Synthese eines Katalysators mit N-Biphenylsubstituenten am NHC-Liganden

Das bromsubstituierte Diamin 11 konnte nicht nur für die Synthese von Ru-12 genutzt werden, sondern bot auch die Möglichkeit das Ligandensystem in der ortho-Position des N´-Arylsubstituenten zu variieren. Dies kann über palladiumkatalysierte Kupplungsreaktionen, wie zum Beispiel eine Suzuki-, Stille- oder Heck-Kupplung geschehen.

Die Suzuki-Reaktion verläuft im Allgemeinen unter milden Bedingungen und toleriert eine Vielzahl von funktionellen Gruppen. Zudem haben Borsäuren den Vorteil, dass sie nur wenig luft- und feuchtigkeitsempfindlich und häufig kommerziell erhältlich sind.^[57] Mittels Suzuki-Kupplung konnte im Folgenden ein Phenylsubstituent eingeführt werden, um ein für Metathesekatalysatoren neuartiges Biphenylsystem zu schaffen. Dieses unterscheidet sich sowohl aus elektronischen als auch aus sterischen Gesichtspunkten vom Bromsubstituenten.

Tabelle 3: Untersuchungen zur Suzuki-Kupplung von Diamin 11 mit Phenylborsäure.

Eintrag PhB(OH)2 [eq] [Pd] Lösungsmittel T [°C] Ausbeute [%]

1 1.5 Pd(PPh3)4 DME 84 0

2 2.2 Pd(PPh3)4 Toluol/EtOH (1:1) 100 83

3 2.2 Pd(PPh3)2Cl2 Toluol/EtOH (1:1) 100 95

Zunächst wurde Diamin 11 mit 1.5 Äquivalenten Phenylborsäure und Pd(PPh3)4 als Katalysator in Dimethoxyethan umgesetzt.^[58] Dieses Vorgehen führte jedoch zu keinerlei Produktbildung (Tabelle 3, Eintrag 1). Eine Erhöhung der Borsäurekonzentration auf 2.2 Äquivalente und ein Wechsel des Lösungsmittels zu einem Toluol/Ethanol-Gemisch^[59]

führte zu einer guten Ausbeute von 83 % (Eintrag 2). Durch den Wechsel des Palladiumkatalysators zu Pd(PPh3)2Cl2 konnte die Ausbeute noch weiter auf sehr gute 95 % gesteigert werden (Tabelle 3, Eintrag 3).Die Synthese des Imidazoliumsalzes 15 gelang mit Triethylorthoformiat in Toluol in einer sehr guten Ausbeute von 92 % (Schema 11). Auch in diesem Fall wurde 15 mittels Säulenchromatographie gereinigt, da es nicht möglich war eine Reinigung durch Umkristallisation zu erreichen. Wie beim bromsubstituierten Rutheniumkomplex sollte auch hier zunächst die HII-analoge Verbindung Ru-13 synthetisiert werden. Um die mögliche Bildung von Rotationsisomeren, wie sie bei Ru-12 beobachtet wurden, zu vermeiden, wurde die Katalysatorsynthese zunächst bei Raumtemperatur durchgeführt. Unter Verwendung von 1.1 Äquivalenten KHMDS und einem Äquivalent an HI konnte der gewünschte Komplex Ru-13 nach einer Reaktionszeit von 18 Stunden bei RT in einer Ausbeute von 60 % erhalten werden.

Schema 11: Synthese und Kristallstruktur des Katalysators Ru-13 (ORTEP, Schwingungsellipsoide für 50 % Aufenthaltswahrscheinlichkeit). Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die H-Atome weggelassen.

