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Organische Chemie

Lichtinduzierte Prozesse effizient nutzen – Catenane und neue Kohlenstoffallotrope – komplexe Naturstoffe, einfache Wirkstoffe – Enzyme, Proteine und mehr, zusammengestellt von 26 Autoren, koordiniert von Jan Paradies. Organische FarbstoffePhotoaktivierbare Fluoreszenzfarbstoffe sind ein wichtige...

Metallsalze ermöglichen Carbonyl-Olefin-Metathesen dort, wo sonst bisher nur Carbonyl-En-Reaktionen möglich waren. Das funktioniert sogar bei Molekülen, die sonst Friedel-Crafts-Produkte bilden.
Moleküle tauschen via Metathese funktionelle Gruppen oder ganze Teilstrukturen untereinander. Die Salzmetathese ist eine gängige Methode in der anorganischen Chemie; Metathesereaktionen an Pi-Bindungssystemen sind in der organischen Chemie erst in den letzten Jahrzehnten üblich geworden. Pionierarbeit haben vor allem die Gruppen um Grubbs, Schrock und Fürstner geleistet:1-3) Sie haben Olefin- und Alkinmetathesen entwickelt, die heute sowohl organische Chemiker als auch Materialwissenschaftler nutzen.Bei diesen Metathesen werden von zwei Substraten mit C-C-Mehrfachbindungen selbige gebrochen und neu aufgebaut, wobei formal die Substituenten tauschen (Abbildung 1a, b). Bis zum Jahr 2016 waren Metathese-Reaktionen an π-Bindungssystemen auf Alken- und Alkinmetathese beschränkt. Dann entdeckte die Arbeitsgruppe um Corinna Schindler die Eisen(III)-katalysierte Carbonyl-Olefin-Metathese.4) Hier tauschen die Substituenten von Aldehyd oder Keton mit denen eines Alkens (Abbildung 1d).Die Reaktionsbedingungen lassen sich zu Gunsten des gewünschten Ergebnisses beeinflussen. Das ist allerdings schwierig, da sich Edukte und Produkte meist ähnlich verhalten – Triebkräfte wie thermodynamische Stabilität der Produkte oder Löslichkeitseffekte wie bei der Salzmetathese entfallen also.Lewis-Säure-katalysierte Reaktionen von Carbonylen mit Olefinen sind lange bekannt und firmieren allgemein unter dem Sammelbegriff Carbonyl-En-Reaktion. Obwohl diese unter den genannten Bedingungen ein dominanter Reaktionspfad ist, ließ sich die intramolekulare Carbonyl-Olefin-Metathese nachweisen: Nach Schindlers Ergebnissen genügen katalytische Mengen Eisen(III)-Chlorid, um die Metatheseprodukte zu erhalten (Abbildung 1d).<figure><img src="https://media.graphcms.com/YvFXkyvDT7KRz74hyz9Y"><figcaption><label>Abb. 1: </label>a) Alkenmetathese, b) Alkinmetathese, c) Carbonyl-En-Reaktion, d) Beispiele für Carbonyl-Olefin-Metathese. In Klammern: Ausbeuten, wenn unverbrauchtes Startmaterial zurückgewonnen wurde.</figcaption></figure>
<h2>Salz in katalytischen Mengen</h2>Viele Startmaterialien wie halogenierte Aromaten oder Anisole lassen sich mit katalytischen Mengen Eisen(III)-Chlorid umsetzen. Dabei werden diverse Substituenten und Substitutionsmuster toleriert – etwa funktionalisierte Aromaten, Ester und Alkene –, und die korrespondierenden Cyclopentene oder -hexene entstehen in Ausbeuten von 43 bis 99 Prozent (Abbildung 1d). Außer dem Aromaten lassen sich auch die anderen Teilstrukturen verändern, und somit können anstelle von Estern auch Sulfone verwendet werden.Die Reaktion toleriert mehrfache Substitutionen am α-Kohlenstoff zum Carbonyl-C, ohne dass die Ausbeute sich nennenswert verringerte (66 auf 44 Prozent). Weitere Alkenfunktionalitäten im Molekül beeinflussen die Effizienz der Reaktion kaum. Die fünf- oder sechsgliedrigen Ringe entstehen selektiv. Hierbei ist weder die Art des Substituenten entscheidend, also elektronenschiebend oder -ziehend, noch deren Position an der aromatischen Seitenkette. Die Ausbeuten sind in der Regel