(Transition) metal-catalysed electrophilic amination of simple arenes

Promovendus/a: Lisa Van Emelen

Promotor(en): Prof. dr. ir. Dirk De Vos, Prof. dr. Dimitrios Sakellariou

Arylamines zijn belangrijke tussenproducten in de productie van heel wat waardevolle chemicaliën, gaande van kleurstoffen tot geneesmiddelen. Idealiter zouden eenvoudige aromaten en amines direct gekoppeld kunnen worden, ter vorming van het overeenkomstige amine. Deze reactie is echter energetisch ongunstig en bijgevolg verloopt de synthese van arylamines typisch in meerdere stappen, uitgaande van vooraf gefunctionaliseerde moleculen. Dit resulteert in grote hoeveelheden (zout)afval. Recent werd (transitiemetaalgekatalyseerde) directe C-H-aminering geïntroduceerd als een fundamenteel milieuvriendelijkere methode om arylamines te produceren. Hoofdstuk 1 bespreekt de huidige stand van de wetenschap inzake areen C-H-aminering in de context van de “Principes van de Groene Chemie”. Dit proefschrift focust op elektrofiele aminering (EA), waarbij een uittredende groep (LG) op het amine (of een andere stikstofkoppelingspartner) geplaatst wordt om de koppelingsreactie te faciliteren. De meeste gerapporteerde EA’s zijn echter beperkt tot intrinsiek reactievere aromaten en/of stikstofkoppelingspartners met een grote LG, hetgeen zowel de toepasbaarheid als de duurzaamheid negatief beïnvloedt. Bovendien worden vaak waardevolle metalen in opgeloste vorm als katalysator gebruikt (homogene katalysator), hetgeen de herwinning van deze metalen en de opzuivering van het reactieproduct bemoeilijkt. Bijgevolg bestaat er een grote nood aan EA’s van eenvoudige arenen met atoomefficiënte stikstofkoppelingspartners. Daarnaast zijn immobilisatie van de katalysator op een dragermateriaal en verminderd gebruik van additieven zeer gewenst. In dit proefschrift worden drie katalytische systemen voorgesteld die deze aspecten behandelen.

Immobilisatie van de katalysator op een vaste drager is niet vanzelfsprekend in EA, omdat het actieve metaal vaak loskomt van de drager of omdat de drager niet stabiel genoeg is onder de reactiecondities. In Hoofdstuk 2 wordt een kopercomplex (CuII(2,2’-bipyridine)), dat eerder gebruikt werd in de aminering van eenvoudige aromaten met hydroxylamine-O-sulfonzuur, ingesloten in de poriën van zeoliet Beta, d.m.v. een zogenaamde ship-in-a-bottle strategie. Daarbij wordt het complex in de nauwe poriën van de zeoliet gevormd, waarna het deze niet meer kan verlaten. Deze katalysator was actiever en stabieler dan andere bestudeerde materialen en gaf tot 59 % opbrengst aan arylamines. Bovendien kon de katalysator eenvoudig gerecycleerd worden en overtrof deze gelijkaardige, eerder gerapporteerde katalytische systemen in termen van turnovergetal.

Veel aromaten bevatten verschillende C-H-bindingen met een gelijkaardige reactiviteit. Zeker wanneer aminering van meta-C-H-bindingen gewenst is, zijn vaak omvangrijke directing groups (DG) op het areen en zeer specifieke katalysatoren vereist. In Hoofdstuk 3 wordt een ligandvrije, palladium/zilvergekatalyseerde meta-selectieve amidering van aromaten zonder DG beschreven. Met O-acetyl acetohydroxamzuur (AcNHOAc) als stikstofkoppelingspartner werd tot 50 % opbrengst bekomen, met tot 76 % selectiviteit voor de meta-C-H-bindingen. D.m.v. een combinatie van kinetische en spectroscopische experimenten werd de interactie tussen de palladiumkatalysator en de koppelingspartner bestudeerd, net als de rol van zilver. Op basis daarvan werd een reactiemechanisme voorgesteld.

Veel EA’s vergen zeldzame, waardevolle metaalkatalysatoren, zoals rhodium, iridium of palladium. Zowel vanuit een ecologisch als vanuit een economisch standpunt zou het interessant zijn om goedkopere en meer voorkomende metalen zoals ijzer te gebruiken. Niettemin werden slechts enkele voorbeelden hiervan gerapporteerd en het leeuwendeel vereist een grote hoeveelheid (soms zelfs een overmaat) katalysator. Zoals besproken wordt in Hoofdstuk 4, kon door een gerichte (en groene) solventkeuze (azijnzuur) en het verhogen van de temperatuur de hoeveelheid ijzerkatalysator teruggebracht worden van 200 tot 5 mol% in een elektrofiele amidering met AcNHOAc. Daarenboven toonde een brede katalysatorscreening aan dat naast ijzer(III)citraat monohydraat ook andere componenten, in het bijzonder bismutchloride, actief waren. Ten gevolge van de instabiliteit van de stikstofkoppelingspartner en productinhibitie bleven de opbrengsten echter vrij beperkt (≤ 31 %). Kinetische en spectroscopische data wezen in de richting van een elektrofiel aromatisch substitutiemechanisme, maar de precieze aard van het reactieve intermediair blijft vooralsnog onduidelijk.

Samengevat werden drie katalytische systemen ontwikkeld voor de elektrofiele aminering van eenvoudige arenen, waarbij atoomefficiënte stikstofkoppelingspartners gebruikt werden. Bovendien werden waardevolle mechanistische inzichten bekomen, alsook karakterisatiedata van de katalysatoren.