Organo- und seltenerdmetallkatalysierte C-F-Bindungsaktivierung mit Hilfe von Aluminium- und Galliumhydriden

Abstract

In dieser Arbeit wurde die katalytische Hydrodefluorierung (HDF) von olefinischen und aromatischen Organofluorverbindungen mit Hilfe von Seltenerdmetallkomplexen als Präkatalysatoren und Gruppe 13 Hydriden als Hydridquelle untersucht. Tris(cyclopentadienyl)seltenerdmetalkomplexe Cp3Ln (Ln = Ce, Nd, Sm, Er, Yb) wurden effektiv als Präkatalysatoren mit Lithiumaluminiumhydrid als Hydridquelle eingesetzt und TONs von bis zu 155 beobachtet. Dies stellt die erste seltenerdmetallkatalysierte C-F-Bindungsaktivierung dar. Die reaktivsten Systeme bilden die Seltenerdmetallkomplexe mit großen Ionenradien (Ce-Sm); für die HDF von Hexafluorpropen konnte auch für Cp3Yb gute Ergebnisse erzielt werden (100 % Umsatz). Desweiteren konnte gezeigt werden, dass einfache O- und N-Donor-Lösungsmittel als Organokatalysatoren bei der übergangsmetallfreien HDF mit Aluminium- und Galliumhydriden agieren. Dies stellt ein sehr einfaches und günstiges System zur C-F-Bindungsaktivierung dar. Es konnten TONs von bis zu 87 beobachtet werden. Eine Vielzahl von olefinischen und aromatischen Organofluorverbindungen wurden als Substrate verwendet. Die Selektivität der HDF mit Diisobutylaluminiumhydrid ist substrat- und konzentrationsabhängig. Bei hohen Donor-Konzentrationen kommt es zu einem Verlust der Selektivität. Die exakte Natur des Donors hat jedoch nur einen geringen Einfluss. Die Selektivität der HDF mit Diisobutylgalliumhydrid ist hingegen substratabhängig und kann im Fall von 1,1,3,3,3-Pentafluorpropen durch die Wahl des Donors beeinflusst werden. Dies konnte im Rahmen einer Kooperation mittels sich ergänzender experimenteller und theoretischer Experimente gezeigt werden. Desweiteren gelang es, 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (HFO-1234yf) ausgehend von Hexafluorpropen bei milden Reaktionsbedingungen, ohne Katalysatoren und in nur einem Schritt in hohen Ausbeuten (85-95 %) darzustellen. Aufgrund seines niedrigen Treibhauspotentials wird HFO-1234yf als Ersatzstoff für 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a) als Kältemittel in Autoklimaanlagen verwendet. Diese Methode stellt eine einfache Alternative zu den bisherigen industriellen Verfahren dar, die mehrstufige Synthesen und kostspielige Katalysatoren benötigen. Mit dem NHC-stabilisierten Alan Me2Im∙AlH3 (NHC = N-Heterocyclisches Carben, Me2Im = 1,3-Bismethyl-4,5-dihydrogen-imidazol-2-yliden) konnte Hexafluorpropen zudem auch ohne Zusatz von Donor-Lösungsmitteln hydrodefluoriert und ein Umsatz von 100 % erreicht werden.

The catalytic hydrodefluorination (HDF) of olefinic and aromatic fluoroorganic compounds using rare earth metal complexes and group 13 hydrides as hydride source were investigated. Tris(cyclopentadienyl)lanthanides Cp3Ln (Ln = Ce, Nd, Sm, Er, Yb) were applied as effective precatalysts with lithium aluminiumhydride as hydride source and TONs up to 155 could be observed. This represents the first reported rare earth metal catalyzed C-F bond activation. The rare earth metal complexes with larger ionic radii (Ce-Sm) show higher reactivity; for the HDF of hexafluoropropene good results could be obtained with Cp3Yb as well (100 % conversion). O and N donor solvents act as organocatalysts in transition-metal-free HDF reactions with aluminum and gallium hydrides. This offers a simple and cheap alternative for the C-F bond activation. TONs of up to 87 have been observed. Several olefinic and aromatic fluoroorganic compounds were applied as substrates. The selectivity of the HDF with diisobutylaluminum hydride is substrate and concentration dependent. High donor concentrations result in a loss of selectivity. However, the exact nature of the donor has only a minimal influence. The selectivity of the HDF with diisobutylgallium hydride is substrate dependent, but in the case of 1,1,3,3,3-pentafluoropropene it can be influenced by the choice of donor. This was investigated by combined experimental and theoretical studies. Furthermore, 2,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234yf) was synthesized from hexafluoropropene in high yields (85-95 %) under mild conditions, in just one step and without a catalyst. HFO-1234yf is applied as replacement for 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R-134a) in automobile air conditioning systems as cooling agent due to its low global warming potential. This method offers an easy alternative to the known industrial processes, which require multistep synthesis and costly catalysts. NHC-stabilized alane Me2Im∙AlH3 (NHC = N-heterocyclic carbene, Me2Im = 1,3-bismethyl-4,5-dihydrogen-imidazolin-2-ylidene) hydrodefluorinates hexafluoropropene even in the absence of donor solvents and 100 % conversion could be obtained.