Entwicklung neuer Ruthenium-Metathese-Katalysatoren und
ihre Anwendung in der alternierenden ROMP
vorgelegt von
Diplom-Chemiker Martin Lichtenheldt aus Frankfurt (Oder)
der Fakultät II
Mathematik- und Naturwissenschaften - Institut für Chemie -
der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. rer. nat. Martin Schoen Erster Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Siegfried Blechert Zweiter Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Rainer Haag
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 12.09.2008
Berlin 2008 D83
Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Studien zur Entwicklung neuer Ruthenium-Metathese-Katalysatoren durchgeführt und auf ihre Anwendbarkeit in der alternierenden Ringöffnungsmetathesepolymerisation (ROMP) untersucht.
Im ersten Teil der Arbeit wurde der Aufbau von elektronisch modifizierten Ruthenium-Indenyliden-Komplexen untersucht. Hierfür wurde eine Reihe von unterschiedlich substituierten Propargylalkoholen synthetisiert und mit RuCl2(PPh3)3 umgesetzt. Dabei
konnten aber nur nicht trennbare Produktgemische isoliert werden, so dass es nicht möglich war reine modifizierte Ruthenium-Indenyliden-Komplexe herzustellen. Daher wurde die Syntheseroute abgewandelt, um so die elektronisch veränderten Ruthenium-Allenyliden-Komplexe zu erhalten. Diese konnten dann auf ihre Effizienz in der Ringschlussmetathese (RCM) von Diallyltosylamid und Diethyldiallylmalonat getestet werden.
Der zweite Teil der Arbeit widmete sich der Verallgemeinerung des Konzepts der alternierenden ROMP durch die Verwendung verschiedener unsymmetrischer NHC-Ruthenium-Initiatoren. Es wurden sowohl die Phosphan- als auch die Pyridin-Grubbs-Initiatoren untersucht. Um das Konzept zu prüfen, wurde der sterische Anspruch der gesättigten, unsymmetrischen NHC-Liganden variiert, wobei die Mesityl-Seitengruppe bei allen Präkatalysatoren beibehalten wurde. Des Weiteren wurde das Stereozentrum des literaturbekannten Grubbs-Initiators mit einem gesättigten, chiralen, unsymmetrischen NHC-Liganden durch Entfernen bzw. Einbringen einer Methylgruppe ausgeschaltet, um den Einfluss des Chiralitätszentrums auf die sequenzselektive Copolymerisation abschätzen zu können. Weiter konnten in Reaktionskinetikuntersuchungen herausgestellt werden, dass durch den Austausch eines Phosphan-Liganden mit einem Pyridin die Effizienz der Rutheniumkatalysatoren in der alternierenden ROMP drastisch gesteigert wurde und somit Reaktionszeiten von einer Stunde auf eine Minute bei gleichbleibender Reaktivität und Selektivität gesenkt werden konnten.
Die vorliegende Arbeit wurde unter Anleitung von Herrn Prof. Dr. Siegfried Blechert in der Zeit von Juni 2005 bis Juni 2008 am Institut für Chemie der Fakultät II der Technischen Universität Berlin angefertigt.
Danksagung
Diese Arbeit wäre ohne die Unterstützung und Hilfe vieler Menschen nicht möglich gewesen und ich möchte mich bei allen herzlich bedanken.
An erster Stelle möchte ich meinem Doktorvater Prof. Dr. Siegfried Blechert für die herzliche Aufnahme in seinen Arbeitskreis, die vielen wertvollen Diskussionen und die stete engagierte Unterstützung und Betreuung während all der Jahre danken.
Herrn Prof. Dr. Rainer Haag danke ich für die Übernahme der zweiten Berichterstattung.
Allen gegenwärtigen und ehemaligen Kollegen danke ich für die fortwährende Unterstützung und sehr gute Zusammenarbeit. Dabei möchte ich besonders Nicole Holub, Mustafa Biyikal, Monika Ulrich, Daniel Rost und Marta Porta Garcia hervorheben, mit denen sich während der letzten Jahre eine tiefe Verbundenheit und Freundschaft entwickelt hat und die mir daher nicht nur in fachlichen sondern auch privaten Angelegenheiten immer zur Seite standen. Es war eine wundervolle und prägende Zeit mit Euch gewesen. Außerdem möchte ich meinem langjährigen Studienkollegen Matthias Schenderlein für seine Unterstützung, Hilfsbereitschaft und vor allem für seine Freundschaft danken.
Den Mitarbeitern des Instituts für Chemie danke ich für die gute Zusammenarbeit. Dr. Reinhard Zeisberg danke ich für seine Hilfsbereitschaft, nicht nur bei NMR-spektroskopischen Problemen, Dr. Höhne und Dr. Schlangen für die Aufnahme von Massenspektren, Frau Klose für die IR-Spektren, Herrn Hahn für die schnellstmöglichen Reparaturen aller Art und Michael Grenz für die stets schnelle Lösung von Problemen jeglicher Art.
Als letztes möchte ich meiner Familie, meinen Freunden, aber vor allem meiner Lebensgefährtin Ellen mit unseren beiden Kindern Nuno und Lia für ihre bedingungslose Unterstützung und Liebe danken, die mir immer den Halt gegeben hat, meine Ziele im Leben zu erreichen und immer für mich das sein werden.
INHALTSVERZEICHNIS
I. EINLEITUNG... 1
II. ALLGEMEINER TEIL... 5
1. Modifizierung von Ruthenium-Indenyliden-Komplexen ... 5
1.1. Einleitung ... 5
1.1.1. Synthese der Ruthenium-Indenylidene und – Allenylidene... 5
1.1.2. Kationische Ruthenium-Komplexe ... 7
1.2. Motivation und Konzept... 8
1.3. Synthese der modifizierten Propargylalkohole ... 10
1.4. Synthese der Ruthenium-Indenyliden-Allenyliden-Komplexe ... 12
1.5. Reaktionskinetiken der Ruthenium-Allenyliden-Komplexe... 16
1.5.1. Einsatz von Diallyltosylamid als Testsubstrat ... 16
1.5.2. Verwendung von Diethyldiallylmalonat als Testsubstrat ... 20
1.6. Zusammenfassung ... 21
2. Rutheniumkatalysatoren mit gesättigten, unsymmetrischen NHCs und deren Anwendung der alternierenden ROMP ... 22
2.1. Einleitung ... 22
2.1.1. Ringöffnungsmetathesepolymerisation ... 22
2.1.2. Alternierende ROMP... 23
2.2. Synthese der unsymmetrischen NHC-Liganden und der dazugehörigen Ruthenium-Komplexe ... 30
2.2.2. Grubbs-Initiator mit einem cumylsubstituiertem NHC-Ligand... 33
2.2.3. Grubbs-Initiatoren mit einem gesättigten, unsymmetrischen NHCs ... 36
2.3. Untersuchungen der Copolymerisation von Norbornen und Cycloocten ... 39
2.3.1. Untersuchungen zur Effizienz der Katalysatoren... 39
2.3.2. Untersuchungen zur Aktivität der Katalysatoren ... 42
2.4. Untersuchungen zur Effizienz von NBE und CPE in der alt-ROMP ... 45
2.5. Zusammenfassung und Ausblick ... 49
III. EXPERIMENTELLER TEIL ... 50
1. Allgemeines ... 50
2. Versuchsvorschriften und spektroskopische Daten ... 53
IV. ANHANG... 86 1. Abkürzungsverzeichnis... 86 2. Schemataverzeichnis ... 89 3. Abbildungsverzeichnis ... 90 4. Tabellenverzeichnis ... 91 5. Literaturverzeichnis... 92
I. Einleitung
Nicht erst durch die Vergabe des Nobelpreises für Chemie 2005 an die Forscher Chauvin, Grubbs und Schrock für ihre herausragende Arbeit auf dem Gebiet der Olefinmetathese ist diese aus der organischen Synthesechemie nicht mehr wegzudenken.[1,2,3] Ihre Anwendung in der C-C-Bindungsknüpfung hat sich über die letzten Jahrzehnte zusehend etabliert und ständig weiterentwickelt. Die laufenden Veränderungen der Metathesekatalysatoren vom Schrock- aber insbesondere vom Grubbs-Typ durch verschiedene Arbeitsgruppen (Abbildung 1) ermöglichten die Erweiterung ihres Anwendungsgebietes und ihre Stabilität, Reaktivität und Toleranz gegenüber einer Vielzahl an funktionellen Gruppen konnte stetig gesteigert werden.[4]
N Mo Ph O O CF3 F3C F3C F3C PCy3 Ru PCy3 R Cl Cl Ru PCy3 Ph Cl Cl NMes MesN PCy3 Ru Cl Cl O Ru Cl Cl O NMes MesN R2 R1 Ru N Cl Cl NMes MesN Br N Br [Mo-1] Schrock [Ru-1] R = CH=C(Ph)2 Grubbs [Ru-2] R = Ph Grubbs I Ru PCy3 Ph Cl Cl NMes MesN [Ru-4] Nolan [Ru-3] Grubbs II
[Ru-5] Hoveyda I [Ru-6] R1= R2= H Hoveyda-Blechert [Ru-7] R1= Ph, R2= H Blechert
[Ru-8] R1= H, R2= NO2 Grela
[Ru-9] Grubbs III Ph
Abbildung 1. Ausgewählte Metathesekatalysatoren vom Schrock- und Grubbs-Typ. Zu den verschiedenen Metathesearten zählt beispielsweise die Ringschlussmetathese (RCM, ring closing metathesis), die einfachste und zuverlässigste Methode, um kleine, mittlere und große Ringsysteme aufzubauen (Schema 1).[5] Die formale Rückreaktion der RCM, die Ringöffnungsmetathese (ROM, ring opening metathesis), führt nach der eigentlichen Ringöffnung durch den intermolekularen Austausch einer Alkylideneinheit
zwischen dem cyclischen und einem extern zugesetzten Olefin zur Bildung eines offenkettigen Diens.[6] Bei dem zweiten Schritt handelt es sich dabei um eine Kreuzmetathese (CM, cross metathesis), weshalb die gesamte Sequenz auch als Ringöffnungskreuzmetathese (ROCM) bezeichnet wird. Bei der Ringöffungsmetathesepolymerisation (ROMP, ring opening metathesis polymerisation),[7] welche seit langem einen großtechnischen Nutzen im Norsorex-Prozess[8] und Hüls-Vestenamer-Verfahren[9] findet, wird ein cyclisches Olefin ohne Zusatz eines weiteren Olefins umgesetzt, so dass es zur Ausbildung von langkettigen Polymeren kommt. Dabei werden häufig Norbornenderivate als Substrate eingesetzt, da die freiwerdende Ringspannung die Haupttriebkraft der Reaktion liefert. Die acyclische Dienmetathesepolymerisation (ADMET, acyclic diene metathesis polymerisation)[10] ist, wie die CM, ein intermolekularer Prozess, bei dem acyclische terminale Diene unter Freisetzung von Ethylen zu langkettigen Polyolefinen umgesetzt werden.
