A 2,2’-dipivaloiloxi-binaftil halogénszármazékainak alkalmazása palládium-katalizált reakciókban Palladium-catalyzed reactions of halogeno-2,2’-dipivaloyloxy-binayphthyls in palladiumcatalyzed reactions
Fehér Csaba,a Urbán Béla,a Ürge László,b Darvas Ferenc,b Bakos József,a Skodáné Földes Ritaa a
Pannon Egyetem, Kémia Intézet, Szerves Kémia Intézeti Tanszék 8200 Veszprém, Egyetem u. 10. b
ThalesNano Nanotechnológiai Zrt. 1031 Budapest, Záhony u. 7.
Summary Optically active 2,2’-dihydroxy-1,1’-binaphthyl (BINOL) and its derivatives have attracted particular interest due to the application of these compounds as ligands in enantioselective catalytic reactions. Several creative synthetic strategies towards polymer-, dendrimer- and silica supported BINOL-type ligands were developed. Many of these synthetic methods use a halogenated BINOL derivative as the starting material and often incorporate a palladium-catalyzed coupling reaction of such compounds as the key step. Although palladiumcatalyzed coupling reactions of the bromo derivatives can be carried out efficiently usually only under harsh reaction conditions, reports on the synthesis of the probably more reactive monoiodo derivatives are scarce. As part of our ongoing research concerning palladium-catalyzed reactions of aryl/alkenyl halides, functionalization of 6-bromo-2-hydroxy-2’-pivaloyloxy-1,1’-binaphthyl via aminocarbonylation was attempted. As we observed a sluggish reaction, we decided to explore the possibility of selective monoiodination of the binaphthyl core in order to obtain a more reactive substrate. Recently, several direct iodination procedures of activated aromatic compounds were reported in the presence of a wide variety of reagents. Among them, only Ag 2 SO 4 /I 2 was found to be effective in the selective monoiodination of 2-hydroxy-2’-pivaloyloxy-1,1’-binaphthyl leading to 6-iodo-2-hydroxy-2’-pivaloyloxy-1,1’binaphthyl in 95 % yield. The latter compound was converted into the more reactive 6-iodo-2,2’-dipivaloyloxy1,1’-binaphthyl. Under optimized reaction conditions, the dipivaloyloxy derivative was obtained in three selective steps using non-expensive reagents starting from 2,2’-dihydroxy-1,1’-binaphthyl with a 88 % overall yield. The reactivity of 6-iodo-2,2’-dipivaloyloxy-1,1’-binaphthyl was tested in various palladium-catalyzed reactions. As a comparison, carbonylation/coupling reactions of 6-bromo-2,2’-dipivaloyloxy-1,1’-binaphthyl, obtained by pivaloylation of the already known 6-bromo-2-hydroxy-2’-pivaloyloxy-1,1’-binaphthyl, were carried out under the same conditions. In the aminocarbonylation using morpholine as the nucleophilic reagent, a marked difference in the reactivities of the iodo and bromo derivatives was observed. A poor conversion of the bromo compound was obtained even after 12h. The iodo derivative was found to be a superior substrate in Heck and Sonogashira reactions, too. The reactivity difference between the binaphthyl halides is especially evident when using reagents with lower reactivity, such as 2-methyl-3-butyn-2-ol in the Sonogashira coupling. Although Sonogashira and Stille reactions of 6-bromo-2,2’-dipivaloyloxy-1,1’-binaphthyl gave the products in reasonable and excellent yields, respectively, total conversion of the 6-iodo derivative was observed even upon reducing the reaction temperature. The only example where the two compounds gave identical results under the conditions used, is the Suzuki coupling with PhB(OH) 2 .
Bevezetés Az optikailag aktív 2,2’-dihidroxi-1,1’-binaftil (BINOL) és származékai az enantioszelektív reakciókban legeredményesebben alkalmazott ligandumok közé tartoznak [1]. A homogén katalitikus reakciók hátránya, hogy a drága katalizátor visszanyerése és további felhasználása a legtöbb esetben nehézséget okoz. Ezért az elmúlt években sokféle szintetikus módszert kidolgoztak már különféle polimerhez, dendrimerhez vagy szilárd hordozóhoz kötött BINOL-típusú ligandum előállítására [2]. Nagyon sokszor alkalmazzák kiindulási anyagként a BINOL halogénszármazékait, [3-6] a szintézis kulcslépése gyakran e vegyületek palládium-katalizált reakciója [7-10]. A 6,6’-, [11] 3,3’- [12] és 5,5’halogénszármazékok [13] előállítására számos módszer ismeretes, kevés példa található azonban a binaftil váz szelektív monohalogénezésére. 6Bróm-BINOL származékok előállíthatók a BINOL [5] vagy 2,2’-dietoxi-származékának [14] brómozásával. Hatékonyabb módszer a pivaloilkloriddal képzett monoészter hasonló reakciója, mely a két naftilgyűrű eltérő reakciókészsége miatt nagyobb szelektivitással szolgáltatja a 6-bróm vegyületet [7, 15]. Sajnos, a palládium-katalizált kapcsolási reakciókban a brómszármazékok eredményes átalakítása gyakran magas hőmérséklet és/vagy különleges ligandumok alkalmazását igényli. Jól alátámasztja ezt, hogy a 6-bróm-2hidroxi-2’-pivaloiloxi-1,1’-binaftil és butil-akrilát Heck reakciója 130 oC-on, a Pd(OAc) 2 — (o-tol) 3 P katalizátorrendszer jelenlétében 36 óra reakcióidő után is csak 87%-ban vezetett a kívánt termékhez [7]. Ennek ellenére csak kevés példa található az irodalomban a mono-jód vegyületek előállítására. Több lépésben, 44%-os hozammal sikerült eljutni BINOL-ból a 3-jód vegyülethez a jódozással kapott 3,3’-dijód-2,2’-dimetoxi-1,1’-binaftil szelektív dejódozásával [8]. Egy másik lehetőség a 6-bróm vegyület átalakítása butil-lítium segítségével bróm—lítium, majd lítium—jód cserével. Erre a reakcióra csupán egyetlen példa található az
irodalomban, melyet egy 6’ helyzetben helyettesített származékra alkalmaztak [16]. Csoportunkban régóta vizsgáljuk különféle arilés alkenil-halogenidek palládium-katalizált átalakításait [17], így e téren jelentős tapasztalatra tettünk szert. Egy, a BINOL rögzítésére irányuló kísérletsorozat keretében a 6-bróm-2-hidroxi-2’pivaloiloxi-1,1’-binaftil aminokarbonilezését kívántuk megvalósítani, azonban a brómvegyületek átalakításánál általában eredményesen alkalmazott reakciókörülmények között is csak nagyon gyenge átalakulást kaptunk. Ezért megpróbáltunk hatékony módszert találni a BINOL 6-jód-származékának előállítására. A 6-jód-2-hidroxi-2’-pivaloiloxi-1,1’-binaftil és a 6-jód-2,2’-dipivaloiloxi-1,1’-binaftil előállítása Az utóbbi időben számos, aktivált aromás vegyületek közvetlen jódozásával foglalkozó közlemény jelent meg. A rendkívül változatos reagensek közül jó néhányat kipróbáltunk (NaIO 4 /KI/NaCl, [18] NaClO 2 /NaI/HCl, [19] KIO 3 /KI/HCl, [20] Py.ICl [21], IPy 2 BF 4 . [22] AgNO 3 /I 2 , [23]), de sem a BINOL (1, 1. ábra) sem a 2-hidroxi-2’-pivaloiloxi-1,1’-binaftil (2) átalakítása nem vezetett a kívánt eredményre. Végül az Ag 2 SO 4 /I 2 [24] reagens alkalmazásával 2-hidroxi-2’-pivaloiloxi-1,1’-binaftilból (2) kiindulva 95 %-os hozammal sikerült előállítanunk a 6-jód származékot (1. ábra, 3). A reakció szelektív volt, melléktermék képződését nem tapasztaltuk. 3 szerkezetét különféle spektroszkópiai módszerekkel (köztük kétdimenziós NMR technikákkal) bizonyítottuk. Mivel mind az irodalom, mind saját tapasztalataink szerint palládium-katalizált reakciókban az elektronhiányos aril-halogenidek reakciókészsége nagyobb, a 6-jód-2-hidroxi-2’pivaloiloxi-1,1’-binaftilt (3) továbbalakítottuk a dipivaloil származékká (4). Mindhárom lépés rendkívül jó átalakulással és szelektivitással játszódott le, így BINOL-ból kiindulva együttesen 88 %-os hozammal jutottunk a 4 termékhez.
OH OH
(CH 3)3COCl
OH OPiv
Et3N, CH3CN o 0 C
97%
1
2 Ag2SO4/I2 o EtOH, 20 C
95% I
I OPiv OPiv
(CH3) 3COCl
OH OPiv
Et3N, CH3 CN o 0 C
4
96%
3
1. ábra. A 6-jód-2-hidroxi-2’-pivaloiloxi-1,1’binaftil (3) és a 6-jód-2,2’-dipivaloiloxi-1,1’binaftil (4) előállítása
A 6-jód-2,2’-dipivaloiloxi-1,1’-binaftil (4) palládium-katalizált reakciói A 4 jódvegyület reakciókészségét különféle palládium-katalizált karbonilezési és kapcsolási reakciókban vizsgáltuk (2. ábra, 1. táblázat). Az irodalomban leírt módszerek alkalmazásával [7] előállítottuk az analóg brómszármazékot, a 6-bróm2,2’-dipivaloiloxi-1,1’-binaftilt (5), és összehasonlításképpen e vegyület átalakítását is elvégeztük 4 reakcióival azonos körülmények között. A reakciók előrehaladását gázkromatográfiás módszerrel követtük, a várt termékek keletkezését GC-MS vizsgálattal igazoltuk. A reakciók minden esetben teljesen szelektívek voltak, melléktermékek képződését egyik esetben sem tapasztaltuk. 4 reakciókészségének vizsgálatakor az egyes kapcsolásoknál általánosan alkalmazott reakciókörülmények között dolgoztunk, a körülményeket nem optimalizáltuk. A morfolin jelenlétében lejátszódó aminokarbonilezés esetében lényeges különbséget
tapasztaltunk a kétféle halogénszármazék reakciókészségében (1. táblázat 1. és 2. sor). 5 átalakulása még 12 h reakcióidő után is csak nagyon gyenge volt, míg 4 jelenlétét már 2 óra után sem tudtuk kimutatni a reakcióelegyben. Ahogyan korábbi tapasztalataink alapján várható volt [17b], karbonilezési körülmények között a 6a amid képződését 6b ketoamidhoz vezető kettős karbonilezés kísérte. A 4 jódszármazék alkalmazása mind a Heck-, mind a Sonogashira kapcsolás során nagyobb átalakulást eredményezett (1. táblázat 3-10. sor). A különbség különösen szembetűnő abban az esetben, ha a reakciópartner reakciókészsége kicsi, mint pl. a 2-metil-3-butin-2-ol esetében (1. táblázat 8-10. sor) Bár 5 Sonogashira és Stille reakciója jó hozammal szolgáltatta a termékeket (1. táblázat 6. és 12. sor), a 6-jód vegyület (4) esetében ugyanolyan reakcióidő mellett alacsonyabb hőmérsékleten is teljes átalakulást tapasztaltunk (7. és 13. sor). Az egyetlen reakció, amelyben a két halogénszármazék azonos eredményt adott, a PhB(OH) 2 jelenlétében lejátszódó Suzuki kapcsolás volt (1. táblázat 14. és 15. sor). Összefoglalás A 6-jód-2,2’-dipivaloiloxi-1,1’-binaftilt (4) 2,2’dihidroxi-1,1’-binaftilból (BINOL) kiindulva, kitűnő hozammal, olcsó reagensek felhasználásával, három lépésben sikerült előállítanunk. Megmutattuk, hogy a vegyület rendkívül enyhe körülmények között átalakítható változatos szerkezetű származékokká, így nagyon alkalmas kiindulási anyag lehet binaftil-vázat tartalmazó építőelemek szintézisére, illetve binaftil-típusú ligandumok rögzítésére irányuló reakciókban. Köszönetnyilvánítás A szerzők köszönik az OTKA (NK71906) és a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal (NKFP 07 A2 FLOWREAC) támogatását.
X OPiv OPiv
4 X=I 5 X=Br
[Pd] O
[Pd]
NH, CO Et3 N
R
O
PhB(OH)2 K 2CO3
CH2=CHSnBu3
R
O N
[Pd]
[Pd]
[Pd]/CuI
CH2=CHCO 2Me Et3 N
Ph
MeO2C n OPiv OPiv
OPiv OPiv
OPiv OPiv
6a n=1 6b n=2
OPiv OPiv
8 R=Ph 9 R=C(CH3)2 OH
7
10
OPiv OPiv
11
2. ábra. Az 1,1’-binaftil halogénszármazékainak (4, 5) palládium-katalizált reakciói
1. táblázat. Az 1,1’-binaftil halogénszármazékainak (4, 5) palládium-katalizált reakciói Sorszám Termék Kiindulási Hőmérséklet Reakcióidő Hozam [%] a [h] vegyület [oC] 1b
92 (6a/6b=94/6) 2b 6 100 2 (12) 16 (23) (6a/6b=90/10) 3c 7 5 100 2 100 4c 6 100 2 21 d 5 8 5 60 2 100 6d 6 60 2 (8) 50 (81) 7d 5 rt 0.5 100 8e 9 5 100 2 100 9e 6 100 8 82 10 e 6 120 8 96 11 f 10 5 100 2 100 12 f 6 100 2 (4) 60 (100) 13 f 5 60 2 100 14 f 6 60 2 (6) 21 (31) 15 g 11 5 60 2 92 16 g 6 60 2 93 a b : GC alapján. : 5 mol% Pd(OAc) 2 , 10 mol% PPh 3 , 4 vagy 5/morfolin/ Et 3 N=1/5/2 DMF-ben CO atmoszférában. c: 5 mol% Pd(OAc) 2 , 10 mol% PPh 3 , 4 vagy 5/metil-akrilát/ Et 3 N=1/2.5/2 DMF-ben. d: 5 mol% PdCl 2 (PPh 3 ) 2 , 5 mol% CuI, 4 vagy 5/ fenilacetilén/Et 3 N= 1/2.5/2 DMF-ben. e: 10 mol% PdCl 2 (PPh 3 ) 2 , 10 Pd(PPh 3 ) 4 , 4 vagy mol% CuI, 4 vagy 5/ 2-metil-3-butin-2-ol/Et 3 N= 1/2.5/2 DMF-ben. f:2 mol% 6a+6b
5
100
2
5/CH 2 =CHSnBu 3 =1/1.1, DMF-ben. g: 5 mol% Pd(PPh 3 ) 4 4 vagy 5/ PhB(OH) 2 /K 2 CO 3 = 1/2/5 THF/víz=1/1 elegyben Irodalomjegyzék Kobayashi, S., J. Am. Chem. Soc., 124, 3292-3302 (2002) [13] Zhang, S., Liu, Y., Huang, H., Zheng, L., Wu, [1] Brunel, J. M. Chem. Rev., 105, 857-897 (2005) L., Cheng, Y., Synlett, 853-856 (2008) [2] Trindade, A. F., Gois, P. M. P., Afonso, C. A. [14] Regnouf de Vains, J. B., Tetrahedron Lett., 42, M., Chem. Rev., 109, 418-514 (2009) 6507-6509 (2001) [3] Hesemann, P., Moreau, J. J. E., C. R. Chimie, 6, [15] Cai, D., Larsen, R. D., Reider, P. J., 199-207 (2003) Tetrahedron Lett., 43, 4055-4057 (2002) [4] Hesemann, P., Moreau, J. J. E., Yixiang, C., [16] Ma, L., White, P. S., Lin, W., J. Org. Chem., Tetrahedron: Asymmetry, 13, 607-613 (2002) 67, 7577-7586 (2002) [5] Jayaprakash, D., Sasai, H., Tetrahedron: [17] (a) Balogh, J., Kuik, A., Ürge, L., Darvas, F., Asymmetry, 12, 2589-2595 (2001) Bakos, J., Skoda-Földes R., J. Mol. Catal. A., 302, [6] (a) Pathak, K., Bhatt, A. P., Abdi, S. H. R., 76-79 (2009) (b) Takács, E., Varga, C., SkodaKureshy, R. I., Khan, N. H., Ahmad, I., Jasra, R. Földes, R., Kollár, L., Tetrahedron Lett. 48, 2453V., Tetrahedron: Asymmetr, 17, 1506-1513 (2006) 2456 (2007) (c) Kuik, A., Skoda-Földes, R., (b) Bhatt, A. P., Pathak, K., Jasra, R. V., Kureshy, Balogh, J., Kollár, L., J. Organomet. Chem., 690, R. I., Khan, N. H., Abdi, S. H. R., J. Mol. Catal. A, 3237-3242 (2005) 244, 110-117 (2006) [18] Emmanuvel, L., Shukla, R. K., Sudalai, A., [7] Hocke, H., Uozumi, Y., Tetrahedron, 59, 619Gurunath, S., Sivaram, S., Tetrahedron Lett., 47, 630 (2003) 4793-4796 (2006) [8] Meng, Y., Slaven IV, W. T., Wang, D., Liu, T[19] Lista, L., Pezzella, A., Napolitano, A., J., Chow, H-F., Li, C-J., Tetrahedron: Asymmetry, d’Ischia, M., Tetrahedron, 64, 234-239 (2008) 9, 3693-3707 (1998) [20] Adimurthy, S., Ramachandraiah, G., Ghosh, P. [9] (a) Hocke, H., Uozumi, Y., Tetrahedron, 60, K., Bedekar, A. V., Tetrahedron Lett., 44, 50999297-9306 (2004,) (b) Wu, L., Zheng, L., Zong, L., 5101 (2003) Xu, J., Cheng, Y., Tetrahedron, 64, 2651-2657 [21] Aneja, R., Vangapandu, S. N., Lopus, M., (2008) (c) Yuan, X-Y., Li, H-Y., Hodge, P., Kilner, Viswesarappa, V. G., Dhiman, N., Verma, A., M., Tastard, C. Y., Zhang, Z-P., Tetrahedron: Chandra, R., Panda, D., Joshi, H. C., Biochem. Asymmetry, 17, 2401-2407 (2006) (d) Hu, Q-S., Pharm., 72, 415-426 ( 2006) Vitharana, D., Zheng, X-F., Wu, C., Kwan, C. M. [22] Shimada, T., Suda, M., Nagano, T., Kakiuchi, S., Pu, L., J. Org. Chem., 61, 8370-8377 (1996) K., J. Org. Chem., 70, 10178-10181 (2005) [10] Shi, L., Wang, X., Sandoval, C. A., Wang, Z., [23] Yusubov, M. S., Tveryakova, E. N., Li, H., Wu, J., Yu, L., Ding, K., Chem. Eur. J. 15, Krasnokutskaya, E. A., Perederyna, I. A., 9855-9867 (2009) Zhdankin, V. V., Synth. Commun., 37, 1259-1265 [11] (a) Ishitani, H., Ueno, M., Kobayashi, S., J. (2007) Am. Chem. Soc., 122, 8180-8186 (2000) (b) [24] Zhang, H., Wang, S., Li, Y., Zhang, B., Du, C., Deussen, H-J., Hendrickx, E., Boutton, C., Krog, Wan, X., Chen. Y., Tetrahedron, 65, 4455-4463 D., Clays, K., Bechgaard, K., Persoons, A., (2009) Bjørnholm, T., J. Am. Chem. Soc., 118, 6841-6852 (1996) [12] (a) Balaraman, E., Swamy, K. C. K., Tetrahedron: Asymmetry, 18, 2037-2048 (2007) (b) Yamashita, Y., Ishitani, H., Shimizu, H.,
