アリールの電気化学的脱水素C,Cカップリングの10年

A Decade of Electrochemical Dehydrogenative C,C-Coupling of Aryls.

• Johannes L Röckl
• Dennis Pollok
• Robert Franke
• Siegfried R Waldvogel

抄録

ファインケミカルの合成のための持続可能でグリーンな合成プロトコルの重要性は、化石燃料や他の有限資源の使用を削減するための努力の中で、過去数十年の間に急速に増加しています。一般的な試薬を電気で置き換えることは、コストと原子効率が良く、環境に優しく、新規な合成ルートへの本質的に安全なアクセスを提供します。2つの異なる基質間の炭素-炭素結合の選択的形成は、有機化学の重要なツールです。この基本的な変換により、多種多様な複雑な分子構造へのアクセスが可能になります。特に、アリール-アリール結合の形成は、有機材料、医薬品、天然物の調製に大きな意義を持っています。よく知られている還元的、酸化的反応や遷移金属触媒によるカップリング反応に加えて、従来の合成法よりも少ないステップでできる新しい合成法が生まれてきています。電気有機変換は、発生する電子移動プロセスの性質に応じて分類することができます。不活性電極材料での直接変換は、環境に優しく、費用対効果の高いものですが、活性電極での触媒反応や、追加の可溶性試薬を用いた仲介型の電気合成は、選択性と反応性の面で有益な特性を持つことができます。一般的に、これらの変換は、反応パラメータの最適化と適切なセル設計が必要です。ガルバノスタティック反応は比較的簡単なセットアップで高速変換を可能にしますが、電位静電分解は選択性を高めることができます。本報告書では、過去 20 年間の主要な炭素-炭素結合形成の開発について、例えばヒドロホルミル化反応におけるリガンドの前駆体となるフェノール類に焦点を当てて論じます。これらの電気化学的変換の成功の鍵となる要素は、電気化学的に不活性で、非求核性、高度にフッ素化されたアルコール、例えば1,1,1,1,3,3,3,3,3-ヘキサフルオロ-2-プロパノール(HFIP)の応用であり、変換のための大きなポテンシャルウィンドウを示し、選択的なクロスカップリング反応を可能にします。この選択性は、HFIPが有機ラジカルを安定化する能力に基づいています。グラファイトやボロンドープダイヤモンド(BDD)のような不活性でカーボンベースの金属を含まない電極材料は、新しい電気有機経路を切り開いています。さらに、電子豊富なアリールの分子内および分子間脱水素カップリング反応を可能にするために、新規な活性電極材料が開発されています。2,2'-ビフェノール誘導体を触媒の配位子成分として応用するには、より大規模な反応を行う必要がある。これを達成するために、熱伝達、過変換、導電性の欠点を克服するために、連続的な流れ変換が確立されています。モジュラーセル設計により、多種多様な電気有機変換を連続プロセスに移行させることが可能となっている。最近の結果は、製薬学的に関連するアヘンアルカロイドである(-)-テバインまたは(-)-オキシコドンの天然物合成に有機電気化学を適用したことを示しています。

The importance of sustainable and green synthetic protocols for the synthesis of fine chemicals has rapidly increased during the last decades in an effort to reduce the use of fossil fuels and other finite resources. The replacement of common reagents by electricity provides a cost- and atom-efficient, environmentally friendly, and inherently safe access to novel synthetic routes. The selective formation of carbon-carbon bonds between two distinct substrates is a crucial tool in organic chemistry. This fundamental transformation enables access to a broad variety of complex molecular architectures. In particular, the aryl-aryl bond formation has high significance for the preparation of organic materials, drugs, and natural products. Besides well-known and well-established reductive- and oxidative-reagent-mediated or transition-metal-catalyzed coupling reactions, novel synthetic protocols have arisen, which require fewer steps than conventional synthetic approaches. Electroorganic conversions can be categorized according to the nature of the electron transfer processes occurring. Direct transformations at inert electrode materials are environmentally benign and cost-effective, whereas catalytic processes at active electrodes and mediated electrosynthesis using an additional soluble reagent can have beneficial properties in terms of selectivity and reactivity. In general, these conversions require challenging optimization of the reaction parameters and the appropriate cell design. Galvanostatic reactions enable fast conversions with a rather simple setup, whereas potentiostatic electrolysis may enhance selectivity. This Account discusses the development of seminal carbon-carbon bond formations over the past two decades, focusing on phenols leading to precursors for ligands in, e.g., hydroformylation reaction. A key element in the success of these electrochemical transformations is the application of electrochemically inert, non-nucleophilic, highly fluorinated alcohols such as 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (HFIP), which exhibit a large potential window for transformations and enable selective cross-coupling reactions. This selectivity is based on the capability of HFIP to stabilize organic radicals. Inert, carbon-based and metal-free electrode materials like graphite or boron-doped diamond (BDD) open up novel electroorganic pathways. Furthermore, novel active electrode materials have been developed to enable intra- and intermolecular dehydrogenative coupling reactions of electron-rich aryls. The application of 2,2'-biphenol derivatives as ligand components for catalysts requires reactions to be carried out on larger scale. In order to achieve this, continuous flow transformations have been established to overcome the drawbacks of heat transfer, overconversion, and conductivity. Modular cell designs enable the transfer of a broad variety of electroorganic conversions into continuous processes. Recent results demonstrate the application of organic electrochemistry to natural product synthesis of the pharmaceutically relevant opiate alkaloids (-)-thebaine or (-)-oxycodone.