Summary
A olefinação catalisada por rutênio de alcenos deficiente em elétrons com acetato de alilo é aqui descrita. Ao usar aminocarbonilo como grupo direcionador, este protocolo externo livre de oxidantes tem alta eficiência e boa estereo- e regioselectividade, abrindo uma nova rota sintética para esqueletos ( Z , E ) -butadieno.
Abstract
O acoplamento cruzado direto entre dois alcenos através da ativação de ligação de vinil CH representa uma estratégia eficiente para a síntese de butadienos com alta economia atômica e gradual. No entanto, esta reação de acoplamento cruzado direcionada à funcionalidade não foi desenvolvida, pois ainda existem grupos limitados de direção em uso prático. Em particular, geralmente é necessária uma quantidade estequiométrica de oxidante, produzindo uma grande quantidade de resíduos. Devido ao nosso interesse na nova síntese de 1,3-butadieno, descrevemos a olefinação catalisada por rutênio de alquenos deficiente em elétrons usando acetato de alilo e sem oxidante externo. A reacção de 2-fenil acrilamida e acetato de alilo foi escolhida como uma reacção modelo, e o produto dieno desejado foi obtido com 80% de rendimento isolado com boa estereoselectividade ( Z, E / Z, Z = 88:12) em condições ideais: [ Ru ( p- cimeno) Cl2] 2 (3% molar) e AgSbF6 (20% molar) em DCE a 110 ºC fOu 16 h. Com as condições catalíticas otimizadas na mão, foram investigadas acrilamidas representativas de α e / ou β , e todas reagiram suavemente, independentemente de grupos alifáticos ou aromáticos. Além disso, as acrilamidas N- substituídas diferentemente provaram ser bons substratos. Além disso, examinamos a reatividade de diferentes derivados alílicos, sugerindo que a quelação de acetato de oxigênio para o metal é crucial para o processo catalítico. Experimentos rotulados com deutério também foram conduzidos para investigar o mecanismo de reação. Foram observadas apenas trocas de H / D seletivas Z sobre acrilamida, indicando um evento reversível de ciclometalação. Além disso, observou-se um efeito de isótopo cinético (KIE) de 3,2 no estudo isotópico intermolecular, sugerindo que o passo de metalurgia CH olefínico está provavelmente envolvido no passo determinante da velocidade.
Introduction
Os butadienos estão ocorrendo amplamente e são comumente encontrados em muitos produtos naturais, drogas e moléculas bioativas 1 . Os químicos fizeram intensos esforços para desenvolver uma metodologia sintética eficiente, seletiva e prática para a síntese de 1,3-butadienos 2 , 3 . Recentemente, desenvolveu-se acoplamentos cruzados diretos entre dois alcenos através da ativação de ligação de vinilo CH duplo, representando uma estratégia eficiente para a síntese de butadienos, com alta economia atômica e gradual. Entre eles, o acoplamento cruzado catalisado por paládio de dois alquenos atraiu muita atenção, proporcionando butadienos configurados ( E, E ) através de espécies de alcenil-Pd 4 , 5 . Por exemplo, o grupo de Liu desenvolveu uma síntese de butadieno catalisada por Pd pelo acoplamento cruzado direto de alcenos e acetato de alilo ( Figura 1 Equação 3 ) 4 . Enquanto isso, o acoplamento cruzado direcionado do grupo funcional entre alcenos forneceu butadienos com excelente ( Z, E ) -estereoselectividade devido ao evento de ciclometalação CH olefínica, representando um método complementar 6 . Até à data, alguns grupos direcionadores, como enolates, amidas, ésteres e fosfatos, foram introduzidos com sucesso no acoplamento cruzado entre os alcenos, fornecendo uma série de 1,3-butadienos valiosos e funcionalizados. No entanto, a reação de acoplamento cruzado direcionado não foi desenvolvida, pois ainda existem grupos direcionados limitados em uso prático. Em particular, geralmente é necessária uma quantidade estequiométrica de oxidante para manter o ciclo catalítico, o que produz uma grande quantidade de resíduos orgânicos e inorgânicos. Existem exemplos muito limitados usando alquenos ricos em elétrons como o parceiro de acoplamento.
