Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

[(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6: en generell og bredt gjeldende kobber-baserte Photoredox Catalyst

Published: May 21, 2019 doi: 10.3791/59739
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1, 2, 1
1Laboratoire de Chimie Organique, Service de Chimie et PhysicoChimie Organiques, Université libre de Bruxelles (ULB), 2Laboratoire de Chimie Organique et Photochimie, Service de Chimie et PhysicoChimie Organiques, Université libre de Bruxelles (ULB)

Summary

Detaljerte og generelle protokoller er presentert for syntese av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6, en generell kobber-baserte photoredox katalysator, og for bruk i syntetisk kjemi for direkte Arylering av C-H obligasjoner i (hetero) Arenes og radikale syklisering av organiske halogenider.

Abstract

Vår gruppe har nylig rapportert bruk av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 som en generell kobber-baserte photoredox katalysator som viste seg effektiv for å fremme aktiveringen av et bredt utvalg av organiske halogenider, inkludert unactivated seg. Disse kan deretter delta i ulike radikale transformasjoner som reduksjon og syklisering reaksjoner, så vel som i direkte arylering av flere (hetero) Arenes. Disse transformasjoner gir en enkel tilgang til en rekke små molekyler av interesse i syntetisk kjemi, samt biologisk aktive naturlige produkter. Til sammen [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 fungerer som en praktisk photoredox katalysator som synes å være et attraktivt, billig og utfyllende alternativ til de State-of-the-art Iridium-og ruthenium-baserte photoredox katalysatorer. Her rapporterer vi en detaljert protokoll for syntese av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6, samt NMR og spektroskopiske characterizations, og vi illustrerer bruken i syntetisk kjemi for direkte arylering av (hetero) Arenes og radikale syklisering av organiske halogenider. Spesielt direkte arylering av N-methylpyrrole med 4-iodobenzonitrile råd til 4-(1-metyl-1H-pyrrol-2-YL) benzonitrile og radikale syklisering av n-benzoyl-N-[(2-iodoquinolin-3-YL) methyl] cyanamide å ha råd til naturlig produkt luotonin A er detaljert. Omfanget og begrensningene av denne kobber-baserte photoredox katalysator er også kort diskutert.

Introduction

Radikale transformasjoner har vært kjent i flere ti år å gi bemerkelsesverdig effektive trasé i syntetisk kjemi som ofte komplementære til transformasjoner basert på kationiske, anioniske eller pericyclic prosesser1. Mens spesielt lovende for ulike typer transformasjoner, radikal-basert kjemi har imidlertid lenge vært underexploited, hovedsakelig på grunn av behovet for svært giftige reagenser som betydelig begrenser sin attraktivitet. Videre har radikale prosesser lenge vært betraktet som transformasjoner forbundet med dårlige nivåer av kontroll i form av Regio-og/eller stereoselectivity, eller fører til omfattende dimerization og/eller polymerisering problemer.

Alternative strategier har nylig blitt utviklet for å lette generasjonen og bedre kontroll reaktivitet av radikale arter. Blant dem, photoredox katalyse har blitt en av de mektigste metodene som det tillater praktisk generering av radikale arter ved hjelp av en lys-responsive sammensatte, nemlig photoredox katalysator, og synlig lys bestråling2,3 . Synlig lys i seg selv er faktisk i stand til å fremme befolkningen i opphisset tilstand av photoredox katalysator som blir følgelig både en sterkere redusere og oksiderende enn i sin tilsvarende bakken tilstand. Disse forbedrede Redox egenskaper gjør enkelt-elektron overføringsprosesser, ikke gjennomførbart i bakke tilstand, mulig under milde forhold fra opphisset tilstand. I løpet av det siste tiåret har synlig lys photoredox katalyse blitt en attraktiv og kraftig teknikk i økologisk syntese og har tillatt utviklingen av en rekke bemerkelsesverdig effektive og selektive transformasjoner basert på radikale mellom produkter utviklet under bærekraftige, milde og brukervennlige forhold.

Mens de fleste photoredox prosesser rapportert hittil er dominert av bruk av Iridium-og ruthenium-baserte photoredox katalysatorer, samt av noen organiske fargestoffer som pyrylium og acridinium derivater4, billigere alternativer er fortsatt svært etterspurt for utvikling av komplementære prosesser av interesse for industrielle applikasjoner. I denne forbindelse, bruk av kobber-baserte photoredox katalysatorer synes spesielt tiltalende som de er ikke bare billigere, men også gi muligheter til å aktivere et bredere og/eller ulike spekter av underlag, som derfor åpner nye perspektiver i photoredox katalyse5,6,7,8. Til tross for noen lovende tidlige verker rapportert av Kutal9, Mitani10 og Sauvage11 grupper, har photoactivatable kobber komplekser imidlertid bare vært knapt brukt i photoredox katalyse, sannsynligvis på grunn av deres kortvarig spente tilstander sammenlignet med deres ruthenium-og Iridium-baserte kongenere. Mer nylig, nylig bemerkelsesverdige bidrag av Peters og Fu12,13,14,15, reiser16,17,18, 19 andre priser , 20 og andre grupper21,22,23,24,25 har klart brakt oppmerksomhet tilbake til kobber-baserte photoredox katalysatorer og demonstrerte deres unikt potensial.

