97
Modern Approaches to Cyclobutanes Ru(bipy) 3 + Ru(bipy) 3 2+ Ru(bipy) 3 2+ * i-Pr 2 NEt i-Pr 2 NEt + h Ph O R L n Eu Ph O R L n Eu Ph O R EuL n O O O Ph S 0 S 1 T 1 ISC T 1 sensitizer E h

Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

  • Upload
    others

  • View
    24

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Modern Approaches to Cyclobutanes

Ru(bipy)3+

Ru(bipy)32+

Ru(bipy)32+*

i-Pr2NEt

i-Pr2NEt+

h

Ph

O

R

LnEu

Ph

O

R

LnEu

Ph

O

REuLn

O

OO

Ph

S0

S1T1

ISC

T1

sensitizerE

h

Page 2: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

R2 R1

R4R3

R4

R1

R2

R3

ring openingring expansion(X)n

R1

R2

R3 R4

X = CH2, O, NH

N

OH

SiMe3

O

BF3·OEt2

CH2Cl2N

O

O

N

OOMeCH2N2

THF

O

N

O

O

OMe

Cyclobutanes as Useful Synthetic Precursors

J. C. Namyslo, D. E. Kaufmann, Chem. Rev. 2003, 103, 1485‐1537.

Page 3: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

R2 R1

R4R3

R4

R1

R2

R3

ring openingring expansion(X)n

R1

R2

R3 R4

X = CH2, O, NH

N

OH

SiMe3

O

BF3·OEt2

CH2Cl2N

O

O

N

OOMeCH2N2

THF

O

N

O

O

OMe

E. V. Anslyn, D. A. Dougherty, Modern Physical Organic Chemistry, University Science Books, Sausalito, 2006, pp. 100‐109.

Cyclobutanes as Useful Synthetic Precursors

Page 4: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Cyclobutanes as Useful Synthetic Precursors

R2 R1

R4R3

R4

R1

R2

R3

ring openingring expansion(X)n

R1

R2

R3 R4

X = CH2, O, NH

N

OH

SiMe3

O

BF3·OEt2

CH2Cl2N

O

O

N

OOMeCH2N2

THF

O

N

O

O

OMe

S. Faure, S. Piva‐Le Blanc, O. Piva, Tetrahedron Lett. 1999, 40, 6001‐6004.J. C. Namyslo, D. E. Kaufmann, Chem. Rev. 2003, 103, 1485‐1537.

Page 5: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

R2 R1

R4R3

R4

R1

R2

R3

ring openingring expansion(X)n

R1

R2

R3 R4

X = CH2, O, NH

N

OH

SiMe3

O

BF3·OEt2

CH2Cl2N

O

O

N

OOMeCH2N2

THF

O

N

O

O

OMe

L. M. Reeder, L. S. Hegedus, J. Org. Chem. 1999, 64, 3306‐3311.J. C. Namyslo, D. E. Kaufmann, Chem. Rev. 2003, 103, 1485‐1537.

Cyclobutanes as Useful Synthetic Precursors

Page 6: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Cyclobutanes in Natural Products

O

OH H

H

O

Rhodonoid A

OH

H

H

O

HO

Wallichanol B

H

H

OHHO

O

HO

H

Tsugicoline M

HN

O OH

OH

OH

HH

H

H

OO

TripartilactamO CO2Me

H

H

Hippolachnin A

O

O

OMe

H

OO

H

Elysiapyrone A

O

O

O

OHO

HO

Katsumadain C

HO

OH

OH

Dendrowardol C

O

OH

O

GlcO

BzO

Paeoniflorin

CO2H7

HH H H

HHHH

Pentacycloanammoxic acid

Y.‐Y. Fan, X.‐H. Gao, J.‐M. Yue, Sci. China Chem. 2016, 59, 1126‐1141.

Page 7: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Cyclobutanes in Drug Discovery

E. M. Carreira, T. C. Fessard, Chem. Rev. 2014, 114, 8257‐8322.D. C. Blakemore et al., Bioorg. Med. Chem. 2010, 20, 461‐464.

• defined spatial arrangement

• rigid scaffold

• well-defined exit vectors

NH

N

O

MeO

MeO

MeO

MeO

H

H

NH2

CO2H

Lyrica analog

Procoralan

Page 8: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Cyclobutanes in Drug Discovery

E. M. Carreira, T. C. Fessard, Chem. Rev. 2014, 114, 8257‐8322.D. C. Blakemore et al., Bioorg. Med. Chem. 2010, 20, 461‐464.

• defined spatial arrangement

• rigid scaffold

• well-defined exit vectors

NH

N

O

MeO

MeO

MeO

MeO

H

H

NH2

CO2H

Lyrica analog

Procoralan

Page 9: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Overview: Advances in Cyclobutane Synthesis 

• [2+2] photocycloadditions

• Lewis acid catalyzed [2+2] cycloadditions

• organocatalyzed [2+2] cycloadditions

• ring closures

Page 10: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Mechanistic Considerations

S. Poplata, A. Tröster, Y.‐Q. Zou, T. Bach, Chem. Rev. 2016, 116, 9748‐9815.

Page 11: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Mechanistic Considerations

S. Poplata, A. Tröster, Y.‐Q. Zou, T. Bach, Chem. Rev. 2016, 116, 9748‐9815.

Page 12: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Mechanistic Considerations

S. Poplata, A. Tröster, Y.‐Q. Zou, T. Bach, Chem. Rev. 2016, 116, 9748‐9815.

via first excited triplet state:h

*

S0 S1

ISC

with sensitizer:

S0

S1T1

ISC

T1

sensitizerE

h

T1

Page 13: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Mechanistic Considerations

S. Poplata, A. Tröster, Y.‐Q. Zou, T. Bach, Chem. Rev. 2016, 116, 9748‐9815.

Page 14: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Mechanistic Considerations

S. Poplata, A. Tröster, Y.‐Q. Zou, T. Bach, Chem. Rev. 2016, 116, 9748‐9815.

PET mechanism: catalyst catalyst * catalyst

+e

-eh

Page 15: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

Page 16: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Brimioulle, D. Lenhart, M. M. Maturi, T. Bach, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3872‐3890.

Page 17: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

C. Müller, A. Bauer, T. Bach, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6640‐6642.

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

Page 18: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

C. Müller, A. Bauer, T. Bach, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6640‐6642.

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

Page 19: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

C. Müller, A. Bauer, T. Bach, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6640‐6642.

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

Page 20: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

M. M. Maturi, M. Wenninger, R. Alonso, A. Bauer, A. Pöthig, E. Riedle, T. Bach, Chem. Eur. J. 2013, 19, 7461‐7472.

Page 21: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

M. M. Maturi, M. Wenninger, R. Alonso, A. Bauer, A. Pöthig, E. Riedle, T. Bach, Chem. Eur. J. 2013, 19, 7461‐7472.

Page 22: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Alonso, T. Bach, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 4368‐4371.

Page 23: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Alonso, T. Bach, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 4368‐4371.

Page 24: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Alonso, T. Bach, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 4368‐4371.

Page 25: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

Page 26: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Brimioulle, H. Guo, T. Bach, Chem. Eur. J. 2012, 18, 7552‐7560.

O O

C (50 mol%)h ( = 366 nm)

CH2Cl2–75 °C, 5 h O O

H

84% yield82% ee

WITHOUT SENSITIZER

NB

OBr3Al

XylXylH

CF3

C

Page 27: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Brimioulle, H. Guo, T. Bach, Chem. Eur. J. 2012, 18, 7552‐7560.

O O

C (50 mol%)h ( = 366 nm)

CH2Cl2–75 °C, 5 h O O

H

84% yield82% ee

WITHOUT SENSITIZER

NB

OBr3Al

XylXylH

CF3

C

Page 28: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Brimioulle, H. Guo, T. Bach, Chem. Eur. J. 2012, 18, 7552‐7560.

O O

C (50 mol%)h ( = 366 nm)

CH2Cl2–75 °C, 5 h O O

H

84% yield82% ee

WITHOUT SENSITIZER

NB

OBr3Al

XylXylH

CF3

C

Page 29: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Brimioulle, H. Guo, T. Bach, Chem. Eur. J. 2012, 18, 7552‐7560.

Page 30: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Brimioulle, H. Guo, T. Bach, Chem. Eur. J. 2012, 18, 7552‐7560.

O O

C (50 mol%)h ( = 366 nm)

CH2Cl2–75 °C, 5 h O O

H

84% yield82% ee

WITHOUT SENSITIZER

NB

OBr3Al

XylXylH

CF3

C

Page 31: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Brimioulle, T. Bach, Science 2013, 342, 840‐843.

C (50 mol%)h ( = 366 nm)

CH2Cl2–70 °C, 5 h

84% yield88% ee

WITHOUT SENSITIZER

NB

OBr3Al

XylXylH

CF3

C

N

O

O

N

H

HH

O

O

Page 32: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

R. Brimioulle, T. Bach, Science 2013, 342, 840‐843.

N

O

O

M

Page 33: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

N. Vallavoju, S. Selvakumar, S. Jockusch, M. P. Sibi, J. Sivaguru, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5604‐5608.

O O

D (10 mol%)h ( = 350 nm)

PhMe/xylene–78 °C, 2 h O O

H

77% yield92% ee

NH

S

NH

F

F

F

FOH

F3C

F3CD

WITHOUT SENSITIZER

Page 34: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

N. Vallavoju, S. Selvakumar, S. Jockusch, M. P. Sibi, J. Sivaguru, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5604‐5608.

O O

D (10 mol%)h ( = 350 nm)

PhMe/xylene–78 °C, 2 h O O

H

77% yield92% ee

NH

S

NH

F

F

F

FOH

F3C

F3CD

WITHOUT SENSITIZER

Page 35: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: Enantioselective Variants

N. Vallavoju, S. Selvakumar, S. Jockusch, M. P. Sibi, J. Sivaguru, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5604‐5608.

O O

D (10 mol%)h ( = 350 nm)

PhMe/xylene–78 °C, 2 h O O

H

77% yield92% ee

NH

S

NH

F

F

F

FOH

F3C

F3CD

WITHOUT SENSITIZER

F3C

O

H

N

S

N

H H

F3C

O

O

F

F

F

F

Page 36: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

Page 37: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. A. Ischay, Z. Lu, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8572‐8574.

O

E (5 mol%)MV(PF6)2 (15 mol%)h ( = 400–700 nm)

MgSO4

MeNO2RT, 3.5 h

O

Ph

HH

MeOMeO

Ph

89% yieldd.r. > 10:1

Ru

N

N

N

NN

N

2

2 PF6

E

Page 38: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. A. Ischay, Z. Lu, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8572‐8574.

O

Ru(bpy)3(PF6)2 (5 mol%)MV(PF6)2 (15 mol%)h ( = 400–700 nm)

MgSO4

MeNO2RT, 3.5 h

O

Ph

HH

MeOMeO

Ph

89% yieldd.r. > 10:1

Page 39: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. A. Ischay, Z. Lu, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8572‐8574.

Page 40: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. A. Ischay, Z. Lu, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 8572‐8574.

O

Ru(bpy)3(PF6)2 (5 mol%)MV(PF6)2 (15 mol%)h ( = 400–700 nm)

MgSO4

MeNO2RT, 3.5 h

O

Ph

HH

MeOMeO

Ph

89% yieldd.r. > 10:1

Page 41: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. A. Ischay, M. E. Anzovino, J. Du, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12886‐12887.

O

Ph

O

Ph

F (5 mol%)h ( = 400–700 nm)

LiBF2, i-Pr2NEt

MeCNRT, 50 min

89% yieldd.r. > 10:1

OO

PhPhHH

Ru

N

N

N

NN

N

2

2 Cl

F

Page 42: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. A. Ischay, M. E. Anzovino, J. Du, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12886‐12887.

Page 43: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. A. Ischay, M. E. Anzovino, J. Du, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12886‐12887.

Page 44: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. A. Ischay, M. E. Anzovino, J. Du, T. P. Yoon, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12886‐12887.

Page 45: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

J. Du, K. L. Skubi, D. M. Schultz, T. P. Yoon, Science 2014, 344, 392‐396.

Page 46: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

J. Du, K. L. Skubi, D. M. Schultz, T. P. Yoon, Science 2014, 344, 392‐396.

Ru(bipy)3+

Ru(bipy)32+

Ru(bipy)32+*

i-Pr2NEt

i-Pr2NEt+

h

Ph

O

R

LnEu

Ph

O

R

LnEu

Ph

O

REuLn

O

OO

Ph

DUAL CATALYSIS

–e

Page 47: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

J. Du, K. L. Skubi, D. M. Schultz, T. P. Yoon, Science 2014, 344, 392‐396.

Page 48: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. Riener, D. A. Nicewicz, Chem. Sci. 2013, 4, 2625‐2629.

H (3 mol%)anthracene (50 mol%)

h ( = 450 nm)

MeCN, RT, 24 h

54% yield

MeO

2

MeO OMe

O

PMP

PMPPh

BF4-

H

Page 49: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Photocycloadditons: PET Catalysis

M. Riener, D. A. Nicewicz, Chem. Sci. 2013, 4, 2625‐2629.

h

ORGANIC ELECTRON RELAY SYSTEM

O

PMP

PMPPh

O

PMP

PMPPh

O

PMP

PMPPh

anthracene

anthracene

+

+Ar

R

ArR product

*

–e +e

Page 50: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

Page 51: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

E. Canales, E. J. Corey, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12686‐12687.

Page 52: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

E. Canales, E. J. Corey, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12686‐12687.

A (10 mol%)

CH2Cl2–78 °C, 3 h

87% yield99% ee

NB

OBr3Al

PhPhH

A

OO

OCH2CF3+

O

O

OCH2CF3H

H

Page 53: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

E. Canales, E. J. Corey, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12686‐12687.

A (10 mol%)

CH2Cl2–78 °C, 12 h

97% yieldd.r. = 97:3

92% ee

O

OCH2CF3+

O

OCH2CF3TIPSO

H

OTIPS

Page 54: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

M. R. Luzung, P. Mauleón, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12402‐12403.

C

Ph

MeO2C

MeO2C

B (3 mol%)AgBF4 (6 mol%)

CH2Cl2, RT

MeO2C

MeO2CPh

H

H

O

O

O

O

Ar2P AuCl

AuClPAr2

B

92% yield95% ee

Page 55: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

M. R. Luzung, P. Mauleón, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12402‐12403.

C

Ph

MeO2C

MeO2C

B (3 mol%)AgBF4 (6 mol%)

CH2Cl2, RT

MeO2C

MeO2CPh

H

H

O

O

O

O

Ar2P AuCl

AuClPAr2

B

92% yield95% ee

LAu+

C

Ph

MeO2C

MeO2C

C

Ph

MeO2C

MeO2C

LAu+

MeO2C

MeO2CPh

HH

AuL

MeO2C

MeO2CPh

H

H

Page 56: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

H. Teller, S. Flügge, R. Goddard, A. Fürstner, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1949‐1953.

C

Ph

MeO2C

MeO2C

C (5.5 mol%)AgBF4 (5 mol%)

CH2Cl2, 0 °C

MeO2C

MeO2CPh

H

H

91% yield99% ee

O

O

ArAr

Ar Ar

MeO

MeO

P

Au

Cl

N

Ph

Ph

C

TsN

C

Ph

D (5 mol%)AgBF4 (5 mol%)

CH2Cl2, RT24 h

TsN

Ph

H

H

86% yield94% ee

O

OP

Au

Cl

N

Ph

Ph

D

Page 57: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

H. Teller, S. Flügge, R. Goddard, A. Fürstner, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1949‐1953.A. Z. González, D. Benitez , E. Tkatchouk, W. A. Goddard, III, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5500‐5507.

C

Ph

MeO2C

MeO2C

C (5.5 mol%)AgBF4 (5 mol%)

CH2Cl2, 0 °C

MeO2C

MeO2CPh

H

H

91% yield99% ee

O

O

ArAr

Ar Ar

MeO

MeO

P

Au

Cl

N

Ph

Ph

C

TsN

C

Ph

D (5 mol%)AgBF4 (5 mol%)

CH2Cl2, RT24 h

TsN

Ph

H

H

86% yield94% ee

O

OP

Au

Cl

N

Ph

Ph

D

Page 58: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

S. Suárez‐Pantiga, C. Hernández‐Díaz, E. Rubio, J. M. González, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 11552‐11555.M. Jia, M. Monari, Q.‐Q. Yang, M. Bandini, Chem. Commun. 2015, 51, 2320‐2323.

C

N

Ts

Ph +

LAuCl (5 mol%)AgNTf2 (4.5 mol%)

CH2Cl2, –70 °C2 h

NTsPh

86% yield92% ee

NBoc

+

C

N

OO

LAuCl (2.5 mol%)AgOTf (5 mol%)

CH2Cl2, –60 °C16 h

NBoc

N

O

O

95% yield93% ee

Page 59: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

S. Suárez‐Pantiga, C. Hernández‐Díaz, E. Rubio, J. M. González, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 11552‐11555.M. Jia, M. Monari, Q.‐Q. Yang, M. Bandini, Chem. Commun. 2015, 51, 2320‐2323.

Page 60: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

M. L. Conner, Y. Xu, M. K. Brown, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3482‐3485.

Page 61: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

M. L. Conner, Y. Xu, M. K. Brown, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3482‐3485.

n-Pr

+C

CO2CH2CF3 E (20 mol%)

CH2Cl2, RT16 h n-Pr

CO2CH2CF3

42% yieldd.r. > 20:1

86% ee

n-Pr n-Pr

+C

CO2CH2CF3 E (20 mol%)

CH2Cl2, RT16 h n-Pr

CO2CH2CF3

41% yieldd.r. > 20:1

84% ee

n-Pr n-Pr

n-Pr

Page 62: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

M. L. Conner, Y. Xu, M. K. Brown, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3482‐3485.

SiMe3

+C

CO2Bn E (20 mol%)

CH2Cl2, RT16 h

CO2Bn

Me3Si

85% yield86% ee

NB

OH

PhPhH

E

CF3

Cl

NTf2

Page 63: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

C. M. Rasik, M. K. Brown, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1673‐1676.E. M. Rigsbee, C. Zhou, C. M. Rasik, A. Z. Spitz, J. J. Nichols, M. K. Brown, Org. Biomol. Chem. 2016, 14, 5477‐5480.

Page 64: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Lewis Acid Catalysis

J.‐L. Hu, L.‐W. Feng, L. Wang, Z. Xie, Y. Tang, X. Li, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13151‐13154.

Page 65: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

Page 66: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

K. Ishihara, K. Nakano, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8930‐8931

Page 67: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

K. Ishihara, K. Nakano, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8930‐8931

i-Pr+

BzO CHO A (10 mol%)

EtNO2, –20 °C48 h

CHOOBz

i-Pr

NH

i-BuN

Bn NH2

·2.6 Tf2NH

A

64% yieldd.r. = 92:8

85% ee

Page 68: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

G.‐J. Duan, J.‐B. Ling, W.‐P. Wang, Y.‐C. Luo, P.‐F. Xu, Chem. Commun. 2013, 49, 4625‐4627.

Page 69: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

G.‐J. Duan, J.‐B. Ling, W.‐P. Wang, Y.‐C. Luo, P.‐F. Xu, Chem. Commun. 2013, 49, 4625‐4627.

N

Ph

Ph

OTMSPh NR

NR

Ph

N

PhTMSO Ph

PhH

NPh

TMSO Ph

NR

NH

Ph

OTMSPh

H2O

Ph

NR

H

O

Ph

CHO

H2O

Page 70: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

L. Albrecht, G. Dickmeiss, F. Cruz Acosta, C. Rodríguez‐Escrich, R. L. Davis, K. A. Jørgensen, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2543‐2546.

O

+NO2

Ph

C (20 mol%)N,N-diethyacetamide

H2O, CH2Cl2, RT, 24 h

NO2

Ph Ph

OHC

86% yield99% ee

NH

NH

NH

CF3

CF3

O O

C

Ph

Page 71: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

L. Albrecht, G. Dickmeiss, F. Cruz Acosta, C. Rodríguez‐Escrich, R. L. Davis, K. A. Jørgensen, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2543‐2546.

NN

NO

O

O

OHN

Ar

H

Page 72: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

L. Albrecht, G. Dickmeiss, F. Cruz Acosta, C. Rodríguez‐Escrich, R. L. Davis, K. A. Jørgensen, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2543‐2546.

Page 73: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

G. Talavera, E. Reyes, J. L. Vicario, L. Carrillo, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4104‐4107.

Page 74: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

G. Talavera, E. Reyes, J. L. Vicario, L. Carrillo, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4104‐4107.

O

+NO2

Ph

B (20 mol%)D (20 mol%)

PhMe, –20 °C, 72 h

Ph

Ph

86% yield91% ee

Ph

OH

OO2N

HOH

NH

Ph

OTMSPh

B NH

S

NH

CF3

F3C

CF3

CF3

D

Page 75: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

K. S. Halskov, F. Kniep, V. H. Lauridsen, E. H. Iversen, B. S. Donslund, K. A. Jørgensen, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1685‐1691.

Page 76: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

[2+2] Cycloadditions: Organocatalysis

K. S. Halskov, F. Kniep, V. H. Lauridsen, E. H. Iversen, B. S. Donslund, K. A. Jørgensen, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1685‐1691.

Page 77: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Other [2+2] Cycloadditions

I. Colomer, R. Coura Barcelos, T. J. Donohoe, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4748‐4752.

Page 78: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Other [2+2] Cycloadditions

I. Colomer, R. Coura Barcelos, T. J. Donohoe, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4748‐4752.

Page 79: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Other [2+2] Cycloadditions

I. Colomer, R. Coura Barcelos, T. J. Donohoe, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4748‐4752.

MeO75%

OAc MeO70%

Br

MeO73%

CO2H MeO60%

Page 80: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

Page 81: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

M. Chaumontet, R. Piccardi, N. Audic, J. Itce, J.‐L. Peglion, E. Clot, O. Baudoin, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15157‐15166.

CO2Me

Br

CO2Me

78% yield

Pd(OAc)2 (10 mol%)(t-Bu3PH)BF4 (20 mol%

K2CO3, DMF140 °C, 1 h

Page 82: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

M. Chaumontet, R. Piccardi, N. Audic, J. Itce, J.‐L. Peglion, E. Clot, O. Baudoin, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15157‐15166.

Pd0

CO2Me

Br

CO2Me

PdII

Br L

CO2Me

PdII

O L

CO32-

Br-

O-O

H

PdIIL

OOH

-O

CO2Me

CO2Me

ox. ad.

ligandexchange

protonabstraction

red. elim.

Page 83: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

M. Chaumontet, R. Piccardi, N. Audic, J. Itce, J.‐L. Peglion, E. Clot, O. Baudoin, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15157‐15166.

CO2Me

Br

CO2Me

78% yield

Pd(OAc)2 (10 mol%)(t-Bu3PH)BF4 (20 mol%

K2CO3, DMF140 °C, 1 h

Page 84: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

H. Ito, T. Toyoda, M. Sawamura, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5990‐5992.

PhMe2SiOMs

CuCl (5 mol%), dppp (5 mol%)B2pin2, KOt-Bu

THF, RT, 20 h

PhMe2Si Bpin

93% yieldd.r. > 99:1

SiX "Cu–B"

Cu

Si

B

X

Cu

X

Si B

–CuX

Si B

Page 85: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

H. Ito, T. Toyoda, M. Sawamura, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5990‐5992.

PhMe2SiOMs

CuCl (5 mol%), dppp (5 mol%)B2pin2, KOt-Bu

THF, RT, 20 h

PhMe2Si Bpin

93% yieldd.r. > 99:1

SiX "Cu–B"

Cu

Si

B

X

Cu

X

Si B

–CuX

Si B

Page 86: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

H. Ito, T. Toyoda, M. Sawamura, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5990‐5992.

CuCl (5 mol%), dppp (5 mol%)B2pin2, KOt-Bu

THF, RT, 20 h

PhMe2Si Bpin

76% yieldd.r. = 95:5

PhMe2SiOMs

Me3SiOMs

CuCl (5 mol%), dppp (5 mol%)B2pin2, KOt-Bu

THF, RT, 20 h

Me3Si Bpin

74% yieldd.r. = 99:1

OMs

Bpin

CuCl (5 mol%), dppp (5 mol%)B2pin2, KOt-Bu

THF, RT, 20 h

89% yieldd.r. = 95:5

Page 87: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

Y.‐M. Wang, N. C. Bruno, Á. L. Placeres, S. Zhu, S. L. Buchwald, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10524‐10527.

Ph

Br

Cu(OAc)2 (5 mol%)A (5.5 mol%)

LiOMe, (EtO)2MeSiHTHF, 50 °C, 36 h

Ph

O

O

O

O

PAr2

PAr2

A

83% yield99% ee

Page 88: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

Y.‐M. Wang, N. C. Bruno, Á. L. Placeres, S. Zhu, S. L. Buchwald, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10524‐10527.

LCuH

Ar

Br

ArX

H CuL

H

LCuXAr

H

LiOMe

LiBr

LCuOMe

HSiR3

MeOSiR3

syn-hydrocupration

Page 89: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Closures

Y.‐M. Wang, N. C. Bruno, Á. L. Placeres, S. Zhu, S. L. Buchwald, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10524‐10527.

Ph

Br

Cu(OAc)2 (5 mol%)A (5.5 mol%)

LiOMe, (EtO)2MeSiHTHF, 50 °C, 36 h

Ph

O

O

O

O

PAr2

PAr2

A

83% yield99% ee

Ph

87% yield99% ee

MeO

47% yield97% ee

OMe

MeO

MeO2C

59% yield98% ee

F

79% yield99% ee

S

Page 90: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Expansions

Page 91: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Expansions

J. P. Markham, S. T. Staben, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9708‐9709.

Page 92: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Expansions

J. P. Markham, S. T. Staben, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9708‐9709.

Page 93: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Expansions

J. P. Markham, S. T. Staben, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9708‐9709.

Page 94: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Expansions

F. Kleinbeck, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9178‐9179.

OH

Ph

C

O

Ph

A (2.5 mol%)NaBARF (5 mol%)

DCE, –30 °C, 24 h

76% yield91% ee

MeO

MeO

P

P

AuCl

AuCl

(xyl)2

(xyl)2

A

O

Cy

O

n-hex

O

OBz

O

NPhth

O

Ph

O

CO2Me

85% yield86% ee

89% yield92% ee

99% yield92% ee

97% yield93% ee

95% yield85% ee

99% yield84% ee

Page 95: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Expansions

F. Kleinbeck, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9178‐9179.

OH

Ph

C

O

Ph

A (2.5 mol%)NaBARF (5 mol%)

DCE, –30 °C, 24 h

76% yield91% ee

MeO

MeO

P

P

AuCl

AuCl

(xyl)2

(xyl)2

A

O

Cy

O

n-hex

O

OBz

O

NPhth

O

Ph

O

CO2Me

85% yield86% ee

89% yield92% ee

99% yield92% ee

97% yield93% ee

95% yield85% ee

99% yield84% ee

Page 96: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Ring Expansions

F. Kleinbeck, F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9178‐9179.

OH

Ph

C

O

Ph

A (2.5 mol%)NaBARF (5 mol%)

DCE, –30 °C, 24 h

76% yield91% ee

MeO

MeO

P

P

AuCl

AuCl

(xyl)2

(xyl)2

A

O

Cy

O

n-hex

O

OBz

O

NPhth

O

Ph

O

CO2Me

85% yield86% ee

89% yield92% ee

99% yield92% ee

97% yield93% ee

95% yield85% ee

99% yield84% ee

Page 97: Modern Approaches to Cyclobutanes · R2 R1 R3 R4 R4 R1 R2 R3 ring expansion ring opening (X) n R1 R2 R3 R4 X = CH 2,O, NH N O H SiMe 3 O BF 3·OEt 2 CH 2Cl 2 N O O N O CH OMe 2N 2

Another Approach

R. Panish, S. R. Chintala, D. T. Boruta, Y. Fang, M. T. Taylor, J. M. Fox, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9283‐9286.