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Aug 30, 2023

Katalytische Synthese von Phenolen mit Lachgas

Naturband 604, Seiten

Nature Band 604, Seiten 677–683 (2022)Diesen Artikel zitieren

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Eine Autorenkorrektur zu diesem Artikel wurde am 21. Juli 2022 veröffentlicht

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Die Entwicklung katalytischer chemischer Prozesse, die die Aufwertung von Lachgas (N2O) ermöglichen, ist eine attraktive Strategie, um die Umweltbedrohung durch seine Emissionen zu verringern1,2,3,4,5,6. Traditionell wurde N2O als inertes Molekül angesehen, das für organische Chemiker als Oxidationsmittel oder O-Atom-Transferreagens aufgrund der harschen Bedingungen, die für seine Aktivierung erforderlich sind (>150 °C, 50–200 bar), schwer zu handhaben ist7,8,9, 10,11. Hier berichten wir über die Insertion von N2O in eine Ni-C-Bindung unter milden Bedingungen (Raumtemperatur, 1,5–2 bar N2O), wodurch wertvolle Phenole freigesetzt und gutartiges N2 freigesetzt werden. Dieser grundlegend andere Schritt zur Bildung einer metallorganischen C-O-Bindung unterscheidet sich von den aktuellen Strategien, die auf reduktiver Eliminierung basieren, und ermöglicht einen alternativen katalytischen Ansatz für die Umwandlung von Arylhalogeniden in Phenole. Der Prozess wurde durch einen Bipyridin-basierten Liganden für das Ni-Zentrum katalytisch gestaltet. Die Methode ist robust, mild und hochselektiv, kann basenempfindliche Funktionalitäten berücksichtigen und ermöglicht die Phenolsynthese aus dicht funktionalisierten Arylhalogeniden. Obwohl dieses Protokoll keine Lösung zur Minderung von N2O-Emissionen bietet, stellt es einen Reaktivitätsplan für die milde Aufwertung von reichlich vorhandenem N2O als O-Quelle dar.

