Please wait a minute...
Frontiers of Chemical Science and Engineering

ISSN 2095-0179

ISSN 2095-0187(Online)

CN 11-5981/TQ

Postal Subscription Code 80-969

2018 Impact Factor: 2.809

Front. Chem. Sci. Eng.    2018, Vol. 12 Issue (1) : 3-8    https://doi.org/10.1007/s11705-017-1693-4
COMMUNICATION
Mild and highly regioselective synthesis of biaryl acids via Rh(I)-catalyzed cross-dehydrogenative coupling of benzoic acids using sodium chlorite as oxidant
Yun Liu1,2, Youquan Zhu1, Chaojun Li1()
1. Department of Chemistry, FQRNT Center for Green Chemistry and Catalysis, McGill University, Montreal, Quebec, H3A0B8, Canada
2. Department of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangsu Normal University, Xuzhou 221116, China
 Download: PDF(242 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

A mild and efficient synthesis for the biaryl acids via rhodium-catalyzed cross-dehydrogenative coupling reaction has been developed. This novel protocol with sodium chlorite as an oxidant featured many advantages such as mild reaction conditions, high regioselectivity, tolerance of various functional groups, and good to excellent yields.

Keywords biaryl acids      cross-dehydrogenative coupling      rhodium-catalyzed     
Corresponding Author(s): Chaojun Li   
Just Accepted Date: 30 October 2017   Online First Date: 26 December 2017    Issue Date: 26 February 2018
 Cite this article:   
Yun Liu,Youquan Zhu,Chaojun Li. Mild and highly regioselective synthesis of biaryl acids via Rh(I)-catalyzed cross-dehydrogenative coupling of benzoic acids using sodium chlorite as oxidant[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2018, 12(1): 3-8.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-017-1693-4
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/Y2018/V12/I1/3
Fig.1  Scheme 1 Rhodium-catalyzed dimerization of benzoic acid
Entry Additive /equiv Oxidant /equiv T /°C Yield /%b)
1 none MnO2 (3) 125 14
2 CoCl2 (0.25) MnO2 (3) 125 31
3 NiCl2 (0.25) MnO2 (3) 125 37
4 NiCl2 (0.25)c) MnO2 (3) 125 25
5 NiCl2 (0.25) KIO4 (3) 125 0
6 NiCl2 (0.25) LiClO4 (3) 125 0
7 NiCl2 (0.25) NaClO2 (4) 125 100
8 NiCl2 (0.25) NaClO2 (4) 80 21
9 HOAc (0.25) NaClO2 (4) 80 38
10 HOAc (1) NaClO2 (4) 80 48
11 HOAc (1)d) NaClO2 (4) 80 0
12
13
14f)
HOAc (1)
HOAc (1)
HOAc (1)
NaClO2 (4)
NaClO2 (3)
NaClO2 (4)
100
100
100
96 (90)e)
91(85)
88 (82)
Tab.1  Optimization of reaction conditions a)

