Reaktionsgeschwindigkeiten der katalytischen Reaktionen zwischen Pyridin-N-Oxiden und Bromaromaten: Die direkte Arylierung von 4-substituierten Pyridin-N-oxiden mit Bromaromaten ergibt Arylpyridin- N-oxide in Ausbeuten von 70-80%. Jedoch ergeben analoge Arylierungsreaktionen zwischen 2-Brompyridinen und Pyridin-N-oxiden, welche elektronschiebende Substituenten tragen, Kreuzkupplungsprodukte in niedrigeren Ausbeuten von 23-49%. Hingegen bilden Arylierungen von Pyridin-N-oxiden, welche elektronziehende Substituenten tragen, mit 2-Brompyridinen die Pyridin- N-oxidprodukte in 70% Ausbeute. Frühere Berichte über den Mechanismus erklären nicht diese Substratabhängigkeit, weshalb die Geschwindigkeiten der Substratverbräuche und Produktbildungen für die Reaktionen von fünf 4-substituierten Pyridin-N-oxiden mit 2-Brompyridin und Brombenzol bestimmt wurden. Die Reaktionen mit beiden Arylhalogeniden zeigten, dass elektronarme Pyridin- N-oxide eine höhere Reaktivität gegenüber C-H-Aktivierung aufweisen und bilden das Kreuzkupplungsprodukt schneller als elektronreiche N-oxide. Als Nebenreaktion wurde eine konkurrierende Homokupplung des Arylhalogenids identifiziert, wodurch 2,2ʹ-Bipyridin bzw. Biphenyl gebildet wird. Wo die Ausbeute des Kreuzkupplungsprodukts niedrig war, ergab die Homokupplung des 2-Brompyridins Bipyridin in bis zu 35% Ausbeute. Die Homokupplung von Brombenzol zu Biphenyl wurde in signifikant niedrigeren Ausbeuten von <10% beobachtet. Im Vergleich zum Brombenzol, wurde eine schnellere Verbrauchsrate mit 2-Brompyridin beobachtet und dessen Ursprung dem konkurrierenden Homokupplungsmechanismus zugeschrieben. Als zusätzliche Nebenreaktion wurde die Homokupplung des Pyridin-N-oxidsubstrats identifiziert. Homokupplungsprodukte des Arylhalogenids und des Pyridin-N-oxids wurden in jeder Reaktionen in ähnlichen Ausbeuten erhalten, was darauf hindeutet, dass beide Nebenreaktionen durch miteinander verbundene Redoxzyklen ablaufen. Potentiell inhibierende Effekte durch die stickstoffhaltigen Verbindungen, welche in der Reaktionsmischung vorhanden sind, wurden untersucht. Mit der Zugabe von Pyridin, Bipyridin oder Bipyridin-N-oxid wurden langsamere Bildungsgeschwindigkeiten der Kreuzkupplungsprodukte beobachtet. Jedoch sanken die Ausbeuten nicht signifikant, was ausschließt, dass die Inhibierung durch das Substrat oder durch das Produkt für das Absenken der Ausbeuten in Reaktionen mit 2-Brompyridin verantwortlich ist.
