Wissenschaft + Forschung

Der Abbau von Spurengasen in der Atmosphäre und Verbrennungsreaktionen verlaufen nach einem ähnlichen Prinzip. Dies zeigen Untersuchungen mit hochempfindlichen Methoden, die Vorgänge in der Natur im Labor nachbilden und mit denen sich Reaktionsketten massenspektrometrisch verfolgen lassen.
Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe gelangen jährlich in der Größenordnung von einer Milliarde Tonnen weltweit in die Erdatmosphäre. Sie stammen aus biogenen Quellen oder sind von Menschen verursacht. Hauptemittenten sind dabei Waldgebiete, die pro Jahr 600·106 t Kohlenstoff an Isopren (C5H8) und etwa 95·106 t Kohlenstoff an Monoterpenen (C10H16) freisetzen.1)Die photochemische Selbstreinigung der Atmosphäre, hauptsächlich durch das OH-Radikal und Ozon,2) begrenzt die Konzentration dieser Spurengase in der Luft auf einen Milliardstel Volumenanteil (ppbV) oder weniger. Die umgesetzte Stoffmenge an Isopren und Terpenen übersteigt die der weltweiten industriellen Produktion wichtiger organischer Zwischenprodukte wie die des Ethylenoxids aus der Direktoxidation des Ethylens um ein Vielfaches.<h2>Autoxidation</h2>Die Teilschritte, die bei der Oxidation der Spurengase in der Atmosphäre und bei Bildung der Produkte ablaufen, sind bisher nicht hinreichend genau aufgeklärt. Das ist jedoch notwendig, um den Einfluss von Oxidationsprodukten auf das Klima und die Gesundheit zu beurteilen. Die Mechanismen dieser Reaktionen besser zu verstehen, erfordert neue experimentelle Herangehensweisen (Abbildung 1) sowie verbesserte quantenchemische Methoden.<figure><img src="https://media.graphcms.com/bD6LuEkjTHi6WQKlCyvg"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Blick in den Ausfluss des gegen die Atmosphäre offenen Strömungssystems.</figcaption></figure>
Die Isomerisierung von Peroxyradikalen (RO2), die reaktive Zwischenprodukte bei der Oxidation sind, wurde durch Experimente und durch Rechnungen als wichtiger Reaktionspfad identifiziert. Dabei kann die Geschwindigkeit der RO2-Isomerisierung die der klassischen bimolekularen RO2-Reaktionen mit NO- oder HO2-Radikalen übertreffen: Für atmosphärische Bedingungen ergeben sich für die Reaktionen mit NO und HO2-Radikalen Geschwindigkeitskonstanten pseudoerster Ordnung von 0,01 bis 1 s–1 beziehungsweise 0,002 bis 0,02 s–1. Für RO2-Isomerisierungen wurden Werte von bis über 10 s–1 bei Raumtemperatur experimentell bestimmt.3)Bei der RO2-Isomerisierung wird ein schwach gebundenes H-Atom intramolekular abstrahiert, RO2 1 QOOH (H-shift, R1), und das gebildete Hydroperoxy-Alkylradikal (QOOH) reagiert dann mit molekularem Sauerstoff zu einem neuen, um O2 schwereren, RO2-Radikal, QOOH + O2 1 OOQOOH (R2). Das Q steht für das neu gebildete Alkylradikal.Im Fall ungesättigter RO2-Radikale ist auch eine Endocyclisierung (R3) möglich, wobei das dabei gebildete Alkylradikal wiederum mit molekularem Sauerstoff zu einem neuen, schwereren RO2-Radikal reagiert (R4). Abbildung 2 zeigt Beispiele der Reaktionen (R1) – (R4).<figure><img src="https://media.graphcms.com/AsH9rERhRAS9tKd9Ugx9"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Bildung höher oxidierter RO2-Radikale durch RO2-Isomerisierung mit nachfolgender O2-Addition eingeleitet durch a) intramolekulare H-Abstraktion (H-shift) oder b) Endocyclisierung im Fall ungesättigter RO2-Radikale.</figcaption></figure>
