Übergangsmetallfreie Kreuzkupplung: sp2 zu sp3-Borsäureester

Organische Bor-Verbindungen sind zu unersetzlichen Bauteilen in der präparativen Chemie avanciert. Diese Art von Molekülen enthält das vielseitige Element Bor an zwei Sauerstoffe und einen organischen Rest gebunden. Speziell Borsäureester, bei welchen die Sauerstoffe auch organisch gebunden sind, können mittels sogenannter Kreuzkupplungsreaktionen zur Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung herangezogen werden, wobei sich verschiedene organische Strukturmotive verknüpfen lassen. Solche Umsetzungen sind äußerst bedeutsam, da komplexe Molekülstrukturen konstruierbar sind, indem verschiedene Bestandteile parallel aufgebaut und effizient gekoppelt werden können, ohne das unerwünschte funktionelle Gruppen übrig blieben. Auch deswegen brachte die Entwicklung der Suzuki-Miyaura-Reaktion, welche Katalysatoren, meist mit dem kostbaren Übergangsmetall Palladium, benötigt, Akira Suzuki 2010 den Nobelpreis ein. Tatsächlich ist sie die am häufigsten eingesetzte Methodik zur Synthese von potentiellen Wirkstoffen und in Gebieten wie der Agrochemie. Gleichzeitig bereitet die Verknüpfung von Bausteinen mit gesättigten Kohlenstoffen mit diesem Konzept große Schwierigkeiten, sodass damit primär planare Strukturen dargestellt werden. Ein gänzlich anderer Ansatz zur Nutzung von Organobor-Verbindungen ist die direkte Umsetzung mit metallorganischenReagenzienohneKatalysatoren,welchewirtschaftlich mit Hauptgruppenelementen synthetisiert werden. Nach Herstellung bestimmter solcher reaktiver und doch einfach handhabbarer Lithium-Organyle können Borsäureester gut zu stabilen Boronat-Komplex-Zwischenstufen umgesetzt werden. Professor Varinder K. Aggarwal von der Universität Bristol gelang es, durch das Auslösen von Umlagerungs- oder Wanderungsprozessen am Boratom solche Boronate zum Aufbau vielfältiger Strukturmerkmale heranzuziehen, welche ansonsten schwierig darzustellen wären. Mittels geeigneter Reaktionspartner- und führung sind 3D-Motive effizient zugänglich. Der Hauptvorteil all dessen ist das beeindruckende Ausmaß an stereochemischer Genauigkeit der Vorgänge, sodass räumlich wie gewünscht ausgerichtete Strukturen verlässlich entstehen. Um die Einschränkungen von Suzuki-Miyaura zu überwinden und von den gerade beschriebenen sogenannten Lithiierung-Borylierungs-Reaktionen zu profitieren, sieht die neue Konzeption vor, einfache dirigierende Gruppen (DG) an aromatischen Molekülen zu positionieren, welche dann über Borsäureester an gesättigte Kohlenstoffreste gebunden werden. Die DG wird ein Dimethylaminomethan-Motiv sein und die Lithiierung/ Borylierung an der richtigen Stelle sicherstellen. Nach einem Aktivierungsschritt wird eine Kaskade ausgelöst werden, wobei die DG zur rückstandslosen Abgangsgruppe und eine neue 3D- Verbindung erzeugt wird. Schlussendlich sitzt das Bor dort, wo die DG zuvor war und kann für weitere Reaktionen genutzt werden. 1

Tatsächlich konnte der im Stipendiumsantrag skizzierte stufenweise Ansatz zur dauerhaften Verknüpfung molekularer Bausteine erfolgreich erforscht und veröffentlicht werden. Die wenigen effizienten Methoden der präparativen Chemie zum Verbinden von gesättigten und dabei dreidimensional festgelegten Gefügen mit aromatischen Resten ohne Verlust räumlicher Eindeutigkeit setzen Strukturmerkmale voraus, welche die Brauchbarkeit des Ganzen einschränken. Anstatt eines klassischen, auf Palladium basierenden Katalysatorkreislaufs nutzt die neu entwickelte Strategie die besonderen Eigenschaften des Elements Bor und die kontrollierte schrittweise Umsetzung von Borsäure-Verbindungen. Eine Benzylamingruppe als einfach zu installierender Stickstoffrest dient zur gezielten Funktionalisierung der benachbarten Stelle am Aromaten, der ortho-Position, an welcher ein Lithium-Atom eingeführt wird, wodurch sie ausgeprägt reaktionsfreudig wird. Nach Zugabe des Borsäure-Moleküls, welches den gesättigten, räumlich definierten Baustein trägt, entsteht eine Übergangsstufe. Diese wird mittels einer gezielten Aktivierung umgelagert, die Stickstofffunktion abgespalten und infolgedessen wird unmittelbar auch das Bor-Atom überbrückt, also die erwünschte KohlenstoffKohlenstoff-Verknüpfung hergestellt. Die hierdurch erzeugte Zwischenstruktur, ihre Stabilität und weiteren nützlichen Eigenschaften erweisen sich als eine der wichtigsten Entdeckungen des Projekts. Um zum wieder aromatischen Zielgerüst zu gelangen, konnte eine neuartige Umlagerung entwickelt werden. Hierbei kommt dem Lithium katalytische Wirkung zu, indem es dazu gebracht wird, dem Borsäure-Rest bei der Wanderung innerhalb der Molekülstruktur zu assistieren. Anhand dieser zeitlich wenig aufwändigen Synthesemethode, deren Schritte im selben Reaktionsgefäß hintereinander durchgeführt werden können, ist eine große Bandbreite an anspruchsvollen Produkten zugänglich. Bestimmte Klassen von organischen Ausgangsstoffen können auf Grund von schnellen Nebenreaktionen nicht gekoppelt werden, wobei auch hier interessante Umwandlungen beobachtet werden. Die präparativen Möglichkeiten unter Verwendung oben erwähnten stabilen Zwischenstruktur wurden zum Inhalt der nachfolgenden Forschungen. Die Tendenz, wieder zum bevorzugten aromatischen Zustand zu gelangen, gerät vorteilhaft für viele zusätzliche Reaktionstypen, wodurch es unter anderem praktikabel wird, funktionelle Gruppen auf Basis von Sauerstoff und Stickstoff auf pragmatische Weise einzuführen. Das chemische Potential des gesamten vorgestellten Ansatzes wird durch Variation von Materialien und Bedingungen auf jeder Stufe der Methode weiter untersucht werden.