Viele nützliche Reaktionen in der Chemie gehen mit einem Kompromiss einher: Reaktive Reagenzien sind begehrt, können aber praktische und sicherheitstechnische Probleme mit sich bringen. Die Carbenchemie ist ein solches Beispiel. Seit Jahrzehnten greifen Chemiker auf Diazoverbindungen zurück, um reaktive Carbene zu erzeugen. Diese Diazoalkane können jedoch giftig, instabil und sogar explosiv sein.
Forscher am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr haben nun einen sichereren Weg zur Herstellung von Metallcarbenen entwickelt. In einer Studie, die in der Fachzeitschrift Nature erschienen ist, zeigen sie, dass bei Raumtemperatur stabile Thianthreniumsalze als praktische und vielseitige Vorläufer für Carbenübertragungsreaktionen dienen können.
Sulfoniumsalze gelten zwar als sicherer, haben sich aber bisher nicht als allgemeine Karbenvorläufer bewährt. Sulfoniumylide sind von Natur aus nukleophil, und der Carbenübertrag zur Bildung elektrophiler Metallcarbene wird durch die Lewis-Basizität der entsprechenden Sulfide beeinträchtigt. Der Ansatz der Gruppe um Prof. Tobias Ritter, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, ändert dieses Bild. Die ungewöhnlichen elektronischen und sterischen Eigenschaften von Thianthren begünstigen den Carbenübertrag auf das Metall und überwinden damit eine seit Langem bestehende Einschränkung der sulfoniumbasierten Carbenchemie.
Die Forscher zeigten diese metallvermittelte Reaktivität an der Cyclopropanierung. Dabei kombinierten sie verschiedene Carbenfragmente mit einer breiten Palette von Alkenen, darunter auch schwierige interne, nicht aktivierte Alkene. Deepak Behera, Doktorand von Tobias Ritter und Mitautor der Arbeit, sagt: „Sulfoniumylide werden seit fast 60 Jahren in der Cyclopropanchemie eingesetzt, doch ihre Reaktivität beschränkte sich bislang auf Michael-Akzeptoren.“
Alkylthianthreniumsalze sind leicht herzustellende, im Labor stabile Verbindungen, die isoliert und gelagert werden können. Damit lassen sich Sicherheitsbedenken vermeiden, die mit Diazoalkanen verbunden sind. Die thermische Analyse zeigte bei den getesteten Salzen keine nachweisbare Exothermie und bestätigte damit ein günstiges Sicherheitsprofil. Die Forscher führten zudem eine Cyclopropanierung im Dekagramm-Maßstab mit einer lösungsmittelfreien Kugelmahlung durch. „Die Kombination aus laborstabilen Reagenzien und lösungsmittelfreiem Kugelmahlen macht die Carbenchemie aus praktischer Sicht und im Hinblick auf die Skalierbarkeit besonders attraktiv“, sagt Sagnik Chatterjee, ebenfalls Autor des Artikels und Doktorand bei Tobias Ritter.
Darüber hinaus demonstrierten die Forscher die Insertion in ?-Bindungen und sigmatrope Umlagerungen. Damit geht der Einsatz von Thianthrenium-Yliden über die Cyclopropanierung hinaus. „Unser Ziel war es, einen allgemeinen Ansatz für die Carben-Transfer-Chemie zu etablieren, der es verschiedenen Carbenfragmenten ermöglicht, an unterschiedlichen Reaktionsklassen teilzunehmen“, sagt Tobias Ritter.
Die Studie etabliert Thianthreniumsalze als allgemeine Plattform für die Carben-Transfer-Chemie. Sie eröffnet die Möglichkeit, dasselbe Konzept künftig auf ein noch breiteres Spektrum carbenvermittelter Umwandlungen anzuwenden.
Originalpublikation:
Nature: „Carbene transfer from thianthrenium ylides for cyclopropanation“
