Synthese neuer Diaminocarbenkomplexe

Meiner Mutter,

und meiner Omi

Danksagung

I

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 d 8 -THF und d 6 -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.

Danksagung

II

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.

Inhaltsverzeichnis i

  I Theoretischer Teil  

  1  

1.1  N-heterocyclische Carbene  2

1.1.1  Die Verbindungsklasse der Carbene  2

1.1.2  NHC-Liganden und deren Übergangsmetalle in der Synthesechemie  5

1.1.3  Synthese der Imidazoliumsalze  7

1.1.4  Synthese freier N-heterocyclischer Carbene  9

1.1.5  Allgemeiner Zugang zu Metall-NHC Komplexen  10

1.1.6  Palladium-NHC Komplexe  11

1.2  Übergangsmetall vermittelte Kreuzkupplungen  12

1.2.1  Die Suzuki-Kupplung  13

1.2.2  Anwendungen von Palladium-NHC Komplexen  14

1.2.3  Die Metathese-Reaktion  18

1.2.4  Metathesekatalysatoren auf Rutheniumbasis  21

  II Allgemeiner Teil  

  23  

2.1  Zielsetzung  24

2.2  Strukturprinzip der chiralen NHC-Liganden  25

2.3  Synthese der chiralen Carbenvorstufen  26

2.4  Versuche zur Darstellung von Pd-NHC Komplexen  29

2.4.1  Schlussfolgerungen  33

2.5  Versuche zur Darstellung der freien Carbene meso rac 47  34

2.5.1  Schlussfolgerungen  35

2.6  in-situ Aktivität das Liganden in Suzuki-Kupplungen  36

2.6.1  Schlussfolgerungen  38

2.7  Versuche zur Darstellung eines Hoveyda-Blechert homologen  39

  Metathesekatalysators  

2.8  Fazit und Ausblick  41

Inhaltsverzeichnis ii

  III Experimenteller Teil  

  42  

1.  Allgemeine Bemerkungen und Arbeitstechniken  43

1.1  Analysengeräte  43

1.2  Apparaturen  44

1.3  Reinigung und Trocknung der Lösungsmittel  44

1.4  Chemikalien  44

1.5  Chromatographie  44

2.  Versuchsvorschriften und spektroskopische Daten  45

2.1  Synthese der Liganden  45

2.2  in-situ Aktivität des Liganden in Suzuki-Kupplungen  53

  IV Anhang  

  55  

1.  Verzeichnis der Abkürzungen  56

2.  Literaturverzeichnis  58

I Theoretischer Teil 1

I Theoretischer Teil 2

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 Pd 0 -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 :CR 1 R 2 , 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

I Theoretischer Teil 3

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 R 1 und R 2 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 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.

Abbildung 2: ÜM-NHC-Komplexe in verschiedenen Oxidationsstufen

I Theoretischer Teil 4

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) .

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 ( K i ) 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

I Theoretischer Teil 5

chemischen Stabilität begründet. Auf die sterischen Eigenschaften wird gesondert eingegangen.

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) .

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

I Theoretischer Teil 6

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.

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

Weiterhin lassen sich NHC`s aufgrund ihrer sehr starken Metall-Kohlenstoff- Bindung 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.

Schema 4: Immobilisierung von NHC über das Rückgrat nach Blechert et al. Aus den Eigenschaften der Liganden lassen sich die verschiedenen Einsatz- möglichkeiten 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 elektro- nische und sterische Eigenschaften weitgehend unabhängig voneinander verändert

I Theoretischer Teil 7

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.

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 vergleichs- weise leichten Zugänglichkeit der disubstituierten Imidazoliumsalze, welche die Synthesevorläufer der Carbene darstellen. Hier existieren prinzipiell zwei Möglich- keiten.

1. Schrittweise Alkylierung Symmetrisch und unsymmetrisch substituierte Imidazoliumsalze sind durch schritt- weise Alkylierung in 1- und 3- Position von Kaliumimidazolid mit Alkylhalogeniden gleichermaßen gut zugänglich. Diese Methode stößt bei der Synthese sterisch an- spruchsvoller 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 Kupplungsreak- tionen 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

I Theoretischer Teil 8

Ausbeuten gewonnen werden können (18) .

Schema 5: Schrittweise Alkylierung von Imidazoliden

2. Synthese durch Ringschlussreaktion Die Darstellung von 1,3-disubstituierten-Imidazoliumsalzen mit sterisch anspruchs- vollen 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 C 2 - symmetrische, chirale NHC-Liganden wie 14 zugänglich wurden.

Schema 6: Darstellung chiraler Imidazoliumsalze 14 nach Herrmann et al. Weisen die Imidazoliumsalze ein gesättigtes Rückgrat auf, so ist eine Ringschluss- synthese 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) .

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