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Classical Reagents: New Surprises in Palladium-Catalyzed C-C Coupling

Reactions

1Chem. Eur. J. 2008, 14, 8756 - 87663. Dezember 2008

Seminarvortrag von Jürgen Bachl, Thimo Huber und Petr Jirasek


Einführung

• 1970er Jahre: Mizoroki und Heck entdecken unabhängig voneinander die Pd-katalysierte Kupplungsreaktion zwischen Arylhalogeniden und Olefinen.

Mizoroki-Heck-Reaktion

• Übergangsmetall-katalysierte Kupplungsreaktionen revo-lutionieren die organische Synthese, weil sie gute Reaktionen zur C-C-Bindungsknüpfung sind.

• Bis heute sind noch nicht alle mechanistischen Details dieser Reaktionen aufgeklärt worden.


Die Mizoroki-Heck-Reaktion

• R1: aryl, vinyl, benzyl, allyl, acyl

• X: N2+ > I > Br >> Cl (Geschwindigkeit der oxidativen Addition)

• PdX: Pd(0) oder Pd(II). Aktive Pd(0)-Spezies wird meist erst in situ durch PR3 erzeugt

• Base fängt HX ab



• Erwähnenswert: wenn ein –M-Substituent konjugiert zur Doppelbindung vorhanden ist, ergeben endständige Olefine nur trans-substituierte Produkte.

• +M-substituierte Olefine zeigen schlechte Stereoselektivität.

Klassisches Beispiel:



• Geht die Mizoroki-Heck-Reaktion auch mit Alkenyltosylaten und –phosphaten?

• Wie erklärt man sich die 1,2-Migrationen in der MH-Reaktion?

• Gibt es eine atom-ökonomische Version der MH-Reaktion?

Welchen Beitrag leisten Skrydstrup und Lindhardt zu diesem Thema?


β-Hydrid-Eliminierung von Alkenyl-Palladium(II)-Intermediaten

• Wichtige Transformation in der Metallorganik, bei der ein H-Atom aus der β-Position am Liganden ans Metallatom transferiert wird.

• Bekannt bei Alkyl-Metallkomplexen (Bildung eines Olefins und eines Metallhydridkomplexes).


β-Hydrid-Eliminierung von Alkenyl-Palladium(II)-Intermediaten

• β-Hydrid-Eliminierungen bei Alkenen als Liganden am Metallatom sind weniger gut bekannt.

• Hypothese: Bildung einer alkinkoordinierten Metallhydrid-Spezies:


Entdeckung der β-Hydrid-Eliminierung in der Mizoroki-Heck-Reaktion

• Eigentliches Ziel der Autoren: neue Substrate für die MH-Reaktion finden.

• Bedingungen gefunden, um nicht-aktivierte Alkenyltosylate mit elektronenarmen Alkenen zu kuppeln:



Notwendig für diese Reaktionen waren:

• ein sterisch anspruchsvoller, elektronenreicher Phosphin-ligand, z.B. Tri(tert-butyl)phosphin

• Dicyclohexylmethylamin als Base

• 1 Äquivalent Lithiumchlorid



• Untersuchung der Kupplung von 1-Tert-butylvinyltosylat mit Alkenen:

• erwartete Produkte wurden nicht erhalten, sondern Isomere, die vermutlich über eine 1,2-Migration des intermediären Alkenyl-Pd(II)-Komplexes gebildet wurden.



• Einschränkung der 1,2-Migration:

Es sind nur solche Vinyltosylate und –phosphate geeignet, die am C1-Kohlenstoffatom des Alkens einen Substituenten mit quartärem C-Atom tragen.



• Es wurde der Versuch unternommen, den Mechanismus der 1,2-Migration über DFT-Rechnungen aufzuklären.

• Hypothese: β-Hydrid-Eliminierung des Alkenyl-palladium(II)-Intermediats verläuft über eine Pd-Alkin-Dissoziation/Assoziation und anschließende Hydro-palladierung

• Bedingung für diesen Mechanismus: Freie Koordinations-stelle am Metallatom des Pd(II)-Komplexes

• Ist wahrscheinlich erfüllt, da eine trigonal-koordinierte T-förmige Pd(II)-Spezies nach der oxidativen Addition gebildet wird



• Quantenmechanische Rechnung: Höchste Energiebarriere für die Isomerisierung beträgt nur 62 kJ·mol-1

Migration verläuft sehr schnell



• Zusätzliche Absicherung über Deuterierungsexperimente:


Unterdrückung der β-Hydrid-Eliminierung in der Mizoroki-Heck-Reaktion

• Eigentliches Ziel der Autoren: MH-Produkte ohne Migration erhalten.

• Blocken der freien Koordinationsstelle am Pd über Liganden!

• Am besten verläuft diese Reaktion mit X-Phos (Dialkyldiarylphosphin): einzähniger Ligand, der über die sterisch anspruchsvolle Diarylgruppierung die Koordinationsstelle abschirmt


Unterdrückung der β-Hydrid-Eliminierung in der Mizoroki-Heck-Reaktion


Reaktion von Acetylenen mit Olefinen unter Pd-Katalyse:Eine atom-ökonomische Mizoroki-Heck-Reaktion

• Ziel: Entwicklung einer atom-ökonomischen Mizoroki-Heck-Reaktion

• Reaktion von Diphenylacetylen mit elektronenarmen Olefinen (z.B. Acrylamid) unter Pd(II)-Katalyse benötigt weder Base, noch Vinylphosphat oder LiCl

• Entscheidend sind voluminöse Phosphinliganden, z.B. Tri(tert-butyl)phosphin


Zusammenfassung

• β-Hydrid-Eliminierung erfolgt nicht nur bei Alkyl-Metall-Komplexen, sondern auch bei Alkenyl-Metall-Komplexen.

• Mechanismus und Triebkraft sind jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt.

• Eine atom-ökonomische Reaktion von Alkinen mit Alkenen wurde entwickelt.

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