Som en del av vår nylige interesse for kobber-katalysert radikale prosesser26,27, vi har nylig rapportert en generell og bredt gjeldende kobber-baserte photoredox katalysator, [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 (DPEPhos: BIS [(2- diphenylphosphino) fenyl] Eter; BCP: bathocuproine), som viste seg å være spesielt effektiv for aktivering av organisk halogenider under synlig lys bestråling (figur 1a)28,29,30. Ved bestråling med synlig lys og i nærvær av et amin som offer redusere, et bredt spekter av unactivated aryl og alkyl halogenider ble vist å være lett aktiveres av katalysator mengder [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 og derfor å delta i ulike radikale transformasjoner inkludert reduksjoner, cyclizations og direkte arylering av flere elektron-rik (hetero) Arenes. Videre [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 har også vist seg vellykket på å fremme photoinduced radikale Domino cyclizations av ynamides og cyanamides, noe som gir en effektiv og enkel tilgang til komplekse Tri-, Tetra-og pentacyclic nitrogen heterocycles i kjernen strukturer av ulike naturlige produkter. Denne strategien tillot effektiv syntese av rosettacin, luotonin A, og deoxyvasicinone, naturlige produkter som viser anticancer, antimikrobielle, anti-inflammatorisk og antidepressant aktiviteter. Disse transformasjoner er illustrert i figur 1C. Fra et mekanistisk synspunkt, photoinduced aktivering av organiske halogenider med [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 fortsetter gjennom en sjelden Cu (i)/Cu (i) */Cu (0) katalysator, som har blitt bekreftet av omfattende mekanistisk og photophysical studier. Spesielt eksitasjon av grunntilstanden [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 [Cu (I)] ved bestråling av synlig lys fører til dannelsen av den tilsvarende spent kompleks [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6* [Cu (I) *] som deretter reduseres med offer Amin for å generere tilsvarende [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 [Cu (0)] arter. Dette Cu (0) middels er reductive nok til å redusere karbon-halogen bånd av ulike organiske halogenider å generere tilsvarende radikaler, som deretter kan delta i de nevnte transformasjoner, sammen med regenerering av Start katalysator (figur 1B).

I den følgende delen beskriver vi først protokollen for å syntetisere photoactivatable [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 (hvis NMR og spektroskopiske characterizations er presentert i delen representative resultater). Syntesen er enkel og spesielt praktisk, og krever ganske enkelt tillegg av 1 ekvivalent med DPEPhos og 1 tilsvarende BCP til en løsning av tetrakisacetonitrile kobber (I) heksafluorfosfat i diklormetan. Ønsket [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 blir deretter isolert av nedbør fra dietyl Eter og kan lett fås på en multigram skala (figur 2a). Viktigere er det isolerte kobber komplekset ikke spesielt følsom for oksygen og fuktighet, og kan derfor enkelt håndteres med ingen spesielle forholdsregler annet enn å bli lagret vekk fra lys.

Dernest beskriver vi protokollene for å aktivere organiske halogenider ved hjelp av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 under synlig lys bestråling ved å fokusere på to forskjellige transformasjoner. Den første reaksjonen er den direkte arylering av N-methylpyrrole med 4-iodobenzonitrile ved hjelp av katalysatorer (DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 som photoredox katalysator, dicyclohexylisobutylamine som offer redusere og kalium som base under bestråling ved 420 NM (fig.2b). Den andre reaksjonen er den radikale syklisering av N-benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-YL) metyl] cyanamide, med samme katalysator og offer redusere, hvis syklisering direkte fører til luotonin a, et naturlig produkt som viser interessante anticancer aktiviteter (figur 2C). Det finnes detaljerte protokoller for begge transformasjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. syntese av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6

