Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


BAEYER– VILLIGER OXIDATION OF KETONES


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet50/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   46   47   48   49   50   51   52   53   ...   115

22.5

BAEYER– VILLIGER OXIDATION OF KETONES

The BV oxidation by aqueous H

2

O

2



in 1,2-dichloroethane of cyclic and linear ketones to the corresponding lactones and

esters (Scheme 22.5) is catalyzed by Re(III or IV) complexes bearing C-scorpionate or pyrazole ligands, which conceivably

allow the involvement of coordinative unsaturation at the metal in view of their lability [Hpz,

η

3



- or

η

2



-HC(pz)

3

toward



lower denticity] and/or proton-transfer steps on account of their basic character—features that are favorable to the occurrence

of oxidation catalysis with H

2

O

2



[9].

292

CARBON–SCORPIONATE COMPLEXES IN OXIDATION CATALYSIS



TABLE 22.3

Baeyer–Villiger Oxidation of Several Ketones Catalyzed by Tris(pyrazol-1-yl)methane or Pyrazole Re

Complexes [9]

a

Substrate

Catalyst

Yield


b

, %


TON

c

Conv.


Select.

Product


[ReCl

2

{N



2

C(O)Ph


}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (26)

54

537


99

54

[ReClF



{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24)

18

178


65

28

[ReCl



3

{HC(pz)


3

}] (11)

33

329


78

42

[ReCl



4

2



-HC(pz)

3

}] (27)



33

334


100

33

[ReCl



2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (26)

23

231


63

37

[ReClF



{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24)

11

109


58

41

[ReCl



2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (26)

22

223


28

80

[ReClF



{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24)

10

102


40

26

[ReCl



3

{HC(pz)


3

}] (11)

21

209


37

57

[ReCl



4

2



-HC(pz)

3

}] (27)



19

192


37

52

[ReCl



2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (26)

16

158


24

69

[ReClF



{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24)

7

74

47



16

[ReCl


3

{HC(pz)


3

}] (11)

18

180


44

41

[ReCl



4

2



-HC(pz)

3

}] (27)



5

53

46



12

[ReCl


2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (26)

31

307


77

39

[ReClF



{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24)

22

223


79

28

[ReCl



3

{HC(pz)


3

}] (11)

18

177


74

24

[ReCl



4

2



-HC(pz)

3

}] (27)



24

241


65

37

[ReCl



2

{N

2



C(O)Ph

}(Hpz)


2

(PPh


3

)] (26)

6

64

8



81

[ReClF


{N

2

C(O)Ph



}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24)

7

74

11



67

[ReCl


3

{HC(pz)


3

}] (11)

12

118


69

17

Abbreviation: TON, turnover number.

a

Reaction conditions (unless stated otherwise): rhenium catalyst (1.7



μmol, used as a stock solution in 1,2-dichloroethane), 1.7 mmol of substrate, H

2

O



2

(1.7 mmol, i.e., 1000 : 1 molar ratio of oxidant to Re catalyst), 1,2-dichloroethane (3.0 ml), 6 h, 70

C, under dinitrogen. Yield and TON determined by GC



analysis.

b

Molar yield (%) based on the ketone substrate, that is, moles of lactone (or ester) per 100 mol of ketone.



c

TON (moles of product per mole of Re catalyst).

Hence, [ReCl

3

{HC(pz)



3

}] (11), [ReCl

4



2



-HC(pz)

3

}] (27), [ReClF{N



2

C(O)Ph


}(Hpz)

2

(PPh



3

)] (24), and [ReCl

2

{N

2



C(O)Ph

}

(Hpz)



2

(PPh


3

)] (26) catalyze the BV oxidation of 2-methylcyclohexanone, 2-methylcyclopentanone, cyclohexanone,

cyclopentanone, cyclobutanone, and 3,3-dimethyl-2-butanone into the corresponding lactones or esters in the presence of

aqueous H

2

O

2



, allowing to achieve conversions, for example, up to 79% in the case of 2-methylcyclohexanone or 100% in

the case of cyclobutanone [9].

In general, these rhenium compounds are more active for the oxidation of cyclic (four-, five-, and six-membered rings)

than acyclic ketones, consistent with the common lower reactivity of the latter ketones. The Re(III) tris(pyrazol-1-yl)methane

compound [ReCl

3

{HC(pz)



3

}] (11) is the most active one for 2-methylcyclopentanone and cyclohexanone or pinacolone BV

oxidations, whereas the most effective oxidations are observed for cyclobutanone with [ReCl

2

{N



2

C(O)Ph


}(Hpz)

2

(PPh



3

)]

(26) (54% yield, 99% conversion, TON of 537) (Table 22.3) [9].



REFERENCES

293

O

O



O

O

O



O

n

n

Re catalyst

aq. H

2

O



2

Ester


Lactone

Scheme 22.5

Baeyer–Villiger peroxidative oxidation of cyclic and linear ketones to the corresponding lactones or esters.

The use of 1,2-dichloroethane as solvent leads to the highest activity for all ketones, but water can be used as the only

solvent, which is particularly important for the development of a green BV system [9].



22.6

FINAL REMARKS

The application of tris(pyrazol-1-yl)methane-type scorpionate (or related pyrazole) complexes of several transition metals

(V, Fe, Cu, and Re) as catalysts or catalyst precursors for alkane and BV ketone oxidation reactions directed toward

single-pot organic synthesis proved to be a promising strategy. Moreover, the hydrosolubilty of the scorpionate complexes

bearing suitably C-functionalized moieties that allows the uncommon use of water as the only solvent, together with the

mild operation conditions, is particularly significant in terms of developing a green catalytic process for alkane and ketone

oxidations.

ACKNOWLEDGMENTS

We gratefully acknowledge the coauthors cited in our publications. This work has been partially supported by the Fundac¸˜ao

para a Ciˆencia e a Tecnologia (FCT), Portugal, and projects PTDC/QUI-QUI/102150/2008, PTDC-EQU-EQU-122025-2010,

and PEst-OE/QUI/UI0100/2013.



REFERENCES

1. (a) Shul’pin, G. B. Mini-Rev. Org. Chem.2009, 95; (b) Derouane, E. G.; Haber, J.; Lemos, F.; Ramˆoa Ribeiro, F.; Guinet M. Eds.



Catalytic Activation and Functionalization of Light Alkanes; NATO ASI Series, Vol. 44; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, The

Netherlands, 1998; (c) Hill, C. L., Ed., Activation and Functionalization of Alkanes; John Wiley & Sons, Inc.: New York, 1989; (d)

Wolf, E. E., Ed., Methane Conversion by Oxidative Processes: Fundamental and Engineering Aspects; Van Nostrand Reinhold: New

York, 1992; (e) Shilov, A. E.; Shul’pin, G. B. Activation and Catalytic Reactions of Saturated Hydrocarbons in the Presence of Metal



Complexes; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, The Netherlands, 2000; (f) Jia, C. G.; Kitamura, T.; Fujiwara, Y. Acc. Chem.

Rev. 200134 , 633; (g) Crabtree, R. H. J. Chem. Soc. Dalton Trans. 200117 , 2437; (h) Shul’pin, G. B. C. R. Chimie. 2003, 163;

(i) Shul’pin, G. B. J. Mol. Catal. A Chem2002189 , 39; (j) Shilov, A. E.; Shul’pin, G. B. Chem. Rev. 199797 , 2879; (k) da Silva,

J. A. L.; Fra´usto da Silva, J. J. R.; Pombeiro, A. J. L. Coord. Chem. Rev. 2011255 , 2232; (l) Pombeiro, A. J. L. In Vanadium: The

Versatile Metal ; Kustin, K.; Pessoa, J. C.; Crans, D. C., Eds.; ACS Symposium Series 974, American Chemical Society: Washington,

DC, 2007, p 51.

2. (a) Michelin, R. A.; Sgarbossa, P.; Scarso, A.; Strukul, G. Coord. Chem. Rev. 2010254 646; (b) ten Brink, G.-J.; Arends, I. W. C.

E.; Sheldon, R. A. Chem. Rev. 2004104 , 4105; (c) Seiser, T.; Saget, T.; Tran, D. N.; Cramer, N. Angew. Chem. Int. Ed. 201150 ,

7740; (d) Jin, P.; Zhu, L.; Wei, D.; Tang, M.; Wang, X. Comput. Theor. Chem. 2011966 , 207.

