Functionalization of Organic Moleculesby Transition-Metal-CatalyzedC(sp3)-H Activation

Rodolphe Jazzar, Julien Hitce, Alice Renaudat, Julien Sofack-Kreutzer, and Olivier Baudoin

Vorgetragen im MCII-Seminar am 27.10.2011

von Stefanie Auras und Carina Ammerlahn

Chem. Eur. J. 2010, 16, 2654 – 2672

Gliederung

� Grundlagen

� C-H Aktivierung

� Mechanismen

� Inner-Sphere

� Outer-Sphere

� Ausblick

Funktionalisierung: Grundlagen

� Was ist Funktionalisierung?

FG1 = HalFG2 = FG = C-R, O-R, C-N,…

C-H Funktionalisierung

Traditionelle Funktionalisierung

Funktionalisierung: Grundlagen

� Warum Übergangsmetall-katalysierte

Funktionalisierung?

� Schnellere und ökonomischere

Synthesewege

� Bessere Kontrolle über den Reaktionsverlauf

� Effizientere Nutzung der Alkanressourcen

C-H Aktivierung

� Allgemeine Definition:

Komplexbildung in der die C-H-Bindung direkt

mit einem Metal oder Katalysator interagiert;

meist mit einer C-M-Zwischenstufe und ohne

radikalischen oder ionischen Zwischenprodukten

Robert G. Bergman, Nature 2007, 446, 391 - 506

C-H Aktivierung

� Präzisere Definition:

Bildung einer C-M-Bindung durch Spaltung einer C-H-

Bindung

� Entstehung eines Metall-Kohlenwasserstoff-Komplex

Robert G. Bergman, Nature 2007, 446, 391 - 506

Funktionalisierungsmechanismen

� Inner Sphere-Mechanismus

� Outer Sphere-Mechanismus

C H C [M]C X

CH

[M] [M]

XX

C

[M]

X[M]

CX[M]

H

C XH

H

X

Funktionalisierungsmechanismen

� Inner Sphere-Mechanismus

� C-H Aktivierung

� Organometallische Spezies wird gebildet

(H-Abstraktio

n)

Problematik der C(sp3)-H Bindung

� Unreaktiv

� Paraffin: Latein parum affinis »wenig reaktionsfähig«

� gesättigte, lokalisierte σ-Bindungen

� Bindungsenergie: 418 kJ/ mol

� nicht Acide

� pks-Wert > 35

� Regioselektivität & Chemoselektivität

� Wechselwirkung zwischen C-H-Bindung und ÜM muss

initiiert werden

Heteroatom-dirigierteC-H Aktivierung

� Die dirigierende Gruppe ermöglicht die Koordinationdes ÜM- Katalysators an das Substrat.

DG = -COOH, NR3Y = z. B. OrganoboranreagentienFG = Einzuführendes Molekül

- Regioselektiv � 5-6-gliedriger Metallazyklus- C-C, C-Si, C-O, C-Hal Bindungen

Heteroatom-dirigierteC-H Aktivierung

� C-C Kupplung

� Reaktion:

Ruthenium-kathalysierte C-H Aktivierung mit Dihydropyrrol als dirigierende Gruppe

Heteroatom-dirigierteC-H Aktivierung

� C-C Kupplung

� Mechanismus:

S. J. Pastine, D. V. Gribkov, D. Sames, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14220 – 14221.

Heteroatom-dirigierteC-H Aktivierung

� C-O Kupplung

(Lactonbildung)

� Reaktion:

Platin(II)-katalysierte C-H Aktivierung

Heteroatom-dirigierteC-H Aktivierung

� C-O Kupplung

(Lactonbildung)

� Mechanismus:

D.-H. Wang, X.-S. Hao, D.-F. Wu, J.-Q. Yu, Org. Lett. 2006, 8, 3387 – 3390

Mehrfachbindungs-dirigierteC-H Aktivierung

� C-C Doppel- oder Dreifachbindungen als

dirigierende Gruppe

Mehrfachbindungs-dirigierteC-H Aktivierung

� Allylische C-H Aktivierung

� Reaktion:

� Reaktion allg.:

Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1982, 21, 366 –367

Mehrfachbindungs-dirigierteC-H Aktivierung

� Allylische C-H Aktivierung� Reaktion:

� Mechanismus:

Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1982, 21, 366 –367

Oxidative-Addition-dirigierteC-H Aktivierung

� Oxidative Addition:

Bildung neuer M-A & M-B Bindungen

� Metallinsertion

� Koordinationszahl & Oxidationsstufe um 2 erhöht

� Reduktive Eliminierung:

umgekehrter Vorgang; Bildung einer neuen A-B Bindung

� KZ & OZ um 2 erniedrigt

� in katalytischen Reaktionen führt sie zur Produktbildung

http://wwwuser.gwdg.de/~nmoesch/pdfs/metallorganik/Kapitel4.pdf (Georg-August-Universität Göttingen)

Oxidative-Addition-dirigierteC-H Aktivierung

X [M]

H

H

R

R

R H

R FG

R

n n

n

n

n

nX= Austrittsgruppe

[M], Base

Base-H-X

Y-FG

Insertion

ReduktiveEliminierung

beta-Eliminierung

Trans-metallierung

Oxidative-Addition-dirigierteC-H Aktivierung

� Insertion

� Reaktion:

J. L. Portscheller, S. E. Lilley, H. C. Malinakova, Organometallics 2003, 22, 2961 –2971

Oxidative-Addition-dirigierteC-H Aktivierung

� Intermolekulare C-C

Kupplung

� Reaktion:

Indan-Synthese durch Palladium(0)-katalysierte C-H Aktivierung

CN

HBr

NC

Me

PH2F

F- TOTP=50%

single-Diastereoisomer

Pd(OAc)2 (5 mol%),

F-TOTP (20 mol%)

K2CO3, DMF, 100°C

3

Oxidative-Addition-dirigierteC-H Aktivierung

� Mechanimus:

J. Hitce, P. Retailleau, O. Baudoin, Chem. Eur. J. 2007, 13, 792 – 799

PdII

PdII

BrR2

PdII

R3

Alk R1

Br

Alk R1H

R3

R2H

K2CO3

KBr, KHCO3

oder

Palladazyklus-

Bildung

Oxidative

Addition

Reduktive

Eliminierung

(R2 nicht 0 )

Pd0

R3

Alk R1

R2

H

Alk R1H

R2

R3

R2

H

R3

AlkR1

Tandem C(sp2)-H / C(sp3)-H Aktivierung

� Reaktion:

Palladium(II)-katalysierte Tandem-Aktivierung

Tandem C(sp2)-H / C(sp3)-H Aktivierung

� Mechanismus:

B. Liegault, K. Fagnou, Organometallics 2008, 27, 4841 –4843

H2O

HX, O2

PdX2

+ HX

- HX

- HX

Pd0Pd

schwarz

Reduktive

EliminierungC(sp3)-H

Palladazyklus-

Bildung

(langsam)

Katalysator-

regeneration

Verlust

N

N

N

N

H

Ar

H

O

R

O

Ar

O

RPdX

O

H

Pd

Ar

O

R

OAr

O

R

O

Funktionalisierungsmechanismus

� Outer-Sphere-Mechanismus:

� Koordinationschemie

� C-H-Insertion, C-H-Oxidation

Funktionalisierungsmechanismus

� Outer-Sphere-Mechanismus:

� Metal-Carbenoid Funktionalisierung

MLn

MLn

R2

R1

N2

R2

R1

N2

C

R2

H

R1

CH

Huw M. L. Davies & James R. Manning, Nature 2008, 451, 417 - 424

Zusammenfassung & Ausblick

� C-H Bindung als funktionelle Gruppe

� Atom- und Kosteneffizienter Ansatz für Synthese

(von komplexen organischen Gerüsten)

� Wenig erforschtes Gebiet

� Viele Mechanismen noch ungeklärt

� Reaktionsbedingungen verbessern