R2 R1 n n n RCM - R1CH=CHR2 ROCM + R1CH=CHR2 ADMET - n C2H4 (R1 = R2 = H) ROMP R1 R2 CM - C2H4 R 1 R2 R1 R1 R2 R2
Schema 1. Übersicht der grundlegenden Metathesearten.
Trotz der Fortschritte der Katalysatorforschung in der Metathese sind dieser Methode immer noch Grenzen auferlegt. So werden für viele Reaktionen hohe Katalysatorbeladungen benötigt, um einen vollständigen Umsatz zu erreichen, was für die industrielle Nutzung hinderlich ist. Des Weiteren ist die Umsetzung von hochsubstituierten Doppelbindungen sowie die Steuerung der E/Z-Selektivität problembehaftet, die bis jetzt lediglich bei kleinen und mittleren Ringen zu guten
Resultaten führt. Zudem fehlen geeignete chirale Katalysatorsysteme für die Anwendung in asymmetrischen Prozessen.
Wegen der unterschiedlichen Anforderungen an die Katalysatoren für deren Anwendung in den verschiedenen Metathesearten, gibt es auch keine „ultimative Lösung“, sondern es muss für jede Reaktion auch ein spezielles Katalysatorsystem gefunden und optimiert werden. Dies wird durch den modularen Aufbau der Rutheniumkomplexe vereinfacht, die in drei Positionen modifiziert werden können: an einem oder beiden Neutralliganden L, am Benzylidenliganden (=CHR) und an den anionischen Liganden X (Abbildung 2). Es ist somit möglich, durch die systematische Veränderung der sterischen und elektronischen Eigenschaften der drei Ligandensphären eine Vielzahl an Katalysatoren für spezielle Zwecke zu erhalten und ihre Anwendbarkeit in der Olefinmetathese zu untersuchen.
L Ru L R X X
L = neutrale Liganden (PR3, NHC, CAAC, etc.)
R = Phenyl- und Vinylderivate, Indenyliden, etc.
X = anionische Liganden (Cl, CF3COO, etc.)
Abbildung 2. Allgemeine Ligandensphäre von Ruthenium-Metathesekatalysatoren.
Die Lebenszeit des Katalysators als Zeitraum seiner spezifischen Wirksamkeit ist davon abhängig, ob er nach jedem Katalysecyclus seine anfängliche Struktur- und Reaktivitätscharakteristik beibehalten hat. Dabei beschreibt die Umsatzzahl, auch als TON bezeichnet (turn over number), den Grad der Aktivität eines Katalysators. Die Umsatzzahl gibt die Anzahl der Produktmoleküle an, die ein Molekül der katalytisch aktiven Spezies während seiner gesamten Lebenszeit liefert. Bei der Beschreibung der Effizienz eines Katalysators wird die Wechselzahl oder auch TOF herangezogen (turn over frequency [h-1]), welche die Produktivität zusätzlich auf eine Zeiteinheit bezieht. Aus ökonomischer Sicht kann ein Katalysator auch teuer und kurzlebig sein, wenn er dafür aber eine hohe Wertschöpfung erzielt. Aus der Sicht der ökologischen Nachhaltigkeit sind die Prozesse von Vorteil, die so wenig wie möglich Katalysatormenge benötigen und wo kaum oder gar keine Nebenprodukte entstehen. Ist nur eines dieser Kriterien nicht erfüllt, wird das katalytische Verfahren letztendlich nicht als industrieller Prozess umgesetzt werden.
Die vorliegende Arbeit widmete sich der Entwicklung neuer Rutheniumkatalysatoren und deren Anwendung in speziellen Metathesereaktionen. Dabei wurden im Detail Untersuchungen an der Ligandensphäre von L und R durchgeführt.
Der erste Teil beschäftigte sich mit der Modifizierung von Ruthenium-Indenyliden-Katalysatoren[11] und deren Auswirkung in der RCM von Macrocyclen. Hier sollte durch die Einführung von elektronenziehenden und –schiebenden Substituenten im aromatischen Ligandensystem von Indenyliden ein signifikanter Einfluss auf die katalytische Aktivität und Selektivität ausgeübt werden.
Im zweiten Teil wurde eine Vielzahl an Grubbs-Initiatoren mit unsymmetrischen N-heterocyclischen Carbenen (NHC)[12] auf ihre Anwendung in der alternierenden ROMP von verschiedenen Monomeren untersucht. Dabei befasste sich die Arbeit mit der Verallgemeinerung des Konzepts der alternierenden ROMP durch Verwendung neuartiger Initiatoren. Es sollten sowohl die Phosphan- als auch die Pyridyl-Grubbs-Initiatoren untersucht und mit diesen detaillierte Aktivitäts- und Effizienzstudien durchgeführt werden.
II. Allgemeiner Teil
1.
Modifizierung von Ruthenium-Indenyliden-Komplexen
1.1. Einleitung
1.1.1. Synthese der Ruthenium-Indenylidene und – Allenylidene
Die Synthese der Ruthenium-Indenyliden-Komplexe [Ru-11] und [Ru-12] wurde von Fürstner et al. im Jahre 2001 veröffentlicht (Schema 2, Synthese a).[13] Seine Arbeitsgruppe griff die ursprüngliche Synthese von Hill et al. auf, die eigentlich zu Ruthenium-Allenyliden-Komplexen führen sollte,[14] was sich aber später als Irrtum herausstellte. Hierbei wurde ausgehend vom kommerziell erhältlichen RuCl2(PPh3)3 und
Biphenylpropargylalkohol in THF unter Rückfluss gerührt. Nachdem in einer gemeinsamen Publikation über die vielversprechende katalytische Aktivität dieser Komplexe berichtet wurde,[15] stellte sich durch 2D- und NOESY-NMR-Untersuchungen von Fürstner et al. heraus, dass bei der Synthese nicht die vermeintliche Rutheniumspezies [Ru-10] entstanden war, sondern die entsprechende Indenyliden-Spezies [Ru-11].[13] RuCl2(PPh3)3 OH Ph Ph THF, reflux, 2.5 h PPh3 Ru Cl Cl PPh3 C C Ph Ph L Ru Cl Cl L
[Ru-10] quant. [Ru-11]: L = PPh3
80% [Ru-12]: L = PCy3 PCy3, CH2Cl2, RT, 2 h
IPr Ru Cl Cl PCy 3 [Ru-13] N N IPr [Ru-12] Toluol, RT, 4 h 75 % a) b)
Dies konnte in einer parallelen Arbeit von Nolan et al. durch eine Röntgenstruktur von [Ru
-
13] bestätigt werden, welches durch die Umsetzung von [Ru-12] mit einem gesättigten NHC (IPr) dargestellt wurde (Schema 2, Synthese b).[16]Es wurde angenommen, dass bei der Reaktion zu [Ru-11] im Übergangszustand die Ruthenium-Allenyliden-Stufe [Ru-10] durchlaufen wird. Außerdem konnten Fürstner et al. zeigen, dass der Phenylindenyliden-Katalysator [Ru-12] in der RCM vergleichbar hohe Ausbeuten, Reaktionsgeschwindigkeit und Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen wie [Ru-2] aufweist.[13] Besonders herauszuheben ist die überlegene RCM-Aktivität von [Ru-12] gegenüber [Ru-2] bei der Darstellung von Macrocyclen (8- und 9-Ringe, 10-Ring-Lactone) und die höhere Stabilität in Lösung, die vor allem bei längeren Reaktionszeiten eine große Rolle spielt.
Die selektive Darstellung des Ruthenium-Allenyliden-Komplexes [Ru-14] publizierten Nolan et al. im Jahre 1999. Dabei wurde eine abgewandelte Syntheseroute von Fürstner et al. verwendet, in der zum Tetrakis(triphenylphosphan)ruthenium(II)chlorid und Biphenylpropargylalkohol noch zusätzlich zwei Äquivalente Tricyclohexylphosphan zugegeben und bei längerer Reaktionszeit in THF refluxiert wurde (Schema 3).[17] Alle Versuche das Allenyliden [Ru-14] mittels Säurezugabe oder Temperaturerhöhung in das Indenyliden [Ru-12] umzuwandeln, waren aber erfolglos.[17]
OH Ph Ph PCy3, THF, reflux, 16 h PCy3 Ru Cl Cl PCy3 C C Ph Ph H+ oder ∆T PCy3 Ru Cl Cl PCy 3 [Ru-14] [Ru-12] 72% RuCl2(PPh3)4
Schema 3. Darstellung des Ruthenium-Allenyliden-Komplexes [Ru-14].
Dieser Befund wurde durch die unterschiedliche Bindung der Phosphan-Liganden am Metallzentrum erklärt. Da PCy3 ein besserer σ-Donor als PPh3 ist und somit eine höhere
Elektronendichte am Rutheniumzentrum vorliegt, kann durch den vorgelagerten Ligandenaustausch die Umlagerungsreaktion zur Indenyliden-Spezies [Ru-12] unterdrückt werden.
1.1.2. Kationische Ruthenium-Komplexe
Die ionischen 18-Elektronen-Ruthenium-Allenyliden-Komplexe der Struktur [(η6-p-cymol)RuCl(=C=C=Ar2)(PR3)]X[18] sind seit längerem für ihren Einsatz in der
RCM von Dienen und Eninen bekannt,[18,19,20] sowie in der ROMP.[20] Dixneuf et al. haben 2006 in NMR-spektroskopischen Untersuchungen gezeigt, dass der Allenyliden-Komplex [Ru-15] selektiv in den 18-Elektronen-Ruthenium-Indenyliden-Komplex [Ru-17] überführt werden kann (Schema 4).[21]
Ru C C Ph Ph Cl Cy3P Ru Cl Cy3P Ph OTf (OTf)2 TfOH - 40°C -TfOH - 20°C Ru Cl Cy3P Ph OTf H H
[Ru-15] [Ru-16] [Ru-17]
CD2Cl2 CD2Cl2
Schema 4. Umlagerung kationischer Ru-Allenylidene in die Ru-Indenylidene.
