Proline-Catalyzed Enantioselective α-Arylative Desymmetrization of

Apr 14, 2016 - centers in good yields with excellent enantioselectivities. (up to 99% .... and Pd(PPh3)4) delivered inferior results (entries 16 and 1...
0 downloads 0 Views 376KB Size
Subscriber access provided by UNIV OF CALIFORNIA SAN DIEGO LIBRARIES

Communication

Palladium/L-Proline-Catalyzed Enantioselective #Arylative Desymmetrization of Cyclohexanones Ren-Rong Liu, Bao-Le Li, Jun Lu, Chong Shen, Jian-Rong Gao, and Yi-Xia Jia J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/jacs.6b01214 • Publication Date (Web): 14 Apr 2016 Downloaded from http://pubs.acs.org on April 14, 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.

Journal of the American Chemical Society 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 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/L‐Proline‐Catalyzed Enantioselective ‐Arylative  Desymmetrization of Cyclohexanones  Ren‐Rong Liu,† Bao‐Le Li,† Jun Lu, Chong Shen, Jian‐Rong Gao, and Yi‐Xia Jia*  College of Chemical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China    Supporting Information Placeholder ABSTRACT:  A  highly  enantioselective  palladium/L‐proline‐ catalyzed  ‐arylative  desymmetrization  of  cyclohexanones  was developed. The new strategy for ‐arylation reaction led  to a series of optically active morphan derivatives bearing ‐ carbonyl  tertiary  stereocenters  in  good  yields  and  excellent  enantioselectivities (up to 99% ee). 

Transition‐metal‐catalyzed  enantioselective  ‐arylation  of  carbonyls  represents  one  of  the  most  important  approaches  1 to optically active ‐aryl carbonyl compounds.  Since seminal  2 studies from the groups of Buchwald, Hartwig, and Muria,  a  range  of  carbonyl  compounds  have  been  investigated  in  the  enantioselective  cross‐coupling  with  aryl  halides,  including  3 4 5 6 ketones,   aldehydes,   esteres,   and  amides.   However,  the  aforementioned approaches are very limited to the construc‐ tion of quaternary carbon stereocenters as  the  benzylic  ‐H  atom of tertiary carbon stereocenter is more acidic and prone  to  racemization  under  basic conditions.  In  addition, the  de‐ mand of commercially unavailable chiral ligands still remains  an issue for these transformations. It’s noteworthy that a few  other catalytic enantioselective arylation protocols to gener‐ ate ‐carbonyl  benzylic  tertiary stereocenters  have  been  de‐ veloped, which include 1) cross‐coupling of ‐halo carbonyls  7 with arylmetal reagents,  2) electrophilic coupling of diaryli‐ odonium  salts  with  silyl  ketenimides,  silyl  enolates,  or  alde‐ 8 hydes,   3)  cross‐coupling  of  aryl  triflates  with  silyl  ketene  9 acetals or tin enolates.  In comparison, the direct coupling of  readily  available  aryl  halides  with  ‐C‐H  bonds  of  carbonyl  moieties  to  form  the  tertiary  carbon  stereocenters  is  highly  attractive  from  the  viewpoint  of  atom  economy  and  step  efficiency.   In  recent  years,  cooperative  catalysis  by  merging  transi‐ tion‐metal and organic catalysis has enabled a series of new  10 enantioselective  transformations.   Among  this,  the  com‐ bined  use  of  palladium/enamine  catalysis  has  been  widely  11 investigated  for  asymmetric  allylic  alkylation  reactions.   Consequently,  we  envisaged  an  enantioselective  ‐arylation  of  ketones  might  be  realized  by  this  strategy  through  the  formation  of  enamine  intermediates  and  subsequent  Heck 

12

arylation  (eq  a,  Scheme  1).   Herein,  we  communicate  a  pal‐ ladium/L‐proline‐catalyzed  intramolecular  ‐arylative  desymmetrization of cyclohexanones, which delivers a series  of  chiral  compounds  containing  hexahydro‐2,6‐methano‐1‐ benzazocine  structural  motifs  in  excellent  enantioselectivi‐ 13,14  ties (eq b, Scheme 1). It is worth to note that racemic vari‐ 15 ant of this reaction has been established by the Solé’s group.   The resulting unique bridged ring system is analogous to the  16 important  morphan  scaffold  (2‐azabicyclo[3.3.1]nonane)   and  frequently  occurring  in  many  natural  products,  such  as  17 sespenine,  aspernomine,  and  strychnochromine  (Figure  1).   More  importantly,  ‐carbonyl  tertiary  stereogenic  center  is  generated in this bridged ring system and its racemization is  prevented due to the rigid structural property. 

