8 Zusammenfassung und Ausblick

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1 8 Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die LEWIS-aciden Eigenschaften diverser Übergangsmetallverbindungen in unterschiedlichen Reaktionen untersucht. Das Augenmerk lag insbesondere auf Verbindungen des Eisens, Rutheniums und des Golds, wobei die Fähigkeit der Metall-Komplexe, Aromaten 11 durch eine elektrophile Substitution gemäß ML n (21) + Ar-H (11) Ar-ML (n-1) (22) + HL (23) zu metallieren, untersucht werden sollte (Kapitel 1). Ziel war es, die auf diese Weise gebildeten Aryl-Metall-Komplexe 22 in diversen Reaktionen, insbesondere solchen vom FRIEDEL- CRAFTS-Typ, einzusetzen. Das Hauptaugenmerk lag zunächst auf Metalltriflaten (L = OTf). Die Synthese von Triflaten der vorgenannten Metalle erwies sich jedoch als außerordentlich schwierig (Kapitel 2). Es gelang die Synthese von Fe(OTf) 3 (20b) nach einer Literaturvorschrift [44] sowie die des bisher nicht bekannten Ru(OTf) 2 2PhCH 3 (48). Es wurden verschiedene Katalysatorsysteme gefunden, welche die FRIEDEL-CRAFTS- Acylierung von elektronenreichen Aromaten 11 katalysieren (Kapitel 3). Bewährt haben sich insbesondere Fe(OTf) 3 (20b), Fe(ClO 4 ) 3 xh 2 O (64), RuCl 3 3H 2 O (34b) / AgOTf (18b) sowie AuCl 3 (3b) / AgOTf (18b). Die Reaktionen sind auf sehr elektronenreiche Aromaten wie Anisol (11a) beschränkt. Selbst Mesitylen (11b) wird schon nicht mehr vollständig umgesetzt. Es konnten ferner keine Beweise dafür gefunden werden, dass die Reaktionen über Aryl-Metall-Komplexe 22 ablaufen, so dass von einem klassischen Mechanismus ausgegangen werden muss. Fe(OTf) 3 (20b) bewährte sich auch als Katalysator für FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierungen. Im Fall monosubstituierter Aromaten 11 als Substrate werden Isomerengemische erhalten. Die Untersuchungen zu 1,4-Additionen von Aromaten 11 an Enone 75 ergaben, dass im Fall sehr reaktiver Substrate wie Methylvinylketon (75a) und Anisol (11a) das Additionsprodukt gebildet wird, aber nur in Ausbeuten bis zu 43 % (Kapitel 4). Als beste Katalysatoren stellten 102

2 sich Metalltriflate heraus, die entweder in präformierter Form eingesetzt oder in situ aus Metallchloriden und Silbertriflat (18b) hergestellt werden. Dabei konnte folgende Reaktivitätsreihenfolge ermittelt werden: Rh III Ru III Pt II > Cu II > Au III Pd II > Fe III [>> Sc III, Yb III ] Diese Reaktionen verlaufen mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht über Aryl-Metall-Komplexe 22, sondern über einen Mechanismus nach Art einer FRIEDEL-CRAFTS-Alkylierung. Die ursprüngliche Idee, Aromaten 11 in situ zu metallieren und die so gebildeten Komplexe Ar-ML (n-1) 22 an α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen zu addieren, konnte nicht verwirklicht werden. Die erhoffte Arylierung endständiger Alkine gelang nicht (Kapitel 5). Stattdessen wurden effiziente Gold-katalysierte Verfahren zur Hydroarylierung sowohl Aryl-substituierter als auch elektronenarmer Alkine gefunden. Endständige Aryl-substituierte Alkine 87 reagieren mit Aromaten 11 unter selektiver Bildung der MARKOVINIKOV-Isomere Ar(Ar )C=CH Als Katalysator fungiert in diesen Reaktionen AuCl 3 (3b), welches durch Zusatz von AgSbF 6 (18a) in situ kationisiert wird. Geringe Katalysatorbeladungen (1.5 mol-% [Au]/3 mol-% [Ag]) sind ausreichend. Abhängig von der Natur des Alkins 87 und des Aromaten 11 werden Ausbeuten bis zu 95 % erzielt (S chema 29). Am reaktivsten sind elektronenreiche Aromaten 11 in Kombination mit elektronenreichen Alkinen 87. Diarylacetylene 85 sind nur sehr wenig reaktiv in diesen Reaktionen. Aryl-Alkyl-disubstituierte Alkine 93 ergeben gute Ausbeuten, aber Isomerengemische (Tabelle 14). Diese Reaktionen verlaufen wahrscheinlich über eine Aktivierung des Alkins durch π-komplexierung mit der kationischen Gold-LEWIS-Säure und anschließender elektrophiler aromatischer Substitution (Schema 36). Endständige Aryl-substituierte Alkine 87 können auch unter Verwendung von FeCl 3 (3c) als Katalysator mit Aromaten 11 umgesetzt werden (Schema 30). Elektronenarme endständige Alkine R(OC)C CH reagieren in einem Gold(I)-katalysierten Prozess mit Aromaten 11 unter selektiver Bildung der Anti-MARKOVINIKOV-Isomere R(OC)CH=CH(Ar), wobei die Doppelbindungsgeometrie von der Art des Alkins abhängt: Ester (R = OEt) ergeben die (Z)-Produkte (Tabelle 18), während der Einsatz von Ketonen (R = Me) zur Bildung von (E)-Olefinen führt (Tabelle 19). Diese Reaktionen werden durch kationische Gold(I)-Komplexe des Typs [L-Au-Solv.] + [X] 102 katalysiert, welche in situ aus den Chloro-Komplexen LAuCl 82 und einem Co-Katalysator wie BF 3 OEt 2 (99) oder AgSbF 6 (18a) erzeugt werden. Der Komplex LAuCl 82 kann auch in situ aus AuCl (32) und einem Liganden L 101 erzeugt werden. Bewährt hat sich insbesondere der Ligand 103

