| License: Publishing license for publications excluding print on demand (8MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-256190
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.25619
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 1 July 2013 |
| Referee: | Prof. Dr. Ruth M. Gschwind and Prof. Dr. Kirsten Zeitler |
| Date of exam: | 27 June 2012 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Arbeitskreis Prof. Dr. Ruth Gschwind |
| Keywords: | NMR spectroscopy, phosphoramidites, interaction patterns, complex structures |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 25619 |
Abstract (English)
In the field of asymmetric synthesis palladium catalysis finds broad application and several name reactions such as Sonogashira and Stille coupling reactions or the Heck, Negishi and Suzuki cross-coupling, which was recently awarded with the Noble price in 2010, became standard tools in today’s synthesis. The right choice of an appropriate chiral ligand is crucial for the stereoselectivity and ...
Abstract (English)
In the field of asymmetric synthesis palladium catalysis finds broad application and several name reactions such as Sonogashira and Stille coupling reactions or the Heck, Negishi and Suzuki cross-coupling, which was recently awarded with the Noble price in 2010, became standard tools in today’s synthesis. The right choice of an appropriate chiral ligand is crucial for the stereoselectivity and the successful synthesis of enantiopure chemicals. Raising interest could be observed in the field of monodentate phosphorligands in the last years. Using a combination of two simple monodentate ligands instead of one complex bidentate ligand opened up a new period in asymmetric catalysis. The great success of monodentate ligands is explained by the formation of noncovalent ligand-ligand interactions in the coordination sphere of the metal center. Thus by such a self-assemble two monodentate ligands can imitate the structural features of a classical bidentate, chelating ligand. Among monodentate ligands phosphoramidites became a ‘privileged class of ligands’. Despite several studies on diverse transition metal complexes there is still need for structural investigations on interaction mechanics of this class of ligands.
This thesis mainly focuses on the NMR spectroscopic structural investigation of phosphoramidite palladium complexes and the inter- and intraligand interaction patterns within these complexes. For the first time the pseudo-bidentate character of this class of ligands in solution was proven on cis-Pd complexes, which structurally highly resemble the corresponding crystal structures. Each investigated complex exhibited altogether four interaction sites, two inter- and two intraligand interaction sites and moreover the additivity of the formed interaction patterns was proven: Upon specific structurally changes within one of these interaction sites the residual interaction patterns are hardly affected and the general complex structure is retained. Moreover the coexistence of interactions - mainly based on CH- and - interactions - and rotational processes was addressed. In the course of this study the role of the amine side chain NR(CH)Ar of phosphoramidite ligands is discussed which is supposed to form a planar interaction surface relevant for catalysis. We claim that interactions of this planar surface with the substrate lead to a precoordination of the substrate to the catalytic metal center. Depending on the configuration of the amine side chain the resulting interaction mode determines the relative orientation of the substrate towards the catalytic center and therefore controls the stereoselectivity.
The theory of interaction surfaces of both the biaryl backbone and the amine side chains of phosphoramidite ligands was also transferred to other complexes of different transition metals. It was shown that the aggregation trends of phosphoramidite transition metal complexes is purely ligand dominated and independent of the transition metal or even the complex structure. This finding opened up the implementation of a new fast and easy method for the optimization of catalysis in terms of reaction temperature in an early development state. Furthermore it was shown that the validity of a ligand dominated aggregation is limited to phosphoramidites containing an NR(CH)Ar amine side chain which is capable to form an interaction surface essential for both aggregation and stereoselectivity in transition metal catalysis.
In the course of the investigations of intermolecular interactions a method is presented to quantify the free energy difference between two heterocomplexes MLL’Xn. Moreover, for the first time the separation of supramolecular CH-π and π-π interactions in the coordination sphere from stereoelectronic and electrostatic interactions close to the metal center is presented. Thus the energetically stabilization of one heterocomplex compared to another by pure noncovalent ligand-ligand interactions can be determined. The reliability of the presented method was proven on the example of two phosphoramidite Pd complexes. Complex structures and interaction patterns were characterized by 1H chemical shift analyses and 1H1H NOESY measurements and in addition these results were correlated to the calculated stabilization energy.
Another part of the thesis deals with mechanistic studies on different coupling reactions using palladium catalysts. Based on 1H31P HMBC and a combination of various 2D NMR spectra structural investigations on intermediates of the Pd catalyzed Umolung reaction between 2-cyclohexenyl acetate and benzaldehyde are presented. The focus of these investigations lies on mechanistic differences between the employments of two diastereomeric phosphoramidite ligands providing different enantioselectivities. Besides various π-allyl palladium complexes the formation of σ-allyl complex species is described which is supposed to be the key intermediate for the Umpolung of the allyl from electrophilic to nucleophilic.
Aside from the structural investigations on phosphoramidite Pd complexes the remote stereocontrol of a highly diastereoselective Csp3-Csp2 Negishi cross coupling reaction of a 1,3-substituted cyclohexyl zinc chloride with aryl halides catalyzed by (TMPP)2PdCl2 (TMPP: tris(2,4,6-trimethoxyphenyl)phosphine) was investigated. By a careful optimization of measuring parameters the stereoselective step and the crucial palladium intermediate could unambiguously be characterized by NMR. Based on DFT calculations it was shown that after a diastereoselective transmetalation of the cyclohexyl compound from zinc to palladium exclusively the most stable palladium intermediate with all substituents in equatorial position is formed.
In respect of intermolecular interactions the aggregation behavior of the organo-transition metal complex fac-Ir(ppy)3 was investigated. This compound is a famous and high efficient triplet-emitter applied in electro-luminescent devices such as organic light emitting diodes (OLEDs). The mechanistic insights into structure changing processes, which also include aggregation, are crucial for the development of new matrices and the optimization of emitter properties. Therefore, the dependency of aggregation on temperature, concentration and solvent was investigated by 1H DOSY measurements. Based on these studies the aggregation mechanism of Ir(ppy)3 by mainly dipole-dipole interactions with only a small percentage of CH-π and π-π stacking was identified, which was additionally confirmed by disaggregation studies.
In summary this thesis predominantly deals with the NMR spectroscopic investigation of different phosphoramidite palladium complexes and the interaction patterns within these complexes. The structural insight into inter- and intraligand interactions in palladium complexes using highly selective phosphoramidite ligands and the analyses of general structural motifs and interaction sites of this class of ligands deliver valuable information for the design and optimization of new catalysts. In addition the mechanistic studies on different Pd-catalyzed reactions such as the Umpolung reaction or the Negishi cross coupling essentially contributed to the elucidation of intermediate structures.
Translation of the abstract (German)
Auf dem Gebiet der asymmetrischen Synthese findet die Palladium-Katalyse häufige Anwendung und etliche Namensreaktionen wie z.B. die Sonogashira und Stille Kupplung oder die Heck, Negishi und Suzuki Kreuzkupplung, welche erst kürzlich im Jahr 2010 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, zählen bereits zu Standardmethoden in der heutigen Synthese. Die Wahl des richtigen chiralen Liganden ist ...
Translation of the abstract (German)
Auf dem Gebiet der asymmetrischen Synthese findet die Palladium-Katalyse häufige Anwendung und etliche Namensreaktionen wie z.B. die Sonogashira und Stille Kupplung oder die Heck, Negishi und Suzuki Kreuzkupplung, welche erst kürzlich im Jahr 2010 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, zählen bereits zu Standardmethoden in der heutigen Synthese. Die Wahl des richtigen chiralen Liganden ist ausschlaggebend für die korrekte Stereoselektivität und die erfolgreiche Synthese enantiomerenreiner Substanzen. In den letzten Jahren konnte ein wachsendes Interesse für einzähnige Liganden beobachtet werden. Der Gebrauch von zwei, strukturell einfachen, einzähnigen Liganden anstelle eines komplexen zweizähnigen Chelatliganden läutete den Anfang einer neuen Ära in der asymmetrische Katalyse ein. Der überragende Erfolg einzähniger Liganden wird durch die Bildung von nicht-kovalenten Ligand-Ligand-Wechselwirkungen in der Koordinations-sphäre des Metallzentrums erklärt. Durch eine derartige Selbstanordnung können zwei einzähnige Liganden die strukturellen Eigenschaften eines klassischen zweizähnigen Chelatliganden nachahmen. Unter den einzähnigen Liganden gehören Phosphoramidite zu einer bevorzugten Ligandklasse. Allerdings besteht trotz vieler Studien zu verschiedenen Übergangsmetallkomplexen immer noch einen großer Bedarf an strukturellen Untersuchungen von Wechselwirkungsmustern dieser Ligandklasse.
Diese Arbeit konzentriert sich auf NMR-spektroskopische Strukturuntersuchungen von Phosphoramidit-Palladiumkomplexen sowie deren Inter- und Intraligand-Wechselwirkungsmustern. Zum ersten Mal wurde anhand von cis-Palladiumkomplexen, deren Strukturen stark denen der entsprechenden Kristallstrukturen ähneln, der pseudo-zweizähnige Charakter dieser Ligandklasse in Lösung nachgewiesen. Jeder untersuchte Komplex weist insgesamt vier Wechelwirkungsstellen auf, zwei Inter- sowie zwei Intraligand-Wechselwirkungen. Darüber hinaus wurde die Additivität dieser Wechselwirkungsmuster nachgewiesen: Bei einer strukturellen Modifikation einer Wechselwirkungsstelle bleiben die restlichen Wechselwirkungen nahezu unverändert und die allgemeine Komplexstruktur bleibt erhalten. Zusätzlich wurde die Dualität von Wechselwirkungen, welche überwiegend auf CH- und - Wechselwirkungen beruhen, und Rotationsprozessen diskutiert. Im Zuge dieser Studie wurde ebenfalls die Rolle der Aminseitenkette NR(CH)Ar von Phosphoramiditen erörtert, welche vermutlich eine Wechelwirkungsfläche bildet, die auch für die Katalyse relevant ist. Wir behaupten, dass diese Fläche mit dem Substrat wechselwirkt und somit eine Präkoordination des Substrats zum katalytischen Zentrum bewirkt. Je nach Konfiguration der Aminseitenkette bestimmt das daraus resultierende Wechselwirkungsmuster die relative Anordnung des Substrats zum katalytischen Zentrum und kontrolliert somit die Stereoselektivität.
Die Theorie der Wechselwirkungsflächen von sowohl Biarylrückgrat als auch Aminseitenkette von Phosphoramiditliganden wurde auch auf andere Komplexe verschiedener Übergangsmetalle übertragen. Es wurde gezeigt, dass die temperaturabhängige Aggregation von Phosphoramidit-Übergangsmetallkomplexen rein Ligand-bestimmt ist und somit von Übergangsmetall sowie von Komplexstruktur unabhängig ist. Diese Erkenntnis ermöglichte die Einführung einer neuen, schnellen und einfachen Methode zur Katalyseoptimierung bezüglich Reaktionstemperatur, welche bereits zu einem frühen Zeitpunkt des Optimierungsprozesses möglich ist. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Gültigkeit dieser Ligand-dominierten Aggregation auf Phosphoramidite beschränkt ist, welche eine Aminseitenkette der Art NR(CH)Ar besitzen und somit eine Wechselwirkungsfläche ausbilden können, die sowohl für die Aggregation als auch für die Stereoselektivität in der Übergangsmetallkatalyse von grundlegender Bedeutung ist.
Im Hinblick auf die Untersuchung von intermolekularen Wechselwirkungen wurde eine neuartige Methode vorgestellt, die es erlaubt die freie Energiedifferenz zwischen zwei Heterokomplexen MLL’Xn quantitativ zu bestimmen. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal die Unterscheidung von supramolekularen CH-π- und π-π-Wechselwirkungen in der Koordinationssphäre eines Übergangsmetallkomplexes von stereoelektronischen und elektrostatischen Wechselwirkungen am Metallzentrum gezeigt. Dadurch wird die Berechnung der Stabilisierungsenergie eines Heterokomplexes im Vergleich zu einem anderen Heterokomplex durch rein nicht-kovalente Ligand-Ligand-Wechselwirkungen ermöglicht. Die Anwendbarkeit der vorgestellten Methode wurde anhand von zwei Phosphoramidit-Palladiumkomplexen nachgewiesen. Komplexstrukturen sowie Wechsel-wirkungsmuster wurden durch 1H chemische Verschiebungsanalysen und 1H1H NOESY Messungen charakterisiert und mit der berechneten Stabilisierungsenergie korreliert.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit mechanistischen Studien zu unterschiedlichen Pd-katalysierten Kupplungsreaktionen. Basierend auf 1H31P HMBC und einer Kombination verschiedener 2D NMR-Spektren wurden Strukturuntersuchungen von Intermediaten der Pd-katalysierten Umpolungsreaktion von 2-Cyclohexenylacetat und Benzaldehyd untersucht. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen liegt auf den mechanistischen Unterschieden beim Einsatz diastereomerer Phosphoramiditliganden, welche sich in ihrer Enantioselektivität unterscheiden. Neben verschiedenen π Allylpalladiumkomplexen wird die Bildung von σ-Allylkomplexspezies beschrieben, welche sehr wahrscheinlich Schlüsselintermediate bei der Umpolung des Allyls von einem Elektrophil zum Nukleophil darstellen.
Neben Strukturuntersuchungen von Phosphoramidit-Palladiumkomplexen wurde auch die Stereokontrolle einer hochdiastereoselektiven Csp3-Csp2-Negishi Kreuzkupplung eines 1,3-substituierten Cyclohexylzinkchlorids mit Arylhalogeniden katalysiert von (TMPP)2PdCl2 (TMPP: Tris(2,4,6-trimethoxyphenyl)phosphan) untersucht. Durch die sorgfältige Optimierung der Messparameter konnte der stereoselektive Schritt und das entscheidende Palladiumintermediat eindeutig mit NMR-Spektroskopie charakterisiert werden. Basierend auf DFT-Rechnungen wurde gezeigt, dass nach einer diasteroselektiven Transmetallierung der Cyclohexylgruppe von Zink auf Palladium ausschließlich das stabilste Palladiumintermediat mit allen Substituenten in äquatorialer Position gebildet wird.
Im Hinblick auf intermolekulare Wechselwirkungen wurde auch das Aggregationsverhalten des Organo-Übergangsmetallkomplexes fac-Ir(ppy)3 untersucht. Dieser Komplex ist ein bekannter und hocheffizienter Triplet-Emitter, der in elektrolumineszierenden Einheiten wie organischen Leuchtdioden (OLEDs) zum Einsatz kommt. Der mechanistische Einblick in strukturverändernde Prozesse, welche auch die Aggregation miteinschließen, ist grundlegend für die Entwicklung neuer Matrizen und die Optimierung von Emittereigenschaften. Daher wurde die Abhängigkeit der Aggregationstendenz von Temperatur, Konzentration und Lösungsmittel mit Hilfe von 1H DOSY Messungen untersucht. Anhand dieser Studien konnte nachgewiesen werden, dass die Aggregation von fac-Ir(ppy)3 hauptsächlich über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen mit nur einem gewissen Anteil an CH-π- und π-π-Wechselwirkungen abläuft, was zusätzlich durch Desaggregationsstudien bestätigt wurde.
Zusammenfassend handelt diese Arbeit überwiegend von NMR-spektroskopischen Untersuchungen verschiedener Phosphoramidit-Palladiumkomplexe und den Wechselwirkungsmustern innerhalb dieser Komplexe. Der strukturelle Einblick in sowohl Inter- als auch Intraligand-Wechselwirkungen in Palladiumkomplexen bei der Verwendung hochselektiver Phosphoramiditliganden und die Analyse von allgemeinen Wechsel-wirkungsmotiven dieser Ligandklasse bietet wertvolle Informationen für die Entwicklung und Optimierung neuer Katalysatoren. Darüber hinaus haben die mechanistischen Untersuchungen der Pd-katalysierten Umpolungsreaktion und der Negishi Kreuzkupplung essentiell zur Aufklärung von Intermediatstrukturen beigetragen.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 04:13
Owner only: item control page
Download Statistics