Metal-catalyzed transformations of C-H-bonds in alkenes via homogeneous thermal catalysis and multifunctional ligand approaches
Final Report Abstract
Das Projekt beschäftigte sich mit neuen Herstellungsmethoden für organische Stoffe mit Hilfe katalytischer Verfahren aus einfachen Vorläufern. Speziell wollten wir unreaktive Substrate katalytisch aktivieren um "schwierige Umsetzungen" mit geringer Triebkraft zu realisieren. Die mangelnde Reaktivität sollte mit einem "HOT-CAT" (homogene thermische Katalyse) Ansatz überwunden werden, dessen Auslotung und Anwendung ebenfalls Gegenstand der Forschung war. Dieser Ansatz besagt, dass die Suche nach "schwierigen" katalytischen Reaktionen mit unreaktiven Substraten wegen der verfügbaren höheren Aktivierungsenergie gezielt bei hohen Temperaturen durchgeführt werden soll. Diese an sich einfache Aussage steht im Konflikt mit Erfahrungen aus der homogenen Katalyse, nach denen die Selektivität katalytischer Reaktionen bei hohen Temperaturen abnimmt. Die Herausforderung im Projekt bestand deshalb darin, selektive Reaktionen bei hohen Temperaturen zu realisieren. Dazu arbeiteten wir mit einem fokussierten Mikrowellenreaktor und zugehörigem Autosampler, was die effiziente Durchführung homogener Reaktionen in der kondensierten Phase bis zu 300 °C und 30 bar erlaubte. Erste Studien der als Modellreaktion vorgesehenen Additionen von Substraten mit C(sp2)–H Bindungen an Carbonylverbindungen führten zu keinen fruchtbaren Resultaten. Danach gelang uns aber die Durchführung einer anderen "schwierigen Reaktion", nämlich der katalytischen Hydroalkoxylierung nicht-aktivierter Alkenen, bei der eine O–H Bindung an eine C=C Doppelbindung addiert wird. Für die Modell-Cyclisierung von 2-Allylphenolen zu 2-Methylcumaranen fanden wir im Aluminiumisopropoxid einen Katalysator, der die Reaktion bei 250 °C bei sehr kurzen Reaktionszeiten von 15 Minuten ermöglicht, so dass die heterocyclischen Reaktionsprodukte in guten Ausbeuten erhalten werden. Schließlich gelang auch eine asymmetrische Katalyse der Reaktion mit einem neuartigen in situ Katalysator aus Titan(IV)isopropoxid, einer chiralen Biarylcarbonsäure (MeO-BINA-Cox) als Liganden sowie co-katalytischem Wasser. Die Cyclisierung von 2- Allylphenolen zu 2-Methylcumaranen gelang bei 240 °C mit einer Enantioselektivität von bis zu 84% ee (Ausbeuten bis 93%), und selbst bei 300 °C wurde das Produkt noch mit 41% ee erhalten. Dies sind die höchsten bekannten Reaktionstemperaturen für asymmetrische Katalysen. Die Ergebnisse zeigen, dass hohe Temperaturen mit selektiver homogener Katalyse nicht inkompatibel sein müssen und dass in bisher kaum berücksichtigten Temperaturbereichen neue Reaktionen gefunden werden können. Damit ist ein Präzedenzfall geschaffen, der auf die weitere Forschung ausstrahlen wird.
Publications
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(See online at https://doi.org/10.1021/ol500189s) - Angew. Chem. 2015, 127, 4086–4089; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 4014–4017. "Asymmetric Hydroalkoxylation of Non-Activated Alkenes: Titanium-Catalyzed Cycloisomerization of Allylphenols at High Temperatures"
J. Schlüter, M. Blazejak, F. Boeck, L. Hintermann
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201409252)