Der zunehmende Ausstoß von Treibhausgasen stellt eine globale Umweltbedrohung dar, und Strategien zur Bewältigung dieses Problems standen in jüngster Zeit im Mittelpunkt intensiver Forschung1,2. Unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit ist die Entwicklung chemischer Prozesse, die über den herkömmlichen Abbau hinausgehen und solche gasförmigen Nebenprodukte als nützliche Synthone zur Herstellung wertvoller chemischer Rohstoffe weiterverwenden, äußerst wünschenswert. Während der Aufwertung von CO2 oder CH4 als Kohlenstoffquellen für die organische Synthese durch katalytische Strategien große Aufmerksamkeit geschenkt wurde12,13, konzentrierte sich das Interesse deutlich weniger auf die chemische Umwandlung eines anderen Hauptverursachers der globalen Erwärmung: N2O. Sowohl Regierungsberichte als auch aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse warnen vor den Folgen, die sich aus der zunehmenden Präsenz dieses unterbewerteten Gases in der Atmosphäre ergeben3,4,5. N2O weist ein Treibhauspotenzial auf, das mehr als 300-mal so hoch ist wie das von CO2, mit einer Zersetzungshalbwertszeit in der Atmosphäre von mehr als 100 Jahren6. Menschliche Aktivitäten haben die Emissionen beschleunigt, mit einer geschätzten Anstiegsrate für N2O von 2 % pro Jahrzehnt. Eine detaillierte Analyse unter dem Gesichtspunkt der nachhaltigen Synthese stellt jedoch eine einzigartige Gelegenheit für die N2O-Revalorisierung dar, da es eine hervorragende O-Atom-Quelle darstellt: Es ist leicht verfügbar, ungiftig (Lachgas) und setzt harmloses N2 als Nebenprodukt frei zur O-Entfernung. Umgekehrt ist N2O ein Inertgas, dessen Aktivierung hohe Temperaturen (140–350 °C) und Drücke (50–200 bar) erfordert, was zu begrenzten Anwendungen als Oxidationsmittel für die organische Synthese führt7,8,14. Dennoch hat die Struktur von N2O Chemiker fasziniert, die die Koordinationsmodi und deren Reaktivität in einer Vielzahl von Metallkomplexen im Detail untersuchten9. Allerdings konzentrierten sich nur wenige Berichte auf seine Aktivierung zur Bildung von C-O-Bindungen10,15 (wohl eine der wertvollsten Bindungen in der organischen Synthese), da sie den Zugang zu begehrten Alkoholen, Ethern, Epoxiden usw. ermöglichen würde. Dennoch basieren diese wenigen Beispiele auf der traditionellen Metall-Oxo-Reaktivität, die hohe Temperaturen (100–200 °C) und Drücke (10 bar)11 oder lange Reaktionszeiten (1 Tonne pro Woche)16 erfordert (Abb. 1a). In einem bahnbrechenden Bericht17 wurde ein grundlegend anderes Ergebnis beobachtet: Bei Einwirkung einer N2O-Atmosphäre konnte das O-Atom in eine Hf-Ph-Bindung des Komplexes 1 eingefügt werden, wodurch unter Ausstoß von N2 das gewünschte Hf-O-Ph (2) geschmiedet wurde. Es traten jedoch Regioselektivitätsprobleme auf, da das O-Atom konkurrenzfähig auf den Hydridliganden übertragen wurde und somit auch ein Hf-O-H-Komplex (3) entstand. Mechanistische Studien zum