4 Übergangsmetall-katalysierte Reaktionen

4
Übergangsmetall-katalysierte Reaktionen
48
4.1 Allgemeines
49
4.1.1 Oxidationsstufen
49
4.1.2 Koordinative Sättigung, 18e- -Regel
49
4.1.3 Einteilung der Liganden
50
4.1.4 Bindungsmodelle
51
4.2 Mechanismen metallorganischer Reaktionen
52
4.2.1 Ligandenaustauschprozesse
52
4.2.2 Oxidative Addition / Reduktive Eliminierung
53
4.2.3 Insertion / β-Hydrideliminierung
a) CO-Insertion
b) Alken-Insertion
c) Alkin-Insertion
54
54
54
54
4.2.4 Nucleophiler Angriff an koordinierten Liganden
a) Carbonylkomplexe
b) Acylkomplexe
c) π-Komplexe
55
55
55
55
4.2.5 Transmetallierung
57
4.3 Synthetische Anwendungen
57
4.3.1 Synthetische Anwendungen von Übergangsmetallhydriden
1) Homogene katalytische Hydrierung
2) Hydrometallierung
57
57
61
4.3.2 Synthetische Anwendungen von σ-Komplexen
a) C-M-σ-Komplexe durch Transmetallierung von Carbanionen
b) C-M-σ-Komplexe durch Hydrometallierung
c) σ-Komplexe durch oxidative Addition / Transmetallierung
d) σ-Komplexe durch oxidative Addition / Insertion
62
62
63
65
68
4.3.3 Synthetische Anwendungen von Carbenkomplexen
70
4.3.4 Synthetische Anwendungen von Alken- und Dienkomplexen
72
4.3.5 Synthetische Anwendungen von π-Allyl-Komplexen
74
Literatur zur Übergangskatalyse
77
V
Periodensystem der Elemente
4. Übergangsmetall-katalysierte Reaktionen
48
48
frühe Übergangsmetalle
hauptsächlich stöchiometrisch → Carbonylreaktionen
katalytische Prozesse → Sharpless-Oxidierung
Lewis-Säure-Katalyse
späte Übergangsmetalle
hauptsächlich katalytische Reaktionen
Ausnahme: Cu → Cuprate
4.1 Allgemeines
Reaktionen spielen sich in der Koordinationssphäre der Metalle ab
→ Metallzentren und elektronische Umgebung bestimmen Verlauf.
Für Verständnis wichtig:
•
Oxidationsstufe des Metalls
•
Anzahl der d-Elektronen
•
Koordinationszahl des Metalls
•
freie Koordinationsstellen am Metall
4.1.1 Oxidationsstufen
Ladung die am Metall verbleibt, wenn alle Liganden mit abgeschlossener Elektronenschale,
d.h. mit e−-Paar entfernt würden.
Beispiele:
Halogenide
M−Cl ⇒ M+ + Cl−
Hydride
M−H ⇒ M+ + H−
Carbonylkomplexe
M−C≡O ⇒ M + CO
Phosphinkomplexe
Olefinkomplexe
M−
Allylkomplexe
M−PPh3 ⇒ M + PPh3
−
+
⇒ M +
M
⇒ Μ +
4.1.2 Koordinative Sättigung, 18 e−-Regel
Bestimmung der e−-Zahl anhand Periodensystem und Oxidationszahl
18 e−-Regel: Bei einkernigen diamagnetischen Komplexen ist die Summe der d- e− und der e−
die die Liganden beisteuern maximal 18.
Verbindungen mit 18 e− (maximale Ligandenzahl) sind koordinativ gesättigt!
Verbindungen mit < 18 e− sind koordinativ ungesättigt → wichtig für katalytische Prozesse!
Metall benötigt freie Koordinationsstellen um Substrat zu binden!!!!
49
4.1.3 Einteilung der Liganden
formal 3 Familien: Anionen, Neutralliganden, (Kationen) → Oxidationsstufen-Formalismus
Anionische Liganden:
R− > Ar− > H− > R-CO− > X− (X− = Hal−, CN−)
Donorfähigkeit:
Liganden mit mehreren funktionellen Gruppen → Mehrelektronenliganden
Beispiel: Allylgruppe C3H5−
M
M
1
M
η
η
3
η
3
(2e−)
(4e−)
(4e−)
1
2
2
Koordinationsstellen (KS)
Beispiel: Cyclopentadienyl-Ligand C5H5−
M
M
1
M
η
η
3
η
5
(2e−)
(4e−)
(6e−)
1
2
3
Koordinationsstellen (KS)
Neutral-Liganden:
Beispiel:
Phosphane (PR3)
Amine (NR3)
gute σ-Donatoren
→ erhöhen Elektronendichte am Metall
Beispiel: CO, Olefine, Isonitrile: gute π-Akzeptoren → erniedrigen Elekt.-dichte am Metall
Kationische Liganden:
sehr selten, Bsp: NO+ → Nitrosylkomplexe
50
Abzählen der Elektronen:
Beispiele:
+
Ph3P
PPh3
Rh
Fe
OC
OC
FeII:
Cp−:
CO:
:
Cl
Pd
Cl
Ph3P
Pd
Cl
6 e− (d6)
6 e−
2 e− x 2
2 e−
RhI: 8 e− (d8)
Cl− : 2 e−
Ph3P: 2 e− x 3
PdII : 8 e− (d8)
C3H3−: 4 e−
Cl− : 2 e−
Cl : 2 e−



−
−
18 e
(gesättigt)
16 e−
(ungesättigt)
16 e
(ungesättigt)
18 e− -Komplexe: koordinativ gesättigt → unreaktiv
16 e− -Komplexe: koordinativ ungesättigt → reaktiv
4.1.4 Bindungsmodelle
Übergangsmetalle: (teilweise) besetzte d-Orbitale, leere s,p-Orbitale
Liganden: besetzte s, p, sp-Hybridorbitale, (teilweise) unbesetzte π*-Orbitale
Orbitale gleicher Symmetrie können überlappen → Bindung
σ-Donor-Bindung
2 Arten von Bindung
π-Akzeptor-Bindung
σ-Donorbindungen:
- bei Liganden mit freien e−-Paaren (R3P, R3N, H−, R−)
spn-HybridLigand + „dsp“-HybridMetall → erhöht e−-Dichte am Metall
- π-Systeme (Alkene, Alkine, Arene, CO, Isonitrile)
sowohl σ-Donor als auch π-Akzeptor
σ-Bindung
M
leeres
"dsp"
besetztes
π-Orbital
51
π-Akzeptorbindungen: 2 Arten
a) seitengebundene (side-on) Akzeptoren
Beispiel: Alkene, Alkin
π-Rückbindung
σ-Donor-π-Akzeptor-Komplex
π
M
σ
M
besetztes
δ-Orbital
π
leeres
π*-Prbital
b) endgebunden (edge-on) Akzeptoren
Beispiel: CO, RNC
π-Rückbindung
σ-Donor-π-Akzeptor-Komplex
π
M
M
besetztes
δ-Orbital
σ
π
leeres
π*-Prbital
4.2 Mechanismen metallorganischer Reaktionen
4.2.1 Ligandenaustauschprozesse
extrem wichtig:
M-L + L’
M-L’ + L
Beispiel:
inaktiver 18e− -Komplex
Abspaltung
Ligand
aktiver 16e− -Komplex
Substratbindung
Eliminierung
Produktkomplex
Umsetzung
inaktiver 18e− -Komplex
52
4.2.2 Oxidative Addition / Reduktive Eliminierung
Grundlage: Leichter Wechsel der Oxidationsstufe am Metall
Prinzip:
B
Oxidative Addition
Mn + A−B
n+2
M
Reduktive Eliminierung
A
Vorteil: Es müssen nicht unbedingt dieselben Reste reduktiv entfernt werden die zuvor
oxidativ addiert wurden!
→ wichtig für metallorganische Kupplungsreaktionen → Kreuzkupplungen
wichtige Systeme: Ni0 → NiII
Pd0 → PdII
(d10 → d8 )
RhI → RhIII
IrI → IrIII
(d8 → d6 )
Oxidative Addition:
Beispiel: Vaska-Komplex
Ph3P
Ph3P
CO
Ir
Cl
d8
16 e− -Komplex
koordinativ ungesättigt
CO
Ir
+ A B
PPh3
Cl
A
B
PPh3
d6
18 e− -Komplex
koordinativ gesättigt
Palette an Substraten sehr breit → viele Anwendungen
Polare Elektrophile: H−X, R−X, RCO−X
Unpolare Elektrophile: H−H, R−H, R3Si−H
Mehrfachbindungssysteme: Alkene, Alkine (A und B bleiben verbunden)
„Oxidative Addition“ beschreibt Phänomen, keine Aussage über Mechanismus
Reduktive Eliminierung:
meist letzter Schritt eines Katalyse-Zyklus → extrem wichtig
→ Grundlage der meisten C−C-Knüpfungen
Reduktive Eliminierung erfolgt immer aus der syn-Position → stereospezifisch!
53
4.2.3 Insertion / β-Hydrideliminierung
formal wird ungesättigter Ligand Y (CO, RNC, Alken, Alkin) in benachbarte cis-Metallσ-Bindung insertiert.
Prinzip:
L
Z
Y
M
Insertion
koordin.
gesättigt
M Y Z
L
koordin.
ungesättigt
M Y
Z
koordin.
gesättigt
Für Z = H, Alkyl wird neue C−H bzw. C−C-Bindung gebildet → reversibel
Besitzt Z chirales Zentrum → Konfigurationserhalt
a) CO-Insertion: wichtiger Prozess → Synthese von Aldehyden, Ketonen,
Carbonsäurederivaten
Carbonylierung, mit Z = H: Hydroformylierung
Rückreaktion: Decarbonylierung
R
CO
M
Insertion
R
M C
L
L
R
M C
O
O
Wanderungstendenz: η1-Allyl ≥ Et > Me > PhCH2 > Vinyl ≥ Aryl ~ ROCH2 > HOCH2
b) Alken-Insertion:
geht gut bei M−C und M−H Bindungen (katalytische Hydrierung)
Rückreaktion: β-Hydrideliminierung (für R = H)
→ Zersetzung von Alkylmetall-Komplexen
R
R
M
Insertion
β-Hydridel.
(R = H)
stereospezifisch syn
M
Wanderungstendenz: Η >> R, Vinyl, Aryl > RCO >> RO, R2N
c) Alkin-Insertion:
analog:
R
R
M
Insertion
M
stereospezifisch syn
54
4.2.4 Nucleophiler Angriff an koordinierten Liganden
Angriff an ungesättigten Verbindungen sehr wichtiger Prozess
a) Carbonylkomplexe (Angriff am CO von Carbonylkomplexen)
- +
LnM C O
-
R
R
LnM C O -
LnM C O
+ R−Li
LnM C O
E+
R
O
E
R
R
reduktive
Eliminierung
LnM C O
LnM C O E
+
E
Carbenkomplexe
Aldehyde
Ketone
Carbonsäureder.
(stöchiometrische
Umsetzungen)
b) Acylkompexe Schlüsselschritt vieler Metall-katalysierter Acylierungsreaktionen
Beispiel:
X
L
O
Pd
C Ar
O
Ar
+ ROH
C OR
+ L2Pd + HX
L
c) π-Komplexe extrem wichtig
Reaktivität koordinierter Liganden:
>
>
>
>
>>
>
>
55
• Alken-Komplexe (η2-Komplexe)
- anti-Addition:
R
R
Nu
−
M
+ Nu
M
Bildung einer C−M und C−Nu-Bindung
-syn-Addition: bei Cl−, AcO−, R− möglich
R
R
+ Nu−
M
M
R
M
Nu
Nu
• Dien-Komplexe (η4-Komplexe)
Pd: Angriff des Nukleophils an der sterisch weniger gehinderten Position → Allylkomplex
Prinzip:
Nu -
Nu
Pd
Cl
Pd
Cl
-
− 2 Cl
+2L
Nu
Pd +
Cl
Cl
L
L
• π-Allyl-Komplexe (η3-Komplexe)
sehr wichtig → Pd-Chemie
Prinzip:
Pd
R
0
Pd + R
X
−X
−
Pd +
R
X
π-Allyl-Pd-Komplex
π-Komplex 1
Nu -
Pd 0 + R
Pd
R
Nu
Nu
π-Komplex 2
optisch aktive Substrate: Retention (2x Inversion)
Beispiel:
L
Ph
OAc
L4Pd
− AcO
− 2L
-
Pd
+
L
Ph
Nu -
Ph
+ L 4Pd
Nu
56
4.2.5 Transmetallierung
Übertragung eines Restes R von Hauptgruppenmetall M auf Übergangsmetall (ÜM) M‘
R M
+ M'X
R M' + MX
Hauptgruppenmetall sollte elektropositiver sein als Übergangsmetall
wichtig: Kombination Transmetallierung mit anderen Reaktionen (oxid. Add. etc.)
Übertragung zweier Reste R und R‘ auf ein ÜM → Kreuzkupplung durch red. Eliminierung
Transmetallierung in Regel geschwindigkeitsbestimmender Schritt
4.3 Synthetische Anwendungen
4.3.1 Synthetische Anwendungen von Übergangsmetallhydriden
ÜM-Hydride spielen zentrale Rolle bei Hydrierung, Hydrometallierung und
Hydroformylierung
Herstellungsverfahren:
LnM + H 2
oxid. Add
M
M H
β-H-Elim
O
(H)
LnM-X + M'H
H
M
Transmet.
H
a) Homogene katalytische Hydrierung
Oxidative Addition von H2
homogene Hydrierung empfindlicher und selektiver als heterogene Hydrierung
Katalysatoren
(2 Klassen)
Monohydrid-Komplexe
Dihydrid-Komplexe
→ unterschiedliche Reaktivität und Selektivität
•
Monohydridkomplexe
Beispiel: Rh(H)(PPh3)3CO selektiver Hydrierkatalysator für endständige Alkene
•
Dihydridkomplexe
genereller anwendbar, besser untersucht
Beispiel: RhCl(PPh3)3 Wilkinson-Katalysator
57
Katalysecyclus: Monohydridkomplexe
H
L
Rh
L
L
CO
−L
H
H
L
redukt.
Elim.
R
H
R
Rh
CO
L
R
H
H
H
L
L
Rh
L
H H
Rh
β-HElimin.
L
R
CO
CO
R
β-H-Elimin.
oxidative
Addition
Insertion
R
L
H2
Rh
CO
H
L
Katalysecyclus: Dihydridkomplexe (vereinfacht)
L
L
Rh
Cl
L
−L
H
redukt.
Elim.
schnell
H
R
L
(S)
H2
Rh
Cl
L
oxidative
Addition
R
H
H
L
L
Rh
Cl
H
Rh
Cl
H H
(S)
L
(S)
Insertion
langsam
R
H
L
H
Rh
Cl
L
R
58
Reaktivität der Alkene:
R
R
>
>
R
>
R
>
R
R
R
asymmetrische Hydrierungen:
Verwendung chiraler Liganden
O
PPh2
O
PPh2
Ph2P
P
PPh2
OMe
Diop
N
P
OMe
O
O
PPh2
PPh2
Dipamp
BPPM
Chiraphos
59
Beispiel: Synthese von Aminosäuren
P
*P
E
Rh
+
E
E = COOR
+
S
Ph
NHAc
+
+
NH
P
*P
S
Rh
P
diastereomere
Komplexe
Ph
O
O
*P
NH
Rh E
Ph
geschwindigkeitsbestimmender Schritt
E
P
H
*
*
Ph
O
Rh E
P
O
H
P
H
Rh
P
+
+
NH
NH
H
Ph
E
H
*
+
Rh
P
H
+
NH
P
Ph
P
H
*
NH
Rh
E
H
P
O
O
Ph
E
NHAc
Ph
H
98%
E
NHAc
Ph
H
2%
Vorraussetzung für hohe ee’s:
1) Diastereomere Komplexe müssen sehr unterschiedlich reagieren
2) Zwischen beiden Komplexen muss schnelles Gleichgewicht sein
60
b) Hydrometallierung
Hydrozirkonierung
Schwartz Reagenz
H
Cp2Zr
Cl
Beispiele:
H
ZrClCp2
Cp2ZrHCl
Cp2ZrHCl
R
R
ZrClCp2
H
Cp2ZrHCl
ZrClCp2
Angew. Chem. 1976, 88, 402.
Hydrostannylierung
Alkine: stereospezifische syn-Addition, aber Gemisch von Regioisomeren
Beispiele:
SnBu3
Bu3SnH
BnO
BnO
Pd(PPh3)4
BnO
+
SnBu3
J. Org. Chem. 1990, 55, 1867.
Vinylstannane: wichtige Substrate für Kreuzkupplungsreaktionen (Stille-Kupplungen)
geht auch mit Alkene und α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen
OH
OH
O
O
O
O
O
O
Bu3SnH
Pd(PPh3)4
OH
O
OH
O
Tetrahedron Lett. 1982, 477.
61
Mechanismus:
SnBu3
H
R
L
H
Pd
R
R
Bu3Sn
O
L
oxidative
Addition
L
L
H
Bu3SnH
Pd
O
H3O+
L
L
redukt.
Elim.
H
L
Pd
O
H
Bu3Sn
L
Insertion
R
H
L
Pd
O
R
Bu3Sn
O
4.3.2 Synthetische Anwendungen von σ-Komplexen
enthalten Metall-C-σ-Bindung
Herstellung:
R'
M' + MX
R M +
Transmetallierung
Insertion
R'
nucl. Angriff
+ Nu
M
Hydrometallierung
M H +
M
oxidat.
Addition
R'
X
+ M0
teilweise auch Kombinationen
a) C-M-σ
σ-Komplexe durch Transmetallierung von Carbanionen (Li, Mg)
wichtig: Chemie der Kupferverbindungen (Cuprate)
Gilman-Cuprate:
2 RLi + CuI
R2CuLi
wichtige Umsetzungen: 1,4-Additionen, Epoxidöffnungen, mit Säurechloriden → Ketonen
aber alle stöchiometrisch!
62
Kreuzkupplungen:
Beispiel: Stephens-Castro-Kupplung (ebenfalls stöchiometrisch)
Ar
I
+ Cu
R
Ar
R
+ CuI
Sonagashira-Kupplung: Katalytisch in Cu und Pd
CuI, NEt3
+
AcHN
PdCl2(PPh3)2
I
95%
DMF, ∆
COOMe
AcHN
COOMe
Tetrahedron 1992, 48, 3239.
Mechanismus:
Pd(PPh3)4
2 PPh3
Pd(PPh3)2
R
R'
R
oxidative
Addition
reduktive
Eliminierung
I
R = Ar, Vinyl
R
R
(PPh3)2Pd
(PPh3)2Pd
I
R'
CuI, NEt3
Transmet.
CuI
Cu
R'
R'
NEt3H+ I−
63
b) C-M-σ
σ-Komplexe durch Hydrometallierung
H
H
M H +
M
M
M
M
H
H
Beispiel: Pd-katalysierte Cycloisomerisierung von Eninen
O
Pd2(dba)3 CHCl3
HOAc
+
R
R
dba = Ph
Ph
R
J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 636.
Mechanismus:
H
H
Pd
"HPdX"
Insertion
Produkte
Pd
Pd
H
R
H
R
H
R
Addition und Eliminierung von Pd−H erfolgt stereospezifisch syn (cis)
Beispiele: Mehrfachcyclisierung
E E
E
X
E
X
Pd2(dba)3 CHCl3
57%
PPh3, HOAc
- "HPdX"
"HPdX"
E E
E
E
E
X
X
E
X
PdX
PdX
XPd
H
J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 701; 1993, 115, 9421.
OR
OR
Pd2(dba)3 CHCl3
AsPh3, HOAc
86%
R
R
R
R
J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 701; 1993, 115, 9421.
64
c) σ-Komplexe durch oxidative Addition / Transmetallierung
Transmetallierung: meist Transfer eines Restes R von Hauptgruppen- auf Übergangsmetall
→ oft geschwindigkeitsbestimmender Schritt
wichtiger Prozess:
+
R X
Pd(0)
R Pd
Ni(0)
R Ni
X
X
Nur Aryl- und Vinylhalogenide → Retention
Alkylhalogenide → σ-Alkylkomplex → β-Hydrideleminierung
Reaktivität:
I > OTf > Br >> Cl
Mechanismus und Reaktionsmöglichkeiten:
Kreuzkupplung
mit CO-Insertion
R CO
c
R R'
R'
Pd(0)
R X
c
R Pd
a
R'
R CO
Pd
II
CO
d
II
R Pd
R'
b
R Pd
II
II
X
R'
R CO
Pd
II
X
M
R CO
Pd
II
R'
b
R'
DiorganoMetall-Komplex
M X
M: Mg, Zr, Zn, Sn, B, Al, Si, Cu
Teilschritte:
a) Oxidative Addition
b) Transmetallierung
c) Reduktive Eliminierung
d) Insertion
extrem gut entwickelt: Pd(0)-katalysierte Kupplungen
Katalysator: Pd(PPh3)4 oder in situ z.B. aus Pd2(dba)3 und PPh3
bzw. Reduktion:
PdCl2(PPh3)2
Dibal-H
2 PPh3
Pd(PPh3)4
PPh3
Pd(OAc)2
65
•
Zink:
Zinkorganyle transmetallieren sehr gut → auch funktionalisierte Substrate
Beispiel:
Ph
IZn
I
BocHN
COOBn
O
PhCOCl
Zn/Cu
60°
BocHN
COOBn
(Ph3P)4Pd
BocHN
70%
COOBn
J. Org. Chem. 1992, 57, 3398.
• Zirkonium: Negishi-Kupplung
Vinylzirkonium-Verbindungen leicht durch Hydrozirkonierung (Schwartz-Reagenz) erhältlich
Beispiel:
Br
Cp2Zr(H)Cl
RO
RO
RO
E
[Zr]
Pd(0)
E
70%
Tetrahedron Lett. 1978, 1027.
endständige Zr-Verbindungen kuppeln gut, interne kuppeln nicht.
•
Bor:
Suzuki-Kupplung
Bororganyle durch Hydroborierung
Transmetallierung B → Pd zuerst problematisch
Abhilfe: Umsetzung im Basischen
Beispiel:
I
PdCl2, dppf
I
9-BBN
NaOH
B
OR
H
.
OR
OR
PPh2
B
9-BBN :
dppf :
Fe
PPh2
Tetrahedron Lett. 1992, 33, 2571.
ebenfalls gut: aromatische Boronsäuren → Herstellung funktionalisierter Aromaten
66
B(OH)2
CONEt2
+
CONEt2
CONEt2
Pd(PPh3)4
aq. Na2CO3
DME, ∆
Br
CONEt2
•
Zinn:
Stille Kupplung
eine der besten Methoden → viele Anwendungen
Transmetallierung:
>
R C C
> Ar >
R CH CH
Vinylzinn: Konfigurationserhalt
CH2
CH
CH2 , Bn >> Alkyl
Allylzinn: Allylumlagerung
Prinzipiell lassen sich alle Substrate kuppeln, die oxidativ an Pd addieren.
Beispiel: Säurechloride
O
R
R
Cl
O
n
O
Bu3Sn
Pd(0), CO
O
O
n
32-70%
110°
O
Tetrahedron 1992, 48, 2957.
Beispiel: Vinyl-, Aryliodide und –triflate
O
F
O
O
F
COOR
+
TfO
LiCl, THF, ∆
N
O
N
SnBu3
F
COOR
2% PdCl2(PPh3)2
88%
F
Tetrahedron Lett. 1990, 31, 1837.
Geschwindigkeitsbestimmender Schritt: Transmetallierung → Koppeln mit Carbonylierung
Beispiel:
O
O
+
I
Pd(PPh3)4
Bu3Sn
63%
4 bar CO
O
J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 6417.
67
d) σ-Komplexe durch oxidative Addition / Insertion
•
CO-Insertion:
geht sehr gut (auch bei Normaldruck) auch intramolekular
→ eine der besten Methoden um Carbonylgruppe einzuführen.
Beispiel:
OR
OR
RO
PdCl2(PPh3)2
4 bar CO
OH
RO
O
K2CO3, DMF
I
78%
O
J. Org. Chem. 1982, 47, 3630.
•
Alken-Insertion: Heck-Reaktion
im Prinzip analog, Alkene etwas weniger reaktionsfähig
Mechanismus:
HX
H Pd
II
R X
Pd(0)
e
a
X
R'
R
R Pd
II
X
d
II
R
Pd
H
H
R'
H
b
X
c
R Pd
II
R'
a: Oxidative Addition
b: Koordination
c: Insertion
d: β-Hydrideliminierung
e: reduktive Eliminierung
X
R'
Insertion: schwierigster Schritt
verläuft cis selektiv ebenso wie β-H-Eliminierung → Regioselektivität bei cyclischen Sys.
Katalyator: entweder Pd(0) oder Pd(II) mit Reduktionsmittel (PPh3)
Reaktion toleriert viele funktionellen Gruppen
→ breite Anwendung
Beispiel:
O
O
OTf
N
+
O
N
R
PdCl2, PPh3
NEt3, DMF, 60°
R
N
96%
O
N
Heterocycles 1987, 26, 355.
68
Beispiel: intramolekulare Variante
OSiR3
OTf
OSiR3
Pd(PPh3)4
91%
LiCl, Li2CO3
Acta. Chem. Scand. 1992, 46, 597.
Beispiel: asymmetrische Variante
+
ArOTf
O
Pd(OAc)2
(R)-Binap
O
Insertion
β-H-Elim.
PdH
H
Pd
Pd
Ar
H
Ins.
β-H-Elim.
O
40 - 60%
> 96% ee
Ar
O
Ar
H
O
Ar
Tetrahedron Lett. 1992, 33, 1485
Beispiel: Dominoreaktionen
Pd
I
Pd
I
oxidative
I
O
CO-Insertion
Addition
n
n
n
5% PdCl2(PPh3)2
40 bar CO, NEt3
MeOH, MeCN, 100°
AlkenInsertion
O
COOMe
O
Pd
PdI
O
MeOH
n
O
hoher
n
n
O
geringer
CO-Druck
− HPdI
CO-Druck
− HPdI
I
n
J. Org. Chem. 1988, 53, 913.
R
R
3% Pd(PPh3)4
I
MeCN, NEt 3 , ∆
76%
J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 8590.
69
4.3.3 Synthetische Anwendungen von Carbenkomplexen
2 Typen:
Fischer-Carbene
Schrock-Carbene
OMe
Beispiele:
Cp2Ti
(CO)5M
R
elektrophile Carbene
Heteroatom subst.
nucleophile Carbene
Olefinierung (→)
• ÜM-katalysierte Zersetzung von Diazoverbindungen
Katalysatoren: Cu(I)- und Pd(II)-Salze, Rh(OAc)4
Beispiel: Cyclopropanierung
O
O
COOMe
Rh2(OAc)4
N2
RO
COOMe
RO
83%, 69% ds
J. Org. Chem. 1992, 57, 441.
Beispiel: asym. Cyclopropanierung
O
O
R
R'
R
Rh2L*4
O
O
R'
N2
30 - 88%
72 - 94% ee
L* =
E
N − O
J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 1423
Keine geeignete Doppelbindung vorhanden → Insertion in C−H, O−H, N−H
Beispiel:
O
E
OH
N2
Rh2(OAc)4
O
O
71%
E
J. Chem. Soc. Perkin 1 1988, 1417.
70
• Metathese
meist Metall-katalysierte Umsetzungen von Alkenen (Austausch von Alkenen)
Prinzip:
R'
+
R
R'
Katalysator
+
R
R ≠ R’: Kreuzmetathese
Ringöffnungsmetathese
Ringschlußmetathese
n
(ROMP)
(RCM)
gängige Katalysatoren:
Cl
iPr
iPr
Cl
N
F3C
F3C
PCy3
Ph
O
F3C
F3C
Ru
PCy3
Ru
Cl
Mo
O
O
Ph
Cl
PCy3
Schrock
Grubbs
Hoveyda
Mechanismus: Ringschlussmetathese
LnM
MLn
MLn
MLn
viele präparative Anwendungen, starke Entwicklung
Beispiel:
OBn
N
O
OBn
OBn
Grubbs-Kat.
N
∆
OBn
80%
O
Tetrahedron Lett. 1996, 52, 7251.
71
4.3.4 Synthetische Anwendungen von Alken- und Dienkomplexen
Durch Koordination: Umkehrung der Reaktivität des Alkens
Nucl. Angriff an koord. Alken fundamenteller Prozess
wichtige Metalle: Fe → stöchiometrisch, Pd → katalytisch
•
Alken-Komplexe
Katalysatoren: PdCl2-Komplexe (MeCN, PhCN)
Prinzip:
Nu
R
Cl
R
Nu −
Pd
L2PdCl2 +
L
Cl
R
Cl
Pd
− Cl−
L
Nu
β-H-Elim.
R
L
H Pd
Folgereaktionen
Cl
Pd(0) + HCl
Beachte: Pd(II) nötig für Koordination. Nach nucl. Angriff entsteht Pd(0) → Reoxidation
Beispiel: Wacker-Oxidation (Nucl. Addition von H2O)
OHC
OHC
O
PdCl2 / CuCl
59%
O2, H2O
O
O
Mechanismus:
HX
Pd(0)
e
H Pd
II
O2
2 CuCl2
2 CuCl
a
Cl
II
HO
L2PdCl2
d
R'
b
L
II
Cl Pd
O
II
c
HO
R'
L
Cl
R'
Cl Pd
Cl
R'
R'
a: Oxidative Addition
b: Koordination
c: Insertion / Nucl. Angriff
d: β-Hydrideliminierung
e: reduktive Eliminierung
Nur monosubstituierte Alkene → Methylketone
Auch andere O-Nucleophile möglich
72
Beispiel: Cyclisierung mit CO-Insertion
Pr
OMe
OMe
Pr
5% PdCl2
2 eq. CuCl2
OH
O
87%
COOMe
1 atm CO
MeOH
O
O
Pd(II)
OMe
MeOH
OMe
Pr
O
Pr
O
CO
Pd
Pd
O
O
O
J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 2034.
•
Dien-Komplexe
hoch interessant da Bildung von π-Allylkomplexen (→)
Prinzip:
Nu1
− X−
Pd
X
− X−
Pd
X
Nu1
Nu1
Nu2−
Nu1−
Nu2
Nu2
Pd
X
Pd(0)
Beispiel: Bäckvall-Oxidation
cis- oder trans-Diacetat je nach Reaktionsbedingungen
Pd(OAc)2
OAc
L
OAc
− Pd(0)
AcO
Pd
AcO
Pd
OAc
AcO
L
Cl
−
OAc
Reoxidation:
− Pd(0)
−
AcO +
AcO
OAc
Benzochinon, MnO2
Pd
Cl
L
J. Org. Chem. 1984, 49, 4619; J. Am. Chem. Soc 1990, 112, 5160.
73
4.3.5 Synthetische Anwendungen von π-Allyl-Komplexen
Im Prinzip von fast allen Metallen Komplexe bekannt
wichtig: Pd(II)-Komplexe
Herstellung:
Pd
X
Pd
PdH
H
0
II
PdX
PdX2
Pd
MgX
X
PdX2
Pd
L
Nu−
Nu
Pd
Umsetzung von Allylsubstraten extrem viele Anwendungen
allgemeiner Mechanismus:
R
Nu
Pd(0)
X
a
Nu
PdX
R
Pd
d
Pd
b
Nu−
L
RM
c
+
Pd
f
Pd
L
e
L
X
Pd
R
− MX
L
Verschiedene Katalysatoren und Vorstufen, Bsp: Pd(PPh3)4 oder
a: Oxidative Addition
b: π−σ−π-Isomerisierung
c: Ligandenaustausch
d: Nucleophiler Angriff
e: Τransmetallierung
f: reduktive Eliminierung
Cl
Pd
Pd
Cl
•
Allylische Alkylierung
vor allem mit „weichen Nucleophilen“
Stereochemischer Verlauf: Retention (2 x Inversion)
Beispiel:
Ph
LnPd
Ph
OAc
Nu−
Nu
Pd
L
Ph
L
Abgangsgruppen, Reaktivität:
Cl
>
OCOOR >
OAc >>
OH
74
→ selektive Umsetzung von Bisallylsubstraten
Beispiel:
