| License: Publishing license for publications excluding print on demand (8MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-319049
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.31904
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 24 May 2016 |
| Referee: | Prof. Dr. Ruth M. Gschwind |
| Date of exam: | 21 May 2015 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Arbeitskreis Prof. Dr. Ruth Gschwind |
| Keywords: | NMR spectroscopic, Zintl anions, copper-catalysis |
| 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: | 31904 |
Abstract (English)
The copper-catalyzed asymmetric conjugated 1,4-addition reaction of organozinc reagents to a,b-unsaturated compounds is a very effective and widely used method for the enantioselective carbon-carbon bond formation. By the use of phosphoramidite ligands it is possible to reach ee-values and conversion up to > 99 %. Furthermore, this outstanding reaction provides lower costs in comparison to other ...
Abstract (English)
The copper-catalyzed asymmetric conjugated 1,4-addition reaction of organozinc reagents to a,b-unsaturated compounds is a very effective and widely used method for the enantioselective carbon-carbon bond formation. By the use of phosphoramidite ligands it is possible to reach ee-values and conversion up to > 99 %. Furthermore, this outstanding reaction provides lower costs in comparison to other transition-metal catalyzed reactions and compatibility to many functional groups. Despite the great success of this reaction, the structural and mechanistic insight has been very limited so far. But for the optimization of the existing reactions and the development of new targeted catalysts it is of high importance to identify the occurring structures in solution.
It took almost a decade to elucidate the dimeric precatalyst structure of the copper complex which shows a trigonal/tetrahedral coordination on copper. The next step of the catalytic cycle, the transfer of the organic moiety from an organozinc reagent to the copper complex is postulated as a transmetalation step. Owing to the low amount of the transmetalation intermediate in solution, their detection with standard 1D NMR spectra was not possible. Therefore, a new method by using HMBC spectra as spectroscopic filter was applied. Hence, only those species which are showing a coupling between 1H and 31P are detected, while all other signals are eliminated. But besides scalar couplings also relaxation interferences between chemical shift anisotropy and dipolar interactions can cause a signal in HMBC spectra. To distinguish those signals from signals of scalar coupling a special set of 1D 1H,31P HMBC spectra was applied. By using ZnEt2 this led to the first direct experimental detection of a transmetalation intermediate in a copper catalyzed asymmetric synthesis. The determination of the structures was possible by using mixtures of enantiomeric and enantiopure ligands. Two types of transmetalation intermediates were identified, monomeric complexes with one ligand and a dimeric complex which showed the trigonal/tetrahedral coordination on the copper atoms as it was observed for the precatalyst. On basis of theoretical studies by Woodward et al. and further NMR spectroscopic experiments the dimeric transmetalation interediate is assumed to be the catalytic active species. The retention of the dimeric structure upon transmetalation explains the best results with a copper salt to ligand ratio of 2:1 in empirically optimized reactions. This special NMR spectroscopic approach to identify species below the detection limit of 1H spectra can be applied also to further classes of catalysts.
Further investigations with ZnMe2 did not provide a transmetalated species so far. Therefore, the more reactive organometallic reagent MeLi was used for the formation of a transmetalation intermediate bearing a methyl group. With the help of chelating crown ether it was possible to elucidate that the lithium ion is not involved in the structure of the transmetalation intermediate. This access was not possible for the zinc reagents as no chelating additive with a higher affinity for the complexation of zinc prior to copper is known. Furthermore, it was shown that a precoordination of a,b-unsaturated substrates by the precatalyst does not take place, which led to the assumption that the order of addition is not important for the outcome of the reaction, in contrast this is well-known for reactions of organoaluminium reagents in tetrahydrofuran where the order of addition must be considered.
The mechanistic study on a copper complex in a photoredox reaction with an LED-illumination device led to the observation that the complex does not release one ligand in the first step of the reaction. This examination is the basis for future investigations.