  1. Tilsett 3,73 g (10,00 mmol) av tetrakisacetonitrile kobber (I) heksafluorfosfat og 5,39 g (10,00 mmol) av DPEPhos til en 2 L rund bunn kolbe utstyrt med en magnetisk røre bar.
  2. Monter den runde bunnen kolbe med en tre hals vakuum adapter koblet til en vakuum linje og en Argon linje.
  3. Evakuere flasken under vakuum og tilbakefylling med Argon tre ganger. Skru inn de tre hals vakuum adapteren med en gummi septum.
    Merk: reaksjonen kan utføres under luft med noe redusert effektivitet (se diskusjons seksjonen for detaljer).
  4. Tilsett 800 mL tørr diklormetan.
    Merk: diklormetan er fersk destillert fra CaH2. Reaksjonen kan også utføres i vanlige diklormetan (99,8%) med tilsvarende effektivitet (se diskusjons seksjonen for detaljer).
  5. Rør reaksjonsblandingen for 2 t i mørket (reaksjon kolbe dekket med aluminiumsfolie) ved romtemperatur (23-25 º C) under en Argon atmosfære.
  6. Tilsett 3,60 g (10,00 mmol) av BCP til en 500 mL rund bunn kolbe utstyrt med en magnetisk røre bar.
  7. Monter den runde bunnen kolbe med en tre hals vakuum adapter koblet til en vakuum linje og en Argon linje.
  8. Evakuere flasken under vakuum og tilbakefylling med Argon tre ganger. Skru inn de tre hals vakuum adapteren med en gummi septum.
  9. Tilsett 200 mL tørr diklormetan og forsiktig rør suspensjonen til fullstendig oppløsning av BCP.
  10. Legg til løsningen av BCP i diklormetan til reaksjonsblandingen ved hjelp av en kanyle.
  11. Rør for en ekstra time i mørket (reaksjon kolbe dekket med aluminiumsfolie) ved romtemperatur (23-25 º C) under en Argon atmosfære.
  12. Filtrer blandingen gjennom en pute av Celite, vask med ca. 100 mL diklormetan og Konsentrer Filtrer til ca. 50-100 mL under redusert trykk.
  13. Legg konsentrat dråpevis til 1 L av dietyl Eter ved hjelp av et tillegg trakt og med kraftig omrøring for å indusere utfelling av ønsket kompleks.
  14. Samle utfelling ved filtrering gjennom et fritted glass (pore størrelse 3) og vask utfelling med ca. 100 mL dietyl Eter.
  15. Tørk den lyse gule utløse under vakuum ved romtemperatur (23-25 º C) for 5 t for å gjenopprette 10,1 g (91% yield) av kobber kompleks.
    Merk: en 75% avkastning ble oppnådd da reaksjonen ble utført under luft ved hjelp av destillert diklormetan; en 89% avkastning ble oppnådd når reaksjonen ble utført under Argon ved hjelp av vanlige diklormetan; Når du utfører reaksjonen under luft med regelmessige diklormetan, reaksjonen ble funnet å være mindre effektiv og førte til mye lavere renhet (ca 70%, som estimert med 1H NMR med en intern standard).
  16. Karakterisere [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 som tidligere rapportert31.

2. direkte arylering av N-methylpyrrole med 4-iodobenzonitrile

  1. Legg til 55 mg (0,05 mmol) av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6, 59 mg (0,25 mmol) av Dicyclohexylisobutylamine (CY 2NiBu), 138 mg (1,0 mmol) av K2co3 og 114 mg (0,50 mmol) av 4-iodobenzonitrile til en ovn-tørket 10 ml hetteglass.
  2. Tilsett en magnetisk røre bar, forsegle hetteglasset med en gummi septum, evakuere hetteglasset under vakuum og tilbakefylling med Argon tre ganger.
  3. Tilsett 5 mL acetonitril og 890 μL (10,00 mmol) av N-methylpyrrole. Skift ut gummi septum med en skrulokk.
    Merk: Acetonitril er fersk destillert fra CaH2 og degassed ved hjelp av fryse-pumpe-tine sykluser før bruk for å sikre høy avkastning og reproduserbarhet.
  4. Rør reaksjonsblandingen i 3 dager ved romtemperatur (23-25 º C) i en photoreactor under 420 NM bølgelengde bestråling.
    Merk: som et alternativ til bruk av en photoreactor, reaksjonen kan også enkelt utføres ved hjelp av blå lysdioder strimler eller en fotokjemi enhet med en blå LED-lampe (440 NM, 34 W). Disse eksperimentelle oppsett er vist i Figur 3 (se representative resultater) og en diskusjon om sine respektive resultater er gitt i "diskusjon"-delen.
  5. Filtrer reaksjonsblandingen gjennom en pute av Celite, vask med ca. 5 mL dietyl Eter og Konsentrer Filtrer under redusert trykk.
  6. Rens råoljen rester av Flash kolonne kromatografi over silica gel (eluent system Petroleum Eter/EtOAc: 90/10).
  7. Tørk den rene forbindelsen under vakuum ved romtemperatur (23-25 º C) i 3 timer for å gjenopprette 65 mg (72% avkastning) på den ønskede C2-arylated pyrrol.
    Merk: bruk av blå LED-strimler som gis en 76% avkastning (69 mg) mens bruk av en fotokjemi enhet med en blå LED-lampe (440 NM, 34 W) gis en 86% yield (78 mg).
  8. Karakterisere ren sammensatte som tidligere rapportert32.

3. syklisering av N-benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-YL) methyl] cyanamide å luotonin en

  1. Tilsett 37 mg (0,09 mmol) av N-benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-YL) metyl] cyanamide, 9 mg (9,0 mikromol) av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6, 11 mg (0,04 mmol) av CY2Nibu og 25 mg (0,18 mmol) av K2co3 til en ovn-tørket 7 mL hetteglass utstyrt med en magnetisk rør bar.
  2. Forsegle hetteglasset med en gummi septum, evakuere hetteglasset under vakuum og tilbakefylling med Argon tre ganger.
  3. Tilsett 2 mL acetonitril. Skift ut gummi septum med en skrulokk.
    Merk: Acetonitril er destillert fra CaH2 og degassed ved hjelp av fryse-pumpe-tine sykluser før bruk for å sikre høy avkastning og reproduserbarhet.
  4. Rør reaksjonsblandingen i 5 dager ved romtemperatur (23-25 º C) i en photoreactor under 420 NM bølgelengde bestråling.
  5. Filtrer reaksjonsblandingen gjennom en pute av Celite, vask med ca. 2 mL diklormetan og Konsentrer Filtrer under redusert trykk.
  6. Rens råoljen rester av Flash kolonne kromatografi over silica gel (eluent system: Petroleum Eter/EtOAc 60:40).
  7. Tørk den rene forbindelsen under vakuum ved romtemperatur (23-25 º C) for 3 timer for å gjenvinne 20 mg (79% avkastning) av ønsket luotonin A.
  8. Karakterisere ønsket luotonin A som tidligere rapportert29.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Syntese av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6
Som vist av protokollen beskrevet i ovennevnte delen, syntesen av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 er spesielt praktisk og kan enkelt utføres på en multigram skala. 1H og 13C NMR Spectra indikere dannelse av det rene komplekset (Figur 4A, B). De spektroskopiske dataene tilsvarer de som tidligere ble rapportert31.

