Catalytic Ynamide Oxidation Strategy for the Preparation of α

Publication Date (Web): August 2, 2016. Copyright © 2016 American ... A Lewis acid-catalyzed alkyne oxidation strategy has been developed to produce ...
0 downloads 0 Views 739KB Size
Subscriber access provided by Northern Illinois University

Article

Catalytic Ynamide Oxidation Strategy for the Preparation of #-Functionalized Amides Fei Pan, Xin-Ling Li, Xiu-Mei Chen, Chao Shu, Peng-Peng Ruan, Cang-Hai Shen, Xin Lu, and Long-Wu Ye ACS Catal., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acscatal.6b01599 • Publication Date (Web): 02 Aug 2016 Downloaded from http://pubs.acs.org on August 2, 2016

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

ACS Catalysis is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Catalysis

Catalytic  Ynamide  Oxidation  Strategy  for  the  Preparation  of  α‐ Functionalized Amides   Fei Pan,†,# Xin‐Ling Li,†,# Xiu‐Mei Chen,‡ Chao Shu,† Peng‐Peng Ruan,† Cang‐Hai Shen,† Xin  Lu,*, ‡ and Long‐Wu Ye*,†,§  †

State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces & The Key Laboratory for Chemical Biology of Fujian  Province, Department of Chemistry, Xiamen University, Xiamen 361005, China. 



State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces & Center for Theoretical Chemistry, Department of  Chemistry, Xiamen University, Xiamen 361005, China. 

§

State Key Laboratory of Organometallic Chemistry, Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of  Sciences, Shanghai 200032, China. 

ABSTRACT:  Lewis  acid‐catalyzed  alkyne  oxidation  strategy  has  been  developed  to  produce  diverse  α‐functionalized  amides  from  readily  and  generally  available  ynamides.  An  efficient  zinc(II)‐catalyzed  oxidative  azidation  and  thiocyanation  has  been  achieved,  providing  a  facile  access  to  synthetically  useful  α‐azido  amides  and  α‐thiocyanate  amides, respectively. This chemistry can also be extended to oxidative halogenations by employing the 2‐halo pyridine N‐ oxide  as  both  the  oxidant  and  the  halogen  source,  and  its  mechanistic  rationale  is  also  supported  by  DFT  calculations.  Moreover,  NaBARF  has  been  demonstrated  to  catalyze  such  an  alkyne  oxidation  effectively,  thus  further  excluding  the  metal carbene pathway in this cascade reaction.  KEYWORDS: alkyne, oxidation, azidation, halogenation, homogeneous catalysis, synthetic methods                                                                

INTRODUCTION   The synthesis of α‐functionalized carbonyl compounds  always  attracts  considerable  attention,  because  they  are  versatile building blocks and pivotal intermediates for the  construction  of  a  variety  of  biologically  active  natural  products  and  medicinal  compounds.  In  spite  of  the  my‐ riad  methods  available,  most  focus  on  the  α‐ functionalization of carbonyl compounds1‐3 such as transi‐ tion  metal‐catalyzed  reaction  of  α‐diazo  carbonyl  com‐ pounds1  and  hypervalent  iodine  participated  α‐ functionalization  of  carbonyls,2  which  often  suffer  from  multistep synthesis, limited substrate scope and inaccess‐ ible  starting  materials.  In  particular,  compared  to  the  preparation  of  α‐functionalized  ketones  and  esters,  suc‐ cessful examples of α‐functionalized amide synthesis have  been relatively scarce. Consequently,  the development  of  novel  methods  for  the  construction  of  these  skeletons  is  highly  desirable,  especially  those  based  on  assembling  structures directly from readily available and easily diver‐ sified building blocks.  Recently,  gold‐catalyzed  intermolecular  oxidation  of  alkynes  by  an  N‐O  bond  oxidant  via  a  presumable  α‐oxo  gold  carbene4  pathway  has  attracted  significant  research  attention,  as  this  protocol  renders  readily  available  and  safer alkynes as  the  replacement  of  hazardous,  not  easily 

