CH-Aktivierung. MCII - Seminar Christoph Sonnenschein und David Schrempp

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1 C-Aktivierung MCII - Seminar Christoph Sonnenschein und David Schrempp 1

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Aktivierung über σ-komplexe 3. Intramolekularer Verlauf 4. Murai-Reaktion 5. Intermolekularer Verlauf 6. Carbonylierung 7. ydroacylierung 8. Mercat-Prozess 9. xygenerierung am Beispiel Cytochrom P Überblick 2

3 Einleitung Definition to activate a σ-bond such as C- bond is to increase the reactivity of this bond toward a reagent. (Shilov 1997) Konsequenzen der Aktivierung Bindungsspaltung Funktionalisierung möglich [1] A.E.Shilov, G.B.Shul`pin,Chem. Rev.,1997,97,

4 Einleitung istorische Entwicklung 1931 ieber: erster ydrido-komplex [Fe(C) 4 2 ] 1969 Shilov: Deuterierung von C 4, aber Pt IV als xidationsmittel 1993 Murai: erstmals ohne stöchiometrischen Einsatz von Übergangsmetallen Bedeutung Funktionalisierung von C-Bindungen zentrales Thema Bisher: unselektive Radikalmechanismen C-Aktivierung ermöglicht hohe Selektivität [1] A.E.Shilov,G.B.Shul`pin,Chem.Rev.1997,97,

5 Übersicht 1. Einleitung 2. Aktivierung über σ-komplexe 3. Intramolekularer Verlauf 4. Murai-Reaktion 5. Intermolekularer Verlauf 6. Carbonylierung 7. ydroacylierung 8. Mercat-Prozess 9. xygenerierung am Beispiel Cytochrom P450 5

6 Aktivierung über σ-komplexe Prinzipielle Vorbetrachtung σ-inbindung π-rückbindung σ σ * Wechselwirkungen schwächen Intraligandbindung [2] olleman,a.f.;wiberg,e.;wiberg N. Lehrbuch der Anorganischen Chemie;Walter de Gruyter:Berlin,2007;pp1834 6

7 Aktivierung über σ-komplexe xidative Addition M n + A B M n+2 B A elektronenreiche und niedrigvalente Komplexe i.d.r. mittlere und späte Übergangsmetalle für Wasserstoff exotherm, aber für C-Bindungen endotherm 7

8 Übersicht 1. Einleitung 2. Aktivierung über σ-komplexe 3. Intramolekularer Verlauf 4. Murai-Reaktion 5. Intermolekularer Verlauf 6. Carbonylierung 7. ydroacylierung 8. Mercat-Prozess 9. xygenerierung am Beispiel Cytochrom P450 8

9 Intramolekularer Verlauf Cyclometallierung Ph 3 P Ph 3 P Ir I Cl PPh 3 Ph 3 P Ph 3 P Ph 2 P Ir III Cl (Longato 1975) Vorkoordination durch Kohlenstoff oder eteroatom Wechselwirkung mit C-Bindung eines Liganden Stabilität durch Chelateffekt [3] S.Trofimenko, Inorg. Chem.,1973,12, [4] B.Longato, F.Morandini, S.Brrsadola, J.rganomet.Chem.,1975,88,7-8. 9

10 Intramolekularer Verlauf Agostische Bindung (M.L.. Green) von griech.: agostos (einhaken, umranken) R 2 P C W C L n M CR 2 C PR 3 2e3c-Bindung Nachgewiesen durch Röntgenstruktur, NMR, IR [2] olleman, A.F.;Wiberg, E.;Wiberg N. Lehrbuch der Anorganischen Chemie;Walter de Gruyter:Berlin,2007;pp

11 Murai-Reaktion Alkylierung von Aromaten: + TMS Ru 2 (C)(PPh 3 ) 3 2mol% Toluol, 2 h, Rückfluss TMS 97% (Murai 1993) kompatibel mit zahlreichen funktionellen Gruppen begrenzt auf terminale Alkene [5] G.Dyker,Angew. Chem.,1999,111,

