Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8639
Main Title: Metal-catalyzed radical C(sp3)–Si/Ge cross-coupling reactions
Translated Title: Metall-katalysierte radikalische C(sp3)-Si/Ge-Kreuzkupplungsreaktionen
Author(s): Xue, Weichao
Advisor(s): Oestreich, Martin
Referee(s): Oestreich, Martin
Daniel, Werz
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis is dedicated to the development of transition-metal catalyzed C(sp3)–Si cross-coupling reactions of silicon and germanium (pro)nucleophilles with alkyl electrophiles, thereby enabling the efficient synthesis of alkyl substituted silanes and germanes. The first part looks into copper-catalyzed cross-coupling reactions of Si–B reagents with a variety of redox-active alkyl electrophiles. The reaction of alkyl iodides and Si–B reagents was achieved by the combination of CuSCN and a bipyridine ligand in a mixed solvent. Preliminary mechanistic studies and quantum-chemical calculations demonstrated that the reaction proceeds through a radical mechanism, where the reduction of alkyl halides by a CuI–Si species is the key step. In a following project, redox-active N-hydroxyphthalimide (NHPI) esters derived from carboxylic acids were employed as electrophiles to couple with Si–B reagents, and the decarboxylative silylation occurred efficiently under optimal conditions. According to this protocol, α-silylated amines were readily accessed starting form ubiquitous α-amino acid-derived NHPI esters. As an alternative to NHPI esters, easily available KATRITZKY’s pyridinium salts, which have been previously used as alkyl radical precursors, were included into further investigation, These pyridinium-activated primary amines participated in the deaminative silylation in rather moderate yield, even after systematic screening of reaction parameters. Moreover, attempts to cross-couple sulfonyl alkanes with Si–B reagents were unsuccessful. The second part is focused on the development of new silicon and germanium nucleophiles and their further synthetic application in C(sp3)–Si/Ge cross-coupling reactions. Homogeneous solutions of silicon GRIGNARD reagents were prepared, which hinge on the in situ formation of MgBr2 in solution and the following transmetalation of the silicon anion from lithium to magnesium. This method avoids the preparation of silicon pronucleophiles such as Si–B reagents. These silicon GRIGNARD reagents were then applied in iron- or cobalt-catalyzed cross-coupling reactions with alkyl bromides. In addition, the transmetalation strategy also allowed us to prepare soft magnesium- and zinc-based germanium nucleophiles. The germanium GRIGNARD reagents directly reacted with alkyl electrophiles through an ionic mechanism, while the zinc-based reagents participated in a nickel-catalyzed C(sp3)–Ge cross-coupling by a radical mechanism. These established methods differ in substrates and catalysts but share the same feature of a radical-based mechanism. The functional-group tolerance of these protocols is generally broad, and yields are high throughout.
Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung übergangsmetallkatalysierter C(sp3)–Si-Kreuzkupplungsreaktionen von Silicium- und Germanium(pro)nukleophilen mit Alkylelektrophilen, um effiziente Synthesen alkylsubstituierter Silan- und German-verbindungen zu ermöglichen. Der erste Teil befasst sich mit kupferkatalysierten Kreuzkupplungsreaktionen von Si–B-Reagenzien mit einer Vielzahl an redoxaktiven Alkylelektrophilen. Die Reaktion von Alkyliodiden mit Si–B-Reagenzien wurde durch die Kombination von CuSCN und einem Bipyridinliganden in einem Lösungsmittelgemisch erreicht. Einleitende mechanistische Untersuchungen sowie quantenchemische Berechnungen deuten darauf hin, dass die Reaktion über einen radikalischen Mechanismus verläuft. Den Schlüsselschritt stellt dabei die Reduktion der Alkylhalogenide durch eine CuI–Si-Spezies dar. In einem anschließenden Projekt wurden Carbonsäuren, die zuvor in redoxaktive N-Hydroxyphthalimidester (NHPI) überführt wurden, als Elektrophile etabliert und mit Si–B-Reagenzien zur Reaktion gebracht. So wurde eine effiziente decarboxylierende Silylierung unter milden Bedingungen erreicht. Gemäß diesem Protokoll ließen sich auch α-silylierte Amine über die entsprechenden α-aminosäureabgeleiteten NHPI-Ester darstellen. Als Alternative zu den NHPI-Estern wurden in weiteren Untersuchungen auch die gut zugänglichen KATRITZKY-Pyridiniumsalze betrachtet, die bereits als Alkylradikalvorläufer verwendet worden waren. Diese pyridiniumaktivierten, primären Amine führten jedoch nur zu moderaten Ausbeuten in der deaminierenden Silylierung. Eine Steigerung der Ausbeute wurde auch nach systematischer Untersuchung der Reaktionsbedingungen nicht erreicht. Eine Ausweitung der Kreuzkupplung auf Sulfonylalkane als Elektrophile mit Si–B-Reagenzien misslang. Der zweite Teil behandelt die Entwicklung neuer Silicium- und Germaniumnukleophile und deren synthetische Anwendung in C(sp3)-Si/Ge-Kreuzkupplungsreaktionen. Dafür wurde eine homogene Lösung an Silicium-GRIGNARD-Reagenzien dargestellt, welche von der in situ-Bildung von MgBr2 in Lösung und der nachfolgenden Ummetallierung des Siliciumanions von Lithium zu Magnesium abhängen. Diese Methode umgeht die Herstellung von Siliciumpronukleophilen wie dem Si–B-Reagenz. Diese Silicium-GRIGNARD-Reagenzien wurden anschließend in eisen- beziehungsweise cobaltkatalysierten Kreuzkupplungen mit Alkylbromiden verwendet. Zusätzlich wurde diese Ummetallierungsstrategie auch zur Erzeugung weicher magnesium- und zinkbasierter Germaniumnukleophile angewendet. Die Germanium-GRIGNARD-Reagenzien reagierten dabei direkt mit Alkylelektrophilen über einen ionischen Mechanismus, während die zinkbasierten Reagenzien in einer radikalischen, nickelkatalysierten C(sp3)–Ge-Kreuzkupplung zum Einsatz kamen. Die im Laufe dieser Arbeit etablierten katalytischen Methoden unterscheiden sich zwar in den verwendeten Substraten und Katalysatoren, verlaufen jedoch alle über einen radikalischen Mechanismus. Die Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen sowie die Ausbeuten waren dabei durchgängig hoch.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9594
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8639
Exam Date: 25-Jun-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 19-Jul-2019
DDC Class: 547 Organische Chemie
Subject(s): metal
catalysis
cross-coupling
silicon
Germanium
Metall
Katalyse
Kreuzkopplung
Silizium
Sponsor/Funder: DFG, 388910461, Ionische und radikalische Kreuzkupplungen zur Kohlenstoff-Silicium-Bindungsknüpfung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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