1 den andre H NMR (400 MHz, CDCl3) δ (ppm): 7,83 (s, 2h), 7.60-7.47 (m, 12H), 7.40-7.32 (m, 2h), 7.29-7.17 (m, 8H), 7.11-6.94 (m, 18t), 2,52 (s, 6h). 13 på alle C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 158,5, 150,3, 144,0, 136,5, 133,9, 133,1, 133,0, 132,9, 132,5, 132,2, 132,0, 131,7, 130,1, 129,6, 129,5, 129,2, 128,7, 128,7, 128,6, 125,8, 125,8, 125,5, 125,4, 120,4, 27,5.

UV/Vis absorpsjon og utslipp Spectra har også blitt registrert og er vist i Figur 4C, D. UV/Vis absorpsjon spekteret (acetonitril, 10-4 M) viser to viktigste absorpsjon band med to maxima på 385 nm og 485 NM. Utslipps spekteret (acetonitril, 10-4 M), fremstilt ved eksitasjon ved 445 NM, viser maksimum ved 535 NM.

Kobber-katalysert photoredox direkte arylering av (hetero) Arenes med aryl halogenider
Den direkte arylering av N-methylpyrrole med 4-iodobenzonitrile er representativ for bruk av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 for å fremme direkte arylering av ulike elektron rike (hetero) Arenes under synlig lys bestråling. Omfanget av transformasjonen er avbildet i figur 5. Disse resultatene diskuteres kort i neste avsnitt.

Som for karakterisering av 4-(1-metyl-1H-pyrrol-2-YL) benzonitrile, den 1H og 13C NMR Spectra indikere dannelse av ren sammensatte (figur 6A, B). De spektroskopiske dataene tilsvarer de tidligere rapporterte32.

1 den andre H NMR (400 MHz, CDCl3) δ (ppm): 7,66 (d, j = 8,6 Hz, 2h), 7,50 (d, j = 8,6 Hz, 2h), 6,78 (app. t, J = 2,1 Hz, 1h), 6,35 (dd, j = 3,7 og 1,8 Hz, 1h), 6,23 (dd, j = 3,7 og 2,7 Hz, 1h), 3,71 (s, 3h). 13 på alle C NMR (100 MHz, CDCl3) δ (ppm): 137,8, 132,7, 132,3, 128,4, 125,9, 119,1, 110,8, 109,8, 108,7, 35,6.

Figur 3 illustrerer de tre eksperimentelle oppsett som har blitt brukt til å utføre direkte arylering av (hetero) Arenes med aryl halogenider under photoredox forhold. Reaksjonen kan utføres i en photoreactor med bestråling ved 420 NM bølgelengde (Figur 3a), ved hjelp av kommersielt tilgjengelige blå LED-strimler (Figur 3B), eller ved hjelp av en fotokjemi enhet med en blå LED-lampe (440 NM, 34 W) (Figur 3C). En kort diskusjon om forskjellen i effektivitet mellom de tre eksperimentelle oppsett er gitt i neste avsnitt.

Photoinduced radikale Domino syklisering av ynamides og cyanamides
Syklisering av N-benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-YL) metyl] cyanamide til luotonin A er representativt for bruken av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 for å fremme den radikale Domino syklisering av ynamides og cyanamides som inneholder en passende plasserte iodoaryl delenhet. Disse cyclizations, som gir en effektiv og enkel tilgang til Tri-, Tetra-og pentacyclic nitrogen heterocycles i kjerne strukturene i ulike naturlige produkter, er vist i figur 7. Disse resultatene diskuteres kort i neste avsnitt.

1H og 13C NMR Spectra indikerer dannelsen av det rene naturlige produktet luotonin a (Figur 8a, B). De spektroskopiske dataene tilsvarer de tidligere rapporterte33.

1 den andre H NMR (300 MHz, CDCl3) δ (ppm): 8.49-8.41 (m, 3 h), 8,12 (d, j = 7,8 Hz, 1h), 7,95 (d, j = 7,5 Hz, 1 h), 7.89-7.82 (m, 2 h), 7.71-7.66 (m, 1 h), 7,58 (t, J = 8,1 Hz, 1 H), 5,34 (s, 2 H). 13 på alle C NMR (75 MHz, CDCl3) δ (ppm): 160,8, 152,7, 151,3, 149,5 (2 c), 134,7, 131,6, 130,8 (2 c), 129,5, 128,9 (2 c), 128,6, 128,0, 127,5, 126,5, 121,4, 47,4.