Durch Zugabe von Trifluormethansulfonsäure lagern diese Allenylidene [Ru-15] in situ über die isolierte Alkenyl-Carbin-Ruthenium-Zwischenstufe [Ru-16] zu dem entsprechenden Indenyliden [Ru-17] um. Somit wurde die Annahme von Fürstner et al., dass bei der Darstellung von [Ru-11] die Zwischenstufe [Ru-10] durchlaufen wird, bewiesen (Schema 2) und es konnte des Weiteren gezeigt werden, dass die kationischen Indenyliden-Ruthenium-Arene [Ru-17] sehr aktive Katalysatoren für einige Anwendungen in der ROMP, RCM und Enin-Metathese sind (Schema 5).[21,22]
Ts N 2 mol% [Ru-17], PhCl 1 min, RT 99 % Ts N 1 2
1.2. Motivation und Konzept
Basierend auf dem bekannten Ruthenium-Komplex [Ru-11] (Schema 2) sollten elektronische Modifikationen an der Indenyliden-Einheit vorgenommen werden.[13]
Aus früheren Arbeiten unseres Arbeitskreises konnte gezeigt werden, dass nützliche Informationen bezüglich der Faktoren, die die Effizienz (Produktivität bezogen auf eine Zeiteinheit [h-1], Kapitel Einleitung) der Präkatalysatoren [Ru-5] und [Ru-6] beeinflussen, erhalten werden können (Abbildung 3),[23] undzwar durch Variation nicht nur der sterischen sondern auch der elektronischen Eigenschaften des ortho-Isopropoxybenzylidenliganden. Eine sterische Modifizierung, dass heißt die Einführung eines Substituenten in ortho-Position zur bereits vorhandenen chelatisierenden Isopropoxygruppe, der Katalysatortypen [Ru-5] und [Ru-6] führte zu Metatheseinitiatoren mit einer drastisch gesteigerten Effizienz.
L Ru Cl Cl O [Ru-5] L = PCy3 [Ru-6] L = H2IMes L Ru Cl Cl O R4 R3 R2 R1 L = PCy3, H2IMes R = H, OiPr, OMe, Me, Ph, F, CF3, CN
Abbildung 3. Modifikationen von [Ru-5] und [Ru-6].[23]
Die leichter zugänglichen, sterisch modifizierten Präkatalysatoren von [Ru-5] wiesen bei ähnlich hoher Effizienz wie die sterisch modifizierten, phosphanfreien Varianten von [Ru-6] zusätzlich, eine hohe Stabilität gegenüber Sauerstoff auf und erreichten deutlich höhere Umsätze bei den RCM von Diallyltosylamid 1. Ausgehend von diesen Ergebissen bestand eine hohe Chance, ähnliche Effizienz- und Aktivitätsänderungen von [Ru-11] herbeizuführen.
Die elektronischen Modifikationen der Indenyliden-Einheit von [Ru-11] sollten leicht über die Einführung von elektronenschiebenden (Methoxy- und Methyl-Gruppen) und elektronenziehenden (Nitro-Gruppe) Substituenten am Propargylalkohol möglich sein (Schema 6). Die entsprechenden Propargylalkohle 4a-g sollten über eine Grignard-Reaktion von Ethinyl-Magnesiumbromid mit den käuflich erhältlichen para-mono- bzw. para-para´-disubstituierten Benzophenonen 3a-g synthetisiert werden.
PPh3 Ru Cl Cl PPh3 R R R R HO O R R R = H, OMe, Me, NO2 3a-g 4a-g [Ru-17] Grignard
Schema 6. Retrosynthetisches Konzept zur Darstellung der Ruthenium-Indenylidene. Im Anschluss an die Katalysatorherstellung sollten Untersuchungen zur Reaktionskinetik durchgeführt werden, um Aussagen über den Einfluss der Substituenten machen zu können. Dabei sollte die RCM von Diallyltosylamid 1 untersucht und der zeitliche Verlauf des Umsatzes von 2 der RCM verfolgt werden, um die daraus erhaltenen Ergebnisse mit literaturbekannten Daten vergleichen zu können.
1.3. Synthese der modifizierten Propargylalkohole
Wie im Vorangegangenen erläutert, wurden die elektronisch modifizierten Propargylalkohole, durch eine Grignard-Reaktion mit Ethinyl-Magnesiumbromid in THF bei Raumtemperatur, aus den entsprechenden käuflich erhältlichen Benzophenonen (außer 3f) in guten bis sehr guten Ausbeuten synthetisiert (Schema 7). Dabei wurde die Ethinyl-Magnesiumbromid-THF-Lösung zu einer eisgekühlten Benzophenon-THF-Lösung über ca. 15 min zugetropft und anschließend bei Raumtemperatur weitergerührt. Die Reaktionen wurden mittels DC-Kontrolle verfolgt und man konnte beobachten, dass das mononitro-substituierte Benzophenon 3d sich schneller umsetzte (6 h) als die Methoxy- oder Methyl-substituierten Benzophenone 3b,c (20 h, 18 h). Auch war die Ausbeute von 4d mit 92 % etwas höher als bei 4b (88 %) und 4c (85 %).
O R1 R2 MgBr R1 R2 HO a: R1 = R2 = H (90 %) b: R1 = OMe, R2 = H (88 %) c: R1 = Me, R2 = H (85 %) d: R1 = NO 2, R2 = H (92 %) e: R1 = R2 = OMe (63 %) f: R1 = R2 = NO 2 (87 %) g: R1 = Me, R2 = Me (70 %) 3a-g 4a-g THF, RT
Schema 7. Darstellung der modifizierten Propargylalkohole 4a-g.
Die Reaktionszeit bei der Umsetzung von p,p´-dinitro-substituierte Benzophenon 3f in Et2O verkürzte sich nochmals auf 5 h bei Raumtemperatur, wobei die Ausbeute von 4f
sich aber im Vergleich zu 4d nicht weiter steigerte. Bei der Reaktion des p,p´-dimethoxy-substituierte Benzophenons 3e in THF konnte bei Raumtemperatur nach einer Stunde keine Produktbildung von 4e beobachtet werden und daher wurde 6 h bei 40 °C und anschließend über Nacht bei 30 °C erhitzt. Nach der säulenchromatographischen Aufreinigung konnte 4e ,im Vergleich zu 4b, mit einer verminderten Ausbeute von 63 % isoliert werden. Die Umsetzung des p,p´-dimethylsubstituierten Benzophenons 3g verlief in Et2O bei Raumtemperatur über Nacht mit einer isolierten Ausbeute von 70 %. Bei der
Grignard-Reaktion der disubstituierten Benzophenone 3e-g waren insgesamt die Ausbeuten niedriger als bei den monosubstituierten Benzophenonen 3b-d und der Einfluss der Substiuenten auf die Ausbeute war deutlicher zu erkennen, dass heißt die Ausbeuten wiesen untereinander größere Unterschiede auf und stiegen in der Reihenfolge 3e < 3g < 3f.
Von den ausgehenden Benzophenonen war das p,p´-dinitro-substituierte Benzophenon 3f das Einzige, welches nicht käuflich erhältlich war und daher über drei Stufen, startend vom Triphenylmethan 5, hergestellt werden musste (Schema 8). Dabei wurde nach einer Literaturvorschrift als erstes 5 mit Nitriersäure in para-Position aller drei Aromaten zu 6 nitriert.[24] Die Literaturausbeute von 53 % für 6 konnte nicht erreicht werden, was auf die erhöhte Nebenproduktbildung von mono- und dinitriertem Triphenylmethan und dem Ausbeuteverlust bei der Umkristallisation in Toluol zurückzuführen war.
HNO3/H2SO4 NO2 NO2 O2N O2N NO2 NO2 OH NO2 O2N O 39 % 150 °C, 3 h 92 % 1) konz. H2SO4 2) H2O2 / konz. H2SO4 32 % 5 6 7 3f HNO3
Schema 8. Herstellung des p, p´-Dinitrobenzophenons 3f.
Anschließend sollte 6 nach einer Prozedur aus dem Jahr 1905 mit konz. Salpetersäure in einem Druckgefäß bei 150 °C in 3 h direkt zum zum Benzophenon 3f oxidativ gespalten werden.[25] Nach dem Waschen des Reaktionsgemisches mit Eiswasser und der zweimaligen Umkristallisation des ausgefallenen Feststoffes in Eisessig und anschließend in Ethylacetat konnten farblose Nadeln erhalten werden. Nach MS- und NMR-spektroskopischen Untersuchungen des entstandenen Produkts konnte aber nicht, wie erwartet, 3f identifiziert werden, sondern das entsprechende Triarylmethanol 7 mit einer isolierten Ausbeute von 92 %. Als letztes wurde daher nach einer Literaturvorschift aus dem Jahr 1938 das p,p´,p´´-Trinitrotriphenylmethanol 7 oxidativ mit konz. Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid zum p,p´-Dinitrobenzophenon 3f gespalten.[26] Dabei kam es zu Problemen bei der Neutralisierung des stark sauren Reaktionsgemisches in Eiswasser mit festem Natriumhydroxid-Plättchen. Da die Reaktionslösung hochkonzentriert war, konnte sich das dazugegebene Natriumhydroxid nur schwer lösen und es kam zu spontanen, heftigen Wärmeentwicklungen, die auch mit starker Kühlung nicht verhindert werden
konnten. Deshalb musste das Reaktionsgemisch stetig mit Eiswasser verdünnt werden, was zu erheblichen Ausbeuteverlusten führte (Lit. 58 %). Nach Umkristallisation aus Eisessig konnten so 32 % des p,p´-Dinitrobenzophenons 3f als feine farblose Nadeln isoliert werden.
1.4. Synthese der Ruthenium-Indenyliden-Allenyliden-Komplexe
Die Darstellung der Ruthenium-Indenyliden-Komplexe wurde zunächst mit den monosubstituierten Propargylalkoholen 4b,d versucht und erst später mit 4c (Schema 9). Die Propargylalkohole 4b,d wurden in einem Schlenkrohr vorgelegt unter Stickstoff erst mit trockenem THF und anschließend mit RuCl2(PPh3)3 versetzt und 2,5 h unter Rückfluss
erhitzt. Danach wurde das Lösungsmittel am Hochvakuum entfernt und der Rückstand in trockenem Hexan suspendiert und 3 h bei Raumtemperatur gerührt bis sich ein feiner Niederschlag der Ruthenium-Komplexe gebildet hatte. Dieser wurde danach über eine Umkehrfritte abfiltriert und mit Hexan gewaschen.