Tab.2  Substrate scope of benzoic acidsa), b)
Fig.5  Scheme 2 Comparison of the two catalytic systems
Fig.6  Scheme 3Plausible mechanism
1 Surry D S, Buchwald  S L. Diamine ligands in copper-catalyzed reactions. Chemical Science (Cambridge), 2010, 1(1): 13–31
https://doi.org/10.1039/c0sc00107d
2 Magano J, Dunetz  J R. Large-scale applications of transition metal-catalyzed couplings for the synthesis of pharmaceuticals. Chemical Reviews, 2011, 111(3): 2177–2250
https://doi.org/10.1021/cr100346g
3 Seechurn C C J,  Kitching M O,  Colacot T J,  Snieckus V. Palladium-catalyzed cross-coupling: A historical contextual perspective to the 2010 Nobel Prize. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(21): 506–5085
4 Girard S A, Knauber  T, Li C J. The cross-dehydrogenative coupling of C(sp3)-H bonds: A versatile strategy for C‒C bond formations. Angewandte Chemie International Edition, 2014, 53(1): 74–100
https://doi.org/10.1002/anie.201304268
5 Li C J. Cross-dehydrogenative coupling (CDC): Exploring C-C bond formations beyond functional group transformations. Accounts of Chemical Research, 2009, 42(2): 335–344
https://doi.org/10.1021/ar800164n
6 Li Z, Bohle  D S, Li  C J. Cu-catalyzed cross-dehydrogenative coupling: A versatile strategy for C‒C bond formations via the oxidative activation of sp3 C‒H bonds. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103(24): 8928–8933
https://doi.org/10.1073/pnas.0601687103
7 Sarhan A A O,  Bolm C. Iron(III) chloride in oxidative C–C coupling reactions. Chemical Society Reviews, 2009, 38(9): 2730–2744
https://doi.org/10.1039/b906026j
8 Sun C L, Li  B J, Shi  Z J. Direct C‒H transformation via iron catalysis. Chemical Reviews, 2011, 111(3): 1293–1314
https://doi.org/10.1021/cr100198w
9 Yeung C S, Dong  V M. Catalytic dehydrogenative cross-coupling: Forming carbon-carbon bonds by oxidizing two carbon-hydrogen bonds. Chemical Reviews, 2011, 111(3): 1215–1292
https://doi.org/10.1021/cr100280d
10 Liu C, Zhang  H, Shi W,  Lei A W. Bond formations between two nucleophiles: Transition metal catalyzed oxidative cross-coupling Reactions. Chemical Reviews, 2011, 111(3): 1780–1824
https://doi.org/10.1021/cr100379j
11 Shang X, Liu  Z Q. Transition metal-catalyzed C(vinyl)‒C(vinyl) bond formation via double C(vinyl)‒H bond activation. Chemical Society Reviews, 2013, 42(8): 3253–3260
https://doi.org/10.1039/c2cs35445d
12 Liu C, Yuan  J W, Gao  M, Tang S,  Li W, Shi  R Y, Lei  A W. Oxidative coupling between two hydrocarbons: An update of recent C‒H functionalizations. Chemical Reviews, 2015, 115(22): 12138–12204
https://doi.org/10.1021/cr500431s
13 Ashenhurst J A. Intermolecular oxidative cross-coupling of arenes. Chemical Society Reviews, 2010, 39(2): 540–548
https://doi.org/10.1039/B907809F
14 Stuart D R, Fagnou  K. The catalytic cross-coupling of unactivated arenes. Science, 2007, 316(5828): 1172–1175
https://doi.org/10.1126/science.1141956
15 Hull K L, Sanford  M S. Catalytic and highly regioselective cross-coupling of aromatic C‒H substrates. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(39): 11904–11905
https://doi.org/10.1021/ja074395z
16 Stuart D R, Villemure  E, Fagnou K. Elements of regiocontrol in palladium-catalyzed oxidative arene cross-coupling. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(40): 12072–12073
https://doi.org/10.1021/ja0745862
17 Zhang H B, Liu  L, Chen Y J,  Wang D, Li  C J. “On water”-promoted direct coupling of indoles with 1,4-benzoquinones without catalyst. European Journal of Organic Chemistry, 2006, 2006(4): 869–873
https://doi.org/10.1002/ejoc.200500863
18 Campbell A N, Meyer  E B, Stahl  S S. Regiocontrolled aerobic oxidative coupling of indoles and benzene using Pd catalysts with 4,5-diazafluorene Ligands. Chemical Communications (Cambridge), 2011, 47(37): 10257–10259