Dieser war über Säulenchromatographie zu reinigen und ergab einen grünen Feststoff. Durch Kristallisation aus Pentan/Benzol bei Raumtemperatur konnten geeignete Einkristalle für die Röntgenstrukturanalyse erhalten werden. Es zeigte sich, dass die Umsetzung zu dem entsprechenden Rutheniumkomplex Ru-13 stark abhängig von der eingesetzten Menge an Base ist. Beim Einsatz von 1.7 Äquivalenten kam es zur vollständigen Zersetzung des HI-Komplexes und es wurde kein neues Ruthenium-Carbensignal beobachtet. Was hingegen beobachtet wurde, war die Bildung des Hydrolyseproduktes 16 des NHC-Salzes 15 (Schema 12). Die Bildung dieses unerwünschten Nebenproduktes 16 resultiert aus Wasserresten die im Zuge der Reaktionsführung bzw. der Aufarbeitung auftreten. Durch azeotropes Trocknen des NHC-Salzes mit Dichlormethan oder Toluol und Variation der Stöchiometrie der Reaktanden konnte die Bildung von 16 deutlich verringert werden. Die besten Ergebnisse konnten unter Verwendung von äquimolaren Mengen an HI-Katalysator

Schema 12: Hydrolyseprodukte der NHC-Salze.

und 15 mit 1.1 Äquivalenten KHMDS erzielt werden. Um zu untersuchen, ob es ähnlich wie bei Ru-12 zur Bildung von Rotationsisomeren bei höheren Temperaturen kommt, wurde Ru-13 in Benzol-d6 gelöst und unter Inertbedingungen in einem abgeschmolzenen NMR-Röhrchen vermessen. Bei Ru-12 war bei einer Temperatur von 80 °C die Bildung von Rotationsisomeren zu beobachten. Im Fall von Ru-13 konnte bei 80 °C keine Isomerisierung beobachtet werden. Da die HII-analogen Katalysatoren allgemein in ihrer festen Form an Luft stabil sind und dieses auch bei den hier vorliegenden Komplexen beobachtet werden konnte, wurde im Zuge dieser Untersuchungen zugleich die Stabilität des Katalysators in Lösung bei höheren Temperaturen untersucht. Ru-13 zeigte bei einer Temperatur von 40 °C sowohl in CD2Cl2 als auch in Benzol-d6erstaunlich gute Stabilitäten. Auch nach Wochen wurden hier lediglich geringe Zersetzungserscheinungen beobachtet.^[60] Als interner Standard wurde 1,3-Bis(trifluormethyl)-benzol verwendet, da dieses zu keiner Überlagerung der Signale im

1H-NMR-Spektrum führte und zudem unter den benötigten Bedingungen stabil ist. Es stellte sich bei diesen Untersuchungen heraus, dass bei einer Temperatur von 80 °C eine langsame

Zersetzung des Katalysators einsetzt. Allerdings lagen nach acht Tagen bei 80 °C noch 38 % des Katalysators unzersetzt vor, was bedeutet, dass Ru-13 auch bei hohen Temperaturen stabil ist und unter diesen Bedingungen möglicherweise in der Lage wäre in Metathesereaktionen eingesetzt werden zu können. Da häufig ein Reaktivitätsunterschied bei den verschiedenen Katalysatortypen (HII- vs. GII-Typ) beobachtet wird, wurde auch der GII-analoge Katalysator Ru-14 synthetisiert (Tabelle 4). Hierfür wurde eine Vorschrift für die Katalysatorsynthese von Nolan et al. verwendet,^[61] bei der das entsprechende Imidazoliumsalz 15 mit einem Äquivalent Kalium-tert-amylat in n-Hexan deprotoniert und anschließend mit 0.5 Äquivalenten GI umgesetzt wurde. Nach einer Reaktionszeit von 17 Stunden bei 40 °C konnte jedoch kein neues Ruthenium-Carbensignal im ¹ H-NMR-Spektrum beobachtet werden und auch das Signal des GI (20.06 ppm in CD2Cl2) war nicht mehr vorhanden, was auf eine Zersetzung dieses Rutheniumkomplexes hinweist (Tabelle 4, Eintrag 1). Die Katalysatorsynthese gelang vermutlich auf Grund einer nicht vorhandenen Deprotonierung des Imidazoliumsalzes nicht. Während der 1.5-stündigen Reaktionszeit wurde nicht wie üblich eine orangefarbene Lösung beobachtet, sondern eine leicht gelbe Suspension.

Da die Deprotonierung nicht erfolgreich verlief, wurde die Reaktionszeit auf 16 Stunden verlängert. In diesem Zeitraum erfolgte die Bildung einer orangefarbenen Suspension, die für 20 Stunden mit 0.8 Äquivalenten GI-Katalysator bei 40 °C umgesetzt wurde.

Tabelle 4: Versuche zur Synthese des GII-homologen Rutheniumkomplexes Ru-14.

Eintrag GI (eq) Base (eq) Lösungsmittel T [°C] Umsatz [%]^a

1 0.5 K^tAmylat (1.0) n-Hexan 40 Zersetzung

2 0.8 K^tAmylat (1.0) n-Hexan 40 20

3 1.1 KHMDS (1.1) Toluol 80 14

4 0.5 KHMDS (1.1) Toluol RT 62

a Bestimmt mittels ¹H-NMR-Spektroskopie.

Das ¹H-NMR-Spektrum der Reaktionslösung zeigte, dass unter diesen Bedingungen 20 % des gewünschten GII-analogen Komplexes Ru-14 gebildet wurden (Carbensignal: 19.31 ppm in CD2Cl2), jedoch kein vollständiger Umsatz des GI zu beobachten war. Da unter den verwendeten Bedingungen kein zufriedenstellender Umsatz erfolgte, wurden die Reaktionsbedingungen für die Synthese des HII-analogen Komplexes Ru-13 angewendet.

Somit wurde 15 mit 1.1 Äquivalenten KHMDS in Toluol umgesetzt. Nach der Zugabe von 1.1 Äquivalenten GI wurde für 1.5 Stunden bei 80 °C gerührt, was lediglich zu einem Umsatz von 14 % führte (Tabelle 4, Eintrag 3).Bei dem Einsatz von 0.5 Äquivalenten GI konnte nach einer Reaktionszeit von 15 Stunden mittel ¹H-NMR-Spektroskopie ein Umsatz des GI zum chiralen Katalysator Ru-14 von 62 % beobachtet werden (Tabelle 4, Eintrag 4). Die anschließende Reinigung der Reaktionsmischung gestaltete sich jedoch schwierig. Nachdem das Lösungsmittel entfernt wurde, wurde zunächst versucht, Ru-14 durch Waschen mit kaltem n-Hexan und Methanol zu reinigen. Dies schlug auf Grund der guten Löslichkeit des Komplexes jedoch fehl. Alternativ wurde Ru-14 säulenchromatographisch gereinigt. Da die GII-analogen Komplexe in der Regel instabiler sind als die HII-analogen Systeme und sich in Lösung an Luft schnell zersetzen wird diese Reinigungsmethode meist vermieden. Ru-14 wurde bei einer möglichst geringen Kontaktzeit mit der stationäre Phase chromatographiert, da andernfalls die Zersetzung des Komplexes beobachtet wurde. Mit dieser Reinigungsmethode war es möglich den nicht umgesetzten GI abzutrennen, allerdings konnten die Phosphane nicht vollständig entfernt werden und Ru-14 somit nicht in analysenreiner Form erhalten werden. Da sich die Isolierung des Komplexes schwierig gestaltete und es nicht möglich war alle Verunreinigungen abzutrennen, wurden keine weiteren Versuche zur Synthese von GII-analogen Katalysatortypen unternommen.

Es konnte weiterhin gezeigte werden, dass die in Kapitel 2.2.1 beschriebene Syntheseroute auch geeignet ist, um die charakteristische Biphenyleinheit am NHC-Liganden (vgl. Ru-13 und Ru-14) bereits von Beginn der Synthese an einzubringen. Dies ermöglicht es die Synthese zu verkürzen und die Verwendung einer palladiumkatalysierten Suzuki-Reaktion zu vermeiden (Schema14). Sulfamidat 18 konnte somit in einer Gesamtausbeute von 25 % über vier Stufen erhalten werden.

Schema 13: Synthese des Sulfamidats 18.