Functionalization of Organic Molecules by Transition-Metal-Catalyzed C(sp 3 )-H Activation

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1 Functionalization of Organic Molecules by Transition-Metal-Catalyzed C(sp 3 )- Activation Rodolphe Jazzar, Julien itce, Alice Renaudat, Julien Sofack-Kreutzer, and Olivier Baudoin Chem. Eur. J. 2010, 16, Vorgetragen im MCII-Seminar am von Stefanie Auras und Carina Ammerlahn

2 Gliederung Grundlagen C- Aktivierung Mechanismen Inner-Sphere Outer-Sphere Ausblick

3 Funktionalisierung: Grundlagen Was ist Funktionalisierung? Traditionelle Funktionalisierung C- Funktionalisierung FG 1 = al FG 2 = FG = C-R, O-R, C-N,

4 Funktionalisierung: Grundlagen Warum Übergangsmetall-katalysierte Funktionalisierung? Schnellere und ökonomischere Synthesewege Bessere Kontrolle über den Reaktionsverlauf Effizientere Nutzung der Alkanressourcen

5 C- Aktivierung Allgemeine Definition: Komplexbildung in der die C--Bindung direkt mit einem Metal oder Katalysator interagiert; meist mit einer C-M-Zwischenstufe und ohne radikalischen oder ionischen Zwischenprodukten Robert G. Bergman, Nature 2007, 446,

6 C- Aktivierung Präzisere Definition: Bildung einer C-M-Bindung durch Spaltung einer C-- Bindung Entstehung eines Metall-Kohlenwasserstoff-Komplex Robert G. Bergman, Nature 2007, 446,

7 Funktionalisierungsmechanismen Inner Sphere-Mechanismus C C [M] X C X [M] [M] X C X [M] X [M] X C C Outer Sphere-Mechanismus [M] C X

8 Funktionalisierungsmechanismen Inner Sphere-Mechanismus (-Abstraktion) C- Aktivierung Organometallische Spezies wird gebildet

9 Problematik der C(sp 3 )- Bindung Unreaktiv Paraffin: Latein parumaffinis»wenig reaktionsfähig«gesättigte, lokalisierteσ-bindungen Bindungsenergie: 418 kj/ mol nicht Acide pks-wert > 35 Regioselektivität & Chemoselektivität Wechselwirkung zwischen C--Bindung und ÜM muss initiiert werden

10 eteroatom-dirigierte C- Aktivierung Die dirigierende Gruppe ermöglicht die Koordination des ÜM- Katalysators an das Substrat. DG = -COO, NR 3 Y = z. B. Organoboranreagentien FG = Einzuführendes Molekül - Regioselektiv 5-6-gliedriger Metallazyklus - C-C, C-Si, C-O, C-al Bindungen

11 eteroatom-dirigierte C- Aktivierung C-C Kupplung Reaktion: Ruthenium-kathalysierte C- Aktivierung mit Dihydropyrrol als dirigierende Gruppe

12 eteroatom-dirigierte C- Aktivierung C-C Kupplung Mechanismus: S. J. Pastine, D. V. Gribkov, D. Sames, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128,

13 eteroatom-dirigierte C- Aktivierung C-O Kupplung (Lactonbildung) Reaktion: Platin(II)-katalysierte C- Aktivierung

14 eteroatom-dirigierte C- Aktivierung C-O Kupplung (Lactonbildung) Mechanismus: D.-. Wang, X.-S. ao, D.-F. Wu, J.-Q. Yu, Org. Lett. 2006, 8,

15 Mehrfachbindungs-dirigierte C- Aktivierung C-C Doppel- oder Dreifachbindungen als dirigierende Gruppe

16 Mehrfachbindungs-dirigierte C- Aktivierung Allylische C- Aktivierung Reaktion: Reaktion allg.: Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1982, 21,

17 Mehrfachbindungs-dirigierte C- Aktivierung Allylische C- Aktivierung Reaktion: Mechanismus: Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1982, 21,

18 Oxidative-Addition-dirigierte C- Aktivierung Oxidative Addition: Bildung neuer M-A & M-B Bindungen Metallinsertion Koordinationszahl & Oxidationsstufe um 2 erhöht Reduktive Eliminierung: umgekehrter Vorgang; Bildung einer neuen A-B Bindung KZ & OZ um 2 erniedrigt in katalytischen Reaktionen führt sie zur Produktbildung (Georg-August-Universität Göttingen)

19 Oxidative-Addition-dirigierte C- Aktivierung R n Insertion n R R n X [M],Base Base--X n R Y-FG [M] Reduktive Eliminierung beta- Eliminierung Transmetallierung X= Austrittsgruppe R FG n n

20 Oxidative-Addition-dirigierte C- Aktivierung Insertion Reaktion: J. L. Portscheller, S. E. Lilley,. C. Malinakova, Organometallics 2003, 22,

21 Oxidative-Addition-dirigierte C- Aktivierung Intermolekulare C-C Kupplung Reaktion: CN Pd(OAc) 2 (5mol%), F-TOTP(20 mol%) K 2 CO 3, DMF,100 C NC Br F - TOTP= 50% F P 3 2 single-diastereoisomer Indan-Synthese durch Palladium(0)-katalysierte C- Aktivierung Me

22 Oxidative-Addition-dirigierte C- Aktivierung Alk R 1 Mechanimus: Pd 0 Oxidative Addition Br R 2 R 3 Alk R 1 Alk R 1 R 2 R 3 R 2 R 3 Pd II Br Reduktive Eliminierung (R 2 nicht0) Alk R 1 Palladazyklus- Bildung R 2 K 2 CO 3 oder Alk Pd II R 1 R 3 KBr,KCO 3 Pd II R 2 R 3 J. itce, P. Retailleau, O. Baudoin, Chem. Eur. J. 2007, 13,

23 Tandem C(sp 2 )- / C(sp 3 )- Aktivierung Reaktion: Palladium(II)-katalysierte Tandem-Aktivierung

24 Tandem C(sp 2 )- / C(sp 3 )- Aktivierung Mechanismus: 2 O PdX 2 Ar N O R X,O 2 Katalysatorregeneration +X -X O O Pd schwarz Verlust Pd 0 Ar R N PdX Ar R O N O Reduktive Eliminierung Ar R N Pd O -X O C(sp 3 )- Palladazyklus- Bildung (langsam) O B. Liegault, K. Fagnou, Organometallics 2008, 27,

25 Funktionalisierungsmechanismus Outer-Sphere-Mechanismus: Koordinationschemie C--Insertion, C--Oxidation

26 Funktionalisierungsmechanismus Outer-Sphere-Mechanismus: Metal-Carbenoid Funktionalisierung N 2 R 2 ML n C R 1 R 2 R 1 N 2 ML n R 2 R 1 C uw M. L. Davies & James R. Manning, Nature 2008, 451,

27 Zusammenfassung & Ausblick C- Bindung als funktionelle Gruppe Atom- und Kosteneffizienter Ansatz für Synthese (von komplexen organischen Gerüsten) Wenig erforschtes Gebiet Viele Mechanismen noch ungeklärt Reaktionsbedingungen verbessern