O acetato de alil e seus derivados foram profundamenteNvestigados em transformações orgânicas como poderosos reagentes de alilação e olefinação, incluindo acoplamento cruzado catalisado, alilação de Friedel-Crafts de arenos ricos em elétrons e ativação catalítica de ar de arenos deficiente em elétrons ( Figura 1 e Equação 1 ) 7 . Mais recentemente, o grupo Loh desenvolveu uma alilação de CH catalisada por ródio (III) de alcenos deficiente em elétrons com acetatos de alilo, criando 1,4-dienos ( Figura 1 e Equação 2 ) 8 . Enquanto isso, o grupo de Kanai relatou uma alilação de CH direta desidratante com álcoois alílicos usando um catalisador de Co (III) 9 . Curiosamente, Snaddon e colegas de trabalho revelaram um novo método cooperativo baseado em catálise para o α- linear direto de ésteres acíclicos 10 . Muito recentemente, o grupo de Ackermann relatou vários exemplos de alilação novos usinG catalisadores baratos Fe, Co e Mn 11 . Esses relatórios fizeram avanços nas reações de alilação e olefinação, mas a migração de dupla ligação e baixa regioselectividade são geralmente inevitáveis e não são facilmente controladas. Assim, o desenvolvimento de padrões de reação mais eficientes e seletivos de acetatos de alilo para a construção de moléculas valiosas é ainda altamente desejável. Com o nosso interesse na nova síntese de 1,3-butadieno através de olefinação de CH, assumimos que o acetato de alilo poderia ser introduzido na alilação dirigida de alcenos com deficiência de elétrons, primeiro fornecendo 1,4-dieno. Em seguida, o 1,3-butadieno mais termodinamicamente estável pode ser formado após a isomerização migratória da ligação dupla CC 7 , formando o produto dieno que não pode ser obtido por acoplamento cruzado usando alcenos ricos em elétrons, como propeno, como parceiro de acoplamento 6 . Aqui, relatamos uma olefinatio de ligação CH olefínica catalisada por Ru (III), de baixo custoN de acrilamidas com acetatos de alilo na ausência de qualquer oxidante, o que abre uma nova rota sintética para a criação de ( Z, E ) -butadienos ( Figura 1 e Equação 4 ) 13 .
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Protocol
Cuidado: consulte todas as folhas relevantes de dados de segurança de material (MSDS) antes de usar. Todas as reações de acoplamento cruzado devem ser realizadas em frascos sob atmosfera de argônio selada (1 atm).
1. Preparação de butadienos pela olefinação de acrilamidas com acetato de alilo
- Secar um frasco parafuso-tampão (8 mL) com uma barra de agitação magnética compatível em um forno a 120 ° C por mais de 2 h. Arreme o frasco quente à temperatura ambiente soprando com gás inerte antes de usar.
- Use um balanço analítico e pesa 3,7 mg (~ 3% molar, ~ 0,005 mmol) de [Ru ( p- cimeno) Cl 2 ] 2 (pó marrom) e 13,7 mg (20% molar, 0,04 mmol) de AgSbF6 (branco Sólido) no frasco de reação acima.
NOTA: uma vez que esta é uma nova metodologia, as reações de acoplamento cruzado foram realizadas em pequena escala para prova de conceito para reduzir a formação de resíduos. AgSbF 6 é usado como um aditivo que pode abstratar o cloreto para gerar umComplexo de rutênio catiônico para a ativação da ligação CH eletrofílica 13 . Outros sais de prata, como Ag 2 CO 3 , também foram testados, mas nenhum produto foi detectado. O peso do catalisador ([Ru ( p- cimeno) Cl 2 ] 2 ) não é muito preciso e está na faixa de 3,4-3,9 mg. - Adicionar 1 mL de 1,2-dicloroetano seco ao frasco de reação.
