Untersuchungen zur Anwendungsbreite der Cu-katalysierten Decarboxylierung von Carbonsäuren


Forschungsarbeit, 2007
20 Seiten, Note: 1,0

Leseprobe

INHALTSVERZEICHNIS

1 Einleitung

2 Ziel der Arbeit

3 Ergebnisse und Diskussion
3.1 Reaktionsbedingungen
3.2 Mechani smus
3.3 Optimierung der Aufarbeitung
3.3.1 Destillation
3.3.2 Extraktion
3.4 Anwendungsbreite der Decarboxylierung
3.4.1 Monosubstituierte Benzoesauren
3.4.2 Weitere Arylcarbonsauren

4 Zusammenfassung und Ausblick

5 Experimenteller Teil
5.1 Gerate und Chemikalien
5.2 Allgemeine Prozedur
5.2.1 Decarboxylierungsreaktion
5.2.2 Aufarbeitung zur GC-Analyse
5.2.3 Aufarbeitung zur Isolierung
5.3 NMR- Spektren

6 Referenzen,

Diese Arbeit wurde im Rahmen eines Schwerpunkt-Forschungspraktikums in der Zeit vom 08. Januar bis 16. Februar 2007 im Arbeitskreis von Professor Dr. L. J. GooBen im Fachbereich Chemie an der Technischen Universitat Kaiserslautern angefertigt.

Fur die Bereitstellung des Praktikumsplatzes, die kompetente Unterstutzung und die geduldige Hilfsbereitschaft zu jeder Zeit danke ich sehr herzlich Herrn Professor Dr. L. J. GooBen und Frau Dr. Nuria Rodriguez Garrido. Herrn Dipl. Chem. Christophe Linder danke ich fur die Korrektur dieser Arbeit; auBerdem mochte ich der gesamten Arbeitsgruppe fur anregende Diskussionen und die kollegiale Arbeitsatmosphare danken.

ABKURZUNGSVERZEICHNIS

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Decarboxylierung von Carbonsauren stellt eine wichtige Reaktion in naturlichen Prozessen dar, etwa bei der Biosynthese von biogenen Aminen wie Dopamin, Serotonin oder Histamin.1

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GroBes Interesse am optimalen Einsatz der Decarboxylierung als wichtigem Syntheseschritt besteht in der organischen Chemie. Viele aliphatische Carbonsauren lassen sich einfach decarboxylieren, entweder als freie Sauren oder in Form ihrer Salze. Bevorzugt reagieren hierbei Derivate, die durch funktionelle Gruppen in a-Position, etwa Carboxyl-, Cyano-, Trihalogen- und Nitrogruppen aktiviert sind. Ebenfalls gute Ausbeuten bei einfachem Erhitzen liefern a,P-ungesattigte Carbonsauren, solche mit P-Ketogruppe oder einem aromatischen System in a-Stellung.2

Shepard, Winslow und Johnson fanden 1930, dass sich aromatische Carbonsauren durch Erhitzen in Chinolin unter Anwesenheit von metallischem Kupfer oder Kupfersalzen nach Gl. (1) decarboxylieren lassen.3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Trotz ihrer synthetischen Relevanz wurde der Mechanismus der sog. Protodecarboxylierung nach der Kupfer-Chinolin-Methode erst wenig untersucht. Ein erstes Ergebnis war die Identifikation des Cu(I)-Ions als eigentlichem Katalysator durch Cohen und Schambach4 Tatsachlich lauft die Reaktion schneller ab, wenn die Carbonsaure unter striktem Sauerstoffausschluss in Chinolin mit Kupfer(I)-oxid statt mit Kupfer erhitzt wird. Fur die Umsetzung mit stochiometrischen Mengen an Cu wurde bereits ein Mechanismus vorgeschlagen, in dem das Cu(I)-Ion die Decarboxylierungsreaktion eingeht.4,5 Als Nachweis konnten in einigen Fallen die entsprechenden o-gebundenen Organokupfer-Intermediate isoliert werden.6,7

In einer weiteren Arbeit8 wurde die Decarboxylierung von Kupfersalzen aromatischer Carbonsauren in Bezug auf Kinetik, Herkunft der Protonen, Substituenteneffekte und Losungsmitteleinfluss naher untersucht. Die besten Resultate wurden hierbei mit „aktivierten“ Carbonsauren, etwa o-Nitro-, p-Nitro- oder Pentafluorbenzoesauren erzielt, jeweils unter stochiometrischem Einsatz von Kupfer in Pyridin oder Chinolin. Neben den Arenen als gewunschte Decarboxylierungsprodukte konnten Kupplungsprodukte wie Biaryle, Diarylketone und auch Chinolylderivate nachgewiesen werden. Toussaint et al. gelang die Umsetzung verschiedener Arylessigsaurederivate in Acetonitril, allerdings wurden auch die Kupfer(I)-salze der Carbonsauren eingesetzt.9 Eine Ubersicht uber bereits erfolgreich umgesetzte „aktivierte“ Carbonsauren zeigt Tabelle 1.

Bei der Umsetzung aktivierter Alkylcarbonsauren wie Cyanoessigsaure und 9- Fluorencarbonsaure wurde ein beschleunigender Effekt bei Zugabe von Kupfer(I)-salzen und 1,10-Phenanthrolin als Ligand gefunden.10 Im Falle der Malonsauren erwiesen sich die bereits bei der katalytischen Decarboxylierung von a-Iminocarbonsauren11 mit Erfolg eingesetzten Phosphinderivate als geeignete Liganden12, allerdings wurde die Rolle des Metalls anfanglich falsch interpretiert.13

Brunner et al. kamen schlieBlich zu dem Ergebnis, dass nicht - wie zuerst angenommen - ein sich bildender Kupfer(I)-komplex, sondern lediglich die Baseneigenschaften des Anions des eingesetzten Kupfersalzes fur den katalytischen Effekt relevant sind.14

Tabelle 1. Bereits erfolgreich umgesetzte „aktivierte“ Carbonsäuren mit Quellenangaben.

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Auch anorganische Katalysatorsysteme wie seltenerd-ausgetauschte Y-Zeolithe (NdHY, CeHY, LaHY) wurden im Zusammenhang mit Decarboxylierungen erprobt, allerdings vorrangig fur die unsubstituierte Benzoesaure. Erfolgreiche Umsetzungen konnten mit diesen Systemen nur unter Verwendung drastischer Reaktionsbedingungen (1 MPa, 400 °C) erreicht werden.15

Eine bedeutende Weiterentwicklung der Kupfer-Chinolin-Methode zur Decarboxylierung gelang Goofien et al. in Verbindung mit katalytischen Kreuzkupplungen.16 Hierbei wurden die freien Carbonsauren mit Arylhalogeniden und unter Palladiumkatalyse zu den fur die Wirkstoffforschung wichtigen Biarylen umgesetzt. Der Einsatz katalytischer Mengen (15 mol-%) an Kupfer, Phenanthrolin als Ligand und die Verwendung von NMP als Solvens fuhrte zu einer enormen Erweiterung der Anwendungsbreite, denn bisher waren katalytisch nur Substrate mit aromatischem System in a-Stellung zur Carboxylgruppe umsetzbar, wenn in o-Position am Phenylring stark koordinierende Gruppen vorhanden waren. Mit der beschriebenen neuen Methode lieBen sich nicht nur o-Acetyl-, o-Formyl-, o- Fluor- und o-Cyanobenzoesauren umsetzen, sondern auch vinylische Systeme (Zimtsaure) und Derivate mit Heteroaromaten (Thiophencarbonsaure). Fur andere Benzoesaurederivate stieB diese katalytische Methode jedoch an ihre Grenzen, da immer noch stochiometrische Mengen an Kupfer und Phenanthrolin benotigt wurden.16

Die Optimierung der Reaktionsbedingungen, ebenfalls in der Gruppe von Goofien durchgefuhrt17, ermoglichte schlieBlich auch die Decarboxylierung „nicht aktivierter“ Derivate wie p-Anissaure mit katalytischen Mengen an Metall und Ligand. Allerdings war es bisher nicht in zufriedenstellender Weise moglich, die mittels GC bestimmten Ausbeuten auch praparativ zu isolieren.

2 Ziel der Arbeit

Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit knupft an der Losung der bestehenden Probleme bei der praparativen Durchfuhrung der Kupfer-Chinolin-katalysierten Decarboxylierung an. Es sollen hierzu moglichst viele Carbonsauren unter den optimierten Reaktionsbedingungen umgesetzt und die Decarboxylierungsprodukte moglichst quantitativ isoliert werden (Schema 1). Um die Anwendungsbreite des Katalysatorsystems zu untersuchen, werden zum einen Carbonsauren mit verschiedenen funktionellen Gruppen in unterschiedlichen Positionen am Phenylring, zum anderen mehrfach substituierter Benzoesauren und schlieBlich sogar Carbonsauren mit bicyclischen Aromaten und Heteroaromaten eingesetzt. Hierbei stellen vor allem die ^-substituierten Benzoesauren Derivate dar, die schwieriger zu decarboxylieren sind und die Leistungsfahigkeit des entwickelten Systems auf die Probe stellen werden.

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Schema 1. Allgemeine Reaktionsgleichung fur die betrachteten Decarboxylierungen.

Die zu entwickelnde und zu optimierende Aufarbeitungsprozedur sollte insbesondere fur saureempfindliche Produkte - wie Ester - geeignet sein, um die mittels GC bestimmten Ausbeuten praparativ zu bestatigen. Eine Herausforderung wird hierbei vor allem die Isolierung der leichter fluchtigen decarboxylierten Aromaten sein.

3 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Reaktionsbedingungen

Den Ergebnissen einer vorausgegangenen Arbeit17 folgend, wurden alle Reaktionen in einem Gemisch aus NMP und Chinolin (jeweils mit Standardmethoden getrocknet; im Verhaltnis 3:1) unter Inertgasatmosphare durchgefuhrt. Der Katalysator wurde in Form von Kupfer(I)-oxid (5 mol-%) und Phenanthrolin („phen“, 10 mol-%) bzw. 4,7-Diphenyl-1,10- phenanthrolin („Ph2phen“, 10 mol-%, bei ^-substituierten Benzoesaurederivaten 1k-t) eingesetzt.

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Eine Vortrocknung hatte sich bei den kommerziell erhaltlichen, bereits wasserfreien Liganden als nicht erforderlich erwiesen; wohl aber brachte die Entfernung von Wasserspuren aus dem Kupfersalz durch Trocknung im Vakuum (10-3 mbar, 60 °C, 1 h) einen positiven Effekt auf die Ausbeute. Die Reaktionszeit von maximal 24 Stunden bei einer Temperatur von 170 °C ist ausreichend zur vollstandigen Umsetzung aller Derivate, wie die GC-Kontrolle des Umsatzes belegte.

3.2 Mechanismus

Die Aufklarung und das Verstandnis des Reaktionsmechanismus katalytischer Reaktionen sind von entscheidender Bedeutung fur deren Optimierung. Fur die Cu- katalysierte Decarboxylierung unter den verwendeten Bedingungen (s. 3.1) wurde noch kein Katalysecyclus vorgeschlagen. Lediglich in Verbindung mit der synthese von Biarylen wurde ein ebensolcher zur Erklarung der decarboxylierenden Kreuzkupplung aufgestellt.16 In Anlehnung an den vorgeschlagenen Mechanismus fur Protodecarboxylierungen8 konnte das durch Chinolin deprotonierte Carbonsaurederivat 1 nach Anionenaustausch eine koordinative π-Wechselwirkung mit der Kupferspezies eingehen. Unter CO2-Extrusion insertiert diese dann in die C-C(O)-Bindung, wobei sich ein stabiles, σ-gebundenes Aryl-Cu-Intermediat 2 bildet (Schema 2).

[...]


1 Christen, P.; Jaussi, R. Biochemie Springer, Berlin, 2005, 272-273.

2 Smith, M. B.; March, J. Advanced Organic Chemistry 5th Ed. Wiley, New York, 2001, 809.

3 Shepard, A. F.; Winslow, N. R.; Johnson, J. R. J. Am. Chem. Soc. 1930, 52, 2083- 2090.

4 Cohen, T.; Schambach, R. A. J. Am. Chem. Soc. 1970, 92, 3189.

5 Smith, M. B.; March, J. Advanced Organic Chemistry 5th Ed. Wiley, New York, 2001, 732-733.

6 Cairncross, A.; Roland, J. R.; Henderson, R. M.; Sheppard, W. A. J. Am. Chem. Soc. 1970, 92, 3187-3189.

7 Tedder, J. M.; Theaker, G. J. Chem. Soc. 1959, 257-262.

8 Cohen, T.; Berninger, R. W.; Wood, J. T. J. Org. Chem. 1978, 43, 837-848.

9 Toussaint, O.; Capdeviflie, P.; Maumy, M. Tetrahedron 1984, 40, 3229-3233.

10 Darensbourg, D. J.; Longridge, E. M.; Atnip, E. V.; Reibenspies, J. H. Inorg. Chem. 1992, 31, 3951-3955.

11 Barton, D. H. R.; Taran, F. Tetrahedron Letters 1998, 39, 4777-4780.

12 Darensbourg, D. J.; Holtcamp, M. W.; Khandelwal, B.; Reibenspies, J. H. Inorg. Chem. 1994, 33, 531-537.

13 Darensbourg, D. J.; Holtcamp, M. W.; Longridge, E. M.; Khandelwal, B.; Klausmeyer, K. K.; Reibenspies, J. H. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 318-328.

14 Brunner, H.; Müller, J.; Spitzer, J. Monatshefte für Chemie 1996, 127, 845-858.

15 Takemura, Y.; Nakamura, A.; Taguchi, H. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1985, 24, 213-215.

16 Gooßen, L. J.; Deng, G.; Levy, L. M. Science 2006, 313, 662–664.

17 Bericht zu einem Forschungspraktikum, AG Gooßen, TU Kaiserslautern 2007, nicht veröffentlicht.

Ende der Leseprobe aus 20 Seiten

Details

Titel
Untersuchungen zur Anwendungsbreite der Cu-katalysierten Decarboxylierung von Carbonsäuren
Hochschule
Technische Universität Kaiserslautern  (Organische Chemie und Katalyse)
Note
1,0
Autor
Jahr
2007
Seiten
20
Katalognummer
V463482
ISBN (eBook)
9783668926417
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Katalyse, Carbonsäure, Palladium, nachhaltige Chemie, Methodenentwicklung
Arbeit zitieren
Dominik Ohlmann (Autor), 2007, Untersuchungen zur Anwendungsbreite der Cu-katalysierten Decarboxylierung von Carbonsäuren, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/463482

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