12 Murai-Reaktion Mechanismus R Ru(PPh 3 ) 3 Ru(PPh 3 ) 3 L R Ru(PPh 3 ) 3 L Y R R L R Ru (Ph 3 P) 3 Y Y R Ru(PPh 3 ) 3 PPh 3 R R Ru (Ph 3 P) 2 Y PPh 3 Y Ru(PPh 3 ) 3 [6] F.Kakiuchi,S.Sekine,Y.Tanaka,A.Kamatani,M.Sonoda,N.Chatani,S.Murai,S. Bull. Chem. Soc. Jpn., 1995, 68,

13 Murai-Reaktion Beispiele + Si(Et) 3 Ru 2 (C)(PPh 3 ) 3 2mol% Toluol,135 C, 3 h + Si(Et) 3 Si(Et) 3 93% 3% Si(Et) 3 Me + Si(Et) 3 Ru 2 (C)(PPh 3 ) 3 2mol% Toluol,135 C, 0.5 h Me + Si(Et) 3 Me 10% 83% Erklärung: Me Ru Me Ru [7] M. Sonoda et al.,journal of rganometallic Chemistry,1995,504, [8] F.Kakiuchi, T. Kochi, Synthesis, 2008,19,

14 Übersicht 1. Einleitung 2. Aktivierung über σ-komplexe 3. Intramolekularer Verlauf 4. Murai-Reaktion 5. Intermolekularer Verlauf 6. Carbonylierung 7. ydroacylierung 8. Mercat-Prozess 9. xygenerierung am Beispiel Cytochrom P450 14

15 Intermolekularer Verlauf Cp* Cp* Me 3 P Ir hυ, - 2 Me 3 P Ir (Bergman 1982) Selektivität von Alkanen i.d.r. primär > sekundär > tertiär Annahme: sterisch bedingte geringere bitalüberlappung [9] J.A.Labinger,J.E.Bercaw, Nature, 2002,417,

16 Intermolekularer Verlauf mangelnde Stabilität: kein Chelateffekt..bisheriger Stand der Forschung koordiniert nicht wie 2 side-on sondern eher wie B 4 M CR 2 M CR Austauschprozess oder Grundzustand? [10] J.J.Schneider, Angew. Chem., 1996,108,

17 Übersicht 1. Einleitung 2. Aktivierung über σ-komplexe 3. Intramolekularer Verlauf 4. Murai-Reaktion 5. Intermolekularer Verlauf 6. Carbonylierung 7. ydroacylierung 8. Mercat-Prozess 9. xygenerierung am Beispiel Cytochrom P450 17

18 Carbonylierung Ziel: Einbau von C in organische Verbindungen Beispiel: C-Insertion in Pyrrolidin-Derivaten N N R 4.0 Mol-% [{RhCl(cod)} 2 ] 10 atm C 5atmC 2 4 ipr, 160 C N R N Ausbeute: R 5-Me 84 % 6-Me 12 % Doye, Angew. Chem. 2001, 113,

19 Carbonylierung vorgeschlagener Mechanismus: f f f f f f f f Doye, Angew. Chem. 2001, 113,

20 Übersicht 1. Einleitung 2. Aktivierung über σ-komplexe 3. Intramolekularer Verlauf 4. Murai-Reaktion 5. Intermolekularer Verlauf 6. Carbonylierung 7. ydroacylierung 8. Mercat-Prozess 9. xygenerierung am Beispiel Cytochrom P450 20

21 ydroacetylierung C-Aktivierung reaktionsträger Aldehyde Wilkinson-Kat. enantioselektiv 95% ee 30 % [Rh] chriale Liganden: SS-Me-duphos Fairly, Bosnich, rganometallics, 1988, 7, Barnhart, McMorrin, Bosnich, Chem. Commun. 1997,

22 ydroacetylierung Mechanismus: f (R 3 P) 3 RhCl PPh 3 kl Ph 3 P Rh Cl f Ph 3 P Ph 3 P Cl Rh PPh 3 PPh 3 f Ph 3 P Cl f Rh PPh 3 PPh 3 Fairly, Bosnich, rganometallics, 1988, 7,

23 Übersicht 1. Einleitung 2. Aktivierung über σ-komplexe 3. Intramolekularer Verlauf 4. Murai-Reaktion 5. Intermolekularer Verlauf 6. Carbonylierung 7. ydroacylierung 8. Mercat-Prozess 9. xygenerierung am Beispiel Cytochrom P450 23

24 Mercat-Prozess Dimerisierung unter C-C-Verknüpfung (sp 3 möglich) industrielle Bedeutung Kombination: Photochemie und ÜM-Katalyse in der Gasphase Beispiel: Dimerisierung von 2-Cyanopropan NC NC g hν - 2 NC CN 84 % Dyker, Angew. Chem. 1999, 111, Crabtree, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113,

25 Mercat-Prozess Reaktionsverlauf: 2 R- 3 g R-R g + hv 3 g 2.R- + 3 g R g 3.R- + R R + R R-R Crabtree, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113,

26 Mercat-Prozess Nachteile: Selektivität begrenzt (Stabilität von Radikalen) Beispiel: n-exan Verknüpfung n Anteil [%] Disproportionierung R Kreuzdimerisierungen Crabtree, J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, Crabtree, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113,

27 Mercat-Prozess technische Umsetzung: Crabtree, J. Am. Chem. Soc. 1989, 111,

28 Übersicht 1. Einleitung 2. Aktivierung über σ-komplexe 3. Intramolekularer Verlauf 4. Murai-Reaktion 5. Intermolekularer Verlauf 6. Carbonylierung 7. ydroacylierung 8. Mercat-Prozess 9. xygenerierung am Beispiel Cytochrom P450 28

29 Cytochrom P450 Proteinfamilie: ämprotein, xireduktase, Monooxygenase Name: Pigment, absorbiert mit C-Ligand (λ =450 nm) Funktion: oxidativer Abbau von Substanzen Struktur des aktiven Zentrums: Shilov, Chem. Rev. 1997, 97, Yosihzawa, International Congress Series 1233, 2002,

30 Cytochrom P450 Shilov, Chem. Rev. 1997, 97,

31 Cytochrom P450 Wie verläuft die C-Aktivierung? xenoid-mechanismus : C + Fe V C C + Fe III Fe Rebound-Radikal-Mecanismus C + Fe V Fe IV C + Fe III Anzeichen: DFT-Rechnung, kinetischer Isotopeneffekt, Isomerisierungen Shilov, Chem. Rev. 1997, 97, Yosihzawa, International Congress Series 1233, 2002,

32 Zusammenfassung Murai-Reaktion: selektive C-C-Bindungsknüpfung Einführung einer Carbonylfunktion durch C-Aktivierung Industriell genutzter Mercatprozess (radikalisch) C-Aktivierung durch Enzyme 32

33 Quellen [1] A.E.Shilov, G.B.Shul`pin,Chem. Rev.,1997,97, [2] olleman,a.f.;wiberg,e.;wiberg N. Lehrbuch der Anorganischen Chemie;Walter de Gruyter:Berlin,2007;pp1834 [3] S.Trofimenko, Inorg. Chem.,1973,12, [4] B.Longato, F.Morandini, S.Brrsadola, J.rganomet.Chem.,1975,88,7-8. [5] G.Dyker,Angew. Chem.,1999,111, [6] F.Kakiuchi,S.Sekine,Y.Tanaka,A.Kamatani,M.Sonoda,N.Chatani,S.Murai,S. Bull. Chem. Soc. Jpn., 1995, 68, 62. [7] M. Sonoda et al.,journal of rganometallic Chemistry,1995,504, [8] F.Kakiuchi, T. Kochi, Synthesis, 2008,19, [9] J.A.Labinger,J.E.Bercaw, Nature, 2002,417, [10] J.J.Schneider, Angew. Chem., 1996,108, [11] Yosihzawa, International Congress Series 1233, 2002, [12] Fairly, Bosnich, rganometallics, 1988, 7, [13] Barnhart, McMorrin, Bosnich, Chem. Commun. 1997, [14] Crabtree, J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, [15] Crabtree, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113,

34 Danke für die Aufmerksamkeit. 34