RuCl2(PPh3)3 THF, reflux, 2.5 h 4b-d PPh3 Ru Cl Cl PPh 3 PPh3 Ru Cl Cl PPh 3 R1 R1 R1 = OMe, Me, NO2 1:1
Schema 9. Syntheseversuch der monosubstituierten Ruthenium-Indenyliden-Komplexe. Die so entstandenen Ruthenium-Komplexe wurden NMR-spektroskopisch untersucht, wobei aus den Spektren nicht ersichtlich wurde, ob sich die Ruthenium-Indenyliden-Spezies gebildet hatten, oder ob es zu Zerfallsprodukten gekommen war. Ausschlaggebend für die Zwiefel war die viel zu hohe Protonenzahl im aromatischen Bereich des 1H-NMR-Spektrums. Deshalb wurde nun die gleiche Umsetzung mit dem monomethyliertem Propargylalkohol 4c und RuCl2(PPh3)3 in THF angestrebt, in der
Annahme aus den 1H- und 2D-Kopplungs-NMR-Spektren weitere Erkenntnisse gewinnen zu können. Die Durchführung der Reaktion von 4c mit RuCl2(PPh3)3 in THF war
Feststoffes ergab, dass sich ein 1 zu 1 Produktgemisch beider Regioisomere gebildet hatte, was durch die CH3-Protonen der Indenyliden-Einheiten im 1H-NMR-Spektrum ersichtlich
wurde (Schema 9). Diese Beobachtung konnte dann auch auf die mononitrierten und monomethoxylierten Indenyliden-Systeme übertragen werden. So dass bei allen Umsetzungen nicht trennbare Gemische, weder durch Säulenchromatographie noch Umkristallisation, beider Regioisomere entstanden waren.
Um die Entstehung der beiden Regioisomere der Indenyliden-Spezies zu umgehen, wurde dann versucht, die Unsymmetrie der eingesetzten Propargylalkohle durch die Einführung eines weiteren Substituenten im zweiten Aromaten aufzuheben und somit zu zweifach substituierten Indenyliden-Einheiten zu gelangen. Die Synthese mit dem dimethoxylierten Propargylalkohol 4e erfolgte als erstes nach derselben Vorschrift wie bei den monosubstituierten Propargylalkoholen mit RuCl2(PPh3)3 in THF für 2,5 h unter
Rückfluss (Schema 10). Bei der NMR-spektroskopischen Auswertung konnte aber im 1H- aber auch im 31P-Spektrum keine Ruthenium-Indenyliden-Spezies sondern die jeweilige Ruthenium-Allenyliden-Spezies identifiziert werden und nur in Spuren (ca. 5 %) die gewünschten Indenylidene. Daraufhin wurden Testreaktionen durchgeführt, in denen Reaktionszeit und –Temperatur variiert wurden, und die allesamt zur den gleichen Produktverteilung führten. RuCl2(PPh3)3 THF, reflux, 2.5 h 4e,f PPh3 Ru Cl Cl PPh3 R1 R1 PPh3 Ru Cl Cl PPh3 C C R1 R1 R1 = OMe, NO2 NP HP
Schema 10. Darstellungsversuch disubstituierter Ruthenium-Indenyliden-Komplexe. Bei der Umsetzung des dinitrierten Propargylalkohols 4f mit RuCl2(PPh3)3 in THF in
einem Zeitraum von 2,5 h unter Rückfluss konnte wieder die entsprechende Ruthenium-Allenyliden-Spezie in den NMR-Spektren identifiziert werden, aber mit einem größeren Anteil an Indenylidenen (ca. 10 %), nicht zu charakterisierenden Ruthenium-Komplexen und Zerfallsprodukten. Auch hier führte die Variation von Stöchiometrie der Edukte, Reaktionszeit und –Temperatur zu keiner Veränderung der Produktverteilung. Bei der Reaktion des dimethylierten Propargylalkohols 4g mit RuCl2(PPh3)3 in THF in einem
Zeitraum von 3 h unter Rückfluss konnte als Hauptprodukt die Ruthenium-Indenyliden-Spezie identifiziert werden, was durch die CH3-Protonen am Aromaten im 1
H-NMR-Spektrum und der chemischen Verschiebung im 31P-Spektrum verifiziert werden konnte (Schema 11). Es konnte aber auch als Nebenprodukt die entsprechende Ruthenium-Allenyliden-Spezies beobachtet werden. Alle Versuche die entsprechenden Produktgemische der disubstituierten Ruthenium-Indenylidene und –Allenylidene mittels Umkristallisation zu trennen, führten zu keinem Erfolg.
RuCl2(PPh3)3 THF, reflux, 3 h 4g PPh3 Ru Cl Cl PPh3 CH3 CH3 PPh3 Ru Cl Cl PPh3 C C CH3 CH3 NP HP
Schema 11. Darstellungsversuch dimethylierter Ruthenium-Indenyliden-Komplexe. Interessanterweise führt die Variation der Substituenten am Propargylalkohol zu veränderten Produktverhältnissen von Ruthenium-Indenyliden und –Allenyliden, wobei sich im Fall der Methoxy- und Nitrosubstituenten die Ruthenium-Allenyliden-Spezies als Hauptprodukt bildete und im Fall des Methylsubstiuenten sich das Produktverhältnis zu Gunsten der Ruthenium-Indenyliden-Spezie verschiebte. Dies zeigte, dass die elektronischen Effekte (OMe: -I, +M; Me: +I; NO2: -I, -M) der Substiuenten im
aromatischen Propargylalkohol keinen Einfluss auf die Selektivität der Produktbildung ausübten, da die Propargylalkohole mit Methoxy- und Nitrogruppen, dass heißt mit gegensätzlichen elektronischen Effekten, in der Reaktion mit RuCl2(PPh3)3 beide zu den
entsprechenden Ruthenium-Allenylidenen als Hauptprodukt führten.
In Anlehnung an die Arbeiten von Dixneuf et al., kationischen 18-Elektronen-Ruthenium-Aren-Allenyliden-Komplexe der Struktur [(η6-p-cymol)RuCl(=C=C=Ph2)(PCy3)]OTf in
die entsprechende Indenyliden-Spezies durch Säurezugabe bei tiefen Temperaturen (-40 °C bis -20 °C) umzulagern (Schema 4),[21] wurde versucht, das Verhältnis des dimethoxylierten Produktgemisches aus Ruthenium-Indenylidenen und –Allenylidenen mittels Zugabe von Trifluormethansulfonsäure zu verändern. Dafür wurde eine Lösung aus 40 mg des dimethoxysubstituierten Rutheniumgemisches in 0,7 ml CD2Cl2 unter
Stickstoffatmosphäre in einem NMR-Röhrchen mit mit Septum in flüssigem Stickstoff eingefroren und mit ca. 73 µl (doppelter Überschuss) Trifluormethansulfonsäure versetzt.
Die NMR-Probe wurde im NMR-Gerät des Typs Bruker DRX 500 Advance (500 MHz) auf -40 °C aufgetaut und mittels 1H-NMR- und 31P-NMR-Spektoskopie untersucht. Dabei zeigte sich in binnen von 10 min ein Verschwinden der Ruthenium-Allenyliden-Spezie, die aber nur auf die Zersetzung zurückgeführt werden konnte, da sich keine andere Ruthenium-Phosphan-Spezies bildete und nur freies Triphenylphosphan und weitere nicht identifizierte Zerfallsprodukte im 1H-NMR- aber besonders im 31P-NMR-Spektrum beobachtet werden konnten. Auch das Herabsetzen der Temperatur auf -80 °C beim Auftauen im NMR-Gerät führte zu keinen anderen Ergebnissen. Begründet werden können diese Beobachtungen mit der Tatsache, dass die neutralen Rutheniumkomplexe mit ihren Phosphanliganden um ein Vielfaches instabiler gegenüber Sauerstoff und protischen Medien sind als die ionischen Ruthenium-Aren-Phosphan-Komplexe.
Da weder die mono- noch disubstituierten Ruthenium-Indenyliden-Komplexe sauber dargestellt werden konnten, wurde die Syntheseroute von Nolan et al.[17] näher untersucht (Schema 3). Diese gibt bei der Umsetzung von Tetrakis(triphenylphosphan)-ruthenium(II)chlorid und dem Biphenylpropargylalkohol noch 2 Äquivalente Tricyclohexylphosphan zu und läßt bei längerer Reaktionszeit (16 h) unter Rückfluss in THF rühren.
Die mono- und disubstituierten Propargylalkohole 4a-g wurden mit RuCl2(PPh3)3 und
zwei Äquivalenten Tricyclohexylphosphan in THF refluxiert (Schema 12). Es wurde dabei darauf verzichtet, die Reaktionsbedingungen weiter zu optimieren, da sich die ermittelten Ausbeuten je nach Substitutionsgrad der Allenyliden-Spezies in der Größenordnung der Literaturausbeute (72 %) bewegten.
RuCl2(PPh3)3 THF, reflux, 16 h 4a-g, PCy3 PCy3 Ru Cl Cl PCy3 C C R1 R2 [Ru-14]: R1 = R2 = H (57 %) [Ru-18]: R1 = OMe, R2 = H (82 %) [Ru-19]: R1 = Me, R2 = H (72 %) [Ru-20]: R1 = NO2, R2 = H (59 %) [Ru-21]: R1 = R2 = OMe (76 %) [Ru-22]: R1 = R2 = NO2 (54 %) [Ru-23]: R1 = Me, R2 = Me (96 %)
Schema 12. Synthese der elektronisch modifizierten Ruthenium-Allenyliden-Komplexe. So wurde nach 16 h Reaktionszeit die Reaktionslösung auf Raumtemperatur abgekühlt und das Lösungsmittel im Hochvakuum entfernt. Der Rückstand wurde in Hexan im Ultraschallbad supendiert und 3 h unter Rückfluss erhitzt, um das enstandene
Triphenylphosphan vollständig in Lösung zu bringen. Danach wurde abermals das Reaktionsgemisch auf Raumtemperatur abgekühlt und die Suspension über eine Umkehrfritte abfilrtiert und der Rückstand mit Hexan gewaschen. Bei dieser Aufarbeitungsprozedur von Nolan et al.[17] konnten aber jedesmal Reste an Triphenylphosphan im 31P-NMR-Spektrum beobachtet werden, was auf eine unvollständige Aufreiniung zurückzuführen war. Daher wurde der Rückstand in wenig Dichlormethan vollständig gelöst und mit einem Überschuss an Hexan wieder ausgefällt, um eine bessere Trennung der Phosphane zu realisieren. Die Suspension wurde über eine Umkehrfritte abfilrtiert und der Rückstand mit Hexan gewaschen. Dabei konnte anhand der Färbung der Hexan-CH2Cl2-Phase beobachtet werden, dass sich ein nicht
unerheblicher Teil der Ruthenium-Komplexe im Hexan- CH2Cl2-Gemsich löste, was zu
entsprechenden Ausbeuteverlusten führte. Diese Verluste mussten aber in Kauf genommen werden, da nur so spektroskopisch reine Ruthenium-Allenyliden-Komplexe isoliert werden konnten. Nach dem Waschen mit Hexan wurde der Rückstand im Hochvakuum getrocknet und man erhielt in guten Ausbeuten die Ruthenium-Tricyclohexylphosphan-Allenyliden-Komplexe [Ru-18-23], wobei die Ausbeuten bei den Umsetzungen mit den elektronenreichen Propargylalkoholen 4b,c,e,g deutlich höher ausfielen als mit den unsubstituierten oder elektronenarmen Propargylalkoholen 4a,d,f.
1.5. Reaktionskinetiken der Ruthenium-Allenyliden-Komplexe 1.5.1. Einsatz von Diallyltosylamid als Testsubstrat
Für die erste Testreaktion wurde die RCM von Diallyltosylamid 1 untersucht, welche das Cyclisierungsprodukt 2 liefert (Schema 13). Die Studien wurden in einem abgeschmolzenen NMR-Röhrchen unter Schutzgas durchgeführt und der Reaktionsverlauf mittels 1H-NMR-Spektroskopie verfolgt. Dabei wurden für solch eine simple RCM recht drastische Bedingungen gewählt (0,1 M in CD2Cl2, 5 mol% Katalysator, 40 °C), die sich
Ts N 5 mol% [Ru-14, 21-23]; CD2Cl2; 40 °C Ts N 1 2
Schema 13. RCM von Diallyltosylamid 1 zur Untersuchung der Katalysatoreffizienz. Nolan et al. hatten mit dem Ruthenium-Allenyliden [Ru-14] thermische Stabilitätsstudien und RCM-Reaktionsuntersuchungen durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass [Ru-14] in d8-Toluol bei 80 °C selbst nach 32 Stunden kein Zeichen der Zersetzung im 31
P-NMR-Spektrum aufzeigte. Die ersten Anzeichen einer Zersetzung von [Ru-14] konnten schließlich nach 64 h beobachtet werden. Für die Untersuchung der Metathesereaktionen wurden die RCM von Diallyltosylamid 1 und Diethyldiallylmalonat (DEDAM) 8 in CD2Cl2 bei 40 °C ausgewählt. Dabei konnten 5 mol% [Ru-14] nach 25 min die
Ringschlussmetathese-produkte 2 mit 12% und 9 mit 4 % Ausbeute herstellen. Dies zeigte, dass [Ru-14] im Vergleich zu den kationischen 18-Elektronen-Aren-Ruthenium-Allenyliden-Komplexen die Metathesereaktionen von 1 und 8 nur schlecht katalysiert.[18a] Der Grund für die niedrige katalytische Aktivität von [Ru-14] in der RCM von 1 und 8 wurde mit der hohen Bindungsenergie zwischen dem Rutheniummetallzentrum und der Allenyliden-Carben-Einheit begründet, die aus dem entsprechenden geringen Bindungsabstand (1,79 Å) der Röntgenkristallstruktur von [Ru-14] abgeleitet wurde. Diese führt zu einer gehemmten Initiierung der katalytisch aktiven Spezies und der hohen Stabilität des Präkatalysators in Lösung, auch bei höheren Temperaturen.
Bei der Untersuchung der substituierten Ruthenium-Allenylidene wurde sich darauf beschränkt, die disubstituierten Ruthenium-Allenylidene [Ru-14,21-23] zu testen.
Die Zeit (t50%), die der jeweilige Metatheseinitiator zum Erreichen eines Umsatzes von 50
% benötigt, und die zu diesem Zeitpunkt erreichten effektiven Wechselzahlen (E-TOF; turn over frequency)[27] wurden als Indikatoren für die Katalysatoreffizienz genutzt, welche die Produktivität zusätzlich auf eine Zeiteinheit bezieht. Da die Konzentration der aktiven 14-Elektronenspezies, die für den Verlauf eines Katalysecyclus verantwortlich ist, während der Reaktion nicht bekannt ist, kann auch nicht die genaue Zahl der Substratmoleküle bestimmt werden, die an einem einzigen Katalysezentrum umgesetzt werden. Aufgrund dieser Tatsache ist es sinnvoll, die effektive Wechselzahl (E-TOF) anzugeben, da diese sich auf die Anzahl der Substratmoleküle bezieht, die von einem Molekül des Präkatalysators umgesetzt werden.
Beim Vergleich der Wechselzahlen erkennt man, dass durch Einführung der Substituenten die Effizienz der Ruthenium-Allenyliden-Komplexe stark abnimmt, und zwar in der Reihenfolge [Ru-14](H) > [Ru-23](Me) > [Ru-21](OMe) > [Ru-22](NO2) (Tabelle 1).
Nach 11 Stunden Reaktionszeit erhält man mit dem unsubstituierten Allenyliden [Ru-14] fast quantitativen Umsatz, mit [Ru-21](OMe) 85 %, mit [Ru-23](Me) 64 % und mit [Ru-22](NO2) 27%. Wegen seiner besseren Effizienz und Stabilität in Lösung erhält man
mit dem unsubstituierten Allenyliden die höchsten Umsätze. Es stellte sich bei diesen Ergebnissen heraus, dass die Substituenten keinen elektronischen Einfluss auf die Katalysatorinitiierung haben, was durch die kumulierte Bindung des Ruthenium-Allenyliden-Systems zu erklären ist, welche die Konjugation der Doppelbindungen und somit die mesomeren Effekte der Substituenten auf das Rutheniumzentrum unterbindet.
Ts N 5 mol% [Ru-14, 21-23]; CD2Cl2; 40 °C Ts N 1 2
Tabelle 1. RCM von Diallyltosylamid 1 mit den Allenylidenen [Ru-14, 21-23].
Interessant ist auch, dass [Ru-23](Me) zwar schneller initiiert als [Ru-21](OMe), dadurch aber eine höhere Konzentration derselben reaktiven 14-Elektronen-Spezies vorliegt, die einen schnelleren Zerfall der aktiven Zwischenstufe zur Folge hat, weshalb [Ru-23](Me) zu niedrigeren Umsätzen gelangt (Abbildung 4). [Ru-21](OMe) hingegen hat eine geringe
Eintrag Katalysator t50% [min] E-TOF [h-1] Umsatz [%][a]
1 [Ru-14] (H) 70 43 97
2 [Ru-21] (OMe) 316 9 85
3 [Ru-22] (Nitro) - - 27
4 [Ru-23] (Me) 230 13 64
[a]
Initiierungsgeschwindigkeit bei 40 °C mit gleichzeitiger hoher Stabilität in Lösung, was die gleichbleibende Aktivität über einen Zeitraum von 10 Stunden erklärt. Die Reaktionstemperatur wurde nicht weiter erhöht, um z. B. die Initiierung zur katalytischen Spezie zu beschleunigen und weitere Einblicke zu gewinnen, weil dies gleichzeitig zu einem Lösungsmittelwechsel geführt hätte und die so gewonnenen Ergebnisse nicht vergleichbar gewesen wären. Außerdem war aus den Stabilitätsstudien von Nolan et al. ersichtlich,[17] dass selbst eine Temperaturerhöhung auf 80 °C in d8-Toluol zu keiner
signifikanten Erhöhung der Initiationsgeschwindigkeit führte, die mit der Zerfallsgeschwindigkeit der katalytisch aktiven Spezies zusammenhängt.
Abbildung 4. RCM von Diallyltosylamid mit den Allenylidenen [Ru-14, 21-23].
Durch die Einführung von elektronenziehenden bzw. elektronenschiebenden Substituenten in dem Ruthenium-Allenyliden-Komplex [Ru-14] konnte somit nur eine Verringerung der Effizienz bei der RCM von Diallyltosylamid 1 beobachtet werden.
1.5.2. Verwendung von Diethyldiallylmalonat als Testsubstrat
Als zweite Testreaktion wurde die RCM von Diethyldiallylmalonat (DEDAM) 8 untersucht, um einen besseren Einblick in die Substratabhängigkeit der Ruthenium-Allenyliden-Komplexe in der RCM zu gewinnen. Dies führte zu ähnlichen Ergebnissen wie bei der RCM von Diallyltosylamid 1 (Abbildung 5). Auch hier wurden die Metathesen unter Schutzgas im abgeschmolzenen NMR-Röhrchen durchgeführt. Nach mehr als 11 Stunden wurden die Metathesen abgebrochen, wobei die Reaktionen mit [Ru-14](H) und [Ru-22](NO2) nach weiteren 10 Stunden immer noch nicht beendet
waren. Wieder zeigte sich der unsubstituierte Allenyliden-Komplex [Ru-14](H) überlegen in der Effizienz und Stabilität in Lösung. Die Umsätze waren aber insgesamt geringer im Vergleich zur Umsetzung von Diallyltosylamid 1.
CO2Et
EtO2C EtO2C CO2Et
5 mol% [Ru-14, 21-23]; CD2Cl2; 40 °C
8 9
Abbildung 5. RCM von Diethyldiallylmalonat 8 mit den Allenylidenen [Ru-14, 21-23]. Es wurde darauf verzichtet die effektiven TOFs[27] für die RCM von DEDAM 8 durch die Ruthenium-Allenylidene [Ru-14], [Ru-21], [Ru-22] und [Ru-23] zu bestimmen, da außer bei [Ru-14] alle Umsätze nach 11 h unter 50 % lagen und somit die Zeit (t50%), die der
jeweilige Metatheseinitiator zum Erreichen eines Umsatzes von 50 % benötigt, und die zu diesem Zeitpunkt erreichten effektiven Wechselzahlen (E-TOF; turn over frequency)[27] nicht ermittelt werden konnten. Außerdem wurden keine weiteren kinetischen Reaktionsstudien mit 8 bei höheren Temperaturen durchgeführt, da aus den Stabilitätsstudien von Nolan et al. ersichtlich geworden war,[17] dass selbst eine Temperaturerhöhung auf 80 °C in d8-Toluol zu keiner signifikanten Erhöhung der
Initiationsgeschwindigkeit geführte hatte, die mit der Zerfallsgeschwindigkeit der katalytisch aktiven Spezies in Zusammenhang steht.
