DISS. ETH NO. 22701
Studies on the catalysis derived from dinuclear palladium
species of oxidation state (I)
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Marialuisa Aufiero
Dottore in Chimica, Università “La Sapienza” in Rome
born on 05.05.1986
Citizen of Italy
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Jeffrey W. Bode, examiner
Prof. Dr. Franziska Schoenebeck, co-examiner
Zürich 2015
Summary
Summary
The use of bulky-ligands in combination with Pd(0) and Pd(II) sources in cross-coupling
reaction has become a common strategy for the coupling of challenging substrates, such as
non-activated aryl chlorides. The success of these ligands is presumed to be due to their
ability to generate a monoligated 12-electron Pd(0)L species that undergoes facile
oxidative addition. In the last decades, particular attention has be directed towards the
synthesis of new Pd-based catalysts that could easily facilitate the release of this very
active species (Pd(0)L), among these catalysts Pd(I)-Pd(I) dimers had caught the attention
of many research groups. Some of these Pd(I) dimers were shown to be particularly good
precatalyst in the cross-coupling reactions with aryl halides but the mechanism that leads
to their activation is not well understood.
Part of this thesis was devoted to the understanding of additives effect onto Pd(0)
chemistry. We discovered that exposure of a series of Pd(0) commonly used in crosscoupling reactions to CuBrn (n=1, 2) and CuI led to the complete or partial comsumption of
the Pd(0) precursor and the formation of new species. A combined spectroscopical and
crystallographic study allowed us to gain insight into the possible products formed, and
oxidation of higher oxidation states of Pd, such as I and II, was observed for almost all of
all the Pd(0) complexes tested. Particular focus was directed into the reaction of
Pd(0)(PtBu3)2 with CuBrn (n=1, 2) and CuI additives: two different Pd(I)-Pd(I) dimers
were obtained with bromides and iodides bridges respectively.
Scheme A: Formation of Pd(I) dimer from reaction of Pd(PtBu3)2 and copper additives.
This discovery led us to investigate the possible effects of dimer formation in Sonogashira
and Suzuki cross-coupling reactions. The in situ formation of these two dimers
dramatically influenced the rate of Pd(0)(PtBu3)2. A parasite oligomerisation reaction of
the alkyne did not allow the normal Sonogashira coupling with aryl chlorides to occur. In
the case of Suzuki coupling an increase in the yields was observed in the presence of
CuBrn salts, whilst inhibition was observed in the presence of CuI salt, due to the higher
stability of the Pd(I) dimer formed.
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Summary
Scheme B: Effect of copper additives onto Pd(0)(PtBu3)2 in: Sonogashira reactions (left); in Suzuki
reactions (right)
The effect of other metal additives onto Pd(0)(PtBu3)2 was subsequently investigated. Pd(I)
dimer formation was observed also in the presence of AgBr, AgI, FeBr3 and AuBr3,
additives that are commonly use in combination with Pd(0) sources and were shown to
increase the rate of reactions.
Part of this thesis work was then devoted to the understanding of the possible mechanism
of activation of [Pd(μ-X)PtBu3]2 (X= Br, I) dimers. A detailed mechanistic study was
performed to investigate the possible reasons for the high activity shown by the
[Pd(μ-Br)PtBu3]2. The catalysis shown by this system was consistent with a Pd(PtBu3) as
active catalytic species. Further investigation allowed us to identify a nucleophilic-assisted
disproportionation as a likely mechanism for the activation of [Pd(μ-Br)PtBu3]2. The effect
of different nucleophiles onto [Pd(μ-Br)PtBu3]2 was tested and a minimum value of
nucleophilic power was set: 10.5, under this value no activation was observed. The same
study was extended to [Pd(μ-I)PtBu3]2. We found out that stronger nucleophiles are
required for its activation (N= 16.1, according to the Mayr’s scale), consistent with the
higher stability shown by this dimer. For the first time we were able to activate and use this
precatalyst in Suzuki cross-coupling reactions under both aerobic and anaerobic
conditions.
Scheme C: Suzuki cross-coupling reactions catalysed by [Pd(μ-I)PtBu3]2 under both aerobic and
anaerobic conditions.
Lastly, part of this thesis was devoted at developing direct catalysis at these dinuclear Pd(I)
sites. We succeeded in the development of the first Pd(I)-catalysed C-Se bond formation.
Extensive substrate scope was investigated and the reaction was shown to be tolerant to a
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Summary
wide range of functional groups, including unprotected amines and anilines. Good yields
were achieved under really mild conditions.
X -ray structure
Scheme D: Trifluoromethylselenolation catalysed by the in situ formed [Pd(μ-SeCF3)PtBu3]2. X-ray
structure of the Pd(I) dimer [Pd(μ-SeCF3)PtBu3]2.
A combination of spectroscopic and computational studies allowed us to gain more insight
into the possible mechanism of the transformation that does not exclude a direct dimer
catalysis as a possible pathway.
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Riassunto
Riassunto
L’uso di ligandi con elevato ingombro sterico in combinazione con fonti di Pd(0) e Pd(II)
in reazioni di cross-coupling è diventata una comune strategia per l’accoppiamento di
cloruri arilici non attivati, generalmente considerati substrati difficili da accoppiare. Il
successo legato all’uso di questi ligandi si pensa essere dovuto alla loro presunta abilità di
generare un complesso Pd(0)L monoligato avente 12 elettroni. La formazione di questo
complesso monoligato favorisce l’ossidazione riduttiva. Negli ultimi decenni particolare
attezione è stata diretta allo sviluppo di catalizzatori al Pd che possano facilmente rilasciare
in soluzione questa specie monoligata e molto attiva Pd(0)L. Tra i vari catalizzatori
proposti, i dimeri al palladium hanno attirato l’attenzione di molti gruppi di ricerca. Alcuni
di questi dimeri al Pd sono stati dimostrati essere degli ottimi precatalizzatori nelle reazioni
di cross-coupling con alogenuri arilici, tuttavia il meccanismo di reazione resta tuttora
sconosciuto.
