Vollständig und teilweise fluorierte Triarylborane als LEWIS-Säure-Katalysatoren: Synthese und Anwendungen in der H H- und Si H-Bindungsaktivierung

Transkript

1 Vollständig und teilweise fluorierte Triarylborane als LEWIS-Säure-Katalysatoren: Synthese und Anwendungen in der H H- und Si H-Bindungsaktivierung vorgelegt von Master of Science Jens Mohr geb. in Otterndorf von der Fakultät II Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaften Dr. rer. nat. genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Andreas Grohmann Gutachter: Prof. Dr. Martin Oestreich Gutachter: Prof. Dr. Jan Paradies Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 16. Juni 2016 Berlin 2016

2

3 Die vorliegende Dissertation wurde am Institut für Chemie der Technischen Universität Berlin in der Zeit von November 2012 bis April 2016 unter der Anleitung von Prof. Dr. Martin Oestreich angefertigt. Prof. Dr. Martin Oestreich danke ich für das entgegengebrachte Vertrauen und die exzellente Betreuung, die ein freies und kreatives Arbeiten ermöglichte. Prof. Dr. Jan Paradies danke ich für die Übernahme des Zweitgutachtens und Prof. Dr. Andreas Grohmann für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Den analytischen Abteilungen der TU Berlin gebührt Dank für ihre Hilfe: Dr. Sebastian Kemper und Samantha Voges von der NMR-Abteilung, Dr. Maria Schlangen-Ahl und Marc Griffel für massenspektrometrische Charakterisierungen sowie Dr. Elisabeth Irran und Paula Nixdorf für röntgenographische Charakterisierungen. Ebenso gilt mein Dank dem Bunkerteam für die alltäglichen Dinge. Für die konstruktive Zusammenarbeit möchte ich mich bei allen ehemaligen und aktuellen Mitgliedern des Arbeitskreises OESTREICH und des Arbeitskreises TEICHERT bedanken. Einige haben zudem auf besondere Weise zu dieser Arbeit beigetragen. Für die direkte Zusammenarbeit bei verschiedenen Projekten danke ich zunächst Dr. Kristine Müther, Dr. Mustafa Durmaz, Digvijay Porwal und Dr. Indranil Chatterjee. Banjo Single-Liertz danke ich für die Durchführung orientierender Experimente zur Hydrazonreduktion. Dr. Andreas Weickgenannt gebührt Dank für die Einführung in die Welt des AK OE, auch wenn dies weit vor Beginn dieser Arbeit geschah. Für die hilfreichsten Diskussionen zeichneten Dr. Toni naiß Metsänen (Kiitos!), Dr. Thomas Schrifiröfer Fallon (Thanks!) und Dr. Antoine la barbe française Simonneau (Merci!) verantwortlich. Für die immens wichtige Bereitstellung der Hydrieranlage und die stete Hilfsbereitschaft danke ich Dr. Johannes Happy hydrogenating! Teichert mit seinen Teichboys, Felix H zwei! Pape und Niklas H zwei! Thiel. Bei Sebastian Keeß und Lars Süße ( Team ß ) möchte ich mich für das Korrekturlesen bedanken. Carolin Doppelmett Fopp gilt ein spezieller Dank, nicht nur für ihre Rolle als Nummerngirl. Alexander Was ist mit denen? Hensel sei für das gemeinsame Bestreiten eines prägenden Lebensabschnitts gedankt, Stephanie vier Getränke Krombach für ihr offenes Ohr und die Hilfe bei bürokratischen Hürden. Meinen Laborabschnittsgefährtinnen Dr. Julia Hermeke und Susanne Bähr danke ich für eine angenehme Laboratmosphäre und allerlei Blödsinn.

4 Für fachfremdes Interesse und Motivation gilt mein Dank Sandra Kola, Dr. Till Proeger, Henrik Sadatzki, Sina Rose, Dorit Mohr, Dirk Mohr und vor allem Birgit Mohr und Klaus Mohr.

5 Teile dieser Arbeit wurden bereits veröffentlicht: [1] Silylium Ion Promoted Reduction of Imines with Hydrosilanes, K. Müther, J. Mohr, M. Oestreich, Organometallics 2013, 32, [2] Tris(5,6,7,8-tetrafluoronaphthalen-2-yl)borane, a Partially Fluorinated Boron Lewis Acid with Fluorination Distal to the Boron Atom, J. Mohr, M. Durmaz, E. Irran, M. Oestreich, Organometallics 2014, 33, [3] B(C 6 F 5 ) 3 -Catalyzed Hydrogenation of Oxime Ethers without Cleavage of the N O Bond, J. Mohr, M. Oestreich, Angew. Chem. 2014, 126, ; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, [4] Extending the Scope of the B(C 6 F 5 ) 3 -Catalyzed C=N Bond Reduction: Hydrogenation of Oxime Ethers and Hydrazones, J. Mohr, D. Porwal, I. Chatterjee, M. Oestreich, Chem. Eur. J. 2015, 21,

6 ZUSAMMENFASSUNG Die vorliegende Dissertation widmet sich der Entwicklung übergangsmetallfreier Reduktionsmethoden durch die Verwendung von Bor-LEWIS-Säuren und der Darstellung neuartiger Bor-LEWIS-Säure-Katalysatoren. Die chemoselektive C=N-Reduktion von Oximethern zu Hydroxylaminen lässt sich durch übergangsmetallkatalysierte Hydrierungsreaktionen nicht verlässlich erreichen, da diese im Regelfall mit der Spaltung der N O-Bindung einhergehen und daher Amine erhalten werden. Durch den Einsatz der Bor-LEWIS-Säure B(C 6 F 5 ) 3 als Katalysator wurde diese Überreduktion umgangen. Sterisch anspruchsvolle Substituenten am Sauerstoffatom (tert-butyl oder Triisopropyl) wurden benötigt, um die Oximether in die entsprechenden geschützten Hydroxylamine zu überführen. Während repräsentative Ketoximether bereits bei Raumtemperatur in Toluol unter einem H 2 -Druck von 100 bar mit einer Katalysatorbeladung von 5 Mol-% umgesetzt wurden, erforderte die Reduktion der weniger basischen Aldoximether einen höhere Katalysatorbeladung, erhöhte Temperaturen und einen Lösungsmittelwechsel zu 1,4-Dioxan. Durch anschließende Abspaltung der Triisopropylsilylschutzgruppe lassen sich ungeschützte Hydroxylamine erhalten. Strukturell verwandte Hydrazone wurden unter ähnlichen Bedingungen zu den entsprechenden Hydrazinen hydriert. Hierbei eigneten sich phthaloylgeschützte Substrate zur nachfolgenden Freisetzung ungeschützter Hydrazine. Bei der C=N- Reduktion von Hydrazonen zeigte sich derselbe Reaktivitätsunterschied zwischen keton- und aldehydabgeleiteten Substraten wie im Falle der Oximether. Im Zuge der Entwicklung hauptgruppenelementkatalysierter C=N-Reduktionen wurde zudem eine silyliumionvermittelte Iminhydrosilylierungsmethode ausgearbeitet. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Dissertation liegt auf der Darstellung von Derivaten der eingesetzten Bor-LEWIS-Säure B(C 6 F 5 ) 3. Obschon eine Reihe von Boranen mit unterschiedlichem Fluorierungsgrad der Phenylsubstituenten bekannt sind, war bisher nicht untersucht, ob eine Fluorierung der nicht direkt an das Boratom gebundenen Arylsubstituenten eine ausreichende LEWIS-Säure-Stärke bewirkt. Es wurde ein partiell fluoriertes β-naphthylbasiertes Boran synthetisiert und charakterisiert, welches zur Klärung dieser Frage geeignet schien. Durch GUTMANN BECKETT-Analyse wurde eine LEWIS-Acidität von 98% relativ zu B(C 6 F 5 ) 3 festgestellt und in typischen Si H-Bindungsaktivierungskatalysen erwies sich das neuartige Boran als ähnlich effizient wie B(C 6 F 5 ) 3. Ein Beitrag zur Entwicklung chiraler Bor-LEWIS-Säuren gelang durch die Darstellung eines Boranvorläufers zur Synthese eines chiralen B(C 6 F 5 ) 3 -Derivats, welches chirale Substituenten anstatt der Fluoratome in para-position aufweist. Hierdurch wird im Gegensatz zu bisher bekannten chiralen B(C 6 F 5 ) 3 -Abkömmlingen, bei denen mindestens einer der perfluorierten Arylsubstituenten durch einen chiralen Substituenten ersetzt ist, ein weitgehender Erhalt der LEWIS-Acidität erwartet.

7 ABSTRACT This dissertation is devoted to the development of transition metal-free reduction methods by employing boron LEWIS acids and to the synthesis of novel boron LEWIS acid catalysts. The chemoselective C=N reduction of oxime ethers to hydroxylamines cannot be reliably achieved by transition metal-catalyzed hydrogenations. These are usually accompanied by N O bond cleavage, resulting in the formation of amines. This overreduction was circumvented by employing the boron LEWIS acid B(C 6 F 5 ) 3 as catalyst. Sterically demanding substituents at the oxygen atom (tert-butyl or triisopropylsilyl) were required to convert oxime ethers into the corresponding protected hydroxylamines. Representative ketoxime ethers already reacted at room temperature in toluene under 100 bar dihydrogen pressure with a catalyst loading of 5 mol% whereas the reduction of less basic aldoxime ethers required higher catalyst loading, higher temperatures, and the use of 1,4-dioxane as solvent. Unprotected hydroxylamines can be obtained by subsequent removal of the triisopropylsilyl protecting group. Structurally related hydrazones were hydrogenated under similar conditions to yield the corresponding hydrazines. Phthaloyl-protected substrates were suitable to subsequently liberate unprotected hydrazines. In the C=N reduction of hydrazones, the same reactivity difference of ketone- and aldehyde-derived substrates as in the case of oxime ethers was observed. As part of the development of main group element-catalyzed C=N reductions, a silylium ion-promoted imine hydrosilylation method was established. This dissertation also focuses on the preparation of derivatives of the boron LEWIS acid B(C 6 F 5 ) 3. Although a number of boranes with various degrees of fluorination of the phenyl substituents is known, the effect of fluorination of aryl substituents not directly attached to the boron atom on Lewis acidity had not been explored. To address this question, a partially fluorinated β-naphthyl-based borane was synthesised and characterised. GUTMANN BECKETT analysis revealed a LEWIS acidity of 98% relative to B(C 6 F 5 ) 3, and the novel borane showed similar activity to B(C 6 F 5 ) 3 in typical catalyses involving Si H bond activation. A contribution to the development of chiral boron LEWIS acids was accomplished by the preparation of a borane precursor for the synthesis of a chiral B(C 6 F 5 ) 3 congener bearing chiral substituents instead of fluorine atoms in the para positions. In contrast to other chiral B(C 6 F 5 ) 3 congeners where at least one perfluorinated aryl group is replaced by the chiral substituent, the LEWIS acidity is expected to be mostly preserved.

8

9 INHALTSVERZEICHNIS

10

11 INHALTSVERZEICHNIS THEORETISCHER TEIL 1 EINLEITUNG Mechanistische Betrachtung von C=X-Reduktionen durch katalytisch 3 generierte Borhydride 1.2 C=X-Reduktionen durch katalytisch generierte Borhydride Reduktionen von C=O- und C=S-Bindungen Reduktionen von C=N- und C N-Bindungen Reduktionen von C=C- und C C-Bindungen Problemstellung und Zielsetzung Katalytische C=N-Reduktion von Oximen und Hydrazonen Darstellung elektronenarmer Borane für katalytische Si H- und H H- Bindungsaktivierungen 27 2 B(C 6 F 5 ) 3 -KATALYSIERTE CHEMOSELEKTIVE C=N-REDUKTION VON 30 OXIMETHERN ZU HYDROXYLAMINEN 2.1 Versuche zur C=N-Reduktion von Oximethern durch 30 borankatalysierte Hydrosilylierung 2.2 C=N-Reduktion von Oximethern durch borankatalysierte Hydrierung Entfernung der Silylschutzgruppe zur Freisetzung ungeschützter 40 Hydroxylamine 2.4 Fazit 41 3 B(C 6 F 5 ) 3 -KATALYSIERTE C=N-REDUKTION VON HYDRAZONEN 42 ZU HYDRAZINEN 3.1 Versuche zur C=N-Reduktion von Hydrazonen durch 42 borankatalysierte Hydrosilylierung 3.2 C=N-Reduktion von Hydrazonen durch borankatalysierte Hydrierung Entfernung der Phthaloylschutzgruppe Fazit 49

12 4 EXKURS: SILYLIUMIONVERMITTELTE C=X-REDUKTIONEN MIT HYDROSILANEN Silyliumionvermittelte C=N-Reduktion von Iminen mit Hydrosilanen Fazit 58 5 SYNTHESE, LEWIS-ACIDITÄT UND KATALYTISCHE ANWENDUNGEN EINES 60 ELEKTRONENARMEN β-naphthylbasierten BORANS 5.1 Synthese des Borans Bestimmung der LEWIS-Acidität des Borans Aktivität des Borans 108 in Reaktionen mit katalytischer Si H-und H H- 67 Bindungsaktivierung 5.4 Fazit 69 6 EINLEITENDE UNTERSUCHUNGEN ZUR SYNTHESE EINES B(C 6 F 5 ) 3 -DERIVATS 71 MIT CHIRALEN SUBSTITUENTEN IN DEN PARA-POSITIONEN 6.1 Darstellung des chiralen Binaphthylbausteins (R) Fazit 73 7 ZUSAMMENFASSUNG Hauptgruppenelementkatalysierte C=N-Reduktionen Darstellung elektronenarmer Borane 76 EXPERIMENTELLER TEIL 1 ALLGEMEINE ARBEITSWEISE 81 2 ALLGEMEINE ARBEITSVORSCHRIFTEN Allgemeine Arbeitsvorschrift zur Darstellung O-alkylsubstituierter Oxime (AAV 1) 2.2 Allgemeine Arbeitsvorschrift zur Darstellung ungeschützter Oxime (AAV 2) 87 87

13 2.3 Allgemeine Arbeitsvorschrift zur Darstellung O-silylsubstituierter Oxime (AAV 3) 2.4 Allgemeine Arbeitsvorschrift zu Hydrierungsreaktionen in Toluol (AAV 4) 2.5 Allgemeine Arbeitsvorschrift zu Hydrierungsreaktionen in 1,4-Dioxan (AAV 5) 2.6 Allgemeine Arbeitsvorschrift zur silyliumionvermittelten Iminreduktion mit Hydrosilanen (AAV 6) BESCHREIBUNG DER EXPERIMENTE Darstellung von Oximethern Darstellung von Hydroxylaminen Darstellung von Hydrazonen Darstellung von Hydrazinen Silyliumionvermittelte Iminreduktion mit Hydrosilanen Darstellung von Tris(5,6,7,8-tetrafluornaphthalin-2-yl)boran (108) Boran/Phosphinoxid-Addukte Durch Tris(5,6,7,8-tetrafluornaphthalin-2-yl)boran (108) katalysierte 142 Reaktionen 3.9 Darstellung von Boranvorläufer (R) ANHANG A1 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 159 A2 LITERATURVERZEICHNIS 163