3. (a) Kaneda, K.; Ueno, S.; Imanaka, T.; Shimotsuma, E.; Nishiyama, Y.; Ishii, Y. J. Org. Chem.199459 , 2915; (b) Li, X.; Wang, F.;

Zhang, H.; Wang, C.; Song, G. Synthetic Commun. 199626 , 1613; (c) Chrobok, A. Tetrahedron 201066 , 2940.


294

CARBON–SCORPIONATE COMPLEXES IN OXIDATION CATALYSIS

4. (a) Greggio, G.; Sgarbossa, P.; Scarso, A.; Michelin, R. A.; Strukul, G. Inorg. Chim. Acta 2008361 , 3230; (b) Sgarbossa, P.; Scarso,

A.; Pizzo, E.; Sbovata, A.M.; Tassan, A.; Michelin, R.A.; Strukul, G. J. Mol. Catal. A Chem. 2007261 , 202; (c) Conte, V.; Floris,

B.; Galloni, P.; Mirruzzo, V.; Scarso, A.; Sordi, D.; Strukul, G. Green Chem. 2005, 262; (d) Uchida, T.; Katsuki, T. Tetrahedron

Lett. 200142 , 6911; (e) Bernini, R.; Mincione, E.; Cortese, M.; Aliotta, G.; Oliva, A.; Saladina, R. Tetrahedron Lett. 200142 , 5401;

(f) Brunetta, A.; Sgarbossa, P.; Strukul G. Catal. Today 200599 , 227.

5. (a) Silva, T. F. S.; Luzyanin, K. V.; Kirilova, M. V.; Silva, M. F. C. G.; Martins, L. M. D. R. S.; Pombeiro, A. J. L. Adv. Synth. Catal.

2010352 , 171; (b) Silva, T. F. S.; Mac Leod, T. C. O.; Martins, L. M. D. R. S.; Guedes da Silva, M. F. C. G.; Pombeiro, A. J. L.

J. Mol. Cat. A Chem. accepted for publication, 2012; (c) Silva, T. F. S.; Alegria, E. C. B. A.; Martins, L. M. D. R. S.; Pombeiro, A.

J. L. Adv. Synth. Cat. 2008350 , 706; (d) Silva, T. F. S.; Silva, M. F. C. G.; Mishra, G. S.; Martins, L. M. D. R. S.; Pombeiro, A.

J. L. J. Organomet. Chem. 2011696 , 1310; (e) Silva, T. F. S.; Mishra, G. S.; Silva, M. F. G.; Wanke, R.; Martins, L. M. D. R. S.;

Pombeiro, A.J.L. Dalton Trans. 200942 , 9207; (f) Alegria, E. C. B. A.; Kirillova, M. V.; Martins, L. M. D. R. S.; Pombeiro, A. J.

L. Appl. Catal. A Gen. 2007317 , 43.

6. Mishra, G. S.; Silva, T. F. S.; Martins, L. M. D. R. S.; Pombeiro, A. J. L. Pure Appl. Chem. 200981 , 1217.

7. Mishra, G. S.; Alegria, E. C. B. A.; Martins, L. M. D. R. S.; Fra´usto da Silva, J. J. R.; Pombeiro, A. J. L. J. Mol. Catal. A Chem.

2008285 , 92.

8. (a) Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6th ed.; Wiley-VCH Verlag GmBH: Weinheim, 2002; (b) Whyman, R. Applied



Organometallic Chemistry and Catalysis; Oxford University Press: Oxford, 2001.

9. Alegria, E. C. B.; Martins, L. M. D. R. S.; Kirillova, M. V.; Pombeiro, A. J. L. Appl. Catal. A Gen.2012443–444 , 27.



23

TOWARD CHEMOSELECTIVE BIOCONJUGATIVE

DESULFITATIVE CATALYSIS

Lanny S. Liebeskind and Ethel C. Garnier-Amblard



Department of Chemistry, Emory University, Atlanta, Georgia

23.1

INTRODUCTION

Metal-catalyzed desulfitative transformations of sulfur-containing molecules are both challenging and significant. The

challenge resides in the fact that many of the catalytic systems that carry out desulfitative transformations require the use of

polarizable metal catalysts or precatalysts that can form especially strong bonds to sulfur. Strong metal-to-sulfur bonding,

however, inhibits efficient catalytic turnover, particularly when mild reaction conditions are required. The significance rests in

the important opportunities, some partly realized, some untapped, for desulfitative transformations. As depicted in Fig. 23.1,

these are found in energy-related research with metal-catalyzed desulfurization of carbon-based fuels [1], in the detoxification

of chemical warfare agents with metal-catalyzed transformations of phosphonothioate and phosphorothioates [2, 3], as well

as in the synthesis of fine chemicals through highly chemoselective desulfitative transformations [4–6].

Of the native carbon– heteroatom bonds that are biologically relevant (C–O, C–N, C–S), the C–S bond is particularly

polarizable, and it therefore has the potential to engage in highly selective transformations catalyzed by thiophilic metals

in the presence of C–O- and C–N-based functional groups. As a consequence, given its inherent chemoselectivity, the

desulfitative catalysis could also play an important role in highly selective bioconjugative reactions where a biomolecule

is coupled to another biomolecule, to a probe or therapeutic molecule, or to a nanomaterial (dot, tube, particle, etc.) or

surface [7].

Nevertheless, developing effective bioconjugative desulfitative catalytic systems will be especially challenging. Not only

must a unique C–S bond within a complex biomolecule be targeted for reaction in the presence of numerous O- and N-based

moieties and other S-containing groups, but bioconjugative desulfitative catalysis demands the efficient turnover of a strong

M–S bond in water at or near neutral pH and at or near ambient temperature, as required by functionally complex, thermally

and pH-sensitive biomolecules such as proteins.

This article provides a brief overview of the development of the pH-neutral, desulfitative coupling of thioorganics with

boronic acids and describes the evolution of the original process into two new fully catalytic reaction systems that are now

poised for bioconjugative desulfitative applications.

23.2

THIOORGANIC-BORONIC ACID DESULFITATIVE CROSS-COUPLING

The literature on metal-catalyzed “desulfitative” cross-coupling of thioorganics extends back into the 1970s beginning with

the early work of Wenkert [8–10] and Okamura [11] and then Ronzini [12–15] who first showed that thioorganics participate

Advances in Organometallic Chemistry and Catalysis: The Silver/Gold Jubilee International Conference on Organometallic Chemistry Celebratory Book,

First Edition. Edited by Armando J. L. Pombeiro.

© 2014 John Wiley & Sons, Inc. Published 2014 by John Wiley & Sons, Inc.

295


296

TOWARD CHEMOSELECTIVE BIOCONJUGATIVE DESULFITATIVE CATALYSIS

Desulfitative catalysis

Energy research

Chemical

warfare agents

Chemoselective

synthesis

Metal-catalyzed production

of hydrocarbon-based fuels

(desulfurization of coal and

oil or desulfitatively

enhanced deoxygenation of

biofuels)

Destruction and

decontamination of

phosphonothioate and

phosphorothioate nerve

gas agents

Fine and functionally

complex chemical synthesis

through chemoselective

catalytic desulfitative

transformations



Figure 23.1

Desulfitative catalysis overview.

in Ni- and Fe-catalyzed Kumada-like cross-coupling with Grignard reagents. Such desulfitative cross-couplings were then

further developed using basic and nucleophilic coupling partners such as Grignard and organozinc reagents by Lu [16],

Fukuyama [17–19], Jacobi [20, 21], and others [6]. In contrast to Grignard and organozinc reagents, nonbasic and non-

nucleophilic boronic acids offer the unique potential for metal-catalyzed desulfitative cross-coupling with thioorganics at

neutral pH potentially in water, an operational condition required in many bioconjugative applications.

The investigation of chemoselective thioorganic– boronic acid couplings began by studying sulfonium salts as participants

in a variety of Pd- and Ni-catalyzed coupling protocols, with the sulfonium salts either preformed [22, 23] or generated in

situ [24]. However, before the year 2000, a straightforward metal-catalyzed cross-coupling of charge-neutral thioorganics

with boronic acids was unknown (Scheme 23.1), a situation primarily thwarted by an unfavorable transmetalation from a

neutral boronic acid to an organopalladium thiolate intermediate (Scheme 23.2).

The challenge associated with the development of a palladium-catalyzed, pH-neutral desulfitative coupling of a thioorganic

and a boronic acid rests with uncovering reaction conditions that would facilitate the unfavorable transmetalation step without

perturbing the pH. As a design strategy for accomplishing this goal, we conceived of the incorporation into the reaction

system of a pH-neutral, dual thiophilic/borophilic cofactor, M–X, that would simultaneously lower the kinetic barrier and

address the thermodynamic deficit implicit in the transmetalation step, all while maintaining pH neutrality (Fig. 23.2).

Using this design strategy, copper(I) carboxylates, such as Cu(I) thiophenecarboxylate (CuTC) and Cu(I) 3-methyl-

salicylate (CuMeSal) proved to be uniquely effective facilitators of the pH-neutral, palladium-catalyzed desulfitative coupling

of thioorganics with boronic acids and their pH-neutral transmetalation partners, organostannanes (Fig. 23.3) The literature

is now replete with many examples of this chemistry (Fig. 23.4) [4, 5, 25–42].

All “first-generation” palladium-catalyzed desulfitative couplings of thioorganics and boronic acids highlighted in Fig. 23.4

require the use of stoichiometric quantities of a copper(I) carboxylate cofactor. This requirement is implicit in the mechanism

of the transformation (Scheme 23.3).

R

1



SMe +

R

1



R

2

+ “MeS B(OH)



2

Catalyst



Neutral pH

R

2



B(OH)

2

Scheme 23.1

Desulfitative coupling of boronic acids and thioorganics.

Pd SMe


L

L

R



1

R

2



+

Pd R


2

L

L



R

1

+



MeS B(OH)

2

B(OH)



2

Poorly electrophilic

Poorly nucleophilic

A weak bond?

Kinetic variables

Thermodynamic variable

A strong bond?

Thermodynamic variable

Weak preassociation 

of "S" with "B"



Scheme 23.2

Unfavorable transmetalation



THIOORGANIC-BORONIC ACID DESULFITATIVE CROSS-COUPLING

297

M

L



L

S

R



Pd

R



2

B

X



M

S

OH



L

R



R

1

L



OH

L

L



Thiophilic

Borophilic

Pd

B

X



R

2

OH



R

1

L



HO

L

Kinetic activation



Thermodynamic 

bookkeeping



Figure 23.2

Dual thiophilic–borophilic activation of transmetalation. (See insert for color representation of the figure.)

R

1

S



R

R



2

B

(OH)



2

  +


+

R

1



R

2

+



R

S Cu



Cu

-

OCOR



′′

+

R



′′CO

2

B



(OH)

2

Pd cat



O

O

OH



Cu

O

O



HO

Cu

Me



Me

O

O



Cu

O

O



Cu

S

S



CuTC

Cu(I) thiophene-2-carboxylate

CuMeSal

Cu(I) 3-methylsalicylate



Pd

R

2



B

OCOR


′′

Cu

S



OH

L

R



R

1



L

OH

L



L

Thiophilic

borophilic

Dual activation 

cofactor enhanced kinetics 

and thermodynamics

Figure 23.3

Pd-catalyzed, Cu(I) carboxylate-mediated desulfitative catalysis. (See insert for color representation of the figure.)

cat. Pd(PPh

3

)



4

Het


S

R

cat. Pd



2

dba


3

Het R


2

R

1



S

R



R

1

R



2

N

N



SR

R

O



Br

cat. Pd(PPh

3

)

4



S

NC

R



2

CN

Cyanation



Alkynylation

Heteroarylation

Amidination

Switchable catalysis

+

BocN


O

NBoc


S

SiMe


3

Me

cat. Pd



2

dba


3

H

2



N

NH

R



2

+

cat. Pd



2

dba


3

+

+



+

N

N



R

2

R



O

Br

S



R

1 equiv CuTC

1 equiv CuTC

1 equiv CuTC

1 equiv CuTC

1 equiv CuTC

1 equiv CuTC

cat. Pd(PPh

3

)

4



R

2

R



2

B(OH)


2

R

2



B(OH)

2

R



2

B(OH)


2

R

2



B(OH)

2

R



2

B(OH)


2

R

2



B(OH)

2

+



O

R

1



Acylation

R

1



O


Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   46   47   48   49   50   51   52   53   ...   115




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling