Palladium catalyzed direct C-H arylation of arenes with electron-withdrawing functional groups

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-05-06
Department
Major/Subject
Kemia
Mcode
KE3001
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
75 + 21
Series
Abstract
The first aim of this thesis was to develop a regioselective, direct Pd-catalyzed C-H arylation method to prepare biaryls bearing electron-withdrawing functional groups (EWGs). The second aim was to employ this method in reactions between 3- or 2-substituted cyanobenzene derivatives and aryl bromides. The direct arylation of arene C-H bonds is a promising, environmentally and economically attractive alternative to traditional cross-coupling reactions to prepare biaryls. For example, biaryls with EWGs are key structures in a variety of pharmaceuticals. However, the existing methods to couple simple EWG-substituted arenes with aryl halides are rare. Moreover, these coupling reactions require harsh reaction conditions with high temperatures and catalyst loadings. Therefore, a general and milder method to directly arylate arenes bearing EWGs is of high interest. The literature part of this thesis summarizes previous studies that focus on direct C-H arylation reactions of (N-hetero)arenes with EWGs. The experimental part concentrates on arylation of 1,3-disubstituted benzene derivatives with at least one cyano substituent. The solvent, temperature, ligand and additive selections were shown to have a critical role in the reaction outcome. 1,3-Dicyanobenzene was shown to react with ten different aryl bromides with high regioselectivity at the C2 position under the most optimal conditions. In addition, five different 3- or 2-substituted cyanobenzene derivatives were shown to react with bromobezene or 3-bromopyridine with high C2 regioselectivity to generate synthetically or medicinally interesting biaryls. The results of this thesis show the potential of this direct C-H arylation method in generating a variety of biaryls with EWGs. Further optimization could make this method milder and practical even in industrial scale.

Tämän diplomityön ensimmäinen tavoite oli kehittää regioselektiivinen suora C-H-arylointi menetelmä elektroneja puoleensavetäviä substituentteja sisältävien biaryylien valmistamiseksi. Toisena tavoitteena oli käyttää tätä menetelmää 3- tai 2-substituoitujen syanobentseenijohdannaisten ja aryylibromidien välisiin reaktioihin. Areenien C-H-sidosten suora arylointi on lupaava menetelmä ja sekä ympäristöllisesti että taloudellisesti houkutteleva vaihtoehto perinteisille ristikytkentäreaktioille biaryylien valmistamiseksi. Elektroneja puoleensavetäviä substituentteja sisältävät biaryylit ovat tärkeitä rakenteita lukuisissa lääkkeissä, mutta olemassa on vain harvoja menetelmiä elektroneja puoleensavetäviä substituentteja sisältävien areenien ja aryylibromidien kytkemiseksi suoraan. Lisäksi nämä reaktiot vaativat kovat olosuhteet: korkeat lämpötilat ja katalyytin määrät. Yleinen ja miedompi menetelmä näille reaktioille on näistä syistä erittäin kiinnostava. Tämän työn kirjallisuusosa esittelee kirjallisuudesta löytyvien elektroneja puoleensavetäviä substituentteja sisältävien areenien palladiumkatalysoitujen suorien C-H arylointireaktioiden tuloksia. Työn kokeellinen osa keskittyy 1,3-disubstituoitujen syanobentseenijohdannaisten suoriin arylointireaktioihin. Työssä osoitettiin, että liuottimen, lämpötilan, ligandin ja lisäaineiden valinnalla on suuri merkitys reaktiossa. 1,3-Disyanobentseenin osoitettiin reagoivan kymmenen eri aryylibromidin kanssa regioselektiivisesti C2-asemasta optimaalisimmissa olosuhteissa. Lisäksi viiden eri 2- tai 3-substituoidun syanobentseenijohdannaisen osoitettiin reagoivan regioselektiivisesti C2-asemasta bromobentseenin tai 3-bromopyridiinin kanssa muodostaen synteettisesti tai lääketeollisuuden kannalta mielenkiintoisia biaryyleja. Tämän työn tulokset osoittavat kehitetyn suoran C-H aktoivointimenetelmän potentiaalin lukuisia eri elektroneja puoleensavetäviä substituentteja sisältävien biaryylien valmistuksessa. Jatkotutkimuksilla tästä menetelmästä voisi kehittää miedomman ja käytännöllisen jopa teolliseen mittakaavaan.
Description
Supervisor
Koskinen, Ari
Thesis advisor
Kumpulainen, Esa
Keywords
arylation, C-H bond activation, arenes with electron-withdrawing groups, homogenous catalysis, palladium, arylointi, C-H-sidoksen aktivointi, elektroneja puoleensavetäviä substituentteja sisältävät areenit, homogeeninen katalyysi, palladium
Other note
Citation