Ruthenium-Catalyzed Decarbonylative Olefination and Its Mechanism Study

Abstract

Decarbonylative olefination is a new method for preparing carbon-carbon double bond in organic synthesis. It produces alkenes from aldehydes and terminal alkynes using transition metal catalyst by dissociating the corresponding carbonyl moiety. Compared to the previously reported method by Chao-Jun Li’s group, our newly-developed olefination affords various alkenes more easily because it does not require preactivation time nor additives. We have successfully optimized the olefination condition by conducting the reaction with 10 mol% RuCl3•(H2O)x, 2.0 M concentration of DMF/Acetonitrile(8/2), 8 h and 150 ºC under argon atmosphere. In this thesis, various substrates were examined repeatedly for optimized conditions, in four specific categories; 1. aromatic aldehydes and 1-decyne, 2. aromatic aldehydes and aromatic alkynes, 3. aliphatic aldehydes and aliphatic alkynes and 4. aliphatic aldehydes and aromatic alkynes. Most of the desired olefin products in this four categories were obtained in good to high yields. However, there are several limitations in this reaction. First of all, substrates containing nitrogen atoms decreased reactivity or did not proceed any reaction. Secondly, the reaction between aliphatic aldehydes and aromatic alkynes showed only moderate yields. Thirdly, the E/Z ratio was about 50/50 regardless of the kind of products. We have also investigated the mechanism of decarbonylative olefination in the presence of ruthenium catalysts. Unlike the previously reported mechanism of the CO dissociation from aldehyde, our experiments showed somewhat different results. We proposed the change in the oxidation number of catalyst from Ru(III) to Ru(II) during the first step of the catalyst cycle. We assumed that CO source from DMF and high temperature led to the change of catalyst’s oxidation state. So, we testified this hypothesis as results of experiments with [RuCl2(CO)3]2. Next, we carried out isotope labeling experiments (D and 13C). In the deuterated control experiments, we observed the proton movement from starting materials to the corresponding olefin products. The deuterium Dβ of 1-decyne was 50 % incorporation in the desired olefin product. The 13C moiety survived intact in the olefin product when 13C-substituted benzaldehyde was used as a starting material. This suggests that the mechanism of the decarbonylative olefination resembles the wittig reaction, via a four-centered cyclic intermediate. Finally, we synthesized the ruthenium vinylidene complex as a key intermediate. In the decarbonylative olefination with this complex, we obtained the stilbene as the desired product. Thus, we were able to propose the detailed mechanism for the decarbonylative olefination. Further investigation on the intramolecular decarbonylative olefination are currently underway in our laboratories.;Decarbonylative olefination은 탄소-탄소 이중결합을 형성하는 새로운 방법이다. 이 반응은 전이 금속 촉매를 이용하며, aldehyde와 terminal alkyne이 만나 carbonyl group이 빠지면서 olefin 화합물을 형성한다. Chao-Jun Li의 그룹에서 발표된 방법과 비교하면, 이 반응은 preactivation 시간 및 첨가제 없이 쉽게 olefin 화합물을 형성할 수 있다. 앞서 진행한 연구에서 이 반응에 대한 최적의 반응 조건을 성공적으로 개발하였다. 그 결과, 촉매: RuCl3•(H2O)x, 용매: DMF:Acetonitrile(8:2) 2 M, 온도: 150 ℃, 시간: 8시간 이라는 반응조건에서 98 % 수율을 얻었다. 이 논문에서는 최적의 반응조건에 따른 다양한 substrate의 scope을 해 보았으며, 크게 네 가지로 분류를 하여 진행하였다. (1. Aromatic aldehyde와 Aliphatic alkyne, 2. Aromatic aldehyde와 Aromatic alkyne, 3. Aliphatic aldehyde와 Aromatic alkyne, 4. Aliphatic aldehyde와 Aliphatic alkyne). 치환기의 위치와 종류에 따라 약간의 차이는 있었지만 전반적으로 olefin 화합물들을 높은 수율로 얻을 수 있었다. 이 반응에서 몇 가지 한계점이 발견 되었는데, nitrogen이 포함 된 화합물은 반응성이 떨어지거나 반응이 가지 않는 것을 확인 하였다. Aliphatic aldehydes와 aromatic alkynes의 반응에서는 평균보다 낮은 수율로 product가 얻어졌지만, 이 반응의 폭넓은 가능성을 보여주었다. 전체적으로 products의 E/Z비율은 약 50/50으로 나타났다. 이 반응의 결과는 기존에 제시된 mechanism에 적합하지 않았다. 따라서 우리는 ruthenium촉매를 이용한 이 반응의 mechanism 연구를 진행하였다. 우선 촉매 cycle의 초기 단계로써, Ru(III)에서 Ru(II) 촉매로의 변화를 확인하였다. 참고 문헌에 따라, 우리는 높은 온도와 DMF에서 발생하는 carbonyl source가 촉매를 3가에서 2가로 변화시킨다고 가정을 하였다. 따라서, 2가 촉매로 형성되는 모습인 [RuCl2(CO)3]2 촉매를 구입하여 반응의 진행사항을 확인하였다. 또한, D와 13C로 치환된 기질을 가지고 isotope 실험을 하였다. 중수소를 이용한 결과, proton의 움직임을 확인할 수 있었다. 특이하게도, alkyne의 Dβ 가 olefin product에서 50 % 만 치환된 결과로 얻어졌다. 이 결과에 대한 반응 내 proton source는 아직 분명하게 밝혀지지 않았다. 다음으로 13C로 치환된 benzaldehyde를 이용한 실험을 진행하였다. 그 결과, aldehyde의 carbonyl group이 제거 되면서 olefin product를 형성 할 것이라는 예상과는 달리 carbonyl group의 13C가 product 내에 그대로 존재하는 것을 확인하였다. 따라서 wittig-type으로 four-membered ring이 형성된 후 다시 ring이 열리면서 olefin 화합물이 형성 되는 mechanism을 제안하게 되었다. 마지막으로 key intermediate로 예상되는 ruthenium vinylidene complex를 합성하여 반응에 적용시켜 보았으며 원하는 product를 얻을 수 있었다. 따라서 우리는 decarbonylative olefination을 위한 새로운 mechanism을 제안하였다.