ElektronentransferreagentienDOI: 10.1002/ange.200501951

Redox-Katalysatoren f�r Reduktionen mit unedlenMetallenReinhard W. Hoffmann*

Stichw�rter:At-Komplexe · Elektronentransfer ·Homogene Katalyse · Reduktionen

Zur Reduktion mit unedlen Metallen(kurz Metall-Reduktion), einer deretablierten Methoden zur Umwandlungfunktioneller Gruppen,[1] setzt man inder organischen Chemie h"ufig Lithium(E8=�3.28 V),[+] Natrium (E8=�2.95 V), Magnesium (E8=�2.60 V),Natrium-Amalgam (E8=�1.80 V) oderZink (E8=�1.00 V) als Reduktionsmit-tel ein. Damit l"sst sich immerhin einegrobe Differenzierung reduzierbarerGruppen in einem Substrat erreichen.Ein wesentlicher Fortschritt bei Metall-Reduktionen gelang Yus and Ramon[2]

durch Einf6hrung der Redox-Kataly-se[3,4] mit Naphthalin (E8=�2.50 V)oder Di-tert-butylbiphenyl (E8=�2.70 V). Dadurch ließen sich reduktiveMetallierungen durch Lithium oder Na-trium bequem bei Potentialen errei-chen,[5] die weniger negativ als die vonLithium oder Natrium sind (Sche-ma 1).[6]

Die Metall-Reduktionen mit Naph-thalin oder Di-tert-butylbiphenyl erwie-sen sich als so einfach, dass weitereRedox-Katalysatoren, die andere Berei-che an Redoxpotentialen erschlossenh"tten, kaum untersucht wurden. Indieser Hinsicht ist ein Bericht bemer-kenswert,[7] demzufolge sich metallor-ganische at-Komplexe wie Me3FeLi,Me3CoLi oder Me3MnLi als gute Kata-lysatoren f6r die Reduktion diverser

funktioneller Gruppendurch metallischesMagnesium erwiesenhaben. Die Oxidations-potentiale dieser Kata-lysatoren (E8=�2.55bis �2.65) liegen zwi-schen denen von Naph-thalin und Di-tert-bu-tylbiphenyl. So wurdendiese Katalysatoren(10 Mol-% in THF)

z.B. zur reduktiven Spaltung von Sul-fonamiden durch metallisches Magnesi-um eingesetzt (Tabelle 1). Der Reduk-tionsprozess basiert vermutlich auf demin Schema 2 angegebenen Katalysezy-klus. Diese und "hnliche reduktive Spal-tungen[7] verlaufen vermutlich unterElektronentransfer und nicht durchGruppen6bertragung,[8] da sonst einTurnover im katalysierten Prozessschwierig zu deuten w"re. Entscheidendbei diesen Spaltungsreaktionen ist, dassdie Trimethylmetall(iii)-Zwischenstufe 1langlebig genug ist, um den Katalysezy-

Schema 1. Reduktive Spaltung von p-Toluol-sulfonamiden mit Naphthalin als Elektronen-transferkatalysator.

Tabelle 1: Reduktive Spaltung von Phenylsulfonamiden mit Magnesium und Trimethylmetallatenals Elektronentransferkatalysatoren.

Ausbeuten [%]Reaktion Mg/Me3CoLi Mg/Me3MnLi Mg/Me3FeLi

100 100 89

94 82 80

100 83 83

Schema 2. Vorgeschlagener Katalysezyklus f9r die reduktive Spal-tung von Phenylsulfonamiden.

[*] Prof. Dr. R. W. HoffmannFachbereich ChemiePhilipps-Universit=t MarburgHans-Meerwein-Straße35032 Marburg (Deutschland)Fax: (+49)6421-282-5677E-mail: rwho@chemie.uni-marburg.de

[+] Die hier und im Folgenden angegebenenRedoxpotentiale beziehen sich auf die ge-s=ttigte Kalomelelektrode, SCE.

AngewandteChemie

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klus aufrechtzuerhalten, ohne sichdurch Homolyse der Metall-Kohlen-stoff-Bindung[9] oder durch reduktiveEliminierung[10] zu zersetzen.

