Sustainable Synthesis with Alcohols : from Rare Noble to Earth-Abundant Metal Catalysts

Titelangaben

Deibl, Nicklas:
Sustainable Synthesis with Alcohols : from Rare Noble to Earth-Abundant Metal Catalysts.
Bayreuth , 2017 . - 247 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The scope of the present work includes sustainable catalytic synthetic methods of important classes of compounds starting from alcohols as a renewable resource. The key for all the reactions presented is the use of transition metal complexes (based on Ir, Co and Mn) stabilized by PN5P pincer ligands. These ligands are based on commercially available triazine cores, from which a library of differently substituted ligands is accessible. These complexes can catalyze Borrowing Hydrogen / Hydrogen Autotransfer (BH/HA) reactions and/or Acceptor-free Dehydrogenative Condensations (ADC). The Kempe group recently reported methods for the synthesis of diverse aromatic N-heterocycles from alcohols based on the ADC concept. Within this work, a sustainable multicomponent pyrimidine synthesis from alcohols and amidines was developed. The synthesis presented combines BH/HA and ADC reactions to obtain partially or fully substituted pyrimidines from up to three alcohols and an amidine (or guanidine). This synthesis was discovered and elaborated using a PN5P ligand-stabilized iridium complex developed by the Kempe group. After identification of the ideal reaction conditions for different substitution patterns, 38 different pyrimidines were synthesized in isolated yields of up to 93 %. An even more sustainable approach is the replacement of precious and rare noble metals in such reactions by broadly available and cheap base metals such as cobalt. To comply with this requisition for a more sustainable chemistry, a cobalt-catalyzed C-C bond formation reaction was elaborated next. It is based on the α-alkylation of acetamides and tert-butyl acetate with alcohols, according to the BH/HA concept. These reactions have only been realized so far using noble metal catalysts. An active pre-catalyst for each of the two reactions was identified from a library of PNP ligand-stabilized cobalt complexes. This library also allowed a response to challenging substrates by choosing another suitable pre-catalyst. In addition to the synthesis of 22 examples of the alkylation of amides and 12 examples of the alkylation of esters, the synthetic use of compounds synthesized by this method was demonstrated by follow-up reactions. A total of 40 products was synthesized within this project. However, the cobalt complexes mentioned previously could not catalyze ADC reactions. The potential of manganese, the third most abundant metal in the earth’s crust, for (de-)hydrogenation reactions was only discovered recently in 2016. The pyrimidine synthesis described earlier was elaborated using a PN5P ligand-stabilized manganese complex and the reaction represents one of the first manganese-catalyzed syntheses of aromatic N-heterocycles from alcohols. The manganese complex could catalyze both the three-component and the consecutive four-component synthesis, which is based on a preceding β-alkylation reaction between two alcohols. In addition, a manganese-catalyzed bond formation between two alcohols has not been reported before. The similar reactivity (regarding the type of reaction) of the manganese catalyst compared to the iridium catalyst for both distinct reactions suggests that manganese has the potential to replace iridium or other noble metals in such reactions.

Abstract in weiterer Sprache

Inhalt der vorliegenden Arbeit sind nachhaltige, katalytische Synthesemethoden wichtiger Verbindungsklassen ausgehend von Alkoholen als nachhaltige Ressource. Der Schlüssel für alle vorgestellten Reaktionen ist der Einsatz von Übergangsmetallkomplexen (basierend auf Ir, Co und Mn), die durch PN5P-Pincerliganden stabilisiert werden. Diese Liganden basieren auf kommerziell erhältlichen Triazin-Grundkörpern, wodurch eine Bibliothek verschieden substituierter Liganden einfach zugänglich ist. Diese Komplexe sind imstande, Borrowing Hydrogen / Hydrogen Autotransfer (BH/HA) Reaktionen und/oder Akzeptorfreie Dehydrierende Kondensationen (ADC) zu katalysieren. Von der Arbeitsgruppe Kempe wurden kürzlich Methoden zur Synthese verschiedener aromatischer N-Heterocyclen aus Alkoholen basierend auf dem ADC-Konzept entwickelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine nachhaltige Mehrkomponentensynthese von Pyrimidinen erarbeitet. Die vorgestellte Synthese kombiniert BH/HA und ADC-Reaktionen, um teilweise oder vollständig substituierte Pyrimidine aus bis zu drei Alkoholen und einem Amidin (oder Guanidin) zu erhalten. Diese Synthese wurde unter Benutzung eines PN5P-Ligand-stabilisierten Iridiumkomplexes, der von der Arbeitsgruppe Kempe entwickelt wurde, entdeckt und ausgearbeitet. Für verschiedene Substitutionsmuster wurden jeweils die besten Reaktionsbedingungen ermittelt, was die Synthese von insgesamt 38 verschiedenen Pyrimidinen in isolierten Ausbeuten von bis zu 93 % erlaubte. Ein noch nachhaltigerer Ansatz stellt der Ersatz von teuren und seltenen Edelmetallen durch breit verfügbare und günstige Basismetalle wie Cobalt dar. Um dieser weiteren Anforderung für eine nachhaltigere Chemie nachzukommen, wurde als nächstes eine Cobalt-katalysierte C-C Knüpfungsreaktion durch α-Alkylierung von Acetamiden und tert-Butylacetat durch Alkohole basierend auf dem BH/HA Konzept entwickelt (Schema 2). Diese Reaktionen konnten bisher nur durch den Einsatz von Edelmetallkatalysatoren realisiert werden. Aus einer Bibliothek von PNP Ligand-stabilisierten Cobaltkomplexen wurde für beide Reaktionen jeweils ein aktiver Präkatalysator identifiziert. Diese Bibliothek erlaubte es außerdem, auf anspruchsvolle Substrate durch die gezielte Auswahl eines anderen geeigneten Präkatalysators zu reagieren. Neben der Synthese von insgesamt 22 Beispielen für die Alkylierung von Amiden bzw. 12 für die von Estern wurde anhand von Folgereaktionen der synthetische Nutzen der auf diese Art und Weise erhaltenen Verbindungen aufgezeigt. Im Rahmen dieses Projekts wurden insgesamt 40 Produkte hergestellt. Die vorher genannten Cobalt-Komplexe waren allerdings nicht in der Lage, ADC-Reaktionen zu katalysieren. Erst im Jahr 2016 wurde das Potential von Mangan, dem dritthäufigsten Metall im Erdmantel, für (De-)Hydrierreaktionen erkannt. In dieser Arbeit wurde die zuvor beschriebene Pyrimidinsynthese mit einem PN5P-Ligand stabilisierten Mangankomplex und damit eine der ersten Mangan-katalysierten Synthesen aromatischer N-Heterocyclen ausgehend von Alkoholen erarbeitet. Der Mangankomplex war imstande, sowohl die Dreikomponenten- als auch die konsekutive Vierkomponentensynthese, welche auf einer vorangeschalteten β-Alkylierungsreaktion zwischen zwei Alkoholen beruht, zu katalysieren. Auch eine Mangan-katalysierte Knüpfungsreaktion zwischen zwei Alkoholen war bisher nicht bekannt. Die ähnliche Reaktivität (bezogen auf die Art der Reaktion) des Mangankatalysators im Vergleich zu dem Iridiumkatalysator für beide einzelnen Reaktionen lässt den Schluss zu, dass Mangan das Potential hat, Iridium oder andere Edelmetalle in solchen Reaktionen zu ersetzen.