듐 3가 카벤 중간체를 통한 반응개발은 착물의 불안정성 때문에 최근에서야 연구가 진행되기 시작했다. 본 연구에서는 전자 받개가 포함된 다이아조 화합물을 카벤 전구체로 활용하여 상온 조건에서도 높은 전환수를 가지는 반응성이 높은 촉매 시스템을 개발 할 수 있었다.