OH
OH
Pd(OAc)2, PPh3
O2N
OAc
SO2Ph
Base
O2N
SO2Ph
ClCOOMe
O2N
SO2Ph
OCOOMe
Pd(OAc)2, PPh3
O2N
OAc
SO2Ph
Base
OAc
J. Org. Chem. 1992, 57, 1588.
effizient: Cyclisierungen
Beispiel:
OAc
AcO
Pd(PPh3)4
O
79%
NaH
OAc
O
E
E
H
Tetrahedron Lett. 1992, 33, 3527, 3531.
O
O
Pd(OAc)2
SO2Ph
SO2Ph
P(OiPr)3
O
OH
92%
SO2Ph
SO2Ph
OR
OR
Tetrahedron Lett. 1986, 27, 5695.
modern: Asymmetrische Katalyse → Verwendung chiraler Liganden
Beispiel:
−
Ph
Ph
LnPd
E
E
Ph
Ph
O
OAc
E
N
E
74 - 98%
98.5% ee
Ph2P
Angew. Chem. 1993, 105, 614; Tetrahedron Lett. 1993, 34, 1769.
geht auch mit Heteronucleophilen
75
Beispiel: Allylschutzgruppen:
OH
OH
Pd(PPh3)4
SR
N
PPh3
O
O
N
+
N
92%
O
N
H
O
SR
O
OH
Tetrahedron Lett. 1987, 28, 4371.
•
Allylierung via Transmetallierung
Beispiel:
O
OAc
+
Bu3Sn
OBn
Pd(PPh3)4
OBn
DMF, LiCl
60°, 48h
81%
O
J. Org. Chem. 1990, 55, 3019.
•
π-Allylkomplexe als Intermediate
Leichte Insertion von Alkenen, Alkinen und CO in π-Allylkomplexe
Beispiel: Cyclisierungen
Ts
N
AcO
Ts
N
Pd2(dba)3
PPh3, CO
MeOH, AcOH
77%
COOMe
Pd(0)
Ts
N
MeOH
Ts
Ts
N
N
Pd
Pd
Pd
O
J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 284.
76
Literatur Übergangsmetallkatalyse
Allgemeine Lehrbücher:
L. Hegedus: Organische Synthese mit Übergangsmetallen, Wiley-VCH
C. Elschenbroich, A. Salzer: Organometallchemie, Teubner
Aktuelle Reviews :
Reaktionen über Carbenkomplexe:
Catalytic enantioselective cyclopropanation of olefins using carbenoid chemistry, Synthesis
1997, 137.
New aspects of catalytic asymmetric cyclopropanation, Tetrahedron 1998, 54, 7919.
Recent advances in asym. catalytic metal carbene transformations, Chem. Ber. 1998, 911.
Olefine carbonylation catalysis with cationic Palladium complexes, Chem. Ber./Recl. 1997,
130, 1557.
Catalytic applications of transition metals in organic synthesis, J. Chem. Soc. Perkin I, 1998,
3637.
Ring closing metathesis of nitrogen containing compounds, Aldrichimica Acta, 1999, 32, 75.
Olefine metathesis and beyond Angew. Chem.
Kreuzkupplungen:
Palladium-catalyzed reactions of organotin compounds, Synthesis 1992, 803.
The Stille reaction, Organic Reactions, 1997, 50, 1.
The intramolecular Stille Rreaction, J. Chem. Soc. Perkin I, 1999, 1235.
Recent advances in the cross coupling reactions of organoboron derivatives, J. Organomet.
Chem. 1999, 576, 147.
Heck-Reaktionen:
Enantioselective Heck Reactions, Nachr. Chem. Tech. Lab. 1994, 42, 270.
Heck-Reaktionen, Angew. Chem. 1994, 106, 2473.
Allylische Alkylierungen / π-Allylchemie:
Asym. transition metal catalyzed allylic alkylations, Chem. Rev. 1996, 96, 395.
Transition metal catalyzed carbocyclization in organic synthesis, Chem. Rev. 1996, 96, 635.
Allylic Amination, Chem. Rev. 1998, 98, 1689.
Transition metal catalyzed cycloisomerizations, Synlett, 1998, 1.
77