NOTA: A quantidade de solvente é flexível - 1 mL de 1,2-dicloroetano é apenas o suficiente para atender ao requisito mínimo de volume para a reação de acoplamento cruzado. No entanto, um pouco mais (~ 0,1 mL) de solvente também é permitido para uma reação desta escala. O 1,2-dicloroetano foi seco sobre um peneiro molecular de 3-ieve antes da sua utilização. - Use um balanço analítico e adicione acrilamida (0,2 mmol, 1,0 equiv, sólido ou óleo) ao frasco de reação acima.
- Use uma micro-seringa para adicionar 43 μL (0,4 mmol, 2,0 equiv) de acetato de alilo (um líquido incolor) ao frasco de reação acima.
- Sopre suavemente no frasco de reação com gás argônio e cubra o frasco com uma tampa de rosca compatível o mais rápido possível.
NOTA: O frasco deve ser coberto com uma tampa roscada o mais rápido possível porque uma atmosfera inerte é crucial para a reação de acoplamento cruzado. É melhor executar o protocolo acima em uma luva. - Agitar a mistura reaccional à temperatura ambiente durante mais 5 min.
- Aqueça o frasco de reacção a 110 ° C num banho de óleo com agitação durante 16-18 h.
NOTA: Geralmente, uma mudança de cor para vermelho escuro é uma indQue a reação está ocorrendo. - Após o resfriamento do frasco para baixo, use misturas de acetato de etilo: éter de petróleo (2: 1 ou 1: 3) como solvente para desenvolver as placas de cromatografia em camada fina (TLC) para monitorar o progresso da reação comparando a mistura com um padrão de acrilamida .
NOTA: Dependendo da natureza dos materiais de partida, a reação pode não ser concluída. Os valores Rf típicos dos produtos e dos materiais de partida estão na faixa de 0,3 a 0,7. O material de partida de acrilamida foi observado como um ponto de funcionamento inferior do que o produto de butadieno. - Dissolver o produto em bruto em um mínimo de DCM e carregá-lo sobre uma coluna de sílica molhada com éter de petróleo. Separar o produto de acoplamento cruzado por cromatografia em coluna utilizando uma mistura de acetato de etilo: éter de petróleo (1: 100 a 1: 4) como eluente.
- Recolher o eluente em um balão separado, evaporar o solvente em um evaporador rotativo, umD colocá-lo sob alto vácuo por um mínimo de 2 h.
- Obtenha aproximadamente 20-50 mg de produto para caracterização por espectroscopia de RMN.
NOTA: A mistura reaccional deve ser aplicada à cromatografia em coluna para purificação directamente após a conclusão da reacção.
2. Caracterização de Dienamides
- . Caracterizar e avaliar a pureza do produto final utilizando espectroscopia RMN 1 H e 13C 14 . Tipicamente, o deslocamento químico do carbono carbonílico aparece perto de 170 ppm no espectro de RMN 13C. Os três protões de sp 2 do grupo funcional de butadieno são representados por picos característicos próximos de 6.0 e 5.6 ppm.
- Use a espectroscopia de infravermelho 14 para identificar o carbono característico de carbonil e CC de ligação dupla do produto de dieno.
- Determine a massa molecular do produto e valide ainda mais a identidade usando alto-Espectrometria de massa de resolução (HRMS) 14 .
- Determine o ponto de fusão dos produtos sólidos 14 .
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Representative Results
Nossos esforços foram focados na preparação de 1,3-butadieno a partir de acrilamida e acetato de alilo.
