Copper-mediated cross-coupling reactions toward tandem-catalysis

Thomas, Fabian; Herres-Pawlis, Sonja (Thesis advisor); Schwaneberg, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Katalytische Reaktionen leisten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von atomeffizienten Prozessen. Eine wichtige funktionelle Gruppe in biologisch, synthetisch und pharmakologisch relevanten Molekülen sind Amine. Atomeffiziente Methoden zur Einführung von Aminen haben häufig ein terminales Nitren als zentrales Intermediat. Terminale Nitren-Komplexe sind bisher wenig untersucht. Daher wurden in dieser Dissertation verschiedene Bis(pyrazolyl)methan-Liganden synthetisiert, um den Einfluss des Ligandendesigns auf Kupfer-Nitren-Komplexe zu erforschen. Dafür wurde die dritte N-Donoreinheit des Liganden variiert, sowohl bezüglich des elektronischen als auch des sterischen Einflusses. Mit Hilfe des Nitrenbildungsreagenz SPhINTs konnten sechs neue Kupfer-Nitren-Komplexe bei tiefen Temperaturen synthetisiert werden. Diese Nitren-Komplexe wurde mittels ultrahochauflösender Cryo-ESI Massenspektrometrie, Dichtefunktionaltheorie, UV/Vis-Spektroskopie und NMR-Spektroskopie charakterisiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass es sich um terminale Singulett-Nitren-Komplexe handelt, welche mit einer hohen Ausbeute dargestellt werden können. Des Weiteren wurden die thermische Stabilität und die katalytische Aktivität der Nitren-Komplexe untersucht. Durch Variation der dritten N-Donoreinheit konnten sowohl sehr stabile als auch sehr aktive Nitren-Komplexe dargestellt werden. Bei Raumtemperatur ist eine C-H-Aminierung von benzylischen, alkylischen und aromatischen Substraten und die Aziridinierung von verschiedenen Styrol-Derivaten möglich. Aufgrund der Relevanz von enantiomerenreinen Produkten wurden chirale Precoursorkomplexe in asymmetrischen Katalysereaktionen eingesetzt. Um die Atomeffizienz der katalytischen Reaktionen weiter zu erhöhen, wurden neben SPhINTs auch organische Azide als Nitrenbildungsreagenz eingesetzt und erste Erfolge mit Benzoylazid und elektronenreichen Bis(pyrazolyl)methan-Ligand erzielt. Neben Kupfer-Komplexen wurden auch Eisen-Komplexe als mögliche Katalysatoren untersucht. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Umweltverträglichkeit von chemischen Prozessen sind Tandemreaktionen. Dabei werden zwei oder mehr verschiedene Katalysatoren in einem Prozess vereint. Dadurch wird die Aufreinigung des Zwischenprodukts obsolet, was sowohl Energie, Lösungsmittel und Investitionskosten spart. Daher wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 985 im Teilprojekt A1 eine Tandemreaktion zwischen einer P450 BM3 Variante und einem Kupfer-Bis(pyrazolyl)methan-Komplex entwickelt. Dafür wurden zwei mögliche Tandemreaktionen untersucht. Die erste Tandemreaktion ist im ersten Schritt die aromatische Hydroxylierung von Dimethylbenzol. Das erhaltene Dimethylphenol wird dann mittels einer kupferkatalysierten C-O Kupplungsreaktion zu einem Diphenylether umgesetzt. In diesem Fall konnten beide Reaktionen getrennt erfolgreich durchgeführt werden, eine Kombination verlief nicht erfolgreich. Die zweite Tandemreaktion umfasst eine kupferkatalysierte Benzofuransynthese aus Iodphenol und einem Alkin und anschließend die enzymatische Hydroxylierung des Benzofurans. Eine funktionierende Tandemreaktion konnte durch die Zugabe von EDTA entwickelt werden.

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