Divergent Transformations of N-Sulfonyl-1,2,3-Triazoles Enabled by Rhodium(II) and Palladium(0) Catalysis

Abstract

Described here is the development of divergent transformations of N-sulfonyl-1,2,3-triazoles enabled by using rhodium(II) and/or palladium(0) catalysis. In these novel transformations, dirhodium(II) and Pd(0) catalysts are utilized in either dual catalytic system or conventional monocatalytic system. Dual transition-metal catalysis could significantly expand the area of organic synthesis, as they provide powerful tools for new reactions that are unattainable by the traditional single catalysis. Based on the mechanism of the substrate activation, an explicit classification and details on each type of dual catalysis are delineated in Chapter I, where the synthetic advantages of the merger of Rh(II) and Pd(0) catalysis are introduced. The N-sulfonyl-1,2,3-triazole scaffolds, which can be synthesized from the corresponding sulfonyl azides and alkynes, are widely used as building blocks in modern organic chemistry. In general, the N-sulfonyl-1,2,3-triazoles could be served as one of the most versatile and bench-stable precursors of a-imino Rh(II)-carbenoids, forging a wide range of nitrogen-containing molecules. The cooperative Rh(II)/Pd(0) catalysis has prompted to exploit the formal dipolar cycloaddition between a-imino Rh(II)-carbenoids and zwitterionic alkoxy pi-allyl Pd(II) complexes. Thus, synergistic Rh(II)/Pd(0) dual catalytic system for [6+3] dipolar cycloaddition of N-sulfonyl-1,2,3-triazoles and vinyl propylene carbonates (VPCs) to afford 1,4-oxazonines has been developed, which will be described in Chapter II. Broad substrate scope was successfully explored, moreover, the formation of THF compounds through [4+1] cycloaddition by using sterically less-hindered VPCs showed the substituent effect on carbonate substrates, which may alter the reaction pathway. The transannular Alder-ene rearrangement of 1,4-oxazonine products furnishing the cis-fused bicyclic compounds occurred in thermal conditions. Using this method, a range of functionalized hexahydropyranopyrrole derivatives could be readily accessed through tandem one-pot procedure from the triazoles and vinyl carbonates. These newly developed transformations facilitate a straightforward approach to medium-sized heterocycles, which are the most difficult to prepare using conventional methods, and provide three different products in a divergent way. The catalyst-directed divergent catalysis has emerged as a promising technique as it allows access toward structurally distinct products from common substrates simply by modulating the catalyst system. As along with Rh(II)/Pd(0) dual catalysis of a-imino Rh(II)-carbenoids and pi-allyl Pd(II) complexes, the intramolecular divergent transformations of allylic alcohol-tethered sulfonyl triazoles have been established and will be described in Chapter III. These transannulation reactions of triazoles containing allylic alcohol could be bifurcated by the choice of catalysts: i.e., O–H insertion to Rh(II)-carbenoids and Pd(0)-catalyzed allylic rearrangement occurred subsequently to form 2-aminoindanones with excellent diastereoselectivity in a tandem one-pot Rh(II)/Pd(0) dual catalytic system, while dihydroisoquinolin-3-ones were produced via N-sulfonyl ketenimine intermediates in the presence of mono Pd(0) catalyst. Isolation of intermediates in each catalysis, and deuterium-labelling experiments were conducted to ensure the mechanistic pathways. These catalytic reactions may serve an important role in the divergent transformations of N-sulfonyl-1,2,3-triazoles. ;졸업논문 연구는 로듐(II)와 팔라듐(0) 촉매를 이용한 N-설포닐 트라이아졸 화합물의 방사형 촉매반응 개발에 관한 연구이다. 이 새로운 전이 금속 촉매 반응을 통한 유기 합성에는 로듐(II)와 팔라듐(0) 촉매가 이중 촉매 시스템 혹은 단일 촉매 시스템 하에서 운용된다. 이중 전이 금속 촉매 반응은 전통적인 단일 촉매 반응을 통해서는 가능하지 않은 새로운 반응을 위한 강력한 전략으로써 유기 합성 방법론의 영역을 확장할 수 있다. 이중 촉매 반응은 기질을 활성화 하는 메커니즘에 따라 분류될 수 있으며 이에 대한 자세한 설명과 로듐(II)와 팔라듐(0) 촉매의 협동을 통한 방법론적 이점에 대한 내용을 1장에서 다루었다. 설포닐 아지드와 알카인으로부터 합성할 수 있는 N-설포닐 트라이아졸 화합물은 현대 유기화학 분야에서 유기물을 구성하는 요소로써 유용하게 사용된다. 일반적으로 N-설포닐 트라이아졸은 a-이미노 로듐(II)-카베노이드 중간체를 형성할 수 있는 가장 안정적인 전구체 중 하나로 사용되며, 다양한 질소를 포함하는 분자로의 변환이 가능하다. 협동 로듐(II)/팔라듐(0) 촉매반응은 a-이미노 로듐(II)-카베노이드와 양쪽성이온(zwitterion) 형태의 알콕시 pi-알릴팔라듐(II) 복합체 사이의 쌍극 고리화 반응(dipolar cycloaddition)을 촉진한다. 따라서 N-설포닐 트라이아졸과 바이닐 프로필렌 카보네이트(VPCs) 간의 [6+3] 쌍극 고리화 반응으로부터 9각형 헤테로고리인 1,4-옥사조닌을 합성할 수 있는 상조적(synergistic) 로듐(II)/팔라듐(0) 촉매 반응을 개발하였다(2장). 개발한 반응 조건 하에서 바이닐 프로필렌 카보네이트의 치환기 효과를 이용해 반응성을 조절하여 테트라 하이드로퓨란(THF) 유도체를 합성하였고, 또한 1,4-옥사조닌 구조의 재배열을 통한 이중고리형 헤테로고리 화합물인 피라노피롤(pyranopyrrole) 유도체로의 변환이 가능하다. 방사형 촉매 반응은 동일한 시작 물질로부터 촉매 시스템의 조절을 통해 구조적으로 다른 생성물을 합성할 수 있는 유용한 전략으로 부각되고 있다. 다양한 방사형 촉매 반응에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있음에 따라, 로듐(II)와 팔라듐(0) 촉매의 반응성을 기반으로 분자 내에 알릴 알콜 작용기를 포함한 N-설포닐 트라이아졸의 분자 내 촉매 반응을 통한 방사형 변환을 개발하였다(3장). 로듐(II)/팔라듐(0) 연속 촉매 반응을 통하여 2-아미노인다논(2-aminoindanone)을 합성할 수 있으며, 팔라듐(0) 단일 촉매 반응을 통해 이소퀴놀리논(isoquinolinone) 유도체를 합성할 수 있다. 반응 기작을 확인하기 위하여 각각의 촉매 시스템에서 작용하는 중간체를 분리하여 구조를 규명하였다. 이 연구를 토대로 N-설포닐 트라이아졸이 방사형 촉매 반응의 효과적인 시작 물질로써 작용할 수 있다는 점을 증명하였다.