A Tabela 1 ilustra a otimização de condições, incluindo o rastreio de vários aditivos e solventes, utilizando o [Ru ( p- cieno) Cl2] 2 como catalisador. Após a triagem de uma série de solventes representativos, ficamos satisfeitos ao descobrir que o rendimento do produto melhorou dramaticamente para 80%, com boa seletividade ( Z, E / Z, Z = 88:12). A estrutura cis foi confirmada pela análise RMN de NOESY, indicando que o grupo amido dirigiu o passo de formação da ligação CC no ciclo catalítico. A razão Z, E / Z, Z foi determinada pela integração de 1H NMR. Quando a reacção foi realizada em 1,2-dicloroetano, apenas vestígios de produto de alilação 4a ( 3a /
Na Tabela 2 , o escopo da reação foi explorado mediante a apresentação de várias acrilamidas para as condições otimizadas na presença de acetato de alilo 2a . Foram obtidos rendimentos modestos a excelentes, com boa regioselectividade e seletividade ( Z, E / Z, Z ). Conforme ilustrado na Tabela 2 , a acrilamida 1 N- substituída diferente também reagiu bem com acetato de alilo, proporcionando os 1,3-butadienos desejados com boa estereoselectividade ( Z, E / Z, Z até 88:12) ( 3a-3f ) . Esta reação de acoplamento cruzado também procedeu suavemente quando realizada na escala gramatical, conforme descrito na síntese de 3a , mostrando a robustez deste método. As amidas secundárias e primárias também foram testadas, mas nenhuma delas entregou o produto de olefinação ou alilação. DentroA estabilização do anel fenilo na posição α da acrilamida mostrou influência limitada na reação. O produto desejado foi isolado com 67% de rendimento, com excelente regiosselectividade ( 3g / 4g = 97: 3), mas a estereoselectividade diminuiu ligeiramente ( Z, E / Z, Z = 83:17). Grupos funcionais valiosos, como Br, F ou Me, podem ser bem tolerados, embora os rendimentos do produto diminuíram quando um grupo de retirada de elétrons foi introduzido ( Tabela 2 , 3h-j ). Anéis aromáticos maiores, como a acrilamida substituída com naftaleno, também proporcionaram bons resultados ( Tabela 2 , 3k ). Outros grupos alquilo, tais como substratos de amarração de benzilo e hexilo, também reagiram bem, com boa regioselectividade e seletividade Z / E ( Tabela 2 , 3l-o ). A reactividade das acrilamidas α , β- dissubstituídas 1 também foi exAmined. A acrilamida 1 , com uma unidade de ciclopentenilo, reagiu bem, mas o produto de alilação 4p aumentou notavelmente. Curiosamente, a acrilamida embutida com uma porção ciclo-hexenilo exibiu excelente regio e estereoselectividade, formando traço de 1,4-dieno 4q .
Na Tabela 3 , examinou-se a reactividade de diferentes derivados de alilo. Os acetatos de alilo ramificados também foram examinados. Os acetatos de alilo substituídos com α ou β foram completamente inertes para o acoplamento cruzado, enquanto que o acetato de alilo substituído com γ proporcionava apenas vestígios de produto. Outros ésteres de alilo carboxílico, tais como o hexanoato de alilo 2b , o metacrilato de alilo 2c , o fenoxiacetato de alilo 2d e o 3,3,3-trifluoropropanoato de alilo 2e , também foram testados, mostrando uma reactividade diminuída em comparação com o acetato de alilo 2a 2f foi mais inativo para olefinação e alilação, formando o produto com apenas 24% de rendimento. Vale ressaltar que o iodeto de alilo 2g não apresentou reatividade em relação à acrilamida, sugerindo que a quelação do acetato de oxigênio para o metal é crucial no processo catalítico.
Além disso, para investigar o mecanismo de reação, realizaram-se dois experimentos marcados com deutério ( Figura 2 ). Se a acrilamida 1g foi submetida a um sistema catalítico padrão na presença de ácido acético- d4 (10,0 equiv) sem acetato de alilo, as espécies de rutênio catiónico levaram a uma troca H / D seletiva de Z em acrilamida; Não foi observada uma troca H / D seletiva de E , indicando assim um evento reversível de ciclometalação 6 , 7 , 8 . Além disso, observou-se um efeito isotópico cinético (KIE) de k H / k D = 3,2 no estudo isotópico intermolecular, sugerindo que o passo de metalurgia da ligação CH olefínica está provavelmente envolvido no passo 6 determinante da velocidade.
Tabela 1: Otimização de condições catalíticas.
Tabela 2: Escopo de Acrylamides Substituídos Diferentes.
Tabela 3: Escopo de Diferentes Derivados Alílicos.
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Figura 1 : Oleodinação e alilização catalisadas por metal de transição por ativação de CH com derivados de alilo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Experiências marcadas com deutério. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Mecanismo proposto para esta olefina catalíticaAtion. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : 1H RMN e Espectro de RMN 13C para (2 Z , 4E ) -2-metil-1- (pirrolidin-1-il) hexa-2,4-dien-1-ona (3a). Este composto foi preparado pelo procedimento geral descrito acima e foi obtido como um óleo amarelo (28,6 mg, rendimento = 80%). 1H NMR (500 MHz, CDCl3): δ 6,00 - 5,87 (m, 2H), 5,76 - 5,66 (m, 1H), 3,54 (t, J = 7,0, 2H), 3,33 (t, J = 6,5 Hz, 2H), 1,93 (s, 3H), 1,92-1,88 (m, 4H), 1,74 (d, J = 7,0 Hz, 3H). 13 + 180,1338, encontrado: 180,1388. FTIR (KBr, cm -1 ): ν 3819, 3709, 3627, 3565, 2924, 1733, 1652, 1615, 1558, 1455. A relação Z / E dos produtos finais pode ser calculada a partir de 1H RMN pela integração de Prótons olefínicos em isômeros. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : 1H RMN e Espectro de RMN 13C para (2 Z , 4 < Em> E ) -2-fenil-1- (pirrolidin-1-il) hexa-2,4-dien-1-ona (3 g). Este composto foi preparado pelo procedimento geral descrito acima e foi obtido como um sólido amarelo (32,3 mg, rendimento = 67%). 1H NMR (500 MHz, CDCl3): δ 7,41-7,21 (m, 5H), 6,58 (d, J = 11,0 Hz, 1H), 6,26-6,17 (m, 1H), 6,02-5,93 (m, 1H) , 3,67 (t, J = 7,0 Hz, 2H), 3,20 (t, J = 7,0 Hz, 2H), 1,82-1,95 (m, 7H). 13C RMN (125 MHz, CDCl3): δ 168,48, 136,28, 135,83, 134,19, 128,78, 128,16, 12,7,70, 127,26, 125,40, 47,23, 45,18, 25,85, 24,58, 18,61. HR-MS (ESI): m / z calculado para C 16 H 19 NO [M + H] + 242,1539, encontrado: 242,1531. FTIR (KBr, cm1): ν 3851, 3647, 3627, 3565, 2924, 1732, 1633, 1429, 966, 694. Ponto de fusão: 82-83 ° C. A razão Z / E dos produtos finais pode ser calculada a partir de 1H NMR pela integração de prótons olefínicos em isómeros.F = "http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55766/55766fig5large.jpg" target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 6 : 1H-RMN e Espectro de RMN 13C para ( E ) - (2- (prop-1-en-1-il) ciclo-hex-1-en-1-ilo) (pirrolidin-1-il) metanona (3q ). Este composto foi preparado pelo procedimento geral descrito acima e foi obtido como um óleo amarelo (25,4 mg, rendimento = 58%). 1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ 5,98 (d, J = 15,5 Hz, 1H), 5,72-5,58 (m, 1H), 3,47 (t, J = 6,5 Hz, 2H), 3,22 (t, J = 6,5 Hz, 2H), 2,18-2,09 (m, 4H), 1,86-1,79 (m, 4H), 1,67 (d, J = 6,5 Hz, 3H), 1,59 (s largo, 4H). 13 + : 220.1696, encontrado: 220.1694. FTIR (KBr, cm -1 ): ν 3742, 3674, 3646, 3565, 2933, 1683, 1634, 1557, 1505, 1435. A relação Z / E dos produtos finais pode ser calculada a partir de 1H RMN pela integração de Prótons olefínicos em isômeros. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Análise de RMN de NOESY para (2 Z , 4E ) -2-fenil-1- (pirrolidin-1-il) hexa-2,4-dIen-1-ona (3 g).
