Palladiumkatalyse DOI: 10.1002/ange.200800153 Visuelle Beobachtung der Auflösung und Wiederablagerung von Palladium während der Suzuki-Miyaura-Reaktion** Stephanie MacQuarrie, J.Hugh Horton, Jack Barnes, Kevin McEleney, Hans-Peter Loock und Cathleen M. Crudden* Die Verwendung von Palladiumkatalysatoren in Kreuz- kupplungen hat die Herstellung organischer Verbindungen grundlegend verändert. [1,2] Suzuki-Miyaura-, Mizoroki-Heck-, Kumada-Corriu-, Stille- und Negishi-Kupplungen stellen nur eine kleine Auswahl von Namensreaktionen dar, die als neue Methoden für den Aufbau organischer Strukturen entwickelt wurden. Obwohl Fortschritte im Gebrauch alternativer Kreuzkupplungskatalysatoren mit Nickel oder Eisen erzielt wurden, ist Palladium für diesen wichtigen Reaktionstyp immer noch das Metall der Wahl. Da effiziente Synthesemethoden nunmehr etabliert sind, bleibt als Hauptschwierigkeit das Entfernen des Katalysators nach der Reaktion. [3,4] Besonders die pharmazeutische Indu- strie ist an der Abtrennung der Metallkatalysatoren interes- siert, da strenge Auflagen bezüglich der Schwermetallkon- zentrationen in pharmazeutischen Produkten einzuhalten sind. Eine offensichtliche Lösung dieses Problems ist die Ver- wendung von Heterogenkatalysatoren, die im Prinzip durch Filtration entfernbar sein sollten. Die Gruppen von Arai und Kohler haben jedoch in bahnbrechenden Studien unabhängig voneinander gezeigt, dass selbst typische Heterogenkataly- satoren wie Pd/C kleine Mengen löslicher Palladiumspezies freisetzen, die nach der Beendigung der Reaktion wieder abgelagert werden. [5,6] Da dieser Ablagerungsschritt Palladi- um aus der Lösung entfernt, ist es wichtig zu verstehen, wie der Prozess genau abläuft. Dieses Wissen kann dann genutzt werden, um neue effiziente Katalysatoren herzustellen, die sich nach Beendigung der Reaktion leicht und vollständig entfernen lassen. Mit diesem Ziel untersuchten wir die Suzuki-Miyaura- Reaktion an einer Palladiumfolie als Katalysator. Durch die Verwendung einer Folie konnten wir die Veränderungen der Metalloberfläche im Verlauf der Suzuki-Miyaura-Reaktion, und insbesondere die Wiederablagerung des Palladiums, direkt sichtbar machen. Zusätzlich zu den Studien, in denen die ganze Folie als Katalysator dient, haben wir die Reaktion in einem speziellen Reaktor ausgeführt, in dem nur ein klei- ner Teil der Palladiumfolie auf die erforderliche Temperatur erhitzt wird, während die gesamte Oberfläche der Folie dem Reaktionsgemisch ausgesetzt ist. Mit dieser Methode zeigen wir, dass sowohl die Suzuki-Miyaura-Reaktion als auch die Behandlung mit Aryliodid chemische und morphologische Veränderungen in der Oberfläche der Palladiumfolie her- vorrufen, sobald eine ausreichende Temperatur für die Kreuzkupplung erreicht wird. Zusätzlich beobachteten wir bei Experimenten, in denen nur ein kleiner Teil der Ober- fläche erhitzt wurde, dass die Wiederablagerung von Palla- dium vorzugsweise in der Peripherie der reaktiven Zone er- folgt. Als Katalysator setzten wir eine 250 mm dicke Palladium- folie ein. [7–11] Die Oberfläche wurde vor der Reaktion durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM), optische Mikroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) unter- sucht. Die Folie zeichnet sich durch eine verhältnismäßig glatte, narben- und lochfreie Oberfläche aus, die dennoch in unregelmäßigen Abständen Reliefstreifen zeigt; diese sind vermutlich eine Folge des Walzprozesses bei der Herstellung der Folie. Wir temperten die Folie nicht, sondern nutzten diese Oberflächenmerkmale als Bezugsstrukturen für die verschiedenen chemischen Vorgänge. In der Suzuki-Miyaura-Reaktion setzten wir den Pina- kolester der Phenylboronsäure und p-Iodnitrobenzol ein. Um die Kupplung zu erleichtern, wurde ein elektronenarmes Aryliodid gewählt. Die Reaktion wurde zuerst mit einem ganzen Stück Palladiumfolie in einem herkömmlichen Re- aktor in DMF bei 100 8C ausgeführt. Dabei wurde die Re- aktionsmischung nicht gerührt, um eine Beschädigung der Palladiumoberfläche zu vermeiden. Abbildung 1A zeigt die Palladiumfolie nach einer Be- handlung mit DMF/Wasser bei 100 8C, [12] die zu keiner sicht- baren ¾nderung in der Oberflächenmorphologie führte. Ein beträchtlicher Lochfraß wurde in der Palladiumoberfläche nach einer Reaktion beobachtet, die das gewünschte Produkt in 45% Ausbeute lieferte (Abbildung 1B). Wurde die Palla- diumoberfläche ausschließlich mit dem Aryliodid behandelt, so fand ebenfalls eine bemerkenswerte Umstrukturierung [*] Dr. S. MacQuarrie, Prof. J.H. Horton, Dr. J. Barnes, K. McEleney, Prof.H.-P.Loock,Prof.C.M.Crudden Department of Chemistry, Queen’s University 90 Bader Lane, Kingston, ON, K7L 3N6 (Kanada) Fax:(+ 1)613-533-6669 E-Mail:cruddenc@chem.queensu.ca Homepage: http://www.chem.queensu.ca/people/faculty/Crudden/crudden.html [**] Wir danken dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada für Forschungsgelder an C.M.C., H.P.L. und J.H.H. sowie ein Stipendium an K.M. Dank gebührt weiterhin der Queen’s University für die Unterstützung von K.M. Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter http://www.angewandte.de zu finden oder können beim Autor angefordert werden. Zuschriften 3324 # 2008 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. 2008, 120, 3324 –3328