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Gliederung

Einleitung

MechanismusMechanismus

Iridiumkatalysierte VarianteIridiumkatalysierte Variante

Anwendungen g

Ausblick

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Überblick

P ll di k t l i t ll li h S b tit iPalladium-katalysierte allylische Substituion Methode zur C-C- und C-X- Bindungsknüpfung g p g

J. Tsuji, Tetrahedron Lett. 1965, 49, 4387-4388 ; B. M. Trost, T. J. Fullerton, J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 292. 3

Jiro Tsuji

b 1927 i Jgeboren 1927 in JapanAbschluss an der Kyoto UniversitätPostdoc in Amerika (mit Austauschprogramm)Postdoc in Amerika (mit Austauschprogramm)1960 Promotion an der Columbia University1974 Professor am Tokyo Institute of Technologyy gyfrühe 1960er Forschung im Bereich Organometallchemie und

Homogene Katalysespezialisiert auf Palladium

Y. Yamamoto, J. Organometallic Chem. 1999, 576, xi- xiii. 4

Barry M. Trost

geboren 13. Juni 1941 in PhiladelphiaStudium an der University of PennsylvaniaStudium an der University of Pennsylvania1965 Promotion am Massachusetts Institute

of Technology gy1969 Professor der Chemie1987 Stanford UniversityTamaki Professor of Humanities and Scienceserhielt zahlreiche Auszeichnungen

S i A d d Al d H b ld Stift Senior Award der Alexander-von-Humbold-Stiftung 1989 Arthur C. Cope Scholar Award der American

Chemical SocietyChemical SocietyForschungsschwerpunkt: Synthesen basierend auf

Übergangsmetallkatalyse g g y

B.M. Trost, D.L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422. 5

Palladiumkatalysierte Reaktionen

Übergangsmetall-katalysierte Reaktionen hielten bereits vor vielen Jahren Einzug in die organische Synthesee e Ja e ug d e o ga sc e Sy t ese

Palladium kann vielfältig eingesetzt werdenleistungsfähige Methoden zur C-C- und C-X-Bindungsknüpfung

Palladium-katalysierte Reaktionen eine überaus wichtige S thSynthese

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Tsuji-Trost-Reaktion

Erstmals Mitte der 60er Jahre von J Tsuji beschriebenErstmals Mitte der 60er Jahre von J. Tsuji beschriebenIn den folgenden Jahren besonders von B. M. Trost

weiterentwickeltZeichnet sich durch ihre große Chemo-, Regio- und

Stereoselektivität ausEignet sich vor allem zum Aufbau stereogener ZentrenEignet sich vor allem zum Aufbau stereogener Zentren

Hauptanliegen der heutigen Forschung:Asymmetrische Variante der Tsuji-Trost-Reaktion im Hinblick auf die Naturstoffsynthese

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Tsuji-Trost-Reaktion

All l P ll di K l d Ol fi b t tπ-Allyl-Palladium-Komplexe werden aus Olefinsubstratengebildet

und diese mit Nucleophilen umgesetzt

als Abgangsgruppe eignen sich unteranderem:O

-O NH2

Reaktivität: Chloride > Carbonate > Acetate

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Grundidee

Reaktion nur möglich, da Pd das entstehende Allylkation stabilisiert ( Komplex)

Grundidee: Knüpfung neuer C-C-Bindung

stabilisiert (π-Komplex)

durch Angriff des Carbanions amPalladium-Chlorid-Komplex

mechanistische Untersuchung der Reaktion des Allyl-Palladium Chlorid Komplexes mit Wasser alsPalladium-Chlorid Komplexes mit Wasser als Nucleophil waren bereits bekannt

Carbonylgruppe wurde erzeugt

J. Tsuji, H. Takahashi, M. Morikawa, Tetrahedron Lett. 1965, 49, 4387-4388. 9

Grundidee

+

mit X = CO2C2H5, COCH3Tsuji: Verwendung von C-Nucleophilen

Ergebnis: Carbanionen können ebenfalls den Allyl-Palladium-Chlorid-Komplexden Allyl Palladium Chlorid Komplexangreifen

ergeben Olefin-Derivate in hoher Ausbeute

J. Tsuji, H. Takahashi, M. Morikawa, Tetrahedron Lett. 1965, 49, 4387-4388. 10

Mechanismus

B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921-2943. 11

Mechanismus

Schritt 1: Komplexierung des

Schritt 4:Dekomplexierung p g

Olefins mit der Palladium(0)-Spezies (unter Inversion)

DekomplexierungRückbildung des Katalysators

Schritt 2: IonisierungBildung eines π-Allyl-

Schritt 3: NucleophilerAngriff g y

Palladium-Komplex (η3-Komplex)

B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921-2943. 12

Stereoinformation

Kann durch drei verschiedene Wege in das Produkt eingeführt werden

Stereo-Stereoinformation

substrat-induziert

katalysator-induziert

nucleophil-induziert

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Stereochemie

Substrat enthält bereits ChiralitätszentrenSubstrat enthält bereits Chiralitätszentren Stereoinformation substratinduziert

Th. Hippe: Palladium-katalysierte allylische Alkylierung und Synthese von Pyrazolonen an der festen Phase (Dissertation 1999, Georg-August-Universität Göttingen) 14

Harte / Weiche Nucleophile

Nucleophile

Harte WeicheNucleophile können nach ihrer Acidität in zwei Klassen

t t ilt d

Harte Nucleophile

Weiche Nucleophile

unterteilt werden

Inversion Retention Inversion Retention

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Weiche Nucleophile

A iff d i h N l hil f l t i t bhä iAngriff des weichen Nucleophils erfolgt meist unabhängig von der vorherigen Position der Abgangsgruppe an der AllyleinheitAllyleinheit

Regioselektivität des Angriffs wird hauptsächlich durch sterische Faktoren bestimmtste sc e a to e best t

Angriff erfolgt bei weichen Nucleophilen an der niedriger substituierten Seite

Bindungsbruch und –bildung erfolgen nicht im Koordinationsbereich des Palladiums

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Weiche Nucleophile

Komplexierung des Pd-Komplexes Inversion Angriff weicher Nucleophile Inversion Angriff weicher Nucleophile Inversion Ergebnis zweier Inversionen ist die Retention

B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422.17

Harte Nucleophile

Komplexierung des Pd-Komplexes Inversion Angriff harter Nucleophile direkt am Pd Angriff harter Nucleophile direkt am Pd Unter reduktiver Eliminierung wird das substituierte

Produkt erhaltenÜ Übertragung auf Allyleinheit Retention

man erhält die Inversion

B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422.18

Konfiguration der Doppelbindung

Sowohl (E)- als auch (Z)-Allylsubstrate können i t t deingesetzt werden

in beiden Fällen erhält man (E)-konfigurierte Produkte

ti tisyn, syn, syn, anti anti, anti

B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921-2943.19

Gemeinsamer Übergangszustand

Ph

(Z) (Z)

OAc (E) (E)

Gemeinsamer Übergangszustand

syn, synÜbergangszustand

+

(E)(E)

Th. Hippe: Palladium-katalysierte allylische Alkylierung und Synthese von Pyrazolonen an der festen Phase (Dissertation 1999, Georg-August-Universität Göttingen) 20

η3-η1-η3 –Mechanismus

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Isomerisierungsmechanismen

Rotation

Pseudorotation

Ligandendissoziation

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Rotation um die C-C-Bindung

Via η3-η1-η3 –MechanismusVia η η η Mechanismus

syn, syn

anti, syn

B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422. 23

Rotation um die Pd-C-Bindung

B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422.24

Rotation

Rotation um Pd-C-Bindung Rotation um C-C-Bindung

Regioisomere statt Enantiomere identische Produkte

B. Bartels: Regioselektive und enantioselektive allylische Substitution katalysiert durch Iridiumkomplexe(Dissertation 2001, Universität Heidelberg) 25

Pseudorotation

Zusatz von Chlorid-Ionen in katalytischen Mengen verursacht Rotation, durch Komplexierung des Chlorid-Ions an das Pd

B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422. 26

Ligandendissoziation

B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422. 27

Enantioselektivität

zwei mögliche Produkte mit unterschiedlichen absoluten Konfigurationen

**

B. Bartels: Regioselektive und enantioselektive allylische Substitution katalysiert durch Iridiumkomplexe(Dissertation 2001, Universität Heidelberg) 28

Enantioselektivität

Fünf Möglichkeiten, die zur beobachteten Enantioselektivitätführen können

Metall Allyl KomplexierungMetall-Allyl-KomplexierungIonisierungUnterscheidung des π-Allyl-KomplexesUnterscheidung des π Allyl KomplexesAngriff des NucleophilsUnterscheidung im Nucleophil

Dekomplexierung des Metalls vom Olefin kann die Stereochemie des Produkts nicht ändern

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Metall-Allyl-Komplexierung

Pd Katalysator kann von zweiPd-Katalysator kann von zwei unterschiedlichen Seiten an die Doppelbindung komplexierenDoppelbindung komplexieren

Angriff des Nucleophils von der entgegengesetzten Seiteentgegengesetzten Seite

B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921-2943. 30

Unterscheidung des π-Allyl-Komplexes

durch den Austritt der Abgangsgruppedurch den Austritt der Abgangsgruppe entstehen verschiedene π-Allyl-Palladium-Komplexey p

durch verschiedene Isomerisierungsmechanismenkönnen diese ineinander übergehenkönnen diese ineinander übergehen

B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921-2943.31

Angriff des Nucleophils

Angriff kann von zwei unterschiedlichen Allyl-Termini erfolgeny e e o ge

Regioisomere E i St t Erzeugung eines Stereozentrums

B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921-2943. 32

Andere Übergangsmetall-Katalysesysteme

Mit den häufig verwendeten Palladiumkomplexen als katalytische Spezies kann das Problem der Regioselektivitätkatalytische Spezies kann das Problem der Regioselektivitätnur für spezielle Substrate gelöst werden

Aus diesem Grund hat man schon früh versucht, Katalysesysteme anderer Übergangsmetalle zu entwickeln

Wolfram Platin

Molybdän

Iridium

Ruthenium

RhodiumIridium

Nickel

Rhodium

Eisen

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Iridiumkatalysierte allylische Substitution

N l hil ift hi i G t T ji T t All liNucleophil greift hier im Gegensatz zur Tsuji-Trost-Allylierungnicht an der Position an, die die Abgangsgruppe getragen hathat

Grund: unterschiedliche elektronische Eigenschaften von G u d u te sc ed c e e e t o sc e ge sc a te oPalladium und Iridium

Meist als Abgangsgruppe Carbonate

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Iridiumkatalysierte allylische Substitution

1997 veröffentlichte Takeuchi die erste Iridium-katalysierte allylische Alkylierung

erzielte sowohl für aryl als auch für alkylsubstituierteerzielte sowohl für aryl- als auch für alkylsubstituierte Olefinsubstrate exzellente Regioselektivitätenzugunsten des verzweigt substituiertenzugunsten des verzweigt substituierten Produktisomers

*

mit

G. Helmchen et al., Angew. Chem. 2008, 120, 7764-7767 35

Iridiumkatalysierte allylische Substitution

mit

*

*

*

Phosphoramidit

Katalysator wird in situ erzeugt, da in aktiver Form nicht stabil

G. Helmchen et al., Angew. Chem. 2008, 120, 7764-7767 36

Iridiumkatalysierte allylische Substitution

Die iridiumkatalysierte Variante wurde von G. Helmchen yweiterentwickelt.