O-Insertionsschritt in verschiedene M-C(sp2)-Bindungen unter Verwendung von N2O, Peroxiden oder Sauerstoff legen nahe, dass ein metallorganischer Baeyer-Villiger-Mechanismus (OMBV) abläuft, bei dem der anionische Kohlenstoff zum koordinierten O-Atom wandert und sich bildet die M-O-C-Bindung18,19,20,21,22,23. Auf der Grundlage dieser Reaktivität wollten wir das Potenzial von N2O als O-Atom-Quelle in einer grundlegend anderen katalytischen Synthese von Phenolen erschließen. In der kanonischen übergangsmetallkatalysierten Phenolsynthese aus Arylhalogeniden24,25,26,27,28 verläuft der Schritt der C(sp2)-O-Bindungsbildung über den gut etablierten Ligandenaustausch mit einer nukleophilen O-Quelle. Bei der reduktiven Eliminierung mit der Arylgruppe wird die gewünschte C(sp2)-O-Bindung gebildet, während das Metallzentrum zweifach reduziert wird (Abb. 1b, links). Die O-Quelle ist in diesen Fällen normalerweise H2O oder ein protisches O-basiertes Nukleophil in Kombination mit einer Base, die zum entsprechenden Phenol führt29. Im hier vorgeschlagenen alternativen Katalysezyklus nutzt der grundlegende Schritt für die Bildung der C(sp2)-O-Bindung den Mechanismus vom OMBV-Typ: Durch die N2O-Koordination an das Metallzentrum wird das elektrophile O schließlich in die M-C-Bindung eingefügt gleichzeitige Bildung von N2 (Abb. 1b, rechts). Im Gegensatz zur herkömmlichen Synthese von Phenolen bleibt nach der Bildung der C-O-Bindung der Oxidationszustand des Metallzentrums erhalten, sodass zum Schließen des Zyklus ein externes Reduktionsmittel erforderlich ist. Um diesen reduktiven Prozess zu orchestrieren, konzentrierten wir unsere Aufmerksamkeit auf Ni und seine nachgewiesene Fähigkeit, durch Einzelelektronentransfer zwischen verschiedenen Oxidationsstufen zu manövrieren30,31,32. Hier zeigen wir, dass ein mechanistisch gesteuerter Ansatz zur Aktivierung von N2O mit metallorganischen Komplexen zur Entwicklung einer milden und selektiven katalytischen Synthese hochwertiger Phenole aus Arylhalogeniden unter Verwendung von N2O als elektrophiler O-Quelle führt33. Die milden Bedingungen (25 °C und 1,5–2 atm) ermöglichen die Aufnahme einer Vielzahl funktioneller Gruppen, einschließlich basenempfindlicher Einheiten, und bieten somit eine orthogonale Strategie zu den aktuellen Technologien (Abb. 1c).

a, Reaktivität von N2O und Übergangsmetallen bei der Bildung von CO-Bindungen. Das rechte Panel basiert auf der in Lit. beschriebenen Arbeit. 17; OAT, Sauerstoffatomtransfer; Cp*, Pentamethylcyclopentadienylanion b, Vergleich zwischen der traditionellen C(sp2)-O-Bindungsbildung durch reduktive Eliminierung (linkes Feld) und durch O-Insertion (rechtes Feld; diese Arbeit) für die Synthese von Phenolen. Red., Reduktion.; OA, oxidative Addition; RE, reduktive Eliminierung; LM, Ligandenmetathese; c, Aktivierung von N2O in einer Ni-reduktiven katalytischen kreuzelektrophilen Phenolsynthese (diese Arbeit).