gut (66 bis 99 Prozent), zumal sich unverbrauchtes Startmaterial oft zurückgewinnen und erneut umsetzen lässt, was die Ausbeute erhöht.Die Reaktion läuft also entweder nur langsam ab oder sie stagniert ab einem bestimmten Zeitpunkt. Dennoch entstehen keine Nebenprodukte, obwohl vor allem die elektronenreichen Substrate auch nach einem Friedel-Crafts-Mechanismus reagieren könnten – die Reaktion ist also sehr selektiv.Außer aromatischen Ketonen lassen sich Methylketone über Carbonyl-Olefin-Metathese umsetzen (Abbildung 1d). Jedoch ist hier für gute Ausbeuten mehr Eisen(III)-Chlorid erforderlich, nämlich 10 Molprozent.5) Dieser Umstand geht auf die Aggregation von Eisen(III)-Chlorid zu Dimeren zurück, welche die eigentlich aktive Spezies sind und den katalytischen Zyklus initiieren. Dieser Befund deckt sich mit früheren Studien, und solche Dimere heißen aufgrund ihres erhöhten elektrophilen Charakters Superelektrophile (Abbildung 2a).<figure><img src="https://media.graphcms.com/KFhHtScCSMy3B58wcqCQ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>a) So entsteht ein Superelektrophil. Mitte: inaktive, rechts: aktive Spezies . b) So unterscheiden sich die Produkte bei der Carbonyl-En-Reaktion und der Carbonyl-Olefin-Metathese.</figcaption></figure>
<h2>Die Art des Salzes entscheidet über das Produkt</h2>Carbonyl-Olefin-Metathese eignet sich auch für größere Moleküle wie in Abbildung 2b. So wurde etwa ein zehngliedriger Ring, der aus Cholesterol zugänglich ist, mit zwei Lewis-Säuren umgesetzt. Je nach Katalysator entstanden verschiedene Produkte:6)Eisen(III)-Chlorid als Katalysator liefert das Metatheseprodukt mit einer Ausbeute von 39 %. Mit Aluminium(III)-Chlorid dagegen entsteht das Carbonyl-En-Produkt in 75 % Ausbeute. Es folgten weitere Untersuchungen zum Einfluss des Katalysators, wobei die Chemiker Metallsalze wie Gallium(III)-Chlorid oder Zinn(IV)-Chlorid testeten. Fast alle ergaben das Metatheseprodukt, nur Aluminium(III)-Chlorid lieferte selektiv das Carbonyl-En-Produkt.Die Gruppe Schindler variierte die Carbonyl-Olefin-Metathese immer weiter, wobei sie ihr Augenmerk zunächst auf intramolekulare Reaktionen richteten. Erst im Jahr 2018 präsentierten sie eine intermolekulare Variante,7) eine Ringöffnungs-Carbonyl-Olefin-Metathese, die die vorgestellte Reaktion formal umkehrt.Bisher dienten meist langkettige Moleküle mit Carbonyl- und Alkenfunktionalität dazu, ein ringgeschlossenes Alken und ein neues Keton herzustellen. Hier reagieren nun ein geschlossenes Alken und ein Keton, wobei ein langkettiges Molekül mit beiden Funktionalitäten entsteht (Abbildung 3). Die hier gewünschte Reaktion ist also die Rückreaktion der zuvor präsentierten Methode. Die dafür nötigen Reaktionsbedingungen erfüllte am besten Gallium(III)-Chlorid. Die Ausbeuten für die Beispiele in Abbildung 3 betragen zwischen 25 % und 47 %.<figure><img src="https://media.graphcms.com/jaOSpFGHS8ud41pDthXX"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Beispiele für die Ringöffnungs-Carbonyl-Olefin-Metathese.</figcaption></figure>
<h2>So verläuft die Reaktion</h2>Bei der Aufklärung des Reaktionsmechanismus standen Kinetik sowie die Entstehung von Intermediaten und Übergangszuständen im Vordergrund. Bei den eisenkatalysierten Reaktionen schloss die Gruppe um Schindler durch Experimente persistente Kationen und einen radikalischen Mechanismus aus. Jedoch lassen einige Beobachtungen bei der Carbonyl-Olefin-Metathese darauf schließen, dass zumindest bei einigen Katalysatoren Nebenreaktionen und Intermediate auftreten.Wie Kernresonanzspektroskopie zeigt,8) entstehen mit AlIII-Chlorid als Katalysator gleichzeitig mit dem gewünschten Metatheseprodukt auch geringe Mengen des Carbonyl-En-Produkts. Dieses reagiert aber letztendlich ebenfalls zum gewünschten Metatheseprodukt. Wie weitere Experimente offenbarten, bestimmt die Art des Lewis-Säurekatalysators den Mechanismus für die Carbonyl-Olefin-Metathese. Unabhängig vom Katalysator gilt der durch computergestützte Methoden ermittelte Mechanismus in Abbildung 4:8,9)<figure><img src="https://media.graphcms.com/6oxmesDQQUaj4vQLkVzl"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Reaktionsmechanismus am Beispiel eines Aluminiumkatalysators.</figcaption></figure>
Im Anfangsschritt aktiviert die Lewis-Säure die Carbonylverbindung. Anschließend findet entweder eine Cycloaddition zum kurzzeitig gebildeten Oxetan statt, oder es entsteht zunächst das Carbonyl-En-Produkt, das dann in das Oxetan übergeht. Dieser hochreaktive Cyclus zerfällt gemäß einer [2+2]-Cycloreversion, es entstehen das Produkt und Aceton als Kopplungsprodukt. Dabei wird der Katalysator wieder frei und startet den nächsten Zyklus.Während der vergangenen Monate wurden auch unterbrochene Carbonyl-Olefin-Metathesen gezeigt, die dann zu Molekülen mit Fluorengrundkörper führen.11)<h2>Der Autor</h2>Ivan Vilotijevic, Jahrgang 1979, ist seit 2015 Juniorprofessor für organische Chemie an der Universität Jena. Er und sein Team beschäftigen sich mit Lewis-Base-Katalyse, Chemie der organischen Phosphorverbindungen und Naturstoffsynthese. Bei diesem Beitrag unterstützte ihn sein Doktorand Markus Lange. <email><a href="mailto:ivan.vilotijevic@uni-jena.de">ivan.vilotijevic@uni-jena.de</a></email><div><img src="https://media.graphcms.com/eaKS0NdLSC6OP5H5TcPG">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Die Carbonyl-Olefin-Metathese nutzt stöchiometrische Mengen von Schwermetallkomplexen10) oder katalytische Mengen eines Salzes.Durch Untersuchung der Substrate liegt ein plausibler Reaktionsmechanismus vor.Intermolekulare Carbonyl-Olefin-Metathese und katalysatorabhängige Reaktivität sind noch nicht gänzlich verstanden.Die Serie Synthese im Blickpunkt will zur Beschäftigung mit neuen synthetischen Verfahren oder eleganten und wichtigen organischen Synthesen anregen. Die Beiträge zur Serie verfassen dieses Jahr im Wechsel Ivan Vilotijevic und Franziska Thomas.
<ul><li>
1 B.. M. Novak, R. H. Grubbs, J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 960–961</li><li>
2 R. R. Schrock, J. S. Murdzek, G. C. Bazan et al., J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 3875–3886</li><li>
3 J. Heppekausen, R. Stade, R. Goddard, A. Fürstner, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11045–11057</li><li>
4 J. R. Ludwig, P. M. Zimmerman, J. B. Gianino, C. S. Schindler, Nature 2016, 533, 374–379</li><li>
5 H. Albright, P. S. Riehl, C. C. McAtee et al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 1690–1700</li><li>
6 P. S. Riehl, D. J. Nasrallah, C. S. Schindler, Chem. Sci. 2019, 10, 10267–10274</li><li>
7 H. Albright, H. L. Vonesh, M. R. Becker et al., Org. Lett. 2018, 20, 4954–4958</li><li>
8 R. B. Watson, A. J. Davis, J. L. Gomez-Lopez, D. Nasrallah, C. Schindler, 2019, doi <ext-link ext-link-type="doi">10.26434/chemrxiv.9911783.v1</ext-link></li><li>
9 J. R. Ludwig, S. Phan, C. C. McAtee et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 10832–10842</li><li>
10 B. Hong, H. Li, J. Wu, J. Zhang, X. Lei, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 1011–1015</li><li>
11 J. R. Ludwig, R. B. Watson, D. J. Nasrallah et al., Science 2018, 361, 1363</li></ul>

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