Metathese in Wasser - OPUS 4€¦ · Stefan Fronius und Bahram Saberi (Glasbläserei), Erwin...

Metathese in Wasser

Der Naturwissenschaftlichen Fakultät

der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

zur

Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.

vorgelegt von

Dipl. Chem. (Univ.) Miriam Bianca Seßler

aus Ansbach

Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-

Universität Erlangen-Nürnberg.

Tag der mündlichen Prüfung: 10. Juni 2011

Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Rainer Fink

Erstberichterstatter: Prof. Dr. Jürgen Schatz

Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Andreas Hirsch

Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Organische Chemie des Departments Chemie und

Pharmazie der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg unter Leitung von Prof. Dr. Jürgen

Schatz in der Zeit von November 2008 bis April 2011 erstellt.

Mein herzlicher Dank gilt meinem Doktorvater

Herrn Prof. Dr. Jürgen Schatz

für die Aufnahme in seinen Arbeitskreis, die stetige Unterstützung während meiner Promotion, die

zahlreichen Diskussionen und Anregungen, sowie die mir überlassenen großen Freiräume in der

Gestaltung meiner Arbeit. Das freundliche und familiäre Arbeitsklima wird mir in guter Erinnerung

bleiben.

Ein besonderer Dank gilt meinen „Labormitbewohnern“ Susan Bartz, Bettina Blumenröder, Nadja

Wunderlich und Franziska Mildner, ohne die ich das ein oder andere Mal vielleicht wirklich in die

Laborbank gebissen hätte, sowie den ehemaligen Laborkollegen Katharina Tenbrink und Philipp Reeh. Des

Weiteren möchte ich mich bei Miriam Biedermann bedanken für die vielen Gespräche auch über die

Chemie hinaus.

Ich möchte mich ebenfalls bei den Angestellten des Instituts für Organische Chemie bedanken. Mein

Dank gilt Christian Placht, Wilfried Schätzke und Prof. Dr. Walter Bauer (NMR-Spektroskopie), Eva

Hergenröder (Elementaranalyse), Wolfgang Donaubauer und Margarete Dziallach (Massenspektrometrie),

Hannelore Oschmann und Robert Panzer (Chemikalienausgabe), Detlev Schagen (Chemikalienentsorgung),

Stefan Fronius und Bahram Saberi (Glasbläserei), Erwin Schreier und Eberhard Rupprecht (Mechanische

Werkstatt), Holger Wohlfahrt (Hausmeister), Pamela Engerer und Christiane Brandel-Rittel (Sekretariat), Dr.

Frank Hampel (Organisation und Verwaltung) und Gisela Falk (Medizinerpraktikum).

Besonders bedanken möchte ich mich bei meinem Geldgeber, dem Fonds der Chemischen Industrie,

der es mir ermöglichte, dieses spannende Thema zu bearbeiten.

Der Graduiertenschule Molecular Science möchte ich danken für die Finanzierung von Tagungsreisen

und der Möglichkeit zum interdisziplinären Austausch, insbesondere während der beiden

Winterschulen.

Neben der Unterstützung, die ich im Institut erfahren habe, wäre diese Arbeit nicht ohne diejenigen

gelungen, die mir, fernab von der Chemie, immer zur Seite gestanden haben. Deshalb mein herzlicher

Dank auch an Euch.

————— I ———

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung ________________________________________________________ 1

1.1. Organometall-Reaktionen in Wasser 1

1.1.1. Suzuki-Kupplung 1

1.1.2. Stille-Kupplung 5 1.1.3. Metathese 6

1.1.4. Zusammenfassung 16 1.1.5. Summary 16

1.2. Synthesen von NHC-Vorstufen 17

1.3. Erzeugung N-heterocyclischer Carbene 19

1.4. NHC-Silber-Komplexe 22

1.5. Calixarene 25

2. Konzeption der Arbeit ______________________________________________ 28

3. Eigene Ergebnisse _________________________________________________ 30

3.1. Imidazolium- und Imidazolidiniumsalze durch Alkylierungen mit Alkyl- und Benzylhalogeniden 30

3.1.1. Synthese von Benzyl- und 4-Methylbenzyl-substituierten Imidazoliumsalzen 30 3.1.2. Synthese von 4-Methylbenzyl-substituierten Imidazolidiniumsalzen 31

3.1.3. Synthese wasserlöslicher Imidazoliumsalze 32

3.2. Synthese von Oxyimidazoliumsalzen 35

3.2.1. Synthese von 1-Hydroxyimidazol-3-oxid Derivaten 35

3.2.2. Methylierungen und Ethylierungen der 1-Hydroxyimidazol-3-oxid Derivate 36

3.3. Imidazoliumsalze mit Phenyl- und Tolylgruppen am Imidazolium-Rückgrat 39

3.3.1. Synthese von 1-Methyl-5-p-tolyl-1H-imidazol mit Hilfe der TosMIC-Route (Route a) 40

3.3.2. Synthese von 4-Phenyl- und 4-(p-Tolyl)-substituierten Imidazoliumsalzen (Route b) 42

3.4. Erzeugung und Nachweis N-heterocyclischer Carbene 46

3.5. Synthese und Charakterisierung von Silber-NHC-Verbindungen 50

3.6. Metathesekatalysatoren auf Rutheniumbasis 57

3.6.1. Gemischte NHC-Phosphan-Komplexe des Rutheniums 57

3.6.2. NHC-p-Cymol-Komplexe des Rutheniums 65

3.7. Katalysen 72

Inhaltsverzeichnis

——— II —————

3.7.1. Katalytische Aktivität der Komplexe 132, 134 und 135 72 3.7.2. Einfluss diverser Additive auf die RCM von Tosyldiallylamin in D2O 73

3.7.3. Eisen-, Zinn- und Kupferchloride als Additive in der Rutheniumkatalysierten Ringschlussmetathese 79

3.7.4. RCM im sauren und neutralen wässrigen Milieu 82 3.7.5. RCM-Aktivität des Grubbs-Katalysators der 1. Generation in D2O 86

3.7.6. Einfluss diverser Zusätze auf die Homokupplung von Allylalkohol in D2O 89

3.8. Calixarene als Wirtsverbindungen 93

4. Zusammenfassung und Ausblick ____________________________________ 103

4.1. Zusammenfassung 103

4.1.1. Präparative Befunde 103

4.1.2. Ringschlussmetathese in D2O 106 4.1.3. Supramolekulare Reaktivitätssteuerung 109

4.1.4. Metallkomplexe 110 4.1.5. Fazit und Ausblick 114

4.2. Summary 116

4.2.1. Preparative Results 116 4.2.2. Ring Closing Metathesis in D2O 118

4.2.3. Supramolecular Reactivity Tuning 121 4.2.4. Metal Complexes 122

4.2.5. Conclusion and Prospects 126

5. Experimenteller Teil _______________________________________________ 127

5.1. Allgemeine Vorbemerkungen 127

5.1.1. Verwendete Chemikalien und Arbeitstechniken 127

5.1.2. Analysenmethoden 127

5.2. Ausgangsverbindungen 130

5.2.1. Wasserlösliche Imidazoliumsalze 130

5.2.2. Synthese eines Imidazol-N-oxid Derivates 131 5.2.3. Imidazoliumsalze aus 1-Methylimidazol 133

5.2.4. 1-Hydroxy-imidazol-3-oxid-Derivate 137 5.2.5. Alkylierungen der 1-Hydroxy-imidazol-3-oxid-Derivate 140

5.2.6. Synthese von (p-Tolylsulfonyl)methyl-isocyanid (TosMIC) 143 5.2.7. Synthese von Iminen 145

5.2.8. N-Substituierte Imidazole (TosMIC-Route) 146 5.2.9. Imidazole aus Halogenketonen 147

5.2.10. Monoalkylierungen der Imidazole 148

Inhaltsverzeichnis

————— III ———

5.2.11. Synthese von N,N'-Dialkylimidazoliumsalzen 151 5.2.12. 1-Arylimidazole 156

5.2.13. Umsetzung der 1-Arylimidazole mit Benzylbromid 158 5.2.14. Umsetzung der 1-Arylimidazole mit 4-Methylbenzylchlorid 159

5.2.15. Synthese des 1-Mesityl-4,5-dihydro-1H-imidazols 161 5.2.16. Umsetzung des 1-Mesityl-4,5-dihydro-1H-imidazols mit Benzylbromid und 4-

Methylbenzylchlorid 162

5.3. N-heterocyclische Carbene (NHCs) 165

5.3.1. Erzeugung freier N-heterocyclischer Carbene 165

5.3.2. Silber-NHC-Komplexe 168

5.4. Synthese von Ruthenium-Komplexen 173

5.4.1. NHC-Phosphan-Komplex des Rutheniums 173

5.4.2. NHC-p-Cymol-Komplexe des Rutheniums 175

5.5. Katalysen 179

5.5.1. Katalytische Aktivität der Komplexe 132, 134 und 135 179

5.5.2. Einfluss diverser Zusätze auf die RCM von Tosyldiallylamin in reinem D2O 181 5.5.3. RCM von Tosyldiallylamin im sauren und neutralen Milieu 184

5.5.4. Ringschlussmetathesen mit dem Grubbs-Katalysator der 1. Generation in reinem D2O 186 5.5.5. Einfluss diverser Zusätze auf die Homokupplung von Allylalkohol in reinem D2O 187

5.6. NMR-Titrationen zur Bestimmung der log K-Werte 190

6. Anhang _________________________________________________________ 191

6.1. Komplexierung des Tricyclohexylphosphoniumkations durch die Rezeptoren 60, 61 und 62 191

6.1.1. Komplexierung des Tricyclohexylphosphoniumkations durch den Rezeptor 60 (Messreihen 1 und 2) 191





6.2. Chemische Verschiebungen der Protonen in den erzeugten Carbenen 197

6.3. Strukturverzeichnis 198

7. Literaturverzeichnis _______________________________________________ 203

Inhaltsverzeichnis

——— IV —————

————— V ———

Abkürzungsverzeichnis abs. absolut

Ac Akzeptor

Ad Adamantyl

ADMET Acyclische Dien-Metathese

äq. äquatorial

Ar Aryl

ax. axial

Brij 30 Polyoxyethylendodecylether

Bz Benzyl

CIS Complex induced shift

CM Kreuzmetathese

COSY Correlation Spectroscopy

CTAHSO4 Cetyltrimethylammoniumhydrogensulfat

Cy Cyclohexyl

d Tag(e)

DC Dünnschichtchromatographie

DEM Diethoxymethan

Dept Distortionless Enhancement by Polarization Transfer

DHB Dihydroxybenzoat

dip 2,6-diisopropylphenyl

DMA Dimethylacetamid

DMF N,N-Dimethylformamid

DMSO Dimethylsulfoxid

Do Donor

EA Elementaranalyse

EE Ethylacetat

EI-MS Electron Impact Massenspektrometrie

equiv equivalent

ESI Elektrospray-Ionisation

Et Ethyl

Et2O Diethylether

EtOH Ethanol

E/Z Verhältnis von trans- zu cis-Isomer

FAB Fast-Atom Bombardment

GC Gaschromatographie

h Stunde(n)

Abkürzungsverzeichnis

——— VI —————

HDAPS 3-(N,N-Dimethylhexadecylammonio)propansulfonat

Hz Hertz

i-Pr Isopropyl

IR Infrarotspektroskopie

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry

Kass Assoziationskonstante

kat. / Kat katalytisch / Katalysator

konz. konzentriert

Lsg. Lösung

m meta

MALDI Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation

Me Methyl

MeCN Acetonitril

MeOH Methanol

Mes Mesityl

Min. Minute(n)

MMF Merck Molecular Force Field

MS Massenspektrometrie

m/z Verhältnis Masse zu Ladung

n-Bu n-Butyl

NHC N-heterocyclisches Carben

NImag Anzahl der imaginären Frequenzen

NMR Nuclear Magnetic Resonance

NOE Nuclear Overhauser Effect

Nt turnover number

o ortho

OAc Acetat

OTf Trifluormethansulfonat

p para

PEG Polyethylenglykol

Ph Phenyl

ppm parts per million

Pr Propyl

PTS Polyoxyethanyl-α-tocopheryl sebacate

quart. quartär

R Rest

RCM Ringschlussmetathese

Rf Relate to front

Abkürzungen

————— VII ———

ROM Ringöffnungsmetathese

ROMP Ringöffnende Metathesepolymerisation

rpm revolutions per minute

RT Raumtemperatur

σ Standardabweichung

Schmp. Schmelzpunkt

Sdp. Siedepunkt

SDS Natriumdodecylsulfat

SDSO3Na Natriumdodecylsulfonat

T Temperatur

TBA Tetrabutylammonium

t-Bu tert-Butyl

TEA Tetraethylammonium

THF Tetrahydrofuran

TMA Tetramethylammonium

TOF Time of Flight

Tol Tolyl

TosMIC p-Tolylsulfonylisocyanid

TPA Tetrapropylammonium

TPP Triphenylphosphan

Triton X-100 Polyoxyethylen(10)-octylphenylether

U min-1 Umdrehungen pro Minute

————— VIII ———

————— 1 ———

1. Einführung

1.1. Organometall-Reaktionen in Wasser

Die gezielte Knüpfung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen ist heute von zentraler Bedeutung für

die Synthesechemie.[1] Organometall-Reaktionen in Wasser liefern dabei einen entscheidenden

Beitrag zur modernen Synthesechemie.