3 (2-Biph) 1 (Cy) 2 P (101g). Geringe Katalysatorbeladungen (1 mol-% [Au]) sind ausreichend. Im Fall elektronenreicher Aromaten 11 werden gute bis exzellente Ausbeuten erzielt ( Tabelle 18 und Tabelle 19). Diese Reaktionen verlaufen sehr wahrscheinlich über eine Aktivierung des Alkins durch π-komplexierung der Dreifachbindung mit der kationischen Gold-LEWIS-Säure und anschließender elektrophiler aromatischer Substitution (S chema 37). Dies ist insofern bemerkenswert, als die Gold-LEWIS-Säure nicht (oder zumindest nicht vollständig) mit dem Carbonylsauerstoffatom des Esters oder des Ketons koordiniert, sondern die Dreifachbindung bevorzugt. Der Grund hierfür liegt im weichen Charakter (im Sinne des HSAB-Prinzips) von Gold-LEWIS-Säuren, welcher eine ausgeprägte Carbophilie dieser Elektrophile bewirkt. Dies steht im Gegensatz zu den meisten klassischen LEWIS-Säuren wie TiCl4 oder AlCl 3 (3a), die als harte Elektrophile ausgeprägt oxophile Eigenschaften aufweisen. Interne elektronenarme Alkine erwiesen sich in diesen Reaktionen leider als nahezu oder völlig unreaktiv. Die Anwendung der kationischen Gold(I)-Katalysatoren in anderen Reaktionen ergab folgende Resultate (Kapitel 6): Das Katalysatorsystem AuCl (32)/(2-Biph) 1 (Cy) 2 P (101g)/AgSbF 6 (18a) (je 2 mol-%) vermittelt die Addition des Silylenolethers 115 an Acetylencarbonsäureethylester (96), welche zur Bildung von (E)-4-Carbomethoxy-4-methyl-2-(trimethylsilyl)-2-pentensäureethylester (116) führt (S chema 40). Die Ausweitung der Reaktion auf andere elektronenarme Alkine wie 3-Butin-2-on (104) gelang nicht. Es ist nicht gelungen, Gold(I)-katalysierte DIELS-ALDER-Reaktionen von Alkinen mit cyclischen 1,3-Dienen zu entwickeln. Cyclopentadien (119) polymerisiert in Gegenwart von kationischen Gold(I)-Komplexen augenblicklich. Andere geplante Reaktionen wie die Gold(I)-katalysierte Hydroaminierung von 1,3-Cyclohexadien (122) gelangen ebenfalls nicht. Die Untersuchung von verschiedenen Metall-Katalysatoren in MUKAIYAMA-Aldol-Reaktionen zeigte, dass folgende Systeme die Addition des Silylenolethers 115 an Benzaldehyd (125a) katalysieren (Kapitel 7): Fe(OTf) 3 (20b) / Diphosphonit-Ligand (127), ½ [(η 6 -Aren)RuCl 2 ] 2 (68) / Diphosphonit-Ligand (127) / 2 AgSbF 6 (18a), [{COD}Ru{η 3 (CH 2 C(CH 3 )CH 2 )} 2 ] (46) / Diphosphonit-Ligand (127) sowie AuCl (32) / Monophosphit-Ligand (128) / AgSbF 6 (18a). Die besten Resultate werden mit den ersten beiden Katalysatorsystemen erzielt (bis zu 100 % Umsatz, vgl. Tabelle 21 und Tabelle 22), während der Einsatz von Ruthenium-(η 3 -Allyl)- 104