Um die Machbarkeit der M‒C(sp2)-Oxidation zu untersuchen, haben wir uns von früheren Arbeiten17 inspirieren lassen, in denen gezeigt wurde, dass N2O mit bestimmten Phosphin-Ni(II)-Komplexen reagiert34,35. Zu diesem Zweck haben wir das Produkt der oxidativen Addition 4 synthetisiert und seine Reaktivität mit N2O untersucht (Abb. 2a). Wie erwartet zersetzt sich 4 schnell, hauptsächlich in Richtung Homokupplung (5), wenn es in DMA unter Argon gelöst wird, wobei nur Spuren von Protodemetallierung (6) nachgewiesen werden (Weg a). Diese Reaktivität wird durch die Anwesenheit von Reduktionsmitteln wie Zn verstärkt (Weg b). Wenn jedoch die Argonatmosphäre durch N2O ersetzt wird, bleibt die leuchtend rote Farbe der Lösung von 4 erhalten, was auf eine langsamere Zersetzungsgeschwindigkeit hinweist. Nach saurer Aufarbeitung wird eine Ausbeute von 15 % an Phenol 7 beobachtet. Wenn die gleiche Reaktion jedoch in Gegenwart eines Reduktionsmittels durchgeführt wird, wurden wesentlich höhere Ausbeuten an 7 beobachtet, wobei eine Ausbeute von 73 % erreicht wurde, wenn eine Kombination aus Zn und NaI verwendet wurde (Weg d). Diese Ergebnisse weisen auf die Machbarkeit der Entwicklung eines reduktiven katalytischen Protokolls hin, das auf der Ni-Katalyse unter Verwendung von Arylhalogenid-Vorläufern basiert. Aus unserer umfangreichen Ligandenuntersuchung (siehe ergänzende Informationen) ging hervor, dass dreizähnige stickstoffhaltige Liganden mit dem allgemeinen Muster von 2-substituiertem Bipyridin für die Erzielung katalytischer Aktivität entscheidend waren, zusammen mit Terpyridin (L18) und 6-Pyrazolyl-2,2'-bipyridin (L50) liefert die höchsten Ausbeuten an 9 (Abb. 2b und ergänzende Informationen). Die Analyse der R-Gruppe ergab drei Schlüsselmerkmale des Liganden für die katalytische Aktivität: Der Ersatz des N-Atoms durch C‒H oder S verhindert die katalytische Aktivität (L48 und L61); sterische Belastung neben dem N der Pyrazoleinheit hemmt die produktive Katalyse (L55 und L58); und elektronenarme Substituenten am Pyrazol verringern die Phenolausbeute deutlich. Um die Ni-Ligand-Ligation im Reaktionsgemisch zu bestätigen, wurde Komplex 10 hergestellt und strukturell charakterisiert. Mit 10 als Katalysator wurde eine 75-prozentige Ausbeute an 9 erhalten, was bestätigt, dass der vorligierte Komplex katalytisch kompetent ist. L50 stellt eine neue Ligandenplattform in der Ni-Katalyse dar, für die es praktisch keine Beispiele gibt. Da Abb. 2a, b darauf hindeutet, dass formale Ni(I)-C(sp2)-Spezies beteiligt sein könnten, haben wir Terpyridin-Ni-Derivate wie 11 (Abb. 2c) hergestellt, da die entsprechenden (terpy)Ni(I) stabiler sind )‒Ar wurde notiert36,37,38. Wie bei 4 führte die Reaktion von 11 in Abwesenheit eines Reduktionsmittels zu keiner Phenolbildung. Doch trotz der Anwesenheit von zwei Me-Gruppen in ortho ergab die unter N2O in Gegenwart von Zn und NaI durchgeführte Reaktion das gewünschte Mesitol (12) in 49 % Ausbeute bei saurer Aufarbeitung. Um die Beteiligung eines formalen Ni(I)‒C(sp2) am dreizähnigen System weiter zu bestätigen, wurde (tBu-terpy)Ni(I)‒I (13) mit Ph2Zn unter N2O umgesetzt. Trotz der berichteten Instabilität von (terpy)Ni(I)‒Ph (Lit. 37) wurde eine 20-prozentige Ausbeute an Phenol (14) erhalten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Reduktion von Ni(II)-Spezies zu formalem Ni(I) und die Anwesenheit von Iodidsalzen im System wichtig sind, um die gewünschte C(sp2)-O-Bindung zu knüpfen. Mechanistische Untersuchungen zu M-Ar-Oxy-Insertionen für späte Übergangsmetalle (Pd, Ni und Fe) zeigen, dass subtile Änderungen in der Ligandenumgebung auch zu Unterschieden zwischen den Metall-Oxo/Oxyl- oder konzertierten Baeyer-Villiger-Wegen für die Bildung von Ar-O-Bindungen führen18 ,19,20,21,22,23. In diesem Fall schlagen wir vor, dass im Kontinuum zwischen den beiden extremen Möglichkeiten, die die OMBV-Reaktion bietet, die Oxy-Insertion von N2O in einen d9-Komplex auf die Bildung der M-O-Bindung und N2 vor der Ar-Migration hindeutet39.

