Novel Transformations of N-Sulfonyl-1,2,3-Triazoles and α-Diazoacetates

Abstract

Dissertation is consisted in two parts. In Chapter I, the research is focused on the development of tandem one-pot catalytic reactions and intramolecular divergent reactions mainly using rhodium(II)-catalyzed denitrogenative reactions of N-sulfonyl-1,2,3-triazole. In Chapter II, chemo- and regioselective C-C bond formation of 2-naphthol with α-diazoacetate is disclosed. Chapter I-B and I-C: Two different tandem one-pot reactions based on the copper(I)-catalyzed cycloaddition (CuAAC) and rhodium(II)-catalyzed reaction of N-sulfonyl-1,2,3-triazoles have been developed. N-Sulfonyl-1,2,3-triazoles could easily be synthesized in the presence of copper(I) catalyst through the cycloaddition of readily available 1-alkynes with sulfonyl azides. This heterocycle subsequently formed an electrophilic α-imino rhodium(II)- carbenoid through rhodium(II) catalytic reaction. N,N-dimethylformamide and γ‑hydroxy (E)-α,β-unsaturated ester are examined as attractive coupling partners with catalytically generated α-imino rhodium(II)-carbenoids to afford cis-diamino enone and γ-oxo β-amino ester. Through these studies, the compatibility of the copper(I)/rhodium(II) dual catalytic system has beed successfully demonstrated because the tandem catalytic reactions can be conducted in one reaction vessel, decreasing work-up procedures to minimize waste generation. Chapter I-D: Catalyst-controlled divergent transformations of N-sulfonyl-1,2,3-triazoles bearing allylic alcohol moiety has been developed. Divergent catalytic reactions could provide different products from a common starting material through the precise control of reaction pathways. In this chapter, it was discovered that a common allyl alcohol functionalized N-sulfonyl-1,2,3-triazole could generate two different reaction intermediates such as rhodium(II)- carbenoids or N-sulfonyl ketenimines, which can be controlled by employing palladium(0) or rhodium(II)/palladium(0) dual catalysts, respectively. Chapter II: Chemo- and regioselective C-alkylation of 2-naphthols with α-diazoacetate has been investigated. In a typical Friedel-Crafts alkylation reaction, which is one of the most classic but powerful method for the construction of alkyl-substituted aromatic compounds, strong Lewis acid catalysts or activated alkylating reagents are required. On the other hand, transition metal-carbenoids derived from α-diazoacetate underwent exclusively C-O bond formation with phenol derivatives. In this chapter, it has been found that C-C bond formation of 2-naphthol with α-diazoacetate was achieved under a metal-free conditions. ;졸업논문연구는 N-설포닐 트라이아졸 화합물(N-sulfonyl triazole)과 α-다이아조 화합물(α-diazo compound)의 탈질소화반응에 따른 변형을 기반으로 한 새로운 유기물 합성법 개발에 관한 연구이다. 1장에서는 N-설포닐 트라이아졸 화합물의 금속촉매 또는 열적반응으로 유도된 탈질소화 구조 변환을 기반으로 총 4가지의 다단계 연속촉매반응(Tandem one-pot catalysis)을 확립하였다. 그 중 2가지(Chapter I-B와, I-C)는 천연물 및 생체 분자의 전구체가 되는 아미노산 유도체에 대한 새로운 합성법을 위한 구리(I)/로듐(II) 다단계 촉매 시스템이다. 마지막 시스템에서(Chapter I-D)는 하나의 출발물질에서 촉매반응 조건을 달리하여 서로 다른 헤테로고리 화합물을 얻을 수 있는 팔라듐(0)&로듐(II)/팔라듐(0) 방사형 촉매 반응(Divergent tandem catalysis)을 완성하였다. 2장에서는α-다이아조 화합물을 이용한 2-나프톨의 화학선택적, 위치선택적 C-알킬화 반응 연구에 관해 기술하였다. α-다이아조 화합물의 탈질소화 반응을 기반으로 메탈-프리(metal-free) 조건에서 기존의 전이금속 촉매반응과는 다른 2-나프톨에 C-C 결합 선택성을 갖는 나프톨 유도체 합성법을 발견하였다. Chapter I-B, I-C: N-설포닐-1,2,3-트라이아졸은 클릭화학(click chemistry)으로 알려진 구리(I)촉매 아자이드-알카인 고리화 첨가반응(Azide-Alkyne Cycloaddition)으로 쉽게 얻을 수 있다. 이 헤테로고리 화합물은 고리-사슬 토토머화 현상으로 α-다이아조 이민(α-diazo imine)을 형성하며, 로듐(II) 촉매와 반응하여 친전자성을 띠는 α-이미노 로듐(II) 카베노이드(α-imino Rh(II) carbenoid) 중간체를 형성한다. 따라서 친핵체의 성질을 갖는 N,N-다이알킬 포름아마이드 (N,N-dialkyl formamide)와 반응하는 경우 C=O 결합이 α-이미노 로듐(II) 카벤에 1,2-삽입되며 높은 입체선택성을 보이는 cis-다이아미노 에논 (cis-diamino enone)이 생성되는 것을 확인하였다. 또한 γ-하이드록시α,β-불포화 에스터 (γ-hydroxy α,β-unsaturated ester)를 친핵체로 선택하는 경우 α-이미노 로듐(II) 카베노이드 중간체와 반응물 사이에 O-H 결합 삽입, [3,3]-시그마 결합 자리 옮김 반응([3,3]-sigmatropic rearrangement)을 거쳐 C-C 결합을 형성하므로, 부분입체선택성이 뛰어난 α-바이닐화 γ-옥소-β-아미노 에스터 (α-vinlated γ-oxo-β-amino ester)를 합성할 수 있었다. 궁극적으로, 촉매반응의 효율성을 향상시키기 위해 구리(I), 로듐(II) 촉매와 설포닐 아자이드(sulfonyl azide), 1-알카인(1-alkyne) 그리고 앞서 조사한 반응물들이 한 용기 내에서 연속적으로 반응을 진행할 수 있는 촉매반응시스템의 조건을 최적화하였다. 각각 상응하는 최종 생성물을 합리적인 수득률로 얻음으로써 시스템 내의 두 촉매와 각 기질, 생성물 사이의 상호보완성과 지속가능성을 증명하고, 다양한 아미노산 유도체를 합성하는 새로운 방법을 정립하였다. Chapter I-D: 분자 내 다단계 연속 방사형 촉매반응은 동일한 출발물질로부터 서로 다른 촉매 조건에 따라 생성되는 다양한 중간체를 이용해 구조적으로 다른 생성물을 선택적으로 합성하는 방법으로, 유기 반응의 효율을 한층 더 높일 수 있는 전략적 합성 방법론이다. 알릴 알콜기(Allyl alcohol)가 치환되어 있는 N-설포닐 1,2,3-트라이아졸에 로듐(II)촉매 또는 팔라듐(0)촉매를 적용하여 분자 내 다단계 연속 방사형 촉매반응을 개발하였다. 팔라듐(0) 촉매 조건 하에서는 출발 물질의 열적 변형에 따른 1,2-수소화물 옮김으로 형성된 N-설포닐 케텐이민 (N-sulfonyl ketenimine)중간체로부터 바이닐(vinyl)이 치환된 1,4-다이하이드로아이소퀴놀린-3(2H)-온 (1,4-dihydroisoquinolin-3(2H)-one) 유도체를 합성할 수 있었다. 반면, 동일한 출발 물질에 로듐(II)/팔라듐(0) 다단계 촉매 반응 조건을 적용하면 α-이미노 로듐(II) 카베노이드 중간체를 형성하는 경로를 거쳐, 바이닐화 아이소벤조퓨란(vinylated isobenzofuran)을 생성하고, 연속적인 팔라듐(0) 촉매반응에 따른 알릴성 자리옮김(allylic cyclization)을 통해 최종적으로 바이닐 작용기를 갖는 α-아미노인데논(α-aminoindanone)을 합성하였다. 2장에서 주로 이용한 다이아조 화합물은 유기 합성 반응에 압도적으로 많이 활용되는 물질이다. α-다이아조아세테이트(α-diazoacetate)와 2-나프톨 (2-naphthol) 사이의 C-O 결합 형성, C-C 결합 형성에 대한 화학선택성을 연구하였다. 로듐, 팔라듐 촉매와 같은 기존 전이금속 촉매반응에서는 C-O 결합이 압도적으로 형성되었지만, 이와 달리 열적으로 유도된 반응에서는 C1위치의 C-C 결합에 대한 화학선택성과 위치선택성을 갖는 C-알킬화 반응이 진행되는 것을 확인하였다. 그 결과, 2-나프톨 유도체의 새로운 합성법을 개발하고 해당 메커니즘을 연구하였다. 2-나프톨 유도체는 약학 생활성을 갖는 화합물이나 천연물 합성을 위한 전구체로 이용되므로, 합성법의 잠재적 실용성을 높이기 위하여 나프토[2,1-b]퓨란-2(1H)-온 (naphtho[2,1-b]furan-2(1H)-ones)의 손쉬운 합성 또한 증명하였다.