4 Komplexen (Tabelle 23) und Gold(I)-Katalysatoren (Tabelle 24) nur zu mäßigen Ausbeuten führt. Leider fallen die Aldolprodukte als Racemate an. Die chiralen Diphosphonit- und Monophosphit-Liganden 127 bzw. 128 induzieren in diesen Reaktionen keine asymmetrische Induktion. Auch die Verwendung des neuen Ruthenium-Komplexes mit einem chiralen Aren- Liganden [{η 6 -(137)}RuCl 2 ] 2 (68d) führt nicht zu einer enantioselektiven Reaktion. Der Grund hierfür ist nicht bekannt. Abschließend lässt sich sagen, dass zwar das für diese Dissertation ursprünglich angestrebte Konzept der Metallierung von Aromaten 11 durch elektrophile Substitution keine Anwendung in katalytischen Reaktionen gefunden hat, aber nichtsdestotrotz sehr interessante und nützliche Resultate erzielt wurden. Hervorzuheben sind vor allem die Gold-katalysierten Hydroarylierungen von Alkinen, die wertvolle Alternativen zu den in der Literatur publizierten Verfahren sind. [24, 62]. Die Gold(I)-katalysierte Hydroarylierung elektronenarmer Alkine stellt darüber hinaus eine Alternative zu Reaktionen vom HECK-Typ dar. [100] Diese Reaktionen belegen eindrucksvoll eine Eigenschaft von kationischen Gold-Katalysatoren: ihre Carbophilie, welche aus dem weichen Charakter des Goldes resultiert. Diese Eigenschaft von Gold- LEWIS-Säuren könnte noch zu vielen nützlichen Anwendungen in der Katalyse führen. Aus Zeitgründen war es im Rahmen dieser Dissertation nicht mehr möglich, dieses Gebiet systematisch zu untersuchen. Erste Versuche (Kapitel 6) brachten zwar nicht immer das gewünschte Ergebnis, führten aber dennoch zu interessanten Erkenntnissen. So ist die Beobachtung, dass kationische Gold(I)-Komplexe die Polymerisation von Cyclopentadien (119) initiieren, sicherlich nähere Untersuchungen wert. Auch sollten mögliche Gold-katalysierte Additionen von Nucleophilen an 1,3-Diene weiter verfolgt werden. Mit Anilin wurden zwar bisher keine positiven Resultate erzielt (Kapitel 6.2.3). Da aber bisher noch keine anderen Substrate getestet wurden, bieten solche Reaktionen noch viel Entwicklungspotenzial. Die Beobachtung, dass Gold(I)-Komplexe des Typs L-Au-Cl 82 in der Regel problemlos aus AuCl (32) und einem Liganden L 101 in situ hergestellt werden können, eröffnet viele neue Möglichkeiten, da hierdurch systematische Untersuchungen zum Einfluss des Liganden auf die Reaktivität des Gold-Katalysators in einer gegebenen Reaktion erheblich vereinfacht werden. Gold-Katalysatoren sind bisher im Gegensatz zu Palladium-Katalysatoren verhältnismäßig wenig untersucht worden. Auf diesem Gebiet gibt es daher noch viel Entwicklungspotenzial. In diesem Zusammenhang könnte auch die Fähigkeit des Goldes, C-H-Bindungen zu aktivieren, zur Anwendung kommen (vgl. S chema 6). Eigene Arbeiten auf diesem Gebiet führten zwar zu keinem Durchbruch. Es wurden aber immer nur einfache Gold-Verbindungen wie AuCl 3 (3b) getestet und keine Komplexe, in denen das Gold durch geeignete Liganden 105

5 stabilisiert wird. Dass auch Komplex-Verbindungen von Gold(III) zur C-H-Aktivierung befähigt sind, wurde in der Literatur bereits mehrfach beschrieben, allerdings nur im Fall intramolekularer Reaktionen (so genannte Cycloaurierungen). [101] Die Fähigkeit von Gold(I)- Verbindungen zur C-H-Aktivierung wurde dagegen bisher kaum untersucht. [102] Jüngst wurde eine Arbeit über Drei-Komponenten-Kupplungen von Aldehyden, Alkinen und Aminen veröffentlicht, bei denen Alkinyl-Gold-Spezies als Intermediate postuliert werden. [103] Hier tritt vermutlich die Insertion einer neutralen Gold(I)-Spezies in die C-H-Bindung eines endständigen Alkins auf, wobei Gold(I) zu Gold(III) oxidiert wird. Gold ist also prinzipiell in der Lage, sowohl in der dreiwertigen Form (elektrophile Substitutution, bei Aromaten) als auch in der einwertigen Form (oxidative Addition, bei Alkinen) C-H-Bindungen zu aktivieren. Möglicherweise könnte das Redoxpaar Au(I)/Au(III) in einigen Fällen eine Alternative zu anderen Redoxpaaren wie Ru(0)/Ru(II) bieten, man denke beispielsweise einmal an die MURAI-Reaktion. All dies spricht dafür, dass in der Katalyseforschung die Anwendung von Gold in Zukunft hohe Aufmerksamkeit verdient. 106