Koppelingsreactie

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

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 gebruikgemaakt van een triflaat als leaving group.

Katalysatoren

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

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

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. Gearchiveerd op 24 augustus 2023.
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. Gearchiveerd op 24 augustus 2023.
3. (en) G. Cahiez & A. Moyeux (2010) - Cobalt-Catalyzed Cross-Coupling Reactions, Chem. Rev., 110 (3), pp. 1435-1462. Gearchiveerd op 15 april 2021.