Studies on Diverse Transformations of α-Diazo Compounds by Rhodium and/or Palladium Catalysts

Abstract

The dissertation research focuses on the development of novel catalytic methods for diverse transformations of α-diazo carbonyl compounds, resulting in heterocyclic compounds. These researches are achieved using rhodium and palladium catalysts in either monocatalytic or cooperative catalytic systems. Diazo compounds have been utilized as convenient precursors for metal carbenoids, which have been utilized as key intermediates to provide valuable organic molecules. A brief background for metal carbenoids and their diverse transformations will be presented. Complete control over the reaction pathways to provide the diverse compounds from a common reactant is a prominent goal for the development of divergent synthetic strategies, improving atom economy and increasing the diversity of chemical libraries. In this regard, the development of novel divergent catalytic transformations of metal carbenoids is highly desirable. In Chapter I, catalyst-controlled divergent C(sp3)-H and CAr-H bond functionalizations of α-diazoacetamides have been developed to result in the diverse synthesis of N-heterocycles. The effect of α-substituents on the selectivity was also investigated. The metal carbenoids generated from α-diazoacetamides could undergo the chemoselective insertion into either alkyl C(sp3)-H or aryl CAr-H bonds, depending on the choice of metallic catalysts. When the reaction is conducted in the presence of a Rh(II) catalyst, the alkyl C(sp3)-H bond insertion occurred to afford the corresponding β-lactams, while the aryl CAr-H bond functionalization could proceed to furnish indolin-2-ones using a Pd(II) catalyst. Furthermore, it was found that the reaction divergence is significantly affected by the α-substituents of diazo compounds. To elucidate the origin of the effect of α-substituents on selectivity, DFT calculations have been conducted. When the ester group is installed at the α-position of diazo compounds, the oxygen atom of the ester allows directing the benzylic proton near the carbenoid carbon resulting in C(sp3)-H insertion. Cooperative dual catalysis has emerged as an attractive synthetic strategy because it allows to access an array of transformations, which are not attainable through the conventional monocatalytic system. However, it is still a challenging subject due to the difficulty in achieving the redox compatibility between the metallic catalysts and balanced kinetics to avoid catalyst deactivation. In 2016, we demonstrated the redox compatibility between rhodium(II) and palladium(0) catalysts for the first time through the interceptive capturing of π‑allyl Pd(II) complex with α‑imino Rh(II) carbenoid intermediates. Since then, several cooperative Rh(II)/Pd(0) dual catalytic reactions have been developed. In Chapter II, cooperative Rh(II)/Pd(0) relay catalysis for the one-pot construction of C3-allylated benzofused heterocycles from α-diazo compounds and allyl carbonates is delineated. This reaction involves Rh(II)-catalyzed intramolecular aryl CAr-H functionalization of Rh(II)-carbenoids generated from α-diazo compounds, and sequential Pd(0)-catalyzed intermolecular allylic alkylation of π-allyl-Pd(II) complex, which is formed from allyl carbonates. A broad range of indolin-2-ones and benzofuran-2-ones could be obtained, demonstrating the generality of the cooperative Rh(II)/Pd(0) relay catalytic reaction. ;졸업논문 연구의 가장 큰 목적은 전이금속 촉매를 이용하여 다이아조 화합물로부터 다양한 변환을 통해 헤테로고리 화합물을 합성하는 새로운 촉매반응의 개발이다. 본 연구는 로듐(II)과 팔라듐(II) 촉매를 이용하여 단일촉매 또는 이중촉매 하에서 이루어졌다. 다이아조 화합물로부터 전이금속 촉매 하에 생성되는 금속 카베노이드는 본 연구의 핵심적인 중간체로, 일련의 효율적인 촉매반응 개발을 가능하게 한다. 본 연구의 첫번째 주제는 촉매 제어를 통해 다이아조 화합물 내 탄소-수소 결합을 선택적으로 기능화하는 방사형 촉매반응의 개발이다 (1장). 하나의 공통된 반응물로부터 다양한 화합물을 제공하기 위한 반응 경로의 조절은 원자 경제적이며 화학 라이브러리의 다양성을 증가시킬 수 있다는 점에서 합성법 개발의 중요한 목표이다. 따라서, 금속 카베노이드를 이용한 방사형 촉매반응의 개발은 매우 바람직하다. 본 연구에서는 사용하는 촉매에 따라 다이아조 화합물로부터 생성된 금속 카베노이드가 sp3 탄소-수소 결합 또는 방향족 탄소-수소 결합에 위치 선택적으로 삽입된다. 로듐(II) 촉매 하에서는 sp3 탄소-수소 삽입반응이 진행되어 베타락탐을 생성하며, 팔라듐(II) 촉매 하에서는 방향족 탄소-수소 삽입반응이 진행되어 인돌리논을 생성물로 제공한다. 이러한 방사형 촉매반응의 경향성은 다이아조 화합물의 α-위치 치환기에 크게 영향을 받는 것으로 밝혀졌는데, 어떠한 기작을 통해 선택성에 영향을 미치는지에 대해서는 DFT 계산을 통해 입증하였다. 본 연구의 두번째 주제는 로듐(II)과 팔라듐(0) 촉매를 이용한 협동성 이중촉매반응의 개발이다 (2장). 두 전이금속촉매를 이용한 협동성 촉매반응은 기존의 단일 촉매 하에서는 불가능하였던 변환을 가능하게 한다는 점에서 중요한 합성 전략으로 연구되어 왔으나, 촉매들의 산화-환원 적합성 및 반응속도 균형의 어려움으로 인해 제한적으로 개발되어 왔다. 이에 상응하여 우리 실험실에서는 처음으로 로듐(II)과 팔라듐(0) 촉매 사이의 산화-환원 적합성을 확인하였으며, 이를 이용하여 입체선택적으로 베타락탐을 생성하는 협동성 이중촉매반응을 개발하였다. 로듐(II) 및 팔라듐(II) 촉매를 이용한 협동성 이중촉매반응의 효용성을 확장하기 위하여 이에 대한 연구를 지속해 왔으며, 본 연구에서는 다이아조 화합물과 알릴 카보네이트로부터 헤테로사이클을 합성하는 이중촉매반응을 개발하였다. 로듐(II) 촉매 하에서 다이아조 화합물로부터 생성된 로듐(II)-카베노이드는 분자내 방향족 탄소-수소 결합 기능화 반응을 통해 고리화합물을 생성하며, 순차적으로 팔라듐(0) 촉매 하에서 생성된 π-알릴 중간체와 반응함에 따라 다양한 인돌리논 및 벤조퓨라논 유도체들을 합성하였다. 반응기작을 확인하기 위하여 중간체를 분리하여 구조를 규명하였고, 단계적 반응을 통해 협동성 촉매반응이 연속적으로 진행됨을 증명하였다. 본 연구에서는 금속 카베노이드의 다양한 반응성을 토대로, 이를 이용한 방사형 촉매반응 및 협동성 이중촉매반응을 개발하였다. 유기화학에서의 금속 카베노이드 효용성을 고려해 볼 때, 이는 앞으로의 새로운 촉매반응 개발에 이바지할 것이라 기대된다.