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Studien zur katalytischen Aktivität von Palladium-Komplexen in Suzuki- und Sonogashira-Kreuzkupplungsreaktionen

an der Heiden, Markus Reinhard :
Studien zur katalytischen Aktivität von Palladium-Komplexen in Suzuki- und Sonogashira-Kreuzkupplungsreaktionen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Studien zur katalytischen Aktivität von Palladium-Komplexen in Suzuki- und Sonogashira-Kreuzkupplungsreaktionen
Language: German
Abstract:

Teil I: Homogene Katalysatoren für die zweiphasige Reaktionsführung von Suzuki-Miyaura-Kupplungen mit Chloraromaten Die Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung von Arylchloriden mit PhB(OH)2 unter zweiphasigen Bedingungen (DMSO/n-heptan) lässt sich über mehrere Zyklen mit annähernd quantitativen Ausbeuten durchführen. Kern dieses Ansatzes sind polymere Pd-Katalysatoren mit löslicher Phasenmarkierung. Die drei elektronenreichen sterisch anspruchsvollen Phosphine 1-CH2Br,4-CH2P(1-Ad)2-C6H4, 2-Cy2P-2’-OH-biphenyl und 2-tBu2P-2’-OH-biphenyl werden kovalent an MeOPEG2000-OH (≈2000 Dalton) gebunden. Die Katalysatoren bilden sich in situ aus Na2[PdCl4] und dem entsprechenden polymergebundenen Phosphin. Als Basenmischung dient KF/K3PO4. Mit PhB(OH)2 gelingt es, Chloraromaten bei 80°C mit einer Katalysatorkonzentration von nur 0,5 mol% zum jeweiligen Biphenylderivat zu kuppeln. Die Ausbeute liegt bei über 90%. Die Eigenschaften der polaren Phasenmarkierung ermöglichen es, den Palladium-Phosphin-Katalysator mittels einfacher Phasenseparation der katalysatortragenden DMSO-Lösung und der Produktphase (n-Heptan) effizient wiederzugewinnen. Die hohe Aktivität (TOF) des Katalysators bleibt über mehr als fünf Reaktionszyklen - die die katalytische Reaktion, die Phasenseparation und die Wiederzugabe der Substrate zur Initiierung des nächsten Zyklus beinhalten - annähernd konstant. Das Biphenylphosphin des Buchwald-Typs bildet den aktivsten Pd-Katalysator, der eine 1,3 bis 2,8 mal höhere Aktivität zeigt als die Di-1-adamantyl-benzylphosphin-Katalysatoren. Dafür sind sie jedoch auch weniger robust in den Recycling-Experimenten. Ein Leaching des Katalysators in die n-Heptanphase ließ sich nicht beobachten (<0,05%). Dies wurde durch spektrophotometrische Messungen nachgewiesen. Daraus folgt, dass sich eine Palladiumkontamination des Produkts mit dieser von uns entwickelten Methode verhindern lässt. Teil II: Kinetische Einblicke in Suzuki- und Sonogashira-Kreuzkupplungs-Reaktionen mittels Multisubstrat-Hochdurchsatz-Techniken (MS) Wir stellen eine Methode des Hochdurchsatz-Screenings zur Aufnahme der Kinetik homogenkatalysierter Reaktionen vor, bei der bis zu 30 Reaktionen in einem Reaktionsgefäß ablaufen. Demonstriert wird die Methode an der Sonogashira-Reaktion, wobei über 2000 Kupplungsreaktionen analysiert werden. Zuerst werden Ein-Topf-Reaktionen von Phenylacetylen mit einem Satz von 30 unterschiedlichen ortho-, meta- und para-substitutierten Bromaromaten in der Gegenwart von 20 verschiedenen Pd-Phosphin-Katalysatorkomplexen untersucht. Danach werden ‚inverse’ Sätze, bei denen jeweils fünf ArBr bzw. ArI simultan mit fünf bzw. acht para-substituierten Phenylacetylenen reagieren, betrachtet. Dieses Experiment zeigt, dass der Substituenteneinfluss der Halogenaromaten und der Phenylacetylene auf die Geschwindigkeit der Sonogashirakupplung vergleichbar sind. Als Nachweis dieser These werden simultan fünf Halogenaromaten mit fünf (acht) para-substituierten Phenylacetylenen reagieren gelassen, wobei vier unterschiedliche Pd-Phosphin-Katalysatorkomplexe eingesetzt werden. Um diese Experimente zu vervollständigen, wurden Vergleiche mit DFT-Rechnungen durchgeführt um mechanistische Informationen aus den gewonnenen Daten zu erhalten. Die Analysen zeigen, dass beide, das Alkin und der Halogenaromat im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Sonogashirareaktion involviert sind. Aus temperaturabhängigen Sonogashirareaktionen für 21 unterschiedliche Halogenaromaten (X= Cl, Br, I) wurden die jeweiligen Aktivierungsparameter (ΔH‡ und ΔS‡) über Eyring-Auftragungen bestimmt: ArI (ΔH‡ = 48 – 62 kJ·mol-1; ΔS‡ = -71 – -39 J·mol-1·K-1; NO2 ⇒ OMe), ArBr (ΔH‡ = 54 – 82 kJ·mol-1; ΔS‡ = -55 – -11 J·mol-1·K-1) und ArCl (ΔH‡ = 95 – 144 kJ·mol-1; ΔS‡ = -6 – 100 J·mol-1·K-1). DFT-Rechnungen zeigen, dass eine lineare Korrelation der experimentell bestimmten ΔH‡ und der Kohn-Sham HOMO Energien der Halogenaromaten ArX (X= Cl, Br, I) existieren. Trotz der unterschiedlichen C–X Bindungsenergien zeigen Iod- und Bromaromaten vergleichbare Aktivierungsparameter. Dies deutet an, dass die eigentliche Insertion des Palladium in die C-X Bindung nicht der geschwindigkeitslimitierende Schritt ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Part I: Biphasic Suzuki-Miyaura Coupling of Aryl Chlorides using phase-tagged Palladium-Phosphine Catalysts The Suzuki-Miyaura coupling of aryl chlorides and PhB(OH)2 under biphasic conditions (DMSO/n-heptane) can be performed in almost quantitative yields over several cycles by means of polymeric Pd catalysts with soluble polyethylene glycol phase tags. Three sterically demanding and electron-rich phosphines 1-CH2Br,4-CH2P(1-Ad)2-C6H4, 2-Cy2P-2’-OH-biphenyl and 2-tBu2P-2’-OH-biphenyl were covalently bonded to 2000 Dalton MeOPEG-OH. The catalysts, which were formed in situ from Na2[PdCl4], the respective polymeric phosphine, KF/K3PO4, and PhB(OH)2, efficiently couple aryl chlorides at 80°C at 0,5 mol% loading, resulting in a >90% yield of the respective biphenyl derivatives. The use of polar phase tags allows the efficient recovery of palladium-phosphine catalysts by simple phase separation of the catalyst-containing DMSO solution and the product containing n-heptane phase. The high activity (TOF) of the catalyst remains almost constant over more than five reaction cycles, which involve the catalytic reaction, separation of the product phase from the catalyst phase, and addition of new reactants to initiate the next cycle. The Buchwald type biphenyl phosphines form the most active Pd catalysts, which are 1.3-2.8 times more active than catalysts derived from diadamantyl-benzylphosphine, but appear to be less robust in the recycling experiments. There is no apparent leaching of the catalyst into the heptane solution (<0.05%), as evidenced by spectrophotometric measurements, and contamination of the product with Pd is avoided. Part II: Mechanistic Insights in Suzuki- and Sonogashira Cross-Coupling-Reactions via High-Throughput Kinetics We present a method for high-throughput monitoring of reaction kinetics in homogeneous catalysis, running up to 30 coupling reactions in a single reaction vessel. We demonstrate this method on the Sonogashira reaction, analyzing the kinetics for over 2000 coupling reactions. First, we analyze the one-pot reactions of phenylacetylene with a set of 30 different ortho-, meta- and para-substituted aryl bromides in the presence of 20 different Pd-phosphine complexes. Then, we study an “inverse” set, where five ArBr and ArI is reacted with eight different para-substituted phenylacetylenes. This experiment shows that the influence of substituents on the aryl halide and the phenyl acetylene on the rate of the Sonogashira coupling are comparable. As a proof for this five aryl halides are reacted simultaneously with five and eight phenyl acetylenes respectively using four different Pd-phosphine complexes. Complementing these experiments, we apply DFT calculations and extract mechanistic information from the data. Our analysis proves that both the alkyne and the aryl halide are involved in the turnover-determining step of Sonogashira reactions. We also examine temperature dependent Sonogashira reactions for 21 different ArX (X= Cl, Br, I) substrates, determining the corresponding number of activation enthalpies and entropies via Eyring plots: ArI (ΔH‡ = 48 – 62 kJ·mol-1; ΔS‡ = -71 – -39 J·mol-1·K-1; NO2 ⇒ OMe), ArBr (ΔH‡ = 54 – 82 kJ·mol-1; ΔS‡ = -55 – -11 J·mol-1·K-1) and ArCl (ΔH‡ = 95 – 144 kJ·mol-1; ΔS‡ = -6 – 100 J·mol-1·K-1). DFT calculations establish a linear correlation of ΔH‡ and the Kohn-Sham HOMO energies of ArX (X= Cl, Br, I). Despite their different C–X bond energies, aryl iodides and electrondeficient aryl bromides show similar activation parameters. This suggests that the insertion of the Pd into the C–X bond is not the turnover-limiting step.English
Uncontrolled Keywords: PEG Polymere, Hammett Parameter
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
PEG Polymere, Hammett ParameterGerman
Suzuki Coupling, Sonogashira Coupling, Aryl Chlorides, PEG Polymers, Hammett ParametersEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000780
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7808
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Reggelin, Prof. Dr. Michael and Kempe, Prof. Dr. R.
Advisors: Plenio, Prof. Dr. Herbert
Refereed: 18 December 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/780
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