Synthese neuer Diaminocarbenkomplexe

Mémoire (de fin d'études) , 2005 , 67 Pages , Note: 1.3

Chimie - Chimie Organique

Die Entwicklung neuer chiraler und zugleich sterisch anspruchsvoller Liganden für die Anbindung an Metallzentren stellt eines der zentralen Forschungsgebiete der homogenen Katalyse dar.

In der jüngeren Vergangenheit sind hier verstärkt N-heterocyclische Carbene in den Focus gerückt. Hierbei sind besonders deren elektronische Eigenschaften von entscheidender Bedeutung. So kam das rationale Liganden- und Katalysatordesign in den Vordergrund des aktuellen Interesses, wobei vor allem die elektronische Feinabstimmung im Vordergrund steht. Hervorzuheben sind hierbei insbesondere Anwendungen in Pd0-katalysierten Kreuzkupplungen, sowie Metathesereaktionen zur C-C-Verknüpfung.

Auch bei der homogenen, asymmetrischen Hydrierung, wie zum Beispiel bei der Monsanto-Synthese der nicht proteinogenen Aminosäure L-DOPA, kommt ein chiraler Ruthenium-Phosphinkomplex zum Einsatz. Dieser wurde bereits Ende der fünfziger Jahre von Knowles entwickelt.

Traditionell kommen meist mono- oder bidentate Liganden mit Phosphor oder Stickstoff als Donoratom zum Einsatz. Stellvertretend seien Phosphane, Amine, Amide oder Imide genannt. In den letzten Jahren ist die Klasse der NHC-Liganden verstärkt in den Focus gerückt. Hierbei handelt es sich um Liganden in denen das bivallente Kohlenstoffatom von einem freien Elektronenpaar und von zwei substituierten Stickstoffatomen flankiert ist. Neuere Entwicklungen beinhalten anstelle des Kohlenstoffatoms nun auch Silicium ( Silylene ) (2) oder Germanium (Germylene ).

Inhaltsverzeichnis

I. Theoretischer Teil
1.1 W-heterocyclische Carbene
1.1.1 Die Verbindungsklasse der Carbene
1.1.2 NHC-Liganden und deren Übergangsmetalle in der Synthesechemie
1.1.3 Synthese der Imidazoliumsalze
1.1.4 Synthese freier W-heterocyclischer Carbene
1.1.5 Allgemeiner Zugang zu Metall-NHC-Komplexen
1.1.6 Palladium-NHC-Komplexe
1.2 Übergangsmetall vermittelte Kreuzkupplungen
1.2.1 Die Suzuki-Kupplung
1.2.2 Anwendungen von Palladium-NHC-Komplexen
1.2.3 Die Metathese-Reaktion
1.2.4 Metathesekatalysatoren auf Rutheniumbasis

II. Allgemeiner Teil
2.1 Zielsetzung
2.2 Strukturprinzip der chiralen NHC-Liganden
2.3 Synthese der chiralen Carbenvorstufen
2.4 Versuche zur Darstellung von Pd-NHC-Komplexen
2.4.1 Schlussfolgerungen
2.5 Versuche zur Darstellung der freien Carbene meso- / rac-47
2.5.1 Schlussfolgerungen
2.6 in-situ-Aktivität das Liganden in Suzuki-Kupplungen
2.6.1 Schlussfolgerungen
2.7 Versuche zur Darstellung eines Hoveyda-Blechert-homologen Metathesekatalysators
2.8 Fazit und Ausblick

III. Experimenteller Teil
1. Allgemeine Bemerkungen und Arbeitstechniken
1.1 Analysengeräte
1.2 Apparaturen
1.3 Reinigung und Trocknung der Lösungsmittel
1.4 Chemikalien
1.5 Chromatographie
2. Versuchsvorschriften und spektroskopische Daten
2.1 Synthese der Liganden
2.2 in-situ-Aktivität des Liganden in Suzuki-Kupplungen

IV. Anhang
1. Verzeichnis der Abkürzungen
2. Literaturverzeichnis

Die vorliegende Diplomarbeit wurde unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. Siegfried Blechert im Zeitraum September 2004 bis März 2005 am Institut für Chemie, Fachgruppe für Organische Chemie der Technischen Universität Berlin angefertigt.

