Heiden, Markus Reinhard an der (2007)
Studien zur katalytischen Aktivität von Palladium-Komplexen in Suzuki- und Sonogashira-Kreuzkupplungsreaktionen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Teil I: Homogene Katalysatoren für die zweiphasige Reaktionsführung von Suzuki-Miyaura-Kupplungen mit Chloraromaten Die Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung von Arylchloriden mit PhB(OH)2 unter zweiphasigen Bedingungen (DMSO/n-heptan) lässt sich über mehrere Zyklen mit annähernd quantitativen Ausbeuten durchführen. Kern dieses Ansatzes sind polymere Pd-Katalysatoren mit löslicher Phasenmarkierung. Die drei elektronenreichen sterisch anspruchsvollen Phosphine 1-CH2Br,4-CH2P(1-Ad)2-C6H4, 2-Cy2P-2’-OH-biphenyl und 2-tBu2P-2’-OH-biphenyl werden kovalent an MeOPEG2000-OH (≈2000 Dalton) gebunden. Die Katalysatoren bilden sich in situ aus Na2[PdCl4] und dem entsprechenden polymergebundenen Phosphin. Als Basenmischung dient KF/K3PO4. Mit PhB(OH)2 gelingt es, Chloraromaten bei 80°C mit einer Katalysatorkonzentration von nur 0,5 mol% zum jeweiligen Biphenylderivat zu kuppeln. Die Ausbeute liegt bei über 90%. Die Eigenschaften der polaren Phasenmarkierung ermöglichen es, den Palladium-Phosphin-Katalysator mittels einfacher Phasenseparation der katalysatortragenden DMSO-Lösung und der Produktphase (n-Heptan) effizient wiederzugewinnen. Die hohe Aktivität (TOF) des Katalysators bleibt über mehr als fünf Reaktionszyklen - die die katalytische Reaktion, die Phasenseparation und die Wiederzugabe der Substrate zur Initiierung des nächsten Zyklus beinhalten - annähernd konstant. Das Biphenylphosphin des Buchwald-Typs bildet den aktivsten Pd-Katalysator, der eine 1,3 bis 2,8 mal höhere Aktivität zeigt als die Di-1-adamantyl-benzylphosphin-Katalysatoren. Dafür sind sie jedoch auch weniger robust in den Recycling-Experimenten. Ein Leaching des Katalysators in die n-Heptanphase ließ sich nicht beobachten (<0,05%). Dies wurde durch spektrophotometrische Messungen nachgewiesen. Daraus folgt, dass sich eine Palladiumkontamination des Produkts mit dieser von uns entwickelten Methode verhindern lässt. Teil II: Kinetische Einblicke in Suzuki- und Sonogashira-Kreuzkupplungs-Reaktionen mittels Multisubstrat-Hochdurchsatz-Techniken (MS) Wir stellen eine Methode des Hochdurchsatz-Screenings zur Aufnahme der Kinetik homogenkatalysierter Reaktionen vor, bei der bis zu 30 Reaktionen in einem Reaktionsgefäß ablaufen. Demonstriert wird die Methode an der Sonogashira-Reaktion, wobei über 2000 Kupplungsreaktionen analysiert werden. Zuerst werden Ein-Topf-Reaktionen von Phenylacetylen mit einem Satz von 30 unterschiedlichen ortho-, meta- und para-substitutierten Bromaromaten in der Gegenwart von 20 verschiedenen Pd-Phosphin-Katalysatorkomplexen untersucht. Danach werden ‚inverse’ Sätze, bei denen jeweils fünf ArBr bzw. ArI simultan mit fünf bzw. acht para-substituierten Phenylacetylenen reagieren, betrachtet. Dieses Experiment zeigt, dass der Substituenteneinfluss der Halogenaromaten und der Phenylacetylene auf die Geschwindigkeit der Sonogashirakupplung vergleichbar sind. Als Nachweis dieser These werden simultan fünf Halogenaromaten mit fünf (acht) para-substituierten Phenylacetylenen reagieren gelassen, wobei vier unterschiedliche Pd-Phosphin-Katalysatorkomplexe eingesetzt werden. Um diese Experimente zu vervollständigen, wurden Vergleiche mit DFT-Rechnungen durchgeführt um mechanistische Informationen aus den gewonnenen Daten zu erhalten. Die Analysen zeigen, dass beide, das Alkin und der Halogenaromat im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Sonogashirareaktion involviert sind. Aus temperaturabhängigen Sonogashirareaktionen für 21 unterschiedliche Halogenaromaten (X= Cl, Br, I) wurden die jeweiligen Aktivierungsparameter (ΔH‡ und ΔS‡) über Eyring-Auftragungen bestimmt: ArI (ΔH‡ = 48 – 62 kJ·mol-1; ΔS‡ = -71 – -39 J·mol-1·K-1; NO2 ⇒ OMe), ArBr (ΔH‡ = 54 – 82 kJ·mol-1; ΔS‡ = -55 – -11 J·mol-1·K-1) und ArCl (ΔH‡ = 95 – 144 kJ·mol-1; ΔS‡ = -6 – 100 J·mol-1·K-1). DFT-Rechnungen zeigen, dass eine lineare Korrelation der experimentell bestimmten ΔH‡ und der Kohn-Sham HOMO Energien der Halogenaromaten ArX (X= Cl, Br, I) existieren. Trotz der unterschiedlichen C–X Bindungsenergien zeigen Iod- und Bromaromaten vergleichbare Aktivierungsparameter. Dies deutet an, dass die eigentliche Insertion des Palladium in die C-X Bindung nicht der geschwindigkeitslimitierende Schritt ist.

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