Synthese und Reaktivität von Arylpalladiumkomplexen in der direkten Arylierung von Pyridin-N-Oxiden: Um die Reaktivität von Arylpalladiumkomplexen in der direkten Arylierung von Pyridin-N-oxiden zu untersuchen, wurden die vorgeschlagenen Intermediate synthetisiert. Ein 6-tert-Butyl- 2-pyridylpalladium(II)bromidkomplex, welcher ein P(t-Bu)3-Ligand trägt, wurde synthetisiert und mittels Röntgenstrukturanalyse charakterisiert, was einen ungewöhnlichen η2-C,N-Bindungsmodus des Pyridylliganden aufdeckte. Zum Vergleich wurde ein 3-Methylphenylpalladium(II)komplex, an dem P(t-Bu)3 gebunden ist, synthetisiert. Nach dem Erhitzen bildete der Pyridylkomplex das Bipyridinhomokupplungsprodukt nahezu quantitativ, wohingegen der Phenylkomplex das Biphenylhomokupplungsprodukt, sowie den protodemetallierten Aromaten und das reduktiv eliminierte Arylhalogenid (Verhältnis 3:4:1) ergab. Der Phenylkomplex wies einen exponentiellen Zerfall des Startmaterials auf (t1/2 = 15 Minuten bei 80 °C), wohingegen die Zersetzung des Pyridylkomplexes erst nach einer Induktionsperiode, bei der die Bildung einer anionischen 2-Pyridylpalladatspezies beobachtet wurde, auftrat. Die unabhängige Synthese der anionischen Spezies und die Bestimmung dessen Einfluss auf die Reaktion deuteten an, dass es die Zerfallsreaktion katalysiert. Ein 2-Pyridyl-N-oxidpalladium(II)komplex, bei dem ein zyklometallierter Phosphinligand und ein stabilisierender PEt3-Ligand gebunden sind, wurde mit einem Methyl- oder einem Trifluoromethylsubstituenten am Pyridyl-N-oxidliganden synthetisiert. Die Komplexe reagierten mit einem 2-Pyridyl- oder Phenylpalladiumkomplex bei Raumtemperatur oder niedriger und bildeten kreuzgekuppelte Arylpyridin-N-oxidprodukte. Die Bildung des Bipyridin-N,Nʹ-dioxids über Homokupplung des Pyridyl-N-oxidkomplexes wurde zwar beobachtet, jedoch aber nur bei höheren Temperaturen. Die Homokupplungen der Arylpalladiumkomplexe und Pyridyl- N-oxidpalladiumkomplexe waren signifikant langsamer als eine Kreuzkupplungsreaktion zwischen den Komplexen.
Transmetallierung zwischen Arylpalladiumkomplexen und Organoborverbindungen: In Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungsreaktionen wird angenommen, dass der Transmetallierungsschritt entweder zwischen einer anionischen Boronatspezies und einem Palladiumkomplex mit einem Halogenidliganden (Boronat-Mechanismus) oder zwischen einer neutralen Organoborspezies und einem hydroxidgebundenem Palladiumkomplex (Oxo-Palladium-Mechanismus) stattfindet. Um die Transmetallierung zu untersuchen, wurde ein Satz von dimeren bromidverbrückten P(o-tol)3- palladium(II)komplexen, welche 4-substituierte Arylliganden tragen, synthetisiert und in guten Ausbeuten erhalten. Der Austausch des Bromids mit Hydroxid lieferte die analogen hydroxidgebundenen Arylpalladium(II)dimere. Untersuchungen des Transmetallierungsschritts sind oft auf Grund der Löslichkeit der anionischen Organoboronatspezies eingeschränkt. Eine anionische Boronatspezies, welche als Gegenion Tetrabutylammonium tragen, wurde hergestellt und zeigte eine ausreichende Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln, wie THF und DCM. Erste Experimente, welche den Transmetallierungsschritt untersuchen, wurden durchgeführt anhand von Konkurrenzexperimenten zwischen acht 4-substituierten Arylpalladiumkomplexen und einer Organoborspezies. Die relativen Reaktionsgeschwindigkeiten der substituierten Palladiumkomplexe wurden für den Boronat- und den Oxo-Palladiummechanismus bestimmt. Lineare Hammett- Korrelationen ergaben ρ = +0.81 für die Reaktionen zwischen bromidverbrückten Palladiumkomplexen und einem anionischen Boronat, und ρ = +0.52 für die Reaktion zwischen hydroxidverbrückten Palladiumkomplexen und einer neutralen Boronsäure. Eine positive Reaktionskonstante kennzeichnet einen Anstieg in der Reaktivität der elektrophileren Arylpalladiumkomplexe. Der Vergleich der ρ-Werte zeigt an, dass bromidgebundene Arylpalladiumkomplexe leicht empfindlicher gegenüber Substitutionsmuster sind als ein hydroxidgebundener Arylpalladiumkomplex.