https://doi.org/10.1039/c1cc13632a
19 Cambeiro X C, Ahlsten  N, Larrosa I. Au-catalyzed cross-coupling of arenes via double C–H activation. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(50): 15636–15639
https://doi.org/10.1021/jacs.5b10593
20 Xu H,  Shang M,  Dai H X,   Yu J Q. Ligand-controlled para-selective C–H arylation of monosubstituted arenes. Organic Le tters, 2015, 17(15): 3830–3833
21 Wencel-Delord J, Nimphius  C, Patureau F W,  Glorius F. [RhIIICp*]-catalyzed dehydrogenative aryl-aryl bond formation. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(9): 2247–2251
https://doi.org/10.1002/anie.201107842
22 Kuhl N, Hopkinson  M N, Glorius  F. Selective rhodium(III)-catalyzed cross-dehydrogenative coupling of furan and thiophene derivatives. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(33): 8230–8234
https://doi.org/10.1002/anie.201203792
23 Morimoto K, Itoh  M, Hirano K,  Satoh T,  Shibata Y,  Tanaka K,  Miura M. Synthesis of fluorene derivatives through rhodium-catalyzed dehydrogenative cyclization. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(22): 5359–5362
https://doi.org/10.1002/anie.201201526
24 Dong J, Long  Z, Song F,  We N, Guo  Q, Lan J,  You J. Rhodium or ruthenium-catalyzed oxidative C‒H/C‒H cross-coupling: Direct access to extended p-conjugated systems. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(2): 580–584
https://doi.org/10.1002/anie.201207196
25 Zhang T, Lin  W. Metal-organic frameworks for artificial photosynthesis and photocatalysis. Chemical Society Reviews, 2014, 43(16): 5982–5993
https://doi.org/10.1039/C4CS00103F
26 Li D S, Wu  Y P, Zhao  J, Zhang J,  Lu J Y. Metal-organic frameworks based upon non-zeotype 4-connected topology. Coordination Chemistry Reviews, 2014, 261: 1–27
https://doi.org/10.1016/j.ccr.2013.11.004
27 Zhang H X, Wang  F, Yang H,  Tan Y X,  Zhang J,  Bu X. Interrupted zeolite LTA and ATN-type boron imidazolate frameworks. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(31): 11884–11887
https://doi.org/10.1021/ja2040927
28 Zhang Y H, Li  X, Song S. White light emission based on a single component Sm(III) framework and a two component Eu(III)-doped Gd(III) framework constructed from 2,2′-diphenyl dicarboxylate and 1H-imidazo[4,5-f][1,10]-phenanthroline. Chemical Communications, 2013, 49(88): 10397–10399
https://doi.org/10.1039/c3cc46397d
29 Guo S Q, Tian  D, Luo Y H,  Zhang H. Solvothermal synthesis, structure, and luminescence of a 3-D Cd(II) complex assembled with biphenyl-2,5,2′,5′-tetracarboxylic acid involving in situ ligand reaction. Journal of Coordination Chemistry, 2012, 65(2): 308–315
https://doi.org/10.1080/00958972.2011.652099
30 Jurd L. Plant polyphenols. III. The isolation of a new ellagitannin from the pellicle of the walnut. Journal of the American Chemical Society, 1958, 80(9): 2249–2252
https://doi.org/10.1021/ja01542a052
31 Chen D F, Zhang  S X, Xie  L, Xie J X,  Chen K, Kashiwada  Y, Zhou B N,  Wang P, Cosentino  L M, Lee  K H. Anti-aids agents—XXVI. Structure-activity correlations of Gomisin-G-related anti-HIV lignans from Kadsura interior and of related synthetic analogues. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 1997, 5(8): 1715–1723
https://doi.org/10.1016/S0968-0896(97)00118-1
32 Nelson T D, Meyers  A I. A rapid total synthesis of an ellagitannin. Journal of Organic Chemistry, 1994, 59(9): 2577–2580
https://doi.org/10.1021/jo00088a046
33 Parida K N, Moorthy  J N. Synthesis of o-carboxyarylacrylic acids by room temperature oxidative cleavage of hydroxynaphthalenes and higher aromatics with oxone. Journal of Organic Chemistry, 2015, 80(16): 8354–8360
https://doi.org/10.1021/acs.joc.5b00292
34 Zhang D L, Zhou  L Y, Quan  J M, Zhang  W, Gu L Q,  Huang Z S,  An L K. Oxygen insertion of o-quinone under catalytic hydrogenation conditions. Organic Letters, 2013, 15(6): 1162–1165
