Ruthenium-Catalyzed Dehydrogenative Amide Synthesis and Tungsten-Catalyzed C(sp3)–H Cyanation of Alkane

Abstract

Ruthenium catalyzed base-free dehydrogenative amide synthesis from alcohol and amine and tungsten catalyzed highly efficient photocatalytic C(sp3)–H cyanation were developed. Part I describes dehydrogenative amide synthesis from alcohols and amines. Atom-economical amide synthesis is a continuous challenge in organic synthesis due to its high demand in biological chemistry and the pharmaceutical industry. Dehydrogenative coupling from alcohol and amine to amide is an attractive atom- and step-economical method. Previous developments of dehydrogenation reaction and dehydrogenative amide synthesis are discussed in chapter 1. Despite the significant advances of the dehydrogenative coupling of alcohol and amine, examples operating under the base-free catalytic conditions are relatively rare. A base-free dehydrogenative amide synthesis was achieved with N-heterocyclic carbene (NHC)-based ruthenium hydride catalysts (chapter 2). The developed method is operationally simple with readily available catalysts, which allows practical synthesis of amides. Part II describes hydrogen atom transfer (HAT)-based C(sp3)–H functionalization reactions focusing on cyanations. Nitrile is a highly versatile functional group in organic synthesis because it has wide applications in polymer, pharmaceutical, battery industries. Furthermore, the nitrile group can easily be converted to various other functional groups including amide, carboxylic acid, amine, ketone, and heterocycle. Recent advances in photoredox catalysis enabled facile access to free radical species for the HAT reaction. The concept of applying HAT for organic synthesis and the reported examples of C–H functionalizations via HAT, especially using decatungstate, are discussed in chapter 3. The previously reported C(sp3)–H cyanations via HAT have limited scope with the drawback of using highly toxic metal cyanide or hydrogen cyanide. Highly efficient decatungstate-catalyzed C(sp3)–H cyanation is developed under mild conditions with tosyl cyanide (chapter 4). With the strong HAT ability of decatungstate catalyst, unactivated C(sp3)–H bond could be cyanated, demonstrating high functional group tolerance and remarkable efficiency even with ppm loading of catalyst.

루테늄 촉매를 이용한 알코올과 아민에서부터 아마이드를 염기가 없는 조건에서 탈수소화 반응을 통해 합성한 일과, 텅스텐 촉매를 사용하여 효율적인 C(sp3)–H 결합의 시안화 반응을 개발하였다. 논문의 첫 부분에서는 알코올과 아민으로부터 탈수소화를 통한 아마이드 합성법에 대해 기술하고자 한다. 아마이드는 생화학, 제약 등에서 많은 수요가 있어, 원자 경제적인 아마이드 합성이 지속적으로 요구되고 있다. 이러한 관점에서 수소만을 부산물로 내어놓는 알코올과 아민의 탈수소화를 통한 짝지음 반응은 큰 관심을 끌고있다. 1장에서는 이러한 탈수소화 반응 및 이를 이용한 유기합성에 관해서 다루게 될 것이다. 수많은 탈수소화를 통한 아마이드 합성 방법이 개발 됐지만 대부분은 강한 염기를 필요로 하였고, 이에 2장에서는 추가적인 염기가 없는 조건에서 탈수소화를 통한 아마이드 합성법의 개발에 대해 소개하고자 한다. 논문의 두번째 부분에서는 수소 원자 이동을 통한 C(sp3)–H 결합의 활성화를 통한 작용기화를 다루고자 한다. 특히, 다양한 산업에서 이용 될 뿐만 아니라, 유기합성에서 중요한 중간체인 나이트릴의 합성에 대해 논하고자 한다. 최근 광산화환원 촉매를 이용한 단전자 기작의 반응들이 활발하게 연구되고 있고, 수소 원자 이동에 대해서 더 쉬운 접근이 가능해졌다. 3장에서는 이러한 광산화환원 반응을 이용한 수소 원자 이동에 대해서 다루고자 한다. 특히, 저렴하면서도 직접적으로 수소 원자 이동 반응을 진행할 수 있는 텅스텐 산화물을 이용한 반응들에 대해 집중적으로 다루고자 한다. 4장에서는 텅스텐 촉매를 이용하여, 기존의 효율이 매우 낮았던 C(sp3)–H 결합의 시안화 반응의 효율을 크게 끌어올리는 반응 개발에 대해 소개하고자 한다.