Herrn Prof. Dr. Siegfried Blechert danke ich für die interessante und anspruchsvolle Fragestellung, seiner stetigen Diskussionsbereitschaft, seinem Interesse an der Arbeit und dem Vertrauen das er in mich gesetzt hat.

Weiterhin danke ich Frau Prof. Dr. Karola Rück-Braun für die Übernahme der zweiten Berichterstattung.

Allen Kollegen im Arbeitskreis sei für die gute Zusammenarbeit und für die großartige Unterstützung gedankt.

Herzlicher Dank gilt Herrn Dipl.-Chem. Marko Eck und Herrn Dipl.-Chem. Stephan Kohl für die Beantwortung vieler Fragen und für viele einleitenden Hilfestellungen. Weiterhin bedanke ich mich für die interessanten Gespräche, sowie für das Korrektur lesen dieser Arbeit und eine interdisziplinäre Zusammenarbeit.

Für die großzügige Bereitstellung von d8-THF und d6-DMSO danke ich dem Arbeitskreis Prof. Dr. A. Grohmann, Fachgruppe Anorganische Chemie, Technische Universität Berlin.

Herrn Dr. Stefan Mix danke ich für die Möglichkeit der Durchführung des organischen Fortgeschrittenenpraktikums und für die hervorragenden Arbeitsbedingungen.

Bei Herrn Dipl.-Chem. Maximilian Dochnahl möchte ich mich gesondert für die Kollegialität und die Unterstützung im Labor bedanken.

Bei den technischen Mitarbeitern der Fachgruppe Organische Chemie möchte ich mich bei Frau Klose für die Anfertigung der Infrarotanalysen , bei Herrn Höhne für die intensive Suche nach dem Molekülpeak und bei Herrn Hahn für die ständige Bereitschaft , das richtige Kabel zu finden, bedanken. Nicht zu vergessen Herrn Michael Grenz, der die Funktionstüchtigkeit unseres Labors aufrecht erhält.

Weiterhin möchte ich Frau Marianne Lehmann für ein stets aromatisches Klima während der Teestunden und Frau Barbara Becker für viele unterhaltsame Gespräche danken.

Meinen Kommilitonen Dipl.-Chem. Paul Dietrich und Frau Melanie Näther danke ich für viele fachliche und private Unterhaltungen, sowie eine gewachsene Freundschaft.

Auch bei allen anderen engen Freunden möchte ich mich an dieser Stelle bedanken.

Mein besonderer Dank gilt meinen Eltern und meiner Großmutter, ohne deren ausnahmslose Unterstützung diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.

1.Theoretischer Teil

1.1 N - heterocyclische Carbene

Die Entwicklung neuer chiraler und zugleich sterisch anspruchsvoller Liganden für die Anbindung an Metallzentren stellt eines der zentralen Forschungsgebiete der homogenen Katalyse dar (1). In der jüngeren Vergangenheit sind hier verstärkt N- heterocyclische Carbene in den Focus gerückt. Hierbei sind besonders deren elektronische Eigenschaften von entscheidender Bedeutung. So kam das rationale Liganden- und Katalysatordesign in den Vordergrund des aktuellen Interesses, wobei vor allem die elektronische Feinabstimmung im Vordergrund steht. Hervorzuheben sind hierbei insbesondere Anwendungen in Pd0-katalysierten Kreuzkupplungen, sowie Metathesereaktionen zur C-C-Verknüpfung.

Auch bei der homogenen, asymmetrischen Hydrierung, wie zum Beispiel bei der Monsanto-Synthese der nicht proteinogenen Aminosäure l-DOPA, kommt ein chiraler Ruthenium-Phosphinkomplex zum Einsatz. Dieser wurde bereits Ende der fünfziger Jahre von Knowles entwickelt.

Traditionell kommen meist mono- oder bidentate Liganden mit Phosphor oder Stickstoff als Donoratom zum Einsatz. Stellvertretend seien Phosphane, Amine, Amide oder Imide genannt. In den letzten Jahren ist die Klasse der NHC-Liganden verstärkt in den Focus gerückt. Hierbei handelt es sich um Liganden in denen das bivallente Kohlenstoffatom von einem freien Elektronenpaar und von zwei substituierten Stickstoffatomen flankiert ist. Neuere Entwicklungen beinhalten anstelle des Kohlenstoffatoms nun auch Silicium ( Silylene ) (2) oder Germanium (Germylene ) (3).

