ortho C ... - ACS Publications

Jul 22, 2015 - pot operation (Scheme 1b).7. To date, no carbocyclization process8 is known where an allene moiety acts as directing group for intramol...
1 downloads 13 Views 378KB Size
Page 1 of 5

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

Journal of the American Chemical Society

Palladium(II)-Catalyzed Tandem Oxidative Acetoxylation/ortho C-H Activation/Carbocyclization of Arylallenes Javier Mazuela,± Debasis Banerjee,± and Jan‐E. Bäckvall*  Department of Organic Chemistry, Arrhenius Laboratory, Stockholm University, SE‐10691, Stockholm, Sweden  Supporting Information Placeholder ABSTRACT:  Herein  we  report  an  example  of  tandem  oxi‐ dative  acetoxylation/carbocyclization  of  arylallenes  1  using  Pd(OAc)2. The catalytic protocol is highly selective and pro‐ vides access to new C‐C and C‐O bonds leading to a carbocy‐ clization.    The  reaction  proceeds  via  C‐H  activation  by  Pd.  Mechanistic  investigations  show  that  the  C‐H  activation  is  not  the  rate‐limiting  step  and  indicate  that  the  reaction  proceeds via acetoxylation of the allene.  Transition  metal‐catalyzed  C‐H  bond  functionalization  for  construction  of  new  C‐C  bonds  in  a  selective  and  con‐ trolled  manner  is  an  actual  challenge  in  organic  synthesis  1  and  has  received  significant  attention  in  recent  years. De‐ spite  notable  progress  in  this  area,  more  practical  and  gen‐ eral applications of aryl C‐H bond activation still rely on the  assistance  of  a  heteroatom‐based  neighboring  functional  1  group, which often are difficult to remove or modify. Howev‐ er, an atom‐economic approach would be to utilize a direct‐ ing group directly involved in the functionalization in a tan‐ dem fashion, which intramolecularly induces an activation of  2  the ortho arene C‐H bond and leads to a carbocyclization.   Transition  metal‐catalyzed  oxidative  carbocyclizations  have  been  identified  as  potential  technologies  for  designing  more  complex  structures  occurring  in  various  biologically  3 active  natural  products  and  pharmaceuticals.   During  the  past  decade,  we  have  developed  a  number  of  highly  regio‐,  and stereoselective palladium‐catalyzed oxidative carbocycli‐ 4,5 zations of enallenes, dienallenes, allenynes and enynes.   Some time ago we reported on the intramolecular Pd(II)‐ catalyzed  oxidative  carbocyclizations  of  dienallenes  for  the  5d,6 stereospecific formation of bicyclic systems (Scheme 1, a).    A  detailed  mechanistic  study  revealed  the  participation  of  a  (‐allyl)palladium species, which is attacked by a nucleophile  to furnish the product. More recently we have also developed  a  novel  Pd(II)‐catalyzed  oxidative  acetoxylation/carbo‐ cyclization protocol for allenynes to form acetoxylated vinyl‐ 7 allenes in a one pot operation (Scheme 1, b).    8 Up to date no carbocyclization process,  is known where  an  allene  moiety  acts  as  directing  group  for  intramolecular  2 aryl  sp   C‐H  bond  activation.  We  have  now  developed  an  oxidative palladium‐catalyzed protocol for tandem acetoxyla‐ tion/carbocyclization of arylallenes 1, where the allene moie‐ 2 ty  forms  a  new  C–C  bond  with  the  aryl  via  a  sp   C‐H  bond  9 activation (Scheme 1, c).    In  our  initial  investigations  we  choose  arylallene  1a  as  model  substrate  for  the  tandem  carbocyclization/acetoxy‐

lation reactions using 5 mol % of Pd(OAc)2 in the presence of  o 1.5  equiv  of  p‐benzoquinone  (BQ)  in  acetic  acid  at  60  C.  Under these conditions the desired carbocyclization product  was  obtained  in  24%  yield  (Table  1,  entry  1).  An  increase  of  the catalyst loading to 10 mol% of  Pd(OAc)2    proved benefi‐ cial  and  afforded  a  45%  yield  of  2a  along  with  18%  yield  of  dimer 3a (Table 1, entry 2).    