Parte di questa tesi è stata dedicata allo studio dell’effetto che i sali di rame ed argento
hanno sulla reattività dei complessi di Pd(0). Abbiamo scoperto che l’esposizione di
diversi complessi di Pd(0) a sali di CuBrn (n=1, 2) e CuI porta al consumo totale o parziale
del complesso di Pd(0) e alla formazione di nuove specie. Una combinazione di studi
spettroscopici e cristallografici, ci ha permesso di risalire alla natura di queste nuove specie
e ossidazione del complesso di Pd(0) a più alti stati di ossidazione, come I e II, è stata
osservata per quasi tutti i complessi presi in esame. Particolare attenzione è stata rivolta
alla reazione del complesso Pd(0)(PtBu3)2 con additivi come CuBrn (n=1, 2) oppure CuI. In
questo caso, infatti, abbiamo osservato la formazione di Pd(I)-Pd(I) dimeri aventi ponti di
bromuri e ioduri rispettivamente.
Schema A: Formazione di dimeri di Pd(I) dovuti alla reazione di Pd(PtBu3)2 con additivi
al rame.
Spronati da questa scoperta, abbiamo investigato il possibile effetto di questa
trasformazione nelle reazioni di Sonogashira e Suzuki cross-coupling. Abbiamo scoperto
che la formazione in situ di questi dimeri ha una forte influenza sulla reattività di
Pd(0)(PtBu3)2. La reazione di Sonogashira è totalmente inibita a causa di una reazione di
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Riassunto
polimerizzazione degli alchini arilici. Nel caso della reazione di Suzuki un incremento
delle rese è stato osservato in presenza di sali di CuBrn (n=1, 2), mentre è stata osservata
inibizione in presenza di CuI, probabilmente dovuta alla maggiore stabilità di questo
dimero.
Schema B: Effetto dei Sali di rame sul Pd(PtBu3)2 nelle reazioni di Sonogashira (sinistra); nelle
reazioni di Suzuki (destra)
Successivamente abbiamo anche investigato l’effetto di altri additivi comunemente usati in
combinazione con Pd(0) come: AgBr, AgI, FeBr3 e AuBr3. La formazioni di questi due
dimeri è stata osservata anche in presenza di questi sali ossidanti. Questa scoperta potrebbe
spiegare alcuni degli effetti benefici che sono stati riscontranti nell’utilizzo di questi sali in
combinazione con fonti di Pd(0).
Parte di questo lavoro di tesi è stato dedicato alla compresione del meccanismo di
attivazione di questi dimeri [Pd(μ-X)PtBu3]2 (X= Br, I). Un dettagliato studio
meccanicistico è stato effettuato per capire il motivo dell’elevata reattività mostrata dal
dimero [Pd(μ-Br)PtBu3]2. La reattività mostrata da questo dimero è consistente quella
mostrata dal complesso monoligato Pd(PtBu3) come specie catalitica attiva. Maggiori
esperimenti ci hanno permesso di identificare come possibile meccanismo di attivazione un
disproporzionamento assistito da nucleofili. L’effeto di diversi nucleofili sul dimero
[Pd(μ-Br)PtBu3]2 è stato poi testato. In questo modo è stato possibilire stabilire un minimo
valore di nucleofilicità al di sotto del quale non si ha attivazione, valore stimato a 10.5. Lo
stesso studio è stato poi esteso al dimero [Pd(μ-I)PtBu3]2. Anche in questo caso è stato
possibile stabilire un valore minimo di nucleofilicità di 16.0 (secondo la scala sviluppata da
Mayr’s), al di sotto di questo valore non è possibile avere attivazione. Il fatto che un
maggiore potere nucleofilo sia richiesto per l’attivazione del dimero [Pd(μ-I)PtBu3]2 è in
accordo con la sua maggiore stabilità rispetto all’analogo bromo-dimero. Per la prima volta
abbiamo dimostrato che è possibile attivare anche il dimero [Pd(μ-I)PtBu3]2 e come
ulteriore conferma lo abbiamo utilizzato come precatalizzatore nelle reazioni di Suzuki sia
in presenza che in assenza di ossigeno.
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Riassunto
Schema C: Reazioni di Suzuki coupling catalizzate dal dimero [Pd(μ-I)PtBu3]2 in assenza ed in
presenza di ossigeno.
Infine, parte di questo lavoro di tesi è stato dedicato allo svilluppo di una catalisi
direttamente derivate dall’uso di questi dimeri. Siamo stati in grado di sviluppare la prima
reazione che porta alla formazione nuovi legami C-Se catalizzata direttamente da questi
dimeri. La reazione è stata effettuata su numerosi ioduri arilici e si è dimostrata essere
tollerante ad un gran numero di gruppi funzionali, comprese amine ed aniline non protette.
Buone rese sono state ottenute in condizioni molto blande.
X-ray structure
Scheme D: Trifluorometilselenolazione catalizzata da [Pd(μ-SeCF3)PtBu3]2 (destra). Struttura ai
raggi X del dimero [Pd(μ-SeCF3)PtBu3]2.
Inoltre una combinazione di studi spettroscopici e computazionali ci ha permesso di
aquisire un quadro più chiaro per quanto riguarda il possibile meccanismo di questa
trasformazione. Lo studio non ha escluso la possibilità di avere catalisi derivante
direttamente
dall’utilizzo
di
questi
dimeri.
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