Untersuchungen zur elektrochemischen Trifluormethylierung an elektronenarmen aromatischen Molekülen
Authors:   , Bernd Johannes 
Published: November 2024

Die Einführung von Trifluormethyl-Gruppen (CF3) stellt eine attraktive Methode dar, um die chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften von organischen Verbindungen nach Wunsch einzustellen, weswegen trifluormethylierte Moleküle immer häufiger Anwendung in den Materialwissenschaften, der Nanotechnologie, der Agrochemie sowie in der pharmazeutischen Chemie finden. Zurückzuführen ist dies auf die besonderen Eigenschaften des CF3-Substituenten, welcher an aromatischen Verbindungen Valenzorbitale herabsetzt, Dipolmomente induziert, die Lipophilie erhöht und auch die Pharmakokinetik von Verbindungen gezielt beeinflussen kann. Um eine besonders moderne und zukunftsweisende Methode zur Einführung von Trifluormethyl- Gruppen handelt es sich bei der elektrochemischen Trifluormethylierung. Durch die Verwendung von elektrischem Strom als kostengünstiges und nachhaltiges Reagenz kann dabei ein ressourcenschonender Zugang zu Trifluormethyl-haltigen aromatischen Molekülen geschaffen werden. Da es sich bei der elektrochemischen Trifluormethylierung allerdings um ein noch sehr junges Forschungsfeld handelt, ist deren Anwendungsspektrum, vor allem in Hinblick auf die Synthese von Spezialchemikalien, bei weitem nicht vollständig erschlossen. An diesem Punkt setzt die vorliegende Doktorarbeit an. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei Projekte bearbeitet, in denen der elektrochemische Ansatz unter Verwendung des Langlois-Reagenzes (CF3SO2Na) zur Übertragung von CF3-Gruppen verwendet wurde, um besonders elektronenarme aromatische Verbindungen herzustellen. Projekt I – Elektrochemische Trifluormethylierung von Thiophen-Derivaten Das erste Projekt befasste sich mit der Trifluormethylierung von Thiophen-Derivaten. Dabei gelang es, durch systematische Optimierung der Reaktionsparameter die Einführung von bis zu drei CF3-Gruppen in Ausbeuten von bis zu 90 % unter milden Bedingungen und unter direkter C-H-Funktionalisierung zu ermöglichen. Die erhaltenen Verbindungen könnten sich als Präkursoren zur Herstellung größerer, elektronenarmer Acene eignen, welche Anwendung in der organischen Elektronik finden. Projekt II – Elektrochemische N-Trifluormethylierung Das Ziel des zweiten Projekts war die elektrochemische Einführung von CF3-Gruppen am Stickstoff-Atom von fluorierten Aryl-Aminen, um einen einfachen und direkten Zugang zum seltenen Aryl-N-CF3 Strukturmotiv zu ermöglichen. Die Evaluierung unterschiedlicher Modellsysteme offenbarte jedoch entweder eine unzureichende elektrochemische Stabilität oder eine Inertheit der Startmaterialien unter den verwendeten Bedingungen, weswegen die gewünschte Substitution nicht realisiert werden konnte. Projekt III – Elektrochemische O-Trifluormethylierung Im dritten Projekt gelang die elektrochemische Synthese von elektronenarmen Aryl-Trifluormethylethern durch direkte CF3-Substitution an phenolischen Sauerstoff-Atomen. An Pentafluorphenol als Modellsystem wurde die Reaktion durch systematische Variation der Reaktionsbedingungen zunächst in einer Batch-Elektrolysezelle optimiert und anschließend zur weiteren Steigerung der Reaktionseffizienz erfolgreich auf eine Fluss-Elektrolysezelle übertragen. Durch Anwendung der Methode auf weitere Phenole konnten zudem zahlreiche literaturunbekannte elektronenarme Trifluormethylether in bis zu 90 % Ausbeute erhalten werden. Darüber hinaus wurde der Mechanismus der Reaktion untersucht, der auf einer Co-Evolution von elektrochemisch gebildeten Phenoxy- und CF3-Radikalen basiert, welche zum gewünschten Trifluormethylether rekombinieren. Im Rahmen dieser Doktorarbeit gelang es somit, Reaktionsbedingungen zu untersuchen, entwickeln und zu optimieren, die eine direkte, einstufige Trifluormethylierung unter Verwendung der Elektrochemie als Synthesemethode ermöglicht. Dadurch konnte eine Vielzahl an besonders elektronenarmen aromatischen Verbindungen auf einfachem Wege erhalten werden, welche durch die Methoden der klassischen Trifluormethylierungs-Chemie nur schwer zugänglich sind und zudem interessante Bausteine für die organische Elektronik darstellen. Der hier gewählte elektrochemische Ansatz ermöglichte eine direkte Aktivierung der Edukte unter milden Bedingungen und kam durch Verwendung von elektrischem Strom als kostengünstigem „Reagenz“ zudem ohne chemische Oxidationsmittel sowie ohne Übergangsmetall-Katalysatoren aus. Somit leistet die vorliegende Doktorarbeit einen Beitrag zu einer ökonomischeren und nachhaltigeren Synthese der industriell relevanten Verbindungsklasse der Trifluormethyl-haltigen aromatischen Moleküle.