1.6. Zusammenfassung
Es wurde gezeigt, dass die Modifikation der Ruthenium-Indenyliden-Komplexe zu unerwarteten Ergebnissen führte und man bei der Einführung von nur einem Substituenten in den Aromaten der Ruthenium-Indenylidene zu Produktgemischen beider Regioisomere gelangte. Durch die zweifache Substitution der entsprechenden Methoxy- und Nitro-Propargylalkohole entstanden unerwarteter Weise die Ruthenium-Allenyliden-Komplexe und nur in Spuren die Ruthenium-Indenylidene. Bei der Reaktion des dimethylierten Propargylalkohols konnte als Hauptprodukt die entsprechende Ruthenium-Indenyliden-Spezies isoliert werden und nur in Spuren die Allenyliden-Ruthenium-Indenyliden-Spezies. Die jeweiligen Produktgemische waren aber nicht voneinander trennbar und auch die selektive säurekatalysierte Umlagerung der Ruthenium-Allenyliden-Komplexe zu den Indenylidenen, wie bei den kationischen Aren-Ruthenium-Allenyliden-Komplexe, konnte nicht realisiert werden.
Nach zwei NMR-spektroskopisch gestützten Reaktionskinetikstudien der Ruthenium-Allenylidene [Ru-14](H), [Ru-21](OMe), [Ru-22](NO2) und [Ru-23](Me) mit den
Ringschlussmetathesesubstraten Diallyltosylamid 1 und Diethyldiallylmalonat 8 stellte sich heraus, dass durch die Einführung von Substituenten keine Erhöhung der Effizienz bzw. Aktivität der Ruthenium-Allenylidene in der RCM beobachtet werden konnte.
2.
Rutheniumkatalysatoren mit gesättigten, unsymmetrischen NHCs
und deren Anwendung der alternierenden ROMP
2.1. Einleitung
2.1.1. Ringöffnungsmetathesepolymerisation
Die Ringöffnungsmetathesepolymerisation (ROMP) ist eine effektive Methode zur Darstellung einer breiten Vielfalt an makromolekularen Verbindungen.[7, 28] Die dabei am häufigsten genutzten Katalysatoren für die ROMP sind die wohldefinierten Molybdän- und Rutheniumkomplexe (Abbildung 6). [Mo-1] besitzt eine höhere Aktivität als [Ru-2] und vermag, auch sterisch gehinderte oder elektronisch deaktivierte, cyclische Olefine zu polymerisieren.[7, 28b, 29] N Mo Ph O O CF3 F3C F3C F3C PCy3 Ru PCy3 Ph Cl Cl Ru PCy3 Ph Cl Cl NMes MesN [Mo-1] [Ru-2] Ru PCy3 Ph Cl Cl NMes MesN [Ru-4] [Ru-3]
Abbildung 6. Am häufigsten genutzte Katalysatoren für die ROMP.
Dafür besitzt der Katalysator [Ru-2] eine höhere Stabilität als [Mo-1] und toleriert eine Vielzahl an protischen und polaren funktionellen Gruppen, wie Alkohole, Carbonsäuren oder Aldehyde.[7, 30] Durch den Austausch eines Phosphan-Liganden mit einem gesättigten oder ungesättigten NHC-Liganden konnte die Metatheseaktivität, thermische Stabilität und Toleranz gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff nochmals drastisch gesteigert werden.[31] Wobei [Ru-3] mit einem gesättigten NHC nicht nur [Ru-4] sondern auch [Mo-1] an Reaktivität übertrifft.[32] In der ROMP hat sich gezeigt, dass [Ru-3] und [Ru-4] eine höhere Aktivität als [Mo-1] besitzen und so eine Vielzahl an unterschiedlichen Polymeren aufbauen können.[33]
2.1.2. Alternierende ROMP
Auf der sequenzselektiven Polymerisation von einfachen Monomereinheiten basieren viele Eigenschaften von Biopolymeren, wie strukturelle und katalytische Funktionen von Polypeptiden, die Speicherung und Weitergabe von Informationen durch Polynucleotide oder die molekulare Erkennung von Polysacchariden. Und es kann angenommen werden, dass auch synthetische Polyolefine durch einfache sequenzselektive Copolymerisation verbesserte Hochleistungsmaterialien ausbilden könnten.[34]
Es gibt nur wenige Veröffentlichungen für die Darstellung von alternierenden Copolymeren via sequenzselektiver ROMP.[35] Chen et al. haben 2005 über die gezielte Entwicklung des alternierenden ROMP-Katalysators RuCl(P[(C6H4
O)(tert-Bu)Ph])(PCy3)(CHPh) [Ru-24] berichtet (Schema 14).[34a] Die Sequenzinformation für
den abwechselnden Monomereinbau in einem Zweikomponentensystem ist hier in den Substituenten des Liganden 10 enthalten. Die Reaktion eines Äquivalentes von 10 mit [Ru-2] führte über einen Phosphanaustausch und eine Eliminierung von Natriumchlorid zum gewünschten Ruthenium-Komplex [Ru-24]. Hoveyda et al. stellten auf eine ähnliche Weise Metathesekatalysatoren mit zweizähnigen, über C- und O-Atome gebundenen N-heterocyclischen Carbenen her.[36]
P C(CH3)3 ONa PCy 3 Ru PCy3 Ph Cl Cl [Ru-2] - PCy3 - NaCl P Ru PCy3 Ph O Cl [Ru-24] 10
Schema 14. Synthese des chemoselektiven ROMP-Katalysators [Ru-24].
Das Konzept der alternierenden ROMP beruhte auf DFT-Rechnungen von Chen et al.[37,38], sowie von anderen Gruppen,[39,40] die Energieminima für die Metallacyclobutanstrukturen verausgesagt hatten. Die experimentellen Beobachtungen des Olefin-π-Komplexes durch Snapper et al.[41] sowie des Ruthenacyclobutans durch Piers et al.[42] stützten die Resultate dieser Rechnungen. Die Berechnungen von Chen et al. ergaben außerdem, dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt, der durch [Ru-2] katalysierten Olefinmetathese, die Rotation des Tricyclohexylliganden in der
Ruthenacyclobutanstruktur ist.[37] In einer entarteten Metathesereaktion muss der Ligand wegen des Prinzips der mikroskopischen Reversibilität rotieren. Daher findet sich der Carbenrest nach der Reaktion auf der anderen Seite des Rutheniumzentrums. Bei Komplexen wie [Ru-2], die symmetrische bzw. frei drehbare Liganden enthalten, ist dieser Zustand vom Ausgangszustand nur durch die verlängerte Polymerkette zu unterscheiden. Wenn nun die Rotation des Liganden verhindert wird und der Ligand gleichzeitig zwei unterschiedliche Substituenten trägt, treten beim Hin- und Herschwingen des Carbenliganden zwei unterscheidbare (nicht entartete) Zustände auf. Ist die sterisch oder elektronisch bedingte Energiedifferenz dieser beiden Zustände groß genug, tritt in einer geeigneten Mischung zweier Substrate Chemoselektivität auf. Mit [Ru-24] konnte so Norbornen (NBE) und Cycloocten (COE) unter optimierten Bedingungen (Initiator:NBE:COE = 1:2000:400000; 1 h, RT) umgesetzt und ein Copolymer mit 66 % alternierenden Poly(NBE-COE)-Einheiten erhalten werden (Schema 15).
n
NBE COE poly(NBE-alt-COE)
1 eq 200 eq 0,05 mol% [Ru-24], DCM
1 h, RT
Schema 15: Alternierende ROMP von NBE und COE mit [Ru-24].[35a]
Der Ruthenium-Komplex [Ru-24] war das einfachste Beispiel für das allgemeine Konzept eines Katalysators, der abwechselnd zwei katalytisch aktive Zustände mit unterschiedlicher Reaktivität durchläuft, und von denen einer chemoselektiv reagiert. In Kombination mit einem großen Konzentrationsunterschied der vorgelegten Monomere führte dies zum abwechselnden Einbau der beiden Substrate. Chen et al. hatten auch ein ähnliches Verhalten von dem unsymmetrisch substituierten N-heterocyclischen Carbenkomplex von Mol et al. erwartet, der aber wegen des zu großen Adamantylsubstituenten sogar reines Norbornen schlecht polymerisierte.[43]
Da in unserem Arbeitskreis das „Know How“ für die Synthese eines breiten Spektrums an Grubbs-Initiatoren mit gesättigten, unsymmetrischen NHC-Liganden vorlag, wurde ausgehend von den Resultaten von Chen et al.[34a] ein Rutheniumkatalysator entwickelt, der einen unsymmetrisch substituierten NHC-Liganden trägt und so die Ausbildung deutlich unterschiedlicher Energiezustände im Katalysecyclus ermöglichen, sowie reaktiv genug sein sollte, um die großen Konzentrationsunterschiede der Monomere unnötig zu machen. In unserem Arbeitskreis wurde im Rahmen der Doktorarbeit von Kati Vehlow auf
dem Gebiet der Metathesekatalysatoren mit unsymmetrischen gesättigten NHC-Liganden bereits gezeigt, dass der Austausch eines Mesitylsubstituenten in [Ru-3] durch einen Benzylrest zu stabilen, reaktiven Katalysatoren führt. Die Einführung einer Methylgruppe am benzylischen Kohlenstoff sollte dann den sterischen Anspruch des NHC-Liganden erhöhen und so auch die sequenzielle ROMP ermöglichen. Darauf aufbauend publizierten wir kürzlich (2008) ein alternatives Katalysatorsytem für die Synthese von alternierenden Copolymeren, die auf dem Grubbs-Initiator [Ru-25] und dessen Pyridin-Addukt [Ru-26] mit einem gesättigten, unsymmetrischen, chiralen N-heterocyclischen Carben (NHC) basiert (Abbildung 7).[44] Ru PCy3 Cl Cl N N Ph Ph Ru N Cl Cl N N Ph [Ru-26] Ph [Ru-25]
Abbildung 7. Grubbs-Initiatoren mit einem gesättigten, unsymmetrischen, chiralen NHC. Die entscheidende Aufgabe bei der Durchführung der alternierenden ROMP war, das richtige Verhältnis zwischen sterischer Hinderung und Ringspannung (Reaktivität) der eingesetzten Monomere zu finden. Es ist bekannt, dass NBE durch seine Ringspannung deutlich reaktiver als COE ist und daher sehr viel schneller polymerisiert. Normalerweise würde das zur Bildung von Blockcopolymeren führen.[35f] Im Fall der unsymmetrischen Katalysatoren sollte ein alternierender Einbau von NBE und COE möglich sein. Eine Voraussetzung dafür war jedoch, dass die Polymerisation nicht zu schnell abläuft, denn nur dann kann die alternierende Reaktionssequenz ablaufen. Zunächst war es von Interesse, die Aktivität des Katalysators [Ru-25] in der Umsetzung der einzelnen Monomere NBE und COE zu untersuchen. Deshalb wurden diese ROMP mit Katalysatormengen von 0.025 bis 0.5 mol-% bei Raumtemperatur durchgeführt und die Umsätze nach einer sowie nach 14 Stunden bestimmt. Selbst bei einer geringen Katalysatorbeladung von 0.025 mol-% wurde NBE noch quantitativ polymerisiert, während unter denselben Reaktionsbedingungen sich COE, je nach Reaktionszeit, nur in geringe Mengen umsetzte (nach 1 h 8 % bzw. nach 14 h 19 %). Diese Ergebnisse der ROMP von NBE bzw. COE mit [Ru-25] ließen darauf schließen, dass auf Grund der
großen Reaktivitätsunterschiede von NBE und COE für eine sequenzselektive Copolymerisation ein großer Überschuss an COE nötig sein würde. Daraufhin wurden NBE und COE in einem Verhältnissen von 1/200, 1/50, 1/10 und 1/1 gemischt, jeweils 0.025 mol-% [Ru-25] (bezogen auf NBE) dazugegeben und die Umsätze, nach Fällung des Polymers in Methanol, mittels NMRSpektroskopie in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt. NBE war nach 10 Minuten quantitativ polymerisiert. Wurde das Verhältnis NBE/COE erhöht, entstanden immer kürzere Block-Poly-NOE-Einheiten und längere Sequenzen die durch benachbarte NBE-COE-Einheiten gekennzeichnet waren (1/1 = 36 % und 1/10 = 86 % alternierende Einheiten). Bei diesen geringen Konzentrationsunterschieden ist das gebildete Polymer größtenteils ein Gradientenpolymer, dass heißt durch einen mit der Zeit fallenden Einbau von NBE und einem steigenden Einbau von COE gekennzeichnet. Erst ab einem NOE/COE-Verhältnis von 1/50 wurden keine Blockpolymersignale mehr beobachtet. Ein Vergleich der Kinetikkurven zeigte, dass die Copolymerisation von NBE mit COE schneller abläuft als die Homopolymerisation von COE, aber langsamer als die Homopolymerisation von NBE. Im Reaktionsverlauf der Copolymerisation von NBE und COE im Verhältnis 1/50 traten zu keinem Zeitpunkt 1H- bzw. 13C-NMR-Signale der Blockpolymere auf. So konnte der Initiator [Ru-25] in der Copolymerisation von NBE und COE mit einer Stöchiometrie [Ru-25]/NBE/COE von 1:4000:200000 in CH2Cl2 eingesetzt werden und lieferte nach
Abbruch der Reaktion nach 60 min ein nahezu perfekt alternierendes Copolymer mit 97 % alternierenden Einheiten von NBE und COE. Wurde die Reaktion nicht nach einer Stunde gestoppt, konnte man mittels NMR-Spektroskopie das Aufpropfen eines Block-COE-Polymers auf das alternierende Copolymer beobachten. Dabei erscheinen die Signale des alternierenden Copolymers im 13C-NMR-Spektrum bei δ = 135.0 und 128.5 ppm (Abbildung 8).
Die Signalgruppe bei 135 ppm besteht aus acht Einzelsignalen, die eine fast gleichgroße Intensität besitzen. Dies weist auf ein cis:trans-Verhältnis von 1:1 hin, was ein ungewöhnlich hoher cis-Anteil für Grubbs-Initiatoren dieses Typs darstellt, die sonst Polymere mit einem cis:trans-Verhältnis von 25:75 aufbauen.
Bei der Untersuchung der Initiatoreffizienzen von [Ru-25] mit NBE oder COE in einem Verhältnis von 1:5 wurden 1% bzw. 3,8 % beobachtet. Diese schlechten Initiatoreffizienzen waren nicht überraschend, da bekannt ist, dass Grubbs-II-Initiatoren mit einem Phosphan-Liganden, wegen des ungünstigen Verhältnisses (kp > ki) der
Geschwindigkeitskonstanten von Initiation (ki) zu Polymerisation (kp), nur niedrige
Initiatoreffizienzen aufweisen.[45] Daher wurde das Monopyridin-Addukt [Ru-26] durch Umsetzung von [Ru-25] mit einem Überschuss an Pyridin in Anwesenheit von CuI -beladenem polymergebundenem Triphenylphosphan hergestellt (Schema 16).[44] Der modifizierte Präkatalysator [Ru-26] zeigte mit NBE und COE erheblich verbesserte Intiniatoreffizienzen von 21 % bzw. 88 %. Da nun die Geschwindigkeitskonstanten für die Initiation und Polymerisation beider Monomere gegenüber [Ru-25] verändert wurden, musste die Stöchiometrie von [Ru-26]/NBE/COE auf 1:2000:100000 angepasst werden, um ein fast perfekt alternierendes Copolymer zu erhalten.
Ru PCy3 Cl Cl N N Ph Ph Ru N Cl Cl N N Ph [Ru-26] = PhEtPy Ph [Ru-25] = PhEtGII polymergeb. PPh3, CuCl Pyridin, CH2Cl2, RT 66 %
Schema 16. Synthese des Monopyridin-Addukts [Ru-26].[44]
Des Weiteren konnte das Konzept der alternierenden ROMP auch auf andere Monomere übertragen werden (Abbildung 9). Mit den Monomeren NBE und Cyclopenten (CPE) konnte so, mit [Ru-26]/NBE/CPE im Verhältnis von 1:2000:14000, ein Copolymer mit 90 % alternierenden Einheiten gewonnen werden. Dieses Ergebnis war insoweit interessant, da CPE eine geringe Neigung zur ROMP zeigt und die Homopolymerisation von CPE durch konkurrierende RCM häufig niedermolekulare Polymere liefert.[46]
O O O N O OEt O O O N N O O CPE 11 12 13 14
Abbildung 9. Eingesetzte Monomere in der alternierenden ROMP.
Bei den Untersuchungen zum Mechanismus der alternierenden ROMP wurden verschiedene Studien zur Reaktionskinetik der Homo- und Copolymerisation und die Bestimmung der Rotationsbarriere des Präkatalysators [Ru-25] durchgeführt. Auf der Grundlage dieser Studien wurde ein Mechanismus postuliert, der im Einklang mit den empirischen Daten stand (Schema 17).[44]
N N Ru N N Ru P Cl Cl Cl Cl P H N N Ru Cl Cl R N N Ru Cl Cl P H N N Ru Cl R Cl N N Ru Cl R Cl N N Ru Cl Cl R NBE NBE COE NBE A B C D E F G
Schema 17. Postulierter Mechanismus der alternierenden ROMP von NBE und COE.[44] In einem ersten Schritt dissoziiert Tricyclohexylphosphan von [Ru-25] unter Bildung eines 14-Elektronen-Intermediats. Die darauffolgende Addition eines Olefins (COE bzw. NBE), Bildung des Ruthenacyclobutans und anschließende Cycloreversion führt zu den
entsprechenden Insertionsprodukten A (mit COE) bzw. B (mit NBE). Der NHC-Ligand übt eine erhebliche sterische Abstoßung bei der Koordination eines zweiten NBE, wie in der Verbindung C, aus, sowohl auf das wachsende Polymer als auch auf ein entstehendes Ruthenacyclobutan. Eine weitere Möglichkeit zur Koordination eines zweiten NBE besteht in einer Side-On-Koordination zum NHC wie bei E. Dies sollte aber energetisch weniger begünstigt sein und somit langsam ablaufen. Das Gleiche gilt für die Insertion von COE in B über D unter Bildung von A. Das nun gebildete A kann hingegen in das reaktivere NBE an der Unterseite oder side-on zum NHC koordinieren unter Ausbildung der Ruthenacyclobutane F und G, da der sterische Anspruch des COE-Terminus bei der Bildung der Polymerkette P geringer ist als der eines NBE-Terminus. Somit ist die sterische Wechselwirkung des 1-Phenylethyl-Substituenten mit dem NBE-Initiator-Terminus ausschlaggebend für die Selektivität. Die Gesamtsequenz [B-D-A-F-G]n führt
letztendlich zur Bildung des alternierenden Copolymers Poly(NBE-alt-COE) (Schema 15).
Dieser Teil der Arbeit galt der Verallgemeinerung des Konzepts der alternierenden ROMP durch die Verwendung verschiedener unsymmetrischer NHC-Ruthenium-Initiatoren (Abbildung 10). Dabei sollten sowohl die Phosphan- als auch die Pyridin-Grubbs-Initiatoren untersucht werden.
Ru N Cl Cl N N Ph R Ru PCy3 Cl Cl N N Ph R [Ru-27]: R = Bn [Ru-29]: R = Ph [Ru-31]: R = Et [Ru-33]: R = Me [Ru-35]: R = C(CH3)2Ph [Ru-37]: R = Ad [Ru-28]: R = Bn [Ru-30]: R = Ph [Ru-32]: R = Et [Ru-34]: R = Me [Ru-36]: R = C(CH3)2Ph
Abbildung 10. Grubbs-Initiatoren mit gesättigten, unsymmetrischen NHCs.
Um das Konzept zu überprüfen, wurde der sterische Anspruch der gesättigten, unsymmetrischen NHC-Liganden variiert, wobei die Mesityl-Seitengruppe bei allen Präkatalysatoren beibehalten wurde. Des Weiteren wurde das Stereozentrum von [Ru-25] durch Entfernen bzw. Einbringen einer Methylgruppe ausgeschaltet, um den Einfluss des Chiralitätszentrums auf die sequenzselektive Copolymerisation abschätzen zu können.
2.2. Synthese der unsymmetrischen NHC-Liganden und der dazugehörigen Ruthenium-Komplexe
2.2.1. Grubbs-Initiator mit einem adamantylsubstituiertem NHC-Ligand
Der adamantylsubstituierte NHC-Ligand 20 und dessen Grubbs-Initiator [Ru-37] sollten nach einer literaturbekannten Vorschrift von Mol et al. dargestellt werden (Schema 18 und 19).[43] Diese geht von Oxalylchlorid 15 und Mesidin aus, die nur einmal miteinander kondensiert werden, um so in mäßigen Ausbeuten (Lit. 30 %) 16 zu erhalten. Anschließend wurde 16 mit 1-Adamantylamin (Ad-NH2) in mäßigen Ausbeuten von 54 %
(Lit. 75 %) zum Diamid 17 umgesetzt.
O Cl Cl O O HN Cl O O HN NH O Mesidin 47 % Ad-NH2, Et3N, CH2Cl2 0 °C - RT, 12 h 0 °C - RT 2 h 54 % 15 16 17
Schema 18. Syntheseroute zum Diamid 17 von Mol et al.[43]
Die Syntheseroute von Mol et al.[43] wurde weiter bis zum Imidazolinium-Chloridsalz 20 verfolgt (Schema 19). Dabei wurde als nächstes das Diamid 17 mit dem Boran-Dimethylsulfid–Komplex und anschließender saurer Aufarbeitung zum Diamin-Dihydrochlorid 18 in mäßigen Ausbeuten (Lit. 58 %) reduziert, welches dann mit Triethyl-ortho-formiat (TEOF) und katalytischen Mengen Ameisensäure zum 4,5-Dihydro-Imidazolium-Chlorid 20 cyclisiert wurde (43 %; Lit. 78 %).
HN NH N 2 HCl N Cl N N Ru Ph PCy3 Cl Cl BH3 SMe2, Toluol reflux, 3 h 52 % HC(OEt)3, HCO2H 130 °C, 3 h 43 %
1) KtAmylat (KOtBu), Toluol, (Hexan) 18 20 [Ru-37] = AdGII 17 2) [Ru-2], 40-65 °C, 12-36 h
Alle Versuche das Chlorid-Salz 20 nach der Prozedur von Mol et al. zum Grubbs-II-Initiator [Ru-37] umzusetzen, schlugen fehl (Lit. 58 %).[43] Auch die Variation der Base und des Lösungsmittels (KOtBu, Hexan, THF) und die Veränderung der Reaktionszeit (12 h bis 36 h) und Reaktionstemperatur (40 °C bis 65 °C) führten nur zur Reisolierung oder Zersetzung von [Ru-2] (Schema 19).
Daher wurde eine alternative Syntheseroute durchgeführt (Schema 20). Das Diamid 17 wurde mit 10 Äquivalenten Boran-Dimethylsulfid–Komplex in THF 17 h unter Rückfluss erhitzt und weitere 24 h bei Raumtemperatur gerührt, um eine vollständige Umsetzung zu erzielen. Danach wurden die flüchtigen Bestandteile am Vakuum entfernt und der Rückstand in gesättigter methanolischer HCl 30 min unter Rückfluss erhitzt, um das verunreinigte Diamin 19 in das entsprechende Dihydrochlorid 19·2HCl zu überführen und den überschüßigen Boran-Dimethylsulfid–Komplex zum Borsäuretrimethylester sauer zu verestern. Anschließend wurden dann wieder die flüchtigen Bestandteile (MeOH und B(OMe)3) am Vakuum entfernt, der Rückstand mit ges. K2CO3-Lösung neutralisiert und
aus Dichlormethan extrahiert, um so das saubere, freie Diamin 19 in guten Ausbeuten zu erhalten. HN NH N N BF4 BH3 SMe2, THF reflux, 16 h 81 % HC(OEt)3, HCO2H, NH4BF4, Toluol 130 °C, üN 31 % 1) KtAmylat, Hexan, RT, 1h 2) [Ru-2], 40 °C, 16.5 h 77 % 19 21 17 N N Ru Ph PCy3 Cl Cl [Ru-37] = AdGII
Schema 20. Darstellung des Grubbs-Initiators mit adamantylsubstituiertem NHC.
Anschließend wurde 19 mit 10 Äquivalenten TEOF, katalytischen Mengen Ameisensäure und vier Äquivalenten Ammoniumtetrafluoroborat in Toluol über Nacht bei 130 °C erhitzt. Diese Reaktionsbedingungen hatten sich schon in früheren Arbeiten von Kati Vehlow zur Synthese von unsymmetrischen Imidazolinium-Tetrafluoroboraten bewährt.[47] Außerdem hatte sich gezeigt, dass die Imidazolinium-Tetrafluoroborate im Vergleich zu den Chlorid-Salzen eine größere Stabilität gegenüber Luft und Feuchtigkeit
besitzen und vor allem nicht so stark hygroskopisch wirken, was sich für die weitere Reaktion zu den Carbenen und Grubbs-Initiatoren als ein großer Vorteilen erwies. Trotzdem konnte die Umsetzung zu 21 nur mit schlechten Ausbeuten realisiert werden, da es bei der Aufarbeitung zu erheblichen Komplikation kam (Schema 20). Seit einiger Zeit konnte bei uns im Arbeitskreis beobachtet werden, dass nach dem Ringschluss verschiedener Diamine mit TEOF und NH4BF4 in Toluol nicht, wie erwartet, das Produkt
als farbloser Feststoff ausfiel, sondern sich eine gelbe ölige Substanz bildete, die mittels
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H-NMR-Spektroskopie eine vollständige Umsetzung des Diamins belegen konnte. Dieses Öl musste dann mit Dichlormethan versetzt werden, um NH4BF4 auszufällen und
abfiltrieren zu können. Anschließend wurde das Filtrat am Vakuum bis zur Trockne eingeengt und der gelbliche Rückstand mit Et2O gewaschen bis man einen farblosen
Feststoff erhielt. In der Etherphase löste sich aber auch ein großer Teil des Tetrafluoroboratsalzes 21, das nach Entfernen des Lösungsmittels am Vakuum abermals nur als gelbes Öl isoliert werden konnte. Auch nach tagelangem Trocknen am Hochvakuum konnte kein Feststoff erhalten werden, den man durch Umkristallisation hätte weiter aufreinigen können.
Das Imidazolinium-Tetrafluoroborat 21 konnte dann mit Kalium-tert-Amylat in Hexan bei Raumtemperatur in 75 min zum Carben deprotoniert werden (Schema 20). Dabei löste sich die Suspension fast vollständig auf und man erhielt eine blass gelbe Reaktionslösung mit einem sehr feinen Niederschlag (KBF4). Zu dieser Lösung wurden dann ½
Äquivalente an [Ru-2] im Stickstoffgegenstrom zugegeben und auf 45 °C erhitzt. Schon nach 15 min Reaktionszeit entstand eine grünliche Suspension, die die Bildung des Grubbs-II-Initiators anzeigte. Daraufhin wurde die Suspension bei 40 °C 16.5 h weiter erhitzt. Diese mildere Reaktionstemperatur wurde gewählt, weil der Verdacht bestand, dass der adamantylsubstituierte Grubbs-II-Initiator [Ru-37] löslich in Hexan ist und somit bei höheren Temperaturen in Lösung schneller zerfällt. Nach beendeter Reaktion wurde das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt, das Hexan am Hochvakuum entfernt und der Rückstand in Methanol suspendiert, um so [Ru-37] von den Verunreinigungen abtrennen zu können. Der grünliche Rückstand wurde dann auf der Umkehrfritte in Dichlormethan gelöst, um so [Ru-37] vom unlöslichen KBF4 zu trennen, und das Filtrat am Hochvakuum
eingeengt. Aus der aufkonzentrierten Lösung wurde nun [Ru-37] mit einer dreifachen Menge an Methanol ausgefällt und am Hochvakuum getrocknet, da man ansonsten aus der Dichlormethanphase keinen amorphen Feststoff isolieren kann. So konnte in guten
Ausbeuten der gewünschte Grubbs-II-Initiator [Ru-37] als hellgrüner amorpher Feststoff erhalten werden (Schema 20). Die spektroskopischen Analysen von [Ru-37] standen in Übereinstimmung mit den Literaturdaten.[43]
2.2.2. Grubbs-Initiator mit einem cumylsubstituiertem NHC-Ligand
Das unsymmetrische, gesättigte, cumylsubstituierte Imidazolinium-Tetrafluoroborat 26 wurde in einer abgewandelten Syntheseroute von Grubbs et al. ausgehend vom kommerziell erhältlichen Chlorethyloxalat 22 und Mesidin hergestellt (Schema 21).[48]
O OEt Cl O O HN EtO O O HN NH O Mesidin 79 % Cumylamin, Et3N, Toluol 0 °C - RT üN reflux, 12 d 60 % HN NH N N BF4 BH3 SMe2, THF reflux, 26 h 82 % HC(OEt)3, HCO2H, NH4BF4, Toluol 130 °C, 18 h 79 % 22 23 24 25 26
Schema 21. Synthese des cumylsubstituierten Imidazolinium-Tetrafluoroborates 26. Mesidin wurde in mit Triethylamin in THF vorgelegt und bei 0 °C mit Oxalylethylchlorid 22 versetzt. Dabei fiel ein farbloser Feststoff aus (NHEt3Cl), der nach einer Reaktionszeit
von 12 h bei Raumtemperatur abfiltriert wurde. Nach wässrig-salzsaurer Aufarbeitung der organischen Phase wurde diese bis zur Trockne eingeengt und der Rückstand aus MTBE umkristallisiert. Das so erhaltene Kondensationsprodukt 23 wurde dann mit Cumylamin und Triethylamin in Toluol unter Rückfluss 12 Tage erhitzt. Diese drastischen Bedingungen waren notwendig, um das sterisch gehinderte Amin in einer Aminolyse zur Reaktion zu bringen. Nach wässrig-saurer Aufarbeitung wurde der gelbliche Rückstand in Toluol umkristallisiert, mit Pentan gewaschen und man erhielt in mässigen Ausbeuten 24 (Schema 21).
