The present work focusses on the borylation of aryl halides. The first chapter presents a detailed review about previously reported nickel-catalyzed borylation reactions. The second chapter of the thesis describes, the borylation reaction of C–Cl bonds in aryl chlorides mediated by an NHC-stabilized nickel catalyst. The cyclohexyl substituted NHC Cy2Im was used to synthesize novel Cy2Im-stabilized nickel complexes [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1, [Ni(Cy2Im)2(η2-C2H4)] 2, and [Ni(Cy2Im)2(η2-COE)] 3. An optimized procedure was developed using 5 mol% of the Ni-catalyst, 1.5 equivalents of the boron reagent B2pin2, and 1.5 equivalents of NaOAc as the base in methylcyclohexane at 100 °C. With these optimized conditions, it was shown that a variety of aryl chlorides, containing either electron-withdrawing or -donating groups, were converted to the corresponding aryl boronic esters in yields up to 99% (88% isolated) yield. Mechanistic investigations revealed that the C–Cl oxidative addition product [Ni(Cy2Im)2(Cl)(4-F3C-C6H4)] 11, which has been synthesized and isolated separately, also catalyzes the reaction. Thus, rapid oxidative addition of the C–Cl bond of the aryl chloride to [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1 to yield trans-[Ni(Cy2Im)2(Cl)(Ar)] represents the first step in the catalytic cycle. The rate limiting step in this catalytic cycle is the transmetalation of boron to nickel forming trans-[Ni(Cy2Im)2(Bpin)(Ar)], which was not possible to isolate. The boryl transfer reagent is assumed to be the anionic adduct Na[B2pin2(OAc)]. A final reductive elimination step gives the desired borylated product Ar–Bpin and regenerates [Ni(Cy2Im)2].
In the next chapter the first effective C–Cl bond borylation of aryl chlorides using NHC-stabilized Cu(I)-complexes of the type [Cu(NHC)(Cl)] was developed. The known complexes [Cu(iPr2Im)(Cl)] 15, [Cu(Me2ImMe)(Cl)] 16, and [Cu(Cy2Im)(Cl)] 17, bearing the small alkyl substituted NHCs, were synthesized in good yields by the reaction of copper(I) chloride with the corresponding free NHC at low temperature (-78 °C) in THF. A range of catalysts, bases, solvents, and boron sources were screened to determine the scope and limitations of this reaction. [Cu(Cy2Im)(Cl)] 17 revealed a significantly higher catalytic activity than [Cu(iPr2Im)(Cl)] 15. KOtBu turned out to be the only efficient base for this borylation reaction. Besides methylcyclohexane, toluene was the only solvent that gave the borylated product in moderate yields of 53%. It was shown that a variety of electron-rich and electron-poor aryl chlorides can be converted to the corresponding aryl boronic esters in isolated yields of up to 80%. A mechanism was proposed, in which a Cu-boryl complex [Cu(L)(Bpin)] is formed in the initial step. This is followed by C–B bond formation via σ-bond metathesis with the aryl chloride forming the aryl boronic ester and [Cu(L)(Cl)]. The latter reacts with KOtBu to give [Cu(L)(OtBu)], which regenerates the copper boryl complex by reaction with B2pin2.
Chapter 4 describes studies directed towards the transition metal-free borylation of aryl halides using Lewis base adducts of diborane(4) compounds. A variety of novel pyridine and NHC adducts of boron compounds were synthesized. Adducts of the type pyridine·B2cat2 18-19 and NHC·B2(OR)4 20-23 were examined for their ability to transfer a boryl moiety to an aryl iodide. However, only Me2ImMe∙B2pin2 20 was found to be effective. The stoichiometric reaction of 20 with different substituted aryl iodides and bromides in benzene, at elevated temperatures, gave the desired aryl boronic esters in good yields. Interestingly, depending on the reaction temperature, C–C coupling between the aryl halide and the solvent (benzene), was detected leading to a side product which, together with observed hydrodehalogenation of the aryl halide, provided indications that the reaction might be radical in nature.
When the boryl transfer reaction based on Me2ImMe∙B2pin2 20 was followed by EPR spectroscopy, a signal (though very weak and ill-defined) was detected, which is suggestive of a mechanism involving a boron-based radical. In addition, the boronium cation [(Me2ImMe)2∙Bpin]+ 37 with iodide as the counterion was isolated from the reaction residue, indicating the fate of the second boryl moiety. A preliminary mechanism for the boryl transfer from 20 to aryl iodides was proposed, which involves an NHC–Bpin˙ radical as the key intermediate. Me2ImMe–Bpin˙ is formed by homolytic B–B bond cleavage of the bis-NHC adduct (Me2ImMe)2∙B2pin2, which is formed in situ in small amounts under the reaction conditions. Me2ImMe–Bpin˙ reacts with the aryl iodide to give the aryl boronic ester with recovery of aromaticity. In the same step, from the second equivalent of NHC–Bpin˙, an NHC-stabilized iodo-Bpin adduct is formed as an intermediate, which is further coordinated by another NHC, yielding [(Me2ImMe)2∙Bpin]+I- 37. / Das erste Kapitel gibt zunächst einen detaillierten Überblick über die Nickel-katalysierte Borylierung. Das zweite Kapitel dieser Arbeit beschreibt die Borylierung von Arylchloriden mithilfe NHC-stabilisierter Nickelkatalysatoren. Dafür wurden zunächst die Nickelkomplexe [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1, [Ni(Cy2Im)2(η2-C2H4)] 2 und [Ni(Cy2Im)2(η2-COE)] 3 dargestellt. Als optimale Bedingungen für die Borylierung haben sich 5 Mol-% des Ni-Katalysators, 1.5 Äquivalente des Borylierungsreagenzes B2pin2 und 1.5 Äquivalente NaOAc als Base in Methylcyclohexan bei 100 °C erwiesen. Unter diesen optimierten Bedingungen lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Arylchloride in die jeweiligen Arylboronsäureester in Ausbeuten von bis zu 99% (88% für die isolierte Verbindung) überführen. Der Komplex [Ni(Cy2Im)2(Cl)(4-F3C-C6H4)] 11, das Produkt der oxidativen Addition von 4-F3C-C6H4-Cl an [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1, katalysiert ebenfalls die Reaktion. Mechanistischen Untersuchungen zufolge, stellt die rasche oxidative Addition der C–Cl-Bindung des Arylchlorids an [Ni2(Cy2Im)4(μ-(η2:η2)-COD)] 1 unter der Ausbildung von trans-[Ni(Cy2Im)2(Cl)(Ar)], den ersten Schritt des Katalysezykluses dar. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in diesem Katalysezyklus ist die Transmetallierung von Bor zu Nickel unter Bildung von trans-[Ni(Cy2Im)2(Bpin)(Ar)]. Es wird angenommen, dass es sich bei dem Boryltransferreagenz um das anionische Addukt Na[B2pin2(OAc)] handelt. Ein letzter reduktiver Eliminierungsschritt ergibt das gewünschte borylierte Produkt Ar–Bpin unter Rückgewinnung von [Ni(Cy2Im)2].
Im nächsten Kapitel der Arbeit wurde die erste effiziente C–Cl-Borylierung von Arylchloriden entwickelt. Eine Reihe verschiedener Katalysatoren des Typs [Cu(NHC)(Cl)], Basen, Lösungsmitteln und Borylierungsreagenzien wurden untersucht, um die Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen dieser Reaktion zu bestimmen. Der Komplex [Cu(Cy2Im)(Cl)] 17 zeigte dabei eine signifikant höhere katalytische Aktivität als [Cu(iPr2Im)(Cl)] 15. Des Weiteren erwies sich KOtBu als einzige geeignete Base für diese Reaktion und Methylcyclohexan stellte sich als optimales Lösungsmittel heraus. Unter diesen optimierten Bedingungen lassen sich eine Vielzahl, sowohl elektronenreicher als auch elektronenarmer Arylchloride in die entsprechenden Arylboronsäureester in Ausbeuten von bis zu 80% überführen. Ein Mechanismus der Reaktion wurde postuliert, wonach zunächst ein Kupfer-Boryl-Komplex [Cu(L)(Bpin)] gebildet wird. Darauf folgt die Knüpfung einer C–B-Bindung durch eine σ-Bindungsmetathese mit dem Arylchlorid, wobei der gewünschte Arylboronsäureester und [Cu(L)(Cl)] gebildet wird. Im Folgenden reagiert [Cu(L)(Cl)] mit KOtBu zu [Cu(L)(OtBu)], wodurch durch Reaktion mit B2pin2 der Kupfer-Boryl-Komplex regeneriert wird.
Kapitel 4 beschreibt Untersuchungen zur übergangsmetallfreien Borylierung von Arylhalogeniden unter Verwendung von Lewis-Basen-Addukten von Diboran(4)-Verbindungen. Die Addukte des Typs Pyridin·B2cat2 18-19 und NHC·B2(OR)4 20-23 wurden weiter auf ihre Fähigkeiten hin untersucht, eine Boryleinheit auf ein Aryliodid zu übertragen. Ausschließlich Me2ImMe∙B2pin2 20 stellte sich hierbei als wirksam heraus. Die stöchiometrische Reaktion von 20 mit verschiedenartig substituierten Aryliodiden und -bromiden in Benzol bei erhöhten Temperaturen lieferte die gewünschten Arylboronsäureester in guten Ausbeuten. Interessanterweise wurde als Nebenreaktion eine von der Reaktionstemperatur abhängige C–C-Kupplung zwischen dem Arylhalogenid und dem Lösungsmittel (Benzol) beobachtet. Sowohl das C–C-Kupplungsnebenprodukt, als auch eine beobachtete Hydrodehalogenierung des Arylhalogenids deuten darauf hin, dass die Reaktion von radikalischer Natur sein könnte. Die Verfolgung der von Me2ImMe∙B2pin2 20 ausgehenden Boryltransferreaktion mittels ESR-Spektroskopie zeigte ein Signal, was auf einen Mechanismus mit Beteiligung eines Borradikals hinweist. Weitere Untersuchungen ergaben experimentelle Beweise für die Anwesenheit von Radikalen im Verlauf der Reaktion. Des Weiteren wurde das Boroniumkation [(Me2ImMe)2∙Bpin]+ 37 mit Iodid als Gegenion aus dem Reaktionsrückstand isoliert, was den Verbleib der zweiten Boryleinheit erklärt. Ein vorläufiger Mechanismus für den Boryltransfer von Me2ImMe∙B2pin2 20 auf Aryliodide wurde vorgeschlagen, wobei ein NHC–Bpin˙-Radikal als Schlüsselintermediat fungiert. Me2ImMe–Bpin˙ wird durch homolytische Spaltung der B–B-Bindung des Bis-NHC-Addukts (Me2ImMe)2∙B2pin2 gebildet, welches unter den gegebenen Reaktionsbedingungen in geringen Mengen in situ gebildet wird. Me2ImMe–Bpin˙ reagiert mit dem Aryliodid unter Rückgewinnung der Aromatizität zum gewünschten Arylboronsäureester. Im gleichen Schritt wird aus dem zweiten Äquivalent NHC–Bpin˙ ein NHC-stabilisiertes Iod-Bpin-Addukt als Zwischenprodukt gebildet. Dieses wird von einem weiteren NHC unter Bildung von [(Me2ImMe)2∙Bpin]+I- 37 koordiniert.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:21149 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Kuehn, Laura |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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