Übergangsmetall-katalysierte Kupplungen von Nukleophilen

Report
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Übergangsmetall-katalysierte Kupplungen von
Nukleophilen
25.05.2011
Seminarvortrag
Sonja Schwolow
AK Opatz
Bond Formation between Two Nucleophiles:
Transition Metal Catalyzed Oxidative Cross-Coupling Reactions
C. Liu, H. Zhang, W. Shi, A. Lei, Chem. Rev. 2011, 111, 1780–1824.
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Inhaltsübersicht
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1. Klassische Kreuzkupplungen zwischen Nukleophilen und Elektrophilen
2. Oxidative Kreuzkupplung
2.1 C-C-Bindungsknüpfung
2.1.1 Kupplung von zwei Metallorganylen
2.1.2 Kupplung: Metallorganyl mit CH-Verbindung
2.1.3 Kupplung von zwei CH-Verbindungen
2.2 C-X-Bindungsknüpfung
2.2.1 C-Halogen-Bindungsknüpfung
2.2.2 C-O-Bindungsknüpfung
2.2.3 C-N-Bindungsknüpfung
2.3 X-X-Bindungsknüpfung
2.3.1 P-P- und P-S-Bindungsknüpfung
3. Zusammenfassung
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1. Klassische Kreuzkupplungen
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•
Klassische Kreuzkupplungsreaktionen:
Suzuki, Stille, Negishi, Heck etc.
•
Katalysezyklus:
Oxidative
Addition
Reduktive
Eliminierung
1.
Oxidative Addition: Addition des Elektrophils an
Pd0-Katalysator unter Ausbildung eines PdII-Komplexes
2.
Transmetallierung: Übertragung des organischen Restes
des Nukleophils auf den PdII-Komplex
Transmetallierung
3.
Reduktive Eliminierung: Bildung des
Kupplungsproduktes unter Regeneration des Pd0Katalysators
J. P. Collman, Principles and applications of organotransition metal chemistry, Universitiy Science Books: Mill Valley, CA, 1987.
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2. Oxidative Kreuzkupplungen
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•
Katalysezyklus:
1.
Oxidation des Katalysators: Addition des
oxidationsmittels unter Ausbildung eines
PdII-Komplexes
2.
Transmetallierung: Übertragung beider organischen
Reste der Kupplungspartner auf den PdII-Komplex
3.
Reduktive Eliminierung: Bildung des
Kupplungsproduktes unter Reduktion des Katalysators
Reduktive
Eliminierung
Reoxidation des
Katalysators
Transmetallierung
C. Liu, L. Jin, A. Lei, Synlett 2010, 17, 2527–2536.
•
Vorteil gegenüber klassischer Kreuzkupplung:
Nukleophile können ohne vorherige Funktionalisierung eingesetzt werden
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2. Oxidative Kreuzkupplungen
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•
Gängige Katalysatoren:
Palladium: PdCl2, Pd(OAc)2, Pd(TFA)2, Pd(dba)2
Kupfer: CuCl, CuCl2, CuBr, Cu(OAc)2, Pd(OTFA)2
sonstige Übergangsmetalle: Mangan, Ruthenium, Gold, Molybdän
•
Gängige Oxidationsmittel:
Desylchlorid, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, tert-Butylhydroperoxid, Benzochinon,
Kaliumperoxodisulfat
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier Metallorganyle
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1.
Kupplung von zwei Alkinyl-Metall-Verbindungen
•
Aufbau von symmetrischen konjugierten Bisacetylenen
M. W. Paixao, M. Weber, A. L. Braga, J. B. de Azeredo, A. M. Deobald, Helio A. Stefani,
Tetrahedron Lett. 2008, 49, 2366–2369.
•
Pd-katalysierte Homokupplung auch von Alkinyl-Telluriden möglich
F. V. Singh, M. F. Z. J Amaral, H. A. Stefani, Tetrahedron Lett. 2009, 50, 2636–2639.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier Metallorganyle
2.
Kupplung von Alkinyl-Metall-Verbindungen
mit Aryl-Metall-Verbindungen
•
Heterokupplung :
a. Aryl: elektronenreich, sterisch anspruchsvoll
Alkinyl: elektronenarm, sterisch ungehindert
b. Alkinyl-Überschuss
•
Toleranz gegenüber anderen
funktionellen Gruppen
2
1
3
G. Cahiez, C. Duplais, J. Buendia, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6731–6734.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier Metallorganyle
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3.
Kupplung von Alkinyl-Metall-Verbindungen
mit Alkyl-Metall-Verbindungen
Alkylzinkhalogenid + Alkinylstannan
•
Heterokupplung durch
selektive Transmetallierung bevorzugt:
Alkyl: Pd-Enolat-Bindung
Alkinyl: Pd-Cl-Bindung
Y. Zhao, H. Wang, X. Hou, Y. Hu, A. Lei, H. Zhang, L. Zhu,
J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15048–15049.
