Die Hydocyanierung von Alkenen

Ein neuer Weg zum Ziel

  • Abb. 1: Kontext der Arbeit.Abb. 1: Kontext der Arbeit.
  • Abb. 1: Kontext der Arbeit.
  • Abb. 2: Bandbreite der Hydrocyanierung. [1] Verhältnis von linearen zu verzweigten Produkten. [2]1.5 Äquiv. von Reagenz 1 anstatt 5 Äquiv. [3] GC-Ausbeute. [4] 10 mol% Ni-Kat, 10 mol% DPEPhos, 40 mol% AlCl3. 15 Äquiv. von 1, 15 mol % Ni Katalysator.
  • Abb. 3: Bandbreite der Retrohydrocyanierung. [1] GC-Ausbeute.

Die katalytische Hydrocyanierung von Alkenen ist eine wichtige Reaktion für Forschungslaboratorien  und die chemische Industrie (zum Beispiel DuPont Verfahren). Der herkömmliche Ansatz zur Hydrocyanierung wird durch die Verwendung von sehr giftigem, ätzendem und explosivem Cyanwasserstoffgas begrenzt (Kp  27 °C). Diese Einschränkung kann nun durch die Verwendung einer vor kurzem berichteten Transferhydrocyanierung Strategie überwunden werden, die auf HCN Gas vollständig verzichtet.

Nitrile und Alkene sind wichtige synthetische Zwischenprodukte in der organischen Synthese und ihre gegenseitige Umwandlung ist für die Herstellung von Feinchemikalien entscheidend. Der traditionelle Ansatz Alkene in Nitrilen zu transformieren verfährt durch die Addition von HCN an einem Alken, die sogenannte Hydrocyanierungsreaktion (Abb. 1A) [1]. Beispielsweise über 1 Million Tonnen Adiponitril werden jedes Jahr durch die Hydrocyanierung von Butadien (DuPont-Verfahren) hergestellt [1]. Obwohl die Hydrocyanierung eine industriell wichtige Reaktion darstellt, hat dieses Verfahren nur eingeschränkte Anwendungen in der Herstellung von Feinchemikalien und Laborversuchen gefunden, vor allem wegen der extrem hohen Toxizität von HCN. Darüber hinaus kann die HCN-vermittelte Hydrocyanierung problematisch sein, weil HCN den Katalysator deaktivieren kann [1]. Zusätzlich ist der umgekehrte Prozess, nämlich die Umwandlung eines Nitrils in ein Alken (Retrohydrocyanierung), eine Herausforderung wegen der ungünstigen verlaufenden Thermodynamik eines solchen Verfahrens. Ein neuer Ansatz, der die reversible Umwandlung von Alkenen und Nitrilen ohne die Verwendung von HCN ermöglichen könnte, würde daher wahrscheinlich ein sehr attraktives Werkzeug für die chemische Synthese darstellen.

Transferreaktionen
Funktionelle Gruppen Transferreaktionen sind wichtige Werkzeuge in der organischen Synthese. Ein bemerkenswertes  Beispiel ist die Transferhydrogenierung, die eine sicherere und einfachere Alternative zur Verwendung von Wasserstoffgas in Redoxreaktionen (Abb. 1B) darstellt [2]. In diesem Verfahren wird ein H2-Molekül zwischen einem Akzeptor und einem Substrat unter gasfreien Bedingungen transferiert.

Dieser thermodynamisch kontrollierte Prozess hat zu ungewöhnlichen Anwendungen in der organischen Synthese geführt (sogenannte Wasserstoffleihreaktionen), bei dem das H2-Molekül nur vorübergehend ausgeliehen wird, so dass die normale Reaktivität eines bestimmten Moleküls verändert werden kann. Es ist daraus zu erwarten, dass die Übertragung von anderen kleinen Gasmolekülen (zum Beispiel HCN, HF, HI, F2) ein ähnlich leistungsfähiges Werkzeug für Alkene Hydrofunktionalisierung bieten könnte.

Entwicklung von einer praktischen, HCN-freien, Transferhydrocyanierungsreaktion
In einem kürzlich erschienenen Beitrag in der Zeitschrift Science veröffentlichte Fang et al. eine reversible, gasfreie Übertragung von HCN zwischen Alkene und Nitrile durch einen Transferhydrocyanierung Mechanismus (1C) [3]. Das Verfahren verwendet einen preiswerten Ni-Katalysator, der in situ aus Ni(COD)2 und DPEPhos hergestellt ist, in Kombination mit einer einfachen Lewis-Säure. Während die meisten Beispiele mit dem kostengünstigen, aber brennbaren Me2AlCl durchgeführt wurden, konnte das nicht brennbare AlCl3 auch eine gute Wirkung als Co-Katalysator aufweisen. Die Reaktion wurde in über 60 Beispielen von Transferhydrocyanierungsreaktionen verwendet und kann ein breites Spektrum von struktureller und funktioneller Vielfalt abdecken.

Die Hinreaktion, Hydrocyanierung, und die umgekehrte  Reaktion, Retrohydrocyanierung, können auf Wunsch unter sehr ähnlichen Reaktionsbedingungen durchgeführt werden. Der Schlüssel, den Prozess zu kontrollieren, ist die Verwendung von einfachen thermodynamischen Antriebskräften. Für die Vorwärtsreaktion ist die Bildung eines gasförmigen  Nebenproduktes (Isobuten) die Antriebskraft für den Prozess. Im Falle der Retrohydrocyanierung wird die sonst thermodynamisch anspruchsvolle Umkehrreaktion durch Entlastung der Ringspannung des Norbornadiens getrieben.

Eine breite Palette von Alkenen kann in der Transferhydrocyanierungsreaktion (Abb. 2) verwendet werden. Besonders bemerkenswert ist die Anti-Markovnikov(lineare)-Selektivität, die mit Styrol-Derivaten erhalten wurde, da diese Selektivität komplementär zu den traditionellen Hydrocyanierungen (Selektivität für das verzweigte Isomer) ist. Das Verfahren toleriert auch mehrere funktionelle Gruppen, und wurde auch in der späten Phase der Hydrocyanierung von komplexen Alkensubstraten aus natürlichen Produkten angewandt. Für größere Anwendungen kann das kostengünstige, industrielle Lösungsmittel Butyronitril als Reagenz verwendet werden.

Die Rückreaktion kann leicht Nitrile in synthetisch nützliche Alkenprodukte (Abb. 3) umwandeln. Dieses Verfahren ist besonders nützlich bei der Forschung im Labormaßstab, weil sie die Verwendung der Nitrilgruppe als aktivierende Gruppe für die Bildung von herausfordernden C-C-Bindungen ermöglicht. Zur Veranschaulichung dieses Konzeptes wurde es in der Konstruktion von komplexen aromatischen Produkten und in der zweistufigen Installation einer chiralen quaternären Vinyl-Gruppe in ein Östronderivat verwendet, eine Aufgabe die mit normalen Syntheseansätzen herausfordernd wäre.

Schlussfolgerung
Die Transferhydrocyanierungsreaktion ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Umwandlung von Alkenen und Nitrilen, die sicherer als herkömmliche Methoden ist und ungewöhnliche Selektivität aufweist. Aufgrund der Einfachheit des Verfahrens, den niedrigen Kosten der Reagenzien und der guten Bandbreite der Reaktion, ist dieses neue Protokoll zur Herstellung von Nitrilen und Alkenen in akademischen und industriellen Forschungslaboratorien direkt anwendbar. Die Vorwärtsreaktion, Transferhydrocyanierung, könnte auch Anwendungen in der Herstellung von Feinchemikalien finden. Die großtechnische  Herstellung von Nitrilen könnte in Betracht gezogen werden, wenn die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weiter verbessert würde, beispielsweise durch die Entwicklung von aktiveren Katalysatoren und effiziente Wiederverwendung des Alken Nebenproduktes.

Autoren
Xianjie Fang, Peng Yu, Bill Morandi
Max Planck Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr

Kontakt
Dr. Bill Morandi
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
Mülheim an der Ruhr

Literatur:

1. L. Bini, C. Müller, D. Vogt, ChemCatChem 2010, 2, 590. DOI:10.1002/cctc.201000034

2. G. E. Dobereiner, R. H. Crabtree, Chem. Rev. 2010, 110, 681. DOI:10.1021/cr900202j.

3 X. Fang, P. Yu, B. Morandi, Science 2016, 351, 832. DOI:10.1126/science.aae0427.

4. J.J. C. Lo, Y. Yabe, P. S. Baran, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1304. DOI:10.1021/ja4117632.

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