Verwendung von Iridiumkatalysatoren mit chiralenPhosphoramidit-Liganden

hi l i t Alk hi laus achiralen internen Alkenen chiraleterminale Alkenen

* *

Derzeitiges Forschungsgebiet an der Universität Heidelberg im Arbeitskreis von Professor G HelmchenArbeitskreis von Professor G. Helmchen

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Base – TBD

TBD = 1,5,7-Triazabicyclo[4.4.0]dec-1-en

Funktionen der Base:Deprotonierung des Nucleophilsverhindert erneute Protonierung der Abgangsgruppeverhindert erneute Protonierung der Abgangsgruppeaktiviert den Katalysator

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Vorteile der iridiumkatalysierten Variante

Erzeugung stereogener Zentren

h h R i l kti itäthohe Regioselektivitätüberwiegend verzweigtes Produkt

ee – Werte bis zu 99 %

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Nachteile der iridiumkatalysierten Variante

Obwohl hohe Enantioslektivitäten erreicht werden, weist das Katalysatorsystem mehrere Nachteile auf:

Katalysatorsystem empfindlich gegen SauerstoffLangzeitstabilität geringLangzeitstabilität geringHohe Selektivitäten werden nur mit wenig polaren

Lösungsmittels erzielt (vorzugsweise THF)g ( g )gegen Wasser und Alkohole stabil, jedoch ist in diesen

Lösungsmitteln die Enantioselektivität niedriger als in THF

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Anwendungen

Z kli iZyklisierungSynthese von mittelgroßen Ringen (n = 8,9)

Synthese von Naturstoffen

Exaltolid

Vitamin E Grundgerüstg

41B. M. Trost, Angew. Chem. 1989, 101, 1199-1219.

Zyklisierung

R'

R

Nu

B. M. Trost, Angew. Chem. 1989, 101, 1199-1219. 42

Naturstoffsynthese

B. Bartels: Regioselektive und enantioselektive allylische Substitution katalysiert durch Iridiumkomplexe(Dissertation 2001, Universität Heidelberg) 43

Naturstoffsynthese

ExaltolidGlaucasterol

H CO CH

Antibioticum

HN

H

CO2CH3H

Catharanthin

AntibioticumA26771B

NH

Clavicipitinsäure

B. Bartels: Regioselektive und enantioselektive allylische Substitution katalysiert durch Iridiumkomplexe(Dissertation 2001, Universität Heidelberg) 44

Ausblick

Eröffnung neuer Wege zur Steuerung von enantioselektiven Zyklisierungsreaktionen

Weiterentwicklung der Liganden, Nucleophile und KatalysatorsystemeKatalysatorsysteme

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Quellen

B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422.B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921-2943.B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921 2943.H. M. R. Hoffmann, A. R. Otte, A. Wilde, Angew. Chem. 1992, 104, 224-225.H.- G. Schmalz, T. Graening, Angew. Chem. 2003, 115, 2684-2688.O. Reiser, Angew. Chem. 1993, 105 , 576-578.M. Braun, Th. Meier, Angew. Chem. 2006, 118, 7106-7109.D.C. Behenna, B. M. Stolzt, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15044-15045.G. Helmchen, J. Sprinz, Tetrahedron Lett. 1993, 34, 1769-1772.A M Johns Z Liu J F Hartwig Angew Chem 2007 119 7397 7399A. M. Johns, Z. Liu, J. F. Hartwig, Angew. Chem. 2007, 119, 7397-7399.J. Tsuji, H. Takahashi, M. Morikawa, Tetrahedron Lett. 1965, 49, 4387-4388.B. M. Trost, T. J. Fullerton, J. Am. Chem. Soc. 1973, 95,292.B. M. Trost, Angew. Chem. 1989, 101, 1199-1219., g , ,Y. Yamamoto, J. Organometallic Chem. 1999, 576, xi- xiii.G. Helmchen et al., Angew. Chem. 2008, 120, 7764-7767.B. Bartels: Regioselektive und enantioselektive allylische Substitution katalysiert durch Iridiumkomplexe

(Dissertation 2001, Universität Heidelberg)Th. Hippe: Palladium-katalysierte allylische Alkylierung und Synthese von Pyrazolonen an der festen Phase

(Dissertation 1999, Georg-August-Universität Göttingen)

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