"The New Chemistry" - Sustainable Catalysis with Alcohols

Titelangaben

Michlik, Stefan:
"The New Chemistry" - Sustainable Catalysis with Alcohols.
Bayreuth , 2013
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Subject of the thesis are new iridium complexes stabilized by anionic P,N- or P,N,P-ligands. These complexes were used in homogeneous catalysis. Furthermore, mechanistic studies were performed to provide an insight into the catalytic cycles. Synthesis protocols for a multitude of different product classes have been developed. The iridium complex 1, stabilized by a neutral P,N-ligand, reacts under basic conditions with 2-aminopyridines. By elimination of dipyridylamine the new catalyst species 2a was formed, which is more stable than catalyst 1. Based on this finding eight new anionic P,N-ligands and the resulting iridium complexes were synthesized. After optimization of the reaction conditions (solvent, base, temperature and catalyst loading) these catalysts were used in BH (borrowing hydrogen)/HA (hydrogen autotransfer) reactions. The selective monoalkylation of anilines with primary alcohols was investigated. In comparative experiments the superiority of the new class of catalysts versus the original catalyst 1 was clearly shown. Under mild reaction conditions (70 °C) the selectivity profile with respect to the monoalkylation has been preserved. The catalytic protocol was subsequently extended to the alkylation of aromatic diamines. Therefore various diaminobenzenes were used as substrates. Also Dapsone®, an important drug in treatment of leprosy could be used as starting material. We succeeded in both symmetric and unsymmetric monoalkylations of diamines. Due to the selectivity profile of the catalyst regarding aromatic amines, also unprotected amino alcohols could be used as alkylating reagents. By the use of tridentate P,N,P-ligands, a novel class of more stable catalysts compared to complexes 2a-9a, could be developed. Due to sealing the synthesis reactor with a semipermeable membrane, the retransfer of the “borrowed” hydrogen could be prevented and H2 is released. Dehydrogenation and condensation steps are now possible instead of BH/HA. By reacting secondary alcohols with β-amino alcohols, pyrroles were accessible. After adapting the synthesis protocol to this new class of products the tolerance of functional groups was tested. Diversely functionalized alcohols were used. Under mild reaction conditions (90 °C) and very low catalyst loadings (down to 0.03 mol% iridium), a large number of novel pyrroles was accessible. Using this protocol 21 differently substituted α,α-pyrroles, 12 bicyclic pyrroles, symmetrically as well as non-symmetrically substituted oligopyrroles and three β-aminopyrroles were synthesized. The catalyst resting state was identified by NMR experiments and X-ray structure analysis to be an iridium trihydride. This trihydride is formed under catalytic conditions, by treatment of the pre-catalyst with alcohols or in hydrogen atmosphere. In the final part of the work, a catalytic pyridine synthesis was developed. In this so far unknown heterocycle synthesis up to four different substituents could be introduced within a single reaction step. 2,6-, 2,5-, 2,4- and 2,3-substituted pyridines were synthesized selectively by using variously substituted primary or secondary alcohols and γ-amino alcohols. Furthermore, both the synthesis of bicyclic pyridines as well as the synthesis of pyridines that bear chiral substituents is possible.

Abstract in weiterer Sprache

Inhalt der vorliegenden Arbeit sind neue anionische P,N- oder P,N,P-Ligand stabilisierte Iridiumkomplexe, die in der homogenen Katalyse eingesetzt werden. Weiterhin wurden mechanistische Studien durchgeführt, um einen Einblick in die Katalysezyklen zu erhalten. Für eine Vielzahl unterschiedlicher Produktklassen wurden Synthesevorschriften entwickelt. Der P,N-Neutralligand stabilisierte Iridiumkomplex 1 reagiert unter basischen Bedingungen mit 2-Aminopyridin. Unter Abspaltung von Dipyridylamin bildet sich die neue Katalysatorspezies 2a, die stabiler als Katalysator 1 ist. Ausgehend von dieser Erkenntnis wurden acht neue anionische P,N-Liganden und die daraus resultierenden Iridiumkomplexe 2a-9a synthetisiert. Nach Optimierung der Reaktionsbedingungen bezüglich Lösungsmittel, Base und Katalysatorbeladung wurden diese Katalysatoren in BH (borrowing hydrogen)/HA (hydrogen autotransfer) Reaktionen verwendet. Die selektive Monoalkylierung von Anilinen mit primären Alkoholen wurde untersucht. In Vergleichsexperimenten konnte die klare Überlegenheit der neuen Katalysatorklasse (2a-9a) gegenüber dem ursprünglichen Katalysator 1 gezeigt werden. Unter milden Reaktionsbedingungen (70 °C) konnte das Selektivitätsprofil bezüglich der Monoalkylierung erhalten werden. Das Katalyseprotokoll wurde auf die Alkylierung von aromatischen Diaminen ausgeweitet. Hierzu wurden verschiedene Diaminobenzole als Substrate verwendet. Auch Dapson®, was ein wichtiges Medikament bei der Behandlung von Lepra ist, wurde als Edukt verwendet. Es konnte sowohl die symmetrische als auch die unsymmetrische Monoalkylierung der Diamine gezeigt werden. Aufgrund des Selektivitätsprofils des Katalysatorsystems bezüglich aromatischer Amine konnten auch ungeschützte Aminoalkohole als Alkylierungsreagenzien verwendet werden. Durch die Verwendung von tridentaten P,N,P-Liganden konnte eine neue Katalysatorklasse, die eine höhere Stabilität als 2a-9a besitzt, entwickelt werden. Unter Verwendung einer semipermeablen Membran wird der “geliehene“ Wasserstoff nicht zurückübertragen, sondern als H2 abgegeben. Anstelle von BH/HA Reaktionen sind nun Dehydrogenierungen und Kondensationsreaktionen möglich. Damit sind Pyrrole ausgehend von sekundären Alkoholen und β-Aminoalkoholen zugänglich. Nach Anpassung des Syntheseprotokolls auf diese neue Produktklasse wurde die Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen getestet. Verschiedenst substituierte Alkohole wurden dafür verwendet. Bei milden Reaktionsbedingungen (90 °C) und sehr geringen Katalysatorbeladungen (0.03 mol% Iridium) war eine Vielzahl neuer Pyrrolderivate zugänglich. Mit Hilfe dieses Syntheseprotokolls konnten 21 unterschiedlich substituierte α,α-Pyrrole, 12 bizyklische Pyrrole, symmetrisch als auch unsymmetrisch substituierte Oligopyrrole und drei β-Aminopyrrole synthetisiert werden. Die in der Katalyse aktive Spezies wurde durch NMR-Experimente und Einkristallröntgenstrukturanalyse als Iridiumtrihydridkomplex identifiziert. Dieser Iridiumtrihydridkomplex bildet sich ausgehend vom Prä-Katalysator (10a, 11a) bei Umsetzung mit Alkoholen, unter Katalysebedingungen, oder in einer Wasserstoffatmosphäre. Im finalen Abschnitt der Arbeit wurde eine katalytische Pyridinsynthese entwickelt. In dieser bis dahin unbekannten Heterozyklensynthese konnten bis zu vier verschiedene Reste in einem einzigen Reaktionsschritt eingeführt werden. Darüber hinaus gelang es selektiv 2,6-, 2,5-, 2,4-und 2,3-disubstituierte Pyridine ausgehend von substituierten primären oder sekundären Alkoholen und γ-Aminoalkoholen zu synthetisieren. Ferner war sowohl die Synthese von bizyklischen Pyridinen, als auch die Synthese von Pyridinen die chirale Substituenten tragen, möglich.