Dual Catalytic Asymmetric Photoredox Coupling of alpha-­ Keto Radicals

Massachusetts Institute Of Technology, Cambridge MA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

PROJECT SUMMARY  The  modern  world  relies  upon  chemistry  to  provide  a  variety  of  essential  materials.  Of  particular  importance is the use of chemical synthesis to generate biologically relevant compounds to prevent, diagnose,  and  treat  disease.  It  is  imperative  to  render  these  processes  as  safe,  sustainable,  and  cost-­effective  as  possible to ensure the long-­term productivity of this field. Two of the most commonly utilized transformations to  this  end  are  oxidation  and  reduction  reactions.  Recently,  photoredox  catalysis  has  been  shown  to  be  a  powerful  tool  to  facilitate  these  reactions.  Photoredox  catalysis  has  the  benefit  of  utilizing  safe,  mild,  and  sustainable  terminal  oxidants  or  reductants  in  conjunction  with  a  small  amount  of  photosensitive  catalyst.  Furthermore,  iron  and  copper  are  earth  abundant  metals  that  have  been  shown  to  effect  a  variety  of  useful  oxidation reactions. However, if iron and copper oxidation reactions can be coupled with photoredox catalysis,  stoichiometric  metal  waste  can  be  circumvented  and  more  sustainable  processes  will  emerge.  An  important  oxidation  reaction  promoted  by  copper  and  iron  is  the  radical  enolate  coupling  with  indoles  to  furnish  substituted  indoles  and  the  radical  enolate  coupling  with  enolates  to  furnish  1,4-­dikeontes.  The  literature  pertaining  to  copper  and  iron  oxidation  is  rich,  however  no  catalytic  examples  exist.  Due  to  the  issues  associated  with  stoichiometric  use  of  copper  and  iron,  catalytic  asymmetric  methodologies  with  these  stoichiometric  oxidants  are  rare.  By  using  an  inexpensive  terminal  oxidant  to  re-­oxidize  copper  or  iron,  chiral  ligands may be employed on the metal centers to impart asymmetry on the bond formation.   The  Buchwald  group  has  a  history  of  developing  catalytic  reactions  that  are  useful  to  the  industrial  and  academic  arenas.  In  order  to  develop  an  asymmetric  dual  catalytic  oxidation  of  enolates  to  to  couple  with  indoles  and  enolates  we  will  first  explore  the  racemic  reaction  with  catalytic  amounts  of  copper  or  iron  in  the  presence  of  a  photocatalyst  and  stoichiometric  terminal  oxidant.  Once  the  racemic  reaction  has  been  developed  and  understood,  we  will  explore  the  use  of  chiral  ligands  on  copper  and  iron  to  generate  an  asymmetric enolate coupling reaction. We will also explore the implementation of this chemistry in photo-­flow  reactors. Finally, this reaction will be used as a tool effect surface modification through photo-­patterning.   The  research  proposed  herein  presents  an  innovative  approach  to  solving  the  challenges  of  catalytic  oxidation with iron and copper. Furthermore, the use of catalytic copper or iron will allow for the implementation  of asymmetric coupling reactions through the use of chiral ligands. By coupling photoredox catalysis with iron  and  copper  oxidation  chemistry,  these  already  useful  reactions  will  become  significantly  more  powerful.  Furthermore,  the  development  of  catalytic  oxidations  will  allow  for  the  application  of  these  reactions  to  more  diverse systems for chemical and material synthesis.