Moderne C-C-Kupplungsreaktionen

Die einfachste Art der C-C-Kupplungsreaktion ist wohl die Wurtz-Reaktion. Diese tritt als unerwünschte Nebenreaktion bei der Herstellung von Grignardverbindungen auf. Dabei reagiert die Grignardverbindung R-Mg-X mit überschüssigem Alkylhalogenid R-X unter Bildung des Kupplungproduktes R-R nach folgender Reaktionsgleichung:

Diese Reaktion tritt z.B. ein, wenn man bei der Herstellung einer Grignardverbindung das Alkylhalogenid zu schnell zutropft oder indem die Reaktionsmischung zu wenig gerührt wird. Dabei kommt es zu einer ungenügenden Vermischung der Komponenten. Meist wird die Wurtz-Reaktion als solche gar nicht wahrgenommen, sondern man wundert sich nur über die geringe Ausbeute beim Versuch. Dass möglicherweise die eigene Versuchsführung einen Hauptanteil an der niedrigen Ausbeute hatte, ist Vielen nicht klar.

Allerdings kann man die Wurtz-Reaktion auch zur gezielten Kupplung von zwei Alkylresten nutzen. So wird in einem ersten Schritt eine Grignardverbindung hergestellt und diese in einem zweiten Schritt mit einem anderen Alkylhalogenid umgesetzt. Solche Reaktionen bei denen gezielt zwei unterschiedliche Organylreste miteinander verknüpft werden, bezeichnet man als C-C-Kreuzkupplungen.

Für die heute genutzten Kreuzkupplungen nutzt man vor allem Palladiumkomplexe als Katalysatoren. Es gibt mittlerweile eine breite Palette an C-C-Kupplungsreaktionen bei denen die verschiedensten Substrate mit Alkylhalogeniden verknüpft werden. Nachfolgend eine kleine Übersicht über diese Reaktionen mit wichtigen Literaturstellen.

Bei der Glaser-Kupplung werden zwei Alkinylreste miteinander verknüpft. Dabei entsteht ein Dialkin. Die Reaktion benötigt einen kupferhaltigen Katalysator.
Literatur: "Acetylenkupplungen: eine leistungsfähige Methode für den Aufbau von Molekülen" von P. Siemsen, R. C. Livingston, F. Diederich, Angewandte Chemie 112 (2000) 2740–2767.

Bei der Sonogashira-Kupplung wird ein Alkin mit einem Alkylhalogenid verknüpft. Als Katalysatoren dienen Palladiumverbindungen in Kombination mit Kupfer(I)-derivaten. Diese beiden Kupplungsreaktionen werden zum Beispiel zur Synthese von Eninen und Endiinen in der Naturstoffchemie genutzt.

Literatur: "The Sonogashira Reaction: A Booming Methodology in Synthetic Organic Chemistry" von R. Chinchilla, C. Nájera, Chem. Rev. 107 (2007) 874–922.
"Chemicals from Alkynes with Palladium Catalysts" R. Chinchilla, C. Nájera, Chem. Rev. 114 (2014) 1783–1826.

Die Heck-Kupplung ermöglicht die Einführung von Alkyl-, Aryl-, Benzyl- oder Alkenylgruppen (R¹) in Alkene. So erhält man aus Arylhalogeniden Styrolderivate, aus Benzylhalogeniden Allylverbindungen und aus Vinylhalogeniden 1,3-Diene. Auch für diese Reaktion verwendet man Palladiumvebindungen als Katalysatoren.
Literatur: "The Heck Reaction as a Sharpening Stone of Palladium Catalysis" von I. P. Beletskaya und A. V. Cheprakov, Chemical Reviews 100 (2000) 3009-3066.
"Kleider machen Leute: Heck-Reaktion im neuen Gewand" von A. De Meijere und F. E. Meyer, Angewandte Chemie 106 (1994) 2473–2506.