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Discussion
[Ru ( p -cymene) Cl 2 ] 2 é um catalisador baseado em Ru barato, facilmente acessível, a prova de ar e altamente ativo com excelente tolerância ao grupo funcional que opera eficientemente em condições de reação suave para dar produtos de butadieno de acoplamento CH / CH. O sal de prata AgSbF6 foi utilizado como um aditivo que pode abstrair o cloreto de [Ru ( p- cimeno) Cl 2 ] 2 para gerar um complexo de ruténio catiónico para a seguinte activação da ligação CH. Contudo, apenas as acrilamidas substituídas por α e α, β são adequadas para esta reação de acoplamento cruzado. Nós também testamos algumas outras acrilamidas, como metacrilamida primária e N- benzil metacrilamida, mas ambas não entregaram nenhum produto. Além disso, a acrilamida substituída com β , tal como a crotonamida, e a acrilamida simples sem qualquer substituinte não apresentaram reatividade, mesmo a uma temperatura elevada. Além disso, allyl aceTate provou ser o melhor parceiro de acoplamento. Nós apenas demostraram que a reação pode ser ampliada para a escala gramatical (0,5 g de 1a ), com 62% de rendimento isolado e boa estereoselectividade ( Z, Z / Z, E = 87/13). As reações podem ser realizadas em uma escala maior.
Com base nestes estudos mecanicistas e nos relatórios anteriores, propomos um mecanismo possível ( Figura 3 ). Primeiro, um complexo de rutênio catiónico ativo I foi gerado a partir de [RuCl 2 ( p- cimeno)] 2 . Em seguida, ocorreu uma ativação reversa da ligação CH assistida com ácido acético por uma cicloruthenação de tipo eletrofílico, formando o intermediário II . A coordenação subsequente ea inserção migratória de acetato de alilo forneceram uma espécie de Ru (II) de sete membros. Como a coordenação do grupo amida pode ter impedido a eliminação do hidrogênio benzílico por hidrólise sintética por conformational rEstrutura, a seguinte eliminação de β- oxigenio foi fácil, produzindo o produto de alilação 4 e regenerando o complexo de Ru (II) activo. O butadieno final 3 do produto termodinamicamente mais estável foi formado através da isomerização migratória da ligação dupla com a ajuda das espécies [Ru] ativas.
Embora as sínteses descritas, bem como os protocolos de reação de acoplamento, sejam diretas, algumas das etapas críticas estão listadas aqui. Use o AgSbF 6 recém-comprado ou devidamente armazenado, pois é higroscópico. Armazene [Ru ( p- cimeno) Cl 2 ] 2 sob uma atmosfera inerte. Use acetato de alilo recém-destilado e guarde-o sob atmosfera inerte. Prepare a acrilamida recém-viva e guarde-a sob atmosfera inerte. Use 1,2-dicloroetano seco com alta pureza e guarde-o sobre um peneiro molecular de 3 ieve sob uma atmosfera inerte. Seca todo o verniz iNum forno a 120 ° C durante mais de 2 h e resfriando-os sob uma atmosfera inerte antes da utilização. Execute o acoplamento cruzado sob uma atmosfera inerte; O argônio é a melhor escolha.
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Disclosures
Agradecemos a Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (NSFC) (Números 21502037, 21373073 e 21672048), a Fundação de Ciências Naturais da Província de Zhejiang (N ° LY15B020008), o PCSIRT (No. IRT 1231) e Hangzhou Universidade Normal para apoio financeiro. A GZ reconhece um prêmio Qianjiang Scholar da província de Zhejiang, na China.
Acknowledgments
Os autores não têm nada a revelar.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Allyl Acetate | TCI | A0020 | >98.0%(GC), 25 mL package |
| Dichloro(p-cymene)ruthenium(II) dimer | TCI | D2751 | >95.0%(T), 5 g package |
| Silver hexafluoroantimonate | TCI | S0463 | >97.0%(T), 5 g package |
| 1,2-Dichloroethane | TCI | D0364 | >99.5%(GC), 500 g package |
| Rotavapor | EYELA | N-1200A | Use to dry solvent |
| Silica gel | Merck | 107734 | Silica gel 60 (0.063-0.2 mm), for column chromatoraphy |
References
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