Development of Catalytic Transformations of Isocyanides and Allylic Compounds

Abstract

Catalytic transformations of the organic compounds provide useful strategies to produce valuable structures efficiently. The control of catalytic conditions, based on the chemical property of the substrate and the previously established strategies, is the key to achieving the unprecedented and novel organic transformations. This thesis covers the discovery of an array of catalytic transformations of isocyanides and allylic compounds toward the synthetically meaningful chemical structures. In Part 1, the chemistry and the catalytic utilization of isocyanides will be discussed. The ability of the terminal carbon of the isocyanide as both a nucleophile and an electrophile has enabled the various types of activation modes in the catalysis. Chapter 1 describes the detailed mechanistic strategies for the activation of the terminal carbon of isocyanides, together with the representative examples reported so far. Chapters 2 and 3 introduce a new approach for the catalytic nucleophilic activation of the isocyanides. Especially, the utilization of N-heterocyclic carbene (NHC) as an organocatalyst for the transformations of isocyanides will be demonstrated. The reactions with ketones provide several types of enaminones in high efficiency (Chapter 2), and the novel formamidine structure is accessible through the reaction between indoles and isocyanides using the developed activation strategy (Chapter 3). Part 2 discusses the achievement of the catalytic C(sp3)–H bond functionalizations via visible light photoredox catalysis. The use of visible light as an energy source to conduct a challenging C(sp3)–H bond activation reaction has been widely investigated in the organic synthesis. Chapter 4 reviews the currently established approaches for the C(sp3)–H bond functionalizations with visible light photoredox catalysis, based on the categorized strategies and the representative transformations. Chapter 5 discloses a new method to synthesize allyl thioethers from simple allylic compounds and disulfides via visible light photoredox catalysis. The design of the target catalytic cycle for the prevention of the side reaction (hydrothiolation) enabled the selective allylic C(sp3)–H bond thiolation, and the in-depth mechanistic studies expanded the substrate scope through the introduction of tailored unsymmetrical disulfides.

유기 화합물의 촉매적 변환은 가치가 높은 구조를 합성할 수 있는 유용한 전략이다. 기질의 화학적 특성과 이전에 구축되어 온 전략들을 기반으로 촉매 조건을 구성하여, 새롭고 독창적인 유기 변환들을 개발할 수 있다. 본 논문에서는 아이소사이아나이드와 알릴 화합물의 새로운 촉매적 변환의 개발을 통해 합성적으로 유용한 화학 구조를 얻기 위한 과정에 대해 논의한다. 논문의 첫 부분에서는 아이소사이아나이드의 화학적 특성과 촉매적 활용에 대해 논의한다. 친핵체와 친전자체 양쪽의 성질을 모두 가지는 아이소사이아나이드의 말단 탄소는 촉매적 변환에서 다양한 방식으로 활성화될 수 있다. 제1장에서는 아이소사이아나이드의 말단 탄소의 활성화를 유도하는 자세한 기작들을 대표적인 예시 반응들과 함께 소개한다. 제2장과 제3장에서는 아이소사이아나이드의 촉매적 친핵체 활성화를 위한 새로운 접근법을 소개한다. 특히, 질소고리화카벤 (NHC)을 유기촉매로 활용하여 아이소사이아나이드의 새로운 변환 방식들을 제시한다. 케톤과의 반응을 통해 다양한 종류의 엔아민온을 높은 수율로 합성할 수 있으며 (2장), 인돌과 아이소사이나이드 사이의 반응을 통해 독특한 구조의 폼아미딘을 합성할 수 있었다 (3장). 논문의 두 번째 부분에서는 가시광 광산화환원 촉매 체계에서 sp3 혼성 탄소-수소 결합의 작용기화를 논한다. 가시광선을 에너지원으로 도전적인 탄소-수소 결합을 활성화하는 전략은 유기 합성에서 널리 연구되고 있다. 제4장 에서는 sp3 혼성 탄소-수소 결합 작용기화 반응을 위해 현재까지 개발된 가시광 광산화환원 촉매 체계를 전략별로 구분하여 대표적인 예시들과 함께 소개한다. 제5장 에서는 가시광 광산화환원 촉매 체계를 활용하여 간단한 알릴 화합물과 다이설파이드로부터 알릴 티오에터를 합성하는 새로운 방법론을 제시한다. 예상되는 부반응 (하이드로티올레이션)을 억제하는 촉매 순환을 구성하여 알릴 자리 탄소-수소 티오화 반응을 선택적으로 진행하였고, 깊이 있는 반응 기작 연구로부터 제시된 비대칭형 다이설파이드를 도입하여 반응 기질의 폭을 넓힐 수 있었다.