Bei der Suzuki-Kupplung werden Alkyl-, Alkenyl- oder Arylhalogenide mit Organoborverbindungen zur Reaktion gebracht.

Literatur: "Recent advances in the cross-coupling reactions of organoboron derivatives with organic electrophiles 1995–1998" von A. Suzuki, Journal of Organometallic Chemistry 576 (1999) 147-168.

"Cross-coupling reactions via organoboranes" von A. Suzuki, Journal of Organometallic Chemistry 653 (2002) 83-90.
"Palladium Catalysts for the Suzuki Cross-Coupling Reaction: An Overview of Recent Advances" von F. Bellina, A. Carpita, R. Rossi, Synthesis 15 (2004) 2419-2440.

Die Negishi-Kupplung ermöglicht die Verknüpfung von Alkenyl-, Alkinyl- oder Arylhalogeniden mit Organozinkverbindungen.

Literatur: "Palladium- or nickel-catalyzed cross coupling. A new selective method for carbon-carbon bond formation" von E. Negishi, Accounts of Chemical Research 15 (1982) 340-348.

Bei der Stille-Kupplung werden Alkyl-, Alkenyl- oder Arylhalogenide mit Hilfe von Organozinnderivaten einer C-C-Knüpfungsreaktion unterzogen.

Literatur: "The Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Organotin Reagents with Organic Electrophiles" von J. K. Stille, Angewandte Chemie International Edition in English 25 (1986) 508–524.

"Die Mechanismen der Stille-Reaktion" von P. Espinet und A. M. Echavarren, Angewandte Chemie 116 (2004) 4808–4839.

In den stark schematisierten Reaktionsgleichungen, die oben abgebildet sind, kommt leider nicht der eigentliche Nutzen dieser Reaktionen zum Ausdruck: Mit Hilfe der palladiumkatalysierten Kupplungsreaktionen, kann man Fragmente miteinander verknüpfen, die mit den klassischen Methoden der organischen Chemie gar nicht oder nur sehr umständlich miteinander verknüpfbar sind. So gelingt z.B. die Verknüpfung von zwei Aromaten miteinander, so ist es möglich komplexe Gruppen mit empfindlichen funktionellen Gruppen in Aromaten einzuführen und so sind hochfunktionaliserte Alkene oder Alkine herstellbar.

Der große Nutzen dieser neuartigen Kupplungsreaktionen wurde mit dem Nobelpreis für Chemie 2010 gewürdigt. Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki teilten sie diesen für Ihre Beiträge zu Palladium-katalysierten Kreuzkupplungen in der organischen Synthese. Die Nobelpreisvorträge von Negishi und Suzuki sind in der Angewandten Chemie veröffentlicht worden, hier die Links:

"Die magische Kraft der Übergangsmetalle: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft" von Prof. Ei-ichi Negishi, Angewandte Chemie 123 (2011) 6870–6897.
"Kreuzkupplungen von Organoboranen: ein einfacher Weg zum Aufbau von C-C-Bindungen" von Prof. Akira Suzuki, Angewandte Chemie 123 (2011) 6854–6869.
Außerdem hier noch ein Artikel mit dem schönen Titel "Palladiumkatalysierte Kreuzkupplungen: eine historische Perspektive im Kontext der Nobel-Preise 2010" von C. C. C. Johansson Seechurn, M. O. Kitching, T. J. Colacot, V. Snieckus, Angewandte Chemie 124 (2012) 5150–5174.
Mehr über Anwendungen der Kreuzkupplungen in der Totalsynthese von Naturstoffen findet man unter der Überschrift "Palladiumkatalysierte Kreuzkupplungen in der Totalsynthese" von K. C. Nicolaou, P. G. Bulger, D. Sarlah in der Angewandten Chemie 117 (2005) 4516–4563.

Zum Abschluss noch zwei Buchempfehlungen zum Themas C-C-Kupplungsreaktionen: