Forschungsbericht 2016 - Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

Kernspins in kurzlebigen Molekülen –NMR-Spektroskopie ermöglicht einzigartigen Einblick in Reaktionsintermediate

Autoren
Leutzsch, Markus; Farès, Christophe
Abteilungen
Service-Abteilung Magnetische Resonanzspektroskopie (NMR)
Zusammenfassung
Selbst nach sieben Jahrzehnten Entwicklung der magnetischen Resonanzspektroskopie (NMR) findet diese analytische Methode immer wieder neue, kreative Anwendungen, welche nicht nur durch instrumentelle Fortschritte ermöglicht werden; vielmehr erlaubt ihre Nichtinvasivität eine erhebliche Flexibilität bei der Probenauswahl und -konfiguration. Dies ist insbesondere in dem Gebiet der Katalyse ersichtlich, wo moderne NMR-Techniken wesentlich zur Aufklärung von Reaktionsmechanismen beitragen. NMR liefert insbesondere strukturelle und dynamische Informationen über kurzlebige Reaktionsintermediate.

Einleitung

Wie winzige Stabmagneten innerhalb von Molekülen sind Atomkerne feine Sensoren ihrer unmittelbaren magnetischen Umgebung. Durch magnetische Resonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) lassen sie sich ausspionieren und liefern damit wichtige strukturelle Informationen über Moleküle auf der Nanometerskala. NMR benutzt elektromagnetische Wellen mit geringer Energie im Bereich von Radiofrequenzen, um diese Atomkerne beziehungsweise deren Kernspin oder Spin innerhalb eines starken Magnetfelds in einen höheren Energiezustand zu versetzen. Wenn nun diese angeregten Spins in den Gleichgewichtszustand zurückkehren, emittieren sie elektromagnetische Signale, deren Frequenz sich mit einer Genauigkeit von weniger als ein paar Zehntel ppb (parts per billion) bestimmen lässt. NMR ist deshalb zu einem unentbehrlichen analytischen und diagnostischen Werkzeug in vielen Gebieten der Wissenschaft geworden. Am bekanntesten ist die Anwendung in der Medizin, wo die NMR detaillierte 3D-Bilder des menschlichen Körpers liefert. Aber den wichtigsten Beitrag hat NMR in der Chemie geleistet, wo sie genaue Informationen über Konstitution, Konfiguration, Konformation und sogar Dynamik und Austauschprozesse von Molekülen liefert.

Eine entscheidende Stärke von NMR gegenüber anderen analytischen Methoden wie Röntgenstrukturanalyse, Elektronmikroskopie oder Massenspektrometrie besteht in der Möglichkeit, strukturelle Informationen auf molekularer Ebene in situ zu liefern, unter Bedingungen also, die für eine bestimmte Untersuchung relevant sind. Im Gebiet der Katalyse stellt das einen großen Vorteil für das Verständnis der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen dar. NMR kann nicht nur fundamentale thermodynamische und kinetische Informationen über den Reaktionsverlauf liefern, sondern auch kurzlebige Zwischenprodukte (Intermediate) detektieren, charakterisieren und verfolgen [1]. Ein Blick auf diese essentiellen Zwischenprodukte ist außerordentlich wertvoll für das Verständnis katalytischer Reaktionen, und ermöglicht die Entwicklung besserer, selektiverer und effizienterer Katalysatoren.

Die Herausforderungen bei der Charakterisierung von Zwischenprodukten durch NMR liegen meist in deren Instabilität. In der Tat sind relevante Intermediate typischerweise nicht nur kurzlebig und in geringer Konzentration vorhanden, sondern zeigen oft auch unerwartete Eigenschaften. Während moderne NMR-Techniken und Geräte das Sensitivitätsproblem überwinden können, zielen chemische Strategien darauf ab, die relevanten Intermediate zu stabilisieren und einzufangen, um sie anschließend mit traditionellen NMR-Methoden untersuchen zu können. Wir präsentieren hier einige neue Beispiele, die in der NMR-Abteilung des MPI für Kohlenforschung erzielt wurden.

