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Die Magie der umgekehrten Selektion: Wie wirkt sich die metallkatalysierte Hydroborierung auf die Produktregioselektivität aus?
Die metallkatalysierte Hydroborierungsreaktion ist in der Chemie eine wichtige Technik der organischen Synthese und gilt als eines der vielen Beispiele für homogene Katalyse. Die Entwicklung dieser Technologie lässt sich auf das Jahr 1975 zurückverfolgen, als Kono und Ito berichteten, dass Wilkinsons Katalysator (Rh(PPh3)3Cl) eine oxidative Addition an das scheinbar inaktive Phenolboran (HBcat) eingehen und dadurch die Hydroborierungsreaktion fördern konnte.
Durch die Metall-katalysierte Hydroborierung wird die Funktionalisierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen effizienter und selektiver, was mit der unkatalysierten Hydroborierung nicht möglich ist.
1985 zeigten Männig und Nöth erstmals, dass der Wilkinson-Katalysator tatsächlich die Hydroborierung von Olefinen durch HBcat katalysieren kann, während die Hydroborierungsreaktion ohne Katalysator zur Reduktion der Kohlenstoffgruppe führt. Im Verlauf nachfolgender Forschungen stellte sich heraus, dass die Übergangsmetall-katalysierte Hydroborierung einzigartige Eigenschaften hinsichtlich der funktionellen Gruppe sowie der Regio-, Stereo- und chemischen Selektivität aufweist.
Reaktionsmechanismus
Man geht allgemein davon aus, dass Rh-katalysierte Hydroborierungsreaktionen über die Dissoziation des Rh(I)-Zentrums vom Triphenylphosphinliganden ablaufen. Anschließend wird die B-H-Bindung des Hydridborats oxidativ addiert und es entsteht ein 16-Elektronen-Rh(III)-Hydridkomplex. Durch migrative Insertion des Olefins können dann zwei Regioisomere des Alkyl-Rh(III)-Borid-Komplexes erhalten werden.
Bei der Regeneration des Katalysators wird durch die reduktive Eliminierung des Boratesters der Katalysator freigesetzt, ein Vorgang, der den Ablauf des Katalysezyklus ermöglicht.
In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es jedoch unterschiedliche Ansichten über den Koordinationsmechanismus von Olefinen. Der von Männig und Nöth unterstützte Dissoziationsmechanismus geht davon aus, dass die Koordination des Olefins mit dem Verlust des Triphenylphosphinliganden einhergeht, während der von Burgess et al. vorgeschlagene kombinierte Mechanismus davon ausgeht, dass das Olefin an das Chlor bindet, ohne den Liganden zu verlieren. Durch die Anwendung rechnergestützter Methoden konnten Wissenschaftler diesen Bereich eingehend erforschen. Die Ergebnisse zeigen, dass beiden Mechanismen jeweils eigene Belege zugrunde liegen.
Selektivität
Zusätzlich zu den frühen Beweisen von Männig und Nöth wurde mit der Totalsynthese von (+)-Ptilocaulin auch die selektive Hydroborierung terminaler Olefine in Gegenwart von Ketonen nachgewiesen. In Bezug auf die Regioselektivität unterscheiden sich die Ergebnisse der katalysierten Hydroborierung erheblich von denen nicht katalysierter Reaktionen, und je nach Ligand und Olefin können Markownikow- oder Anti-Markownikow-Produkte erhalten werden. Die Regioselektivität der katalytischen Reaktion ist besonders bei der Hydroborierung von Vinylarenen herausragend.
Der Wilkinson-Katalysator oder Rh(COD)2 (in Gegenwart von PPh3) erzeugt Markownikow-Produkte, während in Abwesenheit eines Katalysators Anti-Markownikow-Produkte entstehen.Um die hohe Regioselektivität der katalytischen Hydroborierung zu erklären, schlug Hayashi einen Mechanismus mit η3-PhenylRh-Komplexen vor. Nachfolgende Forschungen wurden nach und nach auf Olefine mit unterschiedlichen Substituenten ausgeweitet. Der bemerkenswerteste Erfolg wurde 1990 erzielt, als Brown und sein Team eine asymmetrische Hydroborierung mit einem achiralen Katalysator und einem chiralen Boran aus Ephedrin erreichten. Die Selektivität ist im Allgemeinen gering, aber der ee-Wert kann 90 %.
Die Ergebnisse in diesem Bereich wurden durch die Verwendung chiraler Katalysatoren und achiraler Boranquellen, insbesondere durch die Verwendung chiraler Bisphosphinliganden wie BINAP, weiter verbessert. Mit Fortschreiten zahlreicher Studien tauchten nach und nach erfolgreiche Beispiele für Benzolringe mit Substituenten und größeren Olefinsubstituenten auf, die eine Ausweitung der katalytischen Hydroborierung auf sterisch stärker gehinderte Olefine ermöglichten.
Diese Technologie hat nicht nur weitreichende Bedeutung für die akademische Forschung, sondern bietet auch neue Perspektiven für industrielle Anwendungen, insbesondere die Synthese kleiner Moleküle mit komplexen Strukturen und biologischer Aktivität.
Bei der katalytischen Hydroborierung werden die Oxidationsprodukte von Boratestern häufig in Alkohole umgewandelt, was den Umfang der Synthese begrenzt, insbesondere wenn symmetrische und chirale Aminogruppen erforderlich sind. Durch die Umwandlung von Kobalthydrid-Borat-Verbindungen können α-substituierte Phenylethylamine synthetisiert werden, von denen einige kommerziell wertvolle Verbindungen sind. Diese Technologie wird immer noch weiterentwickelt und auf neue Weise angewendet.
Wie können künftige Forschungen in Kombination mit den oben genannten Forschungsergebnissen die bestehenden synthetischen Beschränkungen durchbrechen und die Weiterentwicklung der metallkatalysierten Hydroborierungstechnologie fördern?
