New catalysts for base-catalysed hydroamination reactions of olefins [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Patricia Horrillo Martínez

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New Catalysts for Base-Catalysed Hydroamination Reactions of Olefins Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades vorgelegt von Patricia Horrillo Martínez aus Tudela de Navarra, Spanien Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 18.07.2008 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. E. Bänsch Erstberichterstatter: Assist. Prof. Dr. K. C. Hultzsch Zweitberichterstatter: Prof. Dr. H. Gröger a mis Padres y Achim Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Organische Chemie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in der Zeit von Oktober 2003 bis September 2007 unter Anleitung von Priv. Doz. Dr. Kai C. Hultzsch angefertigt. Ich danke Dr. Kai C. Hultzsch für den wissenschaftlichen Anstoß, das stetige Interesse an dieser Arbeit sowie die wertvolle Hilfe bei der Erstellung dieses Manuskripts. Auch danke ich Prof. John A. Gladysz für die Möglichkeit in seiner Gruppe promovieren zu können und für die interessante Diskussionen. Den Angestellten des Organischen Instituts möchte ich für Ihre Hilfe danken: Dr. Frank Hampel und Wolfgang Donaubauer (Röntgenstrukturanalyse), Wilfried Schätzke, Christian Placht und besonderes Prof.
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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New Catalysts for Base-Catalysed
Hydroamination Reactions of Olefins




Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades




vorgelegt von
Patricia Horrillo Martínez
aus Tudela de Navarra, Spanien


Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen
Fakultäten der Universität Erlangen-Nürnberg




















Tag der mündlichen Prüfung: 18.07.2008


Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. E. Bänsch
Erstberichterstatter: Assist. Prof. Dr. K. C. Hultzsch
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. H. Gröger


a mis Padres y Achim





















Die vorliegende Arbeit wurde am Institut für Organische Chemie der Friedrich-Alexander-
Universität Erlangen-Nürnberg in der Zeit von Oktober 2003 bis September 2007 unter
Anleitung von Priv. Doz. Dr. Kai C. Hultzsch angefertigt. Ich danke Dr. Kai C. Hultzsch für den wissenschaftlichen Anstoß, das stetige Interesse
an dieser Arbeit sowie die wertvolle Hilfe bei der Erstellung dieses Manuskripts. Auch danke
ich Prof. John A. Gladysz für die Möglichkeit in seiner Gruppe promovieren zu können und
für die interessante Diskussionen.
Den Angestellten des Organischen Instituts möchte ich für Ihre Hilfe danken: Dr.
Frank Hampel und Wolfgang Donaubauer (Röntgenstrukturanalyse), Wilfried Schätzke,
Christian Placht und besonderes Prof. Walter Bauer (NMR –Spektroskopie), Wolfgang
Donaubauer und Margarete Dziallach (mindestens tausend mal haben Sie Massenspektren für
mich gemessen), Eva Hergenröder (Elementaranalyse), Hannelore Oschmann und Robert
Panzer (Chemikalien), Stefan Fronius und Bahram Saberi (Glasbläserei), Erwin Schreier und
Eberhard Ruprecht (Mechanische Werkstatt), Reinhard Wolff und Holger Wohlfahrt
(ehemaliger und neuer Hausmeister). Mein besonderer Dank geht auch an Dr. Frank Hampel,
Christiane Brandl-Rittel und Pamela Engerer für die freundliche Hilfe mit administrativen
Dingen.
Ich danke meinen Laborkollegen Inka, Boyan, Alexander und vor allem Denis für die
nette Atmosphäre und die gute Zusammenarbeit.
Dem gesamten Arbeitskreis Gladysz (ehemalige und gegenwärtige Mitarbeiter) danke
ich für die wunderbaren Jahre in Erlangen. Ihr werdet für immer in meinem Herzen bleiben.
Ich danke auch den Fußballspielern des Instituts: Der Dienstag war immer etwas Besonderes.
Mein herzlicher Dank gilt meinen Freunden in Deutschland (Patri 1, Verona, Laura,
Elena, Yolanda, Sergio, Saul, Jose P., Ana, Carolina, Anne-So, Patrick) und in Spanien (Eva
und Pere, Sonia, Chloe, Roser und Joan, Salut, Maria, Isabel, Anna, Adrià, Jose A.) für die
moralische Unterstützung.
Ganz besonders danke ich meinen Eltern, meiner Schwester und Achim für ihre
bedingungslose Unterstützung. Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese von neuartigen, Prolin-modifizierten,
chiralen Binaphthyl-Komplexen ausgewählter Hauptgruppen- (Li, Mg, Zn) und
Seltenerdmetallen (Y, La), sowie deren Anwendung in der intramolekularen
Hydroaminierung von Aminoalkenen, Aminodialkenen und Aminoalkinen.
Hydroaminierungen von Vinylaromaten mit primären und sekundären Aminen
wurden unter Verwendung geringer Katalysatorbeladungen von [(TMEDA)
Li{N(SiMe ) }] (29) bis hinab zu 2 mol% untersucht. Bei 120 °C laufen diese Reaktionen, 3 2
ohne Zusatz von Lösungsmitteln, zügig und selektiv zu den anti-Markovnikov Produkten
ab und ermöglichen deren Isolierung in 23-96% Ausbeute. Im Falle elektronenarmer
p-Chlorstyrole oder sekundärer, zyklischer Amine, wie zum Beispiel Pyrrolidin, Piperidin
oder Morpholin, kann bereits bei 25 °C langsame Hydroaminierungsaktivität festgestellt
werden. Primäre Amine jedoch können einer nachfolgenden, zweiten Hydroaminierung
unterliegen und somit auch zu tertiären Aminen führen. Unter Verwendung eines Amin-
Überschusses war es hierbei möglich die Selektivität bezüglich des mono-hydroaminierten
Produkts gegenüber dem tertiären Amin zu erhöhen. Des Weiteren wurde die
intermolekulare Hydroaminierung von Vinylaromaten mit zahlreichen primären und
sekundären Aminen in Anwesenheit einfacher Lithium- und Kaliumamide untersucht. Im
Vergleich zu [Li{N(SiMe ) }], konnte für [K{N(SiMe ) }] eine höhere katalytische 3 2 3 2
Aktivität bei verringerter Selektivität festgestellt werden, die sich in der Bildung
unerwünschter Nebenprodukte durch α-C-H-Aktivierung äußerte.

2mol%[Li{N(SiMe) }]3 2
2mol%Additiv R' Ar
N+ +Ar HN R'R'' NAr R'' Ar R''25-120 °C
R'=H
Die durchgeführten Studien zur Reaktionskinetik, sowie deren theoretische
Berechnung stehen im Einklang mit dem postulierten basen-katalysierten
Reaktionsmechanismus. Die Reaktion primärer Amine durchläuft zwei aufeinander
folgende Additions-schritte, wobei der erste signifikant schneller ablaufen muss. Der
anfängliche Hydroaminierungsschritt verläuft kinetisch nach erster Ordnung bezüglich der
Konzentration von Styrol und Benzylamin, jedoch nach unerwarteter nullter Ordnung bezüglich der Katalysatorkonzentration. Vorläufige Versuche deuten an, dass
[(TMEDA)Li(NHCH Ph)] eine deutlich höhere katalytische Aktivität aufweist, wodurch 2
eine Reaktionsführung bei Raumtemperatur ermöglich wird. Die Reaktion verläuft in
diesem System nach einer Kinetik erster Ordnung in Bezug auf die Konzentration an
Styrol, Benzylamin und Katalysator. Die ermittelte Kinetik erster Ordnung bezüglich der
Katalysatorkonzentration unterstützt den angenommenen Katalysezyklus der Lithium-
Benzylamid-katalysierten Umsetzung.
Die L-Prolin modifizierten, axial-chiralen Tetramin-Verbindungen
(S,S,S)-DABN(MeProlin) ((S,S,S)-40) und (R,S,S)-DABN(MeProlin) ((R,S,S)-41) 2 2
konnten in moderaten bis guten Ausbeuten (44-88%) hergestellt werden. Nachfolgende
Lithiierung in Hexan führt zu den diastereomeren Di-Lithium Salzen [Li {(S,S,S)-DABN 2
(MeProline) }] ((S,S,S)-47) und [Li {(R,S,S)-DABN(MeProline) }] ((R,S,S)-49), wobei 2 2 2 2
ersteres auch durch Röntgenstrukturanalyse nachgewiesen werden konnte. Durch
Modifikation des Ligandgerüstes sind auch die Komplexverbindungen [Li {(R)-DABN 2
(SitBuMe ) }(THF)] ((R)-50), Lithium (S)-1-Methyl-2-[N-1-naphthylamino)methyl]-2 2 2
pyrrolidin ((S)-51) und Di-lithium-(N,N-DiMeProlin)-2,2’-diamino-4,4’-di-tert-butyl-
biphenyl ((S,S)-52) in 70%, 86% beziehungsweise 57% Ausbeute zugänglich. Eine
Variation des Zentralmetalls führt zur Isolierung der bimetallischen Magnesium und Zink
Komplexe [Mg {(S,S,S)-DABN(MeProlin) }{Bu}] ((S,S,S)-53), [Mg {(R,S,S)-DABN 2 2 2 2
(MeProlin) }{Bu} ] ((R,S,S)-54), [Zn {(S,S,S)-DABN(MeProlin) }{Et} ] ((S,S,S)-55) und 2 2 2 2 2
[Zn {(R,S,S)-DABN(MeProlin) }{Et} ] ((R,S,S)-56) in 62-76% Ausbeute. 2 2 2

N N
Me Me
N NH H
Me MeN NH H
N N
(S,S,S)-40 (R,S,S)-41
Mit dem Lithium-Komplex (S,S,S)-47 wurde das erste Beispiel eines Lithium-
Katalysators für die asymmetrische Hydroaminierung/Zyklisierung von Aminoalkenen
gefunden. Für einige Aminoalkene zeigt dieser Katalysator vergleichbare Aktivitäten mit
jenen, die für die Lanthanoid-basierten Systeme und die Katalysatoren mit
Übergangsmetallen der vierten Gruppe gefunden wurden, wobei die Lithium-basierte
viii Verbindung Enantioselektivitäten von bis zu 85% ee in der Zyklisierung von C-(1-Allyl-
cyclohexyl)-methylamin (S4) erzielen konnte. Eine niedrigere Reaktivität und Selektivität
der Katalysatoren (R)-50, (S)-51 und (S,S)-52 weist darauf hin, dass sowohl die chirale
Diaminobinaphthyleinheit, als auch die L-Prolin-Gruppen entscheidenden Einfluss auf die
Leistungsfähigkeit des Katalysators ausüben.

H
N
474mol%(S,S,S)-NH2
toluol-d 9h,0°C8,
S4
P4 91% (84% ee)

Weiterhin erwiesen sich die Magnesium und Zink Komplexe (S,S,S)-53, (R,S,S)-54,
(S,S,S)-55, und (R,S,S)-56 als aktive Katalysatoren in der intramolekularen
Hydroaminierung/Zyklisierung. Im Speziellen zeigte der Magnesium Komplex (S,S,S)-53
eine ausgesprochen hohe katalytische Aktivität für die Zyklisierungsreaktion von
2,2-Diphenyl-1-aminopent-4-en (S3), wobei im Allgemeinen niedrige
Enantioselektivitäten (0-29% ee) beobachtet wurden.
Kinetische Untersuchungen zur (S,S,S)-47-katalysierten Hydroaminierung/
Zyklisierung von S4 legten eine Abhängigkeit nach erster Ordnung bezüglich der Substrat-
und Katalysatorkonzentration offen. Die Aktivierungsparameter für den tief- und
hochliegenden Übergangszustand zu den Pyrrolidin-Produkten (S)-P4 und (R)-P4 wurde
≠ -1 ≠ -1 -1 ≠ermittelt ( ΔH(S) = 54(4) kJ mol , ΔS(S) = -129(14) J K mol und ΔH(R) =
-1 ≠ -1 -165(5) kJ mol , ΔS(S) = -109(17) J K mol ). Mit β-substituierten Aminoalkenen konnte
die kinetische Racematspaltung unter Verwendung von (S,S,S)-47 durchgeführt werden,
was im Falle der α-substituierten Analoga nur in sterisch stark abgeschirmten Systemen
gelang.
Die Lanthanoid Komplexe [Ln{(S,S,S)-DABN(MeProlin) }{N(SiMe ) }] [Ln = 2 3 2
Y ((S,S,S)-79), La ((S,S,S)-80)] wurden in situ im NMR-Maßstab hergestellt und im
Hinblick auf ihre katalytische Aktivität in Hydroaminierungs/Zyklisierungs-Reaktionen
untersucht. Weiterhin wurden die kationischen Zirconium Komplexe (S,S,S)-81 und
(R,S,S)-82, welche sich von den entsprechenden L-Prolin derivatisierten
Diaminobinaphthyl-Liganden ableiten, in 85% beziehungsweise 99% Ausbeute
synthetisiert. Die neutralen Komplexe der vierten Gruppe [M{(R)-DABN(py) }(NMe ) ] 2 2 2
ix(M = Ti ((R)-83), Zr ((R)-85)) konnten erhalten und NMR-spektroskopisch charakterisiert
werden.
Die Lanthanoid Komplexe (S,S,S)-79 und (S,S,S)-80 erwiesen sich als aktive
Katalysatoren für eine Ringschlussreaktion des 2,2-Dimethyl-pent-4-enylamins (S1),
wobei jedoch geringe Selektivitäten in Kauf genommen werden müssen (maximal
11% ee). Beide Katalysatoren ermöglichen auch die Umsetzung anderer Substrate zu den
analogen Produkten. Um hohe Umsatzraten zu beobachten, werden hierfür allerdings lange
Reaktionszeiten und in einigen Fällen auch erhöhte Temperaturen benötigt. Der Lanthan-
Komplex (S,S,S)-80 zeigte ähnliche Reaktivitäten gegenüber S3 und S4, wie sie bereits für
die Binaphtholat-koordinierten Seltenerdmetall-Komplexe von Hultzsch und die ionischen
Lanthanoid-Amide von Trifonov beobachtet wurden. Jedoch wurden im Falle des hier
verwendeten (S,S,S)-80 lediglich racemische Produkte erhalten. Mit den Komplexen
(S,S,S)-81 und (R,S,S)-82 wurde die Zyklisierung des sekundären Amins
1-(N-Methylamino)-pente-4-en (S8) untersucht. Obwohl eine hohe katalytische Aktivität
festgestellt wurde, konnte kein Enantiomerenüberschuss erzielt werden. Als aktiver
Katalysator für die Hydroaminierung von Aminoalkenen erwies sich auch der Zirconium
Komplex (R)-85, wenngleich keine hohen katalytischen Aktivitäten und
Enantioselektivitäten beobachtet werden konnten (z.B. verlief die Zyklisierung von S4 in
9 h (28% ee) bei 110 °C).
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