a, Stöchiometrische Reaktivität unter Verwendung von Bipyridin-gestützten oxidativen Ni(II)-Additionskomplexen. Konv., Konvertierung; Äquiv., Äquivalente. b, Wichtige elektronische und strukturelle Merkmale des Liganden bei der katalytischen Synthese von Phenolen aus Arylhalogeniden und N2O. Details zur vollständigen Optimierung der Reaktionsbedingungen finden Sie in den Zusatzinformationen. c, Reaktivitätsstudien dreizähniger Ni(II)- und Ni(I)-Komplexe auf Terpyridinträgern mit N2O, die auf die Beteiligung von Ni(I)-C(sp2)-Spezies hinweisen. Einzelheiten und Diskussionen zur Elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) für 13 finden Sie in den Zusatzinformationen. aVerwendung von 2 atm N2O. bMit 5 Mol-% zusätzlichem L50. cErgebnisse bei Verwendung von NiBr2 (Diglyme).

Mit dem optimierten Katalysatorsystem wurde ein vorläufiger Umfang des Arylhalogenid-Gegenstücks untersucht. Wie in Abb. 3 gezeigt, lieferten Aryliodide, die andere Halogene sowohl in para- (9, 15 und 16) als auch in meta-Position (17–19) trugen, problemlos das entsprechende Phenol in hervorragenden Ausbeuten. Das Vorhandensein elektronenziehender Gruppen wie CF3 (7), Keton (20), Ester (21 und 24) oder Nitril (22–23) stellte keine Schwierigkeit für die C-O-Bindungsbildung dar. Elektronenschiebende Substituenten wie Alkyl (25), Aryl (26) oder sogar Methoxy und Thiomethyl (27 und 28) lieferten Phenol in guten Ausbeuten. Darüber hinaus eignete sich auch ein Fluorenderivat (29) mit benzylischen C-H-Bindungen für die Phenolsynthese, allerdings mit einer Ausbeute von 38 %. Ein klassisches Merkmal reduktiver Kopplungen besteht darin, dass sterische Hinderung an der ortho-Position die Reaktivität beeinträchtigen kann. Tatsächlich führte die C-O-Bindungsbildung aus Indanon- (31) und 1-Chlor-2-iodbenzol-Derivaten (30) zu leicht geringeren Ausbeuten. Im Gegensatz zu 30 wurde 32 in einer Ausbeute von 79 % erhalten, was einen möglichen vorteilhaften Chelateffekt des ortho-OMe- und des Ni-Zentrums verdeutlicht. Auch ein silylierter Benzylalkohol (33) oder ein Diethylphosphonat (34) wurden in diesem Protokoll toleriert. Heterocyclen wie Indol (35), Chinolin (36), Carbazol (37) oder Dibenzothiophen (38) lieferten ebenfalls das entsprechende Phenol in guten Ausbeuten. Substrate, die nach der C-O-Bindungsbildung zu einer schnellen Oxidation neigen, könnten in situ weiter funktionalisiert werden, wie die 68 %ige Ausbeute für das Pivaloylderivat 39 zeigt. Ein Iodidderivat des biologisch aktiven Wirkstoffs Clofibrat konnte in 78 % in Phenol 40 umgewandelt werden. Ausbeute trotz der Anwesenheit eines tertiären α-Oxyesters. Dieses Protokoll erfordert nicht die Verwendung nukleophiler Alkoxy-Ersatzstoffe und daher können basenempfindliche Funktionalitäten wie Ester oder empfindliche Amide toleriert werden. Ein Beispiel für diese Chemoselektivität wird bei der Derivatisierung eines Substrats beobachtet, das Pinakolboronat enthält. In diesem Fall wurde Phenol 41 immer noch in einer Ausbeute von 56 % erhalten, was ein orthogonales Werkzeug zur klassischen Oxidation darstellt. Die Beobachtung einer Sulfoxidausbeute von 7 % bei der Reaktion von 28 (Lit. 40) und die geringe Ausbeute, die für Fluorenol 29 erhalten wurde, legen nahe, dass der Oxy-Insertionsschritt in Richtung des Oxo/Oxyl-Wegs im für OMBV postulierten Kontinuum liegt. Typreaktionen. N2 wurde mit einem Gaschromatographie-Wärmeleitfähigkeitsdetektor im Kopfraum nachgewiesen, nachdem die Reaktion für 7, 9, 18, 25 und 34 abgeschlossen war (Abb. 3). Wenn der Sauerstoff am Lösungsmittel markiert wurde ([18O]DMF, 25 % 18O), wurde kein 18O in 9 eingebaut. Wenn dagegen N15N18O verwendet wurde (ca. 23 % 18O), waren es 22 % ± 1 des O in 9 wurde mit (Ergänzende Informationen) gekennzeichnet. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass N2O die Quelle von O ist.

Anwendungsbereich von Aryliodiden. [N2], N2 wurde am Ende der Reaktion mit einem Gaschromatographie-Wärmeleitfähigkeitsdetektor nachgewiesen. Alle Ausbeuten beziehen sich auf isoliertes reines Material. Ausbeute in Klammern: 1H-NMR-Ausbeute, berechnet unter Verwendung von Dibrommethan als internem Standard. incorp., eingetragen. Einzelheiten zu den Verfahren finden Sie in den Zusatzinformationen. aVerwendung von L18 als Ligand anstelle von L50. bAufgrund der schnellen Oxidation des freien Alkohols wurde 39 nach Abschrecken mit Piv2O erhalten.

Die gleichen optimierten Reaktionsbedingungen für Aryliodide ermöglichten die Bildung von C-O-Bindungen für besser zugängliche und kommerziell erhältliche Arylbromide. Allerdings waren elektronenziehende Substituenten erforderlich, um die C(sp2)-Br-Spaltung zu ermöglichen. In diesem Sinne konnten Phenole mit CF3 (7), Ac (20) und CN (22) in para-Position sowie Paraben (21) in hohen Ausbeuten erhalten werden (Abb. 4a). Medizinisch relevantes Phthalid wurde ebenfalls reibungslos in Phenol (42) umgewandelt, wodurch eine Methode zur Synthese dieses Bausteins mit drei Schritten weniger im Vergleich zur beschriebenen Methode bereitgestellt wurde41. Von π-erweiterten oder konjugierten Systemen abgeleitete Phenole wie Naphthoat 43 oder Cinnamat 44 wurden ebenfalls in 65 % bzw. 78 % Ausbeute erhalten. Im Gegensatz zu aktuellen lichtvermittelten Verfahren wurde keine Isomerisierung der Doppelbindung in 44 beobachtet30. Schließlich konnte eine weitere basenempfindliche Gruppe wie das Arylmethylsulfon toleriert werden und das entsprechende Phenol 45 wurde in 82 % Ausbeute erhalten. Heterocyclische Bromide sind mit dem aktuellen Protokoll nicht kompatibel.

