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 generel og bredt anvendelig kobber-baseret 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

Detaljerede og generelle protokoller er præsenteret for syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, en generel kobber-baseret photoredox katalysator, og for dets anvendelse i syntetisk kemi til direkte arylering af C-H obligationer i (hetero) arener og radikale af organiske halogenider.

Abstract

Vores gruppe har for nylig rapporteret brugen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som en generel kobber-baseret photoredox katalysator, som viste sig effektiv til at fremme aktivering af en bred vifte af organiske halogenider, herunder uaktiverede dem. Disse kan derefter deltage i forskellige radikale transformationer såsom reduktion og cyclisering reaktioner, samt i direkte arylering af flere (hetero) Arenes. Disse transformationer giver en nem adgang til en række små molekyler af interesse i syntetisk kemi, samt til biologisk aktive naturprodukter. Helt, [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 fungerer som en bekvem photoredox katalysator, som synes at være et attraktivt, billigt og komplementært alternativ til den state-of-the-art Iridium-og ruthenium-baserede photoredox katalysatorer. Her rapporterer vi en detaljeret protokol for syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, samt NMR og spektroskopiske karakteriseringer, og vi illustrerer dens anvendelse i syntetisk kemi til direkte arylering af (hetero) arener og radikal cyclisering af organiske halogenider. Især direkte arylering af n-methylpyrrollemed 4-iodobenzonitril til at give 4-(1-methyl-1H-pyrrol-2-yl) benzonitril og radikal cyclisering af n-Benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] Cyanamid til at give naturligt produkt luotonin A er detaljerede. Omfanget og begrænsningerne af denne kobberbaserede photoredox-katalysator diskuteres også kort.

Introduction

Radikale transformationer har været kendt i årtier for at give bemærkelsesværdigt effektive veje i syntetisk kemi, som ofte supplerer transformationer baseret på kationiske, anioniske eller pericykliske processer1. Selv om det er særlig lovende for forskellige typer af transformationer, har radikal-baseret kemi dog længe været underudnyttet, hovedsagelig på grund af behovet for meget giftige reagenser, som i betydelig grad begrænser dens tiltrækningskraft. Desuden har radikale processer længe været betragtet som transformationer i forbindelse med dårlig kontrolniveauer i form af regio-og/eller stereoselektivitet, eller fører til omfattende dimeriseringsadfærd og/eller polymeriserings problemer.

Der er for nylig blevet udviklet alternative strategier for at lette produktionen og forbedre kontrollen med de radikale arters reaktivitet. Blandt dem, photoredox katalyse er blevet en af de mest kraftfulde metoder, da det giver mulighed for bekvem generation af radikale arter ved hjælp af en let reagerende sammensatte, nemlig photoredox katalysator, og synlige lys bestråling2,3 . Synligt lys selv er faktisk i stand til at fremme befolkningen i den ophidsede tilstand af photoredox katalysator, der bliver derfor både en stærkere redutant og oxidant end i sin tilsvarende jord tilstand. Disse forbedrede redox egenskaber gør enkelt-elektron Transfer processer, ikke muligt i jorden tilstand, mulig under milde forhold fra ophidset tilstand. I løbet af det seneste årti, synlig lys photoredox katalyse er blevet en attraktiv og kraftfuld teknik i organisk syntese og har gjort det muligt at udvikle talrige bemærkelsesværdigt effektive og selektive transformationer baseret på radikale mellemprodukter frembragt under bæredygtige, milde og brugervenlige forhold.

Mens de fleste fooredox processer rapporteret til dato er domineret af brugen af iridium-og ruthenium-baserede photoredox katalysatorer, samt af nogle organiske farvestoffer såsom pyrylium og acridinium derivater4, billigere alternativer er stadig meget forlangt for udvikling af komplementære processer af interesse for industrielle applikationer. I denne forbindelse forekommer brugen af kobberbaserede fotocelle katalysatorer særlig tiltrækkende, da de ikke blot er billigere, men også giver mulighed for at aktivere et bredere og/eller forskelligt sortiment af substrater, hvilket derfor åbner nye perspektiver i photoredox-katalyse5,6,7,8. På trods af nogle lovende tidlige værker rapporteret af Kutal9, mitani10 og Sauvage11 grupper, photoactivatable kobber komplekser har dog kun været næppe brugt i photoredox katalyse, sandsynligvis på grund af deres kortlivede ophidsede stater i forhold til deres ruthenium-og Iridium-baserede kongenere. For nylig er de seneste bemærkelsesværdige bidrag fra Peters og Fu12,13,14,15, Reiser16,17,18, 19 ud af , 20 og andre gruppe21,22,23,24,25 har tydeligvis bragt opmærksomhed tilbage til kobber-baserede photoredox katalysatorer og demonstreret deres enestående potentiale.

Som en del af vores nylige interesse for kobber-katalyserede radikale processer26,27, vi for nylig rapporterede en generel og bredt anvendelig kobber-baserede photoredox katalysator, [(dpephos) (BCP) cu] PF6 (dpephos: bis [(2- diphenylphosphino) phenyl] ether; BCP: bathocuproin), som viste sig at være særlig effektiv til aktivering af organiske halogenider under synligt lys bestråling (figur 1a)28,29,30. Ved bestråling med synligt lys og i tilstedeværelse af en Amin som offer reducerende, blev det påvist, at en lang række uaktiverede aryl-og alkylhalogenider let kunne aktiveres af katalytiske mængder af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 og derfor deltage i forskellige radikale omdannelser, herunder reduktioner, cycliseringer og direkte arylering af flere elektron-rige (hetero) arener. Desuden har [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 også vist sig at være vellykket med hensyn til at fremme foto fremkaldte radikale Domino-cybe ringer af ynamider og cyanamider, hvilket giver en effektiv og ligetil adgang til komplekse Tri-, Tetra-og pentacycliske nitrogen heterocycles på de centrale strukturer af forskellige naturlige produkter. Denne strategi tillod effektiv syntese af rosettacin, luotonin A, og deoxyvasicinon, naturlige produkter, der udviser anticancer, antimikrobielle, antiinflammatoriske og antidepressivt aktiviteter. Disse transformationer er illustreret i figur 1c. Fra et mekanisk synspunkt indtægter den foto inducerede aktivering af organiske halogenider med [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 gennem en sjælden cu (i)/cu (i) */cu (0) katalytisk cyklus, som er blevet bekræftet af omfattende mekanistiske og foto ofysiske undersøgelser. Især excitation af jord tilstanden [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 [cu (i)] ved bestråling af synligt lys fører til dannelsen af det tilsvarende spændte kompleks [(dpephos) (BCP) cu] PF6* [cu (i) *], som derefter reduceres med offeramin til at generere de tilsvarende [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 [cu (0)] arter. Denne cu (0) mellemprodukt er reduktiv nok til at reducere Carbon-halogen binding af forskellige organiske halogenider til at generere de tilsvarende radikaler, som derefter kan deltage i de førnævnte transformationer, sammen med regenerering af start katalysator (figur 1b).

I det følgende afsnit beskriver vi først den protokol, der skal syntetisere den fotoaktivatable [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 (hvis NMR og spektroskopiske karakterisering er præsenteret i afsnittet repræsentative resultater). Syntesen er ligetil og særlig praktisk, og kræver blot tilsætning af 1 ækvivalent af DPEPhos og 1 ækvivalent af BCP til en opløsning af tetrakisacetonitril kobber (I) hexafluorophosphat i dichlormethan. Den ønskede [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 isoleres derefter ved udfældning fra diethylether og kan let opnås på en multigram skala (figur 2a). Det er vigtigt, at det isolerede kobber kompleks ikke er særligt følsomt over for ilt og fugt, og at det derfor kan håndteres bekvemt uden andre specifikke forholdsregler end at blive opbevaret væk fra lys.

For det andet beskriver vi protokollerne til aktivering af organiske halogenider ved hjælp af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 under synligt lys bestråling ved at fokusere på to forskellige transformationer. Den første reaktion er direkte arylering af N-methylpyrrollemed 4-iodobenzonitril ved hjælp af katalytiske mængder af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som photoredox katalysator, dicyclohexylisobutylamin som offer redukterende og kalium karbonat som base under bestråling ved 420 nm (figur 2b). Den anden reaktion er den radikale cyklisering af n-Benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] Cyanamid, ved hjælp af den samme katalysator og offer reduktionsmiddel, hvis cyklisering direkte fører til luotonin a, et naturligt produkt, der viser interessante anticancer aktiviteter (figur 2c). Der findes detaljerede protokoller for begge transformationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. syntese af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6

  1. Der tilsættes 3,73 g (10,00 mmol) tetrakisacetonitril kobber (I) hexafluorophosphat og 5,39 g (10,00 mmol) af DPEPhos til en 2 L rund bund kolbe udstyret med en magnetisk røre stang.
  2. Monter den runde bund kolbe med en tre-hals vakuum adapter, der er forbundet til en vakuum ledning og en argon linje.
  3. Flasken skal evakueres under vakuum og fyldes med argon tre gange. Udskift de tre nakke vakuum adaptere med et gummi septum.
    Bemærk: reaktionen kan udføres under luft med let reduceret effektivitet (Se afsnittet om detaljer).
  4. Der tilsættes 800 mL tør dichlormethan.
    Bemærk: dichlormethan er frisk destilleret fra CaH2. Reaktionen kan også udføres i almindelig dichlormethan (99,8%) med tilsvarende effektivitet (Se afsnittet med oplysninger).
  5. Reaktionsblandingen omrøres i 2 timer i mørke (reaktions kolbe beklædt med aluminiumsfolie) ved stuetemperatur (23-25 º C) under en argon-atmosfære.
  6. Der tilsættes 3,60 g (10,00 mmol) BCP til en 500 mL rund bund kolbe udstyret med en magnetisk omrører.
  7. Monter den runde bund kolbe med en tre-hals vakuum adapter, der er forbundet til en vakuum ledning og en argon linje.
  8. Flasken skal evakueres under vakuum og fyldes med argon tre gange. Udskift de tre nakke vakuum adaptere med et gummi septum.
  9. Der tilsættes 200 mL tør dichlormethan, og suspensionen omrøres forsigtigt indtil fuldstændig opløsning af BCP.
  10. Opløsningen af BCP i dichlormethan tilsættes til reaktionsblandingen ved hjælp af en kanyle.
  11. Der omrøres i en ekstra time i den mørke (reaktions kolbe dækket med aluminiumsfolie) ved stuetemperatur (23-25 º C) under en argon atmosfære.
  12. Blandingen filtreres gennem en pude af Celite, vaskes med ca. 100 mL dichlormethan, og filtratet koncentreres til ca. 50-100 mL under reduceret tryk.
  13. Koncentratet dråbevis tilsættes 1 L diethylether ved hjælp af en tilsætning tragt og med kraftig omrøring for at fremkalde udfældning af det ønskede kompleks.
  14. Bundfaldet opsamles ved filtrering gennem et frittet glas (porestørrelse 3), og bundfaldet vaskes med ca. 100 mL diethylether.
  15. Tør det lyse gule bundfald under vakuum ved stuetemperatur (23-25 º C) i 5 timer for at genvinde 10,1 g (91% udbytte) af kobber komplekset.
    Bemærk: der blev opnået et udbytte på 75%, når reaktionen blev udført under luft med destilleret dichlormethan; en 89% udbytte blev opnået, når reaktionen blev udført under argon ved hjælp af regelmæssig dichlormethan; ved udførelse af reaktionen under luft med almindelig dichlormethan blev reaktionen anset for at være mindre effektiv og førte til en meget lavere renhed (ca. 70%, som anslået af 1H NMR med en intern standard).
  16. Karakterisere [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som tidligere rapporteret31.

2. direkte arylering af N-methylpyrrollemed 4-iodobenzonitril

  1. Tilsæt 55 mg (0,05 mmol) af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6, 59 mg (0,25 mmol) dicyclohexylisobutylamin (CY2NiBu), 138 mg (1,0 mmol) af K2Co3 og 114 mg (0,50 mmol) 4-iodobenzonitril til et ovntørret 10 ml hætteglas.
  2. Tilsæt en magnetisk røre stang, forsegle hætteglasset med en gummi septum, evakuere hætteglasset under vakuum og opfyldning med argon tre gange.
  3. Der tilsættes 5 mL acetonitril og 890 μL (10,00 mmol) N-methylpyrrolle. Udskift gummi septum med en skruehætte.
    Bemærk: acetonitril er frisk destilleret fra CaH2 og afgasset ved hjælp af fryse pumpe-tø-cyklusser før brug for at sikre høje udbytter og reproducerbarhed.
  4. Reaktionsblandingen omrøres i 3 dage ved stuetemperatur (23-25 º C) i en foto oreaktor under 420 nm bølgelængde bestråling.
    Bemærk: som et alternativ til brugen af en fotorealistiske, kan reaktionen også bekvemt udføres ved hjælp af blå lysdioder strimler eller en fotokemi enhed med en blå LED-lampe (440 nm, 34 W). Disse eksperimentelle opsætninger er vist i figur 3 (Se repræsentative resultater) og en diskussion om deres respektive resultater er givet i afsnittet "diskussion".
  5. Reaktionsblandingen filtreres gennem en pude af Celite, der vaskes med ca. 5 mL diethylether, og filtratet koncentreres under reduceret tryk.
  6. De rå rester renses ved Flash kolonne kromatografi over silicagel (eluent system petroleumsæter/EtOAc: 90/10).
  7. Tør det rene stof under vakuum ved stuetemperatur (23-25 º C) i 3 timer for at genvinde 65 mg (72% udbytte) af den ønskede C2-arylerede pyrrolrolle.
    Bemærk: brugen af blå lysdioder strips gav en 76% udbytte (69 mg), mens brugen af en fotokemi enhed med en blå LED-lampe (440 nm, 34 W) gav en 86% udbytte (78 mg).
  8. Karakterisere den rene forbindelse som tidligere rapporteret32.

3. cyclisering af n-Benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] Cyanamid til luotonin A

  1. Tilsæt 37 mg (0,09 mmol) n-Benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl) methyl] Cyanamid, 9 mg (9,0 μmol) af [(dpephos) (BCP) cu] PF6, 11 mg (0,04 mmol) af CY2Nibu og 25 mg (0,18 mmol) af K2Co3 til en hætteglas med ovn-tørret 7 mL med magnetisk omrører.
  2. Forsegl hætteglasset med et gummi septum, Evakuer hætteglasset under vakuum og fyld med argon tre gange.
  3. Der tilsættes 2 mL acetonitril. Udskift gummi septum med en skruehætte.
    Bemærk: acetonitril er destilleret fra CaH2 og afgasset ved hjælp af fryse pumpe-tø-cyklusser før brug for at sikre høje udbytter og reproducerbarhed.
  4. Reaktionsblandingen omrøres i 5 dage ved stuetemperatur (23-25 º C) i en foto oreaktor under 420 nm bølgelængde bestråling.
  5. Reaktionsblandingen filtreres gennem en pude af Celite, der vaskes med ca. 2 mL dichlormethan, og filtratet koncentreres under reduceret tryk.
  6. De rå rester renses ved Flash kolonne kromatografi over silicagel (eluent system: petroleumsæter/EtOAc 60:40).
  7. Tør den rene forbindelse under vakuum ved stuetemperatur (23-25 º C) i 3 timer for at genvinde 20 mg (79% udbytte) af den ønskede luotonin A.
  8. Karakterisere den ønskede luotonin A som tidligere rapporteret29.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Syntese af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6
Som det fremgår af protokollen beskrevet i ovenstående afsnit, syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 er særlig praktisk og kan nemt udføres på en multi gram skala. 1H og 13C NMR spektre indikerer dannelsen af det rene kompleks (figur 4A, B). De spektroskopiske data svarer til de tidligere rapporterede31.

1 af 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, 18h), 2,52 (s, 6h). 13 ud af 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 absorption og emission spektre er også blevet registreret og er vist i figur 4C, D. Absorptions spektret UV/Vis (acetonitril, 10-4 M) viser to hoved absorptionsbånd med to maksima ved 385 nm og 485 nm. Emissions spektret (acetonitril, 10-4 M), opnået ved excitation ved 445 nm, udviser et maksimum på 535 nm.

Kobber-katalyseret photoredox direkte arylering af (hetero) arener med arylhalogenider
Den direkte arylering af N-methylpyrrollemed 4-iodobenzonitril er repræsentativ for brugen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 for at fremme direkte arylering af forskellige elektron rige (hetero) arener under synligt lys bestråling. Omfanget af omdannelsen er afbildet i figur 5. Disse resultater diskuteres kort i næste afsnit.

Hvad angår karakteriseringen af 4-(1-methyl-1h-pyrrol-2-yl) benzonitril, indikerer 1h og 13C NMR spektre dannelsen af den rene forbindelse (figur 6A, B). De spektroskopiske data svarer til de tidligere rapporterede32.

1 af 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 ud af 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 opsætninger, der med held er blevet anvendt til at udføre direkte arylering af (hetero) arener med arylhalogenider under fooredox betingelser. Reaktionen kan udføres i en foto oreaktor med bestråling ved 420 nm bølgelængde (figur 3a), ved hjælp af kommercielt tilgængelige blå lysdioder strimler (figur 3B), eller ved hjælp af en fotokemi enhed med en blå LED-lampe (440 nm, 34 W) (Figur 3C). En kort diskussion om forskellen i effektivitet mellem de tre eksperimentelle opsætninger er givet i næste afsnit.

Foto induceret radikal Domino-cyclisering af ynamider og cyanamider
Cycliseringen af n-Benzoyl-n-[(2-iodoquinolin-3-yl)-methyl] Cyanamid til luotonin A er repræsentativ for brugen af [(dpephos) (BCP) cu] PF6 for at fremme den radikale Domino-cyclisering af ynamider og cyanamider, der indeholder en passende placeret iodoaryl-underenhed. Disse cycliseringer, som giver en effektiv og ligetil adgang til Tri-, Tetra-og pentacycliske nitrogen heterocycles i de centrale strukturer af forskellige naturprodukter, er vist i figur 7. Disse resultater diskuteres kort i næste afsnit.

1H og 13C NMR spektre indikerer dannelsen af det rene naturprodukt luotonin a (figur 8A, B). De spektroskopiske data svarer til de tidligere rapporterede33.

1 af 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 ud af 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 generel kobber-baseret photoredox katalysator. (A). Generelle egenskaber for [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6. B). generel mekanisme til aktivering af organiske halogenider. (C). repræsentative transformationer, herunder reduktion, direkte arylation og cykliserings reaktioner. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 . Syntese af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 og anvendelse i organisk/naturligt produkt syntese. (A). Syntese af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6. B). direkte arylering af N-methylpyrrolrol. C). radikal cyklisering til luotonin a. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 . Eksperimentelle opsætninger, der anvendes til direkte arylering af (hetero) arener under fooredox betingelser. (A). Fotorealistiske. (B). blå lysdioder strips. (C). fotokemi enhed og blå LED lampe. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 . Karakterisering af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6. (A). 1H NMR Spectrum (cdcl3, 400 MHz, 23 °c). (B). 13C NMR Spectrum (cdcl3, 100 MHz, 23 °c). C). UV/Vis-absorptionsspektrum (acetonitril, argon, 23 °c). (D). emissions spektrum (acetonitril, argon, 23 °c). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5 . Kobber-katalyseret photoredox direkte arylering af (hetero) arener med arylhalogenider. Substrat omfang. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6 . Karakterisering af 4-(1-methyl-1H-pyrrol-2-yl) benzonitril. (A). 1H NMR Spectrum (cdcl3, 400 MHz, 23 °c). (B). 13C NMR Spectrum (cdcl3, 100 MHz, 23 °c). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7 . Foto induceret radikal Domino-cyclisering af ynamides og cyanamider. Substrat omfang. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8 . Karakterisering af luotonin A. (A). 1H NMR Spectrum (cdcl3, 300 MHz, 23 °c). (B). 13C NMR-frekvenser (cdcl3, 75 MHz, 23 °c). Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Syntese af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6
Syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 udføres typisk ved hjælp af tør dichlormethan (destilleret før brug) og under argon for at sikre det højeste udbytte, renhed og god reproducerbarhed. Som nævnt i protokollen kan syntesen af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 udføres med almindelig dichlormethan (99,8%) og/eller under luft med variable effektivitetsgevinster. Mens brugen af almindelig dichlormethan under argon gav samme effektivitet (89% udbytte), giver reaktionen med destilleret dichlormethan under luft kun det ønskede kompleks i et 75%-udbytte. Endelig giver reaktionen med ikke-destilleret dichlormethan under luft det ønskede kompleks med en mærkbart lavere renhed (ca 70% som anslået af 1H NMR ved hjælp af en intern standard). Som følge heraf kan man konk fælde, at kvaliteten af den anvendte dichlormethan ikke har en stærk indvirkning på reaktions effektiviteten (højt udbytte og renhed), forudsat at reaktionen udføres under argon. På den anden side, at udføre reaktionen under luft anbefales ikke, da det giver det ønskede kompleks med reduceret effektivitet og, endnu vigtigere, med lavere renhed, når det kombineres med ikke-destilleret dichlormethan.

Kobber-katalyseret photoredox direkte arylering af (hetero) arener med arylhalogenider
Som illustreret i figur 5blev reaktionen anset for at være ret generel, idet en serie på 2-arylerede pyrroller blev opnået i Fair til gode udbytter. Bemærkelsesværdige, aryl iodider substitueret med en bromid eller en Boronat er bekvemme udgangsmaterialer og derfor har råd til et udgangspunkt for yderligere funktionalisering og valorisering af de tilsvarende biaryler. BOC-beskyttede pyrroller blev også påvist at være let aryleret med en række aryliodider, mens reaktionen også kunne udvides til arylering af nogle elektron rige Benzenringe såsom 2, 4, 6-mesitylene, 2, 4, 6-trimethoxybenzen og 1, 3- af dimethoxybenzen. Endelig kan mere udfordrende elektron-fattige aryl-bromider også anvendes til direkte arylering af N-methylpyrrol, mens uaktiverede aryl-bromider og arylchlorider ikke er reaktive under reaktionsbetingelserne, som sandsynligvis udgør hoved begrænsning af denne procedure. Samlet set viser disse resultater, at [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 effektivt aktiverer Carbon-halogen bindingen af flere arylhalogenider for at fremme direkte arylering af nogle (hetero) arener, der skal anvendes i stort overskud for at opnå god effektivitet. Denne begrænsning er dog fælles for de fleste procedurer, der hidtil er indberettet, og som fremmer den samme transformation.

