Molybdänpentachlorid

Ein vielseitiges Reagenz zur effizienten Kupplung von Aromaten

  • Abb. 1: Molybdänpentachlorid in einer AmpulleAbb. 1: Molybdänpentachlorid in einer Ampulle
  • Abb. 1: Molybdänpentachlorid in einer Ampulle
  • Abb. 2: Intermolekulare Kupplungsreaktionen mittels MoCl5
  • Abb. 3: Intramolekulare Kupplungsreaktionen mittels MoCl5

Die Knüpfung von Aryl-Aryl-Bindungen ist eine große Herausforderung der organischen Synthese. Reduktive Übergangsmetall-katalysierte Prozesse, wie die Suzuki-, Stille-, Kumada- oder Negishi-Kupplung sind die prominentesten Methoden und besitzen ein sehr breites Anwendungsgebiet (z. B. in der Wirkstoffsynthese). Dabei wird oft vergessen, dass diese Reaktionen trotzdem einige Einschränkungen mit sich bringen. Molybdänpentachlorid kann hier Abhilfe schaffen.

Die Problematik liegt zum einen im Einsatz teurer Katalysatoren, zum anderen in der Notwendigkeit guter Abgangsfunktionalitäten. Dadurch werden in vielen Fällen komplizierte und kostenintensive Ausgangsverbindungen benötigt. Oxidative Kupplungsreaktionen können eine direkte Verknüpfung zweier Aromaten ohne besondere Abgangsfunktionalität erreichen und somit kostengünstige Alternativen zu den bekannten katalysierten Prozessen bieten. Auf der anderen Seite sind oxidative Kupplungen in den meisten Fällen auf elektronenreiche Substituenten angewiesen und müssen in stöchiometrischen Mengen eingesetzt werden.

Der vermutlich bekannteste Prozess zur oxidativen Kupplung von Aromaten stellt die oxidative Kupplung von 2-Naphtol zu Binaphthol mittels Eisentrichlorid oder Kupfer(II)-chlorid/Sauerstoff dar. Andere Metallsalze für oxidative Kupplungen basieren auf Thallium, Blei, Quecksilber oder Vanadium. Letztere sind aufgrund der Toxizität prohibitiv. Als organische Kupplungsreagenzien sind hypervalente Iod-Verbindungen wie PIFA oder para-Chinone wie DDQ bekannt.

Molybdänpentachlorid als Reagenz
Molybdänpentachlorid ist ein schwarzer polymorph-kristalliner Feststoff, der im Festkörper zu größtem Teil als Dimer vorliegt und in Anwesenheit von Wasser hydrolysiert. Deshalb sollte es unter Ausschluss von Feuchtigkeit gelagert werden. Hydrolyse wird durch eine grüne Farbe sichtbar. Da diese Reaktion im Vergleich zu den gewünschten oxidativen Transformationen langsam verläuft, können sie ohne Schutzatmosphäre durchgeführt werden. Dabei sollte aber berücksichtigt werden, dass der Wassergehalt des Lösungsmittels nicht zu hoch sein darf.

Das Reagenz wird als biokompatibel eingestuft und ist zu relativ niedrigen Preisen (99,9 %, 200-300 €/kg; 98 %, 20 €/kg) in großen Mengen erhältlich.

Für die oxidativen Kupplungen kann die Verbindung auch in wesentlich niedrigerer Reinheit eingesetzt werden.

Der Einsatz von MoCl5 als Kupplungsreagenz wird bevorzugt in chlorierten Lösungsmitteln, wie Dichlormethan oder Dichlorethan durchgeführt, da diese stabil unter den Kupplungsbedingungen sind. Die Löslichkeit von MoCl5 in Dichlormethan liegt dabei bei etwa 50 g/l.

Molybdänpentachlorid in oxidativen Kupplungsreaktionen
Aufgrund der hohen Reaktivität von Molybdänpentachlorid sind die meisten Kupplungsreaktionen nach wenigen Minuten beendet. Die hohe Geschwindigkeit der Transformationen macht unerwünschte Nebenreaktionen gut kontrollierbar, wodurch eine Vielzahl von säurelabilen funktionellen Gruppen während der Kupplungsreaktionen toleriert wird. So können beispielsweise labile Arylhalogenide gefahrlos eingesetzt werden. Aryliodide sind besonders wertvolle Substituenten in der organischen Synthese, da sie sehr einfach und variabel substituierbar sind. Deshalb unterliegen sie bei Einsatz der meisten Reagenzien für oxidative Kupplungen wie Eisentrichlorid der Protodeiodierung [2], können aber mittels Molybdänpentachlorid problemlos umgesetzt werden (Abb. 2: 1; Abb. 3: 4, 12). Außerdem sind cyclische Ester (Abb. 2: 3; Abb. 3: 5), aromatische tert-Butylgruppen aber auch Amine (Abb. 3: 11) und Amide (6) stabil unter den Kupplungsbedingungen. Nach der Kupplung bilden sich Molybdän(IV)-Salze, die ausreichend elektrophil sind, um an den Elektronendonoren zu koordinieren und das Produkt so vor Über-Oxidation schützen. Durch wässrige Aufarbeitung können die Metallsalze problemlos abgetrennt werden. In vielen Fällen kann die Effektivität der Transformation durch Zugabe von Additiven gesteigert werden. Häufig verwendet wird Titantetrachlorid, das die Bildung von Nebenprodukten durch Abfangen von HCl unterdrückt und die Reaktion durch koordinative Effekte beeinflussen kann (Abb. 2: 3).

Die Donor-Funktionalitäten geben außerdem die Regioselektivität der Kupplungsreaktion vor. Die gebildete Bindung entsteht in der Regel para zu einem der Donoren. Mechanistisch wird davon ausgegangen, dass es sich bei dieser Reaktion um einen radikalischen Prozess induziert durch eine Ein-Elektron-Übertragung handelt. Intermolekular können so Diiodbiaryle (1, [3]) oder komplizierte Triphenylene (2, 3, [4]) in nur einer synthetischen Stufe aus einfachen Ausgangsmaterialien sehr effektiv hergestellt werden (s. Abb. 1).

Da es durch die fehlende Abgangsfunktionalität schwierig ist, eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Arenen zu erreichen, ist dieser Prozess intermolekular besonders gut geeignet, um symmetrische Verbindungen zu synthetisieren.

Die hohe Reaktivität der Intermediate kann man sich zunutze machen, indem man intramolekular Verknüpfungsstellen anbietet. So wurden in der Vergangenheit komplizierte 7- (12, [5]) und 8-Ringsysteme (5, [6]), aber auch 9,10-Phenanthrenchinone (10, [7]), unsymmetrische Triphenylene [8], Spirocyclische 5-gliedrige Ringsysteme (4, 6, [2]), Carbazole (11), Dibenzofurane (7) und Dibenzothiophene (8) über diese Methode erschlossen.

Fazit und Ausblick
Die oxidative Kupplung mittels Molybdänpentachlorid bietet ein breites Anwendungsfeld, um aromatische C-C Bindungen inter- und intramolekular ohne besondere Abgangsfunktionalität zu schaffen. Das eröffnet neue Möglichkeiten komplizierte Naturstoffe oder Bausteine für funktionalisierte Materialien schnell und kostengünstig zu synthetisieren.

Literatur
[1] Übersicht: Waldvogel S. R. et al.: Chem. Commun. 48, 9109-9119 (2012)
[2] Trosien S. et al.: Synthesis 45, 1160-1164 (2013)
[3] Waldvogel S. R. et al.: Chem. Commun., 1278-1279 (2002)
[4] Triphenylene
[5] Kramer B. et al.: Angew. Chem., Int. Ed. 116, 2501-2503 (2004)
[6] Kramer B. et al.: Angew. Chem., Int. Ed. 41, 2981-2982 (2002)
[7] Trosien, S. et al.: Org. Lett. 14, 2976-2979 (2012)
[8] King B. T.: J. Org. Chem. 72, 2279-2288 (2007)

 

Weitere Beiträge zum Thema: http://bit.ly/Wirkstoffforschung
Mehr Informationen zur Arbeitsgruppe http://bit.ly/Waldvogel

 

Autor(en)

Kontaktieren

Universität Mainz
Duesbergweg 10 -14
55128 Mainz
Telefon: 06131/395721
Telefax: 06131/395326

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.