تفاعل الربط بين الكربون والذرات غير المعدنية مع الأريل الغني بالإلكترونات بفضل تحفيز النيكل والضوء C–heteroatom coupling with electron-rich aryls enabled by nickel catalysis and light

المجلة: Nature Catalysis، المجلد: 7، العدد: 6
DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-024-01160-1
تاريخ النشر: 2024-05-07

تفاعل الربط بين الكربون والذرات غير المعدنية مع الأريل الغني بالإلكترونات بفضل تحفيز النيكل والضوء

تاريخ الاستلام: 28 سبتمبر 2023
تم القبول: 9 أبريل 2024
نُشر على الإنترنت: 7 مايو 2024
(د) التحقق من التحديثات

شينغيانغ ني® ريا هالدر ديلغام أحمدلي © إدوارد ج. ريجيرس (ب) جوزيب كورنيلا® وتوبياس ريتتر

الملخص

لقد أدى التحفيز الضوئي بالنيكل إلى تطوير غني للتحولات التي يتم تحفيزها بواسطة المعادن الانتقالية لتكوين روابط الكربون-الهيدروجين. من خلال استغلال طاقة الضوء، يمكن للمعادن الانتقالية أن تصل إلى حالات أكسدة يصعب تحقيقها من خلال الكيمياء الحرارية في نظام تحفيزي. على سبيل المثال، تم الإبلاغ عن تفاعلات التحفيز الضوئي بالنيكل لكل من تخليق الأنيلينات والإيثرات العطرية من الهاليدات العطرية (الزائفة). ومع ذلك، فإن الإضافة المؤكسدة إلى أنظمة النيكل البسيطة غالبًا ما تكون بطيئة في غياب روابط خاصة غنية بالإلكترونات، مما يؤدي إلى تحلل المحفز. لذلك، فإن الكواشف العطرية الغنية بالإلكترونات تقع حاليًا خارج نطاق العديد من التحولات في هذا المجال. هنا نقدم حلاً مفاهيميًا لهذه المشكلة ونظهر تفاعلات تكوين روابط الكربون-الهيدروجين المحفزة بالنيكل لأملاح الثيانثرينيوم العطرية، بما في ذلك الأمينية، والأكسدة، والكبريت، والهالوجين. نظرًا لأن خصائص الأكسدة والاختزال لأملاح الثيانثرينيوم العطرية تحددها بشكل أساسي الثيانثرينيوم، يمكن فتح الإضافة المؤكسدة للمانحين العطريين الغنيين بالإلكترونات باستخدام بسيطة. تحت إشعاع الضوء لتشكيل الروابط المرغوبة بين الكربون والذرات غير المتجانسة.

التحفيز بواسطة المعادن الانتقالية الكلاسيكية و تتم تفاعلات الربط المتقاطع من خلال طرق مثبتة جيدًا دورات الأكسدة والاختزال (الشكل 1أ)، التي تهيمن عليها بشكل كبير محفزات البالاديوم . بناءً على هذه التحولات التي غالبًا ما تكون مفهومة جيدًا، وأعمال رائدة مع النيكل وتحفيز النحاس ظهرت جهود حديثة لتحسين التفاعل مع عناصر أكثر استدامة تستهدف عدد متزايد من التقارير في هذا المجال تقليد دورة الأكسدة والاختزال ذات الإلكترونين منخفضي التكافؤ. . لتحقيق هذه الغاية، تم تطوير مجموعة متنوعة من فئات الليغاندات الأنيقة المستندة إلى الفوسفور أو الكربينات غير المتجانسة N تم تصميمها لتحقيق تحفيز منتج بشكل ناجح. تم تحدي هذا النموذج العام للردود منخفضة التكافؤ من خلال تقرير من ماكميلان وبوخوالد، الذين أبلغوا عن تشكيل رابطة C-N محفز بواسطة النيكل دون وجود روابط مساعدة بين هاليدات الأريل والأمينات، باستخدام محفز ضوئي وإشعاع ضوئي. يتميز البروتوكول بالوصول السهل إلى الأنواع عالية التكافؤ Ni (III)، والتي تكون مسؤولة عن الإزالة الاختزالية السريعة والطاقة المنخفضة C-N (الشكل 1a). تم الإبلاغ عن نهج مرتبط يعتمد على النيكل/الضوء الكيميائي من قبل مجموعة ماكميلان لـ تكوين الروابط مع هاليدات الأريل و
الكحوليات ؛ في هذه الحالة، كان من الضروري وجود ربيطة قائمة على النيتروجين لتشكيل رابطة. غياب العوامل الخارجية المعقدة لشيء كان يمثل تحديًا تاريخيًا تشكيل الروابط جذب بسرعة اهتمام المجتمع، مما أدى إلى العديد من التقارير التي ساهمت في توسيع نطاق وفهم تعقيداته الآلية. استنادًا إلى هذا النظام الأكسدة والاختزال و تم تحقيق تفاعلات تشكيل الروابط أيضًا باستخدام النيكل بالاشتراك مع الكيمياء الكهربائية أو نقل الطاقة إلى مركب نيكل (II) المثارة . مؤخرًا، تم الحفاظ على الحرارة III تم افتراض عمليات الاقتران . بغض النظر عن الفروق الميكانيكية الدقيقة بينها، فإن استخدام الهاليدات الأروماتية الغنية بالإلكترونات (الزائفة) كشركاء في التفاعل لا يزال يمثل تحديًا (الشكل 1ب). يُعتقد أن معدل الإضافة التأكسدية الأبطأ لمركبات النيكل ذات القيمة المنخفضة إلى الهاليدات الأروماتية الغنية بالإلكترونات عندما لا تكون هناك روابط داعمة يؤدي إلى تراكم وتجمع أنواع النيكل، مما يؤدي إلى تعطيلها. لقد أظهرت فقط أمثلة محددة ومعزولة من الهاليدات الأروماتية الغنية بالإلكترونات أنها مناسبة لـ تكوين الروابط مع الأساليب الحالية، ويتطلب ذلك ما يصل إلى أسبوع من التفاعل
الشكل 1| أحدث تقنيات اقتران C-الهيدروجين. أ، اقتران تقاطع منخفض التكافؤ بزوجين من الإلكترونات مقابل النيكل عالي التكافؤ دورة الأكسدة والاختزال. ب، هاليد أريل غني بالإلكترونات: قيد متكرر. ج، هذا العمل: منصة تحفيز النيكل العامة الخالية من الليغاند. و ترابط الأرينات الغنية بالإلكترونات والمحايدة. مجموعة مانحة للإلكترونات (EDG).
وقت للأمينات الألكيلية الأولية ولم يتم الإبلاغ عن أي حل عام للمشكلة.
مدفوعين بهذا التحدي الأساسي المستمر في التحفيز، ركزنا اهتمامنا على تقديم حل عام يتضمن الأريل بوسودوهاليدات الغنية بالإلكترونات. تم استدعاء عدة مسارات للإضافة الأكسيدية لـ المجمعات إلى رابطة وهو ما يعرف بالاستبدال الأروماتي النوكليوفيلي نقل إلكترون واحد (SET) إضافة أكسيد متماثلة واستخراج ذرة الهالوجين بغض النظر عن الآلية، فإن نجاح الإضافة الأكسيدية يعتمد إلى حد كبير على التركيب الإلكتروني لمجموعة الأريل (الشكل 1ب). على الرغم من أن خصائص الأكسدة والاختزال للهاليدات الأريلية تعتمد فقط على البدائل الموجودة على الأرين، فإن خصائص الأكسدة والاختزال لأملاح الأريليثيانثرينيوم (ArTT) تحددها بشكل أساسي وحدة الثيانثرينيوم نفسها، التي تعمل كهوائي أكسدة واختزال لفعاليات نقل الإلكترون الأحادي. . عند الاختزال بواسطة إلكترون واحد بواسطة محفز منخفض التكافؤ مثل ملح، انقسام ميسوليت سريع لـ يمكن أن يوفر الرابطة جذر أريل صناعي مفيد. تعتمد هذه العملية على المحاذاة الستيريو إلكترونية لـ مدار الرابطة C-S الخارجية مع -نظام السقالة الثيانثرينيوم ، ومن ثم فهو ملائم حتى للأرينات التي تحتوي على مجموعات بديلة مانحة للإلكترونات. استنادًا إلى القدرة المختزلة المثبتة لـ تحت إشعاع الضوء، كنا نعتزم استخدام مثل هذه الأنواع من أجل الاختزال الأولي لملح ArTT بواسطة إلكترون واحد، تليها ربط أكسيدي للجذر الأريلي لتشكيل المركب المطلوب Ni (III) لـ الإزالة الاختزالية (الشكل 1c). استنادًا إلى هذا النهج، نعرض هنا تفاعل تقاطع روابط C -الهيدروجين المحفز بالنيكل بطريقة مباشرة باستخدام أملاح ArTT المحايدة إلكترونيًا والغنية بالإلكترونات، مما يوفر حلاً للتحدي المستمر في كيمياء النيكل الضوئية. . يعمل البروتوكول في درجة حرارة الغرفة، ولا يتطلب إضافة روابط مساعدة، وهو مناسب لربط النيوكليوفيلات الكبيرة والمفعلّة بكثافة وقطع ملح الثيانثرينيوم، مما يولد بسرعة تعقيدًا في السياقات المتأخرة. يجمع بين الانتقائية تفعيل مع بروتوكول تقاطع عملي وقابل للتطبيق على نطاق واسع للأرينات الغنية بالإلكترونات والمحايدة إلكترونياً يجعل هذه الطريقة مكملة لتفاعلات تشكيل روابط C-الهيدروجين المعروفة التي تحفزها النيكل.

النتائج

تكوين رابطة C-N

تفاعل ملح ArTT وبيبيريدين تحت الإشعاع مع ضوء الصمام الثنائي الباعث للضوء الأزرق (LED)، المحفز بواسطة يؤدي إلى عائد قريب من الكمية الكاملة من في -ثنائي ميثيل أسيتاميد (DMA) كمذيب في في غضون 16 ساعة (الجدول 1أ، الإدخال 1). أكدت التجارب الضابطة ضرورة وجود الضوء (الإدخال 2). .ديغلي م هو أيضًا محفز كفء، على الرغم من يوفر بديلاً أرخص (الدخول 3). سابقًا، أبلغنا عن تفاعل هالوجنة مختلف من الناحية المفاهيمية يتم تحفيزه بواسطة النيكل في غياب الضوء. ، حيث تم استخدام الزنك كعامل اختزال. ومع ذلك، فإن هذه الظروف، حتى مع 1.0 مكافئ من الزنك، أسفرت فقط عن أقل من للمنتج 3 (الإدخال 4). نظام التفاعل المبلغ عنه هنا يختلف عن النهج السابق. يتم من خلال تحفيز النيكل الضوئي، على عكس عملنا السابق، مما يسمح بتفاعلات تشكيل روابط C-الهيدروجين المتنوعة عبر نفس النهج، بينما فشل النهج السابق بعد الهالوجين. في البداية، كانت هناك حاجة إلى 2 مكافئ من الأمين لتحقيق عائد مرتفع للمنتج، بما يتماشى مع دوره كركيزة، والاختزال الناتج عن الضوء. الخفض والقاعدة للتعادل تكونت خلال التفاعل (انظر أدناه). على الرغم من أنها مقبولة للأمينات البسيطة والرخيصة، إلا أن المعادلتين غير مفضلتين للتعديل في المراحل المتأخرة للأمينات الصغيرة المعقدة. لذلك، قمنا بالتحقيق في استخدام الأمينات الثلاثية الخارجية (على سبيل المثال، 3.0 معادل DABCO)، مع الأمين كعامل محدد، مما أدى إلى الحصول على 3 في العائد (الإدخال 5). لم تؤدِ استخدام ضوء UV-A (390 نانومتر) إلى تكوين المنتج، بل أدت إلى تحلل المادة الأولية (الإدخال 6). أدى إضافة 5.0 مكافئ من الماء إلى التفاعل إلى انخفاض طفيف في العائد. المدخل 7). إن وجود جو خامل مهم بشكل خاص لهذه التفاعل؛ حيث تم إنتاج كميات ضئيلة فقط من المنتج عندما تم تنفيذ التفاعل في الهواء (يوفر الجدول التكميلي 3 التفاصيل).
يمكن تحويل أملاح ArTT الغنية بالإلكترونات والمحايدة إلكترونياً إلى منتجات في يؤدي، كما هو موضح في الجدول 1ب. تكمل بروتوكولات الأمين المساعدة الأخرى المعتمدة على النيكل. المواد الفرعية التي تعاني من نقص الإلكترونات تتفاعل بكفاءة أقل (على سبيل المثال، 18). الإضافة التأكسدية
الجدول 1 | تطوير التفاعل ونطاق الأمين من أملاح ArTT: الاكتشاف والتحسين؛ نطاق تحفيز أملاح ArTT
تم الإشارة إلى عوائد المنتجات المعزولة في كل حالة. ظروف التفاعل: 1.0 مكافئ من ملح ArTT، أو ديغليم، 2.0 مكافئ من البيبيريدين ( )، DMA ( 0.1 م )، أزرق ، . عائد NMR باستخدام 1,3,5-تريميثوكسي بنزين كمعيار داخلي؛ العائد المعزول. راجع الطرق التكميلية للإجراءات التجريبية المفصلة.
تتم عملية الأرينات الفقيرة بالإلكترونات بشكل أسرع (انظر أدناه)، ولكن العوائد أقل بسبب التفاعل الجانبي المتنافس الملحوظ لإزالة الوظائف الهيدروجينية. لم يتم تحديد الأسباب التفصيلية لهذا التفاعل الجانبي، إلى حد كبير لأن تحليل الأنواع الأريليكية النيكل في غياب الروابط المساعدة يمثل تحديًا، ولكن قد يكون
نتيجة لنقل ذرة الهيدروجين (HAT) من موضع الأمين أو المذيب توافق مجموعة الوظائف مرتفع، مما يستوعب السلفوناميدات، الأميدات، السيكلوبروبيلات، الإيثرات، البياريلات، الهاليدات، النيتريل، الإستر، الهتروسكلات، الكاربامات والأمينات. جزيئات صغيرة معقدة ومفعلّة مثل
الجدول 2 | نطاق أمين النوكليوفيلات النيتروجينية
تُشير العوائد للمنتجات المعزولة في كل حالة. أملاح ArTT المعادلة أو ديغليم، 2.0 مكافئ من الأمينات الثانوية الألكيلية، DMA (0.1 م)، أزرق ; أملاح ArTT المعادلة، غلايم، 3.0 مكافئ من النيوكليوفيلات النيتروجينية، 3.0 مكافئ من BTMG، DMA (0.1 م)، LED أبيض، انظر الطرق التكميلية للإجراءات التجريبية المفصلة.
يمكن تحويل الفلوريبيروفين (10) ، النيفيراسيتام (14) ، البنزيلوكازوليدينون (15) ، البوسكاليد (19) ، الستريكنين (20) ، الفينبوفين (24) و البيريبروكسي فين (25) إلى المنتجات الأمينية المقابلة، مما يوفر
بروتوكول مفيد للتعديل في المراحل المتأخرة. يمكن أن تشارك الركائز ذات الاستبدال بارا وميتا في التفاعل أيضًا. أما أملاح ArTT المستبدلة في الوضع ortho فتقع خارج نطاق البروتوكول.
الجدول 3 | التمديد لتكوين روابط C-X الأخرى: أ، نطاق تكوين روابط C-O؛ ب، التمديد لتكوين روابط C-X مع بايريبروكسي فين-TT 75
انظر الطرق التكميلية للإجراءات التجريبية المفصلة. عائد NMR باستخدام 1,3,5-ثلاثي ميثوكسي بنزين كمعيار داخلي.
ويسفر عن منتجات ثانوية غير وظيفية مائية بالإضافة إلى المواد الأولية غير المتفاعلة.
مجموعة متنوعة من -النيوكليوفيلات، بما في ذلك الأمينات الألكيلية الأولية، والأمينات الألكيلية الثانوية، والأنيلينات، والسلفوناميدات، والأميدات، أدت بشكل جيد تحت ظروف التفاعل، كما هو موضح في الجدول 2. الأمينات الثانوية الحلقية ذات أحجام حلقات مختلفة، -مشتق البيروليدين الميثيلي، الأمينات المحمية بـ Boc مثل البيبيرازين، والمورفولين، والأمينات المتصلة أو الحلزونية، والبيريميدين، والبينزويزوتيازول كلها متوافقة في التفاعل. يمكن أن ينتج ثنائي ميثيل الأمين المنتج المستهدف 37 بكفاءة. العائد. ومع ذلك، عند استخدام أمين ثانوي خطي مع عائق حجمي أكبر مقارنة بالدايميثيلامين، انخفض العائد، كما هو موضح للمنتج 51. قد يكون الانخفاض في العائد بسبب العائق الحجمي الذي يبطئ التفاعل ويتسبب في إزالة -H عند التناسق مع محفز النيكل . ومع ذلك، مع إضافة 3 مكافئ من 2-تيرت-بيوتيل-1,1,3,3-تيترا ميثيل غوانيدين (BTMG)، يتم تغيير مصدر النيكل إلى غلايم مع تحميل قدره ، وتعرض خليط التفاعل للإشعاع، يمكن أن تشارك الأمينات الأولية أيضًا في التفاعل لإنتاج المنتجات المرغوبة. على الرغم من أن مصابيح LED الزرقاء كانت فعالة أيضًا، إلا أن مصابيح LED البيضاء قدمت عوائد أعلى قليلاً في حالة الأمينات الأولية (الشكل التكميلي 11). سيكلوبروبيلامين، بروبارجيلامين، يمكن أن تشارك الأمينات الألكيلية الأولية والمستبدلة التي تحتوي على حلقات الفيوران جميعها في التفاعل لتوفير المنتج المطلوب
المنتجات في yields. الركائز التي تحتوي على مجموعات وظيفية قابلة للتفاعل الجانبي في تفاعلات الأمين المساعدة بواسطة البالاديوم، مثل الأوليفينات (هيك) وإسترات البورون (سوزوكي)، مقبولة تحت ظروف التفاعل المبلغ عنها هنا. بالإضافة إلى ذلك، فإن المجموعات الوظيفية الحمضية متوافقة أيضًا (على سبيل المثال، 38)، وكانت مشكلة في بروتوكول الأمين المساعد بواسطة البالاديوم الذي تم الإبلاغ عنه سابقًا. .

تمديد لتكوين روابط C-X الأخرى

تم توسيع نظام المحفز المطور ليشمل الميثوكسيليشن ذات الصلة الطبية باستخدام الميثانول كنيوكليوفيل. يمكن أن تشارك كل من أملاح ArTT البسيطة والعالية الوظائف التي تحمل الألكيلات، والهالوجينات، والأميدات، والدورات غير المتجانسة، والإسترات في هذه العملية، كما هو موضح في الجدول 3. يمكن أيضًا أن تشارك الكحوليات الأولية والثانوية، بالإضافة إلى الفينولات، في التفاعل، مع المركبات التي تم إزالة الوظائف منها كمنتجات ثانوية رئيسية. على الرغم من أن بناء تم الإبلاغ عن الروابط مع أملاح ArTT سابقًا ، لم تكن تلك التحولات تحفيزية، وكانت كميات ستوكيومترية من النحاس مطلوبة. بالإضافة إلى ذلك، كانت هناك حاجة لاستخدام مسحوق الزنك غير المتجانس لتكوين العامل المساعد، الذي قد يطرح تحديات على نطاق أوسع. علاوة على ذلك، تشكيل كانت الروابط محدودة على الثيولات العطرية، مما ترك الثيولات الألكيلية خارج النطاق. . في هذا السياق، يتجاوز بروتوكولنا الحالي هذه
الشكل 2 | التطبيقات الاصطناعية. أ، عملية على نطاق جرام لربط الشظايا. TT، ثياثرين. ب، استراتيجية عكسية بديلة. انظر الطرق التكميلية للإجراء التجريبي المفصل. سعر المركبات و تم استرجاعه من سيغما-ألدريتش في 5 يوليو 2023.
الشكل 3| التحقيق الميكانيكي. أ، الآلية المقترحة. RE، الإزالة الاختزالية. ب، تجارب مع النيكل الستيوكيومتري بدون إشعاع ضوئي.
القيود السابقة وتوفر نهجًا موحدًا عبر النيوكليوفيلات من النيتروجين والأكسجين والكبريت. علاوة على ذلك، يمكن استخدام يوديد الصوديوم، وبروميد الصوديوم، وكلوريد التترا بوتيل الأمونيوم (TBACI) كنيوكليوفيلات في نفس النظام التحفيزي، مما يوفر طريقة مباشرة وسهلة لهالوجين المركبات الشبيهة بالأدوية في مرحلة التوظيف المتأخرة، على الرغم من أن التحويل لم يتم توسيعه حتى الآن ليشمل الفلورة (الجدول 3).
لتحقيق قابلية التوسع لبروتوكولنا، قمنا بتنفيذ اقتران جزيئات الدواء على نطاق جرام، كما هو موضح في الشكل 2a. المركب 79 كان سابقًا تمت تخليقها في تسلسل مكون من سبع خطوات، بدءًا من بروميد الأريل . مع بروتوكولنا، يمكننا البدء بعملية الثيانثرينات ، تليها التحفيز واستبدال نوكليوفيل ( رد الفعل، وقادرون على تبسيط التخليق إلى ثلاث خطوات بدءًا من مادة أولية أرخص (الشكل 2ب).
فرضية عمل للتفاعل المحفز بواسطة النيكل تكوين الروابط موضح في الشكل 3أ. استنادًا إلى الأمثلة السابقة من التفاعلات المحفزة بالنيكل باستخدام الفوتوريدوكس ، يُعتقد أن يمكن أن تتولد الأنواع من ملح النيكل (II) البسيط من خلال عملية نقل الشحنة من ligand إلى المعدن (LMCT) عبر الأمين المرتبط تحت إشعاع الضوء . عند الخلط ديغليم مع أمين 2 لمدة 5 دقائق تحت إشعاع LED الأزرق، إشارات تتماشى مع مادة بارامغناطيسية تمت ملاحظة الأنواع بواسطة مطيافية الرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR) (يوفر الشكل التكميلي 4 تفاصيل). دليل إضافي على مشاركة تم توفيره من خلال تجارب أجريت في غياب الضوء. عندما تم خلط و تم دمجه مع ( ) و مؤكسد إلكترون واحد ( ) في الظلام، تم الحصول على محصول رابطة C -N المنتج 3 (الشكل 3ب، الإدخال 1). ومع ذلك، فإن الوجود الوحيد لـ أو ديغليم في غياب الإشعاع، لم ينتج أي منتج مستهدف، وظل 1 غير متفاعل (الشكل 3ب، المدخلات 2 و 3). يمكن أن تتم الإضافة المؤكسدة من خلال SET الأولي إلى كاتيون ArTT. تم قياس قيمة هاميت رو الإيجابية ولكنها صغيرة نسبيًا. يتماشى مع الفرضية القائلة بأن البدائل على الأرين تلعب دورًا أقل في معدل الإضافة التأكسدية، وأن العملية تحكمها بشكل أساسي البنية الإلكترونية للبديل الثيانثرينيوم نفسه. على الرغم من أن الاختلافات تمت ملاحظة القيم سابقًا اعتمادًا على آلية تفاعلات الإضافة المؤكسدة القائمة على النيكل، أكبر تمت ملاحظة قيمة 4 للإضافة التأكسدية للنيكل بواسطة SET إلى اليوديدات العطرية . كما أكدنا أيضًا على متطلبات الإشعاع المستمر للضوء المرئي من خلال إجراء تجارب تشغيل وإيقاف الضوء، مستبعدين إمكانية وجود III الدورة؛ حدثت كل من تفاعل الأمين وتفاعل الأكسدة فقط في وجود الضوء (الأشكال التكميلية 5 و 6). إن الحاجة إلى الضوء لإعادة تنشيط مركب النيكل (I) النشط كيميائيًا بعد الإزالة الاختزالية تتماشى مع الأبحاث السابقة المتعلقة بالتحفيز الضوئي للنيكل. تكوين الروابط . على الرغم من أنه يمكن الحصول على معلومات محددة حول الآلية هنا – مثل الصلة والأهمية لمشاركة تفاصيل الأنواع حول بنية معقد النيكل بعد الإزالة الاختزالية لا تزال غامضة بسبب النظام الحفاز البسيط الذي يفتقر إلى أي روابط مساعدة، والتي يمكن أن تدعم بدورها عزل وتوصيف المعقدات المعدنية الوسيطة. وبالمثل، يمكن تصور مسارات مختلفة قبل الإزالة الاختزالية، مع عدم إمكانية تمييز الفروق الدقيقة مع مجموعة البيانات الحالية لدينا. على سبيل المثال، يمكن أن تسبق الإزالة الاختزالية الإضافة التأكسدية عبر الربط التأكسدي إلى وسيط Ni (III) كما تم الاقتراح، ولكن يمكن أن يكون هناك نقل للطاقة من لا يمكن استبعاد الوسيط الأريلي في هذه المرحلة.

الخاتمة

تمثل عملية تشكيل روابط C-heteroatom المحفزة بواسطة Ni(I) المقدمة هنا نهجًا عامًا لتضمين الكواشف الأريلية الغنية بالإلكترونات في التحفيز الضوئي بالنيكل استنادًا إلى أملاح النيكل البسيطة. من خلال عملية إضافة أكسدة SET مختلفة جوهريًا، توفر أملاح الثيانثرينيوم حلاً للتحدي المستمر المتمثل في اقتران الهاليدات الأريلية الغنية بالإلكترونات (الزائفة). يبدو أن دورة الأكسدة والاختزال مناسبة تمامًا للبنية الإلكترونية لأملاح ArTT وتوفر تقدمًا أساسيًا على التطورات السابقة في التفاعلات. نحن نوضح أنه، جنبًا إلى جنب مع الانتقائية حسب الموقع ثيانثريناتيون، تقدم مساهمتنا نهجًا مميزًا للتنويع في المراحل المتأخرة.

طرق

الإجراء العام لتأمين أملاح ArTT (الأمينات الثانوية الألكيلية)

تم استخدام أنبوب ثقافة مزود بغطاء لولبي من التفلون ومزود بعصا تحريك مغطاة بالتفلون. ملح ArTT ( المكافئ)” والأمين (إذا كان صلبًا، 0.40 مللي مول، 2.0 مكافئ) تم إدخالهما في أنبوب الثقافة، ثم، داخل صندوق قفاز، تم إعداد محلول مخزون من في الجفاف تم إضافته إلى الأنبوب عبر الحقنة عند تم أخذ أنبوب التفاعل
من صندوق القفازات، وتم إضافة الأمين (إذا كان سائلًا، 0.40 مللي مول، 2.0 مكافئ) عبر ميكروسيرينج في تم تحريك خليط التفاعل عند مع الإشعاع بواسطة مصابيح LED الزرقاء تم وضع أنبوب الثقافة الذي يحتوي على خليط التفاعل في وسط مصدرين للضوء، وكانت المسافة إلى كل مصدر ضوء ). بعد 24 ساعة، تم تخفيف المزيج بأسيتات الإيثيل ( )، مغسولة بمحلول ملحي ( ) وجفف فوق عند الترشيح، تم تركيز وتنقية الطبقة العضوية بواسطة كروماتوغرافيا العمود السريع على هلام السيليكا أو كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة التحضيرية (pTLC) للحصول على المنتج المطلوب.

الإجراء العام لتأمين أملاح ArTT (الأمينات الألكيلية الأولية، الأنيلينات، الأميدات والسلفوناميدات)

تم استخدام أنبوب ثقافة مزود بغطاء لولبي من التفلون ومزود بعصا تحريك مغطاة بالتفلون. ملح ArTT ( نظير) و النوكليوفيل النيتروجيني ( تم إدخال (المكافئ، إذا كان صلبًا) في أنبوب الثقافة. تم إدخال أنبوب الثقافة في صندوق القفازات. داخل صندوق القفازات، غلايم ) تم إدخاله في الأنبوب، و DMA جاف ( ) تم إضافته باستخدام حقنة. تم إخراج أنبوب التفاعل من صندوق القفازات، ونيتروجين النوكليوفيل ( معادل، إذا كان سائلًا) و BTMG ( تم إضافة (3.00 مكافئ) باستخدام مايكروسيرنج. تم تحريك المزيج في مع إشعاع LED الأبيض (مصدر الضوء بعيدًا). بعد 24 ساعة، تم تخفيف المزيج بأسيتات الإيثيل ( )، مغسولة بمحلول ملحي ( ) وجفف فوق عند الترشيح، تم تركيز وتنقية الطبقة العضوية بواسطة كروماتوغرافيا العمود السريع على هلام السيليكا أو TLC لتحصيل المنتج المطلوب.

الإجراء العام لتكوين روابط C-heteroatom الحفزية لأملاح ArTT (الكحوليات، الثيولات، الفينولات والهالوجينات)

تم استخدام أنبوب ثقافة مزود بغطاء لولبي من التفلون ومزود بعصا تحريك مغطاة بالتفلون. ملح ArTT ( كوانوكليدين ( (معادل) ونيوكليوفيل (إذا كان صلبًا، 0.201.0 مللي مول، 2.0-10 معادل) تم إدخالهما في أنبوب الثقافة. تم إدخال أنبوب الثقافة إلى صندوق القفازات. داخل صندوق القفازات، غلايم ) تم إدخاله في الأنبوب، و DMA جاف ( ) تم إضافته باستخدام حقنة. تم إخراج أنبوب التفاعل من صندوق القفازات، ثم تم إضافة النوكليوفيل (إذا كان سائلًا، 0.201.0 مللي مول، 2.0-10 مكافئ) باستخدام ميكروحقنة. تم تحريك خليط التفاعل عند مع الإشعاع بواسطة LEDات زرقاء (تم وضع أنبوب الثقافة الذي يحتوي على خليط التفاعل في مركز مصدر الضوء، وكانت المسافة إلى مصدر الضوء هي ). بعد 24 ساعة، تم تخفيف المزيج بأسيتات الإيثيل ( )، مغسولة بمحلول ملحي ( )، وجفف فوق عند الترشيح، تم تركيز وتنقية الطبقة العضوية بواسطة كروماتوغرافيا العمود السريع على هلام السيليكا أو TLC لتحصيل المنتج المطلوب.

توفر البيانات

جميع البيانات المتعلقة بالمواد والطرق، والإجراءات التجريبية، والدراسات الميكانيكية، وطيف الرنين المغناطيسي النووي متاحة في المعلومات التكميلية أو من المؤلفين عند الطلب المعقول.

References

  1. Hartwig, J. F. Evolution of a fourth generation catalyst for the amination and thioetherification of aryl halides. Acc. Chem. Res. 41, 1534-1544 (2008).
  2. Ruiz-Castillo, P. & Buchwald, S. L. Applications of palladium-catalyzed cross-coupling reactions. Chem. Rev. 116, 12564-12649 (2016).
  3. Dorel, R., Grugel, C. P. & Haydl, A. M. The Buchwald-Hartwig amination after 25 years. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 17118-17129 (2019).
  4. Hughes, E. C., Veatch, F. & Elersich, V. N-methylaniline from chlorobenzene and methylamine. Ind. Eng. Chem. 42, 787-790 (1950).
  5. Cramer, R. & Coulson, D. R. Nickel-catalyzed displacement reactions of aryl halides. J. Org. Chem. 40, 2267-2273 (1975).
  6. Ullmann, F. Ueber eine neue Bildungsweise von Diphenylaminderivaten. Chem. Ber. 36, 2382-2384 (1903).
  7. Cristau, H.-J. & Desmurs, J.-R. in Industrial Chemistry Library Vol. 7 (eds Desmurs, J.-R. et al.) 240-263 (Elsevier, 1995).
  8. Marín, M., Rama, R. J. & Nicasio, M. C. Ni-catalyzed amination reactions: an overview. Chem. Rec. 16, 1819-1832 (2016).
  9. Ma, D. & Cai, Q. Copper/amino acid catalyzed cross-couplings of aryl and vinyl halides with nucleophiles. Acc. Chem. Res. 41, 1450-1460 (2008).
  10. Creutz, S. E., Lotito, K. J., Fu, G. C. & Peters, J. C. Photoinduced Ullmann C-N coupling: demonstrating the viability of a radical pathway. Science 338, 647-651 (2012).
  11. Ziegler, D. T. et al. A versatile approach to Ullmann C-N couplings at room temperature: new families of nucleophiles and electrophiles for photoinduced, copper-catalyzed processes. J. Am. Chem. Soc. 135, 13107-13112 (2013).
  12. Morrison, K. M., Yeung, C. S. & Stradiotto, M. Nickel-catalyzed chemoselective arylation of amino alcohols. Angew. Chem. Int. Ed. 62, e202300686 (2023).
  13. Reichert, E. C., Feng, K., Sather, A. C. & Buchwald, S. L. Pd-catalyzed amination of base-sensitive five-membered heteroaryl halides with aliphatic amines. J. Am. Chem. Soc. 145, 3323-3329 (2023).
  14. Gowrisankar, S. et al. A general and efficient catalyst for palladium-catalyzed C-O coupling reactions of aryl halides with primary alcohols. J. Am. Chem. Soc. 132, 11592-11598 (2010).
  15. Tassone, J. P., England, E. V., MacQueen, P. M., Ferguson, M. J. & Stradiotto, M. PhPAd-DalPhos: ligand-enabled, nickel-catalyzed cross-coupling of (hetero)aryl electrophiles with bulky primary alkylamines. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 2485-2489 (2019).
  16. Newman-Stonebraker, S. H., Wang, J. Y., Jeffrey, P. D. & Doyle, A. G. Structure-reactivity relationships of Buchwald-type phosphines in nickel-catalyzed cross-couplings. J. Am. Chem. Soc. 144, 19635-19648 (2022).
  17. Marion, N. et al. Modified (NHC)Pd(allyl)Cl (NHC=N-heterocyclic carbene) complexes for room-temperature Suzuki-Miyaura and Buchwald-Hartwig reactions. J. Am. Chem. Soc. 128, 4101-4111 (2006).
  18. Rull, S. G. et al. Elucidating the mechanism of aryl aminations mediated by NHC-supported nickel complexes: evidence for a nonradical pathway. ACS Catal. 8, 3733-3742 (2018).
  19. Corcoran, E. B. et al. Aryl amination using ligand-free salts and photoredox catalysis. Science 353, 279-283 (2016).
  20. Barker, T. J. & Jarvo, E. R. Umpolung amination: nickel-catalyzed coupling reactions of -dialkyl- -chloroamines with diorganozinc reagents. J. Am. Chem. Soc. 131, 15598-15599 (2009).
  21. Koo, K. & Hillhouse, G. L. Carbon-nitrogen bond formation by reductive elimination from nickel(II) amido alkyl complexes. Organometallics 14, 4421-4423 (1995).
  22. Terrett, J. A., Cuthbertson, J. D., Shurtleff, V. W. & MacMillan, D. W. C. Switching on elusive organometallic mechanisms with photoredox catalysis. Nature 524, 330-334 (2015).
  23. Till, N. A., Tian, L., Dong, Z., Scholes, G. D. & MacMillan, D. W. C. Mechanistic analysis of metallaphotoredox C-N coupling: photocatalysis initiates and perpetuates coupling activity. J. Am. Chem. Soc. 142, 15830-15841 (2020).
  24. Bradley, R. D., McManus, B. D., Yam, J. G., Carta, V. & Bahamonde, A. Mechanistic evidence of a cycle for nickel photoredox amide arylation. Angew. Chem. Int. Ed. 62, e202310753 (2023).
  25. Chan, A. Y. et al. Metallaphotoredox: the merger of photoredox and transition metal catalysis. Chem. Rev. 122, 1485-1542 (2022).
  26. Li, C. et al. Electrochemically enabled, nickel-catalyzed amination. Angew. Chem. Int. Ed. 56, 13088-13093 (2017).
  27. Kawamata, Y. et al. Electrochemically driven, Ni-catalyzed aryl amination: scope, mechanism and applications. J. Am. Chem. Soc. 141, 6392-6402 (2019).
  28. Kudisch, M., Lim, C.-H., Thordarson, P. & Miyake, G. M. Energy transfer to Ni-amine complexes in dual catalytic, light-driven C-N cross-coupling reactions. J. Am. Chem. Soc. 141, 19479-19486 (2019).
  29. Sun, R., Qin, Y. & Nocera, D. G. General paradigm in photoredox nickel-catalyzed cross-coupling allows for light-free access to reactivity. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 9527-9533 (2020).
  30. Gisbertz, S., Reischauer, S. & Pieber, B. Overcoming limitations in dual photoredox/nickel-catalysed C-N cross-couplings due to catalyst deactivation. Nat. Catal. 3, 611-620 (2020).
  31. Tang, T. et al. Interrogating the mechanistic features of -mediated aryl iodide oxidative addition using electroanalytical and statistical modeling techniques. J. Am. Chem. Soc. 145, 8689-8699 (2023).
  32. Portnoy, M. & Milstein, D. Mechanism of aryl chloride oxidative addition to chelated palladium(0) complexes. Organometallics 12, 1665-1673 (1993).
  33. Tsou, T. T. & Kochi, J. K. Mechanism of oxidative addition. Reaction of nickel(0) complexes with aromatic halides. J. Am. Chem. Soc. 101, 6319-6332 (1979).
  34. Amatore, C. & Pfluger, F. Mechanism of oxidative addition of palladium(0) with aromatic iodides in toluene, monitored at ultramicroelectrodes. Organometallics 9, 2276-2282 (1990).
  35. Biscoe, M. R., Fors, B. P. & Buchwald, S. L. A new class of easily activated palladium precatalysts for facile C -N cross-coupling reactions and the low temperature oxidative addition of aryl chlorides. J. Am. Chem. Soc. 130, 6686-6687 (2008).
  36. Berger, F. et al. Site-selective and versatile aromatic C-H functionalization by thianthrenation. Nature 567, 223-228 (2019).
  37. Li, J. et al. Photoredox catalysis with aryl sulfonium salts enables site-selective late-stage fluorination. Nat. Chem. 12, 56-62 (2020).
  38. Ni, S. et al. Nickel meets aryl thianthrenium salts: Ni(I)-catalyzed halogenation of arenes. J. Am. Chem. Soc. 145, 9988-9993 (2023).
  39. Ghosh, I. et al. General cross-coupling reactions with adaptive dynamic homogeneous catalysis. Nature 619, 87-93 (2023).
  40. Lim, C.-H., Kudisch, M., Liu, B. & Miyake, G. M. C-N cross-coupling via photoexcitation of nickel-amine complexes. J. Am. Chem. Soc. 140, 7667-7673 (2018).
  41. Shields, B. J., Kudisch, B., Scholes, G. D. & Doyle, A. G. Long-lived charge-transfer states of nickel(II) aryl halide complexes facilitate bimolecular photoinduced electron transfer. J. Am. Chem. Soc. 140, 3035-3039 (2018).
  42. Engl, P. S. et al. C-N cross-couplings for site-selective late-stage diversification via aryl sulfonium salts. J. Am. Chem. Soc. 141, 13346-13351 (2019).
  43. Sang, R. et al. Site-selective C-H oxygenation via aryl sulfonium salts. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 16161-16166 (2019).
  44. Cabrera-Afonso, M. J., Granados, A. & Molander, G. A. Sustainable thioetherification via electron donor-acceptor photoactivation using thianthrenium salts. Angew. Chem. Int. Ed. 61, e202202706 (2022).
  45. Zhu, J., Ye, Y., Yan, Y., Sun, J. & Huang, Y. Highly regioselective dichalcogenation of alkenyl sulfonium salts to access 1,1-dichalcogenalkenes. Org. Lett. 25, 5324-5328 (2023).
  46. Urade, Y. et al. Preparation of 4-((pyrrol-2-yl)carbonyl)-N-(piperidin-4-yl)-1-piperazinecarboxamide compounds having a prostaglandin D synthase (PGDS) inhibitory effect. PCT patent WO2011090062 (2011).
  47. Till, N. A., Oh, S., MacMillan, D. W. C. & Bird, M. J. The application of pulse radiolysis to the study of intermediates in Ni-catalyzed cross-coupling reactions. J. Am. Chem. Soc. 143, 9332-9337 (2021).
  48. Ting, S. I., Williams, W. L. & Doyle, A. G. Oxidative addition of aryl halides to a Ni(I)-bipyridine complex. J. Am. Chem. Soc. 144, 5575-5582 (2022).
  49. Pierson, C. N. & Hartwig, J. F. Mapping the mechanisms of oxidative addition in cross-coupling reactions catalysed by phosphine-ligated Ni(0). Nat. Chem. https://doi.org/10.1038/ s41557-024-01451-x (2024).

شكر وتقدير

تم توفير الدعم المالي لهذا العمل من قبل جمعية ماكس بلانك، معهد ماكس بلانك لبحوث الفحم، وصندوق الصناعة الكيميائية (VCI-FCI). نشكر الأقسام التحليلية (طيف الرنين المغناطيسي النووي، مطيافية الكتلة وHPLC) في معهد ماكس بلانك لبحوث الفحم على الدعم في توصيف المركبات.

مساهمات المؤلفين

س.ن.، ج.س. و ت.ر. تصوروا هذا المشروع. س.ن. طور تشكيل روابط C-الهجينة. س.ن. و ر.هـ. استكشفوا نطاق تكوين الروابط. استكشف S.N. و D.A. نطاق وتشكيل روابط الهالوجين. قام E.J.R. بإجراء تجارب EPR. كتب S.N. و J.C. و T.R. الورقة. أدار J.C. و T.R. المشروع.

تمويل

تم توفير تمويل الوصول المفتوح من قبل جمعية ماكس بلانك.

المصالح المتنافسة

قد تستفيد T.R. من مبيعات المركبات المتعلقة بالثيانثرين. يعلن المؤلفون الآخرون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية

معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على مواد إضافية متاحة علىhttps://doi.org/10.1038/s41929-024-01160-1.
يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى جوزيب كورنيلا أو توبياس ريتتر.
تُعرب مجلة ناتشر كاتاليزيس عن شكرها لينهوا هوانغ والمراجعين الآخرين المجهولين على مساهمتهم في مراجعة هذا العمل.
معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة علىwww.nature.com/reprints.
ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينغر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح. هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، ستحتاج إلى الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/.
(ج) المؤلفون 2024
  1. معهد ماكس بلانك لبحوث الفحم، مولهيم على نهر الرور، ألمانيا. معهد الكيمياء العضوية، جامعة RWTH آخن، آخن، ألمانيا.
    معهد ماكس بلانك لتحويل الطاقة الكيميائية، مولهيم على نهر الرور، ألمانيا. البريد الإلكتروني: cornella@kofo.mpg.de; ritter@kofo.mpg.de

Journal: Nature Catalysis, Volume: 7, Issue: 6
DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-024-01160-1
Publication Date: 2024-05-07

C-heteroatom coupling with electron-rich aryls enabled by nickel catalysis and light

Received: 28 September 2023
Accepted: 9 April 2024
Published online: 7 May 2024
(D) Check for updates

Shengyang Ni® , Riya Halder , Dilgam Ahmadli © , Edward J. Reijerse (B) , Josep Cornella® & Tobias Ritter

Abstract

Nickel photoredox catalysis has resulted in a rich development of transition-metal-catalysed transformations for carbon-heteroatom bond formation. By harnessing light energy, the transition metal can attain oxidation states that are difficult to achieve through thermal chemistry in a catalytic manifold. For example, nickel photoredox reactions have been reported for both the synthesis of anilines and aryl ethers from aryl(pseudo) halides. However, oxidative addition to simple nickel systems is often sluggish in the absence of special, electron-rich ligands, leading to catalyst decomposition. Electron-rich aryl electrophiles therefore currently fall outside the scope of many transformations in the field. Here we provide a conceptual solution to this problem and demonstrate nickel-catalysed C-heteroatom bond-forming reactions of arylthianthrenium salts, including amination, oxygenation, sulfuration and halogenation. Because the redox properties of arylthianthrenium salts are primarily dictated by the thianthrenium, oxidative addition of highly electron-rich aryl donors can be unlocked using simple under light irradiation to form the desired C-heteroatom bonds.

The canonical transition-metal-catalysed and cross-coupling reactions proceed through well-established redox cycles (Fig. 1a), largely dominated by palladium catalysts . Building on these often well-understood transformations, and seminal work with nickel and copper catalysis , recent efforts to improve the reactivity with more sustainable elements have appeared . An increasing number of reports in this area have targeted mimicking the low-valent twoelectron redox cycle . To this end, a variety of elegant ligand classes based on phosphorous or N -heterocyclic carbenes have been designed to successfully achieve productive catalysis. This general low-valent redox paradigm was challenged by a report from MacMillan and Buchwald, who reported a nickel-catalysed C-N bond formation without ancillary ligands between aryl halides and amines, using a photocatalyst and light irradiation . The protocol is characterized by facile access to high-valent Ni (III) species, which are responsible for a fast and energetically downhill C-N reductive elimination (Fig. 1a) . A related nickel/photochemical approach has also been reported by the MacMillan group for bond formation with aryl halides and
alcohols ; in this case, a N -based ligand was necessary to form the bond. The absence of complex exogenous ligands for a historically challenging bond formation rapidly attracted the interest of the community, leading to many reports contributing to the expansion of the scope and understanding of its mechanistic intricacies . Based on this redox manifold and bond-forming reactions have also been achieved using nickel in combination with electrochemistry or energy transfer to an excited Ni (II) complex . More recently, thermally sustained III coupling processes have been postulated . Regardless of the subtle mechanistic differences between them, the use of electron-rich aryl (pseudo)halides as coupling partners remains a challenge (Fig. 1b). It is speculated that the slower rate of oxidative addition of low-valent nickel complexes to electron-rich aryl halides when no supporting ligands are present results in accumulation and aggregation of nickel species, resulting in their deactivation. Only specific, isolated examples of electron-rich aryl halides have been shown to be suitable for bond formation with current approaches, and these require up to a week of reaction
Fig. 1|State-of-the-art of C-heteroatom coupling. a, Canonical low-valent two-electron cross-coupling versus the high-valent Ni redox cycle.b, Electron-rich aryl halide: a recurrent limitation. c, This work: a general ligand-free nickel-catalysis platform for the and coupling of electron-rich and neutral arenes. EDG, electron donating group.
time for primary alkyl amines , and no general solution to the problem has been reported.
Intrigued by this persistent fundamental challenge in catalysis, we focused our attention on providing a general solution to include electron-rich aryl pseudohalides. Several pathways have been invoked for the oxidative addition of complexes into the bond , namely nucleophilic aromatic substitution ( , single-electron transfer (SET) , concerted oxidative addition and halogen atom abstraction . Regardless of the mechanism, the success of the oxidative addition is largely dependent on the electronic structure of the aryl group (Fig. 1b). Although the redox properties of aryl halides are solely a function of the substituents on the arene, the redox properties of arylthianthrenium (ArTT) salts are predominantly determined by the thianthrenium unit itself, which acts as a redox antenna for SET events . Upon single-electron reduction by a low-valent catalyst such as a salt, rapid mesolytic cleavage of the bond can provide a synthetically useful aryl radical. This process depends on the stereo-electronic alignment of the orbital of the exocyclic C-Sbond with the -system of the thianthrenium scaffold , and hence is favourable even for arenes with electron-releasing substituents. Based on the demonstrated reducing ability of under light irradiation, we intended to utilize such species for the initial single-electron reduction of ArTT salts, followed by oxidative ligation of the aryl radical to form the required Ni (III) complex for reductive elimination (Fig. 1c). Based on this approach, we show, here, a straightforward nickel-catalysed C -heteroatom bond cross-coupling with electron-neutral and electron-rich ArTT salts, thus providing a solution to the long-standing challenge in nickel photochemistry . The protocol operates at room temperature, does not require the addition of ancillary ligands, and is suitable for the coupling of large and densely functionalized nucleophiles and thianthrenium salt fragments, thus rapidly generating complexity in late-stage contexts. The combination of selective functionalization with a practical and broadly applicable cross-coupling protocol for electron-rich and electron-neutral arenes renders this approach complementary to known nickel-catalysed C-heteroatom bond-forming reactions.

Results

C-N bond formation

The reaction between ArTT salt and piperidine under irradiation with blue light-emitting-diode (LED) light, catalysed by , results in near-quantitative yield of in -dimethylacetamide (DMA) as solvent at within 16 h (Table 1a, entry 1). Control experiments confirmed the necessity for light (entry 2). .diglyme is also a competent catalyst, although provides a cheaper alternative (entry 3). Previously, we reported a conceptually different nickel-catalysed halogenation in the absence of light , in which zinc was used as a reducing reagent. However, these conditions, even with 1.0 equiv. zinc, only resulted in less than of product 3 (entry 4 ). The reaction system reported here is distinct from the previous approach. It proceeds through nickel photocatalysis, unlike our previous work, allowing for various C -heteroatom bond-formation reactions via the same approach, whereas the previous approach failed beyond halogenation. Initially, 2 equiv. amine was required to achieve a high product yield, consistent with its role as the substrate, the reductant for light-induced reduction and the base to neutralize the formed during the reaction (vide infra). Although acceptable for simple, inexpensive amines, the two equivalents are not favourable for late-stage functionalization of complex small-molecule amines. We thus investigated the use of exogenous tertiary amines (for example, 3.0 equiv. DABCO ), with the reagent amine as the limiting reagent, which afforded 3 in yield (entry 5). The use of UV-A light ( 390 nm ) did not lead to product formation, but resulted in decomposition of the starting material (entry 6 ). Adding 5.0 equiv. water to the reaction resulted in only slightly lower yield ( , entry 7 ). An inert atmosphere is particularly important for this reaction; only trace amounts of product were generated when the reaction was executed in air (Supplementary Table 3 provides details).
Electron-rich and electron-neutral ArTT salts can be converted to products in yields, as shown in Table 1b. Complementary to other Ni-catalysed amination protocols , electron-deficient substrates react less efficiently (for example, 18). Oxidative addition
Table 1 | Reaction development and the amination scope of ArTT salts: , discovery and optimization; , scope of the amination of ArTT salts
Yields of isolated products are indicated in each case. Reaction conditions: 1.0 equiv. ArTT salt, or diglyme, 2.0 equiv. piperidine ( ), DMA ( 0.1 M ), blue , . NMR yield using 1,3,5-trimethoxybenzene as the internal standard; Isolated yield. See Supplementary Methods for the detailed experimental procedure.
of electron-poor arenes proceeds faster (vide infra), but the yields are lower due to the observed competing side reaction of hydrodefunctionalization. The detailed reasons for this side reaction were not established, in large part because analysis of the arylnickel species in the absence of ancillary ligands is challenging, but it may be
a consequence of hydrogen atom transfer (HAT) from the position of the amine or the solvent . Functional-group compatibility is high, accommodating sulfonamides, amides, cyclopropyls, ethers, biaryls, halides, nitriles, esters, heterocycles, carbamates and amines. Complex, functionalized small molecules such as
Table 2 | Scope of the amination of nitrogen nucleophiles
Yields of isolated products are indicated in each case. equiv. ArTT salts, or diglyme, 2.0 equiv. secondary alkyl amines, DMA ( 0.1 M ), blue ; equiv. ArTT salts, glyme, 3.0 equiv. nitrogen nucleophiles, 3.0 equiv. BTMG, DMA ( 0.1 M ), white LED, . See Supplementary Methods for the detailed experimental procedure.
flurbiprofen (10), nefiracetam (14), benzyloxazolidinone (15), boscalid (19), strychnine (20), fenbufen (24) and pyriproxyfen (25) can be converted into the corresponding aminated products, providing
a useful protocol for late-stage modification. Substrates with paraand meta-substitution can participate in the reaction as well. The ortho-substituted ArTT salts fall beyond the scope of the protocol,
Table 3 | Extension to other C-X bond formation: a, scope of C-O bond formation; b, extension to C-X bond formation with pyriproxyfen-TT 75
See Supplementary Methods for the detailed experimental procedure. NMR yield using 1,3,5-trimethoxybenzene as the internal standard.
and result in hydrodefunctionalized by-products as well as unreacted starting materials.
A variety of -nucleophiles, including primary alkyl amines, secondary alkyl amines, anilines, sulfonamides and amides, performed well under the reaction conditions, as demonstrated in Table 2. Cyclic secondary amines with different ring sizes, -methyl substituted pyrrolidine, -Boc protected piperazine, morpholine, and fused or spirocyclic-, pyrimidine- and benzoisothiazole-amines are all compatible in the reaction. Dimethylamine could efficiently yield the target product 37 with yield. However, when using a linear secondary amine with larger steric hindrance compared to dimethylamine, the yield decreased, as shown for product 51. The lower yield may be due to steric hindrance slowing the reaction and causing -H elimination upon coordination with the nickel catalyst . However, with the addition of 3 equiv. 2 -tert-butyl-1,1,3,3-tetramethylguanidine (BTMG), switching the nickel source to glyme with a loading of , and irradiation of the reaction mixture, primary amines could also engage in the reaction to furnish the desired products. Although blue LEDs were also effective, white LEDs provided slightly higher yields in the case of primary amines (Supplementary Fig. 11). Cyclopropylamine, propargylamine, -substituted and primary alkyl amines containing furan rings can all participate in the reaction to furnish the desired
products in yields. Substrates with functional groups that are susceptible to side reactions in Pd-catalysed amination reactions, such as olefins (Heck) and boronic esters (Suzuki), are tolerated under the reaction conditions reported here. In addition, acidic functional groups are also compatible (for example, 38), and are problematic in our previously reported Pd -catalysed amination protocol .

Extension to other C-X bond formation

The developed catalyst system was extended to medicinally relevant methoxylation using MeOH as nucleophile. Both simple and highly functionalized ArTT salts bearing alkyls, halogens, amides, heterocycles and esters can be engaged in this process, as shown in Table 3. Other primary and secondary alcohols, as well as phenols, can also participate in the reaction, with hydrodefunctionalized compounds as the main by-products. Although the construction of bonds with ArTT salts has been reported previously , those transformations were not catalytic, and stoichiometric amounts of copper were required. Additionally, for halogenation, the use of heterogeneous zinc powder was required for the formation of the catalyst, which could pose challenges on a larger scale. Furthermore, the formation of bonds was limited to aromatic thiols, leaving alkyl thiols beyond the scope . In this context, our current protocol overcomes these
Fig. 2 | Synthetic applications. a, Gram-scale process for fragment coupling. TT, thianthrene. b, Alternative retro-synthetic strategy. See Supplementary Methods for the detailed experimental procedure. The price of compounds and was retrieved from Sigma-Aldrich on 5 July 2023.
Fig. 3| Mechanistic investigation. a, Proposed mechanism. RE, reductive elimination. b, Experiments with stoichiometric nickel without light irradiation.
previous limitations and provides a unified approach across nitrogen, oxygen and sulfur nucleophiles. Moreover, sodium iodide, sodium bromide and tetrabutylammonium chloride (TBACI) can be used as nucleophiles in the same catalytic manifold, which provides a straightforward and easy method for the halogenation of drug-like molecules in a late-stage functionalization, although the transformation has thus far not been extendable to fluorination (Table 3).
To validate the scalability of our protocol, we performed a gram-scale fragment coupling of two drug molecules, as highlighted in Fig. 2a. Compound 79 was previously synthesized in a seven-step sequence, starting from aryl bromide . With our protocol, we can begin with thianthrenation of , followed by amination and a nucleophilic substitution ( ) reaction, and are able to streamline the synthesis to three steps starting from a cheaper starting material (Fig. 2b).
A working hypothesis for the Ni-catalysed bond formation is depicted in Fig. 3a. Based on previous examples of photoredox nickel-catalysed reactions , it is speculated that species may be generated from the simple Ni (II) salt through a ligand-to-metal charge transfer (LMCT) process through the ligated amine under light irradiation . When mixing diglyme with amine 2 for 5 min under blue LED irradiation, signals consistent with a paramagnetic species were observed by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy (Supplementary Fig. 4 provides details). Additional evidence for the involvement of was provided by experiments performed in the absence of light. When a mixture of and was combined with ( ) and one-electron oxidant ( ) in the dark, a yield of C -N bond product 3 was obtained (Fig. 3b, entry 1). However, the sole presence of or diglyme in the absence of irradiation did not produce any target product, and 1 remained unreacted (Fig. 3b, entries 2 and 3). Oxidative addition could proceed by initial SET to the ArTT cation. A measured positive but relatively small Hammett rho value of is consistent with the hypothesis that the substituents on the arene play less of a role for the rate of oxidative addition, and the process is primarily governed by the electronic structure of the thianthrenium substituent itself. Although different values have been observed previously depending on the mechanism of the nickel-based oxidative addition reactions, a larger value of 4 was observed for the oxidative addition of nickel by SET to aryl iodides . We also confirmed the requirement for continuous visible-light irradiation by performing light on/off experiments, excluding the possibility of a self-sustained III cycle; both the amination reaction and the oxygenation reaction proceeded only in the presence of light (Supplementary Figs. 5 and 6). The requirement of light for reactivation to a catalytically active Ni (I) complex after reductive elimination is in agreement with previous research regarding related nickel photoredox bond formation . Although specific information about the mechanism could be obtained here-such as the relevance and importance of the involvement of species-details on the structure of the nickel complex after reductive elimination remain elusive due to the simple catalytic system deprived of any ancillary ligands, which could otherwise support isolation and characterization of the intermediate metal complexes. Similarly, different pathways prior to reductive elimination are conceivable, with the subtle differences not being discernible with our current set of data. For example, reductive elimination could be preceded by oxidative addition via oxidative ligation to a Ni (III) intermediate as suggested, but an energy transfer from a aryl intermediate cannot be excluded at this stage.

Conclusion

The Ni(I)-catalysed C-heteroatom bond formation presented here represents a general approach to include electron-rich aryl electrophiles in nickel photoredox catalysis based on simple nickel salts. Through a fundamentally distinct SET oxidative addition process, thianthrenium salts provide a solution to the long-standing challenge of coupling electron-rich aryl (pseudo)halides. The combination of a redox cycle appears well suited to the electronic structure of ArTT salts and provides a fundamental advance over previous reaction developments. We demonstrate that, together with site-selective thianthrenation, our contribution offers a distinct approach for late-stage diversification.

Methods

General procedure for amination of ArTT salts (secondary alkyl amines)

A culture tube with a Teflon screw-cap equipped with a Teflon-coated stir bar was used. ArTT salt ( equiv.) and amine (if solid, 0.40 mmol , 2.0 equiv.) were introduced into the culture tube, then, inside aglovebox, a stock solution of in dry was added into the tube via syringe at . The reaction tube was taken
out of the glovebox, and amine (if liquid, 0.40 mmol , 2.0 equiv.) was added via a microsyringe at . The reaction mixture was stirred at with irradiation by blue LEDs ( ; the culture tube containing the reaction mixture was put in the centre of the two light sources, and the distance to each light source was ). After 24 h , the mixture was diluted with ethyl acetate ( ), washed with brine ( ) and dried over . On filtration, the organic layer was concentrated and purified by flash column chromatography on silica gel or preparative thin layer chromatography (pTLC) to afford the desired product.

General procedure for amination of ArTT salts (primary alkyl amines, anilines, amides and sulfonamides)

A culture tube with a Teflon screw-cap equipped with a Teflon-coated stir bar was used. ArTT salt ( equiv.) and nitrogen nucleophile ( equiv., if solid) were introduced into the culture tube. The culture tube was introduced into a glovebox. Inside the glovebox, glyme ( ) was introduced into the tube, and dry DMA ( ) was added using a syringe. The reaction tube was taken out of the glovebox, and nitrogen nucleophile ( equiv., if liquid) and BTMG ( , 3.00 equiv.) were added using microsyringes. The mixture was stirred at with white LED irradiation (light source away). After 24 h , the mixture was diluted with ethyl acetate ( ), washed with brine ( ) and dried over . On filtration, the organic layer was concentrated and purified by flash column chromatography on silica gel or pTLC to afford the desired product.

General procedure for catalytic C-heteroatom bond formation of ArTT salts (alcohols, thiols, phenols and halogens)

A culture tube with a Teflon screw-cap equipped with a Teflon-coated stir bar was used. ArTT salt ( equiv.), quinuclidine ( equiv.) and nucleophile (if solid, 0.201.0 mmol , 2.0-10 equiv.) were introduced into the culture tube. The culture tube was introduced into a glovebox. Inside the glovebox, glyme ( ) was introduced into the tube, and dry DMA ( ) was added using a syringe. The reaction tube was taken out of the glovebox, then nucleophile (if liquid, 0.201.0 mmol , 2.0-10 equiv.) was added using a microsyringe. The reaction mixture was stirred at with irradiation by blue LEDs (the culture tube containing the reaction mixture was put in the centre of the light source, and the distance to the light source was ). After 24 h , the mixture was diluted with ethyl acetate ( ), washed with brine ( ), and dried over . On filtration, the organic layer was concentrated and purified by flash column chromatography on silica gel or pTLC to afford the desired product.

Data availability

All data relating to the materials and methods, experimental procedures, mechanistic studies and NMR spectra are available in the Supplementary Information or from the authors upon reasonable request.

References

  1. Hartwig, J. F. Evolution of a fourth generation catalyst for the amination and thioetherification of aryl halides. Acc. Chem. Res. 41, 1534-1544 (2008).
  2. Ruiz-Castillo, P. & Buchwald, S. L. Applications of palladium-catalyzed cross-coupling reactions. Chem. Rev. 116, 12564-12649 (2016).
  3. Dorel, R., Grugel, C. P. & Haydl, A. M. The Buchwald-Hartwig amination after 25 years. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 17118-17129 (2019).
  4. Hughes, E. C., Veatch, F. & Elersich, V. N-methylaniline from chlorobenzene and methylamine. Ind. Eng. Chem. 42, 787-790 (1950).
  5. Cramer, R. & Coulson, D. R. Nickel-catalyzed displacement reactions of aryl halides. J. Org. Chem. 40, 2267-2273 (1975).
  6. Ullmann, F. Ueber eine neue Bildungsweise von Diphenylaminderivaten. Chem. Ber. 36, 2382-2384 (1903).
  7. Cristau, H.-J. & Desmurs, J.-R. in Industrial Chemistry Library Vol. 7 (eds Desmurs, J.-R. et al.) 240-263 (Elsevier, 1995).
  8. Marín, M., Rama, R. J. & Nicasio, M. C. Ni-catalyzed amination reactions: an overview. Chem. Rec. 16, 1819-1832 (2016).
  9. Ma, D. & Cai, Q. Copper/amino acid catalyzed cross-couplings of aryl and vinyl halides with nucleophiles. Acc. Chem. Res. 41, 1450-1460 (2008).
  10. Creutz, S. E., Lotito, K. J., Fu, G. C. & Peters, J. C. Photoinduced Ullmann C-N coupling: demonstrating the viability of a radical pathway. Science 338, 647-651 (2012).
  11. Ziegler, D. T. et al. A versatile approach to Ullmann C-N couplings at room temperature: new families of nucleophiles and electrophiles for photoinduced, copper-catalyzed processes. J. Am. Chem. Soc. 135, 13107-13112 (2013).
  12. Morrison, K. M., Yeung, C. S. & Stradiotto, M. Nickel-catalyzed chemoselective arylation of amino alcohols. Angew. Chem. Int. Ed. 62, e202300686 (2023).
  13. Reichert, E. C., Feng, K., Sather, A. C. & Buchwald, S. L. Pd-catalyzed amination of base-sensitive five-membered heteroaryl halides with aliphatic amines. J. Am. Chem. Soc. 145, 3323-3329 (2023).
  14. Gowrisankar, S. et al. A general and efficient catalyst for palladium-catalyzed C-O coupling reactions of aryl halides with primary alcohols. J. Am. Chem. Soc. 132, 11592-11598 (2010).
  15. Tassone, J. P., England, E. V., MacQueen, P. M., Ferguson, M. J. & Stradiotto, M. PhPAd-DalPhos: ligand-enabled, nickel-catalyzed cross-coupling of (hetero)aryl electrophiles with bulky primary alkylamines. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 2485-2489 (2019).
  16. Newman-Stonebraker, S. H., Wang, J. Y., Jeffrey, P. D. & Doyle, A. G. Structure-reactivity relationships of Buchwald-type phosphines in nickel-catalyzed cross-couplings. J. Am. Chem. Soc. 144, 19635-19648 (2022).
  17. Marion, N. et al. Modified (NHC)Pd(allyl)Cl (NHC=N-heterocyclic carbene) complexes for room-temperature Suzuki-Miyaura and Buchwald-Hartwig reactions. J. Am. Chem. Soc. 128, 4101-4111 (2006).
  18. Rull, S. G. et al. Elucidating the mechanism of aryl aminations mediated by NHC-supported nickel complexes: evidence for a nonradical pathway. ACS Catal. 8, 3733-3742 (2018).
  19. Corcoran, E. B. et al. Aryl amination using ligand-free salts and photoredox catalysis. Science 353, 279-283 (2016).
  20. Barker, T. J. & Jarvo, E. R. Umpolung amination: nickel-catalyzed coupling reactions of -dialkyl- -chloroamines with diorganozinc reagents. J. Am. Chem. Soc. 131, 15598-15599 (2009).
  21. Koo, K. & Hillhouse, G. L. Carbon-nitrogen bond formation by reductive elimination from nickel(II) amido alkyl complexes. Organometallics 14, 4421-4423 (1995).
  22. Terrett, J. A., Cuthbertson, J. D., Shurtleff, V. W. & MacMillan, D. W. C. Switching on elusive organometallic mechanisms with photoredox catalysis. Nature 524, 330-334 (2015).
  23. Till, N. A., Tian, L., Dong, Z., Scholes, G. D. & MacMillan, D. W. C. Mechanistic analysis of metallaphotoredox C-N coupling: photocatalysis initiates and perpetuates coupling activity. J. Am. Chem. Soc. 142, 15830-15841 (2020).
  24. Bradley, R. D., McManus, B. D., Yam, J. G., Carta, V. & Bahamonde, A. Mechanistic evidence of a cycle for nickel photoredox amide arylation. Angew. Chem. Int. Ed. 62, e202310753 (2023).
  25. Chan, A. Y. et al. Metallaphotoredox: the merger of photoredox and transition metal catalysis. Chem. Rev. 122, 1485-1542 (2022).
  26. Li, C. et al. Electrochemically enabled, nickel-catalyzed amination. Angew. Chem. Int. Ed. 56, 13088-13093 (2017).
  27. Kawamata, Y. et al. Electrochemically driven, Ni-catalyzed aryl amination: scope, mechanism and applications. J. Am. Chem. Soc. 141, 6392-6402 (2019).
  28. Kudisch, M., Lim, C.-H., Thordarson, P. & Miyake, G. M. Energy transfer to Ni-amine complexes in dual catalytic, light-driven C-N cross-coupling reactions. J. Am. Chem. Soc. 141, 19479-19486 (2019).
  29. Sun, R., Qin, Y. & Nocera, D. G. General paradigm in photoredox nickel-catalyzed cross-coupling allows for light-free access to reactivity. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 9527-9533 (2020).
  30. Gisbertz, S., Reischauer, S. & Pieber, B. Overcoming limitations in dual photoredox/nickel-catalysed C-N cross-couplings due to catalyst deactivation. Nat. Catal. 3, 611-620 (2020).
  31. Tang, T. et al. Interrogating the mechanistic features of -mediated aryl iodide oxidative addition using electroanalytical and statistical modeling techniques. J. Am. Chem. Soc. 145, 8689-8699 (2023).
  32. Portnoy, M. & Milstein, D. Mechanism of aryl chloride oxidative addition to chelated palladium(0) complexes. Organometallics 12, 1665-1673 (1993).
  33. Tsou, T. T. & Kochi, J. K. Mechanism of oxidative addition. Reaction of nickel(0) complexes with aromatic halides. J. Am. Chem. Soc. 101, 6319-6332 (1979).
  34. Amatore, C. & Pfluger, F. Mechanism of oxidative addition of palladium(0) with aromatic iodides in toluene, monitored at ultramicroelectrodes. Organometallics 9, 2276-2282 (1990).
  35. Biscoe, M. R., Fors, B. P. & Buchwald, S. L. A new class of easily activated palladium precatalysts for facile C -N cross-coupling reactions and the low temperature oxidative addition of aryl chlorides. J. Am. Chem. Soc. 130, 6686-6687 (2008).
  36. Berger, F. et al. Site-selective and versatile aromatic C-H functionalization by thianthrenation. Nature 567, 223-228 (2019).
  37. Li, J. et al. Photoredox catalysis with aryl sulfonium salts enables site-selective late-stage fluorination. Nat. Chem. 12, 56-62 (2020).
  38. Ni, S. et al. Nickel meets aryl thianthrenium salts: Ni(I)-catalyzed halogenation of arenes. J. Am. Chem. Soc. 145, 9988-9993 (2023).
  39. Ghosh, I. et al. General cross-coupling reactions with adaptive dynamic homogeneous catalysis. Nature 619, 87-93 (2023).
  40. Lim, C.-H., Kudisch, M., Liu, B. & Miyake, G. M. C-N cross-coupling via photoexcitation of nickel-amine complexes. J. Am. Chem. Soc. 140, 7667-7673 (2018).
  41. Shields, B. J., Kudisch, B., Scholes, G. D. & Doyle, A. G. Long-lived charge-transfer states of nickel(II) aryl halide complexes facilitate bimolecular photoinduced electron transfer. J. Am. Chem. Soc. 140, 3035-3039 (2018).
  42. Engl, P. S. et al. C-N cross-couplings for site-selective late-stage diversification via aryl sulfonium salts. J. Am. Chem. Soc. 141, 13346-13351 (2019).
  43. Sang, R. et al. Site-selective C-H oxygenation via aryl sulfonium salts. Angew. Chem. Int. Ed. 58, 16161-16166 (2019).
  44. Cabrera-Afonso, M. J., Granados, A. & Molander, G. A. Sustainable thioetherification via electron donor-acceptor photoactivation using thianthrenium salts. Angew. Chem. Int. Ed. 61, e202202706 (2022).
  45. Zhu, J., Ye, Y., Yan, Y., Sun, J. & Huang, Y. Highly regioselective dichalcogenation of alkenyl sulfonium salts to access 1,1-dichalcogenalkenes. Org. Lett. 25, 5324-5328 (2023).
  46. Urade, Y. et al. Preparation of 4-((pyrrol-2-yl)carbonyl)-N-(piperidin-4-yl)-1-piperazinecarboxamide compounds having a prostaglandin D synthase (PGDS) inhibitory effect. PCT patent WO2011090062 (2011).
  47. Till, N. A., Oh, S., MacMillan, D. W. C. & Bird, M. J. The application of pulse radiolysis to the study of intermediates in Ni-catalyzed cross-coupling reactions. J. Am. Chem. Soc. 143, 9332-9337 (2021).
  48. Ting, S. I., Williams, W. L. & Doyle, A. G. Oxidative addition of aryl halides to a Ni(I)-bipyridine complex. J. Am. Chem. Soc. 144, 5575-5582 (2022).
  49. Pierson, C. N. & Hartwig, J. F. Mapping the mechanisms of oxidative addition in cross-coupling reactions catalysed by phosphine-ligated Ni(0). Nat. Chem. https://doi.org/10.1038/ s41557-024-01451-x (2024).

Acknowledgements

Financial support for this work was provided by the Max-Planck-Gesellschaft, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, and the Fonds der Chemischen Industrie (VCI-FCI). We thank the analytical departments (NMR spectroscopy, mass spectrometry and HPLC) at the MPI für Kohlenforschung for support in the characterization of compounds.

Author contributions

S.N., J.C. and T.R. conceived this project. S.N. developed the C-heteroatom bond formation. S.N. and R.H. explored the scope of bond formation. S.N. and D.A. explored the scope of and halogen bond formation. E.J.R. performed EPR experiments. S.N., J.C. and T.R. wrote the paper. J.C. and T.R. directed the project.

Funding

Open access funding provided by Max Planck Society.

Competing interests

T.R. may benefit from sales of thianthrene-related compounds. The other authors declare no competing interests.

Additional information

Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41929-024-01160-1.
Correspondence and requests for materials should be addressed to Josep Cornella or Tobias Ritter.
Peer review information Nature Catalysis thanks Yinhua Huang and the other, anonymous, reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work.
Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons. org/licenses/by/4.0/.
(c) The Author(s) 2024
  1. Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Germany. Institute of Organic Chemistry, RWTH Aachen University, Aachen, Germany.
    Max Planck Institut for Chemical Energy Conversion, Mülheim an der Ruhr, Germany. e-mail: cornella@kofo.mpg.de; ritter@kofo.mpg.de