L. Jin, Y. Zhao, H. Wang, A. Lei, Synthesis 2008, 4, 649–654.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier Metallorganyle
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4.
•
Kupplung von Aryl-MetallVerbindungen mit Alkyl-MetallVerbindungen
Heterokupplung durch selektive
Transmetallierung bevorzugt:
Alkyl:
Aryl:
Pd-Enolat-Bindung,
Pd-Cl-Bindung
L. Q. Jin, Y. S. Zhao, L. Z. Zhu, H. Zhang, A. W. Lei, Adv. Synth. Catal. 2009, 351, 630–634.
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2.1.2 C-C-Bindungsknüpfung:
Metallorganyl mit CH-Verbindung
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1.
Kupplung von terminalen Alkinen mit Alkyl-Metall-Verbindungen (Zinkorganyle)
M. Chen, X. L. Zheng, W. Q. Li, J. He, A. W. Lei, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 4101–4103.
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2.1.2 C-C-Bindungsknüpfung:
Metallorganyl mit CH-Verbindung
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2.
Kupplung von Alkenen (bzw Aromaten) mit Metallorganylen
a.
Zinnorganyle
•
Aromat mit Arylzinnverbindung: LM Tetrachlorethan als Oxidationsmittel,
Regioselektivität durch ortho-dirigierende Pyridylgruppe
S. Oi, S. Fukita, Y. Inoue, Chem. Commun. 1998, 2439–2440.
•
Aromaten mit Alkylzinnverbindungen, Regioselektivität durch ortho-dirigierende Oxazylgruppe
X. Chen, J.-J. Li, X.-S. Hao, C. E. Goodhue, J.-Q. Yu, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 78–79.
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2.1.2 C-C-Bindungsknüpfung:
Metallorganyl mit CH-Verbindung
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b.
Bororganyle
•
Keton als Oxidationsmittel
Regioselektivität durch ortho-dirigierende Acetylgruppe
F. Kakiuchi, S. Kann, K. Igi, N. Chatani, S. Murai, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 1698–1699.
c.
Siliciumorganyle
S. Yang, B. Li, X. Wan, Z. Shi, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6066–6067.
d.
Zinkorganyle
N. Yoshikai, A. Matsumoto, J. Norinder, E. Nakamura, Synlett 2010, 313–316.
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2.1.2 C-C-Bindungsknüpfung:
Metallorganyl mit CH-Verbindung
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3.
Kupplung von Alkanen mit Metallorganylen
a.
Cyanierung:
S.-I. Murahashi, N. Komiya, H. Terai, T. Makae, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 15312–15313.
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2.1.2 C-C-Bindungsknüpfung:
Metallorganyl mit CH-Verbindung
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b.
•
Bororganyle
α-Funktionalisierung von Glycin-Derivaten
L. Zhao, O. Basle, C.-J. Li, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 4106–4111.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier CH-Verbindungen
•
1.
Besonders effizient:
Reaktionspartner ohne vorherige Funktionalisierung einsetzbar
Homokupplung zweier terminale Alkine:
Kupplung nach Glaser (1869) liefert symmetrische konjugierte Bisacatylene
C. Glaser, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1869, 2, 422–424.
C. Glaser, Ann. Chem. Pharm. 1870, 154, 137–171.
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16
2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier CH-Verbindungen
2.
•
Kupplung von Aromaten mit terminalen Alkinen
Goldkatalyse, symmetrische Edukte
T. Haro, C. Nevado, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1512–1513.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier CH-Verbindungen
3.
Kupplung von Alkanen mit terminalen Alkinen
•
α-Funktionalisierung von Glycin-Derivaten
L. Zhao, C.-J. Li, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7075–7078.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier CH-Verbindungen
4.
Kupplung von Aromaten mit Alkenen
Y. Fujiwara, I. Moritani, M. Matsuda, S. Teranishi, Tetrahedron Lett. 1968, 9, 633–636.
•
Regiokontrolle durch acide Reaktionsbedingungen
N. P. Grimster, C. Gauntlett, C. R. A. Godfrey, M. J. Gaunt, Angew. Chem. Int Ed. 2005, 44, 3125–3129.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier CH-Verbindungen
•
gezielte Funktionalisierung biologisch aktiver Substanzen:
D.-H. Wang, K. M. Engle, B.-F. Shi, J.-Q. Yu, Sience 2010, 327, 315–319.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier CH-Verbindungen
5.
•
Kupplung von zwei Aromaten
Regioselektivität durch ortho-dirigierende Carbamatgruppe
X. Zhao, C. S. Yeung, V. M. Dong, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5837–5844.
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21
2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier CH-Verbindungen
6.
Kupplung von zwei Alkenen
•
Homokupplung von Camphen:
M. J. da Silva, J. A. Goncalves, R. B. Alves, O. W. Howarth, E. V. Gusevykaja,
J. Organomat. Chem. 2004, 689, 302–308.
7.
Kupplung von Aromaten mit Alkanen
Z. Li, C.-J. Li, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 6968–6969.
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2.1.1 C-C-Bindungsknüpfung zweier CH-Verbindungen
8.
Kupplung von zwei Alkanen
Z. P. Li, C.-J. Li, Eur. J. Org. Chem. 2005, 3173–3176.
Z. P. Li, L. Cao, C.-J. Li, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6505–6507.
O. Basle, C.-J. Li, Green. Chem. 2007, 9, 1047–1050.
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2.2 C-X-Bindungsknüpfung
1.
Halogenierung durch Kupplung von CH-Verbindungen mit Salzen
•
•
Chlorierung mit Calciumchlorid
Bromierung mit Kaliumbromid
B. M. Choudary, Y. Sudga, P. N. Reddy, Synlett 1994, 450.
B. Song, X. Zheng, J. Mo, B. Xu, Adv. Synth. Catal. 2010, 352, 329–335.
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2.2 C-X-Bindungsknüpfung
2.
C-O-Bindungsknüpfung durch Kupplung von CH-Verbindungen mit Säuren
•
Acetylierung in Nachbarstellung zur Doppelbindung
H. Grennberg, J.-E. Bäckvall,
Chem. Eur.–J. 1998, 4, 1083–1089.
B. Åkermark, E. M. Larsson, J. D. Oslob,
J. Org. Chem. 1994, 59, 5729–5733.
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2.2 C-X-Bindungsknüpfung
3.
C-O-Bindungsknüpfung durch Kupplung von CH-Verbindungen mit Alkoholen
•
Regioselektivität durch ortho-dirigierendes Amid
G.-W. Wang, T.-T. Yuan, J. Org. Chem. 2010, 75, 476–479.
•
Regioselektivität durch ortho-dirigierenden Oximether
L. V. Desai, H. A. Malik, M. S. Sanford, Org. Lett. 2006, 8, 1141–1144.
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2.2 C-X-Bindungsknüpfung
4.
C-N-Bindungsknüpfung durch Kupplung von CH-Verbindungen mit Stickstoff-Nukleophilen
a.
Aufbau von Inamiden
•
Stickstoff-Nukleophile: z. B. zyklische Carbamate, Harnstoffe und Indole
T. Hamada, X. Ye, S. S. Stahl, J. Am. Chem. Soc. 2008, 833–835.
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2.2 C-X-Bindungsknüpfung
b.
Aufbau von N-Aryl-Bindungen
H.-Y. Thu, W.-Y. Yu, C.-M. Che, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9048–9048.
c.
Bildung von Enamiden
J. M. Lee, D.-S. Ahn, D. Y. Jung, J. Lee, Y. Do, S. K. Kim, S. Chang, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 12954–12962.
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2.2 C-X-Bindungsknüpfung
d.
Synthese von Aminen
S.-M. Au, J.-S. Huang, C.-M. Che, W.-Y. Yu, J. Org. Chem. 2000, 65, 7858–7864.
e.
Funktionalisierung von Amiden
Y. Zhang, H. Fu, Y. Jiang, Y. Zhao, Org. Lett. 2007, 9, 3813–3816.
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2.3 X-X-Bindungsknüpfung
1.
Homokupplung zweier Phosphine:
2.
Kupplung von Phosphinen mit Thiophenol
L.-B. Han, T. D. Tilley, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13698–13699.
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3. Zusammenfassung
Oxidative Kreuzkupplungsreaktionen von Nukleophilen
 Synthesemöglichkeiten
•
•
C-C-Bindungsknüpfungen: Metallorganyle und CH-Verbindungen als Edukte
C-O-, C-N-, C-Hal- Bindungsknüpfungen
 Vorteile
•
•
•
Gewaltige Vielfalt der Synthesemöglichkeiten
oftmals direkte CH-Funktionalisierung möglich
Einsatz von Sauerstoff als Oxidationsmittel
 Probleme
•
Regioselektivität bei Kreuzkupplungen( insbesondere bei Einsatz von CH-Verbindungen)
 Ziele
•
•
breitere Substratpalette, komplexere Verbindungen
mildere, umweltfreundlichere Reaktionsbedingungen
Junges Forschungsfeld auf dem noch weitere Fortschritte zuerwarten sind
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