Figure 1
Figur 1 . [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 som en generell kobber BAS ert photoredox katalysator. (A). Generelle egenskaper for [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6. (B). generell mekanisme for aktivering av organiske halogenider. (C). representative transformasjoner inkludert reduksjon, direkte arylering og syklisering reaksjoner. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 . Syntese av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 og anvendelse i organisk/naturlig produkt syntese. (A). Syntese av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6. (B). Direct-Arylering av N-methylpyrrole. (C). Radical syklisering å luotonin a. please Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 . Eksperimentelle oppsett brukes for direkte arylering av (hetero) Arenes under photoredox forhold. (A). Photoreactor. (B). blå lysdioder strimler. (C). fotokjemi enhet og blå LED-lampe. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 . Karakteristikk av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6. (A). 1H NMR spektrum (CDCl3, 400 MHz, 23 ° c). (B). 13C NMR spektrum (CDCl3, 100 MHz, 23 ° c). (C). UV/Vis absorpsjons spektrum (acetonitril, Argon, 23 ° c). (D). utslipp spektrum (acetonitril, Argon, 23 ° c). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 . Kobber-katalysert photoredox direkte arylering av (hetero) Arenes med aryl halogenider. Substrat omfang. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 . Karakterisering av 4-(1-metyl-1H-pyrrol-2-YL) benzonitrile. (A). 1H NMR spektrum (CDCl3, 400 MHz, 23 ° c). (B). 13C NMR spektrum (CDCl3, 100 MHz, 23 ° c). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 . Photoinduced radikale Domino syklisering av ynamides og cyanamides. Substrat omfang. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8 . Karakterisering av luotonin A. (A). 1H NMR spektrum (CDCl3, 300 MHz, 23 ° c). (B). 13C NMR Spectrum (CDCl3, 75 MHz, 23 ° c). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Syntese av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6
Syntesen av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 utføres vanligvis ved hjelp av tørr diklormetan (destillert før bruk) og under Argon for å sikre høyest utbytte, renhet og god reproduserbarhet. Som nevnt i protokollen, syntesen av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 kan utføres med vanlig diklormetan (99,8%) og/eller under luft med variabel effektivitet. Faktisk, mens bruk av vanlige diklormetan under Argon gis samme effektivitet (89% yield), utfører reaksjonen med destillert diklormetan under luft bare gir ønsket kompleks i en 75% yield. Til slutt, utfører reaksjonen med ikke-destillert diklormetan under luft gir ønsket kompleks med en merkbart lavere renhet (ca 70% som estimert med 1H NMR bruke en intern standard). Som en konsekvens, kan man konkludere med at kvaliteten på diklormetan som brukes ikke har en sterk innvirkning på effektiviteten av reaksjonen (høy avkastning og renhet), forutsatt at reaksjonen er utført under Argon. På den annen side er det ikke anbefalt å utføre reaksjonen under luft, da den gir ønsket kompleks med redusert effektivitet og enda viktigere, med lavere renhet kombinert med ikke-destillert diklormetan.

Kobber-katalysert photoredox direkte arylering av (hetero) Arenes med aryl halogenider
Som illustrert i figur 5, ble reaksjonen funnet å være ganske generell med en serie på 2-arylated pyrroles blir innhentet i rettferdig til god avkastning. Bemerkelsesverdig, aryl iodides erstattet med en bromide eller en boronate er praktisk Start materialer og derfor råd til et utgangspunkt for videre funksjonalisering og valorization av tilsvarende biaryls. Boc-beskyttede pyrroles ble også vist å være lett arylated med en rekke aryl iodides mens reaksjonen kan også utvides til arylering av noen elektron-rike benzen ringer som 2, 4, 6-mesitylene, 2, 4, 6-trimethoxybenzene og 1, 3- dimethoxybenzene. Endelig, mer utfordrende elektron-fattig aryl bromider kan også brukes til direkte arylering av N-methylpyrrole mens unactivated aryl bromider og aryl klorider er ikke reaktive under reaksjons betingelsene, som trolig representerer de viktigste begrensning av denne prosedyren. Tilsammen, disse resultatene viser at [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 effektivt aktiverer karbon-halogen bånd av flere aryl halogenider å fremme direkte arylering av noen (hetero) Arenes som må brukes i stort overskudd for å oppnå god effektivitet. Denne begrensningen er imidlertid felles for de fleste prosedyrene rapportert til dato for å fremme den samme transformasjonen.