Scheme  1.  Palladium/enamine  catalysis  for  ‐ arylation of ketone  a) Proposed -arylation of ketone via palladium/enamine catalysis * N

Pd(0) Ar-X

* N PdX Ar

* N base

* N Ar or

O Ar H2O

Ar

Pd(0) b) -Arylative desymmetrization of cyclohexanone O H Pd(0)/L X O chiral amine Ar Ar N N H R R

Figure  1.  Selected  natural  products  containing  hexahy‐ dro‐2,6‐methano‐1‐benzazocine framework  At  the  outset,  4‐(benzyl(2‐bromophenyl)amino)cyclohex‐ anone 1a was prepared and its intramolecular arylation reac‐ tion was studied (Table 1). The first test began with the reac‐ tion of 1a under the catalysis of 5 mol% of Pd(OAc)2/12 mol%  of achiral PPh3 ligand combined with 10 mol% of L‐proline in 

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

THF  with  Cs2CO3  (1.5  equiv)  as  a  base.  As  expected,  the  de‐ sired arylation product 2a was isolated in 60% yield and with  o 23%  ee  value  at  85  C  (oil  bath)  for  48  h  (entry  1).  When  t stronger base NaO Bu was used, the ee was even poor in spite  of an increased yield (entry 2). In contrast, the enantioselec‐ tivity  was  enhanced  to  60%  when  a  weaker  base  K3PO4  was  used,  while  no  reaction  occurred  in  the  presence  of  K2CO3  (entries 3‐4). Subsequent experiments revealed that the addi‐ tion  of  1.5  equiv  acid  was  beneficial  for  the  enantioselectivi‐ ties.  A  range  of  carboxylic  acid  additives  resulted  in  the  products over 70% ee but showed different reactivity (entries  5‐11). Acetic acid led to an excellent yield with moderate en‐ antioselectivity  (entry  10).  As  a  comparison,  higher  enanti‐ oselectivity but relatively lower yield were observed for TFA  (entry 9). TsOH was proved to be an inferior additive (entry  11).  Followed  investigation  revealed  a  significant  solvent  ef‐ fect.  Poor  yield  was  observed  when  the  reaction  was  per‐ formed in DMSO and poor ee value was detected in toluene  (entries  12‐13).  To  our  delight,  however,  excellent  yield  and  enantioselectivity  were  achieved  in  MeOH  and  in  this  case  TFA additive led to comparable results as acetic acid (entries  14‐15).  Moreover,  the  reaction  was also  dramatically affected  by the nature of the catalyst and other palladium precursors  (Pd(dba)2  and  Pd(PPh3)4)  delivered  inferior  results  (entries  o 16‐17). Finally, lowering the temperature to 70  C resulted in  a  significant  lower  yield  (entry  18).  Therefore,  the  optimal  reaction  conditions  were  determined  as  the  followings:  Pd(OAc)2 (5 mol%), PPh3 (12 mol%), L‐proline (10 mol%), 1.5  equiv K3PO4, and 1.5 equiv CH3CO2H in MeOH (2.0 mL) at 85  o C for 48 h. 

Table 1. Optimization of the reaction conditionsa 

Page 2 of 5

e

K3PO4 

MeOH 

CH3CO2H 

50 

76 

f

K3PO4 

MeOH 

CH3CO2H 

31 

nd 

17   18   a

Reaction  conditions:  1a  (0.2  mmol),  Pd(OAc)2  (5  mol%),  PPh3  (12  mol%),  L‐proline  (10  mol%),  base  (0.3  mmol),  and  o the  solvent  (2.0  mL)  in  a  sealed  Schlenk  tube  at  85  C  (oil  b bath) for 48 h; nr = no reaction, nd = not detected.  Isolated  c d yield.  Determined  by  chiral  HPLC.  With  5  mol%  Pd(dba)2   e instead  of  Pd(OAc)2. With  5  mol%  Pd(PPh3)4  instead  of  f o Pd(OAc)2 and PPh3.  At 70  C (oil bath) for 60 h.  Under  the  optimal  conditions,  we  examined  the  scope  of  this  reaction  and  the  results  were  shown  in  Scheme  2.  The  effect of halogen was first examined. In comparison with the  bromo‐substrate,  the  yield  and  ee  were  both  slightly  de‐ creased  for  the  reaction  of  iodo‐substrate.  However,  almost  no  reaction  took  place  for  the  chloro‐substrate  under  the  standard condition. In this case, modification of PPh3 to PCy3  led  to  product  2a  in  50%  yield  and  60%  ee.  Next,  the  influ‐ ence of the substituted groups at C4‐C6 position on the ben‐ zene ring of aniline was examined. Electron‐withdrawing and  electron‐donating substituents were generally well‐tolerated,  affording  the  desired  products  2b‐2m  bearing  alkyl,  halide,  alkoxyl, and ester functionalities in good yields and excellent  enantioselectivities.  Remarkably,  a  free  carboxylic  acid  was  compatible  in  the  reaction  and  product  2h  was  obtained  in  96%  ee.  Moreover,  N‐protecting  groups  have  a  remarkable  effect  on  the  reaction  outcome.  The  reactions  of  substrates  bearing methyl or substituted benzyl protecting groups pro‐ ceeded smoothly to afford products 2n‐2r in good yields and  excellent  enantioselectivities.  However,  the  reaction  was  influenced  unfavorably  by  N‐benzoyl  and  N‐ethoxycarbonyl  groups,  which  afforded  products  2s  and  2t  in  remarkably  lower yields and enantioselectivities. 

Scheme 2. Substituent effect of substrate 1a    yield (%)b 60 

ee (%)c 23 

‐‐ 

71