Halogenbrücken in Organischer Synthese und Organokatalyse

• Applicant: Professor Dr. Stefan Huber
• Subject Area: Organic Molecular Chemistry - Synthesis and Characterisation
• Term: from 2009 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 158172218

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Im vorliegenden Projekt sollten Halogenbrücken erstmals gezielt in der Organokatalyse eingesetzt werden. Die zentralen Ergebnisse hierbei sind: - Erstmals wurden Halogenbrückendonoren in Halogenidabstraktionsreaktionen (SN1-Reaktionen) als Aktivatoren und Katalysatoren eingesetzt. Hierzu wurden sowohl mehrzähnige kationische als auch neutrale (polyfluorierte) Halogenbrückendonoren synthetisiert, welche beide erfolgreich verwendet wurden. Parallel hierzu wurden zahlreiche thermodynamische Daten zur Bindung von Halogeniden an die Aktivatoren bzw. Katalysatoren gesammelt. - Ein wichtiger Fokus der bisherigen Studien lag auf dem Nachweis, dass Halogenbrücken tatsächlich ursächlich für die beobachteten Effekte verantwortlich sind. Dies gelang in allen publizierten Reaktionen durch eine Reihe von Vergleichsexperimenten, sodass jeweils die Iodzentren der Moleküle als aktive Zentren identifiziert und die Wirkung möglicher Verunreinigungen (z.B. von Säurespuren) ausgeschlossen wurde. - Im späteren Projektverlauf wurden Halogenbrückendonoren auch zur katalytischen Aktivierung einer Neutralverbindung (Carbonylverbindung) verwendet. Auch hier konnte die Ursächlichkeit der Halogenbrücken erstmals eindeutig belegt werden. Im Laufe des Projektes zeigte sich, dass insbesondere die neutralen mehrzähnigen Halogenbrückendonoren auch sehr gut zu selektiven Erkennung kleiner Moleküle eingesetzt werden können. Nach einigen orientierenden Gasphasenmessungen in Kooperation mit Prof. Waldvogel zeigte sich beispielsweise eine überraschend starke Bindung von Aceton an diese Verbindungen, welche selbst durch die Gegenwart von Wasser nicht entscheidend beeinflusst wurde. Eine Pressemitteilung der TU München vom September 2013 zu unseren Arbeiten (https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/31042/) wurde von zahlreichen Internetseiten aufgegriffen, unter anderem von: http://www.chemie.de/news/144943/halogenbruecken-als-katalysatoren.html http://www.chemeurope.com/en/news/144943/halogen-bridges-as-catalysts.html http://www.organische-chemie.ch/chemie/2013/sep/halogenbruecken.shtm http://www.internetchemie.info/news/2013/sep13/halogenbruecken-kat.html Ein ähnlicher Artikel erschien auch in der Zeitschrift „Chemie Xtra“ (11/2013, S. 11).

Publications

• Halogenbrücken-induzierte Aktivierung einer Kohlenstoff-Heteroatom-Bindung. Angew. Chem. 2011, 123, 7325-7329. Halogen-Bond-Induced Activation of a Carbon-Heteroatom Bond. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7181-8191
  S. M. Walter, F. Kniep, E. Herdtweck, S. M. Huber
  
• 4,4’-Azo-bis(halopyridinium) Derivatives: Strong Multidentate Halogen-Bond Donors with a Redox-Active Core. Chem. Eur. J. 2012, 18, 1306-1310
  F. Kniep, S. M. Walter, E. Herdtweck, S. M. Huber
  
• 5-Iodo-1,2,3-triazolium-based multidentate halogen-bond donors as activating reagents. Chem. Commun. 2012, 48, 9299-9301
  F. Kniep, L. Rout, S. M. Walter, H. K. V. Bensch, S. H. Jungbauer, E. Herdtweck, S. M. Huber
  
• Isothermal Calorimetric Titrations on Charge-Assisted Halogen Bonds: Role of Entropy, Counterions, Solvent, and Temperature. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8507-8512
  S. M. Walter, F. Kniep, L. Rout, F. P. Schmidtchen, E. Herdtweck, S. M. Huber
  
• Unexpected trends in halogen-bond based noncovalent adducts. Chem. Commun. 2012, 48, 7708-7710
  S. M. Huber, E. Jimenez Izal, J. Ugalde, I. Infante
  
• Halogen bonding and p-p interactions in the solid state structure of butadiynylene-linked bis(iodoperfluoroarene). CrystEngComm 2013, 15, 3097-3101
  S. M. Walter, M. G. Sarwar, M. G. Chudzinski, E. Herdtweck, A. J. Lough, S. M. Huber, M. S. Taylor
  
• Multidentate Halogen-Bond Donors as Lewis Acidic Activators or Catalysts in Halide Abstraction Reactions. Synlett 2013, 24, 2624-2628
  S. H. Jungbauer, S. Schindler, F. Kniep, S. Walter, L. Rout, S. M. Huber
  
• On the directionality of halogen bonding. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 10350-10357
  S. M. Huber, J. D. Scanlon, E. Jimenez-Izal, J. M. Ugalde, I. Infante
  
• Organokatalyse mit neutralen multidentaten Halogenbrückendonoren Angew. Chem. 2013, 125, 7166-7170. Organocatalysis by Neutral Multidentate Halogen-Bond Donors Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 7028-7032
  F. Kniep, S. H. Jungbauer, Q. Zhang, S. M. Walter, S. Schindler, I. Schnapperelle, E. Herdtweck, S. M. Huber
  
• Polyfluorinated versus. Cationic Multidentate Halogen-Bond Donors: A Direct Comparison. J. Fluorine Chem. 2013, 150, 14-20
  S. M. Walter, S. H. Jungbauer, F. Kniep, S. Schindler, E. Herdtweck, S. M. Huber
  
• Activation of a carbonyl compound by halogen bonding. Chem. Commun. 2014, 50, 6281-6284
  S. H. Jungbauer, S. M. Walter, S. Schindler, L. Rout, F. Kniep, S. M. Huber
  
• Activation of Glycosyl Halides by Halogen Bonding. Chem. Asian J. 2014, 9, 2095-2098
  R. Castelli, S. Schindler, S. M. Walter, F. Kniep, H. S. Overkleeft, G. A. Van der Marel, S. M. Huber, J. D. C. Codée
  
• Toward Molecular Recognition: Three-Point Halogen Bonding in the Solid State and in Solution. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16740-16743
  S. H. Jungbauer, D. Bulfield, F. Kniep, C. W. Lehmann, E. Herdtweck, S. M. Huber
  
• Cationic multidentate halogen bond donors in halide abstraction organocatalysis: catalyst optimization by preorganization. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12110-12120
  S. H. Jungbauer, S. M. Huber
  
• Multiple Multidentate Halogen Bonding in Solution, in the Solid State, and in the (Calculated) Gas Phase. Chem. Eur. J. 2015, 21, 13625-13636
  S. H. Jungbauer, S. Schindler, E. Herdtweck, S. Keller, S. M. Huber
  
• Potent affinity material for tracing acetone and related analytes based on molecular recognition by halogen bonds. Chem. Commun. 2015, 51, 2040-2043
  A. Linke, S. H. Jungbauer, S. M. Huber, S. R. Waldvogel