Som nevnt i protokollen delen, kobber-katalysert photoredox direkte arylering av (hetero) Arenes med aryl halogenider er hovedsakelig utført ved hjelp av en photoreactor med bestråling på 420 NM. Alternativt, bruk av enklere og lettere tilgjengelige eksperimentelle oppsett har også blitt demonstrert, med bruk av kommersielt tilgjengelige blå LYSDIODER strimler, samt av en fotokjemi enhet med en blå LED-lampe (440 NM, 34W). Interessant, små men merkbare forskjeller i effektivitet er observert ved hjelp av disse tre enhetene. Mens photoreactor og blå lysdioder råd til ønsket arylated produktet i sammenlignbare rentene (72% og 76%, henholdsvis), fotokjemi enheten med en blå LED-lampe gir høyest utbytte i ønsket produkt (86%). Dette er sannsynligvis på grunn av mengden av lys som faktisk trenger inn i reaksjonsblandingen, som det er velkjent at synlig lys penetrasjon i løsning som inneholder photoactive arter er ganske lav. Som en konsekvens, mengden av photoredox katalysator som faktisk er aktivert i løsning, og som er ansvarlig for katalyse, kan også være en eller annen måte begrenset og bli den begrensende faktor. Blant de tre eksperimentelle oppsett brukes for direkte arylering av N-methylpyrrole med 4-iodobenzonitrile, den fotokjemi enhet med en blå LED-lampe er absolutt den mest intense, noe som fører til den høyeste mengden spent kompleks og dermed til en høyere effektivitet. Slike betraktninger er også avgjørende for å skalere opp slike photoinduced prosesser som sannsynligvis er mer praktisk utført under kontinuerlige strømningsforhold på større vekter34,35.

Photoinduced radikale Domino syklisering av ynamides og cyanamides
Som illustrert i figur 7, [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 ble vist å være en effektiv promoter under synlig lys bestråling for den radikale Domino syklisering av ulike ynamides og cyanamides, med Tri-, Tetra-eller pentacyclic nitrogen heterocycles, i rettferdig til god avkastning fra lett tilgjengelige forløpere, i kjernen strukturer av ulike naturlige produkter. Denne strategien tillot syntese av rosettacin, luotonin A, og deoxyvasicinone, naturlige produkter av stor interesse som besitter anticancer, antimikrobielle, anti-inflammatorisk og antidepressant aktiviteter. Bemerkelsesverdig, syklisering av ynamides og cyanamides hadde allerede blitt beskrevet av Malacria bruke mer klassisk tinn-baserte forhold33,36, eller under photoredox forhold av Yu bruker svært redusere FAC-IR (ppy) 3 som photoredox katalysator37. Sammenlignet med de tidligere rapporterte metoder, det nye kobber-baserte photoredox systemet vi rapporterte synes å være et attraktivt alternativ som det gir lignende substrat omfang og gir samtidig unngå bruk av svært giftige bu3SnH (Malacria) eller dyrt FAC-IR (ppy)3 (Yu). Samlet sett har dette systemet vist sin effektivitet for aktivering av ulike unactivated aryl-eller alkyl-karbon-halogen obligasjoner fører til viktige strukturer i Organisk syntese, samt i stoffet funnet og naturlig produkt syntese.

Samlet resultatene diskutert ovenfor markere effektiviteten av [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 som et alternativ til Iridium-og ruthenium-baserte photocatalysts. Lignende nivåer av effektivitet kan fås med en kobber-basert katalysator som er både mye lettere å forberede og mye rimeligere. Syntesen av kobber-baserte fotokatalysator er i tillegg svært modulære, som baner veien for design og utvikling av andre generasjons katalysatorer adressering de viktigste begrensningene møtt med [(DPEPhos) (BCP) Cu] PF6 (dvs. ganske høy katalysator lasting fortsatt nødvendig i de fleste tilfeller og dens unability å aktivere noen aryl bromider og aryl klorider).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Université Libre de Bruxelles (ULB), Fédération Wallonie-Bruxelles (ARC consolidator 2014-2019), Innoviris (prosjekt alternativet), og COST action CM1202. H.B. erkjenner fonds pour la-formasjonen à la Recherche dans Industrie et dans Agriculture (F.R.I.A.) for Graduate-stipend. CT erkjenner fonds de la Recherche Scientifique (FNRS) for forskningsstipend.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Material
Bathocuproine (bcp) Acros 161340010
Acetonitrile, 99.9+ Acros 326811000
Celite 545 Acros 349670025
Bis[(2-diphenylphosphino)phenyl] ether (DPEphos) Acros 383370050
Calcium hydride Acros C/1620/48
Dichloromethane, 99.8% Fisher Chemical D/1852/25
Dietyl ether, >= 99% Fisher Chemical D/2400/MS21
Ethyl acetate Fisher Chemical E/0900/25
N-Methylpyrrole, 99% Sigma Aldrich M78801
4-Iodobenzonitrile, 98% Combi-Blocks OR-3151
Petroleum ether (40-60 °) Fisher Chemical P/1760/25
Potassium carbonate, anhydrous Fisher Chemical P/4120/60
Tetrakisacetonitrile copper(I) hexafluorophosphate, 97% Sigma Aldrich 346276
Equipment
1H and 13C NMR spectrometer Bruker Avance 300 Spectrometer
1H and 13C NMR spectrometer Varian VNMRS 400 Spectrometer
420 nm light tubes Luzchem LZC-420
Blue LEDs lamp Kessil H150-Blue
Blue LEDs strips Eglo 92065
Photochemistry Device PhotoRedOx Box Hepatochem HCK1006-01-016
Photoreactor Luzchem CCP-4V
Spectrofluorimeter Shimadzu RF-5301PC
UV/Vis spectrometer Perkin Elmer Lambda 40