Die Reaktionsfolge (R1), (R2) und (R3), (R4) sind zusammengefasst ein Autoxidationsschritt. Ähnliches ist von Verbrennungsprozessen bekannt, wobei dabei das gebildete QOOH aus (R1) direkt zerfällt und dabei OH freisetzt (Kettenfortpflanzung) oder nach der Reaktion mit O2 zwei OH-Radikale bildet (Kettenverzweigung).4)Lange wurde die Autoxidation als Reaktionspfad unter atmosphärischen Bedingungen vernachlässigt. Grund dafür waren die zu erwartenden hohen Reaktionsbarrieren der RO2-Isomerisierung und die damit verbundenen geringen Geschwindigkeitskonstanten bei Raumtemperatur – anders als die bei Verbrennungsprozessen, die um einige Größenordnungen höher sein können.Als erstes wiesen Ergebnisse quantenchemischer Rechnungen zur OH-Radikal-initiierten Oxidation von α-Pinen auf atmosphärenrelevante RO2-Isomerisierungen hin, was Experimente später belegt haben.5,6) Nach mehrfachen Autoxidationsschritten (RO2-Isomerisierung mit folgender O2-Addition) können hochoxidierte RO2-Radikale und die zugehörigen stabilen (geschlossenschaligen) Produkte in der Atmosphäre entstehen.7) Diese Produkte, auch HOMs (highly oxygenated organic compounds) genannt, tragen aufgrund ihrer geringen Flüchtigkeit entscheidend dazu bei, dass sich sekundäre organische Aerosole bilden, ein wichtiger Faktor für den Strahlungshaushalt der Atmosphäre.8) Diese Aerosole reflektieren teilweise die solare Strahlung und besitzen somit klimatisch eine abkühlende Wirkung. Zudem beeinflussen sie Wolkenbildung und Niederschlag, da sie die notwendigen Kondensationskerne bereitstellen.9)<h2>Atmosphärenbedingungen im Labor</h2>Für Laboruntersuchungen nutzen wir ein Freistrahlströmungssystem (Abbildung 1), das Experimente unter atmosphärischen Bedingungen (Temperatur von etwa 295 K und 1 bar Luft oder andere Stickstoff-Sauerstoff-Gemische) für Verweilzeiten von bis zu acht Sekunden erlaubt.6) Das Strömungssystem wurde in Zusammenarbeit mit Verfahrenstechnikern entwickelt, um Gasphasenreaktionen ohne den Einfluss von Wandverlusten und heterogenen Reaktionen durchführen zu können. Damit sind Experimente zur Bildung und Weiterreaktion reaktiver Intermediate wie RO2-Radikale und Criegee-Intermediate (reaktive Zwischenprodukte der Alken-Ozonolyse) nahezu störungsfrei möglich.Intermediate und die daraus entstehenden stabilen Endprodukte verfolgen wir fast ausschließlich mit Massenspektrometrie, da Molekülspektroskopie in den meisten Fällen nicht empfindlich genug ist. Dabei verwenden wir verschiedene Methoden der chemischen Ionisierung unter Atmosphärendruck. Es handelt sich um solche Ionisationsmethoden, bei denen sich hauptsächlich Addukte der (Analyt-)Primärionen bilden und Fragmentierung vernachlässigbar ist. Dies erleichtert es, die Produktspektren zu interpretieren.Das genutzte Einlasssystem war ursprünglich dazu entwickelt worden, Schwefelsäure in der Atmosphäre nachzuweisen.10) Neben den etablierten Primärionen, wie Nitrat (NO3–), Acetat (CH3COO–) oder Iodid (I–), haben sich neuerdings protonierte Amine, wie Ethylaminium (C2H5NH3+)11) oder Ammonium (NH4+)11) als effiziente Primärionen erwiesen, um ein weites Spektrum vorwiegend oxidierter organischer Verbindungen nachzuweisen.Quantenchemische Rechnungen zur Stabilität der (Analyt-)Primärionaddukte unterstützen die Entwicklung der Ionisierungsmethoden.10) Die Nachweisgrenzen im Freistrahlexperiment belaufen sich bis auf etwa 104 Moleküle pro cm3 und in speziellen Fällen darunter, das heißt bis unterhalb ppqV-Niveau (ppqV: ein Billiardstel Volumenanteil, 10–15). Dies erlaubt das einfachste Criegee-Intermediat, CH2OO, aus der Ozonolyse des Ethylens unter atmosphärischen Bedingungen direkt nachzuweisen.13)<h2>Den Anfang beobachten</h2>Mit optimaler Reaktionsführung sind Untersuchungen des Reaktionsstarts möglich. So lässt sich die Oxidation so steuern, dass die Reaktandumsätze gering genug sind, um gezielt die einsetzende Bildung der RO2-Radikale und die mögliche RO2-Isomerisierung zu verfolgen. Unter diesen Bedingungen sind bimolekulare RO2-Reaktionen aufgrund kinetischer Grenzen vernachlässigbar.Erhöht man stufenweise die RO2-Konzentrationen, lassen sich Reaktionspfade der einsetzenden RO2-Selbst- und Kreuzreaktionen studieren.14) Durch Zugabe weiterer Reaktionspartner wie NO oder HO2-Radikale lässt sich beobachten, wie die Produkte aus den RO2-Reaktionen damit entstehen.Abbildung 3 zeigt das Produktspektrum der Reaktion von OH-Radikalen mit α-Pinen, C10H16, nach einer Reaktionszeit von 7,5 Sekunden und einem Umsatz an α-Pinen von 1,7 · 107 Molekülen pro cm3 in Gegenwart von 9 · 108 Molekülen Stickstoffmonoxid (NO) pro cm3.<figure><img src="https://media.graphcms.com/FPiUNpKUSUi6PHdwEjq3"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Massenspektrum des frühen Stadiums der Reaktion OH + α-Pinen, umgesetztes α-Pinen: 1,7 · 107 Moleküle pro cm3 für eine NO-Konzentration von 9 · 108 Moleküle pro cm3. Die Produktsignale erscheinen als Addukte mit dem Primärion n-C3H7NH3+ und sind um 60,08 amu im Spektrum verschoben. RO2-Radikale sind angegeben in Rot, die stabilen Endprodukte in Schwarz.</figcaption></figure>
OH-Radikale entstehen aus der Reaktion HO2 + NO 1 OH + NO2, wobei HO2 photolytisch aus Isopropylnitrit erzeugt wurde. Es sind die Adduktsignale der primär erzeugten RO2-Radikale HO-C10H16O2 sowie die über Autoxidation gebildeten höher oxidierten HO-C10H16(O2)O2 und HO-C10H16(O2)2O2 nach formalem O2-Einschub sichtbar (jeweils in Rot). Als Primärion zur Ionisierung diente n-Propylaminium, n-C3H7NH3+.Zudem sind die Signale der Endprodukte C10H16O2, C10H16O4 und C10H16O6 erkennbar, die über RO2+NO-Reaktionen gebildet werden. Es handelt sich dabei höchstwahrscheinlich um Carbonylverbindungen. Rückschlüsse auf die Struktur lässt die verwendete massenspektrometrische Methode bisher nicht zu.<h2>Höhere NO-Konzentration</h2>Die Erhöhung der NO-Konzentration auf 4,7 · 1010 Moleküle pro cm3 führt zur verstärken OH-Produktion und somit zu höherem Umsatz an α-Pinen von 4,0 · 108 Molekülen pro cm3. Zusätzlich beschleunigt sich die Bildung der Endprodukte durch die Reaktion von RO2-Radikalen mit NO (Abbildung 4). Die Adduktsignale weiterer Endprodukte werden im Spektrum sichtbar, darunter die der organischen Nitrate (grün), die aus einem Kanal der Reaktion von RO2-Radikalen mit NO direkt entstehen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/21IOH2qWQy2Py5qGu9I8"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Massenspektrum der Reaktion OH + α-Pinen bei erhöhter NO-Konzentration von 4,7 · 1010 Molekülen pro cm3, umgesetztes α-Pinen: 4,0 · 108 Moleküle pro cm3. Zusätzlich sind Signale organischer Nitrate zu erkennen (grün).</figcaption></figure>