1.1.1 Die Verbindungsklasse der Carbene

Unter Carbenen versteht man generell eine zweibindige Kohlenstoffspezies der Art :CR1R2, wobei die Reste sowohl Wasserstoff, Alkyl, Aryl oder auch Aminogruppen sein können. Da man lange Zeit nur die sehr reaktiven Eigenschaften des Carben- fragments am Metallzentrum kannte, wurde eine Nutzung von Carbenen als katalytisch wirksame Liganden nicht in Erwägung gezogen. Gerade diese Reaktivität wird zum Beispiel in der Metathese oder bei Cyclopropanierungs- reaktionen genutzt, um das Fragment auf das Substrat zu übertragen. Der erste Metall-Carben-Komplex geht auf E.O. Fischer (4) im Jahre 1964 zurück und wurde durch die Umsetzung von Wolframhexacarbonyl mit Phenyllithium und anschließender Behandlung mit Meerwein-Salz erhalten. Die folgenden Untersuchungen der Bindungsverhältnisse zeigten ein besonderes Verhältnis von σ-Donor- zu π-Akzeptor-Bindung. So kann man die Metall-Kohlenstoff-Bindung praktisch als Doppelbindung bezeichnen, wobei die Stärke dieser Bindung durch die Substituenten R1 und R2 gezielt gesteuert werden kann. Je nach der resultierenden Reaktivität spricht man entweder von Fischer- oder Schrock- Carbenen. Zur endgültigen Klassifizierung benötigt man weiterhin die Oxidationsstufe des Metalls, sowie die Substitution am Carben-Kohlenstoff. Da die π-Rückbindung in Fischer-Carbenen nur schwach ausgeprägt ist und das Substitutionmuster am Carben-Kohlenstoff auch Heteroatome umfasst, erhält man eine elektrophile Reaktivität. Im Gegensatz dazu zeigen Schrock-Carbene eine starke π-Rückbindung, das Metallzentrum liegt in einer hohen Oxidationsstufe vor und das Carbenfragment verfügt über keine π-Donorsubstituenten, wodurch man eine nukleophile Reaktivität erhält. Dieser Sachverhalt kann auch durch einen Vergleich der freien Carbene beschrieben werden: Carbene, die im freien Zustand als Singulett-Carbene vorliegen, zeigen eine elektrophile Reaktivität, Carbene, die in einem Triplett-Grundzustand vorliegen, reagieren als Nukleophile (5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Singulett- und Triplett-Carbene

Diese Einteilung lässt sich weder in Bezug auf die Reaktivität noch auf die strukturellen Eigenschaften von Übergangsmetall-N-heterocyclischen Carben- Komplexen aufrecht erhalten, da hier zum Beispiel die Metallzentren sowohl in niedrigen, als auch in hohen Oxidationsstufen vorkommen können. Dies können die „ Wanzlick-Ölfele-Carbene " 1- 3 belegen.

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Abbildung 2: ÜM-NHC-Komplexe in verschiedenen Oxidationsstufen

Die ersten Berichte über diese neuartigen Komplexe stammen von Wanzlick (6) und Ölfele (7) und beschreiben N-heterocyclische Carbenkomplexe von Chrom und Quecksilber mit disubstituierten Imidazolin-2-ylidenen. Weitere Fortschritte lieferten die Arbeiten um A.J. Arduengo et al.(8) durch die Entdeckung von Carbenen als Intermediat bei der Synthese von Imidazol-2-thionen. Hierbei wurde das Imidazoliumsalz mit Kaliumcarbonat in Methanol deprotoniert und das freie Carben mit elementarem Schwefel abgefangen. Durch die Substitution der Stickstoffatome des Imidazolgerüsts mit den sehr sperrigen Adamantylresten und unter Verwendung von Nartriumhydrid als Base, sowie katalytischer Mengen Dimethylsulfoxid konnte in gleichen Arbeitskreis erstmals das stabile, kristalline Carben 5 isoliert werden (9).

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Schema 1: Erstes isoliertes, freies Carben 5

Als entscheidendes Kriterium für den Einsatz in der homogenen Metallkatalyse erwies sich die exakte Kenntnis der elektronischen und sterischen Struktur von N- heterocyclischen Carbenliganden (10,11). Aus der elektronischen Betrachtung ergibt sich, dass die Bindung der NHC-Liganden zum Metall am ehesten einer dativen σ- Bindung wie in Phosphanen entspricht, da der π-Anteil als gering angesehen werden kann. Somit können im Fall der NHC-Liganden keine doppelbindungsähnlichen Verhältnisse wie in Metallcarbenen des Fischer- oder Schrock-Typs postuliert werden. Die Ligandenklasse wird allgemein als 2- Elektronendonor formuliert.

Die disubstituierten Imidazolin-2-yliden-Metall-Komplexe unterscheiden sich dementsprechend auch deutlich in ihrer Reaktivität von den herkömmlichen Carben-Komplexen. Sie erweisen sich als resistent gegenüber nukleophilen und elektrophilen Angriffen und nehmen somit eher mehr die Funktion eines Zuschauerliganden, als die einer aktiven Spezies ein. Theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen außerdem, dass die Lage des Ligandendissoziationsgleichgewichts ( Ki ) im Fall der Carbene eher auf der Seite des Komplexes liegt als bei den analogen Phosphan-Komplexen (12). Dies ist in ihrer wesentlich höheren Dissoziationsenergie, ihrer höheren thermischen und chemischen Stabilität begründet. Auf die sterischen Eigenschaften wird gesondert eingegangen.

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Schema 2: Dissoziationsgleichgewichte für Phosphan- und NHC-Komplexe

1.1.2 NHC-Liganden und deren Übergangsmetallkomplexe in der Synthesechemie

In den letzten 5 Jahren hat das Forschungsinteresse auf dem Gebiet der NHC- Liganden, sowohl in Bezug auf deren Synthese, als auch deren theoretischer Bedeutung und praktischer Anwendbarkeit in den Laboratorien von organischen Chemikern einen stetigen Anstieg erfahren. Grundlegende Erkenntnisse über deren katalytische Aktivität stammen von Nile et al.(13), gefolgt von der Arbeitsgruppe um Lappert (14), welche über Rhodium- und Ruthenium-katalysierte Hydrierungen, Hydrosilylierungen und Disilansynthesen berichteten. Herrmann et al. zeigten 1995 die katalytische Anwendung des Palladium-NHC-Komplexes 8 in einer Heck-Reaktion (15).

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Schema 3: Heck-Reaktion mit Herrmann'schem Katalysator 8

Inzwischen hat sich die Anwendungsbreite dieser Komplexe in vielen C-C- verknüpfenden Reaktionen wie der Suzuki-Kupplung, der Suzuki-Miyaura- Kupplung, der Stille-Kupplung oder der Olefin-Metathese stark vergrößert. Hierbei stehen die NHC-Liganden sowohl komplementär, als auch ergänzend der Reihe altbewährter Liganden zur Seite. Durch ihre Eigenschaften stellen die NHC- Liganden ein großes Potenzial für Modifizierungen zur Verfügung. So kann beispielsweise chirale Information in den N-Substituenten der Liganden enthalten sein, wie das Beispiel 10 illustriert.

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Abbildung 3: chiraler NHC-Ligand nach Glorius et al(16).

Weiterhin lassen sich NHC's aufgrund ihrer sehr starken Metall-Kohlenstoff­Bindung leicht immobilisieren, wobei die Anbindung an das Polymer über die Substituenten am Stickstoff erfolgen kann. Auch über das Rückgrat des Liganden kann eine Anbindung erfolgen, wie in unserem Arbeitskreis gezeigt werden konnte (17). Hierbei wurde der Ligand an einem polymeren Träger aufgebaut und anschließend an das Metall angebunden, um den polymergeträgerten Katalysator 13 darzustellen.

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Schema 4: Immobilisierung von NHC über das Rückgrat nach Blechert et al.

Aus den Eigenschaften der Liganden lassen sich die verschiedenen Einsatz­möglichkeiten in der Katalyse ableiten. Da sich auch der Grundkörper der Liganden leicht modifizieren lässt, können so auf einfachem Wege in Wasser oder perfluorierten Lösungsmitteln lösliche Ligandensysteme aufgebaut werden.

Im Gegensatz zu phosphorhaltigen Liganden können bei NHC-Liganden elektro­nische und sterische Eigenschaften weitgehend unabhängig voneinander verändert
werden. Der sterische Anspruch wird dabei über das Substitutionsmuster an den Stickstoffatomen und dem Rückgrat gesteuert. Hiervon bleiben die elektronischen Eigenschaften, insbesondere die σ-Donorstärke, weitestgehend unberührt, welche durch die Wahl des zugrunde liegenden Heterocyclus gewählt werden können. Bei den Heterocyclen kann es sich um Imidazol, Imidazolidin, Benzimidazol, Pyrazol, Triazol und anderen handeln.

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Abbildung 4: Eigenschaften und Möglichkeiten der Modifizierung von NHC- Liganden

1.1.2 Synthese der Imidazoliumsalze

Die bereits erwähnte Variationsbreite der NHC-Liganden beruht auf der vergleichs­weise leichten Zugänglichkeit der disubstituierten Imidazoliumsalze, welche die Synthesevorläufer der Carbene darstellen. Hier existieren prinzipiell zwei Möglich­keiten.

1. Schrittweise Alkylierung

Symmetrisch und unsymmetrisch substituierte Imidazoliumsalze sind durch schritt­weise Alkylierung in 1- und 3- Position von Kaliumimidazolid mit Alkylhalogeniden gleichermaßen gut zugänglich. Diese Methode stößt bei der Synthese sterisch an­spruchsvoller Imidazoliumsalze an ihre Grenzen, da hier die konkurrierenden Eliminierungsreaktionen bereits bei sekundären Alkylhalogeniden ein großes Problem darstellen. Somit kommt eine Alkylierung mit tertiären Alkylhalogeniden praktisch nicht in Frage. Die Ausbeuten bei analog durchgeführten Kupplungsreak­tionen mit Halogenarenen sind meist nur mäßig. Hier hat eine von Buchwald et al. publizierte Synthesestrategie über die kupferkatalysierte Kupplung von Imidazolen mit Halogenarenen einen Ausweg aufgezeigt, bei der die Substrate in hohen

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Schema 5: Schrittweise Alkylierung von Imidazoliden 2. Synthese durch Ringschlussreaktion

Die Darstellung von 1,3-disubstituierten-Imidazoliumsalzen mit sterisch anspruchs­vollen Resten ist durch eine einstufige Ringschlusssequenz möglich. Hierbei reagieren Paraformaldehyd, primäre Amine, Glyoxal und Salzsäure miteinander. Als Lösungsmittel wird ein Toluol / Wasser-Gemisch verwendet und das Wasser durch Azeotropdestillation entfernt. Diese Reaktion wurde 1991 von Arduengo patentiert (19). Eine Modifizierung dieser Reaktion wurde 1996 im Arbeitskreis von Herrmann et al. entwickelt (20,21), wodurch unter deutlich milderen Bedingungen C2- symmetrische, chirale NHC-Liganden wie 14 zugänglich wurden.

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Schema 6: Darstellung chiraler Imidazoliumsalze 14 nach Herrmann et al.

Weisen die Imidazoliumsalze ein gesättigtes Rückgrat auf, so ist eine Ringschluss­synthese über eine Eintopfreaktion nicht möglich. In diesem Falle wird zunächst durch Umsetzung von Glyoxal mit zwei Äquivalenten des primären Amins ein Diimin erzeugt, welches mit Natriumborhydrid zum entsprechenden Diamin reduziert und anschließend zum Hydrochlorid umgesetzt wird. Der Ringschluss zum Imidazoliumchlorid 15 erfolgt im nächsten Schritt durch Kondensation mit Orthoameisensäuretrimethylester (22).

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Schema 7: Synthese für Liganden mit gesättigtem Rückgrat nach der Ortho- formiatmethode

1.1.4 Synthese freier N - heterocyclischer Carbene

Für die Darstellung der freien Carbene existieren eine Reihe von Möglichkeiten. Hierzu zählen unter anderem die besonders milde „ Ammoniak-Methode ", durch deren nahezu rückstandsfreie Aufarbeitung das Carben nicht beeinträchtigt wird (23,24). Als Basen kommen hierbei KHMDS oder LDA zur Anwendung.

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Schema 8: Ammoniakmethode zur Erzeugung freier Carbene

Weitere Möglichkeiten bestehen in der Entschwefelung von Thioharnstoffderivaten mit elementarem Kalium (25) oder durch α-Eliminierung der Basenaddukte (26). Die zuletzt genannte Methode wurde von Enders et al. für Triazole entwickelt und lässt sich nicht allgemein auf Imidazolsysteme übertragen (27). Das in Schema 9 dargestellte Carben 20 ist inzwischen kommerziell erhältlich.

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Schema 9: Thermolyse der Basenaddukte im Falle von Triazolcarbenen

Als weitere Basen neben Methanolat kommen unter anderem tert-Butanolat, Amylat oder verschiedene Hydride in Frage. Bei der Wahl des Hydrids muss jedoch beachtet werden, dass die Bildung von Imidazolidinen durch Hydridaddition eine mögliche Nebenreaktion darstellt.

1.1.5 Allgemeiner Zugang zu Metall-NHC-Komplexen

Mit einer Vielzahl von Metallen der Haupt- und Nebengruppen existieren Komplexe mit W-heterocyclischen Carbenliganden. Angefangen bei den Erdalkalimetallen, wo von Beryllium (28) und anderen Metallen dieser Gruppe (29) Komplexe bekannt sind.

Arduengo et al. synthetisierten Aluminium-NHC-Verbindungen (30). In den letzten Jahren sind verstärkt Berichte über neue Komplexe von Palladium, Ruthenium, Rhodium, Iridium sowie Kupfer, und auch deren Anwendungen in C-C- oder C-N- verknüpfenden Reaktionen, erschienen. Dies zeigt das stetig wachsende Interesse an dieser Verbindungsklasse. Dieses Interesse liegt zum einen an dem Bedarf neuer Ligandensysteme und zum anderen in dem großen katalytischen Potenzial dieser Ligandenklasse. Neuere Untersuchungen zeigen aber auch eine Vielzahl anderer Anwendungsmöglichkeiten. So können Imidazoliumsalze den Charakter ionischer Flüssigkeiten aufweisen. Dies ist häufig bei schwach koordinierenden Anionen wie Tetrafluoroborat, Hexafluorophosphat (31) oder Trifluormethansulfonat (32) der Fall. Des weiteren können Imidazoliumsalze zum Beispiel bei der Umpolung von α, β- ungesättigten Aldehyden in der Synthese von γ-Butyrolactonen genutzt werden (33).

Zu den Metallkomplexen existieren mehrere Zugänge. Ausgehend von den Imidazoliumsalzen sollen hier die gebräuchlichsten vorgestellt werden.

Ein häufig gewählter Weg stellt die Umsetzung von Metallsalzen mit Imidazolium- salzen dar (15,34-37). Hier reagiert eine funktionelle Gruppe, wie zum Beispiel Acetat, am Metallzentrum als Base und erzeugt so durch Deprotonierung das Carben und den Komplex. Da bei dieser Syntheseroute protische Reaktionsprodukte entstehen, kann häufig auf Absolutbedingungen verzichtet werden. Sind keine entsprechenden Metallsalze erhältlich, so muss man eine geeignete Base zur Deprotonierung zusetzten (22,38,39). Das Carben kann dann andere

Zweielektronendonoren, wie zum Beispiel Organophosphane oder NO, verdrängen. Diese Route hat ein breiteres Anwendungspotenzial als der zuerst beschriebene, erfordert aber einen höheren Arbeitsaufwand. Weiterhin kann versucht werden, das Basenadukt zu isolieren, und das Carben durch thermische Eliminierung zu erzeugen (40). Als dritte Methode soll die sehr aufwändige Metall- Ligand-Cokondensation vorgestellt werden. Sie wurde unter anderem von Cloke et al. bei der Synthese der homoleptischen NHC-Komplexe der zehnten Gruppe angewendet (41). Hierbei werden das verdampfte Metall und der Ligand im Hochvakuum bei -196 °C zur Reaktion gebracht.

Schließlich findet sich noch eine Kombination dieser Möglichkeiten: Die Transmetallierung über Silbercarbenkomplexe. Dieser Weg wird unter anderem bei der Synthese von Kupfer-NHC-Komplexen eingeschlagen. Hierbei wird das Imidazoliumsalz mit Silberoxid umgesetzt und das resultierende Silbercarben reagiert dann mit einer geeigneten Kupferquelle zum gewünschten Komplex. Crabtree et al. haben diese Möglichkeit der Komplexsynthese erfolgreich bei Rhodium- und Iridium-Komplexen angewandt (42,43).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schema 10: Verschiedene Darstellungsmöglichkeiten von ÜM-NHC-Komplexen

1.1.6 Palladium-NHC-Komplexe

Die Darstellung von Pd0- und PdII-Komplexen wird in folgenden beschrieben. Palladium(II)-Komplexe der N-heterocyclischen Carbene sind schon länger bekannt und auf mehren Syntheserouten zugänglich (11,23). Sie verfügen über eine außerordentliche thermische Stabilität sowie hohe Dissoziationsenergien der Palladium-NHC-Bindung.

Von der Arbeitsgruppe um Glorius wurden in der Vergangenheit mehrere Beispiele dieser Komplexe vorgestellt, hiervon seien 21 und 22 stellvertretend gezeigt. Verbindung 21 wurde ausgehend von Allylpalladuimchlorid, dem entsprechenden Triflat als Carbenvorläufer und Natriummalonat als Base dargestellt. Der Komplex zeigt erst bei erhöhten Temperaturen eine katalytische Aktivität. Wird hingegen Palladiumacetat mit einem Äquivalent des Liganden umgesetzt, so lassen sich bei Zimmertemperatur Arylchloride zu Tri- und tetraorthosubstituierten Biarylen kuppeln (44). Die Komplexe 21 und 22 entstammen einer ganzen Familie, in der die Ringgröße der spirocyclisch angebundenen Cycloalkylgruppe von 5 bis 12 variieren kann. Die besten Ergebnisse in Kupplungsreaktionen wurden für größere Ringe erhalten. Auch Palladium-II-Komplexe wurden in dieser Arbeit vorgestellt. So wurde 22 dargestellt, in dem man das Triflat, IBiox7*HOTf, mit Pd(OAc)2 und LiCl in THF unter Rückfluss erhitzte (37).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Pcf-NHC-Komplex 21 und Pd"-Komplex 22 nach Glorius et al.

1.2 Übergangsmetallvermittelte Kreuzkupplungreaktionen

Die Knüpfung neuer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen ist wohl einer der bedeutendsten Synthesetypen in der organischen Chemie. Dies ist sowohl in der industriellen Fertigung von Großchemikalien, als auch bei der Produktion von Fein­chemikalien und der Arzneimittelproduktion der Fall. Gerade bei der Totalsynthese polyfunktionalisierter Verbindungen verlassen Chemiker sich auf diesen Reaktionstyp als Schlüsselschritt, da hier die Überlegenheit solcher Reaktionen besonders deutlich zutage tritt. Die Beliebtheit dieser Reaktionen beruht zu einem Großteil auf ihrer Toleranz gegenüber einer Vielzahl funktioneller Gruppen. Vor allem die Aromaten-, Heterocyclen- und Olefinchemie erlebte auf Grund der schnellen Weiterentwicklungen einen erneuten Aufschwung. Als besonders effizient haben sich solche C-C-Verknüpfungsreaktionen erwiesen, die von Palladium-, Ruthenium- oder Nickel katalysiert werden. Als prominente Vertreter seien hier die Heck-Reaktion (45-47), die Suzuki-Kupplung (48-50), die Stille-Kupplung (51,52), die Negishi-Kupplung (53,54) sowie die verschiedenen Varianten der Olefin­Metathese (55,56), wie die Kreuzmetathese ( CM ), die Ringschlussmetathese ( RCM ), die Ringöffnungsmetathesepolymerisation ( ROMP ) und die Ringumlagerungs­metathese ( RRM ), genannt.

Besonders in den Vordergrund gestellt werden hier die Suzuki-Reaktion und die Kreuzmetathese. Die Suzuki-Reaktion umfasst die Palladium-katalysierte Kreuzkupplung von Organoborverbindungen mit Halogenarenen. Die Olefin­Metathese ist Molybdän-, Wolfram- oder, heutzutage, meist Rutheniumkatalysiert.

Die Mechanismen der aufgezählten Reaktionen lassen sich am besten durch Katalysecyclen beschreiben. Auf die Mechanismen und die Anwendungen der Reaktionen wird im folgenden ausführlich eingegangen.