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Encyclopedia of Radicals in Chemistry, Biology and Materials. Chatgilialoglu, C., Studer, A. , Chechester. (2012).
  2. Narayanam, J. M. R., Stephenson, C. R. J. Visible light photoredox catalysis: applications in organic synthesis. Chemical Society Reviews. 40, 102-113 (2011).
  3. Prier, C. K., Rankic, D. A., MacMillan, D. W. C. Visible Light Photoredox Catalysis with Transition Metal Complexes: Applications in Organic Synthesis. Chemical Reviews. 113 (7), 5322-5363 (2013).
  4. Romero, N. A., Nicewicz, D. A. Organic Photoredox Catalysis. Chemical Reviews. 116 (17), 10075 (2016).
  5. Paria, S., Reiser, O. Copper in Photocatalysis. ChemCatChem. 6 (9), 2477-2483 (2014).
  6. Reiser, O. Shining Light on Copper: Unique Opportunities for Visible-Light-Catalyzed Atom Transfer Radical Addition Reactions and Related Processes. Accounts of Chemical Research. 49 (9), 1990-1996 (2016).
  7. Boyer, C., et al. Copper-Mediated Living Radical Polymerization (Atom Transfer Radical Polymerization and Copper(0) Mediated Polymerization): From Fundamentals to Bioapplications. Chemical Reviews. 116 (4), 1803-1949 (2016).
  8. Paria, S., Reiser, O. Visible Light and Copper Complexes: A Promising Match in Photoredox Catalysis. Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry. Stephenson, C. R. J., Yoon, T. P., MacMillan, D. W. C. , Wiley-VCH. 233-252 (2018).
  9. Grutsch, P. A., Kutal, C. Photobehavior of copper(I) compounds. Role of copper(I)-phosphine compounds in the photosensitized isomerization of norbornadiene. Journal of the American Chemical Society. 101 (15), 4228-4233 (1979).
  10. Mitani, M., Kato, I., Koyama, K. Photoaddition of alkyl halides to olefins catalyzed by copper(I) complexes. Journal of the American Chemical Society. 105 (22), 6719-6721 (1983).
  11. Kern, J. -M., Sauvage, J. -P. Photoassisted C-C coupling via electron transfer to benzylic halides by a bis(di-imine) copper(I) complex. Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. , 546-548 (1987).
  12. Creutz, S. E., Lotito, K. J., Fu, G. C., Peters, J. C. Photoinduced Ullmann C-N coupling: demonstrating the viability of a radical pathway. Science. 338 (6107), 647-651 (2012).
  13. Kainz, Q. M., Matier, C. D., Bartoszewicz, A., Zultanski, S. L., Peters, J. C., Fu, G. C. Asymmetric copper-catalyzed C-N cross-couplings induced by visible light. Science. 351 (6274), 681-684 (2016).
  14. Matier, C. D., Schwaben, J., Peters, J. C., Fu, G. C. Copper-Catalyzed Alkylation of Aliphatic Amines Induced by Visible Light. Journal of the American Chemical Society. 139 (49), 17707-17710 (2017).
  15. He, J., Chen, C., Fu, G. C., Peters, J. C. Visible-Light-Induced, Copper-Catalyzed Three-Component Coupling of Alkyl Halides, Olefins and Trifluoromethylthiolate to Generate Trifluoromethyl Thioethers. ACS Catalysis. 8 (12), 11741-11748 (2018).
  16. Pirtsch, M., Paria, S., Matsuno, T., Isobe, H., Reiser, O. [Cu(dap)2Cl] As an Efficient Visible-Light-Driven Photoredox Catalyst in Carbon-Carbon Bond-Forming Reactions. Chemistry - A European Journal. 18 (24), 7336-7340 (2012).
  17. Paria, S., Pirtsch, M., Kais, V., Reiser, O. Visible-Light-Induced Intermolecular Atom-Transfer Radical Addition of Benzyl Halides to Olefins: Facile Synthesis of Tetrahydroquinolines. Synthesis. 45 (19), 2689-2698 (2013).
  18. Knorn, M., Rawner, T., Czerwieniec, R., Reiser, O. [Copper(phenanthroline(bisisonitrile)]+-Complexes for the Visible-Light-Mediated Atom Transfer Radical Addition and Allylation Reactions. ACS Catalysis. 5 (9), 5186-5193 (2015).
  19. Bagal, D. B., Kachkovskyi, G., Knorn, M., Rawner, T., Bhanage, B. M., Reiser, O. Trifluoromethylchlorosulfonylation of Alkenes: Evidence for an Inner-Sphere Mechanism by a Copper Phenanthroline Photoredox Catalyst. Angewandte Chemie International Edition. 54 (24), 6999-7002 (2015).
  20. Hossain, A., et al. Visible-Light-Accelerated Copper(II)-Catalyzed Regio- and Chemoselective Oxo-Azidation of Vinyl Arenes. Angewandte Chemie International Edition. 57 (27), 8288-8292 (2018).
  21. Hernandez-Perez, A. C., Vlassova, A., Collins, S. K. Toward a Visible Light Mediated Photocyclization: Cu-Based Sensitizers for the Synthesis of [5]Helicene. Organic Letters. 14 (12), 2988-2991 (2012).
  22. Baralle, A., Fensterbank, L., Goddard, J. -P., Ollivier, C. Aryl Radical Formation by Copper(I) Photocatalyzed Reduction of Diaryliodonium Salts: NMR Evidence for a CuII/CuI Mechanism. Chemistry - A European Journal. 19 (23), 10809-10813 (2013).
  23. Hernandez-Perez, A. C., Collins, S. K. A Visible-Light-Mediated Synthesis of Carbazole. Angewandte Chemie International Edition. 52 (48), 12696-12700 (2013).
  24. Tang, X. -J., Doldier, W. R. Efficient Cu-catalyzed Atom Transfer Radical Addition Reactions of Fluoroalkylsulfonyl Chlorides with Electron-Deficient Alkenes Induced by Visible Light. Angewandte Chemie International Edition. 54 (14), 4246-4249 (2015).
  25. Fumagalli, G., Rabet, P. T. G., Boyd, S., Greaney, M. F. Three-Component Azidation of Styrene-Type Double Bonds: Light-Switchable Behavior of a Copper Photoredox Catalyst. Angewandte Chemie International Edition. 54 (39), 11481-11484 (2015).
  26. Demmer, C. S., Benoit, E., Evano, G. Synthesis of Allenamides by Copper-Catalyzed Coupling of Propargylic Bromides and Nitrogen Nucleophiles. Organic Letters. 18 (6), 1438-1441 (2016).
  27. Theunissen, C., Wang, J., Evano, G. Copper-catalyzed direct alkylation of heteroarenes. Chemical Science. 8, 3465-3470 (2017).
  28. Michelet, B., Deldaele, C., Kajouj, S., Moucheron, C., Evano, G. A General Copper Catalyst for Photoredox Transformations of Organic Halides. Organic Letters. 19 (13), 3576-3579 (2017).
  29. Baguia, H., Deldaele, C., Romero, E., Michelet, B., Evano, G. Copper-Catalyzed Photoinduced Radical Domino Cyclization of Ynamides and Cyanamides: A Unified Entry to Rosettacin, Luotonin A, and Deoxyvasicinone. Synthesis. 50 (15), 3022-3030 (2018).
  30. Deldaele, C., Michelet, B., Baguia, H., Kajouj, S., Romero, E., Moucheron, C., Evano, G. A General Copper-based Photoredox Catalyst for Organic Synthesis: Scope Application in Natural Product Synthesis and Mechanistic Insights. CHIMIA. 72 (9), 621-629 (2018).
  31. Luo, S. -P., et al. Photocatalytic Water Reduction with Copper-Based Photosensitizers: A Noble-Metal-Free System. Angewandte Chemie International Edition. 52 (1), 419-423 (2013).
  32. Gryko, D. T., Vakuliuk, O., Gryko, D., Koszarna, B. Palladium-Catalyzed 2-Arylation of Pyrroles. The Journal of Organic Chemistry. 74 (24), 9517-9520 (2009).
  33. Servais, A., Azzouz, M., Lopes, D., Courilon, C., Malacria, M. Radical Cyclization of N-Acylcyanamides: Total Synthesis of Luotonin A. Angewandte Chemie International Edition. 46 (4), 576-579 (2007).
  34. Cambié, D., Bottecchia, C., Straathof, N. J. W., Hessel, V., Noël, T. Applications of Continuous-Flow Photochemistry in Organic Synthesis, Material Science, and Water Treatment. Chemical Reviews. 116 (17), 10276-10341 (2016).
  35. Straathof, N. J. W., Noël, T. Accelerating Visible-Light Photoredox Catalysis in Continuous-Flow Reactors. Visible Light Photocatalysis in Organic Chemistry. Stephenson, C. R. J., Yoon, T. P., MacMillan, D. W. C. , Wiley-VCH. 389-413 (2018).
  36. Marion, F., Courillon, C., Malacria, M. Radical Cyclization Cascade Involving Ynamides: An Original Access to Nitrogen-Containing Heterocycles. Organic Letters. 5 (26), 5095-5097 (2003).
  37. Han, Y. -Y., Jiang, H., Wang, R., Yu, S. Synthesis of Tetracyclic Quinazolinones Using a Visible-Light-Promoted Radical Cascade Approach. The Journal of Organic Chemistry. 81 (16), 7276-7281 (2016).

Tags

Kjemi kobber katalyse photoredox katalyse synlig lys radikale reaksjoner C-H arylering radikale syklisering naturlige produkter cyanamides ynamides luotonin A
[(DPEPhos) (BCP) Cu] PF<sub>6</sub>: en generell og bredt gjeldende kobber-baserte Photoredox Catalyst
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Baguia, H., Deldaele, C., Michelet,… More

Baguia, H., Deldaele, C., Michelet, B., Beaudelot, J., Theunissen, C., Moucheron, C., Evano, G. [(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6: A General and Broadly Applicable Copper-Based Photoredox Catalyst. J. Vis. Exp. (147), e59739, doi:10.3791/59739 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter