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Studies on Palladium-Catalyzed C-C and C-H Bond Forming Reactions of Acyl Fluorides via Control of Decarbonylation

桜井 優香 Yuka Sakurai 東京理科大学 DOI:info:doi/10.20604/00003592

2021.06.09

概要

本論文は、緒言、三章に渡る本論および総括から構成されている。
まず、第一章として緒言を述べる。
パラジウム触媒を利用した触媒的分子変換反応は、工業および合成化学的に極めて重要な合成手法であり、医薬品合成や天然物合成に欠かせない力量あるツールとして広く認識されている。従来、遷移金属触媒反応における求電子剤にはハロゲン化アリールなどの有機ハロゲン化物が中心として用いられてきたが、近年ではハロゲン化アリールに代わる新たな求電子試薬を模索する試みが広がっている。フッ化アシルは、自然界に豊富に存在するカルボン酸から容易に合成できる化合物であり、安定で取り扱いが簡便かつ穏やかな反応性を示すため、新たな求電子試薬のひとつとして注目されている。しかしながら、フッ化アシルを利用した遷移金属触媒反応の報告例は未だ限定的であり、その新規変換法の開発が希求されている。そこで本論文では、フッ化アシルを利用した新規炭素一炭素結合形成および炭素一水素結合形成反応に着目し、パラジウム触媒による効率的変換法の開発を目指した。また、その反応過程で進行する「脱カルボニル化」を制御することにより、力ルボニル生成物と脱カルボニル化生成物を選択的に合成する手法の開発に着手した。以下にその結果を詳述する。

第二章では、フッ化アシルをアシル求電子剤として利用した、有機ホウ素試薬との炭素-炭素結合形成反応の開発について述べる。有機ホウ素試薬は入手容易で安価かつ官能基耐性に優れた求核試薬であるため、フッ化アシルと有機ホウ素試薬とのクロスカップリング反応を開発できれば、ケトン骨格の効率的な合成法の開拓に貢献できると予想した。種々の反応条件の検討の結果、ベンゾイルフルオリドとボロン酸に対し、lmol%の酢酸パラジウム触媒と4 mol%のホスフィン配位子存在下、フッ化カリウムを作用させ、トルエン溶媒中120 °Cで加熱することにより、ベンゾフェノン誘導体が高収率で得られることがわかった。本反応では、ホスフィン配位子として電子豊富な単座配位子であるトリス(4-メトキシフェニノレ)ホスフィンまたはトリシクロヘキシルホスフィンの利用が効果的であり、電子供与性および求引性基が置換した様々なフッ化アシルおよびボロン酸に対し反応が良好に進行することが判明した。また、脱カルボニル型カップリング反応によるビアリール誘導体の副生を抑制でき、カルボニル生成物であるケトンのみを選択的に合成することに成功した。

第三章では、脱カルボニル化反応を利用したパラジウム触媒によるフッ化アシルとノルボルネンの分子間環化反応について述べる。炭素一水素結合切断反応は直截的な官能基導入を可能にする優れた合成手法であるが、ベンゾイルフルオリド誘導体の芳香族炭素一水素結合を切断した例は報告されていない。本研究では、ベンゾイルフルオリドの炭素ーフッ素結合と2位炭素一水素結合切断を経る分子間環化反応の開発に着手し、5 mol%の酢酸パラジウム触媒と20 mol%のトリシクロヘキシルホスフイン配位子存在下、塩基としてフッ化カリウムを作用させ、140 °C、24時間加熱することにより、目的の環状ケトンであるインダノン誘導体が良好な収率で生成することを見出した。さらに、生成物の構造を単結晶X線構造回折および各種NMRを用いて解析したところ、ベンゾイルフルオリドのカル^ボニル基が反応前後で移動していることが判明した。この実験結果は、本反応が脱カルボニル化とカルボニルの再挿入を経て進行していることを示唆する。また、基質一般性の拡張を検討したところ、ベンゼン環だけでなく、複素環骨格を有する基質やアルケンを有するフッ化アシルを用いた場合においても環化反応が進行し、目的の環状ケトンを合成することに成功した。フッ化アシルの代わりに塩化アシルやチオエステルを用いた場合に収率が低下したことから、本反応条件下ではフッ化アシルが基質として最適であることが明らかとなった。

第二章および第三章では、それぞれアシル化反応と脱カルボニル型反応について述べた。

第四章では、ヒドロシランを用いた還元的分子変換反応において、簡便な手法で脱カルボニル化を制御し、二つの生成物であるカルボニル生成物と脱カルボニル化生成物を選択的に合成する手法を見出したので、その詳細を述べる。ヒドロシランは、取り扱いが簡便で温和な還元剤であるため、ヒドロシランを利用した還元的分子変換反応は盛んに研究されている。一方、フッ化アシルを利用したヒドロシランによる還元的分子変換反応は既に報告されているが、カルボニル生成物であるアルデヒドのほかに、脱カルボニル化生成物であるベンゼン誘導体も副生するため、低収率および選択性の低下といった問題点があった。そこで本研究では、パラジウム触媒によるフッ化アシルの効率的な還元的分子変換反応の開発を目的とした。種々の反応条件を検討した結果、フッ化アシルに対し、酢酸パラジウム触媒2.5mol%とトリシクロヘキシルホスフィン配位子7 . 5 mol% 存在下、還元剤としてトリエチルシランを作用させ、トルエン溶媒中 100 °C、20時間で加熱することにより、アルデヒドが良好な収率で生成することが判明した。また、配位子としてトリシクロヘキシルホスフインの代わりに二座ホスフイン配位子である1,2-ビス(ジシクロヘキシルホスフィノ)エタンを用いた場合には、脱カルボニル化反応が進行し、ベンゼン誘導体が優先的に得られることが明らかとなった。本結果は、フッ化アシルを用いた遷移金属触媒反応において、配位子を使い分けることにより脱カルボニル化を制御する初めての実証例となった。また、上記反応条件を用いて基質一般性の拡張を行ったところ、本条件が様々なフッ化アシルに対して適用可能であり、選択的にアルデヒドまたはベンゼン誘導体を与えることに成功した。

以上、本学位論文ではパラジウム触媒によるフッ化アシルの新規分子変換法の開発に成功し、様々なカルボニル化合物およびベンゼン誘導体の選択的かつ効率的な合成法の開発を達成した。

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Chapter 1

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(29) (a) Tatamidani, H.; Yokota, K.; Kakiuchi, F.; Chatani, N. J. Org. Chem. 2004, 69, 5615–5621. (b) Tatamidani, H.; Kakiuchi, F.; Chatani, N. Org. Lett. 2004, 6, 3597–3599. (c) Wang, J.; Zuo, S.; Chen, W.; Zhang, X.; Tan, K.; Tian, Y.; Wang, J. J. Org. Chem. 2013, 78, 8217–8231.

(30) Ben Halima, T.; Zhang, W.; Yalaoui, I.; Hong, X.; Yang, Y.-F.; Houk, K. N.; Newman, S. G. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 1311–1318.

(31) (a) Li, X.; Zou, G. Chem. Commun. 2015, 51, 5089–5092. (b) Weires, N. A.; Baker, E. L.; Garg, N. K. Nat. Chem. 2016, 8, 75–79. (c) Meng, G.; Szostak, M. Org. Lett. 2015, 17, 4364–4367. (d) Meng, G.; Szostak, M. Org. Biomol. Chem. 2016, 14, 5690–5707. (e) Liu, C.; Meng, G.; Liu, Y.; Liu, R.; Lalancette, R.; Szostak, R.; Szostak, M. Org. Lett. 2016, 18, 4194–4197. (f) Meng, G.; Shi, S.; Szostak, M. ACS Catal. 2016, 6, 7335–7339. (g) Lei, P.; Meng, G.; Szostak, M. ACS Catal. 2017, 7, 1960–1965. (h) Liu, C.; Liu, Y.; Liu, R.; Lalancette, R.; Szostak, R.; Szostak, M. Org. Lett. 2017, 19, 1434–1437.

Chapter 3

(32) For selected examples of transition-metal-catalyzed annulations of carboxylic acid derivatives with alkynes leading to indenones, see: (a) Kokubo, K.; Matsumasa, K.; Miura, M.; Nomura, M. J. Org. Chem. 1996, 61, 6941–6946. (b) Li, B.-J.; Wang, H.-Y.; Shu, Q.-L.; Shi, Z.-J. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 3948–3952. (c) Chen, S.; Yu, J.; Jiang, Y.; Chen, F.; Cheng, J. Org. Lett. 2013, 15, 4754–4757. (d) Yu, W.; Zhang, W.; Liu, Z.; Zhang, Y. Chem. Commun. 2016, 52, 6837–6840.

(33) For selected examples of transition-metal-catalyzed annulation reactions of carboxylic acid derivatives with bicyclo alkenes leading to indanones or fluorenones, see: (a) Sugihara, T.; Satoh, T.; Miura, M.; Nomura, M. Adv. Synth. Catal. 2004, 346, 1765–1772. (b) Gandeepan, P.; Rajamalli, P.; Cheng, C.-H. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 4308–4311; Angew. Chem. 2016, 128, 4380–4383. (c) Qiu, S.; Zhai, S.; Wang, H.; Chen, X.; Zhai, H. Chem. Commun. 2019, 55, 4206–4209. (d) Skhiri, A.; Chatani, N. Org. Lett. 2019, 21, 1774–1778.

(34) The crystallographic data for 32 has been deposited at the Cambridge Crystallographic Data Centre under reference number CCDC 1975847 and can be obtained free of charge.

(35) For selected examples of catalytic reactions using aldehydes as the CO source, see: (a) Morimoto, T.; Fuji, K.; Tsutsumi, K.; Kakiuchi, K. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 3806–3807. (b) Shibata, T.; Toshida, N.; Takagi, K. Org. Lett. 2002, 4, 1619–1621. (c) Morimoto, T.; Yamasaki, K.; Hirano, A.; Tsutsumi, K.; Kagawa, N.; Kakiuchi, K.; Harada, Y.; Fukumoto, Y.; Chatani, N.; Nishioka, T. Org. Lett. 2009, 11, 1777–1780. (d) Furusawa, T.; Tanimoto, H.; Nishiyama, Y.; Morimoto, T.; Kakiuchi, K. Adv. Synth. Catal. 2017, 359, 240–245.

(36) For selected examples of transition-metal-catalyzed decarbonylative C–S coupling reaction, see: (a) Osakada, K.; Yamamoto, T.; Yamamoto, A. Tetrahedron Lett. 1987, 28, 6321–6324. (b) Wenkert, E.; Chianelli, D. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991, 627–628. (c) Kato, T.; Kuniyasu, H.; Kajiura, T.; Minami, Y.; Ohtaka, A.; Kinomoto, M.; Terao, J.; Kurosawa, H.; Kambe, N. Chem. Commun. 2006, 868–870. (d) Ichiishi, N.; Malapit, C. A.; Woźniak, Ł.; Sanford, M. S. Org. Lett. 2018, 20, 44–47. (e) Lee, S.-C.; Liao, H.-H. Chatupheeraphat, A.; Rueping, M. Chem.-Eur. J. 2018, 24, 3608–3612. (f) Liu, C.; Szostak, M. Chem. Commun. 2018, 54, 2130–2133. (g) Ishitobi, K.; Isshiki, R.; Asahara, K. K.; Lim, C.; Muto, K.; Yamaguchi, J. Chem. Lett. 2018, 47, 756–759.

(37) (a) Shi, Y.; Gao, S. Tetrahedron 2016, 72, 1717−1735. (b) Robarge, M. J.; Husbands, S. M.; Kieltyka, A.; Brodbeck, R.; Thurkauf, A.; Newman, A. H. J. Med. Chem. 2001, 44, 3175−3186. (c) Krueger, R. F.; Mayer, G. D. Science 1970, 169, 1213−1214.

(38) (a) Grimsdale, A. C.; Chan, K. L.; Martin, R. E.; Jokisz, P. G.; Holmes, A. B. Chem. Rev. 2009, 109, 897−1091. (b) Koivunen, J. T.; Nissinen, L.; Käpylä, J.; Jokinen, J.; Pihlavisto, M.; Marjamäki, A.; Heino, J.; Huuskonen, J.; Pentikäinen, O. T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14558−14561. (c) Uckert, F.; Tak, Y.-H.; Müllen, K.; Bässler, H. Adv. Mater. 2000, 12, 905−908.

(39) Several mechanistic studies into the origin of the exo-selectivity of addition reactions of norbornene have been reported, and exo-selectivity has been explained by the energetic preference for the formation of an exo π-complex than the analogous endo-isomers, see: (a) Okuda, Y.; Szilagyi, R. K.; Mori, S.; Nishihara, Y. Dalton Trans. 2014, 43, 9537–9548. (b) Ishitsuka, T.; Okuda, Y.; Szilagyi, R. K.; Mori, S.; Nishihara, Y. Dalton Trans. 2016, 45, 7786–7793.

(40) Several mechanisms for the palladation step during the formation of complex E are possible: electrophilic aromatic substitution via a Wheland-type intermediate or a concerted metalationdeprotonation (CMD) mechanism; for details, see: Wang, J.; Dong, G. Chem. Rev. 2019, 119, 7478–7528.

(41) Although a kinetic experiment to calculate Kinetic Isotope Effect (KIE) value was investigated, the experimental results have low reproducibility.

Chapter 4

(42) A representative example of the ligand-directed non-decarbonylative and decarbonylative conversion of acyl chlorides: (a) Iwai, T.; Fujihara, T.; Terao, J.; Tsuji, Y. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6668–6669. (b) Iwai, T.; Fujihara, T.; Terao, J.; Tsuji, Y. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 1268–1274.

(43) (a) A nickel-catalyzed divergent coupling of aromatic esters and alkylboranes was reported very recently. In the presence of PCy 3 as a ligand and Cs2CO3 as a base, non-decarbonylative coupling proceeded to form the ketones, while utilizing DCPE provided the decarbonylative coupling products; see: Chatupheeraphat, A.; Liao, H.-H.; Srimontree, W.; Guo, L.; Minenkov, Y.; Poater, A.; Cavallo, L.; Rueping, M. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 3724–3735. (b) A relative palladium-catalyzed switchable Suzuki−Miyaura reaction was also developed: Masson-Makdissi, J.; Vandavasi, J. K.; Newman, S. G. Org. Lett. 2018, 20, 4094–4098.

(44) Selected examples of non-decarbonylative reaction of acyl chlorides and hydrosilanes: (a) Citron, J. D. J. Org. Chem. 1969, 34, 1977–1979. (b) Dent, S. P.; Eaborn, C.; Pidcock, A. J. Chem. Soc. D 1970, 1703–1704. (c) Courtis, B.; Dent, S. P.; Eaborn, C.; Pidcock, A. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1975, 2460–2465. (d) Dent, S. P.; Eaborn, C.; Pidcock, A. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1975, 2646–2648. (e) Blum, J.; Pri-bar, I.; Alper, H. J. Mol. Catal. 1986, 37, 359. (f) Lee, K.; Maleczka, R. E., Jr. Org. Lett. 2006, 8, 1887–1888. (g) Gutsulyak, D. V.; Nikonov, G. I. Adv. Synth. Catal. 2012, 354, 607–611. (h) Fujihara, T.; Cong, C.; Iwai, T.; Terao, J.; Tsuji, Y. Synlett 2012, 23, 2389–2392.

(45) Selected examples of non-decarbonylative reaction of thioesters and hydrosilanes (Fukuyama reduction): (a) Fukuyama, T.; Lin, S.-C.; Li, L. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 7050–7051. (b) Kanda, Y.; Fukuyama, T. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8451–8452. (c) Tokuyama, H.; Yokoshima, S.; Yamashita, T.; Lin, S.-C.; Li, L.; Fukuyama, T. J. Braz. Chem. Soc. 1998, 9, 381–387. (d) Fujiwara, A.; Kan, T.; Fukuyama, T. Synlett 2000, 1667–1669. (e) Tokuyama, H.; Yokoshima, S.; Lin, S.-C.; Li, L.; Fukuyama, T. Synthesis 2002, 2002, 1121–1123. (f) Miyazaki, T.; Hanya, Y.; Tokuyama, H.; Fukuyama, T. Synlett 2004, 477–480. (g) Kimura, M.; Seki, M. Tetrahedron Lett. 2004, 45, 3219–3223. (h) Asadi, M.; Bonke, S.; Polyzos, A.; Lupton, D. W. ACS Catal. 2014, 4, 2070–2074.

(46) An example of non-decarbonylative reaction of esters and hydrosilanes: Nakanishi, J.; Tatamidani, H.; Fukumoto, Y.; Chatani, N. Synlett 2006, 2006, 869–872.

(47) Selected examples of non-decarbonylative reaction of acid anhydrides and hydrosilanes: (a) Fujihara, T.; Cong, C.; Terao, J.; Tsuji, Y. Adv. Synth. Catal. 2013, 355, 3420–3424. (b) Fujihara, T.; Hosomi, T.; Cong, C.; Hosoki, T.; Terao, J.; Tsuji, Y. Tetrahedron 2015, 71, 4570–4574.

(48) Selected examples of decarbonylative reaction of carboxylic acid derivatives and hydrosilanes: (a) Bai, X.-F.; Xu, L.-W.; Zheng, L.-S.; iang, J.-X.; Lai, G.-Q.; Shang, J.-Y. Chem.-Eur. J. 2012, 18, 8174–8179. (b) Dey, A.; Sasmal, S.; Seth, K.; Lahiri, G. K.; Maiti, D. ACS Catal. 2017, 7, 433–437. (c) Yue, H.; Guo, L.; Lee, S.-C.; Liu, X.; Rueping, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 3972–3976.

(49) For formation of the decarbonylative reaction products 54, another possible mechanism exists via the initial generation of aldehydes 53 and the subsequent formyl C−H bond cleavage and decarbonylation. Thus, aldehyde 53a as a starting substrate was then treated with Et 3SiH and Pd(OAc)2/DCPE, but decarbonylation was not observed. This result indicates that the formyl C−H oxidative addition of 53 is not a major pathway for the production of 54.

(50) Several other mechanisms involving partial dissociation of DCPE are also possible: (a) Hong, X.; Liang, Y.; Houk, K. N. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2017–2025. (b) Lu, Q.; Yu, H.; Fu, Y. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 8252–8260. See also ref 43b.

Experimental Section

(51) Lal, G. S.; Pez, G. P.; Pesaresi, R. J.; Prozonic, F. M.; Cheng, H. J. Org. Chem. 1999, 64, 7048–7054.

(52) Temperini, A.; Annesi, D.; Testaferri, L.; Tiecco, M. Tetrahedron Lett. 2010, 51, 5368–5371.

(53) Ni, S.; Zhang, W.; Mei, H.; Han, J.; Pan, Y. Org. Lett. 2017, 19, 2536–2539.

(54) Tran, P. H.; Hansen, P. E.; Hoang, H. M.; Chau, D.-K. N.; Le, T. N. Tetrahedron Lett. 2015, 56, 2187–2192.

(55) Ebert, G. W.; Rieke, R. D. J. Org. Chem. 1988, 53, 4482–4488.

(56) Biju, A. T.; Glorius, F. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 9761–9764.

(57) McNeill, E.; Barder, T. E.; Buchwald, S. L. Org. Lett. 2007, 9, 3785–3788.

(58) Pennell, M. N.; Unthank, M. G.; Turner, P.; Sheppard, T. D. J. Org. Chem. 2011, 76, 1479–1482.

(59) Arthuis, M.; Pontikis, R.; Florent, J.-C. Org. Lett. 2009, 11, 4608–4611.

(60) Silvanus, A. C.; Groombridge, B. J.; Andrews, B. I.; Kociok-Köhn, G.; Carbery, D. R. J. Org. Chem. 2010, 75, 7491–7493.

(61) Yang, J.; Seto, Y. W.; Yoshikai, N. ACS Catal. 2015, 5, 3054–3057.

(62) Pletnev, A. A.; Tian, Q.; Larock, R. C. J. Org. Chem. 2002, 67, 9276–9287.

(63) Nongkunsarn, P.; Ramsden, C. A. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1996, 121–122.

(64) Birrell, J. A.; Desrosiers, J.-N.; Jacobsen, E. N. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 13872–13875.

(65) Balfour, W. J. J. Mol. Spectrosc. 1980, 84, 60–67.

(66) Gonzalez-de-Castro, A.; Xiao, J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8206–8218.

(67) Ebner, C.; Müller, C. A.; Markert, C.; Pfaltz, A. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4710–4713.

(68) Xiao, P.; Tang, Z.; Wang, K.; Chen, H.; Guo, Q.; Chu, Y.; Gao, L.; Song, Z. J. Org. Chem. 2018, 83, 1687–1700.

(69) Steves, J. E.; Stahl, S. S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15742–15745.

(70) Ray, R.; Chandra, S.; Maiti, D.; Lahiri, G. K. Chem. Eur. J. 2016, 22, 8814–8822.

(71) Iinuma, M.; Moriyama, K.; Togo, H. Eur. J. Org. Chem. 2014, 772–780.

(72) Li, H.; Misal Castro, L. C.; Zheng, J.; Roisnel, T.; Dorcet, V.; Sortais, J.-B.; Darcel, C. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 8045–8049.

(73) Ghosh, A. K.; Nicponski, D. R. Org. Lett. 2011, 13, 4328–4331.

(74) Zhang, B.-L.; Wang, F.-D. Yue, J.-M. Synlett 2006, 567–570.

(75) Baell, J. B.; Duggan, P. J.; Forsyth, S. A.; Lewis, R. J.; Lok, Y. P.; Schroeder, C. Bioorg. Med. Chem. 2004, 12, 4025–4037.

(76) Gustafsson, T.; Gilmour, R.; Seeberger, P. H. Chem. Commun. 2008, 3022–3024.List of Publication

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