Homogene Goldkatalyse

Gold und Goldkomplexe in der Homogenen Katalyse

In den vergangenen Jahren erlebte die Forschung über Gold und seine katalytischen Eigenschaften einen starken Aufschwung. Ständig erscheinen neue Publikationen über Gold und Goldkomplexe in der Organischen Chemie. Mit Goldkatalysatoren sind komplexe Ringschlussreaktionen und Gerüsttransformationen von einfachen, ungesättigten Substraten realisierbar, die einige Jahre zuvor nicht möglich waren. Dieser Beitrag stellt die Grundlagen der molekularen Mechanismen der homogenen Goldkatalyse vor.

 

Grundlagen des Mechanismus

Gold hatte lange Zeit keine Bedeutung in der Organischen Chemie. Goldsalze und -komplexe waren Randerscheinungen der Anorganischen Chemie, und bis auf einige pharmakologische Präparate (Beispiel: Auranofin®, ein Phosphan-Gold(I)-Thiolatkomplex zur Behandlung chronischer Polyarthritis) erlangten Goldverbindungen nie größere Bekanntheit. Der hohe Preis von Gold dürfte eine untergeordnete Rolle gespielt haben, da mit Osmium und Rhodium zwei Metalle in der Katalyse routinemäßig verwendet werden, die wesentlich teurer sind. Den eigentlichen Grund für das neue Interesse stellen die grundlegend anderen Mechanismen dar, die den Ausgang goldkatalysierter Reaktionen beeinflussen. Anders als bei den meisten anderen Übergangsmetallen treten hier nicht die für Kreuzkupplungen charakteristischen Redoxzyklen (oxidative Addition und reduktive Eliminierung), Insertionen und Hydrideliminierungen auf. Die beiden Grundpfeiler der Goldkatalyse sind die Carbophile Aktivierung von C–C-Mehrfachbindungen und die Möglichkeit zur Carbenbildung. Letztere begünstigend die Bildung und Stabilisierung kationischer Fragmente. Das im Vergleich zu anderen Übergangsmetallen herausragende Reaktivitätsmuster wird wesentlich durch relativistische Effekte verursacht, die bei Gold besonders ausgeprägt sind (Gorin & Toste 2007, Fürstner & Davies, 2007).

Unter dem Begriff „relativistische Effekte“ werden alle Erscheinungen zusammengefasst, die auf die hohen Geschwindigkeiten von Elektronen in der Nähe schwerer Kerne zurückgehen. Der resultierende relativistische Massenzuwachs der Elektronen führt zu einer energetischen Absenkung der s- und p-Orbitale und zu einer radialen Kontraktion. Die Folge ist eine verstärkte Abschirmung der Kernladung und Expansion der Valenzschale. Beim Gold kommt es zu einer günstigeren Überlappung der 5d- und 6p-Orbitale mit den Orbitalen der Bindungspartner. So sind die Einfachbindungen in Au-L-Komplexen gleich lang oder kürzer als bei den korrespondierenden Verbindungen des leichteren Homologen Silber, was mit höheren Bindungsstärken einhergeht. σ-Akzeptoren (elektronegative Liganden) bewirken eine Beteiligung der gefüllten 5d-Orbitale des Goldes, währen σ-Donoren (elektropositive Liganden) Elektronenladung in leere 6p-Orbitale geeigneter Symmetrie abgeben. Die bei katalytischen Reaktionen oft verwendeten Gold(I)-Präkatalysatoren bevorzugen die Koordinationszahl Zwei mit linearer Geometrie. Gold(I) zeigt eine ausgeprägte Affinität zu Phosphanliganden. Für die formale Reaktion Au+ + L → AuL+ wurde auf der Grundlage theoretischer und experimenteller Ergebnisse die folgende Ligandenreihe gefunden: Xe < C6F6 < H2O < CO < H2S < CH3CN ≈ C2H4 ≈ NH3 ≈ CH3NC < CH3SCH3 < PH3 (Schröder et al. 1995, Hrusak et al., 1995).

