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Directing groups (DGs) are moieties installed onto organic molecules to confer regioselectivity in subsequent reactions. DGs have found utility in selective CH activations catalyzed by transition metal (TM) catalysis on starting materials with multiple CH bonds. Despite their utility, DGs are scarcely used in industrial applications due to the generally wasteful nature of conventional DG strategies and their associated increase in step-count. Transient directing groups (TDGs) have been developed to overcome these limitations, with additives reversibly forming adducts with compounds of interest prior to the DG-mediated CH activation, in one-pot processes. However, the use of TDGs still requires harsh conditions to achieve significant yields, hindering broad applications. Chemoenzymatic catalytic cascades have attracted attention due to the mild and environmentally friendly nature of biocatalysis, with the greatest challenge being compatibility issues between biocatalytic and traditional chemical transformations. Here we propose a concurrent chemoenzymatic catalytic cascade that would enable TM-catalyzed DG chemistry via flanking biocatalytic reductive amination to install, and oxidative deamination to remove, a TDG. Preliminary efforts have identified some incompatibilities arising from the biocatalytic portion of the cascade, namely substrate specificity and organic co-solvent tolerance, that need to be addressed to achieve the proposed chemoenzymatic cascade in a one-pot concurrent protocol.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18232号 / 工博第3824号 / 新制||工||1586(附属図書館) / 31090 / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 杉野目 道紀, 教授 吉田 潤一, 教授 村上 正浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés. / The application of transition metals towards direct functionalization processes has exposed an opportunistic new class of carbon-carbon bond forming reactions. Given the undeniable ubiquity of C–H bonds, the possibility of introducing functionality through direct means with minimal preactivation is an irresistible strategy in synthesis. As such one can envision rapidly and efficiently building up complex scaffolds towards complex molecules of interest in a plethora of chemical fields. The focus of this thesis is on the direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes, focusing on arylation technologies. First, the topic of direct arylation will be introduced, with special emphasis being on pyridines (Chapter 1). These molecules comprise the backbone of a myriad of biologically active compounds, and are also relevant in material sciences, agrochemicals, and natural products synthesis. This will be followed by a discussion of work on the palladium-catalyzed direct arylation of N-iminopyridinium ylides with accent on the derivatization of the pyridinium following the sp2 phenylation (Chapter 2). The exploration of this process led to the discovery of direct benzylic arylation when 2-alkyl N¬-iminopyridinium ylides are employed as reacting partners, in addition to palladium-catalyzed Tsuji-Trost allylations, and metal-free direct alkylation via phase transfer catalysis. All of these findings will be discussed in detail. There remains a significant challenge in developing direct processes utilizing inexpensive transition metals. Furthermore, the synthesis of pharmacologically relevant 2-alkenyl pyridines through direct transformations had not yet been reported. We focused on these challenges and developed a copper-catalyzed direct alkenylation of N-iminopyridinium ylides. A novel method to prepare the vinyl iodide coupling partners will also be discussed. The scopes of these reactions are quite large and remarkably chemoselective (Chapter 3). Through the optimization of this direct process we uncovered an unique means of synthesizing 2-substituted pyrazolo[1,5-a]pyridines (Chapter 4). The global process involved a tandem direct functionalization/cyclization sequence, and may be the first account of a direct process used in a cascade. This work also solves an important problem, as the synthesis of these substrates through alternate means is not straightforward. The last two chapters will detail direct arylation technologies that do not involve heterocyclic coupling partners. Chapter 5 will highlight our uncovering of a palladium-catalyzed, directed, umpolung arylation of benzene and other arene derivatives. This was the first account of a direct functionalization whereby the directing group is situated on the pseudo electrophile. Also, it adds to the few examples of direct benzene arylation exisiting in the literature. Finally, a discussion of an atom economical, inexpensive, sustainable iron-catalyzed direct arylation process will be presented with special emphasis on substrate scope and mechanistic investigations (Chapter 6).

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés. / The application of transition metals towards direct functionalization processes has exposed an opportunistic new class of carbon-carbon bond forming reactions. Given the undeniable ubiquity of C–H bonds, the possibility of introducing functionality through direct means with minimal preactivation is an irresistible strategy in synthesis. As such one can envision rapidly and efficiently building up complex scaffolds towards complex molecules of interest in a plethora of chemical fields. The focus of this thesis is on the direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes, focusing on arylation technologies. First, the topic of direct arylation will be introduced, with special emphasis being on pyridines (Chapter 1). These molecules comprise the backbone of a myriad of biologically active compounds, and are also relevant in material sciences, agrochemicals, and natural products synthesis. This will be followed by a discussion of work on the palladium-catalyzed direct arylation of N-iminopyridinium ylides with accent on the derivatization of the pyridinium following the sp2 phenylation (Chapter 2). The exploration of this process led to the discovery of direct benzylic arylation when 2-alkyl N¬-iminopyridinium ylides are employed as reacting partners, in addition to palladium-catalyzed Tsuji-Trost allylations, and metal-free direct alkylation via phase transfer catalysis. All of these findings will be discussed in detail. There remains a significant challenge in developing direct processes utilizing inexpensive transition metals. Furthermore, the synthesis of pharmacologically relevant 2-alkenyl pyridines through direct transformations had not yet been reported. We focused on these challenges and developed a copper-catalyzed direct alkenylation of N-iminopyridinium ylides. A novel method to prepare the vinyl iodide coupling partners will also be discussed. The scopes of these reactions are quite large and remarkably chemoselective (Chapter 3). Through the optimization of this direct process we uncovered an unique means of synthesizing 2-substituted pyrazolo[1,5-a]pyridines (Chapter 4). The global process involved a tandem direct functionalization/cyclization sequence, and may be the first account of a direct process used in a cascade. This work also solves an important problem, as the synthesis of these substrates through alternate means is not straightforward. The last two chapters will detail direct arylation technologies that do not involve heterocyclic coupling partners. Chapter 5 will highlight our uncovering of a palladium-catalyzed, directed, umpolung arylation of benzene and other arene derivatives. This was the first account of a direct functionalization whereby the directing group is situated on the pseudo electrophile. Also, it adds to the few examples of direct benzene arylation exisiting in the literature. Finally, a discussion of an atom economical, inexpensive, sustainable iron-catalyzed direct arylation process will be presented with special emphasis on substrate scope and mechanistic investigations (Chapter 6).

The thesis entitled “Regioselective Functionalization of Indoles using Directing Group Strategy: An Efficient Transition Metal Catalysis” is divided into two sections. Section A, which is presented in three chapters, describes the regioselective alkenylation of indoles using directing group strategy. Whereas, Section B, which is divided in to two chapters, narrates the synthesis of 4-amino indoles using directing group strategy and site selective addition of maleimide to indole at C2-position. Section A Chapter 1. C2-Alkenylation of indoles The indole ring system is one of the most abundant heterocycles present in nature. The synthesis and functionalization of indoles is one of the major areas of focus for synthetic organic chemists.1 Alkenylation of indole at C2-position is a challenging task due to the electrophilic nature of the reaction. For this reason, the functionalization of indole at C2-position is less addressed. In this chapter, a highly regioselective alkenylation of indole at the C2-position has been described by using the Ru(II) catalyst and employing a directing group (DG) strategy.2 This directing group strategy offers rare selectivity for the alkenylation of N-benzoylindole at the C2-position in the presence of the more reactive C3-position. A variety of N-benzoylindole derivatives are shown to undergo alkenylation at C2-positon. Deprotection of the benzoyl group has also been demonstrated, and the resulting products serve as a useful synthon for synthesizing a variety of natural products. A few representative examples are highlighted in Scheme 1.3 1 (a) Cacchi, S.; Fabrizi, G. Chem. Rev. 2005, 105, 2873. (b) Karamyan, K. A. J.; Hamann, M. T. Chem. Rev. 2010, 110, 4489. 2 (a) Lyons, T. W.; Sanford, M. S. Chem. Rev. 2010, 110, 1147. (b) Engle, K. M.; Mei, T.-S.; Wasa, M.; J.-Q. Yu, Acc. Chem. Res. 2012, 45, 788. (c) Neufeldt, S. R.; Sanford, M. S. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 936. (d) Arockiam, P. B.; Bruneau, C.; Dixneuf, P. H. Chem. Rev. 2012, 112, 5879. 3 Lanke, V.; Prabhu, K. R. Org. Lett. 2013, 15, 2818. Scheme 1: C2- Alkenylation of indoles Chapter 2 describes a highly regioselective alkenylation of indoles at the C4-position by employing aldehyde functional group as a directing group, and Ru as a catalyst, under a mild reaction conditions. This approach leads to a short synthetic route for C4-alkenylated indoles, which serve as precursors for ergot alkaloids and related heterocyclic compounds.4 Further The potential of the present strategy has been demonstrated by performing (i) scale up reaction, (ii) selective reduction of olefin double bond and (iii) synthesizing substituted 1,3,4,5-tetrahydrobenzo[cd] in two steps with an overall yield of 68%. 1,3,4,5-Tetrahydrobenzo[cd] is one of the key intermediates for synthesizing ergot alkaloids. A few examples are highlighted in Scheme 2.5 4 (a) Horwell, D. C. Tetrahedron 1980, 36, 3123. (b) Kozikowski, A. P.; Ishida, H. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 4265. (c) Oppolzer, W.; Grayson, J. I.; Wegmann, H.; Urrea, M. Tetrahedron 1983, 39, 3695. (d) Hatanaka, N.; Ozaki, O.; Matsumoto, M. Tetrahedron Lett. 1986, 27, 3169. (e) Horwell, D. C.; Verge, J. P. Phytochemistry 1979, 18, 519. 5 anke, V.; Prabhu, K. R. Org. Lett. 2013, 15, 6262. Scheme 2: C4- Alkenylation of indoles Chapter 3 of Section A, presents a novel mode of selective alkenylation of indoles using Ru and Rh catalyst. In these alkenylation reactions, selectivity between C2- and C4-positions of indole framework has been achieved by altering the property of directing group. Methyl ketone, as directing group, furnishes exclusively C2-alkenylated product, whereas trifluoromethyl ketone as a directing group changes the selectivity to C4, indicating that electronic nature of the directing group controls the choice between a 5-membered and 6-membered metallacycle. Developing such divergent and selective C-H functionalizations, between C2- and C4-positions, on the indole framework can lead to easy and short synthetic routes for natural, unnatural and biologically-active compounds.6 Further screening of other carbonyl derived directing groups revealed that strong and weak directing groups exhibit opposite selectivity. Experimental 6 (a) Bronner, S. M.; Goetz, A. E.; Garg, N. K. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 3832. (b) Nathel, N. F. F.; Shah, T. K.; Bronner, S. M.; Garg, N. K. Chem. Sci., 2014, 5, 2184. (c) A Beilstein/Crossfire search shows that more than 600 C4- substituted indole-containing natural products exist and nearly 10,000 bioactive C4-substituted indoles have been reported. controls, deuteration experiments and preliminary DFT calculations lend support to the proposed mechanism. A few representative examples are highlighted in Scheme 3.7 Scheme 3: C4- vs C2-Alkenylation of ndoles Deuterium Labeling studies were carried out to shed light on the site of metallacycle formation and hence the origin of selectivity. Both COCF3 and COCH3 substrates were independently subjected to both standard conditions A and B, along with either D2O or AcOD as deuterium sources (Scheme 4). 7 Lanke, V.; Bettadapur, K. R.; Prabhu, K. R. Manuscript submitted. Scheme 4: Deuterium labeling studies The Section B is divided into 2 chapters. Chapter 1 presents a method for synthesizing of 3-(indol-2-yl) succinimide derivatives by using a directing group strategy. Selective functionalization at C2-position of indole in the presence of highly reactive C3-position has been achieved. A conjugate addition, instead of Heck-type reaction, has been achieved by careful selection of the alkene partner (maleimides and maleate esters). This selectivity has been achieved by avoiding β-hydride elimination. Succinimide derivatives are structural motifs that are found in many natural products and drug molecules. Moreover, succinimides can be easily reduced into 5-membered pyrrolidine rings, γ-lactams and lactims, which are part of structural scaffolds of useful natural products.8 Further the application of the protocol has been showcased by performing reduction to obtain pyrrolidine and 1,4 diols. A few representative examples are highlighted in Scheme5.9 8 (a)Crider, A. M.; Kolczynski, T. M.; Yates, K. M. J. Med. Chem. 1980, 23, 324. (b) Isaka, M.; Rugseree, N.; Maithip, P.; Kongsaeree, P.; Prabpai, S.; Thebtaranonth, Y. Tetrahedron 2005, 61, 5577. (c) Uddin, J.; Ueda, K.; Siwu, E. R. O.; Kita, M.; Uemura, D. Bioorg. Med. Chem. 2006, 14, 6954. (d) Hubert, J. C.; Wijnberg, J. B. P. A.; Speckamp, W. N. Tetrahedron 1975, 31, 1437. (e) Wijnberg, J. B. P. A.; Schoemaker, H. E.; Speckamp, W. N. Tetrahedron 1978, 34, 179. 9 Lanke, V.; Bettadapur, K. R.; Prabhu, K. R. Org. Lett. 2015, 17, 4662. Scheme 5: Addition of Maleimide to Indole at C2-position Chapter 2 describes a highly regioselective amidation of unprotected indoles at the C4-position by employing aldehyde functional group as a directing group. This reaction has been performed using Ir(III) catalyst, under mild reaction conditions. Thus, an efficient, simple, short synthetic route for C4-amido indoles has been achieved. C4-Amido indoles are privileged molecules, which serve as precursors for indolactum V,10 teleocidin and related heterocyclic compounds.11 To the best our knowledge, this is the first report of using aldehyde as a directing group for amidation reactions. The potential of the present strategy has been demonstrated by performing scaling up reaction, and deprotection of tosyl group to obtain corresponding amines. A few representative examples are highlighted in Scheme 6.12 10 Garg, N. K. et al., J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 3832 11 Kehler, J. J. Med. Chem. 2014, 57, 5823 12 Lanke, V.; Prabhu, K. R. (Manuscript submitted). Scheme 6: C4- amidation of indoles 7