Part 1. Bifunctionalization of Alkenes Using Pyridinium Salts
$\beta$-Pyridylphosphine derivatives consisting of vicinal pyridine and phosphine group possess soft $\pi$-acceptor properties of phosphines and hard $\sigma$-donor features of pyridines, which are widely employed as ligands in various transition metal complexes. An efficient synthetic method for the construction of $\beta$-pyridylalkylphosphonates was developed via a one-pot three-component reaction between P(O)–H compounds, alkenes and N-heteroarenium salts under mild conditions. The reaction is thought to occur by the addition of a phosphonyl radical to the alkene to form alkyl radical intermediate, which goes on to add to the N-methoxypyridinium salt. This straightforward methodology is applied to a variety of N-heteroarenium salts and alkene substrates to prepare various synthetically and biologically important $\beta$-pyridylalkylphosphonates groups.
Part 2. Metal-Free Visible-Light-Induced Pyridylation of Remote C($sp^3$)–H Bonds Using Pyridinium Salts
2.1 Pyridylation of remote C($sp^3$)–H bonds using N-alkoxypyridinium salts
Direct C($sp^3$)–H functionalization has been recognized as a powerful tool for various carbon–carbon or carbon–heteroatom bond formation. We introduced a metal-free, visible-light-induced site-selective pyridylation of remote C($sp^3$)–H bonds. The new designed N-alkoxypyridinium salts can serve as both alkoxy radical precursors and pyridiyl sources. The alkoxy radical can be generated via the single electron transfer of an N-alkoxypyridinium substrates by a photoexcited quinolinone catalyst. Subsequent radical translocation of the alkoxy radical forms a nucleophilic alkyl radical intermediate, which undergoes addition to the substrate to achieve remote C($sp^3$)–H pyridylation. This cascade strategy provides a powerful platform for remote C($sp^3$)–H heteroarylation in a controllable and selective manner and is well suited for late-stage functionalization of complex bioactive molecules.
2.2 Pyridylation of C($sp^3$)–H bonds using N-aminopyridinium salts
The direct functionalization of C($sp^3$)–H bonds constitutes a powerful and atom-economic approach for the bond formation. Radical translocation processes mediated by heteroatom radicals provide a potential platform for the selective functionalization of remote inert C($sp^3$)–H bonds. We were intrigued by the possibility of developing efficient pathway of remote C($sp^3$)–H bond functionalization by translocation of N-centered radical, introducing pyridinium salt substrate system. The efficient site-selective pyridylation of remote C($sp^3$)–H bonds using N-aminopyridinium salts via photocatalysis was developed. This strategy involves the generation of radical species from pyridinium salts, 1,5-HAT process, and pyridylation to produce C-4 alkylation products. The possibility of α-amino functionalization and cyclization was also observed, and various divergent reactions of N-aminopyridinium salts are under investigation.
Part 1.피리디늄 염을 사용한 알켄의 이중 작용기 도입 반응
베타-피리딜포스핀 유도체는 포스핀과 피리딘이 가지는 각각의 특유한 성질로 인해 전이 금속의 리간드에 널리 사용되고 있다. 베타-피리딜포스핀 구조를 효율적으로 합성하기 위해 포스포네이트와 알켄, 헤테로아레늄염의 세 화합물 간의 결합 반응을 개발하였다. 이 반응은 포스포닐 라디칼이 알켄에 첨가되어 알킬 라디칼 중간체를 형성하고, 이 라디칼이 N-메톡시피리디늄 염에 첨가되어 일어나게 된다. 이 반응은 다양한 피리디늄 염과 알켄 화합물에 적용할 수 있고, 피리딘과 포스핀을 비활성화된 알켄에 한번의 반응으로 도입할 수 있다는 장점이 있다.
Part 2.비금속 조건에서 가시광선 하에 피리디늄 염을 사용한 C($sp^3$)-H 결합의 피리딘화 반응
2.1 N-알콕시피리디늄을 사용한 C($sp^3$)-H 결합의 피리딘화 반응
탄소($sp^3$)-수소 결합에 바로 작용기를 도입하는 것은 다양한 탄소-탄소 또는 탄소-헤테로원자 결합을 형성하는 강력한 방법으로 알려져 있다. 이에 비금속 조건에서 가시광선을 사용하여 위치 선택적으로 탄소($sp^3$)-수소 결합을 피리딘화하는 반응을 개발하였다. 새로 디자인한 N-알콕시피리디늄 염은 알콕시 라디칼의 전구체이자 피리딘 공급원이 될 수 있다. 광촉매에 의한 피리디늄 염의 환원으로 알콕시 라디칼이 생성되고, 라디칼 이동을 통해 알킬 라디칼이 형성된 후 피리디늄 염에 첨가되어 피리딘화 반응이 일어난다. 이 전략은 선택적으로 탄소($sp^3$)-수소 결합을 헤테로아렌화할 수 있고, 복잡한 생체 활성 분자의 기능화에도 적합하다.
2.2 N-아미노피리디늄 염을 사용한 C($sp^3$)-H 결합의 피리딘화 반응
결합을 형성하는 원자 경제적인 접근법으로 탄소($sp^3$)-수소 결합에 직접 작용기를 도입하는 방법이 있다. 헤테로원자 라티칼에 의해 매개되는 라디칼 이동은 비활성화된 탄소($sp^3$)-수소 결합을 선택적으로 기능화하는 방법을 제공한다. 이에 아미노 라디칼의 이동을 활용하여 피리디늄 염을 도입한 효율적인 탄소($sp^3$)-수소 결합의 기능화 방법을 고안하여, 광촉매 하에 N-아미노피리디늄 염을 사용하여 위치 선택적으로 탄소($sp^3$)-수소 결합을 피리딘화 하는 반응을 개발하였다. 이 전략에서는 피리디늄 염으로부터 라디칼이 형성되고 1,5-HAT 과정과 피리딘화 반응이 일어난다. 알파-아미노 기능화와 고리화 반응의 가능성도 관찰했으며, N-아미노피리디늄 염을 사용한 다양한 반응들이 연구 중에 있다.
