Ru-Catalyzed Transfer Hydrogenation for Imine Synthesis and Pd-Catalyzed Direct C–H Functionalization of Unactivated Arene

Abstract

Transition-metal-catalyzed C–N and C–C bond formation reactions were developed. Part I introduces catalytic imine synthesis utilizing the dehydrogenative alcohol activation strategy. Due to versatile synthetic utilities of imines, many synthetic methods have been developed. The basic strategies and representative examples are discussed in chapter 1. A chemoselective imine synthesis from nitriles and secondary alcohols was achieved with a ruthenium dihydride catalyst (Chapter 2). This reaction offers a simple, convenient, and environmentally benign synthetic method to synthesize versatile imines by applying the hydrogen-transfer strategy. Part II describes C(sp2)–H functionalization of arenes mediated by transition-metal catalysis. Direct C–H functionalization of arenes is a central topic in organic synthesis. Recent advances in the transition-metal catalysis enabled the selective and efficient transformation of unactivated C(sp2)–H bonds. The C–H functionalization strategies and representative examples in C–C bond-forming reaction through direct C–H arylation and alkylation are introduced in chapter 3. The progress in the photoinduced palladium catalysis and its mechanistic aspects are summarized in chapter 4. The unique properties of photoexcited Pd(0) catalysis have led to the development of novel C–C bond forming reactions. Chapter 5 describes the site-selectivity and mechanism of the Pd-catalyzed C–H arylation of simple arenes. Comprehensive mechanistic investigations including kinetic measurements and stoichiometric experiments provided concrete evidence of a cooperative bimetallic mechanism. The transmetalation step, not the C‒H activation step, was identified as the selectivity-determining step in the Pd-catalyzed C‒H arylation of simple arenes. Lastly, chapter 6 described the development of catalytic C–H alkylation of simple arenes with alkyl bromides by photoinduced Pd catalysis. Mechanistic investigations clarified that the catalytic turnover process involves a Pd(0)/Pd(I) redox cycle through a Br atom transfer. The distinctive reactivity among alkyl halides originated from the unexpected role of the formate base which reduces the off-cycle Pd(PPh3)2Br2 to an active Pd(0) species.

본 연구는 전이금속 촉매를 이용한 탄소-질소 및 탄소-탄소 결합 형성반응 개발에 대한 것이다. 진행된 연구는 결합 형성 반응에 따라 크게 두 부분으로 나누어진다. 첫 부분에서는 알코올 탈수소화 기반 촉매적 이민 합성법에 관한 연구를 소개한다. 이민의 합성적으로 유용하여, 많은 이민 합성법이 개발되었다. 1장에서는 이민 합성 전략과 대표적인 예들을 소개한다. 루테늄-이중하이드라이드 촉매를 이용한 나이트릴과 알코올로부터의 화학선택적 이민 합성법을 개발하였다 (2장). 개발된 반응은 수소-이동화 전략을 적용하여 간단하고, 편리하며, 친환경적인 이민 합성법을 제공한다. 두번째 부분에서는 전이금속 촉매반응을 이용한 탄소-수소 결합 기능화에 관한 연구를 소개한다. 방향족 화합물의 직접적인 탄소-수소 결합 기능화 반응은 유기화학 분야에서 가장 큰 화두이다. 최근 전이금속 촉매반응을 이용한 연구에서는 선택적이고 효율적으로 비활성화된 탄소-수소 결합을 변환할 수 있다. 3장에서는 탄소-수소 결합 기능화 전략과 탄소-수소 결합 아릴화 및 알킬화 반응을 이용한 탄소-탄소 결합 형성 반응의 대표적인 예들을 소개한다. 4장에서는 빛에 의한 팔라듐 촉매반응 연구와 이의 메커니즘 관점이 논의되었다. 광활성화된 Pd(0)의 독특한 촉매적 특성을 통하여 새로운 탄소-탄소 결합 형성 반응이 개발되었다. 5장에서는 팔라듐 촉매를 이용한 간단한 방향족 화합물의 탄소-수소 결합 아릴화 반응에서 선택성과 메커니즘 연구에 대해 다룬다. 반응속도 측정과 당량 실험을 포함한 종합적인 메커니즘 연구 수행을 기반으로 협동적 이금속 메커니즘을 구체적으로 제안하였다. 개발된 반응에서는 탄소-수소 결합 활성화 단계가 아닌 금속교환 단계가 선택성-결정 단계로 규명되었다. 마지막으로, 6장에서는 빛에 의한 팔라듐 촉매 반응을 이용한 간단한 방향족 화합물과 알킬브롬으로부터 촉매적 탄소-수소 결합 알킬화 반응 개발에 대해 소개한다. 메커니즘 연구를 통하여 브롬 원자 이동을 매개로한 Pd(0)/Pd(I) 산화환원 촉매 반응 과정을 규명하였다. 알킬 할라이드 간의 다른 반응성은 포메이트 염기 의한 영향성으로 나타난다. 이는 비활성화된 Pd(PPh3)2Br2 촉매를 활성화된 Pd(0) 촉매종으로 환원하는 역할을 수행한다.