Herstellung von ALPHA-Boryl Radikalen aus 1,1-Diboronaten

Die organische Chemie befasst sich mit der Synthese und Verwendung von Molekülen die großteils aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Als solche sind organische Moleküle die Hauptbestandteile allen Lebens und somit auch von großer Bedeutung für medizinische, biochemische und agrochemische Anwendungen. Der Schwerpunkt der Synthese von organischen Molekülen liegt auf der Ausbildung neuer KohlenstoffKohlenstoff (CC) Bindungen weitere Funktionalisierungen, beispielsweise durch Oxidation oder Reduktion, führen dann zum erwünschten Produkt. Auf Kohlenstoff basierende Moleküle, die Bor enthalten, werden im Allgemeinen als Organobor-Verbindungen bezeichnet. Hierbei ist das Boratom über eine Bindung an ein Kohlenstoffatom (BC) und, üblicherweise, über zwei Bindungen an je ein Sauerstoffatom gebunden (BO). Die funktionelle Bor-Gruppe ermöglicht die Knüpfung der oben beschriebenen CC Bindungen knüpfen (meist mithilfe der Katalyse durch Übergangsmetalle); aber auch andere Elemente sogenannte Heteroatome lassen sich durch Aktivierung der Bor-Kohlenstoff Bindung einführen. Diese Transformationen lassen sich bemerkenswerter Weise auch stereospezifisch durchführen. Das bedeutet, dass die dreidimensionale Struktur des Moleküls nach der Umsetzung erhalten bleibt und die sogenannte chirale Information nicht verloren geht ein Hauptaugenmerk moderner synthetischer Methoden. Diese Vielseitigkeit von Organobor-Verbindungen macht sie zu höchst wertvollen Synthesezwischenstufen und die Gruppe von Prof. Varinder K. Aggarwal an der Universität Bristol hat sich ihrer Herstellung seit Jahren verschrieben. Das Ziel dieses Projektes ist es, synthetisch nützliche Organobor-Verbindungen auf eine neue Art und Weise herzustellen hierzu soll das Prinzip der photoredox Katalyse verwendet werden. Die photoredox Katalyse macht sich die Energie des Lichts zu Nutze, um Katalysatoren zu aktivieren, welche in weiterer Folge eine gewünschte Transformation durchführen. In diesem konkreten Fall wird durch Aktivierung eines solchen Photokatalysators der kontrollierte Zerfall eines gemischten 1,1-Diboronats (eine Bor-hältige Ausgangsverbindung) induziert, wodurch gogenannte a-Boryl Radikale gebildet werden. Diese resultierende Spezies kann danach auf verschiedene Arten mit ausgewählten Substraten gekuppelt werden, um somit neue Organobor-Verbindungen zu generieren. Der synthetische Vorteil dieses Ansatzes liegt in der katalytischen Natur des Prozesses (es müssen somit keine großen Mengen anderer Reagenzien verwendet werden) und ebenso in den milden Reaktionsbedingungen, die die gewünschte Umsetzung schonend durchführen und somit die Verwendung sensibler Moleküle erlauben.

Da sich zu unserer anfänglichen Enttäuschung früh im Verlauf des Projekts herausstellte, dass der angedachte Ansatz nicht von Erfolg gekrönt sein würde, änderten wir den Fokus unserer Untersuchungen und wandten uns anstelle von 1,1-Diboronaten den 1,2-Diboronaten zu. Der grundsätzliche Zugang und die damit zusammenhängende Fragestellung blieben aber die gleichen: Ist es möglich, Diboronate mittels Photoredoxkatalyse in Radikale zu überführen, welche in Bor-enthaltende Produkte umgewandelt werden könnten? Im Gegensatz zu 1,1-Diboronaten, bei denen die beiden Borsubstituenten ident sind, stellt sich bei 1,2 Diboronaten die zusätzliche Frage der Regioselektivität. Um eine synthetisch wertvolle Transformation zu entwickeln, ist es wichtig, dass nur einer der beiden Borsubstituenten aktiviert und funktionalisiert wird. Erfreulicherweise war es uns möglich, durch Wahl eines räumlich anspruchsvollen Aktivierungsreagenzes, die selektive Reaktion des zugänglicheren Bors zu erreichen. Wir vermuteten folglich, dass das an dieser Position entstehende Radikal zu einer Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungsbildung an der weniger substituierten (und somit freier zugänglichen) Position des ursprünglichen 1,2-Diboronats führen würde. Nach erfolgter Aktivierung wurde das erzeugte Intermediat, gemäß dem ursprünglichen Plan, mithilfe von Licht und einem Photoredoxkatalysator oxidiert und anschließend funktionalisiert. Schon unsere ersten Versuche zeigten jedoch die inverse Selektivität, nämlich die Funktionalisierung am schwerer zugänglichen Kohlenstoff. Aufgrund der eindeutigen Selektivität des ersten Schritts (welche in weiterer Folge durch Isotopenmarkierung zusätzlich bestätigt wurde), musste die von uns gefundene Reaktion somit über einen Positionswechsel des Radikals und des benachbarten Borsubstituenten ablaufen. Solche Prozesse sind zwar für verwandte Verbindungen und Szenarien hinlänglich bekannt, doch die homolytische 1,2-Borverschiebung findet sich kaum in der Literatur - unseren Recherchen zufolge wurde sie überhaupt erst einmal, an spezialisierten molekularen Gerüsten, beschrieben. Die Entdeckung dieses ungewöhnlichen Prozesses ermöglichte uns die Erforschung neuer Ansätze zur Funktionalisierung schwer zugänglicher Positionen. Die so erhaltenen Produkte, teilweise durch weitere komplexe Umlagerungen und Fragmentierungen hergestellt, zeichnen sich durch hohe Ausbeuten, Regioselektivitäten, und in einigen Fällen Stereoselektivitäten, aus. Weitere Untersuchungen dieser 1,2-Borverschiebung haben zusätzliche vielversprechende Syntheserouten eröffnet und werden derzeit weiterentwickelt.