14

15 THEORETISCHER TEIL

16

17 1 Einleitung 1 1 EINLEITUNG Borhydride sind als stöchiometrisches Reduktionsmittel in der synthetischen Chemie vielseitig einsetzbar. [1] Ihr wohl bedeutendster Vertreter, Natriumborhydrid (NaBH 4 ), ein Nebenprodukt der Kriegsforschung, wurde 1953 von SCHLESINGER und BROWN vorgestellt [2] und fand rasch zahlreiche Anwendungen in Industrie und Forschung. Die Entwicklung von Reduktionsmethoden durch katalytisch generierte Borhydride ist eng verknüpft mit den Forschungsgebieten der Bor-LEWIS-Säuren [3] und der frustrierten LEWIS-Paare ( frustrated LEWIS pairs = FLPs). [4] PIERS und Mitarbeiter zeigten 1996, dass das bereits mehr als 30 Jahre zuvor erstmals synthetisierte [5] elektronenarme Triarylboran Tris(pentafluorphenyl)boran [B(C 6 F 5 ) 3 (1), Abbildung 1.1, links] als übergangsmetallfreier LEWIS-Säure-Katalysator für die Hydrosilylierung von Carbonylverbindungen geeignet ist. [6,7] STEPHAN und Mitarbeiter stellten [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] P. Rittmeyer, U. Wietelmann in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2002, S H. I. Schlesinger, H. C. Brown, B. Abraham, A. C. Bond, N. Davidson, A. E. Finholt, J. R. Gilbreath, H. Hoekstra, L. Horvitz, E. K. Hyde, J. J. Katz, J. Knight, R. A. Lad, D. L. Mayfield, L. Rapp, D. M. Ritter, A. M. Schwartz, I. Sheft, L. D. Tuck, A. O. Walker J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, Übersichten zur Chemie elektronenarmer Borane: a) R. L. Melen, Chem. Commun. 2014, 50, ; b) G. Erker, Dalton Trans. 2005, ; c) W. E. Piers, Adv. Organomet. Chem. 2004, 52, 1 76; d) W. E. Piers, G. J. Irvine, V. C. Williams, Eur. J. Inorg. Chem. 2000, ; e) W. E. Piers, T. Chivers, Chem. Soc. Rev. 1997, 26, Übersichten zur Chemie der FLPs: a) D. W. Stephan, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, ; b) D. W. Stephan, Acc. Chem. Res. 2015, 48, ; c) D. W. Stephan, G. Erker, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, ; d) S. A. Weicker, D. W. Stephan, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2015, 88, ; e) D. W. Stephan, G. Erker, Chem. Sci. 2014, 5, ; f) Topics in Current Chemistry, Vol. 332 (Hrsg.: G. Erker, D. W. Stephan), Springer, Berlin, Heidelberg, 2013; g) Topics in Current Chemistry, Vol. 334 (Hrsg.: G. Erker, D. W. Stephan), Springer, Berlin, Heidelberg, 2013; h) D. W. Stephan, G. Erker, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 46 76; i) D. W. Stephan, Org. Biomol. Chem. 2008, 6, a) A. G. Massey, A. J. Park, F. G. A. Stone, Proc. Chem. Soc. 1963, 212; b) A. G. Massey, A. J. Park, J. Organomet. Chem. 1964, 2, ; c) A. G. Massey, A. J. Park, J. Organomet. Chem. 1966, 5, D. J. Parks, W. E. Piers, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, Vereinzelte Berichte über B(C 6 F 5 ) 3 (1) als LEWIS-Säure-Katalysator in nicht verwandten Reaktionen waren bereits zuvor bekannt: a) K. Ishihara, N. Hananki, H. Yamamoto, Synlett 1993, ; b) K. Ishihara, M. Funahashi, N. Hanaki, M. Miyata, H. Yamamoto, Synlett 1994, ; c) K. Ishihara, N. Hanaki, H. Yamamoto, Synlett 1995, ; d) K. Ishihara, N. Hanaki, M. Funahashi, M. Miyata, H. Yamamoto, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1995, 68, Von größerer Bedeutung war B(C 6 F 5 ) 3 (1) bis dato lediglich als Co-Katalysator für metallocenkatalysierte Polymerisationsreaktionen. Für frühe Beispiele siehe: e) X. Yang, C. L. Stern, T. J. Marks, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, ; f) X. Yang, C. L. Stern, T. J.

18 2 THEORETISCHER TEIL ein Jahrzehnt später das intramolekulare LEWIS-Säure/Base-Paar 2 (Abbildung 1.1, rechts) vor. [8] Die erste katalytische Anwendung dieses sogenannten frustrierten LEWIS-Paares, bei dem die LEWIS-Säure- und LEWIS-Base-Komponenten aus sterischen Gründen kein LEWIS- Säure/Base-Addukt ausbilden können, [9] stellte die Hydrierung von Iminen dar. [10] Abbildung 1.1: Typische Vertreter elektronenarmer Borane (links) und frustrierter LEWIS-Paare (rechts). Seit den wegweisenden Arbeiten der Gruppen um PIERS und STEPHAN wurden eine Vielzahl von Reaktionen gefunden, die die katalytische Aktivierung von Hydrosilanen oder Diwasserstoff durch elektronenarme Borane wie B(C 6 F 5 ) 3 (1) oder FLPs wie 2 nutzen. [11] Von besonderer Bedeutung für die vorliegende Arbeit sind dabei Reduktionen von C=X- Bindungen (I II, Schema 1.1), welche sowohl von Bor-LEWIS-Säuren (BR 3 ) als auch von LEWIS-Paaren mit Bor-LEWIS-Säure-Komponente katalysiert werden. [12] Als stöchiometrisches Reduktionsmittel Y H (III) werden typischerweise Hydrosilane (Y = R 3 Si) oder Diwasserstoff (Y = H) eingesetzt, der eigentliche Reduktionsschritt erfolgt aber in allen [8] [9] [10] [11] [12] Marks, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, ; g) M. Bochmann, S. J. Lancaster Organometallics 1994, 13, ; h) B. Temme, G. Erker, J. Karl, H. Luftmann, R. Fröhlich, S. Kotila, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1995, 34, Eine Übersicht bietet: i) E. Y.-X. Chen, T. J. Marks, Chem. Rev. 2000, 100, G. C. Welch, R. R. S. Juan, J. D. Masuda, D. W. Stephan, Science 2006, 314, Ironischerweise wurde über die allgemein als frühestes Beispiel eines FLPs angesehene Mischung aus 2,6-Lutidin und BMe 3 vor der Beschreibung von NaBH 4 berichtet. Zudem ist diese Entdeckung derselben Gruppe zuzuschreiben: H. C. Brown, H. I. Schlesinger, S. Z. Cardon, J. Am. Chem. Soc. 1942, 64, P. A. Chase, G. C. Welch, T. Jurca, D. W. Stephan, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, Übersichten: a) M. Oestreich, J. Hermeke, J. Mohr, Chem. Soc. Rev. 2015, 44, ; b) L. Shi, Y.-G. Zhou, ChemCatChem 2015, 7, 54 56; c) M. Alcarazo, Synlett 2014, ; d) X. Feng, H. Du, Tetrahedron Lett. 2014, 55, ; e) L. J. Hounjet, D. W. Stephan, Org. Process Res. Dev. 2014, 18, ; f) J. Paradies, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, ; g) J. Paradies, Synlett 2013, ; h) D. W. Stephan, Org. Biomol. Chem. 2012, 10, ; i) D. W. Stephan, Chem. Commun. 2010, 46, ; j) D. W. Stephan, Dalton Trans. 2009, Für eine Übersicht zu hauptgruppenelementkatalysierten Reduktionen siehe: K. Revunova, G. I. Nikonov, Dalton Trans. 2015, 44,

