Nicewicz fotoredox katalizátorok Anti-Markovnikhoz

Bevezetés

Míg a Markovnyikov-alkénreaktivitás nagyon jól kidolgozott és általánosan hasznosítják az alap- és kutatási vegyszerek szintézisében, az anti-Markovnyikov-szelektív adduktokhoz való katalitikus hozzáférés sokkal kevésbé fejlett törekvés. David Nicewicz professzorral együttműködve a Sigma-Aldrich büszke arra, hogy olyan fotoexcitabilis akridíniumsók választékát kínálja, amelyek teljes anti-Markovnyikov-szelektivitással képesek elősegíteni a különböző olefin-hidrofunkcionalizációkat.

A 9-mesityl-10-metilakridínium-perklorát kationos szerves oxidálószert eredetileg Shunichi Fukuzimi és munkatársai tervezték.¹ Bevezetése óta a Nicewicz-csoport bizonyította ennek az anyagnak és a kapcsolódó fotoredox-katalizátoroknak a széleskörű felhasználhatóságát (794171, 793876, 793221), ha elsősorban tioltartalmú hidrogénatom-átvivő társkatalizátorokkal együtt alkalmazzák.² alkén-kation gyökös intermedierek keletkezése révén,³ ez az egyedülálló fotoredox katalizátor rendszer hidrofunkcionalizálást tesz lehetővé  az aktivált és nem aktivált alkének széles skálájának hidroforilálását különféle nukleofilekkel, például karbonsavakkal, aminokkal, ásványi savakkal, valamint propargil- és allil-alkoholokkal.^2-3

1. ábra. Propargil-és-allilalkoholok

Előnyei

• Fémmentes, látható fény által közvetített katalizátor
• Lég- és nedvességstabil
• Enyhe reakciókörülmények
• Anti-Markovnyikov-szelektivitás
• Felsőbbrendű oxidáló képesség a Ru- és Ir-polipiridil-fotoxidánsokhoz képest
• Az akridíniumsók egyszerű gerjesztése LED-es reflektorokkal

Reprezentatív alkalmazások

Hidroéteresítés

Teljes regioszelektivitást figyeltek meg több mint 10 példában az alkenolok közvetlen intramolekuláris anti-Markovnikov hidroéteresítésére, amikor 9-mezitil-10-metilakridínium-perklorátot használtak 2-fenil-malononitrilt hidrogénatom-donorként.⁴

Hidroaminálás

Az alkének hidroaminálása elérhető 9-mesityl-10-metilakridínium-tetrafluoroborát (794171) használatával, teljes anti-Markovnyikov-szelektivitással, tioltartalmú társkatalizátor jelenlétében. A tiofenollal telítetlen aminok intramolekuláris hidroaminálása számos nitrogéntartalmú heterociklushoz biztosított hozzáférést.⁵ Továbbá alifás alkének, α- és β-szubsztituált sztirolok és heterociklusos aminok intermolekuláris hidroaminálását sikerült elérni difenil-diszulfiddal.⁶

2. ábra. Difenil-diszulfid

Hidrotrifluor-metilezés

Ezzel a fotoredox katalizátor rendszerrel különféle trifluor-metilezett termékeket nyertek. A Langlois-reagens (743232) egyelektronos oxidációja 9-mesityl-10-metilakridínium-tetrafluoroborát (794171) és egy tioltartalmú társkatalizátor (metiltioszalicilát vagy tiofenol) segítségével sztirolok és nem aktivált alifás alkének hidrotrifluor-metilálását eredményezi anti-Markovnyikov-szelektivitással. Nicewicz és munkatársai 20 példát szolgáltattak 25-74%-os hozammal.⁷

3. ábra. Sztirolok hidrotrifluor-metilálása

Hidroacetoxilezés

Sztirolok, zománcok és triszubsztituált alifás aminok anti-Markovnyikov-szelektív hidroacetoxilezése lehetséges egy sor karbonsavval, ha 9-mezitil-10-metilakridínium-tetrafluoroborátot (794171) nátrium-benzol-szulfináttal vagy tiofenollal kombinálva. Tizenhét reakcióban 29-99% közötti hozamot mutattunk ki.⁸

4. ábra. Nátrium-benzol-szulfinát

Ásványi savak addíciója

Elérhető erős Brønsted-savak anti-Markovnyikov-addíciója alkénekhez teljes regioszelektivitással ezekkel a fotokatalizátorokkal. A hidroklórozáshoz 9-mesityl-10-metilakridínium-tetrafluoroborátot (794171) használunk tiofenollal az addukt előállításához. A hidrofluorozás, a hidrooxifoszforilálás és a hidrooxiszulfonilálás mindegyike a 9-mezitil-2,7-dimetil-10-fenilakridínium-tetrafluoroborát (793876) és a hidrogénatom-donorok, a 4-nitrofenil-diszulfid vagy a 4-metoxi-tiofenol alkalmazásával történik. Itt a 2,6-lutidinium-sók bevonása a nukleofil couterion révén a legjobb reaktivitást biztosította.⁹

5. ábra. Nukleofil-kutérium

Amiidok intramolekuláris hidrofunkcikalizációja

A telítetlen allyil-amidok és tioamidok anti-Markovnyikov intramolekuláris ciklizációja a kapott 2-oxazolinokat, illetve 2-tiazolinokat eredményezi. Ezek az átalakítások egy fotoredox katalizátorrendszert használnak, amely 9-mezitil-10-metilakridinium-tetrafluoroborátot (794171) tartalmaz difenil-diszulfiddal kombinálva. 17 példán keresztül 59-82%-os hozamot figyeltek meg.¹⁰

6. ábra. Kombináció a difenil-diszulfiddal

Hidrodekarboxilezés

A karbonsavak és malonsavak anti-Markovnyikov-hidrodekarboxilezése 9-mezitil-10-fenilakridínium-tetrafluoroboráttal (793221) és difenil-diszulfiddal történik. A dekarboxilezési reakcióhoz bázis és poláros alkoholos oldószer, trifluoretanol bevonása szükséges a jó hozam és a jó hatótávolság elérése érdekében. Tizennyolc példát vettünk fel az elsődleges, másodlagos és harmadlagos karbonsavak hidrodekarboxilezésének bemutatására.¹¹

7. ábra. Tercier-karbonsavak

Poláris radikális keresztező cikloaddíciók

A poláris radikális keresztező cikloaddíciók egy tandem addíciós-ciklizációs sorozatban a fotoredox katalizátor rendszer variációit használják az alkénekből a következő termékek előállítására: g-butilaktonok (α,β-telítetlen karbonsavakkal),¹² tetrahidrofuránok (allil-alkoholokkal),¹³ g-laktámok (telítetlen amidokkal) és pirrolidinek (telítetlen aminokkal).¹⁴

8. ábra. Telítetlen-aminok

Fotooxigenálás

Nicewicz beszámolóit megelőzően Griesbeck és Cho 9-mesityl-10-metilakridínium-perklorátot használtak O₂ jelenlétében, mint látható fény által közvetített katalizátort II. típusú és elektronátvivő fotooxigenálási reakciókhoz.¹⁵

9. ábra. Fotoxigenizációs reakciók

Hivatkozások

1. Fukuzumi S, Kotani H, Ohkubo K, Ogo S, Tkachenko NV, Lemmetyinen H. 2004. Electron-Transfer State of 9-Mesityl-10-methylacridinium Ion with a Much Longer Lifetime and Higher Energy Than That of the Natural Photosynthetic Reaction Center. J. Am. Chem. Soc.. 126(6):1600-1601. https://doi.org/10.1021/ja038656q

2. Nicewicz D, Hamilton D. Organic Photoredox Catalysis as a General Strategy for Anti-Markovnikov Alkene Hydrofunctionalization. Synlett. 25(09):1191-1196. https://doi.org/10.1055/s-0033-1340738

3. Romero NA, Nicewicz DA. 2014. Mechanistic Insight into the Photoredox Catalysis of Anti-Markovnikov Alkene Hydrofunctionalization Reactions. J. Am. Chem. Soc.. 136(49):17024-17035. https://doi.org/10.1021/ja506228u

4. Hamilton DS, Nicewicz DA. 2012. Direct Catalytic Anti-Markovnikov Hydroetherification of Alkenols. J. Am. Chem. Soc.. 134(45):18577-18580. https://doi.org/10.1021/ja309635w

5. Nguyen TM, Nicewicz DA. 2013. Anti-Markovnikov Hydroamination of Alkenes Catalyzed by an Organic Photoredox System. J. Am. Chem. Soc.. 135(26):9588-9591. https://doi.org/10.1021/ja4031616

6. Nguyen TM, Manohar N, Nicewicz DA. 2014. anti-Markovnikov Hydroamination of Alkenes Catalyzed by a Two-Component Organic Photoredox System: Direct Access to Phenethylamine Derivatives. Angew. Chem. Int. Ed.. 53(24):6198-6201. https://doi.org/10.1002/anie.201402443

7. Wilger DJ, Gesmundo NJ, Nicewicz DA. 2013. Catalytic hydrotrifluoromethylation of styrenes and unactivated aliphatic alkenes via an organic photoredox system. Chem. Sci.. 4(8):3160. https://doi.org/10.1039/c3sc51209f

8. Perkowski AJ, Nicewicz DA. 2013. Direct Catalytic Anti-Markovnikov Addition of Carboxylic Acids to Alkenes. J. Am. Chem. Soc.. 135(28):10334-10337. https://doi.org/10.1021/ja4057294

9. Wilger DJ, Grandjean JM, Lammert TR, Nicewicz DA. 2014. The direct anti-Markovnikov addition of mineral acids to styrenes. Nature Chem. 6(8):720-726. https://doi.org/10.1038/nchem.2000

10. Morse PD, Nicewicz DA. Divergent regioselectivity in photoredox-catalyzed hydrofunctionalization reactions of unsaturated amides and thioamides. Chem. Sci.. 6(1):270-274. https://doi.org/10.1039/c4sc02331e

11. Griffin JD, Zeller MA, Nicewicz DA. 2015. Hydrodecarboxylation of Carboxylic and Malonic Acid Derivatives via Organic Photoredox Catalysis: Substrate Scope and Mechanistic Insight. J. Am. Chem. Soc.. 137(35):11340-11348. https://doi.org/10.1021/jacs.5b07770

12. Zeller MA, Riener M, Nicewicz DA. 2014. Butyrolactone Synthesis via Polar Radical Crossover Cycloaddition Reactions: Diastereoselective Syntheses of Methylenolactocin and Protolichesterinic Acid. Org. Lett.. 16(18):4810-4813. https://doi.org/10.1021/ol5022993

13. Grandjean JM, Nicewicz DA. 2013. Synthesis of Highly Substituted Tetrahydrofurans by Catalytic Polar-Radical-Crossover Cycloadditions of Alkenes and Alkenols. Angew. Chem. Int. Ed.. 52(14):3967-3971. https://doi.org/10.1002/anie.201210111

14. Gesmundo NJ, Grandjean JM, Nicewicz DA. 2015. Amide and Amine Nucleophiles in Polar Radical Crossover Cycloadditions: Synthesis of ?-Lactams and Pyrrolidines. Org. Lett.. 17(5):1316-1319. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.5b00316

15. Griesbeck AG, Cho M. 2007. 9-Mesityl-10-methylacridinium:  An Efficient Type II and Electron-Transfer Photooxygenation Catalyst. Org. Lett.. 9(4):611-613. https://doi.org/10.1021/ol0628661