Direct Arylation of Heteroarenes Catalyzed by a Palladium-1,10-Phenanthroline Complex

Abstract

A new entry in direct arylation of heteroarenes using Pd(OAc)₂ and 1,10-phenanthroline as a nitrogen-based ligand is reported. The long induction period observed at the initial stage of the reaction was effectively reduced by modification of the catalyst preparation, leading to improved chemical yields (69-92%) and shortening of reaction times (3-10 h).

direct arylation - palladium - 1,10-phenanthroline - heteroarenes - biaryls

References and Notes

For recent reviews on direct arylation or functionalization of aryl C-H bonds, see:

1a Alberico D. Scott ME. Lautens M. Chem. Rev.  2007,  107:  174 

1b Satoh T. Miura M. Chem. Lett.  2007,  36:  200 

1c Seregin IV. Gevorgyan V. Chem. Soc. Rev.  2007,  36:  1173 

1d Campeau L.-C. Stuart DR. Fagnou K. Aldrichimica Acta  2007,  40:  35 

1e Mori A. Sugie A. Bull. Chem. Soc. Jpn.  2008,  81:  548 

1f Kakiuchi F. Kochi T. Synthesis  2008,  3013 

1g Lewis JC. Bergman RG. Ellman JA. Acc. Chem. Res.  2008,  41:  1013 

1h Li B.-J. Yang S.-D. Shi Z.-J. Synlett  2008,  949 

For pioneering works on direct arylation of heteroarenes, see:

2a Nakamura N. Tajima Y. Sakai K. Heterocycles  1982,  17:  235 

2b Akita Y. Itagaki Y. Takizawa S. Ohta A. Chem. Pharm. Bull.  1989,  37:  1477 

2c Ohta A. Akita Y. Ohkuwa T. Chiba M. Fukunaga R. Miyafuji A. Nakata T. Tani N. Aoyagi Y. Heterocycles  1990,  31:  1951 

For pioneering works on direct functionalization of arenes, see:

3a Jia C. Kitamura T. Fujiwara Y. Acc. Chem. Res.  2001,  34:  633 

3b Shilov AE. Shul’pin GB. Chem. Rev.  1997,  97:  2879 

4

In this manuscript, the term ‘direct arylation of heteroarenes’ denotes the reaction of heteroarenes with (pseudo)halo-arenes. For other types of reactions (e.g., directing-group-controlled reactions or the reaction of arenes with organometallic reagents), see ref. 1.

For representative examples of palladium-catalyzed reactions, see:

5a Pivsa-Art S. Satoh T. Kawamura Y. Miura M. Nomura M. Bull. Chem. Soc. Jpn.  1998,  71:  467 

5b Sévignon M. Papillon J. Schulz E. Lemaire M. Tetrahedron Lett.  1999,  40:  5873 

5c Okazawa T. Satoh T. Miura M. Nomura M. J. Am. Chem. Soc.  2002,  124:  5286 

5d Hassan J. Schulz E. Gozzi C. Lemaire M.
J. Mol. Catal. A: Chem.  2003,  195:  121 

5e Glover B. Harvery KA. Liu B. Sharp MJ. Tymoschenko MF. Org. Lett.  2003,  5:  301 

5f Mori A. Sekiguchi A. Masui K. Shimada T. Horie M. Osakada K. Kawamoto M. Ikeda T. J. Am. Chem. Soc.  2003,  125:  1700 

5g Masui K. Ikegami H. Mori A. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  5074 

5h Park C.-H. Ryabova V. Seregin IV. Sromek AW. Gevorgyan V. Org. Lett.  2004,  6:  1159 

5i Lane BS. Sames D. Org. Lett.  2004,  6:  2897 

5j Lane BS. Sames D. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  8050 

5k Bressy C. Alberico D. Lautens M. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  13148 

5l Kobayashi K. Sugie A. Takahashi M. Masui K. Mori A. Org. Lett.  2005,  7:  5083 

5m Campeau L.-C. Rousseaux S. Fagnou K. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  18020 

5n Touré BB. Lane BS. Sames D. Org. Lett.  2006,  8:  1979 

5o Deprez NR. Kalyani D. Krause A. Sanford MS. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  4972 

5p Nakano M. Satoh T. Miura M. J. Org. Chem.  2006,  71:  8309 

5q Bellina F. Cauteruccio S. Rossi R. Eur. J. Org. Chem.  2006,  1379 

5r Battace A. Lemhadri M. Zair T. Doucet H. Santelli M. Organometallics  2007,  26:  472 