accessible  and  potentially  explosive  α‐diazo  carbonyls  in  accessing α‐oxo metal carbenes.5 As a result, this strategy  has  evolved  into  a  robust  and  reliable  methodology  for  the  C−C  and  C−X  bond  formation,  especially  in  a  highly  stereoselective  manner.6  Albeit  great  achievements  have  been  reached,  examples  of  intermolecular  alkyne  oxida‐ tions  with  external  nucleophiles  are  still  very  scarce7  mainly  due  to  the  competing  background  reaction  of  ex‐ ternal  nucleophiles  with  the  activated  alkynes  and  the  overoxidation  of  the  highly  electrophilic  carbene  center  by the same oxidant,8 thus generating the unwanted ole‐ fin and diketone byproducts, respectively (Scheme 1a). In  other words, if external nucleophiles are stronger nucleo‐ philes  than  N‐oxides,  the  external  nucleophiles  would  attack  the  alkynes  directly  to  form  olefin  byproducts,  while diketone byproducts would be obtained in case that  N‐oxides  are  stronger  nucleophiles  than  external  nucleo‐ philes. Therefore, the ideal reaction pathway is that oxide  attacks the alkyne first, followed by reaction with the ex‐ ternal nucleophile rather than the second oxide. However,  to realize this cascade reaction in such an orderly manner  is  highly  challenging.  In  addition,  it  should  be  specially  mentioned that no success has been achieved for external  nucleophiles bearing strong coordinating groups (N3, NCS,  Br, Cl) in the gold‐catalyzed intermolecular alkyne oxida‐

ACS Paragon Plus Environment

ACS Catalysis

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

tion  probably  due  to  the  fact  that  these  nucleophiles  are  able to deactivate the noble catalyst.   In  continuation  of  our  work  on  ynamide  chemistry,9,10  we recently disclosed that zinc could also effectively cata‐ lyze such an intermolecular alkyne oxidation and, impor‐ tantly,  the  unwanted  overoxidation  could  be  completely  suppressed  in  this  oxidative  zinc  catalysis.11  Of  note,  me‐ chanistic  studies  revealed  that  the  reaction  presumably  proceeds  by  a  Lewis  acid‐catalyzed  Friedel‐Crafts‐type  pathway (SN2 pathway), and that metal carbenes are not  involved  as  reaction  intermediates.  Inspired  by  these  re‐ sults, we envisioned that the synthesis of α‐functionalized  amides  might  be  accessed  directly  through  such  a  Lewis  acid‐catalyzed reaction of ynamides  with  TMSX (Scheme  1b).  Herein,  we  describe  the  realization  of  zinc‐catalyzed  oxidative  azidation  and  thiocyanation,  which  constitutes  a very practical approach to the generation of synthetical‐ ly  useful  α‐azido  amides  and  α‐thiocyanate  amides,  re‐ spectively. In addition, the challenging catalytic oxidative  halogenation  has  also  been  achieved  through  such  an  alkyne oxidation by employing oxidant as a source of ha‐ logen.  Moreover,  NaBARF  has  been  shown  for  the  first  time  to  be  highly  effective  catalyst  to  promote  this  cas‐ cade reaction.  

Page 2 of 11

tion, the high value‐added α‐azido carbonyls can serve as  direct precursors of α‐amino carbonyls14 and β‐azido alco‐ hols,15  both  of  which  are  important  building  blocks  and  widely  exist  in  pharmaceuticals  or  naturally  occurring  compounds.16  It  is  surprising,  however,  that  only  a  few  preparative methods have been reported on their synthe‐ sis.  Among  those,  the  most  widely  used  method  is  the  nucleophilic  substitution  of  the  α‐substituted  carbonyls  bearing a good leaving group such as a halide or a sulfo‐ nyloxy unit (Scheme 2a).12c Notable is that this methodol‐ ogy  generally  suffers  from  drawbacks  such  as  multistep  synthesis,  limited  substrate  scope,  and  low  efficiency.  In  addition,  α‐diazo  carbonyls  have  also  been  used  to  pre‐ pare the corresponding α‐azido carbonyls, but relying on  the  stoichiometric  use  of  CeCl3 (Scheme  2b).17  Therefore,  novel  catalytic  approaches  are  still  highly  demanded  for  its  construction,  especially  from  readily  and  generally  available precursors. We envisioned that using the above‐ mentioned zinc‐catalyzed oxidative approach,11 the prepa‐ ration of α‐azido amides might be achieved directly from  the  Lewis  acid‐catalyzed  oxidative  reaction  of  ynamides  with TMSN3 (Scheme 2c).  Scheme 2. Initial Design.  a) Most frequent used method for the synthesis of -azido carbonyls

Scheme 1. Catalytic Alkyne Oxidation. 

O

O

O R2

1

R

R2

R1

R2

R1 N3

LG (LG = Cl, Br, I, OTs, OMs) b) Transformation of -diazo carbonyls into -azido carbonyls O N2

R

NaN3 CeX3 (stoichiometric) (X = Cl, OTf)

O N3

R

c) Zinc-catalyzed tandem alkyne oxidation/azidation (this work) PG N R1

R2 1

  RESULTS AND DISCUSSION   1.  Zn(OTf)2‐Catalyzed  Tandem  Alkyne  Oxida‐ tion/Azidation.  Organoazides  are  highly  valuable  and  interesting  compounds,  and  have  been  widely  employed  in  organic  and  pharmaceutical  synthesis,  including  as  amine  precursors,  potential  sources  of  nitrenes,  valuable  dipoles in 1,3‐dipolar cycloaddition and starting materials  of  iminophosphoranes  utilized  in  aza‐Wittig  reactions  to  construct  various  heterocycles.12  Particularly,  compared  with the simple alkyl or aryl azides, α‐azido carbonyls are  ubiquitous  structural  motifs  in  organic  molecules.12c  Fea‐ turing  of  high  potential  chemical  reactivity,  these  com‐ pounds demonstrate particular synthetic utility.13 In addi‐

TMSN3 [LA]/N-oxide

O PG

R2

N R1

N3 2

  Our  initial  investigation  focused  on  the  reaction  of  ynamide  substrate  1a  with  TMSN3  by  the  use  of  8‐ ethylquinoline  N‐oxide  3b  as  oxidant  in  DCE  at  60  oC  in  the  presence  of  different  Lewis  acids  (10  mol  %).  To  our  delight,  these  Lewis  acids  could  catalyze  the  oxidative  azidation smoothly to afford the desired α‐azido amide 2a  in  59‐72%  yields  (Table  1,  entries  1−7)  and  Zn(OTf)2  gave  the  best  result  (Table  1,  entry  1).  Of  note,  although  dike‐ tone  byproduct  2aa  could  be  formed  in  a  significant  amount  in  such  an  intermolecular  cascade  reaction,  no  olefin  byproduct  formation  via  the  direct  reaction  of  TMSN3 with ynamide 1a was observed in all these cases.18  Somewhat  surprisingly,  NaBARF  (10  mol  %)  alone  could  promote  this  oxidative  azidation  to  give  the  correspond‐ ing  2a  in  64%  yield  (Table  1,  entry  8).  Instead,  Brønsted  acids such as MsOH and TfOH were not effective in pro‐ moting this reaction,19 and only hydration byproduct 2ab  was  obtained  (Table  1,  entries  9‐10).  In  addition,  the 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Catalysis

screening  of  other  N‐oxides  failed  to  improve  the  yield  (Table  1,  entries  11‐14).  Delightedly,  it  was  found  that  the  use of 1.2 equiv of oxidant 3b minimized the formation of  diketone 2aa and 78% yield of 2a could be achieved (Ta‐ ble  1,  entry 15).  Finally, it  should  be  mentioned that only  diketone  2aa  was  formed  (>90%  yield)  if  catalyzed  by  typical gold catalysts such as IPrAuNTf2, Ph3PAuNTf2,  Cy‐ JohnPhosAuNTf2 and XPhosAuNTf2, and no 2a formation  was  observed  in  the  absence  of  the  catalyst  (>95%  of  1a  remained unreacted).   Table 1. Optimization of Reaction Conditionsa  

  entry

catalyst

oxidant (R)

1

Zn(OTf)2

3b (Et)

72 15