Alcarazo, Manuel

German

Dokumentenserver der Akademie der Wissenschaften zu Göttingen

Der Chemie-Preis 2013 wurde Manuel Alcarazo, Mülheim an der Ruhr, in Aner-kennung seiner Arbeiten zur Synthese neuer Ligandensysteme und ihre Anwendungin der symmetrischen homogenen Katalyse verliehen.Manuel AlcarazoKationische Liganden: Synthese und AnwendungenManuel Alcarazo, Juniorgruppenleiter amMax-Planck-Institut für Kohlenforschung,Mülheim an der Ruhr, Träger desChemie-Preises 2013Das Ziel dieses Projektes ist die Synthese vonsehr starken ⁄-Akzeptor-Phosphinen durchdie Einführung von positiv geladenen homo-oder heteroaromatischen Substituenten, diedirekt am Phosphoratom gebunden sind. Aufdiese Weise konnten neue Gold- und Platin-katalysatoren entwickelt werden, die beson-ders gut ⁄-Systeme aktivieren können.⁄-Säuren-Katalyse wird hauptsächlichmit auf Au(I) und Pt(II) basierten Systemendurchgeführt, die sich in den letzten Jah-ren zu den effizientesten Werkzeugen fürUmlagerungsreaktionen von ungesättigtenorganischen Substraten entwickelt haben,sodass heute komplexe Grundgerüste synthe-tisiert werden können. Der allgemein akzep-tierte Mechanismus für diese Transforma-tionen besteht aus drei Schritten: (i) Koor-dination des entsprechenden Metalls an denAlkin- oder Allenrest des Anfangsmaterials,(ii) nukleophiler intra- oder intermolekularerAngriff an das aktivierte Substrat, um eineVinyl-Metall-Spezies auszubilden, und (iii) Protodemetallierung des Vinylinterme-diats mit gleichzeitiger Regeneration des aktiven Katalysators. Man kann erwar-ten, dass die ersten beiden Schritte im Mechanismus durch zusätzliche starke ⁄-Akzeptorliganden beschleunigt werden können. Dadurch wird die Lewis-Azidität desMetallzentrums, an dem sie gebunden sind, erhöht. Im Gegensatz dazu werden starkfl-donierende Liganden die M-C-Bindung des Vinylintermediats durch ihren trans-Effekt schwächen und dadurch die Protodemetallierung erleichtern. Dies bedeutet,dass die Auswahl eines geeigneten Liganden für eine bestimmte Transformation aufdem Verständnis des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts basiert.Kürzlich veröffentlichten wir die erste Synthese und Isolierung eines carben-stabili-sierten P1-zentrierten Trikations [L3P]3+ (L = 2,3-Dialkylaminocyclopropenium) 110.1515/JBG-2013-0014Kationische Liganden: Synthese und Anwendungen | 143Schema 1.durch die Reaktion des 1-Chloro-2,3-(dimethylamino)cyclopropeniumsalzes 2 undP(SiMe3)3 (Schema 1). Trotz der drei positiven Ladungen der gebundenen Gruppe amP-Atom kann diese Verbindung als Ligand für ⁄-saure Metalle wie Platin benutzt wer-den. Versetzt man 1 mit K2PtCl4 in Acetonitril, wird der stabile Komplex 3 gebildet.Die Charge-Decomposition-Analysis der Metall-Ligand Wechselwirkung von 3 zeigtedas überraschende Ergebnis, dass die L → M fl-Donation (0.31 e) niedriger ist als dieM → L ⁄-Rückbindung (0.43 e) in das tief liegende LUMO von 1, was somit als dieHauptwechselwirkung in 3 betrachtet werden muss. Diese unkonventionelle Situa-tion, in der der P-Ligand Elektronendichte von dem Metall entfernt, lässt vermuten,dass die Verbindung 1 die natürliche ⁄-Azidität des Pt(II)-Centers erhöht. Sie solltebekannte Reaktionen beschleunigen oder sogar neue hervorbringen, in denen dieKoordination des Substrates oder der nukleophile Angriff an das aktivierte Substratdie geschwindigkeitsbestimmenden Schritte sind.In einem vorbereitenden Screening für mögliche Anwendungen dieser Ligandenwähltenwir die Pt-katalysierte 6-endo-dig Zyklisierung von 2-ethinyl-1,1’-binaphtalene4 zu Pentahelicen 5 aus zwei Gründen als Modellreaktion aus (Schema 2):(a) In den letzten Jahren entwickelte sich ein größeres Interesse an polyzyklischenhomo- und heteroaromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen aufgrund ihrereinzigartigen optoelektronischen Eigenschaften und ihrer potentiellen Anwen-dung als organische elektronische Leiter. Die ausgewählte Zyklisierung ist einsehr attraktiver Einstieg zur Synthese dieser kohlenstoffreichen Materialien. Wei-terhin wird diese Reaktion zur Herstellung hochsubstituierter Phenanthrenreste,Schema 2.144 | Manuel AlcarazoAbb. 1.die sich in der Struktur von Naturstoffen wiederfinden lässt, benutzt. Schnellwurde daher die Synthese dieser Verbindungen geplant.(b) Da ein relativ schwaches Nukleophil (ein aromatischer Ring) benutzt wird, wirderwartet, dass der nukleophile Angriff der geschwindigkeitsbestimmende Schrittdieser Reaktion ist. Die Verwendung eines starken ⁄-Akzeptor Hilfsliganden wie1 sollte diese Reaktion vereinfachen.Für unsere Studie zum Ligandeneinfluss wählten wir entsprechende Phosphane wiePPh3, P(OPh)3, P(C6F5)3 und den Präkatalysator 3 in Kombination mit einem Silber-salz aus. Wie erwartet zeigten P(OPh)3 und P(C6F5)3 eine bessere Reaktivität als PPh3(Abbildung 1).Interessanterweise verlief die Reaktion mit dem Liganden 1 wesentlich schnellerals bei Verwendung eines der klassischen ⁄-Akzeptorliganden. Tatsächlich konnte einkompletter Umsatz desModellsubstrats zumPentahelicen 5 inweniger als 20Minutenunter den neu entwickelten Reaktionsbedingungen erreicht werden.Zudem ist die Kompatibilität unseres Katalysatorsystems gegenüber verschiede-nen funktionellen Gruppen besonders groß. Bis heute zeigten unsere Experimente,dass Biarylsubstrate, die Ether enthalten, freie oder silylierte Alkohole, Ester, Halo-gensubstituenten, Silyl-und Trifluoromethylgruppen, Thiophene und Furane sehr gutKationische Liganden: Synthese und Anwendungen | 145toleriert werden (Bsp. in Schema 3). Alle Produkte konnten innerhalb weniger Minu-ten in guten bis exzellenten Ausbeuten erhalten werden.Schema 3.Trotz der beachtlichen Aktivität von 3 gibt es drei Aspekte bzgl. dieses Katalysators,die weitere Verbesserungen benötigen:(a) Die Stabilität des Katalysators muss verbessert werden. Mit dem Katalysator 3konnte nach einer Stunde kein Reaktionsfortschritt beobachtet werden, da sichder Katalysator vermutlich zersetzt.b) Auch die Aktivität des Katalysators muss verbessert werden. Mit dem neu ent-wickelten Katalysatorsystem wird eine Katalysatorbeladung von 5 mol% undrecht hohe Temperaturen (80 ∘C) benötigt, auch wenn die Reaktionen wesent-lich schneller ablaufen. Zudem wurde keine Reaktion beobachtet, wenn großeSubstituenten an der ortho-Position des Biaryl-Startmaterials lokalisiert sind(Schema 4). Die Lösung dieses Problems kann möglicherweise in der Verwen-dung eines ⁄-azideren auf Au(I) basierenden Katalysators liegen.Schema 4.146 | Manuel AlcarazoSchema 5.c) Eine Verbesserung der Toleranz gegenüber heteroaromatischen Ringen wie Pyri-dinen ist ebenfalls wünschenswert.Wie bereits erwähnt, auf Au(I) basierende Katalysatoren sollten, aufgrund ihrer höhe-ren Lewis-Azidität des Au(I)-Centers, aktiver sein als auf Pt(II) basierte Katalysatoren.Unglücklicherweise verliefen alle Versuche, Gold an den Liganden 1 zu koordinie-ren, ohne Erfolg. Allerdings sollten dikationische Liganden eher für die Gold-Chemiegeeignet sein, da: (i) die gebildeten Au-Komplexe viel stabiler sind im Vergleich zudenen, die mit trikationischen Liganden gebildet werden, und (ii) die Reaktivitätvergleichbar ist. Aus diesem Grund planten wir die Synthese mehrerer dikationi-schen Liganden, die verschiedene R-Substituenten am Phosphoratom mit unter-schiedlichem sterischen Anspruch und elektronischer Natur (Ph, biphenyl, C6F5-,p-CF3C6H4 . . .). Bis heute konnten die Verbindungen 6 und 7 sowie die entsprechen-den Au(I)-Komplexe hergestellt werden (Schema 5).Um den Umfang der Anwendung dieser neuen Au-Katalysatoren beurteilen zukönnen, konzentrierten wir uns auf die Komplexe, die nur ungern mit dem aufPt basierten Komplex 3 reagierten, also diese mit Substituenten in ortho-Positiondes Biphenylskeletts oder diese mit elektronenziehenden Substituenten am Ring.Schema 6.Kationische Liganden: Synthese und Anwendungen | 147Schema 7.Schema 8. a) nBuLi, −78 ∘C, B(OMe)3, H+, (59%); b) Pd(PPh3)4 (2 mol%), μwave oven, 120 ∘C,25 min (98%); c) Ohira–Bestmann reagend, (3 eq.), K2CO3, MeOH, RT, 48 h (83%); d) 10 (2 mol%),Cl(CH2)2Cl, 80 ∘C, 3 h, (92%); e) H2 (30 bar), Pd/C (20%), MeOH, RT, 48 h, (82%); f) BF3⋅OEt (1 eq.),CH2Cl2, −20 ∘C, 2 h, (93%); g) H2 (1 bar), Pd/C (10%), MeOH: AcOEt (2:1), 24 h, RT, (75%).Einige der Substrate, die mit dem neuen Au(I)-Katalysator 10 erhalten werden, sindin Schema 6 gezeigt.Auch wir profitierten bereits von den neu vorgestellten Katalysatoren in der Syn-these von Naturstoffen wie Orchinol, Ochrolide, Bulbophyllantrin und Epimedoica-risoside A, die durch Verwendung der Pt- und Au-Katalysatoren synthetisiert wer-den konnten. Ein Beispiel für die Synthese ist im Schema 8 abgebildet. Es zeigt dieSynthese von Epimedoicarisoside A, einer Verbindung, die möglicherweise für dieBehandlung kardiovaskularer und zerebrovaskularer Krankheiten wie Herzinfarkteoder Aneurysmen.

Kationische Liganden: Synthese und Anwendungen

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Kationische Liganden: Synthese und Anwendungen

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