1.2.1 Die Suzuki-Kupplung

Die Suzuki-Kupplung ist in den letzten Jahren zu einer der wichtigsten Reaktionen bei C-C-Bindungsknüpfungen geworden. Ein limitierender Faktor war lange Zeit die Tatsache, dass Chlorarene nur sehr schlechte Substrate, aufgrund ihrer geringen Reaktivtät, darstellen. Die geringe Reaktivität lässt sich auf die sehr stabile Kohlen- stoff-Chlor-Bindung zurückführen. Dies war gerade im Hinblick auf den niedrigen Preis und ihre industrielle Verfügbarkeit von Nachteil. Seit der Entwicklung elektronenreicher Liganden für Palladium, welche die oxidative Insertion in die C- Cl-Bindung erheblich erleichtern, erfährt die Suzuki-Kupplung und auch die 1986 vorgestellte Suzuki-Miyaura-Kupplung (57)einen enormen Aufschwung. Dies war von besonderer Bedeutung, da gerade die Insertion den ersten Reaktionsschritt bei Palladium-katalysierten Reaktionen darstellt (58). Unter diesen neuen Liganden waren sterisch anspruchsvolle Alkylphosphine wie PCy3 und P(tBu)3 und N- heterocyclische Carbene. Durch die Etablierung der Suzuki-Miyaura-Kupplung und der NHC-Liganden ist nun auch die Einbeziehung von sp3-Zentren in den Kupplungsprozess möglich geworden. Dies war durch die Gefahr der β - Hyrideliminierung bei Alkylverbindungen bis dahin nicht möglich. Der Mechanismus der Reaktion wird im Folgenden dargestellt, er besteht aus vier Teilschritten:

- Bildung des Pd(0)-Katalysators aus dem Pd(II)-Präkatalysator
- Oxidative Addition des Halogenarens an den Katalysator unter Bildung einer Pd(II)-Spezies
- Transmetallierung - Übertragung des Restes R' der Boronsäure auf das Palladium, welches nun beide Produktfragmente trägt
- Reduktive Eliminierung des Kupplungsprodukts unter Freisetzung des regenerierten Pd(0)-Katalysators

Die Rolle der Base ist von entscheidender Bedeutung. Erst durch die Bindung an das Boratom und die damit verbundene Bildung einer tetravalenten Boronsäure, wird diese aktiviert und kann so den Rest auf den Aryl-Pd-II-Komplex übertragen. Im letzten Schritt wird so das Produkt freigesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schema 11: Katalysecyclus der Suzuki-Reaktion

1.2.2 Die Einführung von Pd-NHC-Komplexen in die Suzuki- Reaktion

Die große Akzeptanz der Suzuki-Reaktion erklärt sich aus der leichten Verfügbarkeit der Boronsäuren, deren nichttoxischen Eigenschaften, der Stabilität gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff und der leichten Abtrennung der borhaltigen Nebenprodukte vom Hauptprodukt. Industriell findet die Suzuki- Reaktion vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, so zum Beispiel bei der Synthese des Arzneimittels Losartan (59) und bei der Herstellung von 2-Cyano-4'-methyl- biphenyl, einem Intermediat bei der Synthese von Angiotensin II- Rezeptorantagonisten (60) der ehemaligen Hoechst AG. Beide Produkte wirken gegen Bluthochdruck. Bemerkenswert bei der Synthese von 2-Cyano-4'-methyl- biphenyl ist die Verwendung eines wasserlöslichen Phosphins in einem DMSO / H2O-Gemisch. Somit kann das Reaktionsprodukt leicht aufgearbeitet werden.

Aktivierte Chlorarene und diverse Heteroarylchloride sind schon lange Zeit gängige Substrate in der Suzuki-Kupplung. Diese elektronenarmen Aromaten gehen die oxidative Addition bereitwillig ein. Daraus ergibt sich der Vorteil, das so zum Beispiel 2-Chlorpyridine in der Reaktion eingesetzt werden können.

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• Université: Technical University of Berlin (Institut für Organische Chemie)
• Note: 1.3
• Auteur: Dipl.-Chem. Christian Kleiner (Auteur)
• Année de publication: 2005
• Pages: 67
• N° de catalogue: V88159
• ISBN (ebook): 9783638023801
• Langue: allemand
• mots-clé: Synthese, Diaminocarbenkomplexe