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Aminopyrimidinylsubstituierte N-heterocyclische Carbene und ihre Anwendung in katalytischen Reaktionen

  • Schon jetzt durchlaufen mehr als vier von fünf chemischen Produkten bei der Herstellung einen Katalysezyklus. In zunehmendem Maße findet man katalytische Anwendungen neben dem Einsatz in der Synthesechemie auch in den Biowissenschaften, beim Klima- und Umweltschutz sowie zur Energieversorgung. Durch gezieltes Ligandendesign werden dabei kontinuierlich bekannte Katalysatorsysteme optimiert und die Anwendungsbreite erweitert. Für zweizähnige, pyrimidinhaltige Ligandensysteme ist aus anderen Forschungsarbeiten der AG Thiel eine intramolekularen C-H-Aktivierung im Pyrimidinring bekannt, die zu einer carbanionkoordination am Übergangsmetallzentrum führt. Diese Reaktivität wurde im Rahmen dieser Arbeit mit der stabilisierenden Wirkung eines N-heterocyclischen Carbenliganden (NHC) zu einem neuen Ligandensystem kombiniert. Verschiedene Imidazoliumvorstufen neuer NHC-Liganden mit einem in der 2-Position aminosubstituierten Pyrimidinring als N-Substituent wurden über zwei neu erarbeitete Syntheserouten dargestellt und mit verschiedenen Übergangsmetallvorstufen umgesetzt. In Palladium(II)-Komplexen von pyrimidinyl- und mesitylsubstituierten NHC-Liganden wurden verschiedene Koordinationsmodi in Abhängigkeit von der verwendeten Synthesemethode beobachtet. Über Silber-Carben-Komplexe als Carben-Transferreagenzien konnten für verschieden tertiär amino- und mesitylsubstituierten Liganden die nicht C-H-aktivierten, d.h. C,N-koordinierten Palladiumkomplexe dargestellt werden. Eine direkte Umsetzung der ionischen Imidazoliumverbindungen mit Palladiumvorstufen wie PdCl2 führte in Pyridin und Pyridinderivaten als Lösungsmittel bei Reaktionstemperaturen direkt zu einer C-H-Aktivierung im Pyrimidinring des Liganden. Der leicht basische Pyridinligand stabilisiert während der Komplexbildung die hochreaktive, C-H-aktivierte Spezies und verhindert so Neben- und Zersetzungsreaktionen. Über die Abspaltung des labilen Pyridinliganden durch Erhitzen in schwach koordinierenden Lösungsmitteln wurden die zweikernigen, unlöslichen, pyridinfreien Palladiumkomplexe erhalten und mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie charakterisiert. Diese Reaktion ist vollständig reversibel und wurde zum Einführen verschiedener Pyridinderivate als labile Liganden genutzt. In schwach koordinierenden Lösungsmitteln mit einem Siedepunkt < 80 °C, wie THF, wurde durch eine direkte Umsetzung der ionischen Vorstufen der Liganden mit PdCl2 eine weitere Art von Pd(II)-Komplexen erhalten, für welche die Strukturformel eines N-koordinierten Palladates postuliert wurde. In NMR-spektroskopischen Experimenten wurde die Reversibilität der C-H-Aktivierung im Pyrimidinring der Pd(II)-Komplexe in Abhängigkeit von pH-Wert und Temperatur nachgewiesen. Auch hier erwies sich der stabilisierende Pyridinligand für die C-H-Aktivierung und HCl-Eliminierung als notwendig. Die Rückreaktion wurde unter schwach sauren Reaktionsbedingungen bei Raumtemperatur über eine NHC-gebundene, pyridinhaltige Spezies, strukturanalog der literaturbekannten PEPPSI-Komplexe, beobachtet. Für die stark Lewis-aciden Übergangsmetallzentren Iridium (III) und Ruthenium (II) wurden mit den entsprechenden ionischen Ligandenvorstufen über in situ dargestellte Silber-Carben-Komplexe ausschließlich die C-H-aktivierten, C,N-koordinierten Halbsandwichkomplexe der neuen 2-Amino-4-(imidazolylidenyl)pyrimidinliganden erhalten, trotz variierter Reaktionsbedingungen. Die C-H-Aktivierung mit anschließender HCl-Eliminierung erfolgte bei diesen Übergangsmetallzentren bereits bei Raumtemperatur irreversibel. In Rahmen dieser Arbeit wurde außerdem die Notwendigkeit eines sterisch anspruchsvollen, stabilisierenden Mesitylrestes am NHC-Liganden für stabile und isolierbare C-H-aktivierte Komplexe beobachtet. Mit anderen, sterisch weniger anspruchsvollen Resten an dieser Position des Liganden wurden unter den Reaktionsbedingungen für potentielle C-H-Aktivierungen nur Zersetzungsprodukte erhalten. Von jedem Komplextyp der neuen C-H-aktivierten Übergangsmetallkomplexe wurden messbare Kristalle für eine Kristallstrukturanalyse erhalten, welche tiefere Einblicke in die Bindungssituation der neuen Liganden ermöglichte. Die C-H-aktivierten Übergangsmetallkomplexe der neuen Liganden zeigen sehr gute Aktivitäten in verschiedenen katalytischen Anwendungen. Neben der stabilisierenden Wirkung des NHC mit starkem σ-Donorcharakter wird die hohe Elektronendichte am Übergangsmetallzentrum durch die Koordination des Carbanions weiter erhöht. Unter optimierten Bedingungen wurden in der Suzuki-Miyaura-Kupplung mit geringeren Katalysatorkonzentrationen der C-H-aktivierten Pd(II)-Komplexe eine große Bandbreite von sterisch und elektronisch gehinderten Chlorarylen mit verschiedenen Boronsäurederivaten erfolgreich zu Biarylen umgesetzt. Mit den C-H-aktivierten Ru(II)- und Ir(III)-Halbsandwichkomplexen der neuen Liganden wurden in der katalytischen Transferhydrierung von Acetophenon bereits bei geringen Katalysatorkonzentrationen von 0.15 mol% sehr hohe Ausbeuten erhalten. Die katalytisch hochaktiven Komplexe zeichneten sich außerdem durch eine hohe Stabilität unter den optimierten Reaktionsbedingungen aus. Die C-H-Aktivierung weist zwar keine Abhängigkeit vom sterischen Anspruch der variierten tertiären Aminosubstituenten auf, wurde aber für die anderen Reste in der 2-Position des Pyrimidinrings nicht beobachtet.

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Metadaten
Author:Agnes Fizia
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-42341
Advisor:Werner R. Thiel
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2015/11/28
Year of Publication:2015
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2015/11/27
Date of the Publication (Server):2015/11/30
Number of page:XXII, 295
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 30.07.2015