Organokatalyse von Diels-Alder-Reaktionen durch neutrale Wasserstoffbrückendonoren in organischen und wässrigen Lösungsmitteln
Organocatalysis of Diels-Alder Reactions by Neutral Hydrogen Bond Donors in Organic and Aqueous Solvents
by Alexander Wittkopp
Date of Examination:2001-06-27
Date of issue:2001-07-30
Advisor:Prof. Dr. Peter R. Schreiner
Referee:Prof. Dr. Peter R. Schreiner
Referee:Prof. Dr. Helmut Lackner
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The catalytic activity of substituted thioureas in a series of Diels-Alder reactions and 1,3-dipolar cycloadditions was studied. The kinetic data reveal that the observed relative rate accelerations depend more on the thiourea substituents than on the reactants or solvent. The catalytic effectivity is the strongest in non-coordinating, non-polar solvents such as cyclohexane, but is also present in highly coordinating polar solvents like water. In 1,3-dipolar cycloadditions the thiourea catalysts demonstrate high selectivity for reactions with inverse electron demand. These findings were rationalized by quantum chemical computations using the AM1 semiempirical method for geometry optimizations and Becke's three-parameter density functional theory (B3LYP) with the 6-31+G(d,p) basis set for the single-point energy calculations. Furthermore, solvent effects were included either by the integral equation formalism polarized continuum model (IEFPCM), two explicit water molecules, or a combination of both. These computations demonstrate that upon complexation the overall free enthalpy changes between reactants and the thiourea derivatives are critical. In those cases where the entropy loss is large and cannot be overcome by the complexation enthalpy, the catalysts do not display any activity. The computations showed that the effects of water and the additives leading to catalysis can be understood in terms of polarization and by lowering the reaction barriers through directing the reactants towards each other, respectively. Our experiments emphasize that both effects can co-exist, making these catalysts active even in highly coordinating solvents. This class of catalysts increases the reaction rates and endo-selectivities of Diels-Alder reactions, similar to weak Lewis acids, but without concomitant product inhibition.Other Languages
In einer Serie von Diels-Alder-Reaktionen und 1,3-dipolaren Cycloadditionen wurde die katalytische Aktivität substituierter Thioharnstoffe untersucht. Hierbei zeigten die Ergebnisse der kinetischen Untersuchungen, daß die beobachteten relativen Reaktionsbeschleunigungen weniger von den Reaktanden oder Lösungsmitteln, sondern eher von den Strukturen der Thioharnstoffderivate, abhängt. Zwar ist die katalytische Effektivität in nicht-koordinierenden, unpolaren Lösungsmitteln, wie z.B. Cyclohexan, am stärksten, sie ist jedoch auch in stark koordinierenden, polaren Lösungsmitteln, wie Wasser, präsent. Die selben Katalysatoren sind auch in 1,3-dipolaren Cycloadditionen aktiv. Diese Ergebnisse konnten durch quantenchemische Rechnungen auf dem semi-empirischen AM1 Niveau (für die Geometrieoptimierungen) und dem B3LYP-Dichtefunktional in Verbindung mit einem 6-31+G(d,p) Basissatz (für Einzelpunktenergien) nachvollzogen werden. Desweiteren wurden Lösungsmitteleinflüsse sowohl durch das Kontinuummodell (IEFPCM) als auch durch explizite Solvatisierung durch zwei Wassermoleküle bzw. durch Kombination der beiden Methoden berücksichtigt. Diese Rechnungen zeigen, daß die Änderungen der freien Komplexierungsenergien während der Reaktion kritisch ist. In solchen Fällen, in denen die Komplexierungsentropie stark positiv ist und nicht von der immer negativen Reaktionsenthalpie übertroffen wird, kann keine Katalyse auftreten. In weiteren Rechnungen konnte demonstriert werden, daß Thioharnstoffderivate selbst in Wasser durch Polarisationseffekte und dirigierende Wechselwirkungen Reaktionsbeschleunigungen hervorrufen können. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß die positiven Lösungsmitteleffekte und die durch Katalysatoren hervorgerufenen Beschleunigungen additiv sein können, so daß die hier untersuchten Thioharnstoffderivate selbst in Wasser aktive Katalysatoren der Diels-Alder-Reaktion darstellen, sie beschleunigen und die endo-Selektivitäten erhöhen. Sie zeigen damit ein ähnliches Verhalten wie schwache Lewis-Säuren. Die katalytische Aktivität relativ einfacher organischer Verbindungen in wässrigen Lösungen scheint die Notwendigkeit einer spezifischen Diels-Alder-ase in Frage zu stellen.
Schlagwörter: Katalyse; Diels-Alder-Reaktion; Computerchemie; Thioharnstoffe