Scheme  1:  Pd‐catalyzed  intramolecular  oxidative  acetoxyla‐ tion/carbocyclization  of  dienallenes,  allenynes  and  ar‐ ylallenes    We  next  studied  the  influence  of  different  Pd‐salts  and  additives  on  the  model  reaction.  Use  of  other  Pd(II)‐salts,  such  as  the  White  catalyst  ([1,2‐Bis(phenylsulfinyl)ethane]‐ palladium  acetate),  PdCl2  and  Pd(TFA)2  did  not  lead  to  any  improvement  of  the  yield  of  2a,  whereas  Pd(acac)2  resulted  in a promising yield of 46% of 2a together with 16% yield of  dimer  3a  (Table  1,  entries    3‐6).  We  therefore  studied  the  influence of different additives on the carbocyclization reac‐ tion  using Pd(OAc)2 as catalyst. Application of acridine (L1),  triphenylphosphine  (L)  and  racemic  phosphoric  acid  (PA)  inhibited the reaction (Table 1, entries 7‐9, see SI for details).  On  the  other  hand,  the  use  of  2  equiv.  of  dimethylsulf‐ oxide  (DMSO)  as  additive  in  combination  with  Pd(OAc)2   enhanced the formation of product 2a (60% yield) while in‐ hibiting the formation of the dimeric byproduct 3a  (Table 1, 

ACS Paragon Plus Environment

Journal of the American Chemical Society

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

Page 2 of 5



Pd(acac)2(10) 



PdCl2 (10)  

‐ 

1.5 



Pd(TFA)2 (10) 

‐ 

1.5 

12).  The use of Pd(acac)2 as catalyst under these conditions  gave a lower yield (Table 1, entry 13).  Surprisingly,  under  the  optimal  reaction  conditions,  ex‐ amination  of  different  co‐solvents  (THF,  1,4‐dioxane,  1,2‐ dichloroethane,  acetonitrile  and  toluene)  showed  that  the  use of acetic acid as the sole solvent is crucial for the carbo‐ cyclization/acetoxylation of 1a to occur (Table 1, entry 12 and   Table S5, Supporting Information).   Variation of the reaction temperature proved that 60 ºC is  the optimal temperature for this protocol (Table 1, entries, 12,  14‐16).  Control  experiments  showed  that  removal  of  either  Pd(OAc)2  or  BQ  completely  stopped  the  reaction  (Table  1,  entries 17‐18).    After  having  established  the  optimized  reaction  condi‐ tion, we next explored the scope of the Pd(II)‐catalyzed tan‐ dem  acetoxylation/carbocyclizations  of  arylallenes  1  (Table  2).  Arylallenes  with  m‐Me‐  or  p‐Me‐  substituents  on  the  aromatic ring afforded 56 and 62% yield of 2c and 2d, respec‐ tively.  However,  o‐Me‐substituted  arylallene  resulted  in  a  lower  yield  of  2b,  which  may  be  due  to  steric  effects.  The  introduction  of  electron‐donating  substituents  led  to  a  de‐ 3a,  2a,  Yield      Yield      crease in the efficiency of the reaction (2e, 2f and 2g vs. 2a).  [b] [b] Interestingly,  in  the  case  of  m‐OMe  substituted  arylallene  a  [%]   [%]   mixture  of  two  different  regioisomers  in  a  6.5  :  1  ratio  was  24  23  formed. Coordination of the neighboring OMe‐group should  45  18  facilitate  the  formation  of  the  intermediate  Pd‐species  that  leads to 2e.  40  17    Table  2.  Pd(II)‐catalyzed  tandem  oxidative  acetoxyla‐ 46  16  a,b  tion/carbocyclization of arylallenes 0  ‐    23  10 

entries 10 and 11). Various electronically and sterically differ‐ ent  DMSO  derivatives  were  tested,  which  showed  that  DMSO was the  best  sulfoxide for  this  carbocyclization  reac‐ tion  (Table  S1,  Supporting  Information).  The  oxidant  also  plays a crucial role for the selective Pd‐catalyzed carbocycli‐ zations.  The  use  of  different  oxidants  such  as  PhI(OAc)2,  a  series  of  substituted  benzoquinones,  or  various  metal  salts  (CuCl2,  Cu(OAc)2,  AgOAc,  and  Ag2O)  in  the  presence  of  catalytic amounts of Pd(OAc)2 proved to be inefficient  (Ta‐ ble         Table  1.    Optimization  studies  for  Palladium(II)‐catalyzed  a  oxidative carbocyclizations  

Entry 

Pd‐cat.  (mol%) 

Additive 

BQ  equiv 



Pd(OAc)2 (5) 

‐ 

1.5 



Pd(OAc)2 (10) 

c



‐ 

1.5 

‐ 

1.5 

‐ 

1.5 

 



Pd(OAc)2 (10) 

L1  

1.5