Struktur und Synthese von N- heterozyklischen Carbenen (NHCs)
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- Gregor Maier
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1 Struktur und Synthese von N- heterozyklischen Carbenen (NHCs) Maximilian Knaus und Tatjana Huber 16. Dezember 2010 MC II- Seminar
2 Gliederung I. Allgemeines II. Entdeckung und Historie III. Struktur und Synthese IV. NHC- Metall- Bindungen IV. AnwendungsopBmierung VI. Ausblick
3 I. Allgemeines I. Allgemeines 3
4 I. Allgemeines Allgemeine Struktur von NHCs Besonderheit Stabilität durch elektronische Wechselwirkung und sterische Abschirmung Nucleophiler Charakter Imidazolinyliden Imidazolyliden Thiazolyliden 4
5 II. Entdeckung und Historie II. Entdeckung und Historie 5
6 II. Entdeckung und Historie Instabile Carbene Wanzlick (TU Berlin) Wanzlick/Öfele Arduengo
7 II. Entdeckung und Historie Wanzlick (TU Berlin)! " #$%&'$()! "! " "! **' + "! "! Wanzlick (TU Berlin) Wanzlick/Öfele Arduengo
8 II. Entdeckung und Historie Wanzlick/Öfele (TU Berlin)!! $%&'( "#)* +! "#!!! Wanzlick (TU Berlin) Wanzlick/Öfele Arduengo
9 II. Entdeckung und Historie Arduengo (DuPont) Wanzlick (TU Berlin) Wanzlick/Öfele Arduengo
10 III. Struktur und Synthese III. Struktur und Synthese 10
11 III. Struktur und Synthese Synthese von NHCs 11
12 III. Struktur und Synthese Auf dem Weg zur Synthese des ersten stabilen NHC (Anthony J. Arduengo et al.) Idee: Entwicklung eines Syntheseverfahrens von Imidazolin- 2- thionen zur Entwicklung von Vernetzern für wasserlösliche Autolacke Annahme: Intermediat ist hochreak^v, lu`- und feuch^gkeitsempfindlich Arbeiten unter Schutzgas F. E. Hahn, M. C. Jahnke, Angew. Chem. 2008, 120,
13 III. Struktur und Synthese Synthese des ersten stabilen kristallisierbaren NHCs (Arduengo, 1991) Industrielle Synthese: gute Ausbeuten auch unter nicht strikten Inertgasbedingungen intermediär gebildetes Carben ist weit weniger reak^v als angenommen Durchbruch: Synthese von 1,3- diadamantyl- 2,3- dihydro- 1H- imidazol- 2- yliden : [1]: A. J. Arduengo, R. L. Harlow, M. Kline, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113,
14 III. Struktur und Synthese Synthese von Imidazolin- 2- ylidenen Allgemeine Synthesen: Deprotonierung von Imidazoliumsalzen (a) reduk^ve Entschwefelung von Imidazolin- 2- thionen (b) [2]: T. Dröge, F. Glorius, Angew. Chem. 2010, 122,
15 III. Struktur und Synthese MehrkomponentenreakBon zur Synthese symmetrischer Azoliumsalze [3]: F. E. Hahn, M. C. Jahnke, Angew. Chem. 2008, 120,
16 III. Struktur und Synthese ReakBon zur Synthese unsymmetrischer Azoliumsalze Mehrfachkomponentencyclisierung mit anschließender N- Alkylierung Synthese von Azoliumsalzen aus Oxazoliumsalzen F. E. Hahn, M. C. Jahnke, Angew. Chem. 2008, 120,
17 III. Struktur und Synthese Struktur 17
18 III. Struktur und Synthese Vergleich der Struktur von Azoliumsalzen und NHCs T. Dröge, F. Glorius, Angew. Chem. 2010, 122,
19 III. Struktur und Synthese Carbene 3 B 1 σ 1 p π 1 1 A 1 σ 2 p π 0 Grenzorbitale und mögliche Elektronenkonfigura^on von Carbenen (F. E. Hahn, M. C. Jahnke, Angew. Chem. 2008, 120, ) Energieunterschied zw. σ- Orbital und p- Orbital > 2 ev: Singuleo- Grundzustand Energieunterschied zw. σ- Orbital und p- Orbital < 1.5 ev: Tripleo- Grundzustand 19
20 III. Struktur und Synthese Carbene Singuleocarbene Tripleocarbene 20
21 III. Struktur und Synthese N- heterocyclische Carbene thermodynamische Effekte 1. EN(N, C) sorgt für induk4ven σ- Effekt (- I), der die ungepaarten Elektronen im sp²- Orbital stabilisiert Absenkung des nicht- bindenden σ- Orbitals, Lage des p- Orbitals bleibt unverändert [4]: W. A. Herrmann, C. Köcher, Angew. Chem. 1997, 109,
22 III. Struktur und Synthese N- heterocyclische Carbene thermodynamische Effekte 2. π- Resonanz- Wechselwirkung mit leerem p- Orbital des Carben- C- Atoms (- M- Effekt) energe^sche Anhebung des pπ - Orbitals Vergrößerung des σ- pπ Energieabstands, Stabilisierung des gewinkelten Singuleo- Zustands W. A. Herrmann, C. Köcher, Angew. Chem. 1997, 109,
23 III. Struktur und Synthese Elektronische Struktur (4n + 2)- π- Elektronensystem trägt zur Stabilisierung des Carbens bei 5z- 6e- Bindung Ungesävgte cyclische Carbene sind um ca. 20 kcal/mol stabiler als die gesävgten Analoga π- Elektronensystem eines NHCs W. A. Herrmann, C. Köcher, Angew. Chem. 1997, 109,
24 III. Struktur und Synthese Stabilität von N- heterozyklischen Carbenen W. A. Herrmann, C. Köcher, Angew. Chem. 1997, 109,
25 III. Struktur und Synthese Reak^vität 25
26 W. A. Herrmann, C. Köcher, Angew. Chem. 1997, 109, III. Struktur und Synthese ReakBvität von N- heterocyclischen Carbenen Ges. NHCs: σ- ar^ges freies Elektronenpaar, leeres p- Orbital, delokalisiertes π- System nucleophile Eigenscha`en keine elektrophilen Reak^onen wie Inser^on oder [1+2]- Cycloaddi^onen an nuc. Alkene Donorsolven^en (THF, fl. Ammoniak, Acetonitril) koordinieren nicht an das Carben keine Addi^on an Nucleophile Stabilität gegenüber Dimerisierung
27 III. Struktur und Synthese Exkurs: Parametrisierung elektronischer Strukturen 27
28 III. Struktur und Synthese Exkurs: Parametrisierung elektronischer Strukturen Zielsetzung: Untersuchung der Donoreigenscha`en von Liganden Methoden der Wahl : 1) 13 C- NMR Messung nach Huynh 2) Tolmans elektronischer Parameter (Carbonylschwingung) 3) Lever elektrochemischer Parameter (LEPs) 28
29 III. Struktur und Synthese 13 C- NMR Benzimidazolylidenpalladium (II)- Komplex Beispiel: CAAC NHC δ[ppm] M- NHC δ[ppm] IAd [(IMes)Ir(cod)Cl] IPr [(IMes) 2Pd] CAAC [(SIMes)Ir(cod)Cl]
30 III. Struktur und Synthese Tolmans elektronischer Parameter (TEP): Carbonylkomplex π*- Rückbindung! " # Gefülltes d- orbital Leeres π*- Akzeptororbital à Destabilisierung der ν co - Bindung 30
31 III. Struktur und Synthese Tolmans elektronischer Parameter (TEP): Elektronendonor erhöht Elektronendichte im π * - Orbital des CO- Liganden à Destabilisierung der ν co - Bindung à Verschiebung zu niedrigeren Wellenzahlen klassische NHC- Liganden IAd ICy IBu PPh 3 elektronenreich elektronenarm ν co [cm - 1 ] 31
32 IV. NHC- Metall- Bindung IV. NHC- Metallbindung 32
33 IV. NHC- Metall- Bindung Wich^ge Grundgröße: buried volume (%V bur ) von Nolan/Cavallo Herleitung: Quantenmechanisch kristallographische Daten [2] Vorsicht! Raumanspruch ist abhängig von weiteren Liganden, Komplexgeometrie und Konforma^on. [2]: T. Dröge, F. Glorius, Angew. Chem. 2010, 122,
34 IV. NHC- Metall- Bindung Beispiele bei verschiedenen Komplexen: Standard NHC 34
35 IV. NHC- Metall- Bindung Bindungsstruktur und Eigenschajen Elektronische Eigenschajen als Ligand: σ- Donorvermögen stark (NHC >> P(Cy) 3 >P(Aryl) 3 ) π- Acceptorvermögen schwach (NO> CO > P(Aryl) 3 > NHC > py) π- Donorvermögen Starke Bindung zu späten Übergangsmetallen 35
36 IV. NHC- Metall- Bindung NHC- Metallkomplexsynthese Imidazolsalz Freies Carben Cyanometallkomplexe [2]: T. Dröge, F. Glorius, Angew. Chem. 2010, 122,
37 IV. NHC- Metall- Bindung Templatsynthese Metallzentrum dient als Templat (Schablone) zur Vorbes^mmung der Reak^onsselek^vität 37
38 IV. NHC- Metall- Bindung Anwendungsbeispiel: AK Hashmi Cl- Au(I)- NHC Komplex [3] 1. Synthese Isonitril 2. Templatsynthese: [5] Hashmi, A. S. K., Lothschütz, C., Böhling, C., Hengst, T., Hubbert, C. and Rominger, F. 2010, Adv. Synth. Catal, 352,
39 V. Anwendungsop^mierung V. Anwendungsop^mierung 39
40 V. Anwendungsop^mierung Anwendungsbeispiel 40
41 V. Anwendungsop^mierung Anwendungsbeispiel: Grubbs- Katalysatoren (Olefin- Metathese) 1. Genera^on Metathese- Ak^vität des Ru- Komplexes steigert sich mit höheren σ- Donoreigenscha`en der Phosphane NHC: starker σ- Donor, sehr schwacher π- Akzeptor, deutlich elektronenreicher als Phosphanliganden [5],[6] [6]: Bernhard Rieger, Late transi^on metal polymeriza^on catalysis, 2003, 1, Wiley- VCH [7]: Maohias Scholl, Sheng Ding, Choon Woo Lee, Robert H. Grubbs, Organic LeNers, 1999, 1, [8]: Steven P. Nolan, N- heterocyclic carbenes in synthesis, 2006, 1, Wiley- VCH 41
42 V. Anwendungsop^mierung Anwendungsbeispiel: Grubbs- Katalysatoren (Olefin- Metathese) Grubbs et al. Grubbs II [6] Nolan et al. [7] [7]: Maohias Scholl, Sheng Ding, Choon Woo Lee, Robert H. Grubbs, Organic LeNers, 1999, 1, [8]: Steven P. Nolan, N- heterocyclic carbenes in synthesis, 2006, 1, Wiley- VCH 42
43 V. Anwendungsop^mierung Modifika^on elektron. Eigenscha`en 43
44 V. Anwendungsop^mierung ModifikaBon elektronischer Eigenschajen a. durch die Wahl des Heterozyklus b. normale und abnormale NHCs T. Dröge, F. Glorius, Angew. Chem. 2010, 122,
45 V. Anwendungsop^mierung NHC- Strukturfamilien und deren elektronische Eigenschajen erhöhte σ- Donoreigenscha`en große sterische Hinderung (CAAC 2) [9]: V.Sahuk, L. H. Peeck, H. Plenio, Chem. Eur. J. 2010, 16, 3983 [10]: V. Lavallo, Y. Canac, C. Präsang, B. Donnadieu, G. Bertrand, Angew. Chem. 2005, 117,
46 V. Anwendungsop^mierung Reversible Schaltung elektronischer Eigenschajen von NHCs Schaltbare NHCs a. mioels elektrochemischer Reduk^on/ Oxida^on 46
47 V. Anwendungsop^mierung Reversible Schaltung elektronischer Eigenschajen von NHCs Schaltbare NHCs b. durch Protonierung/ Deprotonierung 47
48 V. Anwendungsop^mierung Reversible Schaltung elektronischer Eigenschajen von NHCs T. Dröge, F. Glorius, Angew. Chem. 2010, 122,
49 VI. Zusammenfassung und Ausblick VI. Ausblick 49
50 VI. Zusammenfassung und Ausblick Zukun`sträch^ge Ligandenklasse mit steigender Bedeutung in der Katalyse, durch: Ausblick VariaBon der Sterik und der elektronischen Struktur (insbesondere schaltbare NHCs) Parametrisierung (TEP, %Vbur) ermöglicht Kategorisierung 50
51 VI. Zusammenfassung und Ausblick Bedeutung Topic: NHC vs. Phosphane Anzahl PublikaBonen Phopshane NHC
52 Quellen [1] A. J. Arduengo, R. L. Harlow, M. Kline, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, [2] T. Dröge, F. Glorius, Angew. Chem. 2010, 122, [3]F. E. Hahn, M. C. Jahnke, Angew. Chem. 2008, 120, [4] W. A. Herrmann, C. Köcher, Angew. Chem. 1997, 109, [5] Hashmi, A. S. K., Lothschütz, C., Böhling, C., Hengst, T., Hubbert, C. and Rominger, F. 2010, Adv. Synth. Catal, 352, [6] Bernhard Rieger, Late transi4on metal polymeriza4on catalysis, 2003, 1, Wiley- VCH [7] Maohias Scholl, Sheng Ding, Choon Woo Lee, Robert H. Grubbs, Organic LeNers, 1999, 1, [8] Steven P. Nolan, N- heterocyclic carbenes in synthesis, 2006, 1, Wiley- VCH [9] V.Sahuk, L. H. Peeck, H. Plenio, Chem. Eur. J. 2010, 16, 3983 [10] V. Lavallo, Y. Canac, C. Präsang, B. Donnadieu, G. Bertrand, Angew. Chem. 2005, 117,
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