Die hier verwendete NO-Konzentration entspricht den Bedingungen der moderat verschmutzten Atmosphäre, wie sie in europäischen Städten gemessen wird. Somit ist die gemessene Produktverteilung repräsentativ für diese Umweltbedingungen. Die Bildung hochoxidierter Produkte (HOMs), C10H16O6 und HO-C10H16(O2)2O2 in Abbildung 3 wird in Gegenwart der höheren NO-Konzentrationen nur geringfügig zurückgedrängt. Die Autoxidation der RO2-Radikale in diesem Reaktionssystem entsprechend der Reaktionsfolge (R1), (R2) sowie (R3), (R4) ist bei einer Temperatur von 295 K schnell genug, um mit den RO2+NO-Reaktionen konkurrieren zu können.Nach mechanistischen Vorstellungen müssen die Produkte mit vier oder mehr O-Atomen mindestens einen Autoxidationsschritt durchlaufen. Deren wesentlicher Anteil am gesamten Produktspektrum belegt, wie wichtig das Reaktionsprinzip der Autoxidation auch für Atmosphärenbedingungen ist.<h2>Ausblick: mehr Oxidationsprozesse</h2>Weitere Erkenntnisse erbrachte in letzter Zeit eine interdisziplinäre Untersuchung der Oxidationsprozesse von Alkanen (C6 und größer) unter Verbrennungs- und Atmosphärenbedingungen zwischen 295 und 520 K.14) Bei Verbrennungsbedingungen liefen mehrstufige Autoxidationsschritte mit vier bis fünf O2-Einschüben ab. Damit sind die chemischen Vorgänge beim Zünden der Verbrennung besser zu verstehen.Bei Atmosphärenbedingungen wurden erstmals messbare Ausbeuten hochoxidierter Produkte (HOMs) ausgehend von der OH-Radikal-initiierten Oxidation von Cycloalkanen nachgewiesen. Mechanistisch wird deren Bildung über Isomerisierungsschritte von RO2- und RO-Radikalen erklärt. Bei der Oxidation des Decalins erhöhte Zugabe von NO die molaren HOM-Ausbeuten auf bis zu 20 Prozent. Die NO-Abhängigkeit belegt die Bedeutung der RO-Isomerisierung in diesen Reaktionssystemen.Um die Reaktionspfade der RO2- und RO-Isomerisierungen besser in den Gesamtprozess der Oxidation einzuordnen zu können, sind weitere mechanistische und kinetische Untersuchungen notwendig.<h2>Der Autor</h2>Torsten Berndt, Jahrgang 1964, beschäftigt sich experimentell mit der Kinetik und Reaktionsmechanismen von Gasphasenreaktionen. Er interessiert sich besonders für Criegee-Intermediate und RO2-Radikale. <a href="mailto:berndt@tropos.de">berndt@tropos.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/jUfXcDVLTJKUPDWDoJbQ">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe reagieren in der Atmosphäre photochemisch mit OH-Radikalen und Ozon.Um den Einfluss dieser Reaktionen auf das Klima und die Chemie der Atmosphäre zu verstehen, sind die Reaktionsschritte aufzuklären und die Zwischenprodukte zu charakterisieren.Ein wichtiger Reaktionspfad ist die Autoxidation, die allerdings durch erhöhte NO-Konzentrationen unterdrückt wird.
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3 a.) J. D. Crounse, L. B. Nielsen, S. Jørgensen, H. G. Kjaergaard, P. O. Wennberg, J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3513–3520; b) L. Xu K. H. Møller, J. D. Crounse et al., J. Phys. Chem. A 2019, 123, 1661–1674</li><li>
4 F. Battin-Leclerc, O. Herbinet, P.-A. Glaude et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 3169–3172</li><li>
5 L. Vereecken, J. F. Muller, J. Peeters, Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 5241–5248</li><li>
6 T. Berndt, S. Richters, T. Jokinen et al., Nat. Commun. 2016, 7, 13677</li><li>
7 T. Jokinen, M. Sipilä, S. Richters et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 14596–14600</li><li>
8 a) M. Ehn, J. A. Thornton, E. Kleist et al., Nature 2014, 506, 476 – 479. b) F. Bianchi, T. Kurtén, M. Riva et al., Chem. Rev. 2019, 119, 3472–3509</li><li>
9 J. E. Hansen, M. Sato, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, doi: <ext-link ext-link-type="doi">10.1073/pnas.261553698</ext-link></li><li>
10 F. L. Eisele, D. J. Tanner, J. Geophys. Res. 1993, 98(D5), 9001–9010</li><li>
11 T. Berndt, N. Hyttinen, H. Herrmann, A. Hansel, Commun. Chem. 2019, doi: <ext-link ext-link-type="doi">10.1038/s42004-019-0120-9</ext-link></li><li>
12 A. Hansel, W. Scholz, B. Mentlera, L. Fischer, T. Berndt, Atmos. Environ. 2018, 186, 248–255</li><li>
13 T. Berndt, H. Herrmann, T. Kurten, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13387–13392</li><li>
14 T. Berndt, W. Scholz, B. Mentler et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3820–3824</li><li>
15 Z. Wang, M. Ehn, M. P. Rissanen et al., Commun. Chem. 2021, doi: <ext-link ext-link-type="doi">10.1038/s42004-020-00445-3</ext-link></li></ul>

Artikel

Oxidationsprozesse in der Atmosphäre

Der Abbau von Spurengasen in der Atmosphäre und Verbrennungsreaktionen verlaufen nach einem ähnlichen Prinzip. Dies zeigen Untersuchungen mit hochempfindlichen Methoden, die Vorgänge in der Natur im Labor nachbilden und mit denen sich Reaktionsketten massenspektrometrisch verfolgen lassen. Nicht-...

Earth-abundant metal compounds in biological systems provide molecules of high purity and excellent selectivity in quantitative yield, without generating toxic waste. Adopting this to chemists‘ syntheses will save cost and time in industrial chemistry and in the sustainable production of chemicals. A number of examples illustrate this potential.
The field of green chemistry has set out the means by which sustainability of chemical synthesis can be improved. The 12 principles of Green Chemistry developed by Anastas and Warner provide good guidelines for the general features needed in sustainable chemical processes, including safe and largely available reagents, management of waste, reduced energy use, and improved atom-economy of syntheses.1)Diverse areas of chemistry require consideration of all aspects to achieve sustainability. Eighty-five to ninety percent of industrial chemical processes involve at least one catalytic step to produce pharmaceuticals, fuels, and advanced materials. Therefore, sustainable catalysis is one of the most important mainstays on the road to green chemistry.Among catalytic systems, reaction with 4d and 5d metals (such as Mo, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Au …) has become essential for organic synthesis, due to their advantages – such as resistance to corrosion and oxidation, ability to undergo two-electron oxidation state changes, high selectivity, and predictable reactivity.However, today the focus is increasingly shifting to catalysts based on earth-abundant metals such as Fe, Ni, Mn and Co due to the economic and environmental benefits.2) This makes it possible to counter the diminishing reserves of precious metals on earth and to reduce catalyst costs.<h2>Cross-coupling reactions</h2>Cross-coupling reactions are one of the chemist‘s most powerful tools for coupling organic halides and organic or organometallic nucleophiles. Reactions catalysed by palladium still dominate the field, with Suzuki and Sonogashira couplings being the most common reactions in industrial processes. Over the last decade, the widespread use of first-row metals in large-scale catalytic processes has been increased.Due to the relatively low toxicity of many iron species and high abundance in the earth‘s crust, iron compounds are very attractive for catalysis. Unlike the late and noble transition metals, iron salts mostly exhibit high reaction yields even when using alkyl Grignard reagents containing β-hydrogen atoms, which is often a major challenge in metal-catalysed cross-couplings.3) Multi-kilogram-scale syntheses are currently being carried out with iron-based catalysts. Recently, extensive knowledge has been gained on the understanding of the mechanistic scenarios of iron-catalysed reactions. Here, the groups of Fürstner, Bedford, and Neidig have made important contributions.4)A noteworthy feature of simple iron salt-catalysed cross-coupling reaction is the use of N-methyl-2-pyrolidone (NMP), which is the most effective O-coordinating ligand to iron. However, NMP is reprotoxic, and the development of synthetic strategies that preclude safety concerns is an important goal of green chemistry. As shown by Szostak and coauthors, cyclic ureas like DMI or DMPU are efficient and sustainable alternatives to NMP in iron-catalysed alkylations of aryl chlorides and tosylates with alkyl Grignard reagents, with efficiency matching or superseding NMP.5) An illustrative example of the new ligand development comes from Nakamura and co-workers. They cross-coupled alkyl halides and aryl Grignard reagents enantioselectively using iron-chiral bisphosphine ligands.6)In their later work the authors applied well-defined iron phosphine complexes [FeCl2(SciOPP)] ((5), Figure 1a) to cross-couple glycosyl chlorides and bromides with aryl-, heteroaryl-, and vinylmetal reagents.7) The reaction of 2,3,5-tri- O-acetyl-β-D-ribofuranosyl chloride (1) with phenylzinc reagent proceeded with β-selectivity of the product (2). 2,3,4-tri-O-acetyl-β-Dribopyranosyl chloride (3) as a substrate showed excellent β-selectivity of the product (4).<figure><img src="https://media.graphcms.com/xOipAcS5SKudkktSQJR2"><figcaption><label>Abb. 1: </label>a) Iron-catalysed diastereoselective cross-coupling reaction of glycosyl chlorides, b) nickel-catalysed heteroaryl Suzuku cross-coupling and alkyl-alkyl Kumada cross-coupling.</figcaption></figure>
Among different bisphosphine ligands tested a well-defined iron complex, FeCl2(TMSSciOPP) (5) showed the highest efficacy, affording (2) 81 % yield and (4) 84 % yield while using 5 mol percent of the catalyst.Notably, such selectivity in the synthesis of aryl glycosides could not be achieved via palladium catalysis. The authors suggested that the reaction proceeds via a glycosyl radical intermediate, and they explained the anomeric diastereoselectivity of the products with their relative stability.<h2>Ligands in cross-couplings</h2>The activity of iron catalysts in diverse cross-coupling reactions can be controlled via the ligands, for example bis(imino)pyridine8) or N-heterocyclic carbenes9).Recently, Cornella and co-workers developed a novel series of Ni0 complexes that are more robust and air- and temperature stable than Ni(COD)2. The group used stilbene derivatives as ligands.10) The system is modular in design and thus allows for ligand exchange with commonly used ligands such as diamines, phosphines, or N-heterocyclic carbenes, resulting in well-defined Ni0-L species (Figure 1b). The authors showed that Ni(4-CF3stb)3 (12) – a complex with p-CF3 stilbene derivatives as ligands – catalyses the Suzuki coupling reaction between the two heteroaryl partners 3-thienyl boronic acid (6) and 2-bromopyrimidine (7). As Ni(COD)2 doesn‘t work in this reaction, nickel-catalysed heterobiaryl couplings are currently carried out using a NiII precatalyst in combination with the phosphine.In their further study, the authors made the substituent on the ligand bulkier to find out whether it contributes to the stability of the complex.11) Indeed, Ni(4-tBustb)3 (13) was identified as a preferred Ni0 complex, with properties that overcome the limitations of Ni(4-CF3stb)3 (12). For instance, while (12) was completely inactive in the alkyl-alkyl cross-coupling between alkyl bromide (9) and alkyl Grignard reagent (10), the Ni(4-tBustb)3 (13) afforded a &gt; 95 % yield (11). Moreover, (13) presents faster kinetic profiles and a broader scope as a Ni0 source in many Ni-catalysed transformations, such as conversion of vinyl triflates to vinyl halides or industrially relevant oligomerization of ethylene to obtain higher-molecular-weight α-olefins.<h2>Screening existing libraries</h2>The development of new ligands for the first-row metal-based catalysis is complicated because they commonly have multiple coordination geometries, oxidation and spin states, and they tend to easy ligand disproportionation.To identify new ligand structure motifs for nickel-catalysed C-C couplings, Weix lab and a group at Pfizer used pharmaceutical, structurally diverse compound libraries and screened the compounds.12) Without new synthetic efforts after primary and secondary screens, pyridyl-2-carboxamidines-based ligands turned out to be best for cross-electrophile coupling reaction. Hence, this core was used for additional screening, leading to a compound-library-derived ligand collection.To evaluate the utility of this approach, the best ligands from the two screens were applied to the coupling of 2-substituted bromoarenes (14) or 3-bromopyridine derivatives (15) with alkyl halides (16) (Figure 2, p. 86).<figure><img src="https://media.graphcms.com/fNPClPCT8S2QyO5VGT5A"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Reaction conditions employed for nickel-catalysed cross-electrophile coupling of aryl halides with alkyl halides, some ligands and products with isolated yields.</figcaption></figure>
The best ligands for reactions with (14) were found to be (19a), (20c) and (21b). In particular, N-Boc-2-bromoaniline, 2-bromophenylboronic acid and 2-bromobenzoic acid gave almost no detectable products with the dmpy ligand used as control and 56 to 63 % yields with the ligands (19a) and (20c). Amidine ligand library was also applied in the coupling reaction of 3-bromopyridine derivatives with alkyl halides. While terpy and dmpy ligand formed less than 40% of the coupling product, tridentate 2,6-pyridinedicarboxamidine (22) gave more than 70 % yield. The improved yields are associated with a reduced amount of homocoupling.<h2>C-H activation</h2>Compared to the established cross-coupling reactions, C-H activation represents a more sustainable approach. The pre-functionalisation of the starting materials, multi-step synthesis processes, and the formation of unwanted by-products can be omitted, thus increasing atom economy and improving the overall efficiency of the chemical process.13) The current efforts on C-H activation, inspired by early contributions on cross-coupling reactions, aim to improve the environmental persistence of catalysts by using earth-abundant metals.14)Many C-H functionalisations catalysed by 3d metals have undergone major development in the last decade. These involve Csp2-H and Csp3-H activations, with C-C bond formations representing the vast majority.Iron is one of the most attractive candidates for sustainable C-H catalysis due to its low toxicity, which reduces the effects of high catalyst loading. While most known iron catalysts require an anaerobic environment, an impressive activity for an intermolecular C-H amidation towards γ-lactam synthesis (TON up to 47 000) under aerobic conditions was recently described by Chang and co-authors.15) They used robust (phthalocyanine)FeIIICl catalyst and dioxazolones that are easily prepared from the corresponding carboxylic acid feedstocks (Figure 3a). The efficiency is hardly affected by the electronic perturbation at the phenyl substituents (23), and high diastereoselectivity was observed when a β-methyl-substituted dioxazolone was used ((24), d.r. &gt; 20:1). When a dioxazolone substrate bearing both benzylic and tertiary γ-CH bonds was subjected to the catalytic conditions, the cyclisation was favoured towards the benzylic position (B) over the tertiary (T) site ((25)/(26), 6.1:1) On the other hand, the [PcFeIIICl]-catalyzed amination was almost exclusive at the benzylic position in the presence of competing aliphatic C-H bonds ((27)/(28)). As mechanistic investigations show, the C-N bond formation involves a radical intermediate in the doublet spin state, and the release of the product occurs in the quartet spin state (Figure 3b). Therefore, the authors concluded that the easy spin conversion of the iron species is the origin of the high catalytic activity of [PcFeIIICl].<figure><img src="https://media.graphcms.com/SJ9Xw9nSQUaCxaFeEwb0"><figcaption><label>Abb. 3: </label>a) Reaction conditions for the [PcFeIIICl]-catalysed intramolecular C-H-amidation and selected examples of the products with isolated yields, b) a plausible mechanistic pathway of the reaction.</figcaption></figure>
<h2>Combining green catalysis and green energy</h2>Light can be used as a clean and efficient energy source in chemical transformations. Combining photo- and metal-free catalysis makes chemical reactions more sustainable. An interesting study on metal-free photo-activation of aromatic compounds to nitriles under cyanide-free conditions comes from König‘s group:16)They carried out photocatalytic ammoxidation of C(sp3)-H bonds using the commercially available organic dye 2,4,6-triphenylpyrylium tetrafluoroborate ((31), TPP) and readily available starting materials, avoiding metals and toxic reagents (Figure 4a). NH2O · HCl was used as a suitable source of ammonia, and it was shown that the presence of NH4Br is also crucial for the conversion of (29) to (30). A wide range of substrates, including also hetero(aryls), aldehydes, alcohols, and aldoxymes, were transformed to the corresponding nitriles. Last-stage functionalisation of molecules with complex structures – such as cholesterol (32), sugar derivative (33), and peptide analogue (34) – were also possible (45 to 63 % yield). The anti-inflammatory drug Celexoxib (35) gave the desired product in 70 % yield.<figure><img src="https://media.graphcms.com/9yQFuF5bRVC1fELK1dlH"><figcaption><label>Abb. 4: </label>a) Synthetic pathways towards photocatalytic nitrile formation and b) oxygenation, with examples of the products with isolated yields.</figcaption></figure>
Highly selective photomediated C-H oxygenation of toluene and its derivatives was recently described by Garcia Marcheno (Figure 4b).17) Among different acridinium salts, 9-imide acridinium catalyst (38) oxidises toluene (36) to benzaldehyde (37) in 36 % yield under blue LED irradiation, while benzoic acid was formed in trace amounts. Although increasing the concentration and air volume resulted in the loss of selectivity, dilution to 0.05 M resulted in the selective formation of benzaldehyde. Given the exceptionally mild reaction conditions, various functional groups were well tolerated, enabling the formation of complex structures such as natural products and drug derivatives. For instance, ibuprofen precursor (39), l-menthol (40), l-valine (41), and androsterone (42) derivatives were obtained in good isolated yields (35 to 67%) and chemoselectivity.The main drawback of photocatalytic systems is often the very time-consuming synthesis of the required catalyst to ensure individual redox potentials. This limitation could be overcome by using electrosynthesis, where a whole range of useful redox potentials is readily accessible.18)<h2>Die Autorin</h2>Anzhela Galstyan, born 1981, is junior group leader at the University of Münster. Her current research interests are syntheses, self-organization, nanotechnological and biological applications of photoactive compounds. She earned her PhD in chemical and molecular biology at TU Dortmund and at the International Max Planck Research School. Afterwards she was a postdoc with Luisa De Cola at the Center for Nanotechnology (Univ. Münster) and at the European Institute for molecular Imaging (Universitätsklinikum Münster).<div><img src="https://media.graphcms.com/pLT6d9OT6KupjL4TssJQ">

</div><h2>In a nutshell</h2>There are a lot of sustainable reactions, for example with iron as a catalyst or photo-acitivated transformations.Shortcomings are for instance the need to pre-functionalise starting materials in C-C couplings or for directing groups in C-H activation.To meet the principles of green chemistry, sustainable solvents, energy delivery from microwave and ultrasonic irradiation and continuous flow processes could be employed.This year, the texts of the series Synthese im Blickpunkt are alternately written by Anzhela Galstyan and Dorian Didier.
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