„Wasser ist die häufigste Verbindung auf der Erdoberfläche und der

Hauptbestandteil aller lebenden Organismen. Das Vorkommen an Wasser allein in

den Weltmeeren wird auf 1.4 × 1021 kg geschätzt. Weitere 0.8 × 1021 kg sind als

Kristallwasser in den Gesteinen der Erdkruste gespeichert und auch der menschliche

Körper besteht zu circa 65 Gewichtsprozent aus Wasser.“[2]

Somit ist es nicht verwunderlich, dass aus den Bemühungen um eine nachhaltige

Entwicklung das Interesse am Lösungsmittel Wasser und insbesondere an Synthesen

in Wasser in den letzten Jahrzehnten gestiegen ist. Die Verwendung von Wasser

anstelle von organischen Lösungsmitteln kann die Umweltverträglichkeit eines

chemischen Prozesses entscheidend verbessern. Es muss aber immer die

Energiebilanz und die Entsorgung des kontaminierten Abwassers bei der Bewertung

des Gesamtprozesses berücksichtigt werden.[3] Außer Frage steht aber, dass Wasser

nicht brennbar, billig und ungiftig ist, während organische Lösungsmittel oft giftig,

teuer und leicht entflammbar sind und noch dazu aus Kohlenstoffquellen gewonnen

werden müssen.[4, 5]

Aufgrund der bereits angesprochenen Vorzüge werden mittlerweile auch zahlreiche

Kreuzkupplungsreaktionen, wie z. B. die Suzuki-Reaktion oder die Stille-Kupplung in

Wasser durchgeführt.

1.1.1. Suzuki-Kupplung

Die Suzuki-Reaktion ist heute die Methode der Wahl zur Darstellung von Biarylen.

Diese sind wertvolle Bausteine unter anderem in der Synthese hochkomplexer

Naturstoffe[6] oder Arzneimittel (z. B. das Antihypertonikum Losartan[7] oder das

Antibiotikum Vancomycin[8]) in Forschung und Industrie (Schema 1).

1 Einführung

——— 2 —————

Schema 1: Suzuki-Kupplung als Schlüsselschritt in der Synthese von Losartan.[7]

Wie auch bei anderen Kreuzkupplungsreaktionen besteht der Katalysecyclus aus der

Abfolge von drei Prozessen: oxidative Addition des Arylhalogenids/triflats Ar1-X an

den Palladium(0)-Katalysator unter Bildung der Palladium(II)-Spezies, Trans-

metallierung zur Organopalladium(II)-Verbindung sowie reduktive Eliminierung

unter Bildung des Kupplungsprodukts Ar1–Ar2 und Regeneration des Katalysators

(Schema 2).[9–12]

Schema 2: Katalysecyclus der Suzuki-Kreuzkupplung.[9–11]

Der oftmals bei Suzuki-Kupplungen eingesetzte Katalysator

Tetrakis(triphenylphosphan)palladium(0) [Pd(PPh3)4] ist mit einer Reihe von

Nachteilen behaftet. Zum einen ist der Komplex licht- und luftempfindlich und zum

anderen unlöslich in Wasser.

Organometall-Reaktionen in Wasser

————— 3 ———

Um Suzuki-Reaktionen in wässrigen Systemen durchführen zu können, ist es von

Vorteil, den Katalysator in eine wasserlösliche Form zu überführen. Hierfür bietet es

sich an, den Liganden entsprechend zu modifizieren und mit hydrophilen

funktionellen Gruppen auszustatten. Infrage kommen hierfür kationische

Substituenten (z. B. Phosphonium-, Ammonium- und Guanidiniumderivate),

anionische Substituenten (z. B. Sulfonat-, Phosphonat- und Carboxylatgruppen),

sowie neutrale Substituenten (z. B. Hydroxy-, Polyether- und Zuckergruppen)

(Abbildung 1).[13]

Abbildung 1: Hydrophile Substituenten.[13]

Arbeiten auf dem Gebiet der wässrigen Suzuki-Reaktion wurden schon früh unter

anderem von der Arbeitsgruppe Casalnuovo durchgeführt. Ihnen gelang es auch als

Erstes, die Kristallstruktur eines Palladium-Komplexes mit sulfonierten

Phosphanliganden aufzuklären. Der von ihnen untersuchte wasserlösliche Pd(Na-

TPPMS)3-Katalysator wurde z. B. für die Kupplung von p-Tolylboronsäure mit 4-

Brombenzoesäure in Wasser verwendet (Schema 3).[13, 14]

1 Einführung

——— 4 —————

Schema 3: Mono-, Di- und Trisulfoniertes TPP und Reaktionsbeispiel für eine Suzuki-Kupplung in

Wasser.[14]

In den folgenden Jahren konnten neben den Bromarylen auch die kostengünstigeren

Chloraryle mit Boronsäurederivaten gekoppelt werden. So wird die Suzuki-Kupplung

von 2-Chlorbenzonitril mit p-Tolylboronsäure z. B. von der Firma Clariant zur

Synthese der Verbindung 2-Cyano-4´-methylbiphenyl genutzt (Schema 4), einem

wichtigen Baustein in der Synthese sogenannter Angiotensin-II-Antagonisten. Die

Kupplung erfolgt in einem wässrigen, zweiphasigen System unter Verwendung von

Pd/TPPTS als wasserlöslichem Katalysator.[13, 15–17]

Schema 4: Clariant-Verfahren zur Synthese von 2-Cyano-4´-methylbiphenyl.[13, 15–17]


————— 5 ———

1.1.2. Stille-Kupplung

Eine weitere Kreuzkupplung mit Palladium ist die Stille-Kupplung (Schema 5),[13, 18] die

ebenfalls zur Synthese von Biarylen verwendet werden kann.

Schema 5: Katalysecyclus der Stille-Kupplung.[18]

Als Organozinn-Verbindungen wurden früher in der Regel Trimethylstannyl- oder

Tributylstannylverbindungen verwendet. Obwohl Trimethylstannylverbindungen,

verglichen mit den Tributylstannylverbindungen eine höhere Reaktivität aufweisen,

verwendet man Erstere nur sehr ungern, da sie eine viel höhere Toxizität besitzen.

Wird die Stille-Kupplung in Wasser durchgeführt, empfiehlt sich die Verwendung

von Alkyl- beziehungsweise Aryltrichlorstannanen anstatt der eben erwähnten

Tetraorganozinnverbindungen. Zum einen ist die Synthese von Alkyl-

beziehungsweise Aryltrichlorstannanen ausgehend von Zinn(II)verbindungen relativ

einfach und auch die Toxizität ist deutlich geringer. Zum anderen wird durch die

Hydrolyse der Zinn-Halogen-Bindung die Hydrophilie erhöht und die Kohlenstoff-

Zinn-Bindung aktiviert (Abbildung 2).[13, 19, 20]

Abbildung 2: Alkyl- bzw. Aryltrichlorstannane versus Tetraalkylzinnverbindungen in Kupplungsreaktionen.[19,20]

Alkyl- bzw. Aryltrichlorstannane Tetraalkylzinnverbindungenversus

RSnCl3 RSnBu3

<Toxizität

>Reaktivität

<Schwierigkeitsgrad bei der Synthese der Zinnverbindungen

RSnHal3

KOHH2O

Kn[RSn(OH)3+n]

>Löslichkeit der Zinnverbindungen in Wasser

1 Einführung

——— 6 —————

Für die Stille-Kupplung in Wasser können ebenfalls sulfonierte Triphenylphosphan-

Derivate als Liganden verwendet werden. Als Organozinnreagenz erwies sich

Phenyltrichlorstannan am reaktivsten (Schema 6).[13, 20]

Schema 6: Stille-Kupplungen von Phenyltrichlorstannan mit Aryl- und Vinylbromiden in wässrigem

Medium.[20]a

a Die Werte in Klammern beziehen sich auf die Kupplung in Gegenwart von Na-TPPDS.

1.1.3. Metathese

Neben Palladium ist Ruthenium das Metall, das in der modernen organischen

Chemie häufig in Katalysatoren Verwendung findet. Und genau wie bei den anderen

metallorganischen Reaktionen, galt lange Zeit auch bei der Olefinmetathese, eine der

wichtigsten Reaktionen unter Ruthenium-Katalyse, die Devise, dass Sauerstoff und

Wasser als deren „natürliche Feinde“ strikt aus dem Reaktionssystem zu verbannen

sind.[21–23] Somit wurden für die katalytische Olefinmetathese meist entgaste und

wasserfreie organische Lösungsmittel verwendet, um eine Deaktivierung des

Katalysators durch Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff zu verhindern.[23]


————— 7 ———

Schema 7: Abbau des Grubbs-Metathese-Katalysators der 1. Generation 1a durch Methanol.[21]

Da es sich bei der Olefinmetathese um ein sehr leistungsfähiges, atomökonomisches

Verfahren zur Knüpfung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen handelt, gehört

sie heute nahezu zum Standardrepertoire eines jeden organischen Chemikers. Das

Anwendungspotential und der Nutzen dieser Reaktion werden bereits deutlich, wenn

man sich die Vielzahl der mittlerweile existierenden Metathesetypen ansieht. Hierzu

gehören unter anderem die Ringöffnende Metathesepolymerisation (ROMP), die

Ringschluss- (RCM), Ringöffnungs- (ROM) und Kreuzmetathese (CM) sowie die

Acyclische Dien-Metathese (ADMET) (Schema 8).[23]

Schema 8: Varianten der Olefinmetathese.[23]

RCM

- CH2=CH2

n

ADMET ROMP

R1

R2

CMR1

R2

RCM = Ringschlussmetathese, ADMET = Acyclische Dien-Metathese,ROMP = Ringöffnende Metathesepolymerisation, CM = Kreuzmetathese

Yves Chauvin schlug 1971 den bis heute allgemein akzeptierten und nach ihm

benannten „Chauvin-Mechanismus“ vor (Schema 9), der über sogenannte Metalla-

cyclobutane als Zwischenstufen verläuft. Zu Beginn geht ein Metallcarbenkomplex

mit einem Alken eine [2+2]-Cycloaddition zu solch einem Metallacyclobutan ein.

Dieses zerfällt im Anschluss unter [2+2]-Cycloreversion zu einem neuen

Metallcarben und Ethen. Dieses Carben reagiert dann mit einem zweiten Alken zu

einem weiteren Metallacyclus. Bei dessen Zerfall, entsteht das Produkt unter

Ausbildung einer neuen Doppelbindung. Gleichzeitig wird die katalytisch aktive

1 Einführung

——— 8 —————

Spezies regeneriert.[24] Neben Chauvin trugen auch Richard Schrock und Robert H.

Grubbs mit ihren Katalysatoren auf Molybdän- und Rutheniumbasis (Abbildung 3)

entscheidend zum Erfolg der Metathese bei. Im Jahr 2005 wurden die drei Forscher

schließlich für ihre wegweisenden Arbeiten zur Metathese mit dem Nobelpreis für

Chemie ausgezeichnet.

Schema 9: Chauvin-Mechanismus.[24]

Abbildung 3: Standard-Olefinmetathese-Katalysatoren.

Den Arbeiten von Grubbs ist es unter anderem zu verdanken, dass auch Metathese-

Verfahren in Wasser inzwischen realisiert werden konnten.

Grubbs variierte den nach ihm benannten Metathesekatalysator 4 durch

Ligandenaustausch so, dass er die wasserlöslichen Katalysatoren 5 und 6 erhielt

(Schema 10), die beide in Wasser und Methanol aktiv sind.[25, 26]


————— 9 ———

Schema 10: Erste wasserlösliche Ruthenium-Katalysatoren nach Grubbs.[25]

Beide Katalysatoren konnten z. B. die ROMP eines funktionalisierten 7-

Oxanorbornen-Derivates 8 initiieren.[25] Leider waren diese Katalysatoren aber nicht

in der Lage, Ringschlussmetathesen von einfachen α, ω-Dienen (wie z. B. Diethyl-

(diallyl)malonat (9a)) in Wasser zu vermitteln (Schema 11).[26]

Schema 11: Metathese-Reaktionen unter Verwendung der wasserlöslichen Rutheniumkatalysatoren 5 und

6.[25, 26]

Die Verbindung 7, die durch Austausch des Triphenylphosphanliganden mit dem

kommerziell erhältlichen PhP(p-C6H4SO3Na)2-Liganden erhalten wurde, war zwar in

Wasser löslich, zeigte aber keine ROMP-Aktivität.[23]

1 Einführung

——— 10 —————

1.1.3.1. Metathese in wässrigen Emulsionen

Ein weiteres Konzept mit dem es in den letzten Jahren oftmals gelang

Metathesereaktionen in Wasser zu realisieren, beruht auf der Zuhilfenahme von

Tensiden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Tenside, die in der wässrigen Olefinmetathese Anwendung finden.[23]

OO

H

6 4

OSO3 Na

6

Brij 30

SDS

SO3 Na

6

SDSO3Na

O

O

O

O

O

OH4 n

PTS (n = 13, 14)

O

O

OO

H

O

OO

O H

OH

n

n

n

Tween 40

OO

H

10

Triton X-100

12

N SO314

HDAPS

NMe3

15

HSO4

CTAHSO4

Da erste Versuche zur Polymerisation in wässrigen Emulsionen durchweg positiv

verliefen, wurde das Konzept der Tensidzugabe auch auf die Ringschluss- und die

Kreuzmetathese ausgedehnt. So untersuchten Davis und Sinou unter anderem die

Aktivität des Katalysators 1a in Ringschlussmetathesen in Wasser in Gegenwart einer

ganzen Reihe von Tensiden (wie z. B. SDS, SDSO3Na, Brij 35, Tween 40 etc.).[23,

27]

Sie fanden heraus, dass das Substrat Diethyl(diallyl)malonat (9a) in entgastem Wasser

auch ohne jeglichen Tensidzusatz umgesetzt wird und dass durch den Zusatz von

SDS (5 mol%) ein deutlich besserer Umsatz in der Ringschlussmetathese erzielt

werden kann (Tabelle 1). Dieser Effekt beruht wahrscheinlich auf der Bildung von

Micellen. Erstaunlicherweise kam es bei der Verwendung von nicht-ionischen

Tensiden (wie z. B. Brij 35 oder Tween 40) nicht zu einer Umsatzsteigerung, sondern

es wurden nahezu die gleichen Umsätze wie in reinem Wasser beobachtet. So gut wie


————— 11 ———

keinen Einfluss zeigten auch die kationischen (CTAHSO4) und zwitterionischen

Tenside (HDAPS).[23]

Tabelle 1: Ringschlussmetathese von Diethyl(diallyl)malonat in Wasser mit und ohne Tenside.[27]

Tensid [9a]/[Tensid] 1a [mol%] t [h] Umsatz [%]a, b

- - 5 1.0 51

SDS 5 5 1.0 97

CTAHSO4 5 5 1.0 66

HDAPS 5 5 1.0 66

Brij 35 5 5 0.5 43

Tween 40 5 5 0.5 59

a Reaktionsbedingungen: [Substrat] = 0.17 mol L-1, 1.5 mL H2O, 25 °C. b Umsatz wurde mittels GC bestimmt.

Einen umfangreichen Beitrag zu CM-Reaktionen in Wasser ebenfalls unter

Zuhilfenahme von Tensiden leistete die Arbeitsgruppe um Lipshutz.[28] Er verwendete

für seine CM-Reaktionen in Wasser den kommerziell erhältlichen Grubbs-Katalysator

der 2. Generation 2 in Kombination mit dem nicht-ionischen Amphiphil PTS

(Tabelle 2).

Tabelle 2: CM-Reaktionen in Wasser mit und ohne Tenside.[28]

Tensid Ausbeute [%]a, b

- 62

PTS 93

SDS 64

Triton X-100 63

Brij 30 55

a Isolierte Ausbeuten. b Acrylat (1.3 equiv).

1 Einführung

——— 12 —————

Mit dieser Methode gelangen ihm eine Reihe von schwierigen CM-Reaktionen mit

hoher Effizienz bei Raumtemperatur und an Luft.[23] Andere Additive (wie z. B.

Triton X-100, SDS, Brij 30, etc.) wurden auch untersucht, waren aber weniger

wirksam (Tabelle 2).

Will man bei der Reaktion bewusst auf die Verwendung von Tensiden verzichten,

aber dennoch eine Olefinmetathese in Wasser mit dem kommerziellen Katalysator 2

durchführen, dann kann unter Umständen eine Ultraschallbehandlung hilfreich

sein.[29] Die zunächst wasserunlöslichen, auf dem Wasser aufschwimmenden

Reaktanden werden durch eine Ultraschallbehandlung in eine wässrige Emulsion

überführt. Nach Zugabe des wasserunlöslichen Katalysators 2 können dann diverse

Metathesereaktionen mit nahezu quantitativen Ausbeuten ablaufen (Tabelle 3). Dieses

Verfahren ist hervorragend geeignet zur Darstellung von 5- und 6-gliedrigen Ringen,

allerdings bereitet die Synthese größerer Ringe Schwierigkeiten.[23, 29]

Tabelle 3: Durch Ultraschallbehandlung vermittelte Ringschlussmetathesen in wässriger Emulsion.[29]

R1 = H Bedingungen Ausbeute [%] R1 = CH3 Bedingungen Ausbeute [%]

10a 10a' 10b 10b'

((( / H2O 99 0 ((( / H2O 99 0

nur H2O 81 18 nur H2O 93 6

1.1.3.2. An PEG gebundene Rutheniumkomplexe

Große Probleme, mit denen man in der Organometallkatalyse immer wieder

konfrontiert wird, sind die Wiederverwendbarkeit sowie die rückstandsfreie

Abtrennung des Katalysators von den Produkten der katalytischen Reaktion.[30] So

können z. B. nach dem Metatheseschritt verbliebene Metallkomplexe zahlreiche

Probleme verursachen, von denen hier nur beispielhaft Nebenreaktionen wie

Isomerisierungen, unerwünschte toxikologische Eigenschaften oder der Abbau des

Produkts im Aufarbeitungsschritt erwähnt sein sollen.[31–33] Insbesondere in der

Pharma- und Feinchemikalienproduktion spielt die Entfernung der Schwermetall-

verunreinigungen eine große Rolle, da die Endprodukte strikten Reinheits-


————— 13 ———

anforderungen und/oder behördlichen Auflagen genügen müssen. Somit sind für die

weitere Verbreitung von Metatheseverfahren in der Industrie neue, effiziente und

wirtschaftliche Ansätze zur Entfernung der oben genannten metallhaltigen

Nebenprodukte unerlässlich.[31] Ein äußerst vielversprechender Lösungsansatz hierzu

beruht auf der sogenannten Katalysatorfällungsstrategie. Hierfür werden

Rutheniumalkylidenkomplexe eingesetzt, welche einerseits das Reaktionsprofil eines

homogenen Katalysators aufweisen und andererseits einfach abtrennbar und

wiederzugewinnen sind.[30, 34–36] Ein erstes Beispiel, das dieser Strategie folgt, wurde

von Yao beschrieben.[30, 34] Er synthetisierte den PEG-gebundenen Katalysator 11.

Tabelle 4: Ringschlussmetathesen unter Wiederverwendung des PEG-gebundenen Katalysators von Yao.[34]

Zyklus 1 2 3 4 5 6 7 8

Umsatz [%] 98 97.5 96.5 95 95 93 93 92

Durch die Verwendung des löslichen Polymers PEG (Poly(ethylenglycol)) als Träger

kann die katalytische Reaktion unter homogenen Bedingungen in Dichlormethan

durchgeführt werden. Durch Fällen mit Diethylether und anschließender Filtration

kann der Katalysator nach der Reaktion abgetrennt werden und für bis zu 8 weitere

Zyklen in der RCM des N-Allyl-N-pent-4-enyl-toluolsulfonsäureamids eingesetzt

werden (Tabelle 4).[30, 34]

Aber auch für den Bereich wässrige Lösungsmittel gibt es bereits erste Katalysatoren,

die ebenfalls an löslichen Trägern verankert sind. Der Katalysator 14[37] vermittelt

z. B. die ROMP von cyclischen Olefinen in Methanol oder angesäuertem Wasser mit

guten Ergebnissen. Leider war dieser Katalysator aber nur bedingt wirksam in RCM-

Reaktionen in Methanol (Schema 12). Beachtlich war hingegen, dass im Anschluss an

die RCM des Substrates 15 durch Fällen mit Diethylether circa 97 Prozent des PEG

aus dem Produkt entfernt werden konnten, wobei der Rutheniumgehalt nicht

bestimmt wurde.[31] Die Unlöslichkeit des Katalysators 14 in Diethylether sorgt somit

dafür, dass dieser sehr einfach durch Ausfällung und anschließende Filtration von

den organischen Produkten abgetrennt werden kann. Kurze Zeit später

1 Einführung

——— 14 —————

veröffentlichte die Arbeitsgruppe um Grubbs ihren neuen, verankerten und wasser-

stabilen Katalysator 17,[38] der in ROMP-, RCM- und CM-Reaktionen in wässrigen

Medien äußerst effizient ist (Schema 12).[31]

Schema 12: Ringschlussmetathesen in Methanol und Wasser in Gegenwart der wasserlöslichen PEG-

gebundenen Katalysatoren von Grubbs.[37, 38]

1.1.3.3. Verknüpfung mit ionischen Gruppen

Unlängst beschrieb Grela in ihrem Konzept der Aktivitätsumschaltung, dass die

Umwandlung von elektronenliefernden in elektronenziehende Gruppen einen

entscheidenden Einfluss auf die Aktivität haben kann. Der Vergleich des Komplexes

22a, der die elektronenspendende Diethylaminogruppe trägt, mit dem Komplex 22b

hat gezeigt, dass das Salz 22b hoch aktiv ist und den Hoveyda-Grubbs-Stammkomplex

3 in der Initiierungsgeschwindigkeit teilweise sogar übertrifft.[23, 31] Eine Erklärung

hierfür könnte sein, dass elektronenziehende Gruppen (wie z. B. die Nitrogruppe,

NEt2H+, etc.) die Elektronendichte am chelatisierenden Sauerstoff der

Isopropoxygruppe herabsetzen, wodurch die O->Ru- Koordination geschwächt


————— 15 ———

wird, was wiederum zu einer schnelleren Initiierung der Metathese führt. Aber die

ionische Gruppe aktiviert den Katalysator nicht nur elektronisch, sondern verändert

auch dessen Löslichkeitseigenschaften.[39, 40]

Abbildung 5: Aktivierung des Präkatalysators 22a.[39]

Ein solcher Ruthenium-Katalysator mit einer quartären Ammoniumgruppe ist der

2006 von der Arbeitsgruppe Grela beschriebene Katalysator 23. Erwartungsgemäß

initiiert dieser Katalysator aufgrund der eingebrachten elektronenziehenden Gruppen

in Dichlormethan schneller als der Standard-Hoveyda-Grubbs-Katalysator 3. Er eignet

sich zudem sehr gut für verschiedene Metathesereaktionen (CM, RCM) in wässrigen

Medien (Schema 13)[41] und das, obwohl er in reinem Wasser nur wenig löslich ist

(0.002 M).[23, 31]

Schema 13: Katalysator mit ionischer Gruppe und dessen Einsatz in der Ringschlussmetathese.[41]

1 Einführung

——— 16 —————

1.1.4. Zusammenfassung

Das Interesse an Wasser als alternatives Lösungsmittel für Organometall-Reaktionen

ist erheblich gestiegen, da Wasser nicht nur ungiftig, nicht brennbar und günstig ist,

sondern auch wegen der einfachen Abtrennung vom organischen Produkt.

Organometall-Reaktionen, wie z. B. palladiumkatalysierte Kupplungen von Alkyl-

/Arylhalogeniden mit bororganischen Verbindungen (Suzuki) und zinnorganischen

Verbindungen (Stille) gehören zu den am häufigsten verwendeten Reaktionen zur

Knüpfung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Die Entdeckung wasser-

löslicher, sulfonierter Phosphanderivate und deren Verwendung in wasserlöslichen

Palladiumkatalysatoren ermöglicht die Durchführung solcher Reaktionen im

wässrigen Milieu. Auch die Olefinmetathese als eine weitere effiziente,

metallkatalysierte Variante zur Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsknüpfung ist

mittlerweile in Wasser möglich. Die Bemühungen hierfür beinhalteten z. B. die

Verwendung wasserlöslicher Rutheniumkatalysatoren, die Zugabe von Tensiden und

Additiven, Ultraschallbehandlungen, die Einführung polarer quartärer Ammonium-

gruppen sowie die Kupplung an ein hydrophiles Trägermaterial (PEG). Gerade wenn

es um die Entfernung von Rutheniumnebenprodukten geht, weist der letzte Punkt

auch ein enormes Potential für weitere Entwicklungen auf.

1.1.5. Summary

Water has attracted significant attention as an alternative solvent for organometallic

reactions because it is nontoxic, nonflammable, and inexpensive, and is easily

separated from organic products. Organometallic reactions, like the palladium-

catalyzed couplings of organic halides with organoboron compounds (Suzuki) and

organotin reagents (Stille), are among the most widely used reactions for the

formation of carbon-carbon bonds. Owing to the discovery of water-soluble,

sulfonated phosphane derivatives and particularly the design of water-soluble

palladium-catalysts it was possible to import these reactions into aqueous media.

Another efficient, metal-catalyzed, carbon-carbon bond-forming process that is

nowadays possible in aqueous media is the olefin metathesis. The approaches so far

include the use of water-soluble ruthenium-catalysts, surfactants and additives,

ultrasonication, the introduction of polar quaternary ammonium groups or the

incorporation of PEG as a water solubilizing moiety. The last point bears also a great

potential for further developments in the removal of ruthenium-containing

byproducts.

Synthesen von NHC-Vorstufen

————— 17 ———

1.2. Synthesen von NHC-Vorstufen

Als Alternative zu den Phosphan-Liganden werden vor allem in der Olefinmetathese

häufig sterisch anspruchsvolle N-heterocyclische Carbene verwendet. Diese können,

wie in Kapitel 1.3 gezeigt z. B. durch Deprotonierung der entsprechenden

Imidazoliumsalze erzeugt werden. Zur Synthese dieser NHC-Vorstufen, zu denen

unter anderem die Imidazoliumsalze gehören, haben sich bereits früh einige

Standardmethoden etabliert.

Für die Synthese symmetrisch und unsymmetrisch substituierter Imidazoliumsalze,

ausgehend vom Imidazol (26), muss hierfür zunächst basenvermittelt der Stickstoff

der NH-Gruppe am Imidazol deprotoniert werden. Das so erhaltene Salz, z. B.

Natrium- oder Kaliumimidazolid (27), kann dann mit dem entsprechenden

Alkylhalogenid unter N1-Alkylierung zum Alkylimidazol 28 reagieren. Durch die

anschließende Zugabe eines weiteren Alkylhalogenids sind die jeweiligen

unsymmetrischen N,N'-Dialkylimidazoliumsalze 29 zugänglich. Diese Methode der

schrittweisen Reaktionsführung durch sukzessive Alkylierung ist somit besonders zur

Synthese von unsymmetrischen Imidazoliumsalzen geeignet (Schema 14).[42] Prinzipiell

lassen sich aber auch symmetrische Imidazoliumsalze mit diesem Verfahren

erzeugen, allerdings werden dann zwei Äquivalente desselben Alkylhalogenids

benötigt.

Schema 14: Darstellung von Imidazoliumsalzen durch sukzessive Alkylierung.[42]

Diese Methode stößt jedoch an ihre Grenzen, wenn sterisch anspruchsvolle

Substituenten eingeführt werden sollen. Aufgrund der hierbei auftretenden

konkurrierenden Eliminierungsreaktionen sind Alkylierungen mit sekundären und

insbesondere mit tertiären Alkylhalogeniden nahezu unmöglich.[43]

Bereits seit 1991 existiert auch ein sogenanntes Mehrkomponentenverfahren,

welches man zur Darstellung von symmetrisch substituierten Imidazoliumsalzen 30

nutzen kann. Die einzelnen Komponenten bei dieser von Arduengo patentierten

Ringschlusssynthese sind Paraformaldehyd, das entsprechende primäre Amin, eine

Protonensäure und Glyoxal (Schema 15). Die Besonderheit hierbei ist, dass in einem

1 Einführung

——— 18 —————

Toluol/Wasser-Gemisch gearbeitet wird und das Reaktionswasser anschließend

azeotrop entfernt wird.[44]

Schema 15: Mehrkomponentensynthese von symmetrischen Imidazoliumsalzen nach Arduengo.[44]

Einen Mittelweg zwischen Substitutions- und Ringschlusssynthese stellt die von

Gridnev[45] veröffentlichte Ringschlusssynthese von 1-Alkylimidazolen dar. Diese

können dann problemlos in einem zweiten Schritt zu den gewünschten N,N'-

Dialkylimidazoliumsalzen alkyliert werden.[43] Mit diesem leicht modifizierten

Verfahren sind insbesondere die unsymmetrisch N-substituierten Derivate 31 sehr

gut zugänglich (Schema 16).

Schema 16: Ringschlusssynthese von 1-Alkylimidazolen mit anschließender Alkylierung zum (un)symmetrischen

N,N'-Dialkylimidazoliumsalz.[45]

Aber auch gesättigte Imidazolidiniumsalze können ausgehend von Glyoxal

synthetisiert werden. Hierfür muss zunächst aus Glyoxal und dem entsprechenden

primären Amin das Diimin 32 erzeugt werden, welches dann mit Natriumborhydrid

zum Diamin reduziert und mit Salzsäure in das Dihydrochlorid 33 überführt wird. In

Gegenwart von Ameisensäureorthoester erfolgt dann der Ringschluss zum

Imidazolidiniumsalz 34 (Schema 17).[43, 46]

Schema 17: Synthese von Imidazolidiniumsalzen.[46]

Erzeugung N-heterocyclischer Carbene

————— 19 ———

1.3. Erzeugung N-heterocyclischer Carbene

Bereits in den frühen 60er Jahren beschäftigte sich Wanzlick mit der Chemie der N-

heterocyclischen Carbene.[47, 48] Er versuchte mittels thermischer α-Eliminierung von

Chloroform das Carben 36 zu erzeugen. Es gelang ihm allerdings nur das Dimer 37

zu isolieren (Schema 18).[47, 49]

Schema 18: Versuch von Wanzlick zur Erzeugung eines N-heterocyclischen Carbens.[47, 49]

Das von ihm postulierte Gleichgewicht zwischen dem Dimer 37 und dem Carben 36

wurde kurze Zeit später durch Kreuzungsexperimente widerlegt.[50, 51] Im Jahr 1970

konnte Wanzlick dann aus dem verhältnismäßig leicht zugänglichen Imidazoliumsalz

38 mittels Deprotonierung mit Kalium-tert-butanolat das Carben 39 erzeugen. Dieses

konnte allerdings nicht isoliert werden, sondern wurde mit Phenylsenföl als Betain 40

abgefangen und nachgewiesen (Schema 19).[49, 52, 53]

Schema 19: Nachweis des Carbens durch Abfangen mit Phenylsenföl.[49, 52]

Schließlich gelang es Arduengo im Jahr 1990 das erste freie, kristalline N-

heterocyclische Carben sowohl zu synthetisieren, isolieren und zu charakterisieren.

Er erhielt das Carben 42 durch Deprotonierung des 1,3-Di-1-adamantyl-

imidazoliumchlorids (41) bei Raumtemperatur in Tetrahydrofuran mittels

Natriumhydrid in Gegenwart einer katalytischen Menge an Dimethylsulfoxid

(Schema 20).[49, 54]

1 Einführung

——— 20 —————

Schema 20: Synthese des ersten freien, kristallinen N-heterocyclischen Carbens durch Arduengo.[54]

Ein Problem bei dem von Arduengo entwickelten Syntheseprotokoll ist die schlechte

Löslichkeit sowohl von Natriumhydrid als auch der Imidazoliumsalze in

Tetrahydrofuran. Deshalb wurde ein weiteres, sehr effizientes Reaktionsprotokoll,

bei dem die Deprotonierung der Imidazoliumsalze in homogener Lösung abläuft,

von Herrmann et al. entwickelt. Hier erfolgt die Deprotonierung mittels Natrium- oder

Kaliumhydrid bei tiefen Temperaturen in flüssigem Ammoniak und zum Teil in

Kombination mit aprotischen Lösungsmitteln, wie z. B. Tetrahydrofuran (Schema 21).

Herrmann konnte nicht nur zeigen, dass Deprotonierungen in flüssigem Ammoniak

sehr viel schneller ablaufen, sondern auch, dass dieser Syntheseweg den Zugang zu

diversen, auch funktionalisierten NHCs 43–48 ermöglicht (Schema 20).[49, 55, 56]

Schema 21: „Ammoniak-Methode“ nach Herrmann und durch Deprotonierung in flüssigem Ammoniak

dargestellte N-heterocyclische Carbene.[49, 55]

Eine weitere Methode zur Erzeugung N-heterocyclischer Carbene wurde von Kuhn

beschrieben. Ausgehend vom Imidazol-2-thion-Derivat 49 erfolgt hier die

Entfernung des Schwefels durch mehrstündiges Erhitzen in Tetrahydrofuran mit

elementarem Kalium (Tabelle 5).[49, 57]

Erzeugung N-heterocyclischer Carbene

————— 21 ———

Tabelle 5: Synthese von NHCs durch Umsetzung von Thionen mit elementarem Kalium.[49, 57]

In ähnlicher Weise wie Wanzlick ist es Enders und seinen Mitarbeitern jedoch

gelungen, das Carben 52 durch α-Eliminierung zu synthetisieren und zu

charakterisieren. Ausgehend von 5-Methoxy-1,3,4-triphenyl-4,5-dihydro-1H-1,2,4-

triazol (51) erhielten sie durch Methanolabspaltung bei 80 °C unter vermindertem

Druck das entsprechende Carben 52 (Schema 22).[49, 58]

Schema 22: Synthese eines stabilen Carbens durch α-Eliminierung von Methanol.[49, 58]

50 R Ausbeute [%]

a Me 65

b Et 61

c i-Pr 62

1 Einführung

——— 22 —————

1.4. NHC-Silber-Komplexe

Kurze Zeit nach der erfolgreichen Darstellung, Isolierung und Charakterisierung des

nach ihm benannten „Arduengo-Carbens“ 42 publizierte er auch die erste Synthese

eines NHC-Silber-Komplexes. Hierfür hat er zunächst das freie Carben 53 durch

Deprotonierung des entsprechenden Imidazoliumsalzes erzeugt[59] und dieses dann

mit Silbertriflat zum Silber-Komplex 54 umgesetzt (Schema 23).[60]

Schema 23: Synthese eines Silber-NHC-Komplexes unter Verwendung des freien, sterisch anspruchsvollen N-

heterocyclischen Carbens.[60]

Ein Problem bei diesem Verfahren ist, dass zunächst freie Carbene synthetisiert

werden müssen, die meist luft-, feuchtigkeits- und hitzeempfindlich sind. Umgangen

werden kann dieses Problem, indem die Imidazoliumsalze durch Zugabe eines

basischen Silber-Precursors in-situ deprotoniert werden. Der am häufigsten

verwendete Precursor ist Silber(I)oxid, aber auch andere wie Silber(I)acetat oder

Silber(I)carbonat sind möglich. Ein erstes Reaktionsbeispiel hierzu wurde von

Bertrand und seinen Mitarbeitern veröffentlicht. Sie setzten das Triazoliumsalz 55 mit

zwei Äquivalenten Silber(I)acetat um und erhielten den ersten polymeren NHC-

Silber-Komplex 56 (Schema 24).[61, 62]

Schema 24: Synthese eines polymeren Silber-NHC-Komplexes in Gegenwart von Silber(I)acetat.[61]

Lin und seine Mitarbeiter verwendeten dann Silber(I)oxid anstelle von Silber(I)acetat

(Schema 25).[63] Die Verwendung von Silber(I)oxid hat die Synthese von NHC-Silber-

Komplexen stark vereinfacht. Da sowohl die Edukte als auch die gebildeten

Silberkomplexe im Gegensatz zu den freien Carbenen luftstabil sind, kann z. B. unter

aeroben Bedingungen gearbeitet werden. Des Weiteren ist für die Reaktion meist

NHC-Silber-Komplexe

————— 23 ———

Raumtemperatur ausreichend und neben einer Vielzahl an möglichen Lösungsmitteln

wird oftmals auch Wasser verwendet.

Schema 25: Synthese von Silber-NHC-Komplexen in Gegenwart von Silber(I)oxid.[63]

Die Mehrheit der Silber-NHC-Komplexe wird bis heute per 1H- und 13C-NMR-

Spektroskopie charakterisiert. Insbesondere die 13C-NMR-Spektren können Hinweise

auf die Natur der Silber-Kohlenstoff-Bindung im Komplex geben. Den typischen

NHC-Silber-Komplex kann man im 13C-Spektrum am deutlich Tieffeld

verschobenen Signal des NCN-Kohlenstoffs (üblicher Bereich: 213.7–163.2 ppm)

erkennen.[64] Durch die Kopplung des Kohlenstoffs mit dem Silber treten die Signale

oft in Form zweier Dubletts auf. Silber liegt mit einer natürlichen Häufigkeit von

51.8 Prozent als Isotop 107Ag und mit 48.2 Prozent als 109Ag vor. Beide dieser Isotope

sind NMR aktiv und jedes hat einen Spin von ½. Die Kopplungen 1J(107Ag–13C)

liegen typischerweise im Bereich 180–234 Hz beziehungsweise für 1J(109Ag–13C) im

Bereich 204–270 Hz.[64] Zusätzlich können sogar oftmals schwache 3J(107/109Ag–13C)-

Kopplungen zu den Imidazolium-C 4- und C 5-Kernen beobachtet werden. Es

existieren jedoch auch zahlreiche Silber-NHC-Komplexe, bei denen keine 107/109Ag–13C-Kopplungen zu beobachten sind. Die Annahme ist, dass solche Komplexe

lediglich über eine sehr labile Silber-Kohlenstoff-Bindung verfügen und deshalb

werden diese bevorzugt als NHC-Transfer-Reagenzien eingesetzt. Im Schema 26 sind

einige Beispiele für NHC-Transferreaktionen mittels NHC-Silberkomplexen

dargestellt. Transferreaktionen stellen einen leichten Zugang zu diversen NHC-

Metallkomplexen dar, die ansonsten oft nur über komplizierte und langwierige

Reaktionswege zugänglich sind.[63, 65–69]

1 Einführung

——— 24 —————

Schema 26: Transmetallierungen, in denen Silberkomplexe als NHC-Transferreagenzien fungieren.[63, 66]

Calixarene

————— 25 ———

1.5. Calixarene

Calixarene sind makrocyclische Verbindungen, die durch Kondensation von

Formaldehyd mit p-Alkylphenolen unter alkalischen Bedingungen erhalten werden.

Abhängig von den Reaktionsbedingungen können vier, sechs oder acht dieser

Phenolbausteine über Methylenbrücken miteinander verknüpft sein. Den Namen

„Calixarene“ erhielten sie von Gutsche aufgrund ihrer kelchartigen Struktur [calix

(lateinisch) = Kelch].[70, 71] Faszinierend an Calixarenen ist insbesondere die Vielfalt an

möglichen Konformationen. Während bei Calix[4]arenen nur die vier verschiedenen

Konformationen „cone“, „partial cone“, „1,2-alternate“ und „1,3-alternate“ bekannt sind

(Abbildung 6), können Calix[6]- und Calix[8]arene bereits in einer Vielzahl an

Konformeren vorliegen.[72]

Abbildung 6: Die vier unterschiedlichen Konformationen von Calix[4]arenen.

Zahlreiche literaturbekannte Kristallstrukturanalysen von Calix[4]arenen mit freien

OH-Gruppen zeigen deutlich, dass diese Calix[4]arene meist die „cone“-

Konformation einnehmen. Ursache hierfür ist die Stabilisierung durch

intramolekulare Wasserstoffbrücken zwischen den Hydroxygruppen. Eine solche

„cone“-Konformation des Tetrasulfonsäurecalix[4]arens 60 mit OH-π-gebundenem

Wasser als Gast ist in Abbildung 7 gezeigt.[72, 73]

1 Einführung

——— 26 —————

Abbildung 7: Kristallstrukturanalyse des p-Sulfonsäurederivates des Calix[4]arens in der „cone“-Konformation

mit OH-̟-gebundenem Wasser als Gast.[72]

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Calixarenen ist allerdings ihre Fähigkeit,

Ionen und kleine Moleküle reversibel einzuschließen. So können z. B. die

wasserlöslichen Calixarene 60–62 das Ammoniumion 63 komplexieren.[74–77]

Wie Schema 27 verdeutlicht, befindet sich im sauren, wässrigen Milieu bevorzugt der

Phenylring in der Cavität des sulfonierten Calix[4]arens. Im Gegensatz dazu kommt

es im neutralen, wässrigen Milieu zu einer unspezifischen Einlagerung der

Trimethylammonium- beziehungsweise der Phenylgruppe in die Cavität. Dieser

Unterschied wird mit der unterschiedlichen Dissoziation der OH-Gruppen bei

unterschiedlichen pD-Werten und dem damit verbundenen Einfluss auf die

Elektronendichte im Calix[4]aren-π-system erklärt. Während bei pD 0.4 keine oder

lediglich eine der vier OH-Gruppen des Rezeptors 60 dissoziiert ist, sind bei pD 7.3

bereits drei dissoziiert. Somit sind im sauren Milieu vorwiegend hydrophobe Kräfte

für die Einlagerung verantwortlich. In neutraler wässriger Lösung hingegen wird das

Calix[4]aren-π-system durch die entstandenen Oxyanionen elektronenreicher.

Deswegen kommen in neutraler Lösung insbesondere auch elektrostatische

Wechselwirkungen zwischen dem Ammoniumkation 63 und dem elektronenreichen

Calix[4]aren-π-system zum Tragen, die sich wiederum auf die Einlagerung und

Orientierung des Gastes 63 auswirken. Die Assoziationskonstante zwischen dem

Trimethylaniliniumkation (63) und dem Tetrasulfonsäurecalix[4]aren 60 liegt bei

56.0 × 102 M-1, wohingegen für den Rezeptor 61 die Assoziationskonstante kleiner ist

und bei 5.5 × 102 M-1 liegt. Während die wasserlöslichen p-Sulfonsäurederivate des

Calix[4]- und Calix[6]arens 1:1-Komplexe mit dem Trimethylaniliniumkation (63)

bilden, beobachteten Shinkai et al. für den Rezeptor 62 die Ausbildung eines 1:2-

Komplexes.[76, 77]

Calixarene

————— 27 ———

Schema 27: Komplexierung des Ammoniumkations 63 durch den Rezeptor 60 im sauren und neutralen

Milieu.[74]

2 Konzeption der Arbeit

——— 28 —————

2. Konzeption der Arbeit

Die Aufgabenstellung der Dissertation gliedert sich in drei Teile:

Aufbauend auf den Ergebnissen der Diplomarbeit,[78] sollte im ersten Teil der

Dissertation der Einfluss verschiedener Additive und des pH-Wertes auf die RCM

von Tosyldiallylamin (64) in Wasser näher untersucht werden (Schema 28). Hierfür

mussten zunächst diverse neuartige Imidazoliumsalze synthetisiert werden. Neben

diesen Imidazoliumsalzen als Zusätze sollten aber auch Metallhalogenide und

supramolekulare Verbindungen auf ihren Einfluss auf die Ringschlussmetathese

getestet werden. Um einen Einblick in den Wirkmechanismus supramolekularer

Additive zu gewinnen, sollte deshalb das Augenmerk auf die Untersuchung der

Komplexierung des Tricyclohexylphosphoniumkations durch die Sulfonsäure-

calixarene 60–62 in wässriger Lösung und die Bestimmung der jeweiligen Komplex-

bildungskonstanten gelegt werden.

Schema 28: Arten verschiedener Additive und die RCM-Testreaktion.

Da sich während der Diplomarbeit bereits gezeigt hat, dass der Grubbs-Katalysator

der 2. Generation 2 sehr effektiv in Wasser und an Luft arbeitet,[78] sollte im zweiten

Teil der Dissertation untersucht werden, ob sich der Grubbs-Katalysator der

1. Generation 1a ebenfalls für einen Einsatz im wässrigen Milieu eignet.

Im dritten Teil der Dissertation lag der Schwerpunkt auf der Synthese von

Metathesekatalysatoren und dem Test auf deren katalytische Aktivität. Die

Imidazoliumsalze sollten hierfür zunächst zu den entsprechenden N-

Calixarene

————— 29 ———

heterocyclischen Carbenen (NHC) umgesetzt und mittels 13C-NMR-Spektroskopie

nachgewiesen werden. Darauf aufbauend sollten dann durch Zugabe des Grubbs-

Katalysators 1a die entsprechenden Metathesekatalysatoren hergestellt werden

(Schema 29).

Schema 29: Syntheseplan zur Darstellung von Metathesekatalysatoren.

Aufgrund der Instabilität der freien Carbene sollten zudem Silber-NHC-Komplexe

dargestellt werden. Diese eignen sich hervorragend als Carbentransfer-Reagenzien

und sollten deshalb im Anschluss direkt mit dem Rutheniumdimer 59 zum

entsprechenden Metathesekatalysator umgesetzt werden. Auch hier galt es die

synthetisierten Komplexe auf deren Eignung als Katalysatoren in typischen RCM-

Reaktionen zu testen (Schema 29).

Konzeption der Arbeit

3 Eigene Ergebnisse

——— 30 —————

3. Eigene Ergebnisse

3.1. Imidazolium- und Imidazolidiniumsalze durch

Alkylierungen mit Alkyl- und Benzylhalogeniden

3.1.1. Synthese von Benzyl- und 4-Methylbenzyl-substituierten

Imidazoliumsalzen

Phenyl- und Tolylreste eignen sich sehr gut als Andockstellen für die hydrophoben

Cavitäten von Sulfonsäurecalixarenen.[12, 79] Deshalb sollte untersucht werden, ob

durch das Einbringen von Phenyl-, Tolyl- oder strukturell ähnlichen Resten ein

Katalysatorsystem geschaffen werden kann, welches sowohl für organische

Lösungsmittel als auch – nach Zusatz von Sulfonsäurecalixarenen – für Wasser

geeignet ist. Da für die Darstellung solcher Rutheniumkatalysatoren die

entsprechenden Imidazoliumsalze als Ligandenvorstufen unerlässlich sind, wurden

zunächst die hierfür benötigten Imidazoliumsalze synthetisiert. Die jeweiligen

Umsetzungen des 1-Mesitylimidazols (66) und des 1-(2,6-Diisopropylphenyl)-

imidazols (67) mit Benzylbromid und 4-Methylbenzylchlorid verliefen in allen Fällen

problemlos (Schema 30). Die Alkylierungen mit 4-Methylbenzylchlorid wurden in

enger Analogie zu den von Roland beschriebenen Alkylierungen mit Benzylbromid

durchgeführt.[80]

Schema 30: Synthetisierte Imidazoliumsalze via Alkylierung mit Benzylbromid bzw. 4-Methylbenzylchlorid.[80]

Imidazolium- und Imidazolidiniumsalze durch Alkylierungen mit Alkyl- und Benzylhalogeniden

————— 31 ———

Auffällig bei den Synthesen der Salze 68–71 war die Abhängigkeit der Ausbeuten von

dem verwendeten Alkylierungsmittel. So ergaben sich bei Verwendung des

Benzylbromids, im Vergleich zum 4-Methylbenzylchlorid, stets höhere Ausbeuten,

was sich zwanglos über unterschiedliche Abgangsgruppenqualitäten und

verschiedene Nucleophile erklären lässt.

3.1.2. Synthese von 4-Methylbenzyl-substituierten

Imidazolidiniumsalzen

Die entsprechenden 4-Methylbenzyl-substituierten Imidazolidiniumsalze lassen sich

ebenfalls durch Alkylierung mit 4-Methylbenzylchlorid erhalten (Schema 31). In einem

ersten Versuch wurde das zuvor synthetisierte 1-Mesityl-4,5-dihydro-1H-imidazol[81]

(72) zusammen mit dem Alkylierungsmittel 4-Methylbenzylchlorid in N,N-

Dimethylformamid für 8 Tage auf 130 °C erhitzt. Zur leichteren Abtrennung des

Produkts wurde das Chloridion anschließend gegen das Tetrafluoroboratanion

ausgetauscht. Da das gewünschte Produkt aber auch nach mehrmaligem

Umkristallisieren nicht sauber isoliert werden konnte, wurde das Edukt 72 in einem

zweiten Ansatz ohne Zugabe eines Lösungsmittels direkt mit dem 4-

Methylbenzylchlorid umgesetzt (Schema 31). Mithilfe dieser lösungsmittelfreien

Methode konnten die Produkte 73 und 74 dann analysenrein isoliert werden.

Schema 31: Synthese von Imidazolidiniumsalzen via Alkylierung mit 4-Methylbenzylchlorid.

Da die Carbenerzeugung aus Tetrafluoroboratsalzen oftmals Schwierigkeiten

bereitet,[82–84] wurde zudem das Chloridsalz 74 synthetisiert. Solche kleinen Anionen

(wie z. B. Chlorid oder Bromid) sind insbesondere deswegen zu bevorzugen, da sie in

der Lage sind, durch die Bildung von Wasserstoffbrücken heterolytische C-H-

Spaltungen am C2 zu beschleunigen.[82–84] Zudem wird in der Literatur auch darauf

verwiesen, dass die Deprotonierung von Tetrafluoroboratsalzen auch zu anormalen

NHCs führen kann.[82–84] Die Ausbeuten für die Imidazolidiniumsalze waren in

beiden Fällen akzeptabel. Auffällig war allerdings, dass die Ausbeute für die

Verbindung 74 deutlich höher lag als die des ungesättigten Imidazoliumsalzes 70.

3 Eigene Ergebnisse

——— 32 —————

3.1.3. Synthese wasserlöslicher Imidazoliumsalze

Zusätzlich zu den zuvor geschilderten Synthesen sollten auch wasserlösliche

Imidazoliumsalze hergestellt werden. Wie sich bereits während meiner

Diplomarbeit[78] herausstellte, haben Verbindungen, die Sulfonsäuregruppen tragen,

oftmals einen positiven Einfluss auf die wässrige RCM. Aus diesem Grund wurden

zwei Imidazoliumsalze, die solche Sulfonsäuregruppen beinhalten, synthetisiert. Die

Annahme, dass diese Imidazoliumsalze als eine Art solubilisierender Zusatz

beziehungsweise Micellbildner fungieren und somit einen positiven Einfluss auf die

katalytische RCM in Wasser ausüben, wurde in Kapitel 3.7.2 näher ausgeführt. Die

Synthese der mono-Sulfonsäureverbindung 75 erfolgte nach einem patentierten

Verfahren[85] durch Umsetzen des Methylimidazols mit dem Natriumsalz der 2-

Bromethansulfonsäure (Schema 32). Die dialkylierte Verbindung 76 wurde, ausgehend

vom Imidazol, durch Zugabe von zwei Äquivalenten des Natriumsalzes der 2-

Bromethansulfonsäure erhalten (Schema 32).

Schema 32: Synthese der wasserlöslichen Imidazoliumsalze 75 und 76.

Erwähnenswert ist, dass im 13C-NMR-Spektrum der Verbindung 76 sieben Signale

gefunden wurden (Abbildung 10), was eventuell darauf zurückzuführen ist, dass diese

Verbindung, wie in Abbildung 8 beispielhaft skizziert, auch in einer unsymmetrischen

Form vorliegen kann. Nach Zugabe von KHSO4 im Überschuss reduzierte sich die

Anzahl der C-Signale auf vier (Abbildung 9), was mit einer eher symmetrischen

Struktur erklärt werden könnte (Abbildung 8).

Imidazolium- und Imidazolidiniumsalze durch Alkylierungen mit Alkyl- und Benzylhalogeniden

————— 33 ———

Abbildung 8: Symmetrische versus unsymmetrische Anordnung der Alkylketten in der Verbindung 76 in

Lösung.

Abbildung 9: Ausschnitt aus dem 13C-NMR-Spektrum (75.48 MHz, RT, D2O) des wasserlöslichen

Imidazoliumsalzes 76 nach Zugabe von KHSO4.

050100150200

137.0

4

122.8

9

50.0

6

45.4

3

(ppm)

3 Eigene Ergebnisse

——— 34 —————

42.0042.5043.0043.50

42.7

9

42.7

6

Abbildung 10: Ausschnitte aus dem 13C-NMR-Spektrum (100.50 MHz, RT, D2O) der Verbindung 76.

050100150200250

134.4

9

120.3

2

120.2

7

47.4

1

47.4

0

42.7

9

42.7

6

47.0047.1047.2047.3047.4047.5047.6047.70

47.4

1

47.4

0

119.50120.00120.50121.00

120.3

2

120.2

7

(ppm)

(ppm)

(ppm) (ppm)

Synthese von Oxyimidazoliumsalzen

————— 35 ———

3.2. Synthese von Oxyimidazoliumsalzen

3.2.1. Synthese von 1-Hydroxyimidazol-3-oxid Derivaten

Die Reaktion von 1,2-Dicarbonylverbindungen mit Hydroxylamin und Aldehyden ist

die am häufigsten verwendete Methode um 1-Hydroxyimidazol-3-oxid Derivate zu

erhalten. Der hierfür postulierte Mechanismus ist in Schema 33 dargestellt. Er

beinhaltet unter anderem die nucleophile Addition des Stickstoffs der

Aldoximgruppe an den Kohlenstoff des Intermediats 77, gefolgt von einer

Cyclisierung zum Zwischenprodukt 78 und einer darauf folgenden Dehydration.[86]

Schema 33: Postulierter Mechanismus der Heterocyclischen Ringschlussreaktion zur Darstellung von 1-

Hydroxyimidazol-3-oxid Derivaten.[86]

Durch Umsetzen der 1,2-Dicarbonylverbindung Phenylglyoxal mit Hydroxylamin-

hydrochlorid und Paraformaldehyd in Methanol als Lösungsmittel konnte so das

gewünschte Produkt 79 in guter Ausbeute erhalten werden (Schema 34).

Schema 34: Synthese von 1-Hydroxy-4-phenyl-1H-imidazol-3-oxid (79).

Für die Synthese der Verbindung 83 musste zunächst die 1,2-Dicarbonylverbindung

82 in-situ erzeugt werden. Hierfür wurden zwei Strategien getestet, nämlich einerseits

die Nitrosierung des 4-Methylacetophenons (80) mit einer Mischung aus

Natriumnitrit, konzentrierter Schwefelsäure und Eisessig und andererseits die

Oxidation des α-Halogenketons 81 mittels Dimethylsulfoxid zur 1,2-Dicarbonyl-

verbindung 82 (Schema 35).[87, 88]

3 Eigene Ergebnisse

——— 36 —————

Schema 35: Synthesewege und Ausbeuten von 1-Hydroxy-4-(p-tolyl)-1H-imidazol-3-oxid.

O

CHO

O

83: Route a (15%)Route b (26%)

1. H2SO4, CH3COOH,

NaNO2, 70 °C, 3 h

2. 75 °C, 2 h

3. H2O

1. CH2O, MeOH, 0 °C, 5-20 min

2. aq NH2OH.HCl, HCl, RT, 17 h-3 d

3. NaOH

N

N

O

OH

Route a

O

DMSO, RT, 22 h

Br

Route b

80 82 81

Es zeigte sich, dass die Nitrosierungsroute (Route a) der Oxidation mit

Dimethylsulfoxid (Route b) deutlich unterlegen war. So war einerseits die Ausbeute an

Endprodukt 83 bei der Oxidation mit Dimethylsulfoxid (Route b) deutlich höher und

zudem fanden sich keinerlei Spuren an Eisessig im 1H-NMR-Spektrum, wie sie bei

der Nitrosierungsroute beobachtet wurden.

3.2.2. Methylierungen und Ethylierungen der 1-Hydroxyimidazol-

3-oxid Derivate

Ausgehend von den 1-Hydroxyimidazol-3-oxid Derivaten 79 (R1 = Ph) und 83

(R1 = 4-Tol) wurden durch Alkylierung mit Dimethylsulfat beziehungsweise

Diethylsulfat in Gegenwart von Ammoniumhexafluorophosphat die gewünschten

Oxyimidazoliumsalze 84–86 synthetisiert (Schema 36). Während die Verbindungen

84–86 als farblose Kristalle anfielen, zeigte die Verbindung 87 keinerlei

Kristallisationstendenzen. Durch massenspektrometrische und NMR-spektros-

kopische Daten konnte jedoch eindeutig gezeigt werden, dass sich das Produkt 87

während der Reaktion gebildet hat. Diverse Versuche das Produkt aufzureinigen, wie

z. B. durch Einbringen von Kristallisationskeimen und chromatographische

Reinigung an Sephadex G15® mit Methanol als Laufmittel führten jedoch zu keiner

Verbesserung.

Synthese von Oxyimidazoliumsalzen

————— 37 ———

Schema 36: Ausbeuten für die Alkylierungen der 1-Hydroxyimidazol-3-oxid Derivate.

Nr. R1 R2 Ausbeute [%]

84 Ph Me 27

85 Ph Et 11

86 4-Tol Me 11

87 4-Tol Et a

a Produkt konnte nicht sauber isoliert werden.

Die Verbindungen 84–86 wurden alle vollständig charakterisiert. Exemplarisch

hierfür zeigt Abbildung 11, neben dem 1H-NMR-Spektrum der Ausgangsverbindung

83, auch das Spektrum der methylierten Verbindung 86. Im 1H-NMR-Spektrum der

Verbindung 86 erscheint das azide Imidazoliumproton (7-H) stark Tieffeld

verschoben bei 9.07 ppm, das C=CH-N-Proton (6-H) bei 7.57 ppm. Die 4J-

Kopplung zwischen den Imidazoliumprotonen beträgt 2.3 Hz und liegt somit im

üblichen Bereich.

3 Eigene Ergebnisse

——— 38 —————

Abbildung 11: Ausschnitte aus den 1H-NMR-Spektren des methylierten Oxyimidazoliumsalzes 86

(400.05 MHz, RT, CDCl3, unten) sowie der Ausgangsverbindung 1-Hydroxy-4-(p-tolyl)-1H-

imidazol-3-oxid (83) (400.13 MHz, RT, MeOD-d4, oben).

2.03.04.05.06.07.08.09.0

LMLM

1

234

5

2.03.04.05.06.07.08.09.0

1

23

456

7

9.0509.100

7

J = 2.3 Hz

7.5007.5507.600

5

6J = 2.3 Hz

(ppm)

ppm (t1)7.508.008.50

2

34

5

J = 2.2 Hz

J = 2.1 Hz

(ppm)

83

N

N

O

OH

1 2

3

4

5

Imidazoliumsalze mit Phenyl- und Tolylgruppen am Imidazolium-Rückgrat

————— 39 ———

3.3. Imidazoliumsalze mit Phenyl- und Tolylgruppen am

Imidazolium-Rückgrat

Zusätzlich zu den in Kapitel 3.1.1 synthetisierten Verbindungen sollten

Imidazoliumsalze synthetisiert werden, bei denen Phenyl-, Tolyl- oder strukturell

ähnliche Gruppen am Imidazolium-Rückgrat (C4, C5), statt am Stickstoff des

Heterocyclus, verankert sind. Zur Darstellung dieser Imidazoliumsalze als

Ligandenvorstufen wurden zwei Verfahren getestet. In Route a wurde das Imidazol 89

durch Umsetzen des Imins 88a mit Tosylmethylisocyanid (TosMIC) in einer

Ringschlussreaktion erhalten. Erwartungsgemäß müsste dann durch eine

Methylierung mit Methyliodid das gewünschte Imidazoliumsalz 90 zugänglich sein.

Route b begann mit der Synthese des Phenylimidazols (91) und des Tolylimidazols

(92). Beide wurden dann mit Methyliodid beziehungsweise Ethyliodid zu den

gewünschten Imidazoliumsalzen alkyliert (Schema 37).

Schema 37: Syntheserouten zur Darstellung von Imidazoliumsalzen mit Phenyl- oder Tolylgruppen am

Imidazolium-Rückgrat.

3 Eigene Ergebnisse

——— 40 —————

3.3.1. Synthese von 1-Methyl-5-p-tolyl-1H-imidazol mit Hilfe der

TosMIC-Route (Route a)

3.3.1.1. Synthese von Tosylmethylisocyanid (TosMIC)

Tosylmethylisocyanid (TosMIC), das von van Leusen et al. in die organische Synthese

eingeführt wurde, reagiert wie bereits in Schema 37 aufgezeigt mit Aldiminen zu

Imidazolen.[89] Für die vielseitige Reaktivität ist insbesondere die Acidität des α-

Kohlenstoffes verantwortlich, die durch die Isocyanofunktion und die

Sulfonylgruppe noch verstärkt wird (Abbildung 12).

Abbildung 12: Reaktive Positionen im TosMIC.[90]

S

O

O

H

NC

-Acidität

Isocyanofunktion

Sulfonylgruppe

Für die Synthese des Tosylmethylisocyanids (94) musste zunächst, analog dem in der

Literatur beschriebenen Verfahren von Chen et al., das N-(p-Tolylsulfonylmethyl)-

formamid (93) erzeugt werden.[91] Ausgehend von Natrium-p-toluolsulfinat,

Paraformaldehyd, Formamid und Ameisensäure wurde das Zwischenprodukt 93 in

84 Prozent Ausbeute erhalten (Literaturausbeute:[91] 90%). Im zweiten Schritt wurde

dann durch die Umsetzung mit Phosphoroxytrichlorid das Tosylmethylisocyanid

(TosMIC, 94) in sehr guter Ausbeute erhalten (Schema 38) (Literaturausbeute:[91]

95%).

Schema 38: TosMIC-Synthese.[92]

3.3.1.2. Iminsynthesen

Für die Darstellung der Imidazole werden zusätzlich zu dem Tosylmethylisocyanid

noch die entsprechenden Imine benötigt. Diese wurden nach einem

literaturbekannten Verfahren[93] durch Umsetzen der Aldehyde (Benzaldehyd und p-


————— 41 ———

Tolylaldehyd) mit einer 40%igen wässrigen Methylaminlösung in sehr guten

Ausbeuten erhalten (Schema 39).

Schema 39: Iminsynthesen und deren Ausbeuten.

Nr. R1 Ausbeute [%] Literaturausbeute[93] [%]

88a 4-Tol 91 94

88b Ph 91 94

3.3.1.3. Imidazolsynthese

Das so synthetisierte Imin 88a wurde dann nach dem van Leusen-Verfahren[89] mit

Tosylmethylisocyanid in einer heterocyclischen Ringschlussreaktion umgesetzt

(Schema 40).[89]

Schema 40 Synthese von 1-Methyl-5-p-tolyl-1H-imidazol (89) in einer Ringschlussreaktion ausgehend von

TosMIC (94) und N-(4-Methylbenzyliden)methylamin (88a).[89]

Der allgemeine Mechanismus hierfür ist in Schema 41 beschrieben. Zunächst wird das

TosMIC-Anion gebildet, welches dann über das α-Kohlenstoffatom das Imin

angreift. Der darauf folgende intramolekulare, nucleophile Angriff des negativ

geladenen Stickstoffs am Isonitrilkohlenstoff führt zur ringgeschlossenen

Verbindung 95. Handelt es sich bei dem Rest R3 um Wasserstoff, dann bildet sich

nach Tautomerisierung die Verbindung 96. Nach wässriger Aufarbeitung und

Sulfinsäure (TosH)-Eliminierung erhält man schließlich das Produkt 97.

3 Eigene Ergebnisse

——— 42 —————

Schema 41: Mechanismus der van Leusen-Imidazol-Synthese.[89]

Da das Produkt 89 lediglich in 11 Prozent Ausbeute erhalten wurde, das van Leusen-

Verfahren durch die zweistufige Synthese des TosMIC-Reagenzes und der Synthese

der Iminvorstufen relativ langwierig war und zudem das Produkt 89 aufwendig

gesäult werden musste, wurde ein alternativer Weg (Route b) zur Synthese der Phenyl-

und Tolyl-substituierten Imidazoliumsalze getestet.

3.3.2. Synthese von 4-Phenyl- und 4-(p-Tolyl)-substituierten

Imidazoliumsalzen (Route b)

3.3.2.1. Synthese von Imidazolen aus α-Halogenketonen

Für die Synthese des Imidazols 91 wurde nach einer Vorschrift von Bredereck und

Theilig Phenacylbromid zusammen mit Formamid zwei Stunden am Rückfluss erhitzt.

Das überschüssige Formamid war nicht nur Reaktionspartner, sondern diente

zugleich als Lösungsmittel.[94] So lieferte die Umsetzung des Formamids mit dem

Phenacylbromid nach der von Bredereck und Theilig publizierten Methode sehr gute

Ergebnisse (Schema 42). Analog hierzu wurde die Reaktion auch mit p-

Methylphenacylbromid versucht. Das Produkt 92 wurde dabei in 66 Prozent

Ausbeute erhalten (Schema 42).


————— 43 ———

Schema 42: Synthese von Imidazolen aus α-Halogenketonen.[94]

Nr. R1 T [°C] t [h] Ausbeute [%] Literaturausbeute[94] [%]

91 Ph 169 2 92 90

92 4-Tol 175 3 66

Über den Mechanismus der Imidazolbildung wurde zur damaligen Zeit heftig

diskutiert.[94–96] Es wurde postuliert, dass der Austausch des Halogens gegen eine

Hydroxygruppe der eigentliche Primärschritt bei der Imidazolbildung aus α-

Halogenketonen ist. Das dadurch gebildete α-Hydroxyketon 98 setzt sich dann wie in

Schema 43 gezeigt zum Imidazol 99 um.

Schema 43: Vorgeschlagener Reaktionsweg zur Synthese von Imidazolen aus α-Halogenketonen.[94,95]

3.3.2.2. Alkylierungen des 4-Phenyl- und 4-(p-Tolyl)-imidazols

Zunächst wurden die bereits synthetisierten Verbindungen 4-Phenyl- und 4-(p-Tolyl)-

imidazol in Gegenwart von Kalium-tert-butylat mit Hilfe von Methyliodid und

Ethyliodid in N,N-Dimethylformamid zu den entsprechenden N1-Alkylimidazolen

100–102 monoalkyliert. Die Ausbeuten hierfür waren mit 39–47 Prozent eher mäßig

(Schema 44).

3 Eigene Ergebnisse

——— 44 —————

Schema 44: N1-Alkylierungen mit Methyl- und Ethyliodid zu den entsprechenden Alkylimidazolen.

Nr. R1 R2 Ausbeute [%] Schmp. [°C]

100 Ph CH3 39 99–101

101 Ph C2H5 44 54–56

102 4-Tol CH3 47 114–116

103 4-Tol C2H5 a a

a Es bildete sich ein dunkelbraunes Öl, welches in-situ weiterverarbeitet wurde.

Im Anschluss wurden die N1-alkylierten Imidazole in einem zweiten Schritt mit

Methyl- beziehungsweise Ethyliodid zu den doppelt alkylierten Produkten 104–108

umgesetzt. Diese Umsetzungen verliefen problemlos und lieferten sehr hohe

Ausbeuten (Schema 45). Wie Abbildung 13 zeigt, ermöglicht dieses Verfahren auch den

Zugang zu unsymmetrischen N,N'-Dialkylimidazoliumsalzen.

Schema 45: Synthese von symmetrischen und unsymmetrischen N,N'-Dialkylimidazoliumsalzen.

Nr. R1 R2 R3 Ausbeute [%] Schmp. [°C]

104 Ph CH3 CH3 98 145

105 Ph C2H5 C2H5 95 120

106 Ph C2H5 CH3 94 136

107 4-Tol CH3 CH3 96 159–161

108 4-Tol CH3 C2H5 91 112–113

109 4-Tol C2H5 C2H5 42a 134–135

a Ausbeute bezogen auf 4-(p-Tolyl)-imidazol (92).


————— 45 ———

Abbildung 13: Ausschnitt aus dem 1H-NMR-Spektrum des unsymmetrischen Imidazoliumsalzes 106

(400.13 MHz, RT, CDCl3).

0.05.010.0

9.9

8

7.5

7

7.5

7

7.4

1

7.4

1

7.4

0

7.3

9

7.3

9

7.3

8

7.3

7

7.3

6

7.2

6

4.3

9

4.3

7

4.3

5

4.3

3

3.8

4

1.5

7

1.5

5

1.5

3

(ppm)

3 Eigene Ergebnisse

——— 46 —————

3.4. Erzeugung und Nachweis N-heterocyclischer

Carbene

Wie in Kapitel 1.3 bereits erläutert wurde, existieren zahlreiche Methoden zur

Darstellung N-heterocyclischer Carbene. Die Deprotonierung von

Imidazoliumsalzen wird jedoch am häufigsten verwendet, was zum einen mit der

guten Verfügbarkeit und Stabilität der Imidazoliumsalze als auch mit den hierfür

benötigten relativ milden Deprotonierungsbedingungen zusammenhängen kann. Die

pKa-Werte der Imidazoliumsalze spielen hierbei eine entscheidende Rolle und

reichen für die 2-Position von 16 bis 23 (in Dimethylsulfoxid). Wird die 4-Position

eines Imidazoliumsalzes, die deutlich weniger sauer ist, deprotoniert, so werden so

genannte abnormale N-heterocyclische Carbene gebildet.[97] Aufgrund ihres

Elektronenreichtums und ihrer Struktur werden N-heterocyclische Carbene analog

Phosphan gerne als Liganden in der Übergangsmetallkatalyse verwendet. Da bei der

Synthese von Übergangsmetall-NHC-Komplexen die N-heterocyclischen Carbene

oftmals in-situ erzeugt und weiter umgesetzt werden, wurde zunächst getestet, ob

nach der Zugabe von Natriumhydrid und Kalium-tert-butylat zu den

Imidazoliumsalzen in THF-d8 überhaupt eine Deprotonierung zum gewünschten

Carben erfolgt. Die entsprechenden Carbene wurden dann mittels 13C-NMR-

Spektroskopie nachgewiesen (Schema 46).

Schema 46: Erzeugung N-heterocyclischer Carbene durch Deprotonierung.

N

N

R1

R2

R3

X

N

N

R1

R2

R3

NaH, KOtBu

THF-d8

Nr. R1 R2 R3 X δ (Carben)[ppm]

110 Ph CH3 CH3 I 215.30

111 Ph C2H5 C2H5 I 214.35

112 4-Tol CH3 CH3 I 216.45

113 4-Tol C2H5 C2H5 I 214.91

114 H Mesityl CH2-C6H4-OMe Br 217.16

115 H Mesityl CH2Ph Br 217.90

116 H 2,6-Di-i-PrPh CH2Ph Br 218.86

Während gesättigte Imidazolinylidene und acyclische Diaminocarbene Tieffeld

verschobene 13C-NMR-Signale bei rund 235–260 ppm liefern, liegt für die bisher

Erzeugung und Nachweis N-heterocyclischer Carbene

————— 47 ———

literaturbekannten Imidazolylidene das Signal des Carben-Kohlenstoffatoms im

Bereich 210–220 ppm (Abbildung 14).[97, 98]

Abbildung 14: Literaturbekannte chemische Verschiebungen des Carben-Kohlenstoffatoms (in ppm) im 13C-

NMR-Spektrum.[97, 98]

Die für die Carbene 110–116 (Schema 46) beobachteten Resonanzen liegen somit im

üblichen Bereich.

Ein Vergleich der Resonanzen des Carbens 110 mit dem IDM-Carben zeigt, dass der

Phenylring an der 4-Position so gut wie keine Auswirkung auf die Lage des Signals

des Carben-Kohlenstoffatoms hat. So liegt das Signal des IDM-Carben-

Kohlenstoffatoms bei 215.2 ppm,[97] wohingegen das Carben 110 eine Verschiebung

von 215.3 ppm aufweist (Abbildung 15). Dies bedeutet, dass der Einbau der

„Andockstelle“ keinen Wechsel des elektronischen Charakters zur Folge hat und

somit ist eine vergleichbare Katalyseaktivität zu erwarten. Wird der Phenylring jedoch

gegen einen Tolylgruppe getauscht, so findet man ein geringfügig weiter Tieffeld

verschobenes 13C-NMR-Signal bei 216.45 ppm. Diesen Trend kann man auch bei

den Carbenen 111 und 113 beobachten. Auch hier kommt es durch den Wechsel vom

Phenylring hin zur Tolylgruppe zu einer geringfügig größeren Tieffeldverschiebung

des 13C-NMR-Signals von 214.35 ppm zu 214.91 ppm.

3 Eigene Ergebnisse

——— 48 —————

Abbildung 15: Ausschnitt der 13C-NMR-Spektren des Imidazoliumsalzes 104 (75.48 MHz, RT, CDCl3, oben)

und des daraus erzeugten stabilen Carbens 110 (75.48 MHz, RT, THF-d8, unten).

150200137.2

5

135.3

8

130.4

8

129.2

7

129.2

1

124.2

8

120.8

1

ppm (t1)150200

215.3

0

135.0

0

131.6

4

129.5

5

129.4

6

128.5

7

119.7

0

(ppm)

(ppm)

Erzeugung und Nachweis N-heterocyclischer Carbene

————— 49 ———

Während aus den oben gezeigten Imidazoliumsalzen innerhalb von 5–20 Minuten die

entsprechenden Carbene problemlos erzeugt werden konnten, scheiterte die

Synthese des gesättigten 1-Mesityl-3-(4-methylbenzyl)imidazolin-2-ylidens. Das sehr

sorgfältig getrocknete Tetrafluoroborat 73 sollte mit Kalium-tert-butylat und

Natriumhydrid in THF-d8 zum entsprechenden Carben umgesetzt werden. Diese

Reaktionsbedingungen führten hier jedoch zu einer raschen, undefinierbaren

Zersetzung. Auch die Verwendung von lediglich Kalium-tert-butylat anstelle des

Natriumhydrid/Kalium-tert-butylat-Gemisches brachte nicht den gewünschten

Erfolg. In einem letzten Versuch wurde statt des Tetrafluoroboratsalzes das Chlorid

74 eingesetzt. Aber auch hier kam es zur Zersetzung (Schema 47). Da die Erzeugung

von Carbenen aus den Oxyimidazoliumsalzen 85 und 117 ebenfalls scheiterte

(Schema 47), wurde speziell in diesen Fällen versucht, das Problem mithilfe

sogenannter Silber-NHC-Komplexe zu umgehen (Kapitel 3.5).

Schema 47: Gescheiterte Synthesen von N-heterocyclischen Carbenen.

3 Eigene Ergebnisse

——— 50 —————

3.5. Synthese und Charakterisierung von Silber-NHC-

Verbindungen

Da N-heterocyclische Carbene meist zur Zersetzung neigen und zudem schlecht

lagerbar sind, wurden eine Reihe von Silber-NHC-Verbindungen synthetisiert. Diese

Silber-NHC-Verbindungen eignen sich aufgrund ihrer einfachen Synthese und ihrer

relativ guten Luft- und Lichtstabilität sehr gut als Carbentransferreagenzien.

Insbesondere wenn bei der Erzeugung und Isolierung der freien NHCs Probleme

auftreten, ist diese Methode eine attraktive Alternative.

Für die Synthese der Silber-NHC-Komplexe 118–121 wurde das jeweilige

Imidazoliumsalz zusammen mit Silber(I)oxid in Dichlormethan vorgelegt und

zunächst für einen Tag unter Lichtausschluss bei Raumtemperatur gerührt und dann

einen weiteren Tag unter Rückfluss erhitzt. Auf diese Weise waren die Silber-NHC-

Komplexe 118–121 problemlos und in hohen Ausbeuten zugänglich (Schema 48).

Schema 48: Synthesen und Ausbeuten von Silber-NHC-Komplexen.

Nr. R1 R2 R3 X Ausbeute [%] Schmp. [°C]

118 H 2,6-Di-i-PrPh CH2-C6H4-OMe Cl 81 134–135

119 H Mesityl CH2-C6H4-OMe Br 78 66–69

120 H Mesityl CH2-C6H4-CH3 Cl 79 187–190

121 4-Tol C2H5 C2H5 I 74a 148–150a

a Produkt nicht elementaranalysenrein; Ausbeute berechnet für AgI2¯ als Gegenion.

Der Nachweis solcher Silber-NHC-Komplexe kann sehr gut massenspektrometrisch

oder aber auch mittels NMR-Spektroskopie erfolgen. So zeigte sich die Bildung des

Silber-NHC-Komplexes 118 zum einen am Massen-Peak bei m/z 803 für das

Komplexkation [Ag(Ligand)2]+ aber auch durch die fehlende Imidazolium-H2-

Resonanz im Tieffeld-Bereich bei etwa 10 ppm. Einen eindeutigeren Hinweis lieferte

allerdings das 13C-NMR-Spektrum (Abbildung 16).

Synthese und Charakterisierung von Silber-NHC-Verbindungen

————— 51 ———

Abbildung 16: Ausschnitte aus dem 13C-NMR-Spektrum des Silber-NHC-Komplexes 118 (75.48 MHz, RT,

CDCl3).

50100150200

Hier sind zwei Dubletts zentriert bei 181.84 ppm erkennbar. Aufgrund der

Kopplungen zwischen dem 13CCarben-Atom und dem 107/109Ag-Kern kommt es zur

Aufspaltung. Sowohl die 1J(107Ag–13C)-Kopplung bei 236.5 Hz als auch die 1J(109Ag–13C)-Kopplung bei 273.3 Hz liegt knapp über dem typischen Bereich bisher

publizierter Silber-NHC-Komplexe (180–234 Hz für 107Ag und 204–270 Hz für

180.0185.0

183

.65

183

.40

180

.27

180

.03

(ppm)

55.0055.5056.00

55

.58

55

.56

55

.51

121.0122.0123.0124.0125.0

124

.58

124

.48

124

.40

120

.73

120

.63

3 Eigene Ergebnisse

——— 52 —————

109Ag).[64] Des Weiteren sind noch schwache 3J(107/109Ag–13C)-Kopplungen zu den

Imidazolium–C4–Kernen zu erkennen (Tabelle 6).

Tabelle 6: Kopplungskonstanten zwischen Silber- und Kohlenstoffkernen im Silber-NHC-Komplex 118 im

Vergleich mit literaturbekannten Daten.[64]

Nr. Kopplungskonstanten [Hz]

1J(107Ag–C2) 1J(109Ag–C2) 3J(107/109Ag–C4) 3J(107/109Ag–CH2R)

118 236.5 273.3 7.2/7.6 1.8

Lit.[64] 180–234 204–270

Aufgrund der beobachteten Kopplungen und der damit einhergehenden stärkeren

Bindung zwischen dem CCarben-Atom und dem Silberkern wurde der Komplex 118

nicht als Carbentransferreagenz eingesetzt, da bekannt ist, dass beim Auftreten von

Kopplungen meist keine Tranferreaktionen stattfinden. Im 13C-NMR-Spektrum des

Komplexes 119 hingegen fehlte das Signal für das CCarben-Atom und somit auch die

Kopplungen zwischen dem 13CCarben und dem 107/109Ag-Kern (Abbildung 17).

Abbildung 17: Ausschnitt aus dem 13C-NMR-Spektrum des Silber-NHC-Komplexes 119 (100.50 MHz, RT,

CDCl3).

ppm (t1)50100150200

160.1

0

139.7

6

135.4

9

134.8

5

129.6

4

129.3

8

127.6

6

123.2

3

120.9

9

114.7

4

55.4

4

55.4

2

21.1

0

17.7

5

(ppm)


————— 53 ———

Aus diesem Grund müsste sich der Komplex 119 hervorragend als

Carbentransferreagenz eignen. Da bei den Verbindungen 120 und 121 ebenfalls keine

Kopplungen erkennbar waren, handelt es sich auch hier um potentielle

Carbentransferreagenzien. Dass die synthetisierten Komplexe tatsächlich als Bis-

NHC-Ag-Komplexe vorliegen, konnte anhand der Massenspektren eindeutig belegt

werden. Die Abbildung 18 zeigt exemplarisch das MALDI-Massenspektrum der

Verbindung 120, die Zuordnung der Peaks zu den entsprechenden Fragmenten und

den entscheidenden Peak bei m/z 688, der zu dem Bis-NHC-Ag-Kation gehört. Da

im Bereich m/z > 690 keine weiteren Peaks gefunden wurden, konnten auch

polymere oder verbrückte Strukturen ausgeschlossen werden (Abbildung 18).

Abbildung 18: Ausschnitt aus dem Massenspektrum (MALDI-TOF, DHB) des Silber-Komplexes 120.

3 Eigene Ergebnisse

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Die Verbindungen 120 und 121 wurden dann, wie in Kapitel 3.6.2 gezeigt, auf ihre

Eignung als Carbentransferreagenzien getestet. Wie sich zeigte, waren diese Silber-

NHC-Komplexe in der Lage als Carbentransferreagenzien zu fungieren und konnten

so erfolgreich in der Synthese von Metathesekatalysatoren auf Rutheniumbasis

eingesetzt werden.

Wie in Kapitel 3.4 gezeigt, gelang es bisher nicht freie Carbene, ausgehend von den

entsprechenden Oxyimidazoliumsalzen, mittels Deprotonierung zu synthetisieren.

Da die Synthesen von Silber-NHC-Komplexen generell unter relativ milden

Reaktionsbedingungen ablaufen, wurde nun versucht, anstelle eines freien Carbens

vom „Oxyimidazolium-Typ“, den entsprechenden Silber-NHC-Komplex zu

synthetisieren. Wie in Schema 49 gezeigt, konnte mit diesem Verfahren der

gewünschte Silber-NHC-Komplex 122 dargestellt werden und das, obwohl die

Synthese des freien N-heterocyclischen Carbens zuvor gescheitert war (Schema 47).

Auffällig war allerdings, dass im Vergleich zu den zuvor synthetisierten Silber-NHC-

Komplexen hier eine höhere Reaktionstemperatur benötigt wurde.

Schema 49: Synthese des Silberkomplexes 122.

Der erste Versuch, indem die Synthese des Komplexes 122 unter den gängigen

Reaktionsbedingungen durchgeführt wurde, lieferte zwar das gewünschte Produkt,

welches auch massenspektrometrisch nachgewiesen werden konnte, aber in den

NMR-Spektren war zudem noch das eingesetzte Edukt zu erkennen. Auch nach

einer Verdopplung der Silber(I)oxid-menge und einer Reaktionszeit von drei Tagen

unter Rückfluss in Dichlormethan war noch immer Edukt im NMR-Spektrum zu

erkennen. Auch die Zugabe von Molsieb und einer noch größeren Menge an

Silber(I)oxid führte nicht zur vollständigen Umsetzung des Edukts. Erst nach dem

Wechsel des Lösungsmittels von Dichlormethan auf Chloroform und der damit

verbundenen höheren Reaktionstemperatur war kein Edukt mehr in den Spektren zu

sehen (Schema 49, Abbildung 19).


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Abbildung 19: Ausschnitt aus dem 1H-N

Metathese in Wasser - OPUS 4€¦ · Stefan Fronius und Bahram Saberi (Glasbläserei), Erwin...

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