5s Wang X. Gribkov DV. Sames D. J. Org. Chem.  2007,  72:  1476 

5t Chiong HA. Daugulis O. Org. Lett.  2007,  9:  1449 

5u Chuprakov S. Chernyak N. Dudnik AS. Gevorgyan V. Org. Lett.  2007,  9:  2333 

5v Iwasaki M. Yorimitsu H. Oshima K. Chem. Asian J.  2007,  2:  1430 

5w Bellina F. Cauteruccio S. Rossi R. J. Org. Chem.  2007,  72:  8543 

5x Turner GL. Morris JA. Greaney MF. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  7996 

5y Larivée A. Mousseau JJ. Charette AB. J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  52 

5z Labrasseur N. Larrosa I.
J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  2926 

6a Campeau L.-C. Bertrand-Laperle M. Leclerc J.-P. Villemure E. Gorelsky S. Fagnou K. J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  3276 

6b Bellina F. Benelli F. Rossi R.
J. Org. Chem.  2008,  73:  5529 

6c Nakano M. Tsurugi H. Satoh T. Miura M. Org. Lett.  2008,  10:  1851 

6d Flegeau EF. Popkin ME. Greaney MF. Org. Lett.  2008,  10:  2717 

6e Gorelsky SI. Lapointe D. Fagnou K. J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  10848 

6f Verrier C. Martin T. Hoarau C. Marsais F. J. Org. Chem.  2008,  73:  7383 

6g Martin T. Verrier C. Hoarau C. Marsais F. Org. Lett.  2008,  10:  2909 

6h Martins A. Lautens M. J. Org. Chem.  2008,  73:  8705 

6i Ackermann L. Althammer A. Fenner S. Angew. Chem. Int. Ed.  2009,  48:  201 

6j Roger J. Pozgan F. Doucet H. J. Org. Chem.  2009,  74:  1179 

6k Liégault B. Lapointe D. Caron L. Vlassova A. Fagnou K. J. Org. Chem.  2009,  74:  1826 

6l Goikhman R. Jacques TL. Sames D. J. Am. Chem. Soc.  2009,  131:  3042 

6m Campeau L.-C. Stuart DR. Leclerc J.-P. Bertrand-Laperle M. Villemure E. Sun H.-Y. Lasserre S. Guimond N. Lecavallier M. Fagnou K. J. Am. Chem. Soc.  2009,  131:  3291 

6n Huestis MP. Fagnou K. Org. Lett.  2009,  11:  1357 

6o Masuda N. Tanba S. Sugie A. Monguchi D. Koumura N. Hara K. Mori A. Org. Lett.  2009,  11:  2297 

6p Zhang Y.-H. Shi B.-F. Yu J.-Q. J. Am. Chem. Soc.  2009,  131:  5072 

6q Yanagisawa S. Ueda K. Sekizawa H. Itami K. J. Am. Chem. Soc.  2009,  131:  14622 

6r Xi P. Yang F. Qin S. Zhao D. Lan J. Gao G. Hu C. You J. J. Am. Chem. Soc.  2010,  132:  1822 

6s René O. Fagnou K. Adv. Synth. Catal.  2010,  352:  2116 

6t Ueda K. Yangisawa S. Yamgauchi J. Itami K. Angew. Chem. Int. Ed.  2010,  49:  8946 

6u Sun H.-Y. Gorelsky SI. Stuart DR. Campeau L.-C. Fagnou K.
J. Org. Chem.  2010,  75:  8180 

For rhodium-catalyzed reactions, see:

7a Lewis JC. Wiedemann SH. Bergmann RG. Ellman JA. Org. Lett.  2004,  6:  35 

7b Wang X. Lane BS. Sames D.
J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  4996 

7c Wiedemann SH. Lewis JC. Ellman JA. Bergmann RG. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  2452 

7d Lewis JC. Wu JY. Bergmann RG. Ellman JA. Angew. Chem. Int. Ed.  2006,  45:  1589 

7e Yanagisawa S. Sudo T. Noyori R. Itami K. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  11748 

7f Yanagisawa S. Sudo T. Noyori R. Itami K. Tetrahedron  2008,  64:  6073 

7g Lewis JC. Berman AM. Bergmann RG. Ellman JA. J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  2493 

7h Berman AM. Lewis JC. Bergmann RG. Ellman JA. J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  14926 

For copper-catalyzed reactions, see:

8a Do H.-Q. Daugulis O. J. Am. Chem. Soc.  2007,  129:  12404 

8b Do H.-Q. Khan RMK. Daugulis O. J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  15185 

8c Ackermann L. Potukuchi HK. Landsberg D. Vicente R. Org. Lett.  2008,  10:  3081 

8d Yoshizumi T. Tsurugi H. Satoh T. Miura M. Tetrahedron Lett.  2008,  49:  1598 

For direct arylation of heteroarenes promoted by other metal species, see:

9a Yanagisawa S. Ueda K. Taniguchi T. Itami K. Org. Lett.  2008,  10:  4673 

9b Caniviet J. Yamaguchi J. Ban I. Itami K. Org. Lett.  2009,  11:  1733 

9c Hachiya H. Hirano K. Satoh T. Miura M. Org. Lett.  2009,  11:  1737 

9d Join B. Yamamoto T. Itami K. Angew. Chem. Int. Ed.  2009,  48:  3644 

9e Liu W. Cao H. Lei A. Angew. Chem. Int. Ed.  2010,  49:  2004 

9f Vallée F. Mousseau JJ. Charrette AB. J. Am. Chem. Soc.  2010,  132:  1514 

10 Palladium-catalyzed polycondensation of 2-bromothio-phenes based on direct arylation has been recently developed, see: Wang Q. Takita R. Kikuzaki Y. Ozawa F. J. Am. Chem. Soc.  2010,  132:  11420 

11 Deprez NR. Sanford MS. Inorg. Chem.  2007,  46:  1924 

12a Biswas B. Sugimoto M. Sakaki S. Organometallics  2000,  19:  3895 

12b Davies DL. Donald SMA. Macgregor SA. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  13754 

12c Garcia-Cuadrado D. de Mendoza P. Braga AAC. Maseras F. Echavarren AM. J. Am. Chem. Soc.  2007,  129:  6880 

12d Lafrance M. Lapointe D. Fagnou K. Tetrahedron  2008,  64:  6015 

12e Pascual S. de Mendoza P. Braga AAC. Maseras F. Echavarren AM. Tetrahedron  2008,  64:  6021 ; and references cited therein

A stoichiometric reaction of [Pd(aryl)I(bipy)] with thiophene in the presence of AgNO₃ and KF to afford 2-arylthiophene has been reported by Mori et. al:

13a Sugie A. Kobayashi K. Suzaki Y. Osakada K. Mori A. Chem. Lett.  2006,  35:  1100 

13b Mori A. Sugie A. Furukawa H. Suzaki Y. Osakada K. Akita M. Chem. Lett.  2008,  37:  542 

13c Sugie A. Furukawa H. Suzaki Y. Osakada K. Akita M. Monguchi D. Mori A. Bull. Chem. Soc. Jpn.  2009,  82:  555 

Cleavage of arene C-H bonds on platinum(II) diimine complexes has been reported:

14a Lersch M. Tilset M. Chem. Rev.  2005,  105:  2471 

14b Wik BJ. Lersch M. Krivokapic A. Tilset M. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  2682 

14c Williams TJ. Labinger JA. Bercaw JE. Organometallics  2007,  26:  281 

14d Williams TJ. Caffyn AJM. Hazari N. Oblad PF. Labinger JA. Bercaw JE. J. Am. Chem. Soc.  2008,  130:  2418 

14e Bercaw JE. Hazari N. Labinger JA. Oblad PF. Angew. Chem. Int. Ed.  2008,  47:  9941 ; and references cited therein

15 Very recently, Shibahara, Murai and co-workers reported a related catalytic system using [Pd^II(1,10-phenanthro-line)₂](PF₆)₂, see: Shibahara F. Yamaguchi E. Murai T. Chem. Commun.  2010,  46:  2471 

16

Isolated Pd(OAc)₂(1,10-phenanthroline) gave a comparable result (69%) under the same conditions.

17

The remaining part of 1a is very probably converted to benzene. The reduction of 1e to give ethyl benzoate was confirmed by GC-MS analysis of the reaction solution of entry 5 in Table  [²] .

In contrast, Pd(OAc)₂ is known to be reduced smoothly to a Pd(0) species in the presence of tertiary phosphine ligands:

18a Ozawa F. Kubo A. Hayashi T. Chem. Lett.  1992,  21:  2177 

18b Amatore C. Jutand A. M’Barki MA. Organometallics  1992,  11:  3009 

18c Amatore C. Carre E. Jutand A. M’Barki MA. Organometallics  1995,  14:  1818