Koppelingsreactie

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Een koppelingsreactie is de overkoepelende naam voor een reactie in de organische chemie waarbij twee koolstoffragmenten (formeel aangeduid als A en B) aan elkaar worden gekoppeld met behulp van een metaal als katalysator. Algemeen kunnen er twee grote groepen onderscheiden worden:

  • Homokoppelingsreacties: daarbij worden twee identieke fragmenten aan elkaar gekoppeld (A–A of B–B)
  • Crosskoppelingsreacties: daarbij worden twee verschillende fragmenten aan elkaar gekoppeld (A–B)

In 2010 werd de Nobelprijs voor de Scheikunde uitgereikt aan Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi en Akira Suzuki voor hun belangrijke bijdragen aan koppelingsreacties met palladium als katalysator.

Reactiemechanisme[bewerken]

Het overgrote deel van de koppelingsreacties gaat uit van een organisch halogenide (een chloride, bromide of jodide) als reagens. Dat wordt middels een oxidatieve additie (A) gekoppeld aan de metallische katalysator. Vervolgens ondergaat de tweede reactiepartner een transmetallatie, waardoor beide reagentia gekoppeld worden op hetzelfde metaalcentrum (B). De laatste stap betreft een reductieve eliminatie (C) van de twee fragmenten, die op deze manier gekoppeld worden aan elkaar en waarbij het metaal opnieuw vrijkomt. Het reactiemechanisme van de Heck-reactie illustreert het verloop van een klassieke koppelingsreactie:

Reactiemechanisme van de Heck-reactie.

Onverzadigde organische verbindingen ondergaan doorgaans het gemakkelijkst de oxidatieve additie. De gevormde intermediairen zijn ook minder vatbaar voor bèta-hydride-eliminatie. De snelheid van de reactie neemt af in de reeks: vinyl-vinyl, fenyl-fenyl, alkynyl-alkynyl en alkyl-alkyl.

Als alternatief voor een halogenide (doorgaans aangeduid met de letter X), kan ook worden gebruik gemaakt van een triflaat als leaving group.

Katalysatoren[bewerken]

De meest toegepaste metaalkatalysator is palladium.[1] Verder wordt ook gebruikgemaakt van nikkel,[2] kobalt[3] en koper. Palladium wordt meestal in poedervorm of onder de vorm van de verbinding tetrakis(trifenylfosfine)palladium(0) aangewend. Palladiumgekatalyseerde reacties hebben enkele grote voordelen, zoals een grote tolerantie voor verscheidene functionele groepen en de lage gevoeligheid van organopalladiumverbindingen ten opzichte van water en lucht.

Reactieomstandigheden[bewerken]

De meeste koppelingsreacties gaan gepaard met het gebruik van reagentia die zeer gevoelig zijn voor hydrolyse of oxidatie. Toch is het niet zo dat alle koppelingsreacties in strikt droge omstandigheden moeten worden uitgevoerd. Bepaalde palladiumgekatalyseerde koppelingen kunnen zelfs in waterige oplossing worden uitgevoerd. Daarbij worden gesulfoneerde fosfines als liganden voor palladium gebruikt. Meestal is het zuurstof die voor verstoring van de reactie kan zorgen, omdat de gevormde onverzadigde metaalcomplexen minder dan 18 valentie-elektronen bezitten. De meeste koppelingsreacties verlopen dan ook onder inerte atmosfeer (stikstofgas of argon).

Overzicht van koppelingsreacties[bewerken]

Onderstaande tabel geeft een overzicht van de belangrijkste koppelingsreacties:

Reactie Jaar Reagens A Reagens B Type Katalysator
Wurtz-reactie 1855 R-X sp³ R-X sp³ homo Na
Glaser-koppeling 1869 RC≡CH sp RC≡CH sp homo Cu
Ullmann-reactie 1901 Ar-X sp² Ar-X sp² homo Cu
Gomberg-Bachmann-reactie 1924 Ar-H sp² Ar-N2X sp² homo
Cadiot-Chodkiewicz-koppeling 1957 RC≡CH sp RC≡CX sp cross Cu
Castro-Stephens-koppeling 1963 RC≡CH sp Ar-X sp² cross Cu
Cassar-reactie 1970 alkeen sp² R-X sp³ cross Pd
Kumada-koppeling 1972 Ar-MgBr sp², sp³ Ar-X sp² cross Pd of Ni
Heck-reactie 1972 alkeen sp² R-X sp² cross Pd
Sonogashira-koppeling 1975 RC≡CH sp R-X sp³, sp² cross Pd en Cu
Negishi-koppeling 1977 R-Zn-X sp³, sp², sp R-X sp³, sp² cross Pd of Ni
Stille-reactie 1978 R-SnR3 sp³, sp², sp R-X sp³, sp² cross Pd
Suzuki-reactie 1979 R-B(OR)2 sp² R-X sp³, sp² cross Pd
Hiyama-koppeling 1988 R-SiR3 sp² R-X sp³, sp² cross Pd
Buchwald-Hartwig-aminering 1994 R2NH sp R-X sp² cross Pd
Fukuyama-koppeling 1998 RCO(SEt) sp² R-Zn-I sp³ cross Pd
Bronnen, noten en/of referenties
  1. (en) L. Yin & J. Liebscher (2007) - Carbon−Carbon Coupling Reactions Catalyzed by Heterogeneous Palladium Catalysts, Chem. Rev., 107 (1), pp. 133-173
  2. (en) B.M. Rosen, K.W. Quasdorf, D.A. Wilson, N. Zhang, A.-M. Resmerita, N.K. Garg & V. Percec (2011) - Nickel-Catalyzed Cross-Couplings Involving Carbon−Oxygen Bonds Chem. Rev., 111 (3), pp. 1346-1416
  3. (en) G. Cahiez & A. Moyeux (2010) - Cobalt-Catalyzed Cross-Coupling Reactions, Chem. Rev., 110 (3), pp. 1435-1462