Ruthenium Catalyzed Olefination

Abstract

Olefin 구조는 생리활성물질 및 천연물에서 쉽게 관찰되는 구조로 유기합성에서 olefin의 합성은 중요한 반응이다. 그 동안 이러한 olefin구조를 만드는 다양한 방법들이 개발되어 왔다.특히, 촉매를 이용하는 반응은 효율적이기 때문에 전합성에 많이 이용된다. Metathesis는 olefin을 만드는 다양한 방법 중의 하나로 촉매를 이용하여 원자 경제적이고, 반응성이 좋아 천연물과 의약물질 합성에 널리 이용되고 있다. Ring-closing enyne metathesis (RCEYM) metathesis 반응의 하나로 하나의 분자에 alkene과 alkyne을 모두 갖는 물질이 분자내에서 metathesis 반응이 일어나 1,3-conjugated diene ring을 만드는 반응이다. 이 때, 두 가지 product가 생성되는데 endo-와 exo-product이다. Endo-product는 exo-product보다 1개 원자가 더 많은 ring으로 두 product의 생성비율은 만들어지는 ring-size에 따라 달라지게 된다. 10 개 이하의 ring-size에서는 exo-product가 생성되며 12 개 이상의 ring-size에서는 endo-product가 주로 생성된다. 두 product의 비율을 조절하기 위한 다양한 조건들이 개발되었는데, 본 연구에서는 ruthenium 촉매를 이용하여 terminal enyne의 endo-selective한 RCEYM을 수행하였다. 먼저, 5-6 membered ring을 형성하는 terminal enyne substrate를 가지고 endo-product를 생성할 수 있는 촉매를 탐색하였다. 다양한 조건변화를 통해 더 나은 선택성과 수율을 찾았고, 이를 바탕으로 methyl-branched terminal enyne substrate에 적용하여 methyl기가 없을 때와의 차이점을 비교하였다. 이 후 다양한 substrate에 적용시키면서 반응의 응용 가능성에 대해 알아보았다. Ruthenium을 이용하여 처음으로 terminal enyne substrate에서 endo:exo 비율이 최대 8:2 까지 나왔다. Olefin을 만들 수 있는 또 하나의 방법으로 최근 decarbonylative olefination이라는 반응이 새롭게 개발되었다. 촉매를 이용하여 aldehyde의 decarbonylation이 일어나면서 alkyne에 addition하여 alkene을 만드는 방법이다. 더 넓은 응용성을 위해 간단한 조건과 높은 선택성이 필수적이다. 촉매 precursor로 쓰이는 ruthenium trichloride (RuCl3·(H2O)x)를 이용하여 150 °C에서 8 시간 동안 반응하였을 때 가장 좋은 반응성을 나타냈으며, 다양한 substrate에 잘 적용되었다. 이는 기존에 개발된 촉매 시스템에 비해 간단한 조건이며 반응시간도 짧고, substrate에 대한 scope도 넓어진 결과이다. E/Z 선택성을 높일 수 있는 다양한 additive들이 첨가됐으나 효과가 없었다. 분자내 반응이 진행될 경우 ring-closing metathesis 반응과 같은 product가 생성될 것으로 예상했으나 반응이 진행되지 않았다. Internal alkyne과 반응할 경우 trisubstituted alkene이 생성될 것으로 기대했으나 역시 진행되지 않았다. Deuterium으로 치환된 1-decyne을 가지고 반응을 수행하여 decarbonylativeolefination의 mechanism에 대하여 알아보고자 하였다. 반응 결과, alkyl chain 쪽 olefin proton의 40 %가 deuterium으로 치환된 product를 얻었다. 이는 기존에 제안된 mechanism과 부합되지 않는 결과로 정확한 mechanism 제안을 위해 추가적인 실험이 필요하다.;Part I: RCEYM is a variation of metathesis and an intramolecular reaction that takes place in a compound having alkene and alkyne moieties. RCEYM yields endo- and exo-products and the ratio of endo/exo-product changes depending on the ring-size. The reaction forming 5-6 membered rings was carried out with catalyst E containing pyridine ligand and compared the results with the results of the reaction with general metathesis catalysts. It was expected that pyridine ligand in catalyst E would have an effect on the endo/exo selectivity in enyne RCM reactions. The reaction of terminal enyne substrate gave small but a significant amount endo-product with the endo:exo ratio of 40:60. On the other hand, the reaction of enyne containing methyl branched alkene produced more endo-products than exo-products with the maximum endo:exo ratio of 80:20. It is predicted that methyl keeps metal carbene from approaching the alkene and makes it prefer to initiate at the alkyne. The methyl effect was maximized and the yield was increased when concentration was diluted. The reaction worked well for various enyne substrates. The reaction showed some limits. Catalyst E had low activity and high catalyst loading was needed. Substrate scope was narrow and the endo:exo ratio was different depending on the substrates. This study shows the first example of endo-selective RCEYM of terminal enyne using Ru catalyst. Part II: Decarbonylative addition is a new method for olefin synthesis which is via decarbonylative addition of aldehydes to terminal alkynes by using catalysts. Ru and Ir catalytic systems were reported but pre-activation time and additives were required and showed low E/Z selectivity. It was considered that simple condition and high E/Z selectivity is needed for broad application. Various conditions were carried out and the reaction showed high yield when using RuCl3·(H2O)xand DMF/acetonitrile ratio of 8/2 at 150 °C for 8 h. This is the unprecedented example of additive-free C-C bond formation and decarbonylative olefination by using RuCl3·(H2O)x. The reaction worked well for various aromatic aldehydes and aliphatic aldehydes with non-conjugated and conjugated. E/Z selectivity was low and often reversed depending on the substrates. To elevate the E/Z selectivity, various metal salts and ligands were added but had no effect on the reaction. It was expected that decarbonylative olefination of internal alkyne gives trisubstituted alkene but the reaction failed. Intramolecular decarbonylative olefination forming cyclic ring also failed. Decarbonylativeolefinationwith1-decyne, acidic proton of which was exchanged fordeuterium was carried out. The reaction gave 77 % yield of deuterated olefination product, that 40 % of olefin proton adjacent to alkyl chain (-C8H17)wasexchanged for deuterium.Further investigations on the mechanism of this reaction and E/Z selectivity are currently underway.