Isotope Effects Reveal the Catalytic Mechanism of the Archetypical Suzuki-Miyaura Reaction

金属转移 氧化加成 催化作用 催化循环 还原消去 芳基 化学 动力学同位素效应 配体(生物化学) 卤代芳基 硼酸化 光化学 药物化学 有机化学 受体 生物化学 物理 量子力学 烷基
作者
Chetan Joshi,Juliet macharia,Joseph A. Izzo,Victor M. Wambua,Sungjin Kim,Jennifer S. Hirschi,Mathew J. Vetticatt
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (5): 2959-2966 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05802
摘要

Experimental and theoretical 13C kinetic isotope effects (KIEs) are utilized to obtain atomistic insight into the catalytic mechanism of the Pd(PPh3)4-catalyzed Suzuki-Miyaura reaction of aryl halides and aryl boronic acids. Under catalytic conditions, we establish that oxidative addition of aryl bromides occurs to a 12-electron monoligated palladium complex (Pd-(PPh3)). This is based on the congruence of the experimental KIE for the carbon attached to bromine (KIEC-Br = 1.020) and predicted KIEC-Br for the transition state for oxidative addition to the Pd(PPh3) complex (1.021). For aryl iodides, the near-unity KIEC-I of ~1.003 suggests that the first irreversible step in the catalytic cycle precedes oxidative addition and is likely the binding of the iodoarene to Pd(PPh3). Our results suggest that the commonly proposed oxidative addition to the 14-electron Pd(PPh3)2 complex can occur only in the presence of excess added ligand or under stoichiometric conditions; in both cases, experimental KIEC-Br of 1.031 is measured, which is identical to the predicted KIEC-Br for the transition state for oxidative addition to the Pd(PPh3)2 complex (1.031). The transmetalation step, under catalytic conditions, is shown to proceed via a tetracoordinate boronate (8B4) intermediate with a Pd-O-B linkage based on the agreement between an experimental KIE for the carbon atom involved in transmetalation (KIEC-Boron = 1.035) and a predicted KIEC-Boron for the 8B4 transmetalation transition state (1.034).
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