Silver-Catalyzed Long-Distance Aryl Migration from Carbon Center to

Nov 2, 2015 - Ministry of Education, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking ... distance aryl migration from a carbon to a nitrogen ce...
0 downloads 0 Views 615KB Size
Subscriber access provided by EPFL | Scientific Information and Libraries

Communication

Ag-Catalyzed Long-distanced Aryl Migration from Carbon Center to Nitrogen Center Taigang Zhou, Fei-Xian Luo, Ming-Yu Yang, and Zhang-Jie Shi J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript • Publication Date (Web): 02 Nov 2015 Downloaded from http://pubs.acs.org on November 2, 2015

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 6

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

Ag-Catalyzed Long-distanced Aryl Migration from Carbon Center to Nitrogen Center Taigang Zhou,a Fei‐Xian Luo,a Ming‐Yu Yang,a Zhang‐Jie Shi* a,b  a

Beijing National Laboratory of Molecular Sciences and Key Laboratory of Bioorganic Chemistry and Molecular En‐ gineering  of  Ministry  of  Education,  College  of  Chemistry  and  Molecular  Engineering,  Peking  University,  Beijing  100871 and bState Key Laboratory of Elemento‐Organic Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071, China  Supporting Information ABSTRACT:  Selective  cleavage  of  inert  C‐C  bond  followed  by C‐O/N formation through a long‐distanced aryl migration  from carbon to nitrogen center was reported via Ag‐catalysis.  The migrating products were easily converted into γ‐hydroxy  amines  and  tetrahydroquinoline  derivatives  in  quantitative  yields.  Preliminary  mechanistic  studies  indicated  a  radical  pathway.  

Selective C‐C bond activation/cleavage has attracted much  1 attention in recent years.  Not only is it one of the most chal‐ lenging themes in fundamental organic chemistry, but it also  represents  a  powerful,  straightforward,  and  atom‐economic  strategy  for  constructing  new  organic  compounds  through  the completely new pathway based on the skeleton reorgani‐ zation  of  easily  available  compounds,  differentiating  from  1 conventional organic syntheses.  During the past few decades,  many  achievements  in  transition‐metal‐catalyzed  C‐C  cleav‐   age  have  been  made  starting  from  strained and  unstrained  2,3 compounds.  In the absence of transition metal catalysts, C‐  4 C could also been cleaved and transformed through radical   5 and  cationic  intermediates.   Among  different  strategies  to  approach  direct  C‐C  cleavage  of  unstrained  molecules,  the  migration of carbon‐based groups is common and important  6 to facilitate the C‐C cleavage and new C‐C formation.  

asymmetric C‐N formation through desymmetrization via Ag  catalysis  with  chiral  ligands.  Accidentally,  we  found  phenyl  migration  product  2a,  which  was  unambiguously  confirmed  by  X‐ray  crystallography  (Scheme  2b).  We  proposed  that,  both annulation and migration products might be generated  from the same N‐centered radical or cation as a key interme‐ diate.  From  those  intermediates,  the  dearomatization  pro‐ cess  would  take  place  to  form  the  ‐complexes  (either  ‐ radical  or  ‐cation  complex)  when  presenting  aryl  group  at  the proper position. which could induce a completely differ‐ ent chemistry from the same starting materials. Indeed, both  intra‐  and  inter‐  molecular  dearomatization  of  the  heterocycles  as  well  as  electron‐rich  phenol  derivatives  through radical or cationic processes have been well studied,  thus offering  the possibility  for our hypothesis  although the  dearomatization of common benzene derivatives was scarce‐ 10  ly  reported. Therefore,  we  turned  out  to  develop  this  long‐ distanced aryl migration. 

Scheme 1. New Development of C‐C Cleavage via Ag‐ Catalyzed  Long‐distanced Aryl  Migration under Oxi‐ dative Condition  

In general, group migration only takes place at carbon cen‐ 5 6c‐f 3a ters  adjacent  to  carbon  cations,   radicals   or  carbenes   (Scheme  1).  Beautiful  examples  to  present  long‐distanced  (over  four  carbons)  migrations,  were  also  reported  by  6g 6h 6i 6j Pohmakotr ,  Liang ,  Tchabanenko ,  Uneyama ,  and  other  6a,b groups .  However,  group  migration  from  carbon  to  nitro‐ 7 gen center is scarcely reported.  In particular, long‐distanced  aryl migration from carbon to nitrogen center has never been  approached.  Herein  we  demonstrated  an  unusual  Ag‐ catalyzed  long‐distanced  aryl  migration  from  carbon  to  ni‐ trogen center (Scheme 1d).   In  our  previous  studies  we  observed  direct  annulation  2 8 through  sp   C‐H  amidation  via  Ag  catalysis  (Scheme  2a).   Yokoyama  and  coworkers  also  reported  the  formation  of  tetrahydroquinoline derivatives from the similar triflic amide  9  promoted by irradiation. Later on, we planned to explore the 

  Scheme 2. Different Chemistry of Triflic Amides 

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 6

DCE,  dioxane,  and  so  on,  were  screened  while  only  DCE  worked well (Table S5, entry 2). To our interest, the addition  of PhCl as co‐solvent dramatically improved the yield to 75%  (entry 19). 

 

Table  1.  Ag‐catalyzed  Long‐distanced  Aryl  Migration  of 1a under Different Conditions.a 

  With  the  optimized  conditions  in  hand,  we  first  evaluated  different  functionalities  on  nitrogen  atom  (Scheme  3),  in‐ cluding  free  amine  (3a),  carbamates  (3b  and  3c),  acetamide  (3d),  and  sulfonamides  (3e,  3f  and  1a).  However,  we  found  that only the sulfonamides performed the migration while Ts  (3e) or Ms (3f) protected amides only gave poor conversions.   Presumably,  the  strong  electron‐withdrawing  ability  of  Tf  group enhanced the acidity of the NH group, which could be  easily  deprotonated  by  the  proper  bases  and  further  coordi‐ nated  to  the  Ag  center.  Such  an  Ag  complex  could  be  oxi‐ dized to Ag (II) (maybe Ag (III)), which further generated the  electron‐deficient  N‐centered  radical.  This  radical  attacked  the  phenyl  ring  to  form  the  5‐membered  spiro  radical  ‐ complexes.  To  prove  the  importance  of  N‐H  in  amide,  the  substrate 3g was tested and no desired product was obtained  at all.  

Scheme 3. Evaluating Different Amides a 

a

  a

Reaction condition: substrate (0.1 mmol), catalyst (20 mol%), ligand (20  mol%),  oxidant  (2.0  equiv.),  additive  (2.0  equiv.),  dichloroethane  (DCE)  (2.0 mL), 120 oC, 1 h.  b The yield was determined by  1H NMR of the crude  reaction mixture with CH2Br2 as internal standard.  cIsolated yields. More  details see table S1‐S5 in SI. 

  With  the  idea  in  mind,  we  first  screened  the  conditions  to  promote such a migration with 1a as a model (Table  1). Ac‐ cording to our studies, such a long‐distanced aryl migration  only took place under the oxidative conditions while Ag cata‐ lyst was critical to promote the efficacy. Thus,  different  oxi‐ dants  were  tested  in  the  presence  of  AgOAc  as  the  catalyst  and  2,2'‐bipyridine  (L1)  as  the  ligand  (entries  2‐5).  PhI(OTFA)2 was found to be the only oxidant to produce the  desired  migrating  product  2a  in  31%  yield  (entry  5).  Other  metal catalysts, including Pd, Cu and Au, were also screened  while most of them were found to be insufficient or in a quite  low  efficacy  (entries  6‐8).  Different  Ag  salts  were  examined  and others did not show better performance (entries 9‐11). To  promote the efficacy, various ligands were evaluated (entries  12‐14).    4,4'‐Di(tert‐butyl)‐2,2'‐bipyridine  L3  was  found  the  best  and  the  desired  product  2a  was  obtained  in  38%  yield  (entry 13). Different bases were also screened (entries 15‐18).  Lithium carbonate and potassium carbonate were found effi‐ cient (entries 17 and 18) while cesium carbonate and potassi‐ um tert‐butoxide diminished the efficiency (entries 15 and 16).  These  results  indicated  that,  probably  the  proper  base  effi‐ ciently deprotonated N‐H to facilitate the oxidation of amide  to  N  radical  or  cation.  Different  solvents,  including  PhCl, 

 

Reaction  condition:  substrate  (0.1  mmol),  AgOAc  (20  mol%),  L3  (20  mol%),  PhI(OTFA)2  (2.0  equiv.),  K2CO3  (2.0  equiv.),  PhCl/DCE  (1.0  mL/1.0 mL), 120 oC, 1 h; The yield was determined by 1H NMR of the crude  reaction mixture with CH2Br2 as internal standard. 

Table  2.  Ag‐catalyzed  Aryl  Migration  of  Symmetrical  γ,γ‐Diaryl Substituted Triflic Amidesa 

a Reaction  condition:  substrate  (0.1  mmol),  AgOAc  (20  mol%),  L3  (20  mol%),  PhI(OTFA)2  (2.0  equiv.),  K2CO3  (2.0  equiv.),  PhCl/DCE  (1.0  mL/1.0  mL),  120  oC,  1  h;  Yields  of  isolated  products.  bYields  of  isolated  corresponding alcoholysis products, due to these compounds were easily  alcoholysis  when  they  were  purified  by  flash  column  chromatography  (silica gel). c 120 oC, 10 h. d The d.r ratio was determined by 1H NMR.       

  We  further  extended  such  an  aryl  migration  to  various  symmetric  γ,γ‐diaryl  substituted  triflic  amides  (Table  2).  Substrates  bearing  electron‐rich  groups  at  para‐position  of  t aryl ring, including Me (1b),  Bu (1c), Ph (1d) were submitted  and the desired migrating products were afforded in moder‐ ate  to  good  yields  (2b‐2d).  However,  strong  electron‐ donating  groups  containing  heteroatoms,  for  example  MeO  and  Me2N,  induced  the  decomposition  of  starting  materials 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 6

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

under  this  oxidation  condition.  Meanwhile,  substrates  bear‐ ing  electron‐deficient  groups  at  para‐position,  including  F  (1e),  Cl  (1f),  Br  (1g),  CF3  (1h),  gave  the  desired  migrating  products in comparable efficacy (2e‐2h). Substrates with the  meta‐substituents  were  also  workable  as  migration  groups  (1i‐1l),  giving  the  corresponding  products  with  moderate  yields  (2i‐2l).  More  bulky  substrate  with  an  ortho‐tolyl  mi‐ grating group (1m) also provided the migrating product (2m)  in an acceptable yield. These results indicated that the steric  hindrance on the aryl ring had a slight effect while the elec‐ tronic  property  did  not  have  regular  effects.  Moreover,  the  migration  of  10  with  β‐methyl  substituent  of  triflic  amide  performed well and 74% yield of 2o was obtained. However,  the yield of 1n with methyl group adjacent to the amide was  reduced to 45% albeit in the longer time, further proving the  steric effect on this migration. 

Table  3.  Ag‐catalyzed  Aryl  Migration  of  Unsymmet‐ rical γ,γ‐Diaryl Substituted Triflic Amidesa 

phenyl