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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
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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
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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
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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
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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
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Mechanismus
B. M. Trost, M. L. Crawley, Chem. Rev. 2003, 103, 2921-2943. 11
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Rotation um die Pd-C-Bindung
B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422.24
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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
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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
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Ligandendissoziation
B. M. Trost, D. L. Van Vranken, Chem. Rev. 1996, 96, 395-422. 27
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Enantioselektivität
zwei mögliche Produkte mit unterschiedlichen absoluten Konfigurationen
**
B. Bartels: Regioselektive und enantioselektive allylische Substitution katalysiert durch Iridiumkomplexe(Dissertation 2001, Universität Heidelberg) 28
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Zyklisierung
R'
R
Nu
B. M. Trost, Angew. Chem. 1989, 101, 1199-1219. 42
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Naturstoffsynthese
B. Bartels: Regioselektive und enantioselektive allylische Substitution katalysiert durch Iridiumkomplexe(Dissertation 2001, Universität Heidelberg) 43
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Naturstoffsynthese
ExaltolidGlaucasterol
H CO CH
Antibioticum
HN
H
CO2CH3H
Catharanthin
AntibioticumA26771B
NH
Clavicipitinsäure
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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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