a, Katalytische Synthese von Phenolen aus Arylbromiden unter Verwendung von N2O. b, Untersuchung der Insertion von O-Atomen in dicht funktionalisierte Arylhalogenide (ausgehend von Ar–X). c, Nutzung von Treibhausgasen als Bausteine ​​für die Synthese biologisch relevanter Moleküle. Alle Ausbeuten beziehen sich auf isoliertes reines Material. Einzelheiten zum Experiment finden Sie in den Zusatzinformationen. aVerwendung von L18 als Ligand anstelle von L50. bAusbeuten bestimmt durch 1H-NMR unter Verwendung von 1,3,5-Trimethoxybenzol als internem Standard.

Anschließend wurden komplexe Arylhalogenide getestet, die mit empfindlichen Einheiten funktionalisiert waren. Beispielsweise wurde ein Empagliflozin-Derivat, das eine Vielzahl schwacher C-H-Bindungen enthält, die zu HAT neigen, reibungslos und in hervorragender Ausbeute in das entsprechende Phenol (46) umgewandelt (Abb. 4b). Ein Esterderivat des Naturstoffs Eugenol lieferte das gewünschte Phenol (47) in einer Ausbeute von 84 %, was die hohe Chemoselektivität dieses Prozesses gegenüber alternativen Oxidationen über Metall-Oxo-Wege unterstreicht. Trotz der dreiphasigen Natur des Protokolls konnte die Synthese von 47 auf bis zu 5 mmol skaliert werden, wobei die Ausbeute nur leicht sank (66 %). Substrate, die gesättigte N-Heterozyklen wie Piperazinon 48, Azetidin 49, Pyrrolidinon (Aniracetam-Zwischenprodukt) 50 und Nortropinon-Derivat 51 enthalten, werden gut vertragen. Die Notwendigkeit einer elektronenziehenden Gruppe zur Aktivierung des Arylbromids kann in einen synthetischen Vorteil umgewandelt werden, der eine regioselektive Kontrolle des aktivierten Arylbromids ermöglicht (52, 78 %). Schließlich konnte ein Derivat von Ezetimib, dem Medikament zur Behandlung von hohem Cholesterinspiegel im Blut, problemlos in das entsprechende Phenol (53) umgewandelt werden, ohne den chiralen und ungeschützten sekundären Alkohol, den Ester und das gespannte β-Lactam zu verändern. Eine ähnliche Chemoselektivität kann bei der Umwandlung des Paroxetin-Derivats 54 beobachtet werden. Schließlich zeigt Abb. 4c einen Proof-of-Concept des Potenzials für die Aufwertung von Treibhausgasen für die organische Synthese. Es ist nun möglich, N2O- und CO2-Revalorisierungsstrategien zu kombinieren und Metaxolon (59) zu erhalten, bei dem 66 % der Sauerstoffatome aus Abgas-Rohstoffen stammen42. Ein eindrucksvolleres Beispiel ist die Synthese von Bazedoxifen (68), einem Medikamentenkandidaten gegen Brust- und Bauchspeicheldrüsenkrebs. Die drei Phenolbausteine ​​konnten aus den Ausgangshalogeniden schnell und in guten Ausbeuten erhalten werden (64–66). Die anschließende Fischer-Indol-Synthese ermöglicht den Zugang zum Indol 67 und ermöglicht die Synthese von Bazedoxifen (68), wobei alle O-Atome aus N2O stammen (Lit. 43, 44, 45, 46). Während für die Vorstufe 63 mit 1 Mol-% Katalysatorbeladung eine Ausbeute von 42 % erzielt werden konnte, wurde mit der gleichen Katalysatorbeladung eine Ausbeute von <10 % an 14 beobachtet, wobei eine erhebliche Protodehalogenierung des Ausgangsiodids 61 erfolgte, was die subtilen Unterschiede zwischen Aryliodiden hervorhebt und Arylbromide in diesem System.