Som nævnt i protokol sektionen udføres den kobber katalyserede photoredox direkte arylering af (hetero) arener med arylhalogenider hovedsageligt ved hjælp af en foto oreaktor med bestråling ved 420 nm. Alternativt er brugen af enklere og mere let tilgængelige eksperimentelle opsætninger også blevet demonstreret, med brug af kommercielt tilgængelige blå LYSDIODER strimler, samt af en fotokemi enhed med en blå LED-lampe (440 nm, 34W). Interessant, små, men mærkbare forskelle i effektivitet observeres ved hjælp af disse tre enheder. Mens de fotorealistiske og blå lysdioder har råd til det ønskede arylerede produkt i sammenlignelige udbytter (henholdsvis 72% og 76%), giver den foto kemiske enhed med en blå LED-lampe det højeste udbytte i det ønskede produkt (86%). Dette skyldes sandsynligvis den mængde lys, der rent faktisk trænger ind i reaktionsblandingen, da det er velkendt, at synligt lys penetration i opløsning, der indeholder foto aktive arter er ganske lav. Som en konsekvens, mængden af photoredox katalysator, der faktisk aktiveres i opløsning, og som er ansvarlig for katalyse, kan også være en eller anden måde begrænset og blive den begrænsende faktor. Blandt de tre eksperimentelle opsætninger, der anvendes til direkte arylering af N-methylpyrrol med 4-iodobenzonitril, er fotokemi enheden med en blå LED lampe helt sikkert den mest intense, hvilket fører til den højeste mængde af ophidset kompleks og dermed til en højere effektivitet. Sådanne overvejelser er også afgørende for at opskalere sådanne foto fremkaldte processer, som sandsynligvis mere bekvemt udføres under kontinuerlige strømningsforhold på større vægte34,35.

Foto induceret radikal Domino-cyclisering af ynamider og cyanamider
Som illustreret i figur 7, [(Dpephos) (BCP) cu] PF6 blev påvist at være en effektiv promotor under synligt lys bestråling for den radikale Domino-cyclisering af forskellige ynamides og cyanamider, der giver Tri-, Tetra-eller pentacyclic nitrogen heterocycles, i Fair til gode udbytter fra let tilgængelige prækursorer, i de centrale strukturer af forskellige naturlige produkter. Denne strategi tillod syntesen af rosettacin, luotonin A, og deoxyvasicinone, naturlige produkter af stor interesse, der besidder anticancer, antimikrobielle, anti-inflammatoriske og antidepressivt aktiviteter. Bemærkelsesværdigt, at cykliseringen af ynamider og cyanamider allerede var blevet beskrevet af malacria ved hjælp af mere klassiske tin-baserede betingelser33,36, eller under photoredox betingelser ved Yu ved hjælp af stærkt reducerende FAC-IR (PPY) 3 som photoredox katalysator37. Sammenlignet med de tidligere rapporterede metoder synes det nye kobberbaserede photoredox-system, som vi rapporterede, at være et attraktivt alternativ, da det giver samme substrat omfang og udbytter og samtidig undgår brugen af meget giftige bu3SNH (Malacria) eller dyrt FAC-IR (PPY)3 (Yu). Samlet set har dette system bevist sin effektivitet for aktivering af forskellige uaktiverede aryl-eller alkyl-Carbon-halogen-obligationer, der fører til centrale strukturer i organisk syntese, samt i narkotika opdagelse og naturlige produkt syntese.

Samlet set fremhæver de ovenfor beskrevne resultater effektiviteten af [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 som et alternativ til Iridium-og ruthenium-baserede fotoalystere. Lignende effektivitetsniveauer kan opnås med en kobber-baseret katalysator, der er både meget lettere at forberede og meget billigere. Syntesen af den kobber-baserede fotoalyst er desuden meget modulær, hvilket baner vejen for design og udvikling af andengenerations katalysatorer, der adresserede de vigtigste begrænsninger, der blev mødt med [(DPEPhos) (BCP) cu] PF6 (dvs. den ret høje katalysator belastning stadig kræves i de fleste tilfælde, og dens manglende evne til at aktivere nogle aryl bromider og aryl chlorider).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Université Libre de Bruxelles (ULB), Fédération Wallonie-Bruxelles (ARC Konsolidator 2014-2019), Innoviris (projekt Fotokopiop) og COST-aktion CM1202. H.B. anerkender fonds pour la formation à la Recherche dans l'Industrie et dans l'Agriculture (F.R.I.A.) for Graduate Fellowship. C.T. anerkender fonds de La recherche scientifique (FNRS) for forskningsstipendiat.

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

Kemi kobber katalyse photoredox katalyse synlige lys radikale reaktioner C-H arylering radikal cyclisering naturlige produkter cyanamider ynamides luotonin A
[(DPEPhos) (BCP) cu] PF<sub>6</sub>: en generel og bredt anvendelig kobber-baseret 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