PHIP-detektierter geminaler H2 Transfer

Die geringe Sensitivität der NMR-Methode beruht auf der Tatsache, dass das Signal auf der thermischen Polarisierung der Atomspins innerhalb eines starken magnetischen Feldes basiert. Die Spins verhalten sich wie individuelle magnetische Stäbe innerhalb eines Magnetfeldes, die sich entweder parallel („α“) oder antiparallel („β“) zu den Feldlinien orientieren (siehe Abb. 1a). Die NMR-Polarisierung resultiert von dem Überschuss am α-Zustand gegenüber dem β-Zustand, der unter normalen Bedingungen nur wenigen ppm entspricht (siehe Abb. 1b). In anderen Worten kann NMR die Kernspins von nur einem aus 1000000 Molekülen einer Probe detektieren.

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Original 1508158129

Abb. 1: (a) Die zwei möglichen Zustände („α“ und „β“) eines Kernspins in einem Magnetfeld. (b) Energetische Quantenniveaus der zwei Spinzustände (die Linienstärke stellt den Besetzungsgrad dar): die Polarisierung (NMR-Signal) entsteht durch den α-Spin-Überschuss (grün, ca. 0.00001 Prozent). (c) Die zwei stabilen und trennbaren Zustände des molekularen Wasserstoffs (ortho- und para-H2) (d) die Hydrierungsreaktion überträgt ein para-H2 Molekül und bricht seine Symmetrie. Die entstehende „PHIP“-Polarisierung dieses Zwei-Spinsystems (rechts) ist viel stärker als die normale thermische (Boltzmann-) Polarisierung, bei der alle Zustände fast gleich besetzt sind (links).

Abb. 1: (a) Die zwei möglichen Zustände („α“ und „β“) eines Kernspins in einem Magnetfeld. (b) Energetische Quantenniveaus der zwei Spinzustände (die Linienstärke stellt den Besetzungsgrad dar): die Polarisierung (NMR-Signal) entsteht durch den α-Spin-Überschuss (grün, ca. 0.00001 Prozent). (c) Die zwei stabilen und trennbaren Zustände des molekularen Wasserstoffs (ortho- und para-H2) (d) die Hydrierungsreaktion überträgt ein para-H2 Molekül und bricht seine Symmetrie. Die entstehende „PHIP“-Polarisierung dieses Zwei-Spinsystems (rechts) ist viel stärker als die normale thermische (Boltzmann-) Polarisierung, bei der alle Zustände fast gleich besetzt sind (links).

Es gibt jedoch auch andere Quellen der NMR-Polarisierung, die zu einem viel stärkeren NMR-Signal führen. So existiert etwa molekularer Wasserstoff (H2) in zwei stabilen und trennbaren Formen, ortho-H2 und para-H2, welche sich nur durch ihren Kernspinzustand unterscheiden (siehe Abb. 1c). Aufgrund seiner Antisymmetrie ist para-H2 per se mittels NMR nicht detektierbar. Nimmt hingegen para-H2 beispielsweise an der Hydrierung einer Dreifachbindung („Alkin“) teil, so wird seine Symmetrie gebrochen, der Kernspin-Zustand bleibt aber erhalten (siehe Abb. 1d). Die daraus resultierende Polarisierung könnte unter thermischen Bedingungen nie erzielt werden. In der Tat „speichert“ para-H2 100 Prozent der Polarisierung, die sich durch eine Hydrierungsreaktion „freisetzen“ lässt. Dieses Verfahren wurde 1987 durch Bowers und Weitekamp beschrieben [2] und PHIP (para-H2 induced polarisation) genannt.

Kürzlich veröffentlichte die Arbeitsgruppe von A. Fürstner eine Methodik, die die trans-selektive Hydrierung interner Alkine mit Hilfe eines Ruthenium-Katalysators ermöglicht [3]. Diese Umsetzung ist von großem Interesse, da erstmals die Darstellung von trans-Alkenen in nur einer Stufe erfolgt und zugleich eine hohe Toleranz gegenüber verschiedenen funktionellen Gruppen wie Estern, Alkoholen oder Amiden aufweist. Trotz dieser Vorteile liefern manche Substrate überreduzierte oder isomerisierte Nebenprodukte, deren Bildung mit dem bestehenden mechanistischen Modell der Reaktion nicht erklärbar war. Die Untersuchung der Reaktion mittels PHIP-NMR sollte zeigen, ob sich während der Reaktion die Signale von Zwischenprodukten so verstärken lassen, dass sie detektierbar werden. In der Tat ließen sich so neue, bisher unbeschriebene Carben-Spezies (formal zweiwertiges Kohlenstoffatom) beobachten, die ohne die Verwendung von para-H2 sicher nicht sichtbar gewesen wären [4]. Die Carbene bildeten sich vollkommen unerwartet, da sie formell durch den Transfer eines einzelnen H2 auf einen Kohlenstoff des Alkins gewonnen wurden (geminale Hydrierung). Ein derartiger Mechanismus ist nach unseren Erkenntnissen bisher unbekannt. In weiterführenden Experimenten ließen sich die Intermediate durch chemische Modifikation soweit stabilisieren, dass eine vollständige Charakterisierung mittels konventioneller ein- und zweidimensionaler NMR-Methoden sowie durch Kristallstrukturanalyse möglich war. 