19 1 Einleitung 3 Fällen aus einer katalytisch generierten Borhydridspezies. Im Folgenden sollen die zugrunde liegenden Mechanismen vorgestellt und auf die Unterschiede zwischen Borankatalyse und LEWIS-Paar-Katalyse eingegangen werden. Schema 1.1: Reduktion von C=X-Bindungen katalysiert durch elektronenarme Borane oder FLPs. 1.1 Mechanistische Betrachtung von C=X-Reduktionen durch katalytisch generierte Borhydride Die Gruppe um PIERS beobachtete in ihren Arbeiten zur B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierten Hydrosilylierung von Carbonylverbindungen (X = O, Y = R 3 Si, Schema 1.2), [6,13] dass eine Erniedrigung der LEWIS-Basizität des Substrats I zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit zum Reduktionsprodukt II führt. Eine höhere Substratkonzentration ging mit einer Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit einher. Dies ließ die Autoren vermuten, dass eine klassische LEWIS-Säure-Aktivierung des Substrats, wie beispielsweise für Carbonylhydrosilylierungen mit BF 3 als LEWIS-Säure angenommen, [14] nicht zur Produktbildung führt, sondern eine reversible Sackgasse im Katalysezyklus darstellt (I+IV V). Stattdessen wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, der über eine Aktivierung des Hydrosilans III (Y = R 3 Si) durch η 1 -Koordination des Borans IV verläuft. Die Bildung des Boran/Hydrosilan-Addukts VI erhöht die Elektrophilie des Siliciumatoms, welches daraufhin von dem LEWIS-basischen Substrat I nukleophil angegriffen wird. Im Übergangszustand VII wird die Si H-Bindung unter Bildung des Ionenpaares VIII gebrochen. Dieses besteht aus einem Silylcarboxoniumion und einem Borhydrid. Der Reduktionsschritt zum Produkt II erfolgt schließlich durch einen Hydridtransfer vom katalytisch generierten Borhydrid auf das elektrophile Kohlenstoffatom des Carboxoniumions unter Zurückbildung des Borankatalysators IV. [13] [14] D. J. Parks, J. M. Blackwell, W. E. Piers, J. Org. Chem. 2000, 65, a) M. P. Doyle, C. T. West, S. J. Donnelly, C. C. McOsker, J. Organomet. Chem. 1976, 117, ; b) J. L. Fry, M. Orfanopoulos, M. G. Adlington, W. R. Dittman, Jr., S. B. Silverman, J. Org. Chem. 1978, 43,

20 4 THEORETISCHER TEIL Schema 1.2: Vereinfachter Mechanismus der Reduktion von C=X-Bindungen katalysiert durch elektronenarme Borane. Gestützt wird der vorgeschlagene Mechanismus durch quantenchemische Rechnungen, die ebenfalls den Unterschied zwischen Substrataktivierung durch BF 3 und Reagenzaktivierung durch B(C 6 F 5 ) 3 (1) aufzeigten. [15] Zudem wurde der Übergangszustand VII für Carbonylreduktionen (X = O) durch Hydrosilane (Y = R 3 Si) von RENDLER und OESTREICH durch die Verwendung eines siliciumstereogenen Hydrosilans indirekt nachgewiesen. [16] Die Beobachtung der Inversion der Konfiguration am Siliciumatom zeigte die Si H- Bindungsaktivierung durch einen S N 2-Si-Übergangszustand. Die experimentelle Beobachtung des postulierten Boran/Hydrosilan-Addukts VI gelang den Gruppen um PIERS und TUONONEN durch Verwendung des LEWIS-acideren B(C 6 F 5 ) 3 -Verwandten 3 und Et 3 SiH [15] [16] K. Sakata, H. Fujimoto, J. Org. Chem. 2013, 78, a) S. Rendler, M. Oestreich, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, Für einen früheren Versuch, den Übergangszustand VII durch Verwendung eines siliciumstereogenen Silans zu beweisen, siehe: b) S. Shinke, T. Tsuchimoto, Y. Kawakami, Silicon Chem. 2007, 3, Eine spätere Studie mit einer deuteriummarkierten stereochemischen Siliciumsonde bestätigte den Befund: c) T. Fallon, M. Oestreich, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54,

21 1 Einleitung 5 (4, Schema 1.3). [17,18] Das Gleichgewicht der Adduktbildung wurde durch temperaturabhängige NMR-Spektroskopiestudien verfolgt und das Addukt 5 zudem röntgenographisch charakterisiert. Schema 1.3: Adduktbildung zwischen dem elektronenarmen Boran 3 und dem Hydrosilan 4. Bei der verwandten borankatalysierten Hydrierung (Y = H, Schema 1.2) ungesättigter Substrate wird von einem der Hydrosilylierung ähnlichen Mechanismus ausgegangen. [19] Die Produktbildung erfolgt hier durch einen Hydridübertrag von einem katalytisch generierten Borhydrid auf das protonierte Substrat (Ionenpaar VIII II). Ob der H H-Bindungsaktivierung durch das LEWIS-basische Substrat I und den LEWIS-aciden Borankatalysator IV im Übergangszustand VII die Existenz eines Boran/Diwasserstoff-Addukts VI vorausgeht, ist allerdings fragwürdig. Zwar ist das Boran 3 in der Lage, in Abwesenheit von LEWIS-Basen Diwasserstoff zu aktivieren, [20] was eine zuvor erfolgte Adduktbildung impliziert. Quantenchemische Rechnungen favorisieren für kooperative H H-Bindungsaktivierungen durch Bor-LEWIS-Säuren in Kombination mit LEWIS-Basen jedoch Modelle ohne Präkoordination des Diwasserstoffs. [21] Es sollte zudem darauf hingewiesen werden, dass [17] [18] [19] [20] [21] A. Y. Houghton, J. Hurmalainen, A. Mansikkamäki, W. E. Piers, H. M. Tuononen, Nat. Chem. 2014, 6, Ein entsprechendes Hydrosilanaddukt des Alans Al(C 6 F 5 ) 3 wurde ebenfalls charakterisiert: J. Chen, E. Y.-X. Chen, Angew. Chem.Int. Ed. 2015, 54, Am Beispiel der borankatalysierten Hydrierung von Iminen (X = NR): a) P. A. Chase, T. Jurca, D. W. Stephan, Chem. Commun. 2008, ; b) T. A. Rokob, A. Hamza, A. Stirling, I. Pápai, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, Für einen vergleichenden Artikel zur Aktivierung von Si H- und H H-Bindungen durch elektronenarme Borane siehe: c) W. E. Piers, A. J. V. Marwitz, L. G. Mercier, Inorg. Chem. 2011, 50, a) A. Y. Houghton, V. A. Karttunen, W. E. Piers, H. M. Tuononen, Chem. Commun. 2014, 50, Für weitere Beispiele von Diwasserstoffaktivierung durch elektronenarme Borane ohne externe LEWIS-Base siehe: b) C. Fan, L. G. Mercier, W. E. Piers, H. M. Tuononen, M. Parvez, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, ; c) A. Y. Houghton, V. A. Karttunen, C. Fan, W. E. Piers, H. M. Tuononen, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, Für Beispiele siehe: Lit 19b; a) T. A. Rokob, A. Hamza, A. Stirling, T. Soós, I. Pápai, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, ; b) Y. Guo, S. Li, Inorg. Chem. 2008, 47, ; c) T. A. Rokob, A. Hamza, I. Pápai, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, ; d) A. Hamza, A. Stirling, T. A. Rokob, I. Pápai, Int. J. Quantum Chem. 2009, 109, ; e) B.

22 6 THEORETISCHER TEIL die Möglichkeit einer autoinduziert katalytischen Reaktion besteht, bei der das reduzierte Produkt II anstatt des Substrats I als LEWIS-Base-Komponente am H H- Bindungsaktivierungsschritt teilnimmt. Diese wurde von CHEN und KLANKERMAYER für die B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte Hydrierung von Iminen (X = NR) vorgeschlagen [22] und im Folgenden durch quantenchemische Rechnungen bestätigt. [19b,23] Experimentelle Befunde zeigten, dass ein solcher Reaktionsverlauf abhängig von der LEWIS-Säure-Stärke des Borankatalysators IV ist. [24] Der autoinduziert katalytische Reaktionsweg entspricht der Katalyse durch LEWIS- Paare, die im Folgenden vorgestellt wird. Schema 1.4: Vereinfachter Mechanismus der Reduktion von C=X-Bindungen katalysiert durch elektronenarme Borane in Kombination mit LEWIS-Basen (LB). [22] [23] [24] Schirmer, S. Grimme, Chem. Commun. 2010, 46, ; f) S. Grimme, H. Kruse, L. Goerigk, G. Erker, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, ; g) L. L. Zeonjuk, N. Vankova, A. Mavrandonakis, T. Heine, G.-V. Röschenthaler, J. Eicher, Chem. Eur. J. 2013, 19, ; h) T. A. Rokob, I. Bakó, A. Stirling, A. Hamza, I. Pápai, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, ; i) M. Pu, T. Privalov, ChemPhysChem 2014, 15, ; j) M. Pu, T. Privalov, ChemPhysChem 2014, 15, D. Chen, J. Klankermayer, Chem. Commun. 2008, T. Privalov, Eur. J. Inorg. Chem. 2009, a) S. Tussing, L. Greb, S. Tamke, B. Schirmer, C. Muhle-Goll, B. Luy, J. Paradies, Chem. Eur. J. 2015, 21, ; b) S. Tussing, K. Kaupmees, J. Paradies, Chem. Eur. J. 2016, 22,

23 1 Einleitung 7 Die katalytische Reduktion ungesättigter Substrate I lässt sich nicht nur durch LEWIS-saure Borane IV katalysieren (siehe Schema 1.2), sondern auch durch die Kombination derselben mit LEWIS-Basen IX (Schema 1.4). [11] Die Wahl des (inter- oder intramolekularen) LEWIS- Base-Partners IX ist dabei nicht beschränkt auf sterisch anspruchsvolle LEWIS-Basen, die mit dem Boran IV ein FLP bilden, sondern schließt auch solche ein, die die Bildung eines LEWIS- Säure/Base-Addukts X eingehen, sofern diese reversibel ist und genügend freier Katalysator für die gewünschte Transformation zur Verfügung steht. Die Bindungsaktivierung der Y H- Bindung des Reduktionsmittels III erfolgt kooperativ durch die LEWIS-Säure IV und die LEWIS-Base IX im Übergangszustand XI. Das entstehende Ionenpaar XII, bestehend aus einem Borhydrid und einer protonierten (Y = H) bzw. silylierten (Y = R 3 Si) LEWIS-Base, überträgt daraufhin Proton bzw. Silylgruppe (XII+I XIII+IX) und Hydrid (XIII II) auf das Substrat I, wodurch das Reduktionsprodukt II gebildet und das Katalysatorsystem IV/IX zurückerhalten wird. Der Erhalt eines Ionenpaares XII durch kooperative H H- Bindungsaktivierung einer LEWIS-Säure und einer LEWIS-Base wurde von STEPHAN gezeigt (Schema 1.5). [8] Das FLP 6 bildet bei Behandlung mit Diwasserstoff bei Raumtemperatur das Phosphoniumborat 2. Die Diwasserstoffaktivierung ist reversibel. Bei erhöhten Temperaturen wird in Abwesenheit eines Substrats wieder Diwasserstoff frei. Schema 1.5: Reversible Diwasserstoffaktivierung durch das FLP 6. Der Einsatz einer zusätzlichen externen LEWIS-Base IX ermöglicht folglich die Reduktion von Substraten I, deren eigene LEWIS-Basizität nicht ausreichend ist, um selbst als LEWIS-Base in der kooperativen Y H-Bindungsaktivierung (siehe Übergangszustand VII, Schema 1.2) zu fungieren. Nachfolgend sollen die zahlreichen Anwendungen elektronenarmer Borane bzw. Boran/LEWIS-Base-Systeme in Reduktionsreaktionen von C=X-Bindungen, die den beschriebenen Mechanismen im wesentlichen folgen, vorgestellt und verglichen werden.

24 8 THEORETISCHER TEIL 1.2 C=X-Reduktionen durch katalytisch generierte Borhydride Reduktion von C=O- und C=S-Bindungen PARKS und PIERS zeigten zunächst, dass sich sowohl Aldehyde (7 8, Schema 1.6) als auch Ketone (10 rac-11) durch Behandlung mit Ph 3 SiH (9) in Gegenwart katalytischer Mengen B(C 6 F 5 ) 3 (1) unter milden Bedingungen zu den entsprechenden Silylethern reduzieren lassen. [6,25,26,27] Eine verwandte Methode stellt die borankatalysierte Transferhydrosilylierung von OESTREICH und Mitarbeitern dar (10 rac-12). [28,29] Aus einem mit einer Silylgruppe versehenen Cyclohexa-1,4-dien wird das gewünschte Hydrosilan in situ unter Freisetzung eines Äquivalents des entsprechenden Benzolderivats gebildet. Diese Vorgehensweise bietet die Möglichkeit, Hydrosilane einzusetzen, die als Reinsubstanz flüchtig und schwer zu [25] [26] [27] [28] [29] Für ein diastereoselektives Beispiel einer B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierten Carbonylhydrosilylierung siehe: a) M. K. Skjel, A. Y. Houghton, A. E. Kirby, D. J. Harrison, R. McDonald, L. Rosenberg, Org. Lett. 2010, 12, Für B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte konjugierte Reduktionen von Carbonylverbindungen mit Hydrosilanen siehe: b) J. M. Blackwell, D. J. Morrison, W. E. Piers, Tetrahedron 2002, 58, ; c) S. Chandrasekhar, G. Chandrashekar, M. S. Reddy, P. Srihari, Org. Biomol. Chem. 2006, 4, ; d) L. Greb, P. Oña-Burgos, A. Kubas, F. C. Falk, F. Breher, K. Fink, J. Paradies, Dalton Trans. 2012, 41, ; e) Y. Kim, S. Chang, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, Für die Reduktion von Estern zu Acetalen durch B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte Hydrosilylierung siehe: Lit. 6, Lit. 13. Für die chemoselektive Reduktion von Carbonsäuren zu Aldehyden siehe: f) D. Bézier, S. Park, M. Brookhart, Org. Lett. 2013, 15, Für Boran- und FLP-katalysierte Reduktionsmethoden von CO 2 mit Hydrosilanen siehe: a) A. Berkefeld, W. E. Piers, M. Parvez, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, ; b) J. Chen, L. Falivene, L. Caporaso, L. Cavallo, E. Y.-X. Chen, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, ; c) D. Mukherjee, D. F. Sauer, A. Zanardi, J. Okuda, Chem. Eur. J. 2016, 22, Einige der nachfolgend vorgestellten Hydrosilylierungen und Hydrierungen lassen sich ebenfalls durch Phosphoniumkationen katalysieren. Für Hydrosilylierungsreaktionen wird ebenfalls von einer Hydrosilanaktivierung durch η 1 -Koordination des Katalysators ausgegangen. Für Beispiele siehe: a) M. Pérez, L. J. Hounjet, C. B. Caputo, R. Dobrovetsky, D. W. Stephan, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, ; b) M. H. Holthausen, M. Mehta, D. W. Stephan, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, (Alken- und Alkinhydrosilylierung); c) T. vom Stein, M. Peréz, R. Dobrovetsky, D. Winkelhaus, C. B. Caputo, D. W. Stephan, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, (Alkenhydrierung); d) M. Pérez, Z.-W. Qu, C. B. Caputo, V. Podgorny, L. J. Hounjet, A. Hansen, R. Dobrovetsky, S. Grimme, D. W. Stephan, Chem. Eur. J. 2015, 21, (Keton-, Imin- und Nitrilhydrosilylierung). Einen Überblick bietet: e) J. M. Bayne, D. W. Stephan, Chem. Soc. Rev. 2016, 45, S. Keess, A. Simonneau, M. Oestreich, Organometallics 2015, 34, Für eine Übersicht zu Transferhydrosilylierungen siehe: a) M. Oestreich, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, Für eine B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte Carbonyltransferhydroaluminierung siehe: S. Dagorne, I. Janowska, R. Welter, J. Zakrzewski, G. Jaouen, Organometallics 2004, 23,

25 1 Einleitung 9 handhaben sind, wie beispielsweise Me 3 SiH, das aus dem Hydrosilansurrogat 13 freigesetzt wird. Die nachfolgende Reduktion der Carbonylverbindung mit dem in situ gebildeten Hydrosilan Me 3 SiH folgt dem bereits diskutierten Mechanismus der B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierten Hydrosilylierung (siehe Kapitel 1.1, Schema 1.2). Eine Alternative zu neutralen Borankatalysatoren in übergangsmetallfreien Hydrosilylierungen von Ketonen bieten kationische Borverbindungen. [30] DENMARK und UEKI zeigten, dass das durch 2,6-Lutidin stabilisierte Boreniumion 16 + in der Lage ist, katalytisch Ketone zu Silylethern zu reduzieren (14 rac-15), wobei von einem der borankatalysierten Hydrosilylierung analogen Mechanismus ausgegangen wird, dessen Hydridtransferschritt naturgemäß nicht aus einer Borhydridspezies sondern einer neutralen Borverbindung erfolgt. [31] Schema 1.6: Boran- und boreniumionkatalysierte Hydrosilylierung von C=O-Bindungen. [30] [31] Für Übersichten zu kationischen Borverbindungen siehe: a) T. S. de Vries, A. Prokofjevs, E. Vedejs, Chem. Rev. 2012, 112, ; b) W. E. Piers, S. C. Bourke, K. D. Conroy, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, ; c) P. Kölle, H. Nöth, Chem. Rev. 1985, 85, S. E. Denmark, Y. Ueki, Organometallics 2013, 32,

26 10 THEORETISCHER TEIL Schema 1.7: Boran- und LEWIS-Paar-katalysierte enantioselektive Hydrosilylierung von C=O- Bindungen. Enantioselektive Methoden zur boran- oder FLP-katalysierten Hydrosilylierung von Carbonylfunktionen sind bisher rar. Ein erstes Beispiel stellte die Gruppe um KLANKERMAYER vor. Die Verwendung des campherabgeleiteten Boran/Phosphin-Präkatalysator 18 in der Hydrosilylierung von Acetophenon (10) mit Me 2 PhSiH (19) führte allerdings nur zu einem unbefriedigenden Enantiomerenüberschuss des Alkohols (R)-17 (37% ee, Schema 1.7). [32] JÄKLE und Mitarbeiter erreichten mit einem planar-chiralen Boreniumion als Katalysator ebenfalls nur einen geringen Enantiomerenüberschuss des Hydrosilylierungsprodukts (nicht gezeigt). [33] REN und DU gelang es, durch Verwendung eines Katalysatorsystems bestehend aus dem chiralen elektronenarmen Boran (S)-22 und Cy 3 P (23) als LEWIS-Base, 1,2- Diketone hoch enantioselektiv in α-hydroxyketone zu überführen (20 (S)-21, Schema [32] [33] D. Chen, V. Leich, F. Pan, J. Klankermayer, Chem. Eur. J. 2012, 18, J. Chen, R. A. Lalancette, F. Jäkle, Chem. Commun. 2013, 49,

27 1 Einleitung ). [34] Das Boran (S)-22 wird hierbei in situ durch Hydroborierung des entsprechenden Diins mit HB(C 6 F 5 ) 2 (PIERS Boran) gebildet. Eine Verwendung des Borans (S)-22 als alleiniger Katalysator für diese Reaktion zeigte nur geringen Umsatz und niedrige Enantioselektivität. Eine enantioselektive Ketonhydrosilylierungsmethode katalysiert durch ein elektronenarmes Boran ohne externe LEWIS-Base wurde von der Gruppe um OESTREICH entwickelt. [35] Das chirale Boran (S)-24 weist lediglich eine elektronenziehende C 6 F 5 -Gruppe am Boratom auf, ist aber dennoch in der Lage, die Hydrosilylierung von Acetophenon (10) mit PhSiH 3 (25) zu katalysieren und liefert zudem einen hohen Enantiomerenüberschuss des nach Hydrolyse erhaltenen Alkohols (S)-17. Analog zu C=O-Bindungen lassen sich auch C=S-Bindungen B(C 6 F 5 ) 3 -katalysiert mit Hydrosilanen reduzieren wie von ROSENBERG und Mitarbeitern gezeigt, wobei extrem niedrige Katalysatorbeladungen ausreichten (26 27, Schema 1.8). [36] In Gegenwart eines Ketons und eines Thioketons wird selektiv das Keton hydrosilyliert (nicht gezeigt). Schema 1.8: Borankatalysierte Hydrosilylierung von C=S-Bindungen. Die Verwendung von Diwasserstoff als Reduktionsmittel für die boran- oder LEWIS-Paarkatalysierte Carbonylreduktion blieb lange ohne Erfolg. Frühe Versuche in donoratomfreien Lösungsmitteln scheiterten an der Nukleophilie der entstandenen Alkoholprodukte gegenüber des LEWIS-Säure-Katalysators, die in dessen Zersetzung resultierte. [37] Erst die Durchführung der Reaktion in Ethern als Lösungsmitteln ermöglichte den Gruppen um STEPHAN [38] und ASHLEY [39] die B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte übergangsmetallfreie Hydrierung [40] von [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] X. Ren, H. Du, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, L. Süsse, J. Hermeke, M. Oestreich, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, a) D. J. Harrison, R. McDonald, L. Rosenberg, Organometallics 2005, 24, ; b) P. T. K. Lee, M. K. Skjel, L. Rosenberg, Organometallics 2013, 32, a) M. Lindqvist, N. Sarnela, V. Sumerin, K. Chernichenko, M. Leskelä, T. Repo, Dalton Trans. 2012, 41, ; b) L. E. Longobardi, C. Tang, D. W. Stephan, Dalton Trans. 2014, 43, T. Mahdi, D. W. Stephan, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, D. J. Scott, M. J. Fuchter, A. E. Ashley, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, Für übergangsmetallfreie basenkatalysierte Hydrierungen siehe: a) C. Walling, L. Bollyky, J. Am. Chem. Soc. 1961, 83, ; b) C. Walling, L. Bollyky, J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, ; c) A. Berkessel, T. J. S. Schubert, T. N. Müller, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124,

28 12 THEORETISCHER TEIL Aldehyden (30 31 und 32 33, Schema 1.9) und Ketonen (28 rac-29, Methode a). [41] Das Lösungsmittel, dessen LEWIS-Paar-Bildung mit dem Borankatalysator reversibel ist, nimmt in diesen Fällen die Rolle der externen LEWIS-Base im H H-Bindungsaktivierungsschritt ein. Diese Reaktionen zeigten eine merkliche Wassertoleranz und können bei Erhöhung des Diwasserstoffdrucks auch in ungetrockneten Lösungsmitteln durchgeführt werden. [42,43,44] Denselben Vorteil bietet der Einsatz der von SOÓS und Mitarbeitern vorgestellten sterisch anspruchsvolleren B(C 6 F 5 ) 3 -verwandten Borane 36 und 39, die sogar eine freie Carboxylgruppe (34 35) tolerieren und mit der Reduktion des Ketons 37 zum Alkohol cis-38 ein diastereoselektives Beispiel einer borankatalysierten Carbonylhydrierung ermöglichten. [45] MAHDI und STEPHAN zeigten später, dass sich die B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte Hydrierungsreaktionen von Carbonylfunktionen auch in nichtkoordinierendem Toluol durchführen lassen, wenn Molekularsieb (28 rac-29, Methode b) oder α-cyclodextrin (28 rac-29, Methode c) als externe LEWIS-Base hinzugegeben wird. [46] Eine in letzterem Fall erhoffte Enantioselektivität wurde jedoch nicht beobachtet. [41] [42] [43] [44] [45] [46] Für eine stöchiometrische Hydrierung von CO 2 durch ein FLP siehe: A. E. Ashley, A. L. Thompson, D. O'Hare, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, D. J. Scott, T. R. Simmons, E. J. Lawrence, G. G. Wildgoose, M. J. Fuchter, A. E. Ashley, ACS Catal. 2015, 5, Für die Verwendung von Katalysatorregeneratoren in boran- und FLP-katalysierten Hydrierungen siehe: J. W. Thomson, J. A. Hatnean, J. J. Hastie, A. Pasternak, D. W. Stephan, P. A. Chase, Org. Process Res. Dev. 2013, 17, Für Untersuchungen von B(C 6 F 5 ) 3 /Wasser-Addukten siehe: a) C. Bergquist, B. M. Bridgewater, C. J. Harlan, J. R. Norton, R. A. Friesner, G. Parkin, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, ; b) T. Beringhelli, D. Maggioni, G. D'Alfonso, Organometallics 2001, 20, Á. Gyömöre, M. Bakos, T. Földes, I. Pápai, A. Domján, T. Soós, ACS Catal. 2015, 5, T. Mahdi, D. W. Stephan, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54,

29 1 Einleitung 13 Schema 1.9: LEWIS-Paar-katalysierte Hydrierung von C=O-Bindungen Reduktion von C=N- und C N-Bindungen Die B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte Hydrosilylierung eignet sich auch zur Reduktion von Iminen, wie von PIERS und Mitarbeitern berichtet wurde. [47] Verschiedene Schutzgruppen tragende Ketimine (40 rac-41, Schema 1.10) und Aldimine (42 43) ergaben nach Behandlung mit dem Hydrosilan 19 und anschließender Hydrolyse die entsprechenden Amine. [48] Ebenso lassen sich Imine mit silylierten Cyclohexa-1,4-dienen (46) durch die Transferhydrosilylierungsmethode der Gruppe um OESTREICH reduzieren (44 rac-45). [28] PIERS und Mitarbeiter schlugen für die B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte Iminhydrosilylierung zunächst [47] [48] J. M. Blackwell, E. R. Sonmor, T. Scoccitti, W. E. Piers, Org. Lett. 2000, 2, Für ein Eintopfverfahren, bei dem in situ durch Kondensation erhaltene Imine B(C 6 F 5 ) 3 - katalysiert hydrosilyliert werden, siehe: V. Fasano, J. E. Radcliffe, M. J. Ingleson, ACS Catal. 2016, 6,

30 14 THEORETISCHER TEIL einen analogen Mechanismus zu dem der entsprechenden Carbonylhydrosilylierung vor (siehe Kapitel 1.1, Schema 1.2 mit Y = R 3 Si und X = NR bzw. X = O). [47] Mechanistische Untersuchungen von OESTREICH und Mitarbeitern zeigten später, dass für enolisierbare Imine weitere Reaktionswege möglich sind. [49] Der Hydridtransferschritt durch das gebildete Borhydrid kann demzufolge auf verschiedene Iminiumionen erfolgen, was eine enantioselektive Variante dieser Reaktion erschwert. Schema 1.10: B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte Hydrosilylierung von C=N-Bindungen. Bei der Verwendung des chiralen Borans (S)-47 in der Reduktion von Ketiminen (44 (S)- 45, 33% ee, Schema 1.11) mit dem Hydrosilan 19 beobachteten MEWALD und OESTREICH dementsprechend nur geringe Enantiomerenüberschüsse der Amine. [50] ZHU und DU erreichten bei Einsatz des chiralen Borans (S)-50 als Katalysator, welches in situ durch Hydroborierung des entsprechenden Diens mit HB(C 6 F 5 ) 2 generiert wurde, ebenfalls nur moderate Enantioselektivitäten (48 (R)-49, 67% ee). [51] Höhere Enantioselektivitäten (44 (R)-45, 83% ee) wurden mit dem campherabgeleiteten Boran/Phosphin-Präkatalysator 18 erzielt. [32] KLANKERMAYER und Mitarbeiter stellten dabei fest, dass die Verwendung des entsprechenden chiralen Borans als alleiniger Katalysator nur eine unbefriedigende Enantioinduktion zur Folge hatte (nicht gezeigt). [49] [50] [51] J. Hermeke, M. Mewald, M. Oestreich, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, M. Mewald, M. Oestreich, Chem. Eur. J. 2012, 18, X. Zhu, H. Du, Org. Biomol. Chem. 2015, 13,

31 1 Einleitung 15 Schema 1.11: Boran- und LEWIS-Paar-katalysierte Hydrosilylierung von C=N-Bindungen. Die übergangsmetallfreie Hydrierung von Iminen (42 43, Schema 1.12) mit dem FLP- Präkatalysator 2 stellte die erste Anwendung eines FLPs in der Katalyse dar. [10] STEPHAN und Mitarbeiter beobachteten eine Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der durch die Schutzgruppe beeinflussten Basizität des Iminstickstoffatoms. Basischere Substrate wurden schneller umgesetzt. Die Autoren schlossen aus dieser und anderen Beobachtungen, dass zur Produktbildung der Proton- vor dem Hydridtransfer (siehe Kapitel 1.1, Schema 1.4, I XIII II) erfolgt. Später zeigten die Gruppen um STEPHAN [19a] und KLANKERMAYER, [22] dass sich die Iminhydrierung auch in Abwesenheit einer externen LEWIS- Base lediglich durch die Bor-LEWIS-Säure B(C 6 F 5 ) 3 (1) katalysieren lässt (42 43). Eine Reihe von adäquat geschützten Aldiminen und Ketiminen war in der Lage, selbst als LEWIS- Base in der kooperativen H H-Bindungsaktivierung teilzunehmen. Vergleichende Versuche zeigten, dass eine Kombination von B(C 6 F 5 ) 3 (1) mit einer LEWIS-Base die Iminreduktionen dennoch effektiver katalysiert. Eine Möglichkeit, die Effektivität der borankatalysierten Iminhydrierung zu erhöhen, stellten ASHLEY und Mitarbeiter vor. [52] Die Verwendung von Etherlösungsmitteln, die anstelle von schwach basischen Iminsubstraten an dem H H- [52] D. J. Scott, M. J. Fuchter, A. E. Ashley, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53,