The NMR spectroscopy is a widely used method for the structure elucidation in the field of inorganic chemistry. However, for some heteronuclear spins the total frequency range exhibits many tens of kilohertz. Therefore, the group of Prof. Dr. Burkhard Luy developed a broadband pulse, named xyBEBOP pulse, which provides an excita¬tion over a bandwidth of 1000 kHz. After the implementation of this pulse to our spectrometer validation studies in comparison to a 90° hard pulse on real samples of Zintl anions were performed, providing high reliability for integrals, coupling constants and line widths. Especially the precise reproduction of coupling constants was not expected because of the phase profile of the xyBEBOP pulse but will help for assignments of e.g. the cluster sizes of Zintl anions in solution.
The fascinating chemistry of Zintl anions dates back only a few decades. Since their discovery the number of crystal structures of these binary alloys of group 14 and 15 is strongly increasing. However, the solvation, transformation and degradation processes in solution are so far not completely understood. But this knowledge is necessary for using these polyanions for targeted synthesis of new materials.
With the help of heteronuclear NMR spectroscopy it was possible for the first time to detect the long-time elusive highly charged silicide Si44− and stannide Sn44− by utilizing the stability effect of [2.2.2]-cryptand. Furthermore the first experimental proof for the longstanding assumption that the protons of liquid ammonia are acting as oxidizing agent on the Zintl anions was given by the detection of NH2−. As degradation product of the silicides SiH3− was observed.
The extensive studies of the two known preparation methods of Zintl anions, dis-solution of solids and direct reduction, revealed that the stabilizing effect of [2.2.2]-cryptand does not only arise from an enhanced solubility, but also from the suppressed contacts of the alkali metal and liquid ammonia, which reduces the oxidation properties of the solvent. Based on these results, further investigations on the detection of 207Pb-polyanions and the transformation reaction of stannides with 195Pt complexes have already begun. Here, the use of the xyBEBOP pulse is of high importance owing to the strongly extended chemical shift range of these heteronuclei.
The investigations on Zintl anions showed that the contacts between the alkali metal cations and ammonia enhanced the oxidation property of the solvent. Therefore the first NMR spectroscopic study on alkali metals in liquid ammonia was performed. Here, it was shown that the exchange of the rubidium ions between contact ion pairs and solvent-separated ion pairs is slow on the NMR timescale, which led to two separated signals in the 87Rb NMR spectrum. This was not the case for sodium and lithium salts, although very stable ammine complexes are known for these alkali metals from crystal structures. The use of [2.2.2]-cryptand showed an almost complete shielding of the rubidium ion, while an interaction with the solvent was observable, if the alkali metals were chelated by a crown ether. Future work on NMR spectroscopic investigations of 39K and 133Cs salts is planned, as well as theoretical calculations. The aim of these investigations is an improved knowledge of the role of the alkali metal for the stabilization of Zintl anions in solution.
Translation of the abstract (German)
Die Kupfer-katalysierte asymmetrisch konjugierte 1,4-Additionsreaktion mit Organozinkreagenzien an a,b-ungesättigte Verbindungen ist eine sehr effektive und weitverbreitete Methode zur enantioselektiven C-C-Bindungsknüpfung. Durch die Verwendung von Phosphoramidit-Liganden ist es möglich ee-Werte und Ausbeuten bis zu > 99 % zu erlangen. Darüber hinaus bietet diese herausragende Reaktion geringere ...
Translation of the abstract (German)
Die Kupfer-katalysierte asymmetrisch konjugierte 1,4-Additionsreaktion mit Organozinkreagenzien an a,b-ungesättigte Verbindungen ist eine sehr effektive und weitverbreitete Methode zur enantioselektiven C-C-Bindungsknüpfung. Durch die Verwendung von Phosphoramidit-Liganden ist es möglich ee-Werte und Ausbeuten bis zu > 99 % zu erlangen. Darüber hinaus bietet diese herausragende Reaktion geringere Kosten im Vergleich zu anderen Übergangsmetall-katalysierten Reaktionen und Kompatibilität mit vielen funktionellen Gruppen. Trotz des großen Erfolges dieser Reaktion, sind die Erkenntnisse über die Strukturen und den Mechanismus bisher sehr begrenzt. Jedoch ist für die Optimierung von existierenden Reaktionen und für die Entwicklung neuer, gezielt entwickelter Katalysatoren die Identifizierung der in Lösung auftretenden Strukturen von enormer Bedeutung.
Es dauerte fast ein Jahrzehnt bis die dimere Präkatylsatorstruktur des Kupferkomplexes mit einer trigonal-tetraedrischen Koordination an Kupfer, aufgeklärt wurde. Im nächsten Schritt des Katalysezyklus wird die Übertragung eines organischen Rests vom Organozinkreagenz auf den Kupferkomplex als Transmetallierungsschritt postuliert. Aufgrund des geringen Anteils an Transmetallierungsintermediaten in Lösung war ihre Detektion mit üblichen 1D NMR-Spektren nicht möglich. Deshalb wurde eine neue Methode angewendet, bei der HMBC-Spektren als spektroskopischer Filter verwendet wurden. Somit wurden nur diejenigen Spezies, die eine skalare Kopplung zwischen 1H und 31P aufwiesen, detektiert, während alle anderen Signale eliminiert wurden. Allerdings können neben skalaren Kopplungen auch Relaxationsinterferenzen zwischen anisotropen chemischen Verschiebungen und dipolaren Wechselwirkungen ein Signal im HMBC-Spektrum hervorrufen. Um diese Signale von Signalen skalarer Kopplung zu unterscheiden wurde ein spezieller Satz an 1D 1H,31P HMBC Spektren verwendet, welche mit ZnEt2 zur ersten direkten experimentellen Detektion eines Transmetallierungsintermediates in der Kupfer-katalysierten asymmetrischen Synthese führten. Die Strukturbestimmung wurde durch die Verwendung von enantiomeren und enantiomerenreinen Ligandmischungen ermöglicht. Zwei Arten von Transmetallierungsintermediaten wurden dabei identifiziert, monomere Komplexe mit einem Liganden und dimere Komplexe, welche die trigonal-tetraedrische Koordination an den Kupferatomen zeigten, wie es bereits für den Präkatalysator beobachtet wurde. Aufgrund der theoretischen Studien von Woodward et al. und weiterer NMR-spektroskopischer Experimente wird das dimere Transmetallierungsintermediat als katalytisch aktive Spezies vermutet. Die Beibehaltung der dimeren Struktur während der Transmetallierung erklärt das beste Ergebnis bei der Verwendung des Verhältnisses von Kupfersalz zu Ligand von 2 : 1, welches in empirisch optimierten Reaktionen gefunden wurde. Dieser spezielle NMR-spektroskopische Zugang zur Identifizierung von Spezies unterhalb des Detektionslimits von 1H Spektren kann auch für weitere Katalysen angewendet werden.
Weitere Untersuchungen mit ZnMe2 zeigten bisher keine transmetallierte Spezies. Deshalb wurde das reaktivere organometallische Reagenz MeLi für die Bildung eines Transmetallierungsintermediates, welches eine Methylgruppe trägt, verwendet. Mit Hilfe von chelatisierendem Kronenether war es möglich aufzuklären, dass das Lithiumion nicht in die Struktur des Transmetallierungsintermediates eingebunden ist. Dieser Zugang war mit Zinkreagenzien nicht möglich, da kein chelatisierendes Additiv bekannt ist, welches eine höhere Komplexierungsaffinität für Zink im Vergleich zu Kupfer aufweist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die präkoordination von a,b-ungesättigten Substraten durch den Präkatalysator nicht stattfindet, was zur Vermutung führte, dass die Zugabereihenfolge für das Ergebnis der Reaktion keine Rolle spielt, im Gegensatz zu Reaktionen mit Organoaluminiumreagenzien in Tetrahydrofuran wo die Zugabereihenfolge beachtet werden muss.
Die mechanistischen Studien zu einem Kupferkomplex in Photoredoxreaktionen mit einer LED-Beleuchtungseinheit führten zu der Beobachtung, dass der Komplex im ersten Schritt der Reaktion keinen Liganden abspaltet. Diese Analyse legte den Grundstein für künftige Untersuchungen.
Die NMR-Spektroskopie ist eine weitverbreitete Methode zur Strukturuntersuchung auf dem Gebiet der anorganischen Chemie. Jedoch umfasst der Frequenzbereich mancher Heterokernspins mehrere zehntausend Hertz. Aus diesem Grund wurde ein Breitbandpuls, genannt xyBEBOP Puls, von der Gruppe von Prof. Dr. Burkhard Luy entwickelt, welcher eine Breitbandanregung von 1000 kHz bietet. Nach der Implementierung dieses Pulses an unserem Spektrometer wurden Validierungsstudien im Vergleich zu einem 90° Hartpuls an Proben von Zintlanionen durchgeführt, welche eine hohe Verlässlichkeit für Integrale, Kopplungskonstanten und Linienbreiten zeigte. Besonders die präzise Reproduktion der Kopplungskonstanten wurde aufgrund des Phasenprofils des xyBEBOP Pulses nicht vermutet, jedoch wird dies helfen z.B. Clustergrößen von Zintlanionen in Lösung zuzuweisen.
Die faszinierende Chemie der Zintlanionen geht erst auf einige Jahrzehnte zurück. Seit ihrer Entdeckung ist die Anzahl an Kristallstrukturen dieser binären Legierungen der Gruppe 14 und 15 stark angestiegen. Jedoch sind die Solvatations-, Umsetzungs- und Abbauprozesse bisher noch nicht vollständig verstanden. Allerdings ist dieses Verständnis nötig um diese Polyanionen für die gezielte Synthese neuer Materialien zu verwenden.
Mit Hilfe von Heterokern-NMR-Spektroskopie war es zum ersten Mal möglich das für lange Zeit schwer fassbare, hochgeladene Silizid Si44− und Stannid Sn44− durch die Verwendung des stabilisierenden Effekts von [2.2.2]-Kryptand zu detektieren. Des Weiteren wurde der erste experimentelle Beweis für die seit langem vermutete Annahme gefunden, dass die Protonen des flüssigen Ammoniaks als Oxidationsmittel für die Zintlanionen agieren aufgrund der Detektion von NH2−. Als Abbauprodukt für die Silicide wurde SiH3− beobachtet.
Die intensiven Untersuchungen der zwei bekannten Präparationsmethoden von Zintl-anionen, die Auflösung von Festkörpern und die direkte Reduktion, zeigten, dass der Stabilisierungseffekt von [2.2.2]-Kryptand nicht nur aufgrund der erhöhten Löslichkeit auftritt, sondern auch durch die Unterdrückung der Kontakte zwischen Alkalimetall und dem flüssigen Ammoniak, was die Oxidationseigenschaften des Lösungsmittels reduziert. Auf Basis dieser Ergebnisse wurden weitere Untersuchungen zur Detektion von 207Pb-Polyanionen und der Umsetzungsreaktion von Stanniden mit 195Pt-Komplexen bereits begonnen. Aufgrund des stark verbreiterten chemischen Verschiebungsbereichs dieser Heterokerne wird hierbei die Verwendung des xyBEBOP Pulses von großer Bedeutung sein.
Die Untersuchungen von Zintlanionen zeigten, dass die Kontakte zwischen dem Alkalimetallkation und Ammoniak die Oxidationseigenschaften des Lösungsmittels erhöhen. Deshalb wurde die erste NMR-spektroskopische Untersuchung von Alkalimetallen in flüssigem Ammoniak durchgeführt. Hierbei wurde gezeigt, dass der Austausch von Rubidiumionen zwischen dem Kontaktionenpaar und dem Solvenssepariertem Ionenpaar langsam auf der NMR Zeitskala ist, was zu zwei separierten Signalen im 87Rb NMR-Spektrum führte. Für Natrium- und Lithiumsalze war das nicht der Fall, obwohl für diese Alkalimetalle sehr stabile Ammoniakate von Kristallstrukturen bekannt sind. Die Verwendung von [2.2.2]-Kryptand zeigte eine annähernd komplette Abschirmung des Rubidiumions, während die Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel bei der Chelatisierung des Alkalimetalls mit Kronenether sichtbar wurden. NMR-spektroskopische Untersuchungen von 39K und 133Cs, sowie theore¬tische Studien sind für weitere Arbeiten geplant. Das Ziel dieser Untersuchungen ist ein verbessertes Verständnis der Rolle des Alkalimetalls bei der Stabilisierung von Zintlanionen in Lösung.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 23:55
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