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Original 1508158129

Abb. 2: Beobachtung und Rolle von Carben-Intermediaten während der katalytischen Hydrierung von internen Alkinen.

Abb. 2: Beobachtung und Rolle von Carben-Intermediaten während der katalytischen Hydrierung von internen Alkinen.

Mit einer neu entwickelten PHIP-selektiven NMR-Austauschmessung (OPSY-EXSY) konnte man auch das weitere Schicksal des Carben-Intermediats klären. Dieses erwies sich als essentielle Zwischenstufe, die zur Bildung der unerwünschten Nebenprodukte führt (siehe Abb. 2) [4]. Detailierte Rechnungen bestätigten die experimentell mittels NMR gewonnenen Erkenntnisse. Somit sind diese Untersuchungen ein wichtiges Beispiel dafür, wie eine Kombination aus modernen analytischen Methoden und theoretischer Chemie einen großen Beitrag zum grundlegenden Verständnis einer neuartigen katalytischen Reaktion liefert und somit dabei hilft, diese weiter zu optimieren.

NMR-Charakterisierung stabilisierter Intermediate

Eine allgemein anwendbarere Methode zur NMR-Untersuchung von Intermediaten ist der Versuch, ihre Lebensdauer während der Messung durch Veränderung der Mess- oder Reaktionsbedingungen zu erhöhen. Dieses lässt sich durch Arbeiten bei niedrigeren Temperaturen oder durch Weglassen eines der Reaktanten erreichen, so dass die Umsetzung nicht bis zu Ende ablaufen kann. Eine zielgerichtetere Vorgehensweise ist das Design chemischer Modifikationen, die Intermediate stabilisieren und/oder deren Weiterreaktion verhindern.

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Original 1508158129

Abb. 3: (A) Je nach Reaktionsbedingungen kann Katalysator 1 sowohl zu Produkten (S)-3 oder (R)-3 führen. (B) Blindreagenz OMe-2 bildet einen Gold-Komplex ähnlich dem erwarteten Zwischenprodukt und lässt sich so durch NMR charakterisieren. 

 

Abb. 3: (A) Je nach Reaktionsbedingungen kann Katalysator 1 sowohl zu Produkten (S)-3 oder (R)-3 führen. (B) Blindreagenz OMe-2 bildet einen Gold-Komplex ähnlich dem erwarteten Zwischenprodukt und lässt sich so durch NMR charakterisieren. 

 

Letzteres wurde genutzt, um den chiralen Gold-Katalysator 1 im Detail zu untersuchen (Abb. 3) [5]. Dieser Komplex besitzt die bemerkenswerte und äußerst seltene Eigenschaft - abhängig von den Reaktionsbedingungen - ein gegebenes Substrat wahlwiese in das eine oder andere Enantiomer des Produkts zu verwandeln; im konkreten Fall wird die Umsetzung des Hydroxy-Allenes 2 in das entsprechende (R)- oder (S)-Enantiomer des Tetrahydrofurans 3 katalysiert. Um die Ursachen dieser überraschenden „Enantioinversion“ besser zu verstehen, wurde der Komplex aus dem Katalysator und dem blockierten und somit unreaktiven Methoxy-Allene-Derivat OMe-2 mittels NMR untersucht. Basierend auf einer Kombination aus 13C-chemischen Verschiebungen des Allenes und den Kopplungskonstanten zwischen dem 31P-Kern des Katalysators und dem zentralen 13C des Allenes ließ sich zeigen, dass das Gold-Zentrum zunächst verschiedene η1-Komplexe mit der π-Oberfläche des Allenes bildet, die in einem schnellen Austausch miteinander stehen. Weiterhin zeigten zwischenatomare Abstände (NOEs) eindeutig, dass nur zwei der vier möglichen π-Oberflächen des Allenes sterisch zugänglich für den Gold-Komplex 1 sind. Diese Ergebnisse stimmten hervorragend mit den berechneten Strukturen des Organo-Gold-Intermediates überein. Weiterhin festigen sie die Vorstellung, dass der stereochemische Verlauf der Reaktion durch eine starke entropische Komponente getrieben wird.

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Original 1508158130

Abb. 4: (Links) NMR-bewiesene elektronische Verteilung im Rh-Carben 4. (Rechts) Kristallstruktur von 4.

Abb. 4: (Links) NMR-bewiesene elektronische Verteilung im Rh-Carben 4. (Rechts) Kristallstruktur von 4.

Ein weiteres Beispiel findet sich in einer aktuellen Strukturanalyse einer Rhodium-Carben-Spezies [6]. Während der letzten Jahrzehnte hat sich diese Verbindungsklasse als Schlüsselintermediat in verschiedenen homogen-katalytischen (asymmetrischen) Reaktionen, wie Cyclopropanierungen, Cycloadditionen oder Ylid-Bildungen, erwiesen; eine direkte strukturelle Untersuchung stellte sich allerdings in vielen Anläufen wegen ihrer extremen Instabilität als sehr schwierig heraus. In einer aktuellen Arbeit konnte dieses Handicap erstmals überwunden und viele dieser Spezies kristallisiert werden, was wichtige Informationen über ihre Struktur im Festkörper lieferte. Daneben leistete die Kernresonanzspektroskopie einen wertvollen Beitrag. So bestätigte etwa die Entartung der NMR-Signale von Carben 4, das sowohl einen elektronenreichen (NMe2C6H4-) als auch einen elektronenarmen (CF3C6H4-) Aromaten besitzt, die spezielle elektronische Struktur dieser Spezies. Auf der NMR-Zeitskala ist die Doppelbindung zwischen C1 und C2 in diesem Fall starr, jedoch sind die Bindungen C1-C10 und C1-Rh1 frei drehbar (Abb. 4). Die eigentliche Carbenbindung zwischen Metall und dem benachbarten C-Atom hat somit nur geringen Doppelbindungscharakter, während der elektronenreiche Aromat am Rückgrat das reaktive Zentrum stabilisiert. Diese Zuordnung wird durch charakteristische 15N-NMR-Verschiebungen der NMe2- Gruppe als auch durch orthogonale Positionierung der Ringe, die auf Messung der Kernabstände mittels NOE basieren, bestätigt.

Literaturhinweise

1.
Bargon, J.; Kuhn, L. T. (Eds.)
In situ NMR Methods in Catalysis
Topics in Current Chemistry 276, 1-169 (2007)
2.
Bowers, C. R.; Weitekamp, D. P.
Para-Hydrogen and Synthesis Allow Dramatically Enhanced Nuclear Alignment
Journal of the American Chemical Society 109 (18), 5541-5542 (1987)
3.
Radkowski, K.; Sundararaju, B.; Fürstner, A.
A Functional-Group-Tolerant Catalytic trans Hydrogenation of Alkynes
Angewandte Chemie International Edition 52 (1), 355-360 (2013)
4.
Leutzsch, M.; Wolf, L. M.; Gupta, P.; Fuchs, M.; Thiel, W.; Farès, C.; Fürstner, A.
Formation of Ruthenium Carbenes by gem-Hydrogen Transfer to Internal Alkynes: Implications for Alkyne trans-Hydrogenation
Angewandte Chemie International Edition 54 (42), 12431-12436 (2015)
5.
Ilg, M. K.; Wolf, L. M.; Mantilli, L.; Farès, C.; Thiel, W.; Fürstner, A.
A Striking Case of Enantioinversion in Gold Catalysis and Its Probable Origins
Chemistry - A European Journal 21 (35), 12279-12284 (2015)
6.
The Structures of Reactive Donor/Acceptor and Donor/Donor Rhodium Carbenoids in the Solid State and their Implications for Catalysis
Werlé, C.; Goddard, R.; Philipps, P.; Farès, C.; Fürstner, A.
Journal of the American Chemical Society, submitted (2015)
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