Was aber ist so bedeutungsvoll ander Verwendung von at-Komplexen alsElektronentransferkatalysatoren? Inerster Linie zeigt es, dass effizienteRedox-Katalysatoren auch abseits derausgiebig erforschten aromatischen undheteroaromatischen Verbindungen ge-funden werden kHnnen.[11] Wenn mannach Redox-Katalysatoren mit einemstark negativen Oxidationspotentialsucht, ist es sicher naheliegend, sich imBereich der elektronenreichen metall-organischen Verbindungen und at-Kom-plexe umzusehen.[12] Es lag jedoch nichtauf der Hand, die Trialkylferrate(ii)[13]

oder die entsprechenden Manganateoder Cobaltate zu pr6fen, die bisher inder Chemie wenig beachtet wurden.Diese Wahl erwies sich insofern alsgl6cklich, als die Reaktivit"t dieser Rea-gentien 6ber das Metall und die Ligan-den gezielt gesteuert werden kann.[14] Sof6hrte ein Wechsel von Me3FeLi zu(tBuO)3FeK zu einem Katalysator miteinem positiveren Oxidationspotential(E8=�1.90 V), der eine ergiebige Pina-kol-Kupplung aromatischer AldehydeermHglichte (Schema 3).[7]

Der 6berraschende Schritt von Are-nen hin zu Metall-at-Komplexen alsRedox-Katalysatoren wirft die Frageauf, welche Eigenschaften außer dem„richtigen“ Oxidationspotential eineVerbindung haben sollte, um ein effizi-enter Redox-Katalysator zu sein.[3]

Schließlich muss die katalysierte Re-duktion schneller ablaufen als die direk-te (nicht-katalysierte) Elektronen6ber-tragung vom stHchiometrisch eingesetz-ten Metall auf das Substrat. Der Kata-lysator muss deswegen eine rasche zwei-

stufige Elektronen6bertragungermHglichen, d.h., dass die Geschwin-digkeit der Elektronen6bertragung vomKatalysator und auf den Katalysatorhoch sein muss. Damit r6ckt die Mar-cus-Theorie in den Blickpunkt:[15] DieElektronen6bertragungsgeschwindig-keit steigt, wenn die Reorganisations-energie beim Elektronen6bergang kleinbleibt. Insofern sind Systeme g6nstig,bei denen der oxidierte und reduzierteZustand praktisch dieselbe molekulareGeometrie haben.[16] In der Tat zeigtenBP86/SV(P)-Rechnungen f6r das Tri-methylferrat-System 1, dass sich beieiner Elektronen6bertragung die Bin-dungsl"ngen um weniger als 0.01 N unddie Bindungswinkel um weniger als 28"ndern.[17] Hinsichtlich der LHsungsmit-telreorganisation sollten sich die Va-lenzelektronen des Redox-Katalysatorsin delokalisierten Orbitalen aufhalten,sodass weder im reduzierten noch imoxidierten Zustand eine nennenswerteSolvatation resultiert. Die Gestalt derGrenzorbitale amRedox-Katalysator istebenfalls von Bedeutung: R"umlichausladende und ausgerichtete Grenzor-bitale erleichtern bei der Elektronen-6bertragung die Orbital6berlappungzwischen den Reaktionspartnern undbeeinflussen 6ber den elektronischenMatrixkopplungsparameterHAB die Ge-schwindigkeit der Elektronen6bertra-gung.[18] Außer diesen intrinsischen Fak-toren, die die G6te eines Redox-Kata-lysators bestimmen, gibt es weiterewichtige Faktoren, die nicht trivial sind:So sollten sowohl die oxidierte als auchdie reduzierte Form des Katalysatorskinetisch soweit stabil sein, dass ihrePersistenz groß genug ist, um die Elek-tronen6bertragung reversibel zu ma-chen und den Turnover im Katalysezy-klus zu garantieren. Weiterhin sind Re-duktionsmittel mit einem hoch liegen-den HOMO nicht nur starke Redukti-onsmittel, sondern h"ufig auch guteNucleophile. Ein Reagens mit hohernucleophiler Reaktivit"t, wie etwa [Na2-Fe(CO)4],

[19] d6rfte deswegen deutlicheNachteile aufweisen, wenn man es alsRedox-Katalysator einsetzen mHchte.

Diese Oberlegungen lassen erahnen,dass die Trimethylferrate(ii) nicht dieeinzigen Kandidaten f6r effiziente Re-dox-Katalysatoren bei Metall-Reduk-tionen sind. Wenn man beim Eisenbleiben will, stellt die anorganische

Chemie z.B. mit den Verbindungen 2und 3 (Schema 4) bemerkenswerte Re-dox-Katalysatoren bereit, die bisher vonder organischen Chemie nicht beachtetwurden.

Die Cyclopentadienyl-FeII-Aren-Komplexe 2 sind leicht zug"nglich undlHslich in organischen LHsungsmit-teln.[20] Sie lassen sich bei Potentialenzwischen �1.1 und �1.9 V zu den neu-tralen Cyclopentadienyl-FeI-Aren-Komplexen reduzieren[21] und wurdenbereits als Redox-Katalysatoren bei derMetall-Reduktion von Nitrat-Ionen ein-gesetzt.[22] Das l"sst sie f6r Anwendun-gen als Redox-Katalysatoren bei derMetall-Reduktion organischer Verbin-dungen als aussichtsreich erscheinen.

Die luftempfindlichen Eisen-Schwe-fel-Cubancluster[23] 3 sind in der Hand-habung vielleicht ein wenig heikler.Sie[24] und die verwandten doppeltenCubancluster MoFe3S4

[25] bieten reversi-ble Redox-Systeme, die die Potentialbe-reiche von + 0.13 bis�1.61 und�0.7 bis�2.1 V abdecken. Die Cluster 3 wurdenals Redox-Katalysatoren bei der Re-duktion von Acridinen mit Natriumdi-thionit eingesetzt.[26] Damit sollten dieVerbindungstypen 2 und 3 geeigneteRedox-Katalysatoren f6r den ganzenPotentialbereich sein, der f6r die selek-tive Reduktion funktioneller Gruppenin der organischen Chemie von Interes-se ist. MHgliche Anwendungen habenSemmelhack und Heinsohn aufge-zeigt,[27] die eine Serie von Ester-Schutz-gruppen vorstellten, die selektiv durchElektrolyse bei kontrolliertem Potentialim Bereich von �0.6 bis �2.1 V abge-spalten werden kHnnen (Schema 5).

Wenn man die als aufw"ndig einge-sch"tzte Elektrolyse bei kontrolliertem

Schema 3. Beispiel einer Steuerung durch denLiganden bei der metallatkatalysierten Reduk-tion von Benzaldehyd durch metallischesMagnesium.

Schema 4. Beispiele mGglicher Redox-Kataly-satoren f9r die Metall-Reduktion mit Natriumoder Magnesium.

Highlights

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Potential vermeiden mHchte, bietet sichdie zum gleichen Resultat f6hrendeMetall-Reduktion unter Verwendungvon Redox-Katalysatoren mit geeigne-tem Redox-Potential an. Hier sei abereine Mahnung zur Vorsicht angebracht,was die Chemoselektivit"t bei elektro-chemischen Methoden oder der kataly-tischen Metall-Reduktion betrifft: EineElektronen6bertragung ist nicht auf dieF"lle beschr"nkt, bei der die Elektro-nen6bertragung thermodynamisch„bergab“ verl"uft; eine endergonischeElektronen6bertragung kann dann ein-treten, wenn das Substrat (zwar endo-therm) zu einemRadikalanion reduziertwird, das dann eine rasche Folgereakti-on eingeht. Dies trifft z.B. genau auf dieSpaltung von Schutzgruppen zu, diedurch BindungslHsung in der Radikal-anion-Zwischenstufe ausgelHst wird.

Die hier angesprochenen Ergebnisseund MHglichkeiten zeigen, dass das Ge-biet der Metall-Reduktion keineswegsals eine stagnierende und ausgereifteTechnologie angesehen werden darf.Vielmehr zeichnet sich gerade in diesemGebiet eine spannende Renaissance beider Methodenentwicklung f6r die orga-nische Synthese ab.

Online verHffentlicht am 26. Juli 2005

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Schema 5. Chemoselektive Spaltung reduzier-barer Ester durch Elektrolyse bei kontrollier-tem Potential.

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