Die Stabilität reiner Goldorganyle, die in der modernen Katalyse bislang nicht nachgewiesen wurden, hängt maßgeblich von der Oxidationsstufe des Metalls ab. Organogold(III)-Verbindungen AuR3 (R = Alkyl, Aryl) sind sehr reaktiv (Puddephat 1978, 1987), beispielsweise ist Trimethylgold nur bis max. –40° C haltbar (Gilman & Woods 1948). Gemischte Verbindungen mit elektronegativen Liganden vom Typ R2AuX (X = Halogen) sind dagegen deutlich unempfindlicher. Im Gegensatz dazu sind Organogold(I)-Verbindungen vom Typ AuR2 (Aurate) vergleichsweise stabil (vgl. Puddephat). Goldorganyle gehen, ähnlich wie Organokupfer-Verbindungen, nur widerstrebend β-Hydrideliminierungen ein. Die Kohlenstoff-Gold-Bindungen sind empfindlich gegen Protolyse, obwohl Reaktionen mit Goldkomplexen in protischen Lösungsmitteln oder sogar in Wasser durchführbar sind.

Die erste bedeutendere Anwendung eines Goldkatalysators war die industrielle Herstellung von Acetalen durch Addition von Methanol an Alkine (Teles & Schulz 1998). Der elektrophile Angriff eines weichen, π-aciden AuL+-Fragments auf ein eine ungesättigte Struktureinheit (Alken, Alkin, Allen, Aren) hat einen Gold-Alken-Komplex (Gold-Alkin-Komplex) zur Folge, dessen Struktur und chemisches Verhalten mit dem Dewar-Chat-Duncanson-Modell beschrieben werden kann. Die resultierenden Gold-Koordinationsverbindungen stellen starke Donor-, aber schwache Akzeptorkomplexe mit starker σ-Hinbindung Ligand→Metall und wesentlich schwächerer π-Rückbindung Metall→Ligand dar (der elektrostatische Anteil an den bindenden Wechselwirkungen ist allerdings beträchtlich und darf nicht vernachlässigt werden, vgl. Nechaev et al. 2004). Dadurch wird das komplex gebundene π-System nucleophil angreifbar. Da freie Alkene und Alkine gewöhnlich – wenn auch nur schwache – Nucleophile darstellen, tritt bei der Koordinierung an ein Goldzentrum gewissermaßen eine Reaktivitätsumkehr auf.

Neben diesem Phänomen der carbophilen Aktivierung ist Gold zu einer ausgeprägten Carbenbildung fähig (Schröder et al. 1995, Hrusak et al. 1995, Heinemann et al. 1995, Schwarz 2003). Diese Stabilisierung ist eine Folge der starken Rückbindung gefüllter 5d-Orbitale in leere p-Orbitale des Carbenkohlenstoffs, die im Gegensatz zu der eher geringen Rückbindung in den π-Komplexen steht. Die Möglichkeit zur Ausbildung temporärer Gold-Alkyliden-Strukturen begünstigt die Bildung kationischer Fragmente. Hier liegt der Schlüssel zum Verständnis für die bei Beteiligung von Alkinen beobachtbaren komplexen Gerüstumlagerungen. Die folgende Abbildung fasst die beiden Merkmale der Goldkatalyse vereinfacht am Schema einer Enincyclisierung zusammen (Abbildung 1, vgl. Fürstner & Davies 2007):

Abbildung 1: Carbophile Aktivierung (Fragment 1) und Carbenbildung (4) sind zentrale Merkmale der homogenen Goldkatalyse

Die carbophile Aktivierung des Alkins 1 führt zu einem nucleophilen Angriff des Alkens und hat formal ein zwitterionisches Fragment 2 zur Folge. Es resultieren unterschiedliche Strukturen wie die Cyclopropane 3, 4 oder Cyclobutan 5. Diese Intermediate sind in der Lage, in Abhängigkeit des Substitutionsmusters der Reaktanden tandemartige Folgereaktionen einzugehen. Die bevorzugte Komplexierung von Alkinen an Gold in Gegenwart von C–C-Doppelbindungen hat kinetische Ursachen (vgl. Fürstner & Davies 2007). Bei Verwendung olefinischer oder allenischer Substrate ohne Dreifachbindung bleiben diese mannigfaltigen Reaktionen oft verborgen und es erfolgt lediglich eine einfache 1,2-Addition der Nucleophile. Aber auch hier handelt es sich häufig um präparativ wertvolle Anwendungen, wie beispielsweise die asymmetrische Aminierung von Allenen, die wahlweise intramolekular (LaLonde et al. 2007, Zhang et al. 2007a,b) oder intermolekular (Nishina & Yamamoto 2006, 2007) durchgeführt werden können.

 

Homogene Goldkatalyse, Mechanismus und Organische Synthese

Die folgenden Beispiele verdeutlichen das synthetische Potential goldkatalysierter Reaktionen. Der Einblick in die Mechanismen zeigt die Konsistenz der wenigen und relativ einfachen Grundprinzipien der komplex scheinenden Synthese funktionalisierter Ringsysteme.

Historisch wichtig ist die Cyclisierung von Eninen. Echavarren und Mitarbeiter stellten im Jahr 2004 die erste goldkatalysierte Enincyclisierung vor (Abbildung 2, Nieto-Oberhuber et al. 2004):

Abbildung 2: Cyclisierung eines Enins 6/7 zur Synthese von carbocyclischen Fünfringen vom Typ 12 und 14)

Die Alkinaktivierung des nicht-konjugierten Enins 6 führt über den π-Komplex 7 zu einem Alkyliden-cyclohexyl-Carbeniumion 8. Die Bildung eines Goldcarbens mündet in den annelierten Bicyclus 9 mit Dreiring. Dieser kann via des Alkyliden-Cyclopentans 14 mit Nucleophilen abgefangen werden (Reaktion in Methanol anstelle in Dichlormethan, vgl. Intermediat 13). Die mit den Formeln 7 und 8 implizierten Vorgänge, d. h. die Ausbildung einer Vinylgold-Spezies und die anschließende Carbenbildung durch Elektronenschub vom Gold zum elektronendefizienten Kohlenwasserstoffgerüst, ist ein oft wiederkehrendes Phänomen, das als „Pull-push“-Effekt bezeichnet wird. Steht kein Nucleophil zur Verfügung, stabilisiert sich 9 durch Isomerisierung unter Ausbildung des stabileren, sekundären Carbeniumions 11. Eliminierung des Goldkatalysators liefert das konjugierte Dien 12.

Die in Abbildung 2 gezeigte Reaktion war Teil eines viel beachteten Beitrags, obwohl die Umrisse der gezeigten Gerüstumlagerungen da schon mit Platin- und Rutheniumkatalysatoren bekannt waren (Bruneau 2005). In einer weiterführenden Arbeit wurden die Produkte des Typs 12 durch Verwendung chiraler Liganden mit mäßigen Enantiomerenüberschüssen hergestellt (Muoz et al. 2005). Die Entwicklung effektiver, chiraler Goldkatalysatoren ist schwierig, da Gold(I), wie bereits erwähnt, in der Regel zweifach koordinierte, lineare Komplexe bildet und eine freie Koordinationsstelle zur Bindung des Substrats benötigt. Zweizähnige chirale Liganden stellen aber beim Katalysatordesign metallorganischer Komplexe für asymmetrische Synthesen die beste Lösung dar (Noyori 1994, Ojima 2000). Bis etwa 2008 war die asymmetrische Katalyse mit Goldkomplexen noch nicht weit entwickelt.

Eine Direktsynthese der Bicyclo[3.1.0]hexan-Grundstruktur 9 aus Abbildung 2 ist unter Verwendung eines einfacheren Bausteins möglich (Abbildung 3) (Mamane et al. 2004):

Abbildung 3: Enincyclisierung zur Synthese des ringannelierten Cyclopropans 20

Im Fall des Propargylacetats 15 führt der nucleophile Angriff des Carbonylsauerstoffs auf das goldaktivierte Alkin zur Bildung des kationischen Alkyliden-(1,3)-dioxolans 17. Durch den „Push“-Effekt wird die positive Ladung im organischen Fragment neutralisiert; das Goldcarben cyclopropaniert stereospezifisch die terminale Doppelbindung. Die alkalische Hydrolyse des Endprodukts 19 lieferte das Keton 20 mit 74% Gesamtausbeute. Diese Cyclopropan-Synthese war der Schlüsselschritt zur Herstellung verschiedener Terpene mit Bicyclo[3.1.0]hexan-Gerüst (Fürstner & Hannen 2004).

In der folgenden Abbildung ist eine scheinbar komplexe Umlagerung des leicht zugänglichen Propargyl-Dithioacetals 21 dargestellt (Abbildung 4) (Ping et al. 2007):

Abbildung 4: Umlagerung des schwefelhaltigen ungesättigten Substrats 21

Auch hier kann mit den skizzierten Grundprinzipien der Mechanismus der Katalyse einfach formuliert werden. Die 1,3-Addition eines Schwefelatoms auf die durch den Katalysator aktivierte Dreifachbindung führt zu einem Alkylidenthiiran-Kation 22. Durch Bildung des Carbens 23 kommt es zu einer Ringerweiterung und die Insertion der aromatischen C–H-Bindung in die Kohlenstoff-Gold-Bindung bewirkt den endgültigen Ringschluss. Das aromatische Bromatom bleibt unberührt, oxidative Additionen finden nicht statt.

Neben diesen grundlegenden mechanistischen Abläufen verfügt Gold über weitere Besonderheiten, die in verstärktem Maß an das Substitutionsmuster der Substrate gekoppelt sind. Bei der in der folgenden Abbildung dargestellten Synthese des halogenierten Phenanthrens 26 aus dem Biphenyl 25 mit 5 mol% Indium(III)-chlorid oder Gold(III)-chlorid als Präkatalysator findet die C–C-Verknüpfung mit der erwarteten Regiochemie statt (Abbildung 5) (Mamane & Hannen 2004, Fürstner & Mamane 2002):

Abbildung 5: Synthese der halogen-substituierten Phenanthrene 26 und 27

Der Wechsel des Katalysators zu Gold(I)-chlorid hat dagegen eine 1,2-Verschiebung des Broms zur Folge (Produkt 27). Diese Phänomen basiert auf der Ausbildung von Vinyliden-Zwischenstufen, was in den eckigen Klammern skizziert ist. Ursache ist eine stärkere Rückbindung Metall→Ligand des im Vergleich zu Gold(III) und Indium(III) elektronenreicheren Gold(I). Derartige Vinyliden-Spezies spielen auch bei der Cyclisierung von Substraten mit silylierten, germanylierten und stannylierten Alkinen eine Rolle (Seregin & Gevorgyan 2006). Ein weiteres instruktives Beispiel zum Einfluss des Oxidationszustandes des Katalysators ist die Herstellung von Furanen 29, 30 aus halogenierten Allenylketonen (Abbildung 6) (Sromek et al. 2005):

Abbildung 6: Regiodivergente Furansynthesen mit halogenierten Allenonen vom Typ 28

Die Cyclisierung des bromierten Allenylketons 28 führt je nach Verwendung von Gold(I)- oder Gold(III) -Präkatalysatoren zu den regioisomeren Produkten 29 und 30. Den Autoren nach kommt es bei Verwendung von Gold(III)-chlorid zu einer Koordinierung des Goldes durch den Carbonylsauerstoff, die eine 1,2-Verschiebung des Broms über ein Bromirenium-Ion bewirkt. Das steht im Einklang mit dem von dieser Arbeitsgruppe entwickelten kupferkatalysierten Ringschluss-Verfahren analoger Thioallenylketone, die über Thiirenium-Intermediate verlaufen (Kim et al. 2003). Das weniger elektrophile Gold(I) greift hingegen bevorzugt an der allenischen Doppelbindung an.

 

Quellen

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Schlagwörter: Dominoreaktionen, Gold, Homogene Katalyse, Koordinationschemie, Metallorganische Chemie

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