32 16 THEORETISCHER TEIL Bindungsaktivierungsschritt als LEWIS-Base teilnehmen, erlaubte die Durchführung bei milderen Bedingungen und in kürzeren Reaktionszeiten (51 52). Eine weitere Steigerung der katalytischen Aktivität wurde durch die Verwendung sterisch anspruchsvollerer B(C 6 F 5 ) 3 - Derivate wie B(C 6 Cl 5 )(C 6 F 5 ) 2 (53) erreicht. Boreniumionen eignen sich ebenfalls zur Hydrierung von Iminen zu Aminen. STEPHAN und Mitarbeiter zeigten die katalytische Aktivität des carbenstabilisierten Boreniumions 56 + in der Iminreduktion (54 55). Der vorgeschlagene Mechanismus ist ebenso wie die boreniumionkatalysierte Ketonhydrosilylierung (siehe Kapitel 1.2.1) analog zu der entsprechenden Borankatalyse. [53] Die Modifikation des stabilisierenden Substituenten erlaubt eine Feinabstimmung der elektronischen und sterischen Eigenschaften der Boreniumionen, die sich häufig als aktiver in katalytischen Hydrierungen zeigen als neutrale Borankatalysatoren. [54] Schema 1.12: Boran-, boreniumion- und LEWIS-Paar-katalysierte Hydrierung von C=N-Bindungen. [53] [54] J. M. Farrell, J. A. Hatnean, D. W. Stephan, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, P. Eisenberger, B. P. Bestvater, E. C. Keske, C. M. Crudden, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, ; für weitere Beispiele boreniumionkatalysierter Hydrierungsreaktionen siehe: b) J. M. Farrell, D. W. Stephan, Chem. Commun. 2015, 51, ; c) J. M. Farrell, R. T. Posaratnanathan, D. W. Stephan, Chem. Sci. 2015, 6,

33 1 Einleitung 17 Über enantioselektive übergangsmetallfreie Hydrierungen von Iminen wurden von den Gruppen um KLANKERMAYER, REPO und DU berichtet (Schema 1.13). KLANKERMAYERs campherbasierter Boran/Phosphin-Präkatalysator 57 (48 (R)-49, 81% ee) [55] und REPOs Boran/Amin-Präkatalysator (S)-58 (40 (S)-41, 83% ee) [56] zeigten die Möglichkeit der Enantioinduktion durch FLP-Systeme, während LIU und DU eine rein borankatalysierte asymmetrische Iminreduktion durch das chirale Boran vorstellten (S)-50 (44 (R)-45, 78% ee). [57,58] Schema 1.13: Boran- und LEWIS-Paar-katalysierte enantioselektive Hydrierung von C=N-Bindungen. [55] [56] [57] [58] a) D. Chen, Y. Wang, J. Klankermayer, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, Für ein Beispiel eines campherabgeleiteten intramolekularen FLPs in der enantioselektiven Hydrierung von Iminen siehe: b) G. Ghattas, D. Chen, F. Pan, J. Klankermayer, Dalton Trans. 2012, 41, M. Lindqvist, K. Borre, K. Axenov, B. Kótai, M. Nieger, M. Leskelä, I. Pápai, T. Repo, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, Y. Liu, H. Du, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, Für diastereoselektive borankatalysierte Hydrierungen von Iminen siehe: a) Z. M. Heiden, D. W. Stephan, Chem. Commun. 2011, 47, ; b) X. Zhu, H. Du, Org. Lett. 2015, 17,

34 18 THEORETISCHER TEIL Borankatalysierte formale Hydrierungen lassen sich durch die Verwendung von H 2 - Transferreagenzien erreichen (Schema 1.14). STEPHAN und Mitarbeiter nutzten die Tatsache aus, dass der Hydridübertragungsschritt durch Borhydride auf Iminumiumionen reversibel ist (siehe Kapitel 1.1, Schema 1.2, VIII II+IV mit X = NR und Y = H). Durch Verwendung eines Überschusses des Amins 59 und einer katalytischen Menge B(C 6 F 5 ) 3 (1) wurden aus Aldiminen (54 55) und Ketiminen (44 rac-45) die entsprechenden Reduktionsprodukte erhalten. [59] OESTREICH und Mitarbeiter entwickelten eine weitere Methode zur B(C 6 F 5 ) 3 - katalysierten Transferhydrierung von Iminen (51,44 52,rac-45) und fanden, dass sich Cyclohexa-1,4-diene (60) als Diwasserstoffquelle eignen. [60] Das Reduktionsmittel Diwasserstoff liegt dabei im Gegensatz zum Hydrosilan in der Transferhydrosilylierung mit Cyclohexa-1,4-dienen (siehe Kapitel 1.2) nicht oder nur in geringen Mengen frei vor. Stattdessen nahmen die Autoren an, dass nach Hydridabstraktion durch B(C 6 F 5 ) 3 (1) das aus dem Cyclohexa-1,4-dien gebildete WHELAND-Intermediat als BRØNSTED-Säure direkt das Iminsubstrat zum Iminiumion protoniert und auf diese Weise das kinetisch stabile Borhydrid/Iminiumion-Ionenpaar gebildet wird, aus dem daraufhin das Amin hervorgeht. Schema 1.14: Borankatalysierte Transferhydrierung von C=N-Bindungen. [59] [60] J. M. Farrell, Z. M. Heiden, D. W. Stephan, Organometallics 2011, 30, I. Chatterjee, Z.-W. Qu, S. Grimme, M. Oestreich, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54,

35 1 Einleitung 19 Die borankatalysierte Hydrosilylierung von C N-Bindungen wurde von CHANG und Mitarbeitern untersucht. [61] Bei Verwendung eines Äquivalents des Monohydrosilans 4 in Gegenwart katalytischer Mengen von B(C 6 F 5 ) 3 (1) wurde eine monoselektive Hydrosilylierung von Nitrilen zu den entsprechenden N-silylierten Iminen beobachtet (61 62, Schema 1.15). Wurden die Nitrile mit einem Überschuss an Dihydrosilan 64 oder 67 behandelt, erfolgte eine vollständige Reduktion zu den entsprechenden Aminen (61,65,68 63,66,69). Schema 1.15: Borankatalysierte Hydrosilylierung von C N-Bindungen Reduktion von C=C- und C C-Bindungen GEVORGYAN und Mitarbeiter zeigten, dass sich nicht nur σ-basische Verbindungen wie Carbonylverbindungen oder Imine, sondern auch π-basische Alkene B(C 6 F 5 ) 3 -katalysiert hydrosilylieren lassen (Schema 1.16). [62,63] Terminale (70 71) und interne (72 cis-73) [61] [62] [63] a) N. Gandhamsetty, J. Jeong, J. Park, S. Park, S. Chang, J. Org. Chem. 2015, 80, Für die B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte Reduktion konjugierter Nitrile mit Dihydrosilanen siehe: b) N. Gandhamsetty, J. Park, J. Jeong, S.-W. Park, S. Park, S. Chang, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, M. Rubin, T. Schwier, V. Gevorgyan, J. Org. Chem. 2002, 67, Für intramolekulare B(C 6 F 5 ) 3 -katalysierte C=C-Hydrosilylierungen siehe: R. Shchepin, C. Xu, P. Dussault, Org. Lett. 2010, 12, Für formale Hydrierungen von C=C-Bindungen bei Verwendung von Hydrosilanen als Reduktionsmittel siehe: a) M. Tan, Y. Zhang, Tetrahedron Lett. 2009, 50, ; b) L. D. Curless, E. R. Clark, J. J. Dunsford, M. J. Ingleson, Chem. Commun. 2014, 50, ; c) L. Greb, S. Tamke, J. Paradies, Chem. Commun. 2014, 50,