Durch einen besonderen grundlegenden organometallischen Schritt wurde ein katalytisches Protokoll für die Aufwertung von N2O als grünes, mildes und chemoselektives O-Atom-Insertionsreagenz für die organische Synthese erschlossen. Mechanistisch fundierte Einblicke in die Reaktivität von N2O mit Ni-Komplexen deuten darauf hin, dass formal niedervalentes Ni(I)-Aryl die O-Insertion auf effiziente Weise ermöglicht. Das inerte N2O-Molekül unterliegt der Aktivierung unter milden Bedingungen für die selektive Synthese von Phenolen aus Arylhalogeniden. Das katalytische System verfügt über einen elektronisch asymmetrischen dreizähnigen Liganden auf Bipyridinbasis (L50) für das Ni-Zentrum, der eine selektive C-O-Bindungsbildung ermöglicht. Die beschriebenen Bedingungen sind einfach und robust und ermöglichen die Phenolbildung in dicht funktionalisierten Molekülen. Während andere katalytische Protokolle nukleophile HO‒-Gegenstücke nutzen, stellt diese Methode ein einzigartiges Beispiel für die katalytische C-O-Bindungsbildung mit einer elektrophilen O-Atom-Quelle dar, die wiederum basenempfindliche Funktionalitäten aufnehmen kann. Darüber hinaus demonstriert dieses Protokoll die Machbarkeit des Zugangs zu relevanten Medikamenten, für die N2O die einzige Quelle für Sauerstoffatome ist.

Einzelheiten zu den Verfahren, Optimierung, Charakterisierung und Mechanismen, einschließlich Spektren neuer Verbindungen und Verbindungen, die mit der beschriebenen Methode hergestellt wurden, finden Sie in den Zusatzinformationen. Kristallographische Daten für Verbindung 10 können kostenlos von www.ccdc.cam.ac.uk unter der Referenznummer 2114695 bezogen werden.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05064-7

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Finanzielle Unterstützung für diese Arbeit wurde bereitgestellt von der Max-Planck-Gesellschaft, dem Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, dem Fonds der Chemischen Industrie (FCI-VCI), dem Schweizerischen Nationalfonds (Early Mobility Postdoctoral Fellowship (Stipendiennummer 184406), 2019– 2021) (FLV) und Universidad de Oviedo-Banco Santander (Mobility Fellowship SG-P.). Wir danken A. Fürstner für Diskussionen und großzügige Unterstützung. Wir danken auch den Mitgliedern der analytischen Abteilung am MPI-Kohlenforschung für die Unterstützung bei der Charakterisierung von Verbindungen.

Open-Access-Förderung durch die Max-Planck-Gesellschaft.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Ana Mateos Calbet, Silvia Gonzalez-Pelayo

Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Germany

Franck Le Vaillant, Ana Mateos Calbet, Silvia González-Pelayo, Shengyang Ni, Julia Busch und Josep Cornella

Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, Mülheim an der Ruhr, Germany

Edward J. Reijerse

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JC und FLV hatten die Idee. FLV entwarf den Ansatz, optimierte den Prozess, führte die Experimente durch, analysierte die experimentellen Daten und erstellte die ergänzenden Informationen. SG-P. half in den Anfangsphasen der Katalyseoptimierung. AMC führte Ligandensynthesen durch und beteiligte sich an mechanistischen Studien. SN führte die Reaktionen mit markierten Verbindungen durch und half beim Umfang, der Skalierbarkeit und den Einschränkungen des berichteten Protokolls. EJR führte EPR-Messungen und -Analysen durch. JB half bei der Skalierung des optimierten Liganden und bei der Synthese der Ausgangsmaterialien für diesen Anwendungsbereich. Das Manuskript wurde von FLV und JC geschrieben. Das Projekt wurde von JC geleitet

Korrespondenz mit Josep Cornella.

Das Max-Planck-Institut für Kohlenforschung hat das in diesem Artikel beschriebene Verfahren zum Patent angemeldet (EP21202163.8).

Nature dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Diese Datei enthält allgemeine Methoden, chemische Verbindungen, Abbildungen und Referenzen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Le Vaillant, F., Mateos Calbet, A., González-Pelayo, S. et al. Katalytische Synthese von Phenolen mit Lachgas. Natur 604, 677–683 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04516-4

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Eingegangen: 21. Juli 2021

Angenommen: 04. Februar 2022

Veröffentlicht: 27. April 2022

Ausgabedatum: 28. April 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04516-4

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Naturchemie (2022)

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