Combined experimental and computational studies of ligand-based selectivities in Pd- and Ni-catalysis

Sperger, Theresa; Enders, Dieter; Schoenebeck, Franziska

doi:38241

Combined experimental and computational studies of ligand-based selectivities in Pd- and Ni-catalysis = Kombinierte experimentelle und rechnergestützte Studien zu Liganden-basierten Selektivitäten in der Pd- und Ni-Katalyse

Sperger, Theresa^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Theresa Sperger

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xix, 279 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schoenebeck, Franziska (Thesis advisor)^RWTH* ; Enders, Dieter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-08-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-05370
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/762073/files/762073.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
catalysis (frei) ; computational (frei) ; mechanistic studies (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Kombination von Experimenten mit Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen (DFT-Rechnungen) erlaubt eine detaillierte Studie der elementaren Reaktionsschritte und kann komplexe Einblicke in die Reaktionsmechanismen übergangsmetallkatalysierter Reaktionen ermöglichen. Im Kontext dieser Dissertation unterstützte diese synergistische Verwendung von DFT-Rechnungen und Experimenten die Entwicklung und mechanistischen Studien von Pd- und Ni-katalysierten Reaktionen. Der Hauptteil dieser Doktorarbeit ist der Bildung und Reaktivität dinuklearer Pd(I)-Komplexe gewidmet. Im Gegensatz zu Pd-Komplexen geradzahliger Oxidationsstufen, waren die Reaktivität von Pd(I)-Dimeren sowie deren Verwendung in der Katalyse relativ wenig erforscht. Um Licht in deren Bildung zu bringen, wurde die Reduktion von Pd(II)-Komplexen zu halogenid-verbrückten Pd(I)-Dimeren mittels DFT-Rechnungen untersucht. In Übereinstimmung mit Experimenten im großen Maßstab (durchgeführt von der Colacot Forschungsgruppe bei Johnson-Matthey) konnte gezeigt werden das der Tri-tert-butylphosphin-Ligand als Reduktionsmittel fungieren kann, um Pd(II) zu Pd(I) zu reduzieren. Des Weiteren wurde die Anwendung des iodid-verbrückten Pd(I)-Dimers [Pd(μ-I)(PtBu3)]2 in der Katalyse untersucht. Basierend auf vorherigen Untersuchungen der Schoenebeck-Gruppe zur direkten dinuklearen Katalyse am Pd(I) wurde dieses neue Kreuzkupplungskonzept erweitert: Die Verwendung des luftstabilen Pd(I) Iodo-Dimers ermöglichte die Bildung von C(sp2)-C(sp2)-Bindungen mittels Heck Kreuzkupplung und die Knüpfung von C(sp3)-C(sp2)-Bindungen in Alkylierungsreaktionen mittels Kumada oder Negishi Kreuzkupplung sowie in α-Arylierungsreaktionen von Keton- und Esterenolaten. Die Robustheit des dinuklearen Pd(I)-Katalysators im Bezug auf dessen Recycling wurde auch in der Kreuzkupplungsreaktion zur Bildung pharmazeutisch relevanter Aryltrifluormethylselenolate gezeigt. Im Gegensatz dazu konnten kombinierte experimentelle und computergestützte Studien zeigen, dass dinukleare Pd(I)-Katalyse in der verwandten Trifluormethyltellurolierung von Aryliodiden aufgrund der fehlenden thermodynamischen Triebkraft nicht realisierbar ist. Stattdessen wurde ein Pd(0) -basiertes Katalysesystem entwickelt, dass Aryliodide effizient in ihre Trifluormethyltellurid-Analoga umwandelt. Ein weiterer Teil dieser Dissertation detailiert die computergestützte mechanistische Untersuchung einer Ni-katalysierten Olefinisomerisierung (entwickelt im AK Schoenebeck), die auf der Verwendung eines dinuklearen Ni(I)-Komplexes als Katalysator beruht. Durch Vergleich mit analogen Ni(0)- und Ni(II)-Katalysesystemen wurden die spezifischen mechanistischen Eigenschaften der E-selektiven Ni(I)-katalysierten Reaktion aufgezeigt. Dieser Prozess besteht aus einer intramolekularen H-Atomabstraktion und einer schnellen Reinsertion über ein energetisch hochliegendes Intermediat. Das letzte Kapitel diskutiert die computergestützten mechanistischen Studien von Reaktionen die in der Forschungsgruppe von Prof. Mark Lautens entwickelt wurden. In diesem Zusammenhang wurden die Mechanismen zur stereoselektiven Synthese von 3-(Halomethylen)oxindolen durch intramolekulare Addition von C-X Bindungen an Alkine erforscht. Während die Pd(0)-katalysierte Reaktion durch anfängliche Reaktion mit der C-X Bindung zum E-Produkt führt, wird durch Pd(II)-Katalyse mittels vorerster Reaktion mit dem Alkin das umgekehrte Z-Produkt erhalten. Insbesondere wurden die speziellen Anforderungen an den Phosphinliganden in der Pd(0)-Katalyse aufgezeigt. Ligandeneffekte wurden auch in einer Catellani-artigen C-H Funktionalisierung von entfert liegenden C-H Bindungen erforscht und führten zum Verständnis der ligandenabhängigen Produktselektivitäten. Während dieser Untersuchungen wurde eine mechanistische Alternative zur allgemein vorgeschlagenen Bildung von Pd(IV)-Intermediaten in Catellani-Reaktionen entdeckt. Die Allgemeingültigkeit dieses alternativen direkten ipso-C Angriffs am Pd(II) wurde weiter erforscht und gezeigt, dass dies von der An- oder Abwesenheit von Basen abhängig ist.

Combining experiments and DFT calculations allows for a detailed study of elementary reaction steps and can provide intricate insights into the mechanisms of transition metal-catalyzed reactions. In the context of this thesis, this synergistic use of DFT calculations and experiments aided the development and mechanistic study of Pd- and Ni-catalyzed reactions. The main part of this thesis is dedicated to the formation and reactivity of dinuclear Pd(I) complexes. Unlike even-oxidation state Pd-complexes, the reactivity of Pd(I) dimers and their use in catalysis have been relatively underexplored. To shed light on their formation, the reduction of Pd(II) complexes to yield halide-bridged Pd(I) dimers was investigated by means of DFT calculations. In line with large scale experiments carried out by the Colacot group at Johnson-Matthey, it was shown that the tri-tert-butylphosphine ligand can act as a reductant to reduce Pd(II) to Pd(I).Moreover, the application of iodide-bridged Pd(I) dimer [Pd(μ-I)(PtBu3)]2 in catalysis was explored. Based on the Schoenebeck group’s previous studies on direct dinuclear catalysis at Pd(I), this novel cross-coupling concept was further expanded: Using the bench-stable Pd(I) iodo dimer as a catalyst allowed for the formation of C(sp2)-C(sp2) bonds via Heck cross-coupling and the construction of C(sp3)-C(sp2) bonds in alkylation reactions via Kumada or Negishi cross-coupling as well as in the α-arylation of ketone and ester enolates. Furthermore, the robustness of the dinuclear Pd(I)-catalyst in terms of catalyst recycling was showcased in the cross-coupling reaction to form pharmaceutically relevant aryl trifluoromethylselenolates. In contrast, combined experimental and computational studies could show that dinuclear Pd(I)-catalysis is not viable in the corresponding trifluoromethyltellurolation of aryl iodides due to its lack of thermodynamic driving force. Instead, a Pd(0)-based catalytic system was developed to efficiently convert aryl iodides to their trifluoromethyltelluride analogs. Another part of this thesis details the DFT mechanistic investigation of a Ni-catalyzed olefin isomerization developed in the Schoenebeck group that relies on the use of a dinuclear Ni(I) complex as the catalyst. By comparison to analogous Ni(0) and Ni(II) catalytic systems, the mechanistically distinct features of the E-selective Ni(I)-catalyzed reaction were showcased. The latter process involves an intramolecular H-atom abstraction and rapid reinsertion via a high-energy intermediate. The last chapter of this thesis discusses the DFT mechanistic studies performed on reactions developed by the research group of Prof. Mark Lautens. In this context, the mechanisms of the stereoselective syntheses of 3-(halomethylene) oxindoles through the intramolecular addition of C-X bonds across alkynes have been explored. While the Pd(0)-catalyzed reaction furnishes the E-product by first reacting with the C-X bond, the opposite Z-olefin geometry is obtained via Pd(II)-catalysis due to initial reaction with the alkyne. Notably, the distinct requirements of the Pd(0)-catalytic system in terms of phosphine ligand were unraveled. Ligand effects were also studied in a Catellani-type remote C-H functionalization reaction and provided an understanding of the ligand-dependent product selectivities. During this investigation a mechanistic alternative to the commonly proposed formation of a Pd(IV) intermediate in Catellani reactions was discovered. The generality of this alternative direct ipso-C attack at Pd(II) was further explored and shown to depend on the presence or absence of base during the reaction.

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