https://doi.org/10.1021/ol400164e
35 Kang S, Lee  S, Jeon M S,  Kim M, Kim  Y S, Han  H, Yang J W. In situ generation of hydroperoxide by oxidation of benzhydrols to benzophenones using sodium hydride under oxygen atmosphere: Use for the oxidative cleavage of cyclic 1,2-diketones to dicarboxylic acids. Tetrahedron Letters, 2013, 54(5): 373–376
https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2012.10.127
36 Barati B, Moghadam  M, Rahmati A,  Tangestaninejad S,  Mirkhani V,  Mohammadpoor-Baltork I. Ruthenium hydride catalyzed direct oxidation of alcohols to carboxylic acids via transfer hydrogenation: Styrene oxide as oxygen source. Synlett, 2013, 24(1): 90–96
37 Lin G Q, Hong  R. A new reagent system for modified Ullmann-type coupling reactions: NiCl2(PPh3)2/PPh3/Zn/ NaH/toluene. Journal of Organic Chemistry, 2001, 66(8): 2877–2880
https://doi.org/10.1021/jo001563w
38 Ram R N, Singh  V. Palladium(II) chloride/EDTA-catalyzed biaryl homo-coupling of aryl halides in aqueous medium in the presence of ascorbic acid. Tetrahedron Letters, 2006, 47(43): 7625–7628
https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2006.08.056
39 Montoya-Pelaez P J,  Uh Y S,  Lata C, Thompson  M P, Lemieux  R P, Crudden  C M. The synthesis and resolution of 2,2′-, 4,4′-, and 6,6′-substituted chiral biphenyl derivatives for application in the preparation of chiral materials. Journal of Organic Chemistry, 2006, 71(16): 5921–5929
https://doi.org/10.1021/jo060553d
40 Surry D S, Fox  D J, Macdonald  S J F, Spring  D R. Aryl-aryl coupling via directed lithiation and oxidation. Chemical Communications (Cambridge), 2005, (20): 2589–2590
https://doi.org/10.1039/b501939g
41 Gong H, Zeng  H Y, Zhou  F, Li C J. Rhodium(I)-catalyzed regiospecific dimerization of aromatic acids: Two direct C‒H bond activations in water. Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54(19): 5718–5721
https://doi.org/10.1002/anie.201500220
42 Song G Y, Wang  W F, Li  X W. C–C, C–O and C–N bond formation via rhodium-catalyzed oxidative C–H activation. Chemical Society Reviews, 2012, 41(9): 3651–3678
https://doi.org/10.1039/c2cs15281a
43 Colby D A, Bergman  R G, Ellman  J A. Rhodium-catalyzed C-C bond formation via heteroatom-directed C-H bond activation. Chemical Reviews, 2010, 110(2): 624–655
https://doi.org/10.1021/cr900005n
44 Stuart D R, Bertrand-Laperle  M, Burgess K M N,  Fagnou K. Indole synthesis via rhodium catalyzed oxidative coupling of acetanilides and internal alkynes. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(49): 16474–16475
https://doi.org/10.1021/ja806955s
45 Guimond N, Gouliaras  C, Fagnou K. Rhodium(III)-catalyzed isoquinolone synthesis: The N-O bond as a handle for C-N bond formation and catalyst turnover. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(20): 6908–6909
https://doi.org/10.1021/ja102571b
46 Hyster T K, Rovis  T. Rhodium-catalyzed oxidative cycloaddition of benzamides and alkynes via C‒H/N‒H activation. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(30): 10565–10569
https://doi.org/10.1021/ja103776u
47 Patureau F W, Besset  T, Kuhl N,  Glorius F. Diverse strategies toward indenol and fulvene derivatives: Rh-catalyzed C‒H activation of aryl ketones followed by coupling with internal alkynes. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(7): 2154–2156
https://doi.org/10.1021/ja110650m
48 Tan X, Liu  B X, Li  X Y, Li  B, Xu S S,  Song H B,  Wang B Q. Rhodium-catalyzed cascade oxidative annulation leading to substituted naphtho[1,8-bc]pyrans by sequential cleavage of C(sp2)‒H/C(sp3)‒H and C(sp2)‒H/O‒H bonds. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(39): 16163–16166
https://doi.org/10.1021/ja3075242
[1] FCE-17038-OF-LY_suppl_1 Download
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed