Herbert Brown (1980) - Organoboranes - The Modern Miracle

This is the first Lindau lecture given by Herbert C. Brown after he shared the 1979 Nobel Prize in Chemistry with Georg Wittig. In 2000, twenty years and six chemistry meetings later, he should give his last Lindau lecture at the 50th Lindau Nobel Laureate Meeting

I wish to express my deep appreciation to the President Graf Lennart Bernadotte and to Nick Leader, the Kuratorium for their kind invitation. As well as to the selection committee in Sweden who made it all possible. Permit me also to express my sorrow at the circumstances that made my distinguished colleague and very good friend Georg Wittig miss this meeting. Finally I apologise to the translator. In view of the presence here of so many young students I decided yesterday to add the beginning and end of my lecture introducing personal details about my research program on boranes and organoboranes. Details they may find helpful in their own careers. I hope that these alterations of the original manuscript will not cause difficulties for the translator. My story begins some 44 years ago. At the time I was approaching my own BS degree at the University of Chicago. It was a time of severe deflation. Economic dislocation and political problems. Students of today face severe inflation, economic dislocation and political problems. It seems to me that each succeeding generation of students faces difficult problems. A problem which may appear discouraging but can usually be overcome with industry, enthusiasm and optimism. Permit me to illustrate this thesis by some of my own experiences. Both my classmate Sarah Baylen and I had lost our fathers at a relatively early age. Consequently it was a struggle for our families to survive at the time of the Great Depression. Our university education had to be achieved. A small piece at a time. As we worked our way through. In 1936 I had reached the BS level. I planned to get a job and marry my classmate. In those days one did not get married without a job and an assured income. Parents were neither willing nor able to support young couples. At this stage faith in the form of one of my professors intervened. Professor Julius Stieglitz, a world famous organic chemist, past president of the American chemical society and past chairman of the department at Chicago called me to his office. He asked me why I had not applied for a graduate teaching assistantship. He had observed my performance in his class. And recommended I go on to the PhD degree. I explained my situation and my desire to marry my classmate. He urged me to continue my education. I discussed his recommendations with Sarah and she agreed that our marriage should wait. I applied for and received the teaching appointment. You must not think that it made life very easy. It paid me a total of $400 a year. But I had to pay $300 of this back to the university for my tuition. But if you think that I had difficulties, consider Professor Stieglitz’s start. He had obtained his BS degree in the United States and his PhD in Germany. Some 44 years earlier. He began his career as an instructor at university of Chicago without any salary whatsoever. I decided to do my doctorate research with Professor H. I. Schlesinger. Himself a former student of Stieglitz. In the area of the hydrogen compounds of boron. This was a very exotic field at the time. The hydrogen compounds of boron are very reactive substances. They are not found in nature. In 1936 they could be made only by very difficult involved procedures. At only two places in the entire world. One place was a laboratory of Professor Alfred Stock in Karlsruhe Germany. The other the laboratory of Professor H. I. Schlesinger at the University of Chicago. In 1936 the existence of the simplest hydrogen compound of boron as B2H6 and not as BH3 was considered to be a serious problem for the electronic theory of Jan Lewis. First slide. The compound, the simple hydrogen compound of boron should be BH3 but instead the simplest one that anyone had isolated was B2H6. And there’s a question, what held the 2 BH3’s together, there were not enough electrons in the Jan Lewis theory. One chemist went so far as to hold the two together by a question mark. Pauling went one step further and he suggested that there were single electron bonds resonating among all the bonds. And that is what held it together. Of course later on it was proven that these were not ethane like structures but instead had hydrogen bridges. Professor Schlesinger at the time was exploring the reactions of diborane in the hope that a knowledge of the chemistry would contribute to a solution of the structural problem. Why did I decide to do my research in this exotic area? Dealing with such rare and little known compounds. I owe this to my girlfriend Sarah. When I graduated from the University of Chicago with a BS degree she presented me with a graduation gift. A copy of “Hydrids of Boron and Silicon” by Alfred Stock. I read the book and became interested in the area for my doctorate research at the University of Chicago. But why did Sarah select this particular book for a gift. Out of the hundreds of chemistry books she might have selected. This was 1936 in the midst of the Great Depression. We had very little money to spend. It’s probably that she searched the university of Chicago book store and selected that book at a price of $2 as the cheapest chemistry book available. These are the factors that influence one’s career. Now Sarah feels that to be fair to her I should point out to you that the book cost her, her lunches for nearly two weeks. Following discussions with Professor Schlesinger and Anton Burg it was decided that I was to explore the reaction of diborane with aldehydes and ketones. Next slide please. I soon established that there was a fast reaction between diborane and aldehydes and ketones to produce alkoxy boranes. Hydrolysis produced alcohols. This was a remarkably easy way to reduce aldehydes and ketones to alcohols. My thesis was presented in 1938 and the research was published in J. C. S in 1939. Incidentally it took a total of ten weeks from the time the manuscript was submitted till the time it appeared in print. Things do not always improve for the better. There was absolutely no interest in the results. We received no requests for reprints. Why not? As I’ve indicated diborane was a very rare substance. Difficult to repair in even minor quantities. What organic chemist could hope to use it for such a reduction. I wish that I could tell you that I or Professor Schlesinger or Anton Burg, his research assistant, had the intelligence to recognise that all we had to do was to develop a simple synthesis of diborane. And we would be world famous. Every organic chemist around the world would use with gratitude our procedure for converting aldehydes and ketones to alcohols. But we did not have the sense. Later on Professor Schlesinger and I did develop such methods because we were forced to by the requirements of war research. But not because we had the intelligence to recognise an exceptional research opportunity. I now had my PhD degree. I now was married to Sarah. But I had no job. I had one interview with a paint company but could not persuade them they needed my services. I’d another interview with a patent department of a petroleum company. Again no success. But it turned out that what I then considered to be a catastrophe was a most fortunate occurrence. Professor M. S. Kharasch now offered me an appointment as a post doctorate fellow at a stipend of $1,600 a year. And I was diverted into an academic career. I am a rare example of an individual who ended up in academic work simply because he was unable to obtain an industrial job. After a year with Professor Kharasch, Professor Schlesinger had offered me the post as his research assistant at a salary of $2,400 a year. Replacing Anton Burg who had moved to the University of Southern California. Sarah was also working, making $1,200 per year. Consequently we were rapidly going up in the world. Soon afterwards Professor Schlesinger was asked by the national defence research committee to explore the possible synthesis of new viable compounds of uranium. The authorities were familiar with UF6, this material was highly corrosive. They were uncertain whether they could solve the problems associated with handling such a corrosive material. Next slide please. We tried several different approaches but it was important, that the marker weight be low. Shortly before this work we had made lithium borohydride. It was a typical salt like material. Beryllium borohydride was a solid with a sublimation point of 125 degrees and the most volatile beryllium compound known. And aluminium borohydride was a liquid, boiling point 45 degrees. And it was the most volatile aluminium compound known. So we made a long extrapolation to the other end of the periodic table. And thought that perhaps we could make uranium borohydride. We tried it, it worked. We could take uranium tetrafluoride and aluminium borohydride, put them together and got uranium borohydride and an aluminium derivative. And we could isolate this. When we reported this to Washington they were very excited. They said this could be very important. Please gather a group of 20 or so people together and let’s make uranium borohydride in quantity. We’d like to have at least 20 kilos for large scale testing. So we did that. Our process for making uranium borohydride involved six steps. One we had to make boron bromide, secondly boron bromide was converted by the Schlesinger-Burg procedure into hydrogenated boron bromide and then to diborane. Then we had to make dimethylmercury, convert it into trimethylaluminium. Convert that, diborane into aluminium borohydride. And finally uranium fluoride and borohydride gave us uranium borohydride. These are the six steps, five of these six were simple to carry out in laboratory apparatus. We could increase the scale to make a kilo a day. The bottle neck was diborane. We had six young men operating six high vacuum diborane generators. They could each produce a half a gram of diborane in an eight hour stint. That meant we could produce, when all went well, three grams a day or a kilo per year. Clearly we were going to have to find some other source of diborane if we were going to supply 20 kilograms of the material. Professor Schlesinger assigned me four people and asked me to search for new ways to make diborane. As it happened the very first experiment I tried worked. Next slide please. What we found was that lithium hydride and boron fluoride etherate and ethyl ether solvent would react rapidly to give diborane off as a gas. And all these years we had been, everyone had been making diborane with great difficulty and tediously in minor amounts and here this is now a simple method, made it possible to make diborane, a pound a day in glass apparatus. The diborane would add to lithium hydride giving us lithium borohydride. That would react with aluminium chloride to give us aluminium borohydride and now we could convert uranium fluoride to uranium borohydride. We happily reported this to Washington. We were told that they were very sorry but lithium was in very short supply and could not be used. By this time we were in the war and every airplane which travelled over water carried two 1 pound canisters of lithium hydride. If the plane were forced down on to the water the pilot and crew would get out in a rubber raft, they would take one of these pound canisters of lithium hydride, attach it to a handle, dip it in the sea water. The hydrogen would carry a balloon aloft with an antenna and they could signal for help. And there was not enough lithium hydride even for this. They said there’s lots of sodium hydride, why don’t you use this. But sodium hydride would not work. We then discovered that we could react sodium hydride with methylborate to make a new material, sodium trimethoxy borohydride. And this material was sufficiently active that it would do everything that lithium hydride would do. So we can now make diborane, react diborane with it to make sodium borohydride, aluminium borohydride and uranium borohydride. We had just successfully solved our problem when Washington informed us they no longer needed uranium borohydride. They had solved the problems of handling UF6 and therefore there was no need for uranium borohydride, new material uranium borohydride. We were just at a point of disbanding our research group when a call came through from the army signal corps. They informed us that they had a problem in generating hydrogen in the field. They thought that some of our new materials might solve their problem. So they came to see us. And they decided that sodium borohydride, if we could make it cheaply would be ideal for their purposes. Next slide please. And we soon discovered that we could take sodium hydride, heat it in glass apparatus to 250 degrees. Add to the stirred mixture methylborate, slowly drop by drop, it would react and give us a mixture of sodium borohydride and sodium methoxide. We need to have a solvent to separate one of these from the other. We tried benzene, neither dissolved, ethyl ether, neither dissolved, methanol both dissolved and hydrogen came off so we were destroying the sodium borohydride. Acetone the sodium borohydride dissolved, the sodium methoxide did not. When we tried to recovery sodium borohydride from it there was none. That’s the way we discovered that sodium borohydride is a wonderful reagent to reduce organic compounds. We then found that ammonia would dissolve the sodium borohydride and we could recover sodium borohydride but boils at minus 33 degrees and is inconvenient to use. So we went to isopropylamine which boils at 35 degrees and that separates them. And that is the basis for the present commercial method for manufacturing sodium borohydride. Today it’s manufactured, millions of pounds per year. Next slide. I did not get tenure at the University of Chicago in 1943. And I went to Wayne University. Fortunately the chairman of the department there was a good friend of Maurice Kharasch, chairman of the department was Neil Gordon who started the Gordon research conferences. And he had given Maurice Kharasch his first job at the University of Maryland some 20 some years earlier. And Maurice Kharasch persuade him to give me a second chance. I went there, there was no PhD program there, there were only two master’s students in the department, it was a small department just getting started. And I began my work there on steric effects. Four years later Purdue called me back down to Purdue and with the greatly increased ability to do research there I began to consider possible areas I might expand my research program. And I decided to re-examine the reducing properties of these reagents we hadn’t covered. Sodium borohydride, the work had been done during the war. And it still had not been published. It was classified. After that work, after the war, lithium hydride was made by Schlesinger and Finholt. And it could be published immediately because it was not classified. And I noticed a lot of chemists were using lithium hydride for reductions that I thought could be better handled by sodium borohydride. And I decided to begin a program which I would explore the reducing powers of sodium borohydride and compare with lithium aluminium hydride. And then undertake to do two things. One, find what I could do to make lithium aluminium hydride a gentler reducing agent. And what I could do to makes sodium borohydride a more active reducing agent. So that ultimately we’d end up with a whole family of reducing agents of different powers. And the organic chemists could then go and take that particular system, that best suited his needs. Next slide. We soon found that changing the metal ion of the borohydride greatly increased the reducing power. So we moved to the right. Putting alkoxy groups in lithium aluminium hydride decreased the reducing power so we moved it to the left. Next slide please. In the process we found that we could not only move from the two extremes toward the centre, but we could actually go past the two extremes. So lithium triethylborohydride is more powerful than lithium aluminium hydride in many cases. Sodium Si-atom borohydride and potassium trimethoxy borohydride are more gentle even than sodium borohydride itself. Next slide. Ultimately we ended up with a whole family, basic reducing agents, acidic reducing agents. We explored these. Now the organic chemist can easily find a reducing agent that will reduce compound A in the presence of B, group A in the presence of group B or we can now reduce group B in the presence of A. Next slide. In the course of this work we encountered a peculiar little phenomenon. We have a standard list of 56 compounds. We used to test each of our new reagents against the standard list of 56 compounds. What we would do would be to put 40 millimoles of hydride in a suitable solvent. Together with ten millimoles of the compound. We’d allow it to stand for one hour. Then we would add water and measure the hydrogen involved. If we recovered 40 millimoles of hydrogen, no reduction had occurred. If we recovered 30 then ten millimoles of hydride had gone to reduce the ten millimoles of compound. If we recovered 20 clearly 20 millimoles of hydride had gone for reduction. And aldehydes showed one, ketones one, acids showed three, two for reduction, one for hydrogen evolution. Ester showed two, ethyl stearate two. But ethyl oleate showed 2.37. This work was done by a Doctor B. C. Subba Rao. He had taken his PhD with me and then was spending a couple of additional years as a post doctorate. He was a very productive co-worker and he came to me with these big tables of data. And I asked him why is ethyl oleate 2.37. He said well you should remember that ethyl oleate is not one of our standard compounds. It was an afterthought on your part. You thought it would be nice to include an unsaturated fatty ester and show that it reduces as well as the saturated compounds. So I went to the store room and I got some ethyl oleate, a bottle of ethyl oleate. It was slightly discoloured. But I didn’t bother to purify it, I used it directly. He said probably that represents a small amount of impurity in the material. And he said why don’t we forget about this, it’s not one of our standard compounds and publish all the other 56 compounds. But a research director is in a wonderful position to insist upon high standards. He doesn’t have to do the work himself. So I thought a moment and I said no, I think you should go back and redistill the material and repeat the experiment. He did this, came out 2.37. We let the reaction go for three hours, it was 2.9, let the reaction go for six hours it was 3.0, 12 hours 3.0, 24 hours 3.0. So clearly the carbon-carbon double bond in the unsaturated shape must be utilising 1 BH bond. Didn’t take us long to establish that we were forming organoboranes. And that is the way we discovered hydroboration. Next slide please. Initially the reaction is of course a general reaction that the HB bond in the presence of ether solvents adds with great ease to a carbon-carbon double bond to give us the organoborane HCCB. I’d like to point out that my parents were far seeing and gave me the initials HCB. Originally we carried out our hydroborations by generating diborane from sodium borohydride in a suitable solvent, diglyme lime or THF. Then diborane and THF became commercially available and we started to use that as more convenient. More recently borane dimethylsulfide has become commercially available. That allows us, that’s a much more concentrated form of borane. It’s ten molar whereas borane THF is one molar. And we can add it and use many different solvents. Next slide. The addition proceeds in an anti-Markovnikov manner, thus if we take a terminal olefin such as one pentene, we get 94% of the boron at the one position. The reaction involves a cis addition of the HB bond. So we take 1 methyl cyclopentene, hydrogen boron will be cis or methyl and boron will be trans. Oxidation proceeds with retention. So we end up with a pure trans derivative. Next slide please. The addition takes place preferentially from the less hindered side of the double bond. Now borane gives us 99.6% exo. Thus far we have not observed any rearrangement carbon skeletons. Surely they will come up some time but not this time, even the molecules, labile as alpha pinene undergoes hydorboration cleanly without rearrangement. And we can predict precisely what we will obtain. Anti-Markovnikov’s of boron will be at the secondary position rather than the tertiary position. Cis, so the methyl group on boron will be trans to each other. Finally from the less hindered side of the double bond, that’s the side away from the gem dimethyl group. So we can predict that the boron compound will have that structure and it turns out to be at least 98% that. Oxidation then gives us a single alcohol. Finally most functional groups can tolerate hydroboration. So the first time we’re in a position to make a kind of an organometallic with all kinds of functional groups and the transfer of those groups from boron to make carbon-carbon bonds and many other reactions. Next slide. In many cases, in the original work we worked with making R3B, most olefins react to BH3 to gives us R3B. In a few cases with found we could stop the reaction short of complete hydroboration. That gave us a new family of reagents with interesting properties which we began to explore. So tetramethylethylene, the reaction can be controlled to give us thexylborane, monoalkyl borane RBH2 or thexylborane. Trimethylethylene reaction will go to give us disiamylborane. Alpha-pinene we get diisopinocampheylborane. which we termed 9BBN and used the symbol down below for it. Next slide. We can also make heterosubstituted boranes that are useful in hydroboration. Catechol reacts with borane to give us catecholborane. Boron chloride reacts with diborane depending upon the amount we use we can make either dichloroborane etherate or monochloroborane etherate. Next slide. The etherates turn out to be relatively unstable. They cannot be stored for any length of time because ethers tend to be split by boron chloride. However, so they have to be made fresh when they’re used in this way. We wanted to have a reagent that could be stored, made in quantity and used repeatedly. We found that the dimethylsulfides served this function. So we now can make monochloroborane, monobromoborane or monoiodoborane all coordinated and stabilised by dimethylsupfide. Next slide. We can make the corresponding dihaloboranes. Next slide. We then began to explore the reactions. Now a number of my friends said to me, why are you spending so much time studying hydroboration. It’s a nice clean reaction but all it does is produce organoboranes. And everybody knows that organoboranes have no interest in chemistry. The fact was that there was a very detailed study made of borane chemistry back in 1862 by Franklin. He had made trimethyl, triethyl and tributyl borane and showed that they are stable to water, they are oxidised by air and they form addition compounds with basis. But since that time there had been relatively little work done and they assumed that because little work had been done it meant there was little to be done. But we began to explore it and it turned out that these organoboranes would do almost everything that we asked them to do. One of the things we found is that we can use them to alkylate the alpha position compounds. So if you take ethyl alphabromoacetate and treat them you can retain all the stereo chemistry, the methyl cyclopentyl group and in the trans to methyl cyclopentyl ethyl acetate. Or we can introduce aryl groups so we’re now in a position to arylate esters or ketones or nitriles or so on. Next slide. We can produce cyclopropanes. If we take for example allyl chloride and hydroborane with 9BBN we get the gamma chloropropyl derivative. Sodium hydroxide converts to cyclopropane. One case I like is this second one, butyldiene adds chlorine to produce this dichloride. Hydroborate it and close it and you get cyclopropyl carbonyl chloride. Many years ago, back in 1950 I wanted some cyclopropyl carbonyl chloride. At that time the only way that we thought it would work to make it was the chlorination of methylcyclopropene. We undertook to make a litre of methylcyclopropene. We chlorinated in a one to ten ratio. We then fractionated through an efficient fractionating column for, taking almost a week for the fractionation alone. We ended up with around 15 grams of material that was only 85% pure. Now in one day we can make cyclopropyl carbonyl chloride directly. Next slide. With the boron we can stitch together a number of olefins or complex structures and attach them temporarily to boron. Now we have a number of procedures to replace that boron by carbon. So I call this stitching and riveting. You first stitch them together with boron and then you rivet them with carbon. So we can take for example diallyl and with thexylborane make the seven membered ring. Carbonylate and we get cycloheptenol. Next slide. This gives us a general new way to achieve ventilation. We can take cyclohexanone, add Grignard to it, get the tertiary alcohol. Dehydrate it to a diene. Hydroborate with thexylborane. The more reactive terminal double bond reacts first. Then the BH comes around and adds cis to the internal double bond giving us a transfusion. Carbonylation gives us the ketone of the transfusion. This is isomerically pure. It is the less stable of the two isomers. If we put in some sodium hydroxide we go to 90% cis. But we’re able to make 100% pure trans. We have put a six on to a five, a six on to a six or a six on to a seven, we put a five on to a six or a five on to a seven, seems to be a general way of putting one ring on to another structure. Next slide. We can take a try at borane and hydroborate it, the three double bonds and you get for example a boradecalin. Carbonylated we get the cis alcohol. Or we could take cyclododecatriene made by the trimeriation of butyldiene. With BH3 you go to the central boron compound, carbonylate and we get the corresponding alcohol, we call tricyclazole with very interesting chemistry. Next slide. Another way of replacing the boron as a reaction with dichloromethyl ether. If we treat for example an organoborane, we make tricyclopental boron and treat it with dichloromethyl ether in the presence of the lithium triethyl carboxide. We go directly to the corresponding tertiary alcohol. Well these are derivatives that would be very difficult to make by standard methods. You can’t make these by the Grignard reaction, you take cyclohexyl Grignard and add it to cyclohexanone and you end up with about 3%. Here we have gotten this in something like a 97% yield. Or here we can put on a thexyl, cyclopane and cyclohexyl group on there. Again I know of no simple way by standard methods which would yield highly hindered tertiary alcohols of this kind. Next slide. We had all these new reagents and we decided to explore their direct effects, how do they compare with borane. For example if we take a terminal olefin and hydroborate it with diborane, we get 94% of the terminal positions and 6% on the internal. If we treat it with disiamylborane we end up with 99 and one. So that we get a much better direct effect. If we take methyl isopropyl ethylene and hydroborate it with borane we get little selectivity, 50/50, close to 50/50. But we can take advantage of the steric requirements of disiamylborane. And we get 97% of the boron in the less hindered position of the double bond. Next slide. Again if we take BH3, instead of 94, 6, 9BBN gives us 99 and 9/10th%. And if we take methyl isopropyl ethylene you can see we go to 99 and 8/10th% of the boron in the less hindered position of the double bond. Next slide. Chloroborane also shows a marked tendency to go through the terminal position of the terminal double bond. But it doesn’t show the steric requirements that disiamylborane and 9BBN show and we get here only around 50/50 distribution. Next slide. Alpha pinene can be obtained optically active, both dextrorotatory and levorotatory . Alpha pinene can be obtained from different turpentines, depending on which grove of trees the turpentine was collected. We thought we’d see what it could do in the way of isometric hydroboration. When we applied Diisopinocampheylborane to hydroboration of cis-2-butene we end up with secondary butyl derivative. We oxidised it, the alcohol was 98.4 % optically active. So we were able to achieve an asymmetric synthesis that is approaching that which the enzymes achieve. Next slide. In exploring the reactions of organoboranes we found that it’s often useful to use some of these special derivatives. For example when one reacts R3B with iodine at 150 degrees one gets the corresponding iodide of one of the three groups. And you had to go to 150 degrees even to get one of the three groups. And it’s difficult to get the other two. We found if we use iodine with sodium hydroxide the reaction goes rapidly at zero degrees, one can get two groups but not three. We can take advantage of that and using disiamylborane we can react it with this vinylcyclohexene, we get the compound and we just put in one mole of iodine semi hydroxide only the primary optical group comes off. So we end up with a good yield of the corresponding unsaturated iodide. With bromine we can make, and with sodium methoxide we can also replace all three groups who react and we get the corresponding cis- tert bromide. There are many fascinating things about the mechanisms of these reactions which neither we nor anyone else has yet explored. Thus if you take the hydroboration product from norbornene you get the exo compound. So you have bornene sodium methoxide. We go to the endo compounds. Now why we get the endo here was most reaction to the boron compounds go retentions. Some of these reactions go to inversion and this hasn’t been worked out in detail yet. Next slide please. We can, oxidation is a wonderful reaction which allows us, which goes to retention so we can hydroborate this olefin and make the corresponding trans to methyl cyclopentyl boron, oxidise so we can go cleanly to pure trans to methyl cyclopentenyl. For the first time these alcohols are readily available. Next slide please. We thought it would be nice, since we can make the alcohols why not learn how to make the amines, so we began to see what reagents would convert borane compounds into amines. And indeed it turns out that chloramine or o hydroxylamine sulfonic acid will convert these to amines. So we can take one phenylcyclopentene, hydroborate it, treat it with o hydroxylamine sulfonic acid and we get the corresponding trans 2-phenylcyclopropylamine. Next slide. R3B reacts with organic azides to produce intermediates, can be hydrolysed as secondary means, but reaction is slow and sluggish and sensitive to the steric requirements of the alkyl group. But now we’re in a position not to work only with R3B, we can make R2BCL or RBCL2 at will. And if we take RBCL2 this reaction for example takes place at room temperature. So that we can take here, add BH2CL2 and then phenyl azide and you go to the secondary amine after hydrolysis. And just think if you wanted to make a secondary amine of that kind with the pure transfer chemistry it would be very difficult. Here it essentially falls easily from the mechanism of the reaction. Next slide. We can synthesis ketones in this way, that’s if we hydroborate this compound, we get the trans, the 9BBN, we place the hydrogen with an alkoxy group and treat it with dichloromethyl ether. We go to the corresponding nine ketone derivative. I like this case because at one time Bob Woodward and Chris Foote wanted to have that ketone, they went through an eight step synthesis to make it. Here we can in a single pod reaction essentially go all the way in one day to a high yield of this ketone. Next slide. Perhaps the nice thing about it is that for the first time we’re in a position to synthesise all kinds of structures with one or more boron atoms in it. We have a rational synthesis of many of these compounds now which was not true in the past. In the past practically all the synthesis making boron compounds went through the Grignard reagent. And often the groups interchanged rapidly and you came out with mixtures. Through hydroboration we seem to make a single compound, they seem to retain their identity in solution for a long time. We can recover them and examine their properties, their physical properties, their spectra and so on. So we’re now in a position to explore the structural chemistry of boron compounds, organoborane compounds and to examine the effective structure upon things like the spectra nmr shifts and so on. Next slide. I would like to show you something of current work going on. We’re examining in detail the reactions of unsaturated boranes, the alkyl boranes turn out to be very valuable, very active, very interesting materials. We’ve had about 26 major reactions so we have a lecture on organoboranes from A to Z. But the unsaturated ones are even more active and do many interesting things, in addition to the saturated and I’ll just give you a little taste of this chemistry. If we take an acetylene and hydroborate it with disiamylborane we can add one mole to it. Protonise it with acetic acid, you get the pure cis olefin. This seems to be the best and cleanest way of making cis olefins. Or we can oxidise them to get the corresponding keto derivative. If we do it to a terminal olefin you see we end up with the corresponding aldehyde. So it gives a way of achieving the Anti-Markovnikov hydration of terminal acetylenes. If we have double bonds or triple bonds we have certain reagents that will attack triple bonds preferentially. Other reagents that will attack double bonds preferentially. I’ll give you an example later on. So we can do selective hydroboration of either the double bond or the triple bond. Next slide. So we can end up with 1-1 diborane very readily and these have an interesting chemistry in their own right. Next slide. Dibromoborane will hydroborate these and we can go directly to the corresponding dibromoborane derivatives. Next slide please. For example just examining directive effects, if we use dibromoborane and we use methyl isopropyl acetylene we get 96% of the boron going to the least centered position of the triple bond. So we have a large steric directive effect and we’re able to take advantage of it to make essentially a single derivative. Next slide. For whatever reason 9BBN seems to be reluctant to attack acetylenes. On the other hand dibromoborane is far more reactive towards triple bonds than double bonds. Consequently if we have a molecule such as this, 9BBN will attack the double bond preferentially. Dibromoborane will attack the triple bond preferentially. So we can hydroborate either the double bond or the triple bond as we wish. Next slide. We explored the various applications of these, we can oxidise them to aldehydes. We can react them with halogens and base to make the corresponding halides. Next slide please. We have been able to, we have found out how to make the halides, the vinyl halides either with retention configuration or with inversion configuration so we can go either to the trans iodide or invert it to the cis iodide. Just by controlling conditions. Next slide. And again shows the usefulness of some of these new reagents. My former co-worker George Zweifel reacted the terminal acetylene with thexylborane and made a divinyl derivative. Then he oxidised off the thexyl group selectively with trimethylamine oxide to get the divinyl bornonic acid. With iodine and sodium hydroxide he got the cis trans diene. But now we can take the acetylene, hydroborane and chloroborane and go directly divinyl derivative. And then treat with iodine and sodium hydroxide and go directly to the same diene, the same yield without having to go through this oxidation step. Next slide. We thought it would be nice to be able to replace these boron by copper. And that would give us a way of making vinyl copper derivatives without having to use methyl lithium or methyl Grignard as an intermediate. So we could use functional groups. Anyhow if we take this compound and treat it with sodium methoxide and Copper bromide dimethyl sulfide at zero degrees. We apparently form the cooper intermediate which breaks down spontaneously to give us an essentially quantitative yield of the trans, trans diene. Next slide. If the reaction is carried out at minus 15 degrees, then the copper intermediate is not decomposed. Add aryl bromide to it, it will react and you make the corresponding 1-4 diene. Retaining the stereochemistry of the original boron compound. Next slide please. Again, if we take this we go to the copper intermediate BF3-etherate the reactions catalysed, we can get a 1-4 addition, retaining the stereochemistry. So we’re now in a position to make these copper derivatives directly from the boron compounds. And accommodation many different functional groups. Next slide. One of the interesting reactions that I want to show a use for is the synthesis of acetylenes, if we take R3B and add lithium acetylide to it, you get an eight complex, treat with iodine, we get the corresponding acetylene. So we can take trans to methyl cyclopentene boron, lithium acetylide added. With iodine we go to pure trans to methyl cyclopentyl acetylene. Next slide. I asked one of my co-worker why people in natural products were making what seemed to me to be so little use of this new chemistry and synthesis. And he said well the problem is that what you do is discover a reaction and apply it to a few simple model compounds and that's all and you stop there. He said what you need to do is to take this chemistry and go out and synthesis some natural products and show them that it can actually be used for actual molecules of general interest in the natural products field. So we decided to undertake an examination of the application of these methods through the synthesis of insect pheromones. And here are some typical structures. They have high regio and stereo selectivity requirements and seem that they’d be ideal for the use of boron chemistry. I’ll just show you one example of our recent work. We show a one part synthesis of a pheromone. Next slide. You start with six acetoxy, one hexane, it’s commercially available, hydroborate it, you get the boron compound. Add the lithium salt of one hexyne to it, you get the A complex. Treat with iodine you get the acetylene. Hydroborate with 9BBN, methanol will hydrolise that. Methanolise it and you go directly to this. This is a one pot reaction and we get a 75% isolated yield of this sex pheromone in greater than 98% pure. So this shows you some of the power of this method. Next slide. This will, you know who are the people who do all the work and this is a group I had in 1974, I thought I would show you, can we make it a little sharper. Can we focus it a little. Anyhow J. J. Katz came to me from, he graduated from the École Normale in Paris and decided to come to Purdue to get his PhD degree. Mark Midland was sent to me by my former co-worker Glen Russell at Iowa State, he was an outstanding student there, he was outstanding at Purdue. This is Lazeral Brenner from Mexico City. As far as graduate students go this is Jim Sinclair from Berkley California. Up above him is Paten Jacobs who came to me from George Zweifel University of California Davis. The man at the back there, Charlie Skelton came from the south of the United States, Georgia. So from all over the United States. At Purdue we don’t usually take our own students, they come from all over. In addition I have K. K. Wong, who currently is working with me in the pheromone problem, he came from Taiwan. And there is George Kelly who was on a sabbatical from Australia. And right next to him is Mark Zegowitz from Poland. So we have people from all over the world here in this group. Next slide. (laughter and applause). Before closing I’d like to point out something that many of you may not realise. The first year, all the Nobelists realise it but the rest of you may not, the first year in which one receives a Nobel award is a very hectic time. You start out the year with the usual obligations. In my case I had 24 lectures scheduled and three trips abroad. Then the Nobel comes and you suddenly find yourself with six trips abroad and 50 lectures. So you find it a very busy time. Hopefully that’s only for the first year. But while you're doing all these things and they’re very nice, your work at home doesn’t stop. Next slide. Another problem is that you get so busy it becomes extraordinarily difficult to write up any papers. My good friend Holger Erdmann told me what the problem was going to be when he sent me a Christmas card, could I have the next. You see one of my co-workers had compiled my publications all through the years and this was the curve. And then the announcement of the Nobel came and writing up publications became zero you see. And he put in two arrows, he said what's going to happen, is it going to go back to its original curve or is it going to just stay horizontal. I don’t know, but unfortunately I have someone at home who worries about these problems as you notice there. So she is stimulating me to get back to work. Now I’d like to close by leaving three messages to the students here. The first one, slightly modified from the proverbs of the bible is, ‘a wife of excellency should be treasured, higher than pearls is her value’. Second, every generation of students faces problems, but these problems should not be considered reasons for discouragement, rather they should be considered opportunities. It has been my experience that such problems are usually overcome on an individual basis by the application of intelligence, enthusiasm and optimism. Even developments that appear to be catastrophic at the time, can evolve into opportunities. And they certainly did so in our case to find new fruitful pathways. Now for my third message I’d like to quote from my Noble lecture. In 1938 when I received my PhD degree I felt that organic chemistry was a mature science with essentially all the important reactions and structures known. There appeared to be little new to be done. I now recognise that I was entirely wrong, I have seen major new reactions discovered. We have at hand many new techniques. A huge amount of material has appeared in organic chemistry since 1938. Now I know from conversations that many of the students of today feel just the way I did back in 1938. But I see no reason for believing that the next 40 years will not be as fruitful as the past. In my book, Hydroboration, I quoted the poet, ‘tall oaks from little acorns grow’. In this lecture I have started back to a time when the acorn was a mere grain of pollen. I have shown how that grain of pollen developed first into an acorn. Then the acorn became an oak. Then the oak became a forest, now we’re beginning to see the outlines of a huge continent. We have been moving rapidly over that continent, scouting out the major mountain ranges. The river valleys, the lakes and the coasts. But it’s evident that we have only covered a small part of the whole. It will require another generation of chemists to settle that continent and to utilise it for the good of mankind. But is there any reason to believe that this is the last new continent of its kind. Surely not. It’s probably that all about us lies similar continents awaiting discovery by energetic, enthusiastic, optimistic explorers. I hope that one result of this lecture will be to inspire young chemists to search for such new continents. Good luck. Applause

Ich möchte dem Präsidenten Graf Lennart Bernadotte, Nick Leader und dem Kuratorium meinen herzlichsten Dank für Ihre freundliche Einladung aussprechen, ebenso wie der Auswahlkommission in Schweden, die all das möglich gemacht hat. Erlauben Sie mir auch meinem Bedauern über die Umstände Ausdruck zu verleihen, die meinem verehrten Kollegen und sehr guten Freund Georg Wittig die Teilnahme an diesem Treffen verwehren. Schließlich möchte ich mich bei dem Übersetzer entschuldigen. Angesicht dessen, dass hier so viele junge Studenten sind, habe ich mich gestern entschlossen, am Anfang und Ende meines Vortrags noch einige persönliche Einzelheiten zu meinem Forschungsprogramm über Borane und Organoborane hinzuzufügen, Details, die Sie vielleicht für Ihre eigene Laufbahn hilfreich finden. Ich hoffe, dass diese Änderungen im Originalmanuskript nicht zu Schwierigkeiten für den Übersetzer führen. Meine Geschichte beginnt vor gut 44 Jahren. Damals stand ich kurz vor meinem Bachelor-Abschluss an der Universität von Chicago. Es herrschte eine schwere Deflation, und wir sahen uns mit wirtschaftlichen Umbrüchen und politischen Problemen konfrontiert. Die Studenten von heute stehen ebenfalls wirtschaftlichen Umbrüchen und politischen Problemen gegenüber, allerdings bei vorherrschender Inflation. Ich habe den Eindruck, dass es jede Generation von Studenten mit Schwierigkeiten zu tun hat, die entmutigend erscheinen mögen, für gewöhnlich aber mittels Fleiß, Enthusiasmus und Optimismus gelöst werden können. Erlauben Sie mir diese These durch einige meiner eigenen Erfahrungen zu veranschaulichen. Meine Klassenkameradin Sarah Baylen und ich hatten beide unsere Väter relativ früh verloren. Dementsprechend mussten unsere Familien in Zeiten der Weltwirtschaftskrise ums Überleben kämpfen. Unsere universitäre Ausbildung musste ermöglicht werden, Stück für Stück. Und wir haben uns durchgearbeitet. 1936 erhielt ich meinen Bachelor of Science. Mein Plan war es, einen Arbeitsplatz zu finden und meine Klassenkameradin zu heiraten. Damals heiratete man nicht, ohne einen Job und ein gesichertes Einkommen zu haben, denn die Eltern konnten und wollten die jungen Paare nicht unterstützen. In diesem Moment griff das Schicksal in Form eines meiner Professoren ein. Professor Julius Stieglitz, ein weltberühmter Organochemiker und früherer Präsident der American Chemical Society sowie ehemaliger Fachbereichsleiter an der Universität von Chicago rief mich zu sich in sein Büro. Er fragte mich, warum ich mich nicht für eine Stelle als wissenschaftlicher Mitarbeiter beworben hatte. Er hätte meine Leistungen in seinem Kurs beobachtet und würde mir empfehlen, meinen Doktor zu machen. Ich erklärte ihm meine Situation und meinen Wunsch, meine Klassenkameradin zu heiraten. Er drängte mich meine Ausbildung fortzusetzen. Ich besprach dies mit Sarah und sie erklärte sich damit einverstanden, dass unsere Heirat warten sollte. Ich bewarb mich für die Lehrtätigkeit und erhielt sie. Sie dürfen aber nicht denken, dass das Leben dadurch einfach wurde. Ich bekam gerade einmal 400 Dollar im Jahr, von denen ich 300 Dollar als Studiengebühren an die Universität zurückzahlen musste. Doch wenn Sie finden, dass ich es schwer hatte, sehen Sie sich Professor Stieglitz' Berufsstart an. Er hatte 44 Jahre zuvor seinen Bachelor in den Vereinigten Staaten und seinen Doktor in Deutschland gemacht. Seine Laufbahn als Dozent an der Universität von Chicago hatte er ohne jegliches Gehalt begonnen. Ich beschloss, meine Doktorarbeit bei Professor H.I. Schlesinger - selbst ein ehemaliger Student von Stieglitz - auf dem Gebiet der Wasserstoffverbindungen von Bor zu machen. Das war damals ein äußerst exotisches Gebiet. Die Wasserstoffverbindungen von Bor sind sehr reaktive Substanzen, die in der Natur nicht vorkommen. Einer davon war das Labor von Professor Alfred Stock in Karlsruhe, der andere das Labor von Professor H.I. Schlesinger an der Universität von Chicago. als ernstes Problem für die Elektronentheorie von Jan Lewis. Das erste Dia bitte. Die einfachste Wasserstoffverbindung von Bor sollte BH3 sein, stattdessen war B2H6 die einfachste, die man bisher isoliert hatte. Es stellte sich die Frage, was die beiden BH3 zusammenhält, denn laut Jan Lewis' Theorie sind nicht genügend Elektronen vorhanden. Ein Chemiker ging so weit, die beiden mit einem Fragezeichen zu verbinden. Pauling ging einen Schritt weiter und vermutete, dass sich unter all den Bindungen zahlreiche Einzelelektronenbindungen befinden, die das Ganze zusammenhalten. Natürlich wurde später nachgewiesen, dass es sich dabei nicht um ethanartige Strukturen handelt, sondern um Wasserstoffbrücken. Professor Schlesinger untersuchte damals gerade die Reaktionen von Diboran in der Hoffnung, dass Erkenntnisse über ihre chemischen Eigenheiten zu einer Lösung des Strukturproblems beitragen würden. Warum habe ich mich dazu entschlossen, auf so einem exotischen Gebiet mit so seltenen und wenig bekannten Verbindungen zu forschen? Das verdanke ich meiner Freundin Sarah. Als ich meinen Bachelor an der Universität von Chicago machte, schenkte sie mir zu meinem Abschluss ein Buch: Ich las das Buch und fand Interesse an dem Gebiet für meine Doktorarbeit an der Universität von Chicago. Warum aber hatte Sarah aus den Hunderten von potentiellen Chemiebüchern genau dieses Buch als Geschenk ausgesucht? Wir schrieben das Jahr 1936, die Weltwirtschaftskrise war auf ihrem Höhepunkt. Wir hatten kaum Geld. Wahrscheinlich hat sie den Buchladen der Universität von Chicago durchstöbert und genau dieses Buch ausgesucht, weil es mit 2 Dollar das billigste Chemiebuch dort war. Solche Faktoren beeinflussen die Karriere. Sarah findet, ich sollte fairerweise darauf hinweisen, dass sie für das Buch immerhin fast zwei Wochen auf ihr Mittagessen verzichtet hat. Nachdem ich mit Professor Schlesinger und Anton Burg gesprochen hatte, wurde entschieden, dass ich die Reaktionen von Diboran mit Aldehyden und Ketonen untersuchen sollte. Das nächste Dia bitte. Ich stellte schon bald fest, dass sich mittels einer schnellen Reaktion zwischen Diboran und Aldehyden und Ketonen Alkoxyborane herstellen ließen. Durch Hydrolyse wiederum entstanden Alkohole. Das war eine bemerkenswert leichte Möglichkeit zur Reduktion von Aldehyden und Ketonen zu Alkoholen. Meine Doktorarbeit wurde 1938 vorgestellt und 1939 im J.C.S publiziert. Nebenbei bemerkt dauerte es ab dem Zeitpunkt der Einreichung insgesamt 10 Wochen, bis das Manuskript im Druck erschien. Die Dinge verändern sich nicht immer zum Besseren. Das Interesse an den Ergebnissen war gleich Null. Wir erhielten keinerlei Anfragen bezüglich Nachdrucken. Warum nicht? Wie ich bereits erwähnt habe, ist Diboran eine sehr seltene Substanz, die selbst in kleinen Mengen nur schwer rückzugewinnen ist. Welcher Organiker könnte hoffen, es für eine solche Reduktion verwenden zu können? Ich wünschte, ich könnte Ihnen erzählen, dass ich oder Professor Schlesinger oder Anton Burg, sein wissenschaftlicher Mitarbeiter, so klug waren zu erkennen, dass wir lediglich eine einfache Diboran-Synthese hätten entwickeln müssen und weltberühmt geworden wären. Jeder Organiker auf der Welt würde unser Verfahren zur Umwandlung von Aldehyden und Ketonen in Alkohole dankbar anwenden. Aber wir waren eben nicht so klug. Später entwickelten Professor Schlesinger und ich solche Verfahren, aber nicht, weil wir so klug waren, die außergewöhnliche Chance zu erkennen, sondern weil uns die Anforderungen des Krieges dazu zwangen. Inzwischen hatte ich meinen Doktortitel, war mit Sarah verheiratet, hatte aber keine Arbeit. Ich hatte ein Vorstellungsgespräch bei einer Farbenfirma, konnte sie aber nicht davon überzeugen, dass sie meine Dienste benötigten. Ein weiteres Vorstellungsgespräch in der Patentabteilung einer Ölfirma verlief ebenfalls erfolglos. Doch das, was ich damals für eine Katastrophe hielt, stellte sich als höchst glückliche Fügung heraus. Professor M.S. Kharasch bot mir eine Stelle als Postdoc mit einem Stipendium in Höhe von 1600 Dollar im Jahr an. So wurde ich auf eine akademische Laufbahn umgeleitet. Ich bin ein seltenes Beispiel für jemanden, der einfach deswegen in der akademischen Forschung gelandet ist, weil er in der Industrie keinen Job finden konnte. Nach einem Jahr bei Professor Kharasch bot mir Professor Schlesinger die Stelle als wissenschaftlicher Mitarbeiter von Anton Burg, der an die University of Southern California gewechselt hatte, mit einem Jahresgehalt von 2400 Dollar an. Sarah war ebenfalls berufstätig und verdiente 1200 Dollar im Jahr. Entsprechend waren wir auf dem aufsteigenden Ast. Kurz danach wurde Professor Schlesinger vom National Defense Research Committee gebeten, die mögliche Synthese neuer funktionsfähiger Uranverbindungen zu erforschen. In der politischen Führungsriege war UF6 bekannt; das Material ist hochkorrosiv, und man war sich nicht sicher, die bei der Handhabung eines solch korrosiven Materials auftretenden Probleme lösen zu können. Bitte das nächste Dia. Wir probierten verschiedene Methoden aus, wobei das Markergewicht niedrig sein musste. Kurz vor diesem Projekt hatten wir Lithiumborhydrid hergestellt, ein typisches salzartiges Material. Bei Berylliumborhydrid handelt es sich um einen Feststoff mit einem Sublimationspunkt von 125 Grad; es ist die am leichtesten flüchtige bekannte Berylliumverbindung. Aluminiumborhydrid ist eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 45 Grad; es ist die am leichtesten flüchtige bekannte Aluminiumverbindung. Wir führten daher eine lange Hochrechnung bis zum anderen Ende des Periodensystems durch, weil wir der Ansicht waren, vielleicht Uranborhydrid herstellen zu können. Wir versuchten es, und es funktionierte. Wir kombinierten Urantetrafluorid und Aluminiumborhydrid und erhielten Uranborhydrid und ein Aluminium-Derivat. Die Isolierung gelang uns ebenfalls. Als wir Washington dies meldeten, herrschte dort große Aufregung. Es hieß, die Sache könnte sehr wichtig sein. Wir sollten eine 20-köpfige Gruppe zusammenstellen und größere Mengen Uranborhydrid herstellen. Sie hätten gerne mindestens 20 Kilo für einen Großversuch. Also machten wir das. Unser Verfahren zur Herstellung von Uranborhydrid bestand aus sechs Schritten. Zunächst musste Borbromid hergestellt werden, das dann mittels des Schlesinger-Burg-Verfahrens in hydriertes Borbromid und anschließend in Diboran umgewandelt wird. Dann musste Dimethylquecksilber erzeugt und in Trimethylaluminium umgewandelt werden; nach Umwandlung mit Diboran entstand Aluminiumborhydrid. Uranfluorid und Borhydrid ergaben schließlich Uranborhydrid. Das sind die sechs Schritte; fünf von ihnen sind mit normalen Laborgeräten leicht durchzuführen. Wir konnten die Menge auf ein Kilo pro Tag erhöhen. Die Engstelle war das Diboran. Sechs junge Männer arbeiteten an sechs Hochvakuum-Diborangeneratoren. Sie konnten in einer 8-Stunden-Schicht jeweils ein halbes Gramm Diboran erzeugen. Das bedeutete, wir konnten, wenn alles gut ging, drei Gramm pro Tag bzw. ein Kilo pro Jahr herstellen. Es war klar, dass wir eine andere Diboranquelle finden mussten, wenn wir 20 Kilogramm Material liefern sollten. Professor Schlesinger teilte mir vier Leute zu und bat mich, neue Möglichkeiten der Diboranerzeugung zu erforschen. Zufällig klappte gleich das allererste Experiment, das ich durchführte. Das nächste Dia bitte. Wir stellten fest, dass Lithiumhydrid, Bortrifluoridetherat und Ethyletherlösungsmittel rasch zu gasförmigem Diboran reagierten. In all diesen Jahren hatte man Diboran unter großen Schwierigkeiten und Mühen in kleinen Mengen hergestellt, und jetzt gab es ein einfaches Verfahren, mit dem sich in einer Glasapparatur ein Pfund Diboran am Tag erzeugen lässt. Das Diboran lagert sich an Lithiumhydrid an, so dass Lithiumborhydrid entsteht, das wiederum mit Aluminiumchlorid zu Aluminiumborhydrid reagiert. Jetzt konnten wir Uranfluorid in Uranborhydrid umwandeln. Wir meldeten dies freudig nach Washington, worauf man uns sagte, es täte ihnen sehr leid, aber Lithium sei derzeit äußerst knapp und könnte nicht verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt befanden wir uns bereits im Krieg, und jedes Flugzeug, das Wasser überflog, hatte zwei Einpfundkanister Lithiumhydrid dabei. War das Flugzeug gezwungen auf dem Wasser zu landen, kletterten der Pilot und die Besatzung in ein Schlauchboot, versahen einen dieser Lithiumhydrid-Kanister mit einem Griff und tauchten ihn ins Meerwasser. Der Wasserstoff ließ einen Ballon mit einer Antenne auf der Wasseroberfläche schwimmen, so dass ein Hilfesignal gesendet werden konnte. Selbst dafür reichte das Lithiumhydrid nicht aus. Man sagte uns, dass es genügend Natriumhydrid gäbe, warum wir nicht das benutzten. Doch mit Natriumhydrid funktionierte die Sache nicht. Dann entdeckten wir, dass wir Natriumhydrid mit Methylborat zu einem neuen Material, nämlich Natriumtrimethoxyborhydrid umsetzen konnten. Dieses Material war aktiv genug, um sich genauso zu verhalten wie Lithiumhydrid. Wir konnten nun also Diboran herstellen und es damit zu Natriumborhydrid, Aluminiumborhydrid und Uranborhydrid umsetzen. Wir hatten soeben unser Problem erfolgreich gelöst, als Washington uns mitteilte, dass Uranborhydrid nicht länger benötigt würde. Man hatte die Probleme mit der Handhabung von UF6 gelöst, so dass kein Bedarf an dem neuen Uranborhydrid mehr bestünde. Wir waren kurz davor unsere Forschungsgruppe aufzulösen, als ein Anruf vom Army Signal Corps kam. Sie teilten uns mit, dass sie Schwierigkeiten mit der Erzeugung von Wasserstoff im Einsatz hatten. Sie dachten, dass einige von unseren neuen Materialien das Problem lösen könnten. Also statteten sie uns einen Besuch ab und entschieden, dass Natriumborhydrid für ihre Zwecke ideal wäre, sofern wir es kostengünstig herstellen könnten. Bitte das nächste Dia. Wir stellten bald fest, dass nach Erwärmung von Natriumhydrid auf 250 Grad in einer Glasapparatur und langsamer, tropfenweiser Zugabe von Methylborat zu dem Gemisch unter Rühren eine Reaktion erfolgt und ein Gemisch aus Natriumborhydrid und Natriummethoxid entsteht. Wir benötigten ein Lösungsmittel, um beide Substanzen voneinander zu trennen. Wir probierten Benzol, keine Substanz löste sich. Wir probierten Ethylether, keine Substanz löste sich. Wir probierten Methanol - beide Substanzen lösten sich und Wasserstoff wurde freigesetzt; wir hatten also das Natriumborhydrid zerstört. Wir probierten Aceton, Natriumborhydrid löste sich, Natriummethoxid nicht. Der Versuch der Rückgewinnung von Natriumborhydrid scheiterte. Auf diese Weise entdeckten wir, dass Natriumborhydrid ein hervorragendes Reagens zur Reduktion organischer Verbindungen ist. Dann fanden wir heraus, dass Ammoniak Natriumborhydrid löst, so dass wir es rückgewinnen konnten. Sein Siedepunkt liegt allerdings bei -33 Grad und die Anwendung ist umständlich. Also probierten wir Isopropylamin, das einen Siedepunkt von 35 Grad hat. Damit war die Trennung möglich. Das ist die Basis für das aktuelle kommerzielle Verfahren zur Herstellung von Natriumborhydrid. Heute werden Millionen Pfund pro Jahr hergestellt. Das nächste Dia bitte. Da ich 1943 keine Festanstellung an der Universität von Chicago erhielt, wechselte ich an die Wayne University. Glücklicherweise war der dortige Fachbereichsleiter, Neil Gordon, ein guter Freund von Maurice Kharasch. Er hatte die Gordon Research Conferences ins Leben gerufen und Maurice Kharasch vor 20 Jahren seinen ersten Job an der Universität von Maryland verschafft. Maurice Kharasch überredete ihn mir eine zweite Chance zu geben. Es gab an der dortigen Universität kein Promotionsprogramm und in der Abteilung arbeiteten nur zwei Doktoranden; es war ein kleiner Fachbereich, der eben erst eröffnet worden war. Ich begann an sterischen Effekten zu arbeiten. Vier Jahre später wurde ich an die Purdue University gerufen, wo sich mir erheblich bessere Forschungsmöglichkeiten boten. Ich überlegte mir verschiedene Gebiete, auf die ich mein Forschungsprogramm ausweiten könnte, und entschloss mich, die Reduktionseigenschaften der Reagenzien, mit denen wir uns bislang noch nicht beschäftigt hatten, erneut zu untersuchen. Die Arbeit an Natriumborhydrid war während des Krieges erfolgt und noch immer nicht veröffentlich worden, da sie als geheim eingestuft worden war. Nach dem Krieg wurde Lithiumhydrid von Schlesinger und Finholt hergestellt und die Ergebnisse konnten umgehend publiziert werden, da sie nicht länger geheim waren. Mir fiel auf, dass viele Chemiker Lithiumhydrid für Reduktionen verwendeten, die sich meiner Ansicht nach mit Natriumborhydrid besser durchführen ließen. Ich entschloss mich also zur Etablierung eines Programms, in dem ich die Reduktionsstärke von Natriumborhydrid untersuchen und sie mit der von Lithiumaluminiumhydrid vergleichen wollte. Dann wollte ich zwei Dinge tun, nämlich herausfinden, was man tun kann, damit Lithiumaluminiumhydrid ein weniger aggressives Reduktionsmittel wird, und was man tun kann, damit Natriumborhydrid ein aktiveres Reduktionsmittel wird. Am Ende hatten wir eine ganze Familie von Reduktionsmitteln unterschiedlicher Stärke. Die Organiker konnten jetzt das System benutzen, das sich für ihre Zwecke am besten eignete. Das nächste Dia bitte. Wir stellten bald fest, dass sich die Reduktionsstärke durch Veränderung des Metallions des Borhydrids erheblich verbesserte. Wir führten also eine Verschiebung nach rechts durch. Lagerte man Alkoxy-Gruppen an das Lithiumaluminiumhydrid an, nahm die Reduktionsstärke ab, so dass wir eine Verschiebung nach links vornahmen. Das nächste Dia bitte. Dabei fanden wir heraus, dass wir uns nicht nur von den beiden Extremen in die Mitte bewegen, sondern sogar über die beiden Extreme hinausgehen konnten. Die Reduktionsstärke von Lithiumtriethylborhydrid ist damit in vielen Fällen größer als die von Lithiumaluminiumhydrid, die von Natriumcyanoborhydrid und Kaliumtrimethoxyborhydrid dagegen sogar schwächer als die von Natriumborhydrid selbst. Das nächste Dia bitte. Schließlich hatten wir eine ganze Familie basischer und saurer Reduktionsmittel, die wir erforschten. In der organischen Chemie findet man heute problemlos ein Reduktionsmittel, das Gruppe A in Gegenwart von B oder Gruppe B in Gegenwart von A reduziert. Das nächste Dia bitte. Im Verlauf dieser Arbeit stießen wir auf ein seltsames kleines Phänomen. Wir hatten eine Standardliste von 56 Verbindungen, gegen die wir alle neuen Reagenzien testeten. Dabei versetzten wir 40 Millimol Hydrid in einem geeigneten Lösungsmittel mit 10 Millimol der Verbindung und ließen das Ganze eine Stunde lang stehen. Dann setzten wir Wasser zu und bestimmten den gebildeten Wasserstoff. Gewannen wir 40 Millimol Wasserstoff zurück, hatte keine Reduktion stattgefunden. Bei einer Rückgewinnung von 30 Millimol waren 10 Millimol Hydrid für die Reduktion der 10 Millimol der Verbindung verbraucht worden. Gewannen wir 20 Millimol zurück, waren 20 Millimol Hydrid für die Reduktion verbraucht worden. Aldehyde und Ketone zeigten einen Wert von 1, Säuren einen Wert von 3 - 2 für die Reduktion, 1 für die Wasserstoffentwicklung. Ester und Ethylstearat zeigten einen Wert von 2, Ethyloleat jedoch einen Wert von 2,37. Diese Arbeit stammt von Dr. B.C. Subba Rao. Er hatte mit mir promoviert und verbrachte anschließend noch einige Jahre als Postdoc; ein äußerst produktiver Kollege. Er kam mit diesen großen Datentabellen zu mir und ich fragte ihn, warum Ethyloleat diesen Wert aufweist. Er sagte, vergiss nicht, Ethyloleat gehört nicht zu unseren Standardverbindungen. Das war ein nachträglicher Einfall von dir. Du dachtest, es wäre gut, auch einen ungesättigten Fettsäureester zu untersuchen, um zu zeigen, dass seine Reduktionswirkung ebenso gut ist wie die gesättigter Verbindungen. Ich ging also in den Lagerraum und holte eine Flasche Ethyloleat. Es war zwar leicht verfärbt, aber ich machte mir nicht die Mühe es zu reinigen, sondern verwendete es direkt. Subba Rao meinte, das seien wahrscheinliche leichte Materialverunreinigungen; wir sollten das Ganze vergessen, es sei ja keine unserer Standardverbindungen, und die anderen 56 Verbindungen veröffentlichen. Ein Forschungsdirektor ist nun aber in der angenehmen Position, auf seinen hohen Standards bestehen zu können. Er muss die Arbeit ja nicht selbst machen. Also dachte ich einen Augenblick nach und sagte "Nein, ich denke, Sie sollten das Material noch einmal destillieren und das Experiment wiederholen." Er tat dies, und wieder ergab sich der Wert 2,37. Wir ließen die Reaktion drei Stunden laufen, der Wert lag bei 2,9; nach sechs Stunden lag er bei 3,0, ebenso wie nach 12 und nach 24 Stunden. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung in der ungesättigten Form benutzte also eindeutig eine BH-Bindung. Es dauerte nicht lange nachzuweisen, dass dabei Organoborane entstanden. Auf diese Weise entdeckten wir die Hydroborierung. Das nächste Dia bitte. Ursprünglich ist die Reaktion natürlich eine allgemeine Reaktion; die BH-Bindung lagert sich in Gegenwart von Etherlösungsmitteln problemlos an eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung an, so dass das Organoboran HCCB entsteht. Ich möchte darauf hinweisen, dass meine Eltern mir vorausschauenderweise die Initialen HCB gaben. Ursprünglich führten wir unsere Hydroborierungen durch, indem wir Diboran aus Natriumborhydrid in einem geeigneten Lösungsmittel wie Diglyme oder THF herstellten. Als Diboran und THF dann im Handel erhältlich waren, stiegen wir aus Gründen der Zweckmäßigkeit darauf um. Seit einiger Zeit ist auch Borandimethylsulfid im Handel erhältlich. Dabei handelt es sich um eine wesentlich konzentriertere Form von Boran; sie ist im Gegensatz zu Boran-TFH, das 1-molar ist, Die Addition erfolgt entgegen der Markownikow-Regel. Nimmt man ein endständiges Olefin wie z.B. 1-Penten, erhält man 94% Bor in Position 1; bei 2-Methyl-1-butan sind es 99%. Bei der Reaktion erfolgt eine cis-Addition der BH-Bindung. Bei 1-Methylcyclopenten befinden sich Wasserstoff und Bor in cis-Stellung bzw. Methyl und Bor in trans-Stellung. Da die Oxidation mit einer Retention einhergeht, entsteht am Ende ein reines trans-Derivat. Das nächste Dia bitte. Die Addition erfolgt vorzugsweise an der sterisch weniger stark gehinderten Seite der Doppelbindung. Boran liefert zu 99,6% die Exo-Form. Bisher haben wir keine erneute Umlagerung der Kohlenstoffgerüste beobachtet. Sicherlich kommt das gelegentlich vor, aber nicht hier, denn selbst bei so labilen Molekülen wie Alpha-Pinen erfolgt die Hydroborierung ohne erneute Umlagerung. Wir können genau vorhersagen, welches Produkt entsteht. Die Bor-Addition entgegen der Markownikow-Regel erfolgt an der sekundären, nicht an der tertiären Position, so dass die Methyl-Gruppe und Bor in trans-Stellung zueinander stehen, jedenfalls an der weniger stark gehinderten Seite der Doppelbindung, d.h. der der Dimethyl-Gruppe gegenüber liegenden Seite. Wir können also vorhersagen, dass die Borverbindung diese Struktur hat, was sich in mindestens 98% der Fälle als richtig erweist. Durch Oxidation entsteht dann ein einzelner Alkohol. Die meisten funktionellen Gruppen überstehen eine Hydroborierung. Wir sind also erstmals in der Position, eine metallorganische Substanz mit allen möglichen funktionellen Gruppen herzustellen und diese Gruppen von Bor zu übertragen, so dass Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen entstehen und viele andere Reaktionen erfolgen können. Das nächste Dia bitte. Häufig waren wir in unserem Originalprojekt mit der Herstellung von R3B beschäftigt, da die meisten Olefine mit BH3 zu R3B reagieren. In einigen Fällen stellten wir fest, dass wir die Reaktion kurz vor der vollständigen Hydroborierung anhalten konnten. Dadurch erhielten wir eine neue Familie von Reagenzien mit interessanten Eigenschaften, die wir zu untersuchen begannen. Bei Tetramethylethylen kann die Reaktion so kontrolliert werden, dass Monoalkylboran, RBH2 oder Thexylboran entsteht. Bei Trimethylethylen führt die Kontrolle der Reaktion zu Disiamylboran, bei Alpha-Pinen zu Diisopinocampheylboran. Bei der transannularen Hydroborierung von 1,5-Cyclooctadien entsteht ein bizyklisches Boran, das wir als 9-BBN bezeichneten und für das wir das nachstehende Symbol verwendeten. Das nächste Dia bitte. Wir können auch für die Hydroborierung nützliche heterosubstituierte Borane herstellen. Catechol reagiert mit Boran zu Catecholboran. Borchlorid reagiert je nach verwendeter Menge mit Diboran entweder zu Dichlorboranetherat oder Monochlorboranetherat. Das nächste Dia bitte. Die Etherate erwiesen sich als relativ instabil. Sie lassen sich nicht länger lagern, da Ether leicht durch Borchlorid gespalten werden. Sie müssen daher bei dieser Art der Verwendung frisch hergestellt werden. Wir wollten ein Reagens, das gelagert, in größeren Mengen hergestellt und wiederholt verwendet werden kann. Wir stellten fest, dass Dimethylsulfide diese Voraussetzungen erfüllten. Heute können wir durch Dimethylsulfid koordiniertes und stabilisiertes Monochlorboran, Monobromboran bzw. Monojodboran herstellen. Das nächste Dia bitte. Wir können auch die entsprechenden Dihalogenborane erzeugen. Das nächste Dia bitte. Dann begannen wir die Reaktionen zu untersuchen. Einige meiner Freunde fragten, warum ich so viel Zeit mit der Erforschung der Hydroborierung verbringen würde. Sie sei zwar eine schöne saubere Reaktion, es würden dabei aber ausschließlich Organoborane entstehen. Und jeder wüsste, dass Organoborane in der Chemie von keinerlei Interesse sind. Tatsache ist, dass Franklin 1862 eine sehr detaillierte Studie zum Thema Boranchemie durchgeführt hatte. Er hatte Trimethyl-, Triethyl- und Tributylboran hergestellt und gezeigt, dass sie in Wasser stabil sind, durch Luft oxidiert werden und mit Basen Additionsverbindungen bilden. Seit dieser Zeit war auf diesem Gebiet relativ wenig geforscht worden, und meine Freunde dachten, nur weil wenig geforscht worden war, gab es auch wenig zu forschen. Doch wir fingen an diese Organoborane zu untersuchen, und es stellte sich heraus, dass sie praktisch alles taten, was wir von ihnen verlangten. Wir entdeckten z.B., dass wir sie zur Alkylierung von alpha-substituierten Verbindungen verwenden konnten. Bei der Behandlung von Ethyl-alpha-bromacetat bleibt die Stereochemie, d.h. die Methylcyclopentyl-Gruppe erhalten und es entsteht Methylcyclopentylethylacetat. Wir können auch Arylgruppen einbauen, so dass wir nun in der Lage sind, Ester, Ketone, Nitrile usw. zu arylieren. Das nächste Dia bitte. Weiterhin können wir Cyclopropane erzeugen. Im Falle von Allylchlorid und Hydroboran mit 9-BBN erhalten wir z.B. das gamma-Chlorpropyl-Derivat. Natriumhydroxid wird in Cyclopropan umgewandelt. Dieses zweite Beispiel gefällt mir besonders: durch Addition von Chlor an Butyldien entsteht Dichlorid, das nach Hydroborierung und Ringschließung zu Cyclopropylcarbonylchlorid wird. Vor vielen Jahren, im Jahr 1950, benötigte ich Cyclopropylcarbonylchlorid. Damals war die unserer Ansicht nach einzige funktionierende Herstellungsmethode die Chlorierung von Methylcyclopropen. Wir stellten also einen Liter Methylcyclopropen her und chlorierten ihn im Verhältnis 1:10. Anschließend fraktionierten wir das Gemisch durch eine leistungsstarke Fraktionierungssäule; die Fraktionierung alleine dauerte fast eine Woche. Wir erhielten etwa 15 Gramm Material mit einer Reinheit von nur 85%. Heute können wir an einem Tag Cyclopropylcarbonylchlorid direkt herstellen. Das nächste Dia bitte. Mit Hilfe des Bors lassen sich zahlreiche Olefine oder komplexe Strukturen zusammenfügen, d.h. vorübergehend an Bor binden. Heute existieren verschiedene Verfahren für den Austausch von Bor durch Kohlenstoff. Ich nenne das Nähen und Nieten. Zunächst näht man sie mit Bor zusammen, dann vernietet man sie mit Kohlenstoff. Wir können also z.B. Diallyl mit Thexylboran zu einem 7-gliedrigen Ring verbinden; durch Carbonylierung entsteht Cycloheptenol. Das nächste Dia bitte. Auf diese Weise erhalten wir ein allgemeines neues Ethylierungsverfahren. Versetzt man Cyclohexanon mit Allyl-Grignard-Reagens, entsteht der tertiäre Alkohol. Dieser wird zu einem Dien hydratisiert und mit Thexylboran hydroboriert. Die reaktivere terminale Doppelbindung reagiert zuerst. Dann fügt das BH der inneren Doppelbindung ein cis zu, so dass es zu einer Transfusion kommt. Nach Carbonylierung entsteht das Keton der Transfusion. Dieses ist bezüglich der Isomerie rein und das weniger stabile der beiden Isomere. Gibt man Natriumhydroxid zu, entsteht zu 90% die cis-Form. Wir können aber auch zu 100% die reine trans-Form herstellen. Dafür müssen wir ganz allgemein nur einen Ring auf einen anderen legen, also einen 6-gliedrigen auf einen 5-gliedrigen, einen 6-gliedrigen auf einen 6-gliedrigen, einen 6-gliedrigen auf einen 7-gliedrigen, einen 5-gliedrigen auf einen 6-gliedrigen oder einen 5-gliedrigen auf einen 7-gliedrigen. Das nächste Dia bitte. Hydroboriert man Boran, die drei Doppelbindungen, entsteht z.B. Boradecalin. Nach Carbonylierung erhält man den cis-Alkohol. Aus Cyclododecatrien - hergestellt durch Trimerisierung von Butyldien - und BH3 entsteht die zentrale Borverbindung. Carbonyliert man sie, erhält man den entsprechenden Alkohol, Tricyclazol, mit sehr interessanten chemischen Eigenschaften. Das nächste Dia bitte. Eine andere Möglichkeit, Bor zu ersetzen, ist die Umsetzung mit Dichlormethylether. Durch Behandlung eines Organoborans entsteht z.B. Tricyclopentylboran. Versetzt man es in Gegenwart von Lithiumtriethylcarboxid mit Dichlormethylether, erhält man unmittelbar den entsprechenden tertiären Alkohol. Dies hier sind Derivate, die sich nur sehr schwer nach den Standardverfahren herstellen lassen. Bei der Grignard-Reaktion versetzt man Cyclohexanon mit Cyclohexyl-Grignard-Reagens und erhält lediglich etwa 3%. Hier dagegen haben wir eine Ausbeute von gut 97%. Hier können wir eine Thexyl-, Cyclopentyl- oder Cyclohexyl-Gruppe anlagern. Auch in diesem Fall wüsste ich keine einfache Möglichkeit, mit Hilfe der Standardverfahren stark gehinderte tertiäre Alkohole dieser Art in großer Ausbeute herzustellen. Das nächste Dia bitte. Wir hatten also all diese neuen Reagenzien und entschlossen uns, ihre unmittelbaren Effekte im Vergleich zu Boran zu untersuchen. Nimmt man beispielsweise ein terminales Olefin und hydroboriert es mit Diboran, entstehen zu 94% endständige Positionen und zu 6% innere. Bei der Behandlung mit Disiamylboran