Organokatalyse durch N-Heterocyclische Carbene

Lena Hahn und Daniel Hack

13.11.2008

Dieter Enders, Oliver Niemeier, and Alexander Henseler

Chem. Rev. 2007, 107, 5606-5655

• Organokatalyse

• Carbene

• Umpolung

• Benzoinkondensation

• asymmetrische Benzoinkondensation

• Stetter Reaktion

• Sila Stetter Reaktion

Übersicht

• Sila Stetter Reaktion

• Stetter Paal Knorr Reaktion

• a3 – d3 Umpolung

• Polymerisationsreaktionen

• Fazit

Organokatalyse

Vorteile:

− Metallfrei

− Preiswerte Katalysatoren

- Organokatalyse ist die chemisch organische Antwort auf das Vorbild der

Natur

etwa die Hälfte aller Enzyme komplett metallfrei

− Preiswerte Katalysatoren

− Präparative Vorteile

− Oft unempfindlich gegenüber Luft und Feuchtigkeit

=> Reaktionen in normaler Atmosphäre durchführbar

− Wiedergewinnung des Katalysators ist einfach

Carbene Struktur und Reaktivität

- ungeladen

- Elektronenmangelverbindung

- Bivalentes C-Atom mit Elektronensextett

hohe Reaktivität

Singulett Carbene:Singulett Carbene:− Bindungswinkel zwischen 100 – 110°

− beide Elektronen gepaart in einem sp2

Orbital

über ESR nicht nachweisbar

Triplett Carbene:

− Bindungswinkel zwischen 130-150°

− Elektronen ungepaart

über ESR nachweisbar

Claydon,J. Organic Chemistry. Oxford University Press. S.1061

Carbene Struktur und Reaktivität

Singulett Zustand Triplett Zustand

− beide Elektronen im energetisch

günstigem sp2-Orbital

− ABER: Spinpaarungsenergie

− Je ein Elektron im sp2- und im

energetisch ungünstigerem p-Orbital

− ABER: keine Spinpaarungsenergie

Claydon,J. Organic Chemistry. Oxford University Press. S.1061

Carbene Geschichtliche Entwicklung

1954 Mizuhara: Coenzym Thiamin erhält nukleophiles

Carben als katalytische Spezies

1960 Wanzlick: Herstellung eines Carbens durch

α- Eliminierung von Chloroform

1991 Arduengo: Erstes isoliertes Carben R =

1995 Enders: Erstes käuflich erwerbbares Carben

N- Heterocyclische Carbene

Thiazolring Triazolring Imidazolring Imidazolinring

Enders et. al.,Chem. Rev. 2007, 107, 5606-5655

Umpolung Nomenklatur

IUPAC Nomenklatur:

- Heteroatom mit d0 bezeichnet (falls nukleophil)

Umpolung: Umkehr der natürlichen Reaktivität eines gegebenen Reaktionszentrums

- Heteroatom mit d bezeichnet (falls nukleophil)

- nächste Position elektrophiles C-Atom a1

- darauf folgt nukleophiles Atom d2

Benzoinkondensation

Nachteile:− Enantiomerengemisch− Enantiomerengemisch

− Toxizität des Cyanids

− R ausschließlich Aryl

O

Ph

Ph

OH

Benzoinkondensation Breslow Mechanismus

S

N

Ph

OH

R1

R2

R3

Breslow- Intermediat

a1 zu d1 Umpolung

Breslow, R. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 3719

Asymmetrische Benzoinkondensation

Enders, D.; Kallfass, U. Angew. Chem. 2002, 114, 1822

(S)

Re - Angriff

H

O

CH3

Re Si

Re-Si Nomenklatur

Si- Angriff

Re Si

Asymmetrische Benzoinkondensation

Dudding, T.; Houk, K. N. Proc. Natl. Acad. Sci. 2004, 101, 5770

Asymmetrische Benzoinkondensation

Dudding, T.; Houk, K. N. Proc. Natl. Acad. Sci. 2004, 101, 5770

Asymmetrische Benzoinkondensation

Dudding, T.; Houk, K. N. Proc. Natl. Acad. Sci. 2004, 101, 5770

Asymmetrische Benzoinkondensation

( S ) ( S )( R )

Stetter Reaktion via NHC

Stetter, H.; Krasselt, J. J. Heterocycl. Chem. 1977, 14, 573

Stetter Reaktion via NHC

Problem:Als Nebenreaktion tritt

Benzoinkondensation auf

Produktgemisch

Stetter, H.; Krasselt, J. J. Heterocycl. Chem. 1977, 14, 573

Sila- Stetter Reaktion

Mattson, A. E.; Bharadwaj, A. R.; Scheidt, K. A. J. Am. Chem.Soc. 2004, 126, 2314.

Sila- Stetter Reaktion

Mattson, A. E.; Bharadwaj, A. R.; Scheidt, K. A. J. Am. Chem.Soc. 2004, 126, 2314.

S

N

R2

R1

OH

S

N

R2

OH

E

R1

E

Stetter-Paal-Knorr-Reaktion

Mattson, A. E.; Bharadwaj, A. R.; Zuhl,A. M.; Scheidt, K. A. J. Org. Chem. 2006, 71, 5715.

a3 d3 Umpolung

Burstein, C.; Glorius, F. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 6205

a3 d3 Umpolung

Burstein, C.; Glorius, F. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 6205

a3 d3 Umpolung

Warum tritt als Nebenreaktion nicht auch die Benzoinkondensation oder

Stetter-Reaktion ein?

Polymerisationsreaktionen

Polymerisationsreaktionen

O

O

O

Temperaturabhängig!

O

O

Coulembier et.al. ,Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4964–4968

Polymerisationsreaktionen

Fazit

• Organokatalyse durch N-Heterocyclische Carbene hat sich in den

letzten 20 Jahren rasant entwickelt

• NHCs ermöglichten große Bandbreite an chemischen Reaktionen

• durch NHCs können Grenzen früherer Reaktionen überwunden

werden:werden:

− mehrer Substrate für Reaktionen zugänglich

− durch geeignete Modifikation der Carbene konnten

1.) auch asymmetrische Reaktionen durchgeführt werden

2.) unerwünschte Nebenreaktionen unterdrückt werden

Quellen

− Dieter Enders, Oliver Niemeier, and Alexander Henseler Chem. Rev. 2007, 107,

5606-5655

− Breslow, R. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 3719

− Enders, D.; Kallfass, U. Angew. Chem. 2002, 114, 1822

− Dudding, T.; Houk, K. N. Proc. Natl. Acad. Sci. 2004, 101, 5770

− Stetter, H.; Krasselt, J. J. Heterocycl. Chem. 1977, 14, 573

− Mattson, A. E.; Bharadwaj, A. R.; Scheidt, K. A. J. Am. Chem.Soc. 2004, 126,

23142314

− Mattson, A. E.; Bharadwaj, A. R.; Zuhl,A. M.; Scheidt, K. A. J. Org. Chem. 2006,

71, 5715

− Burstein, C.; Glorius, F. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 6205

− Coulembier et.al. ,Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4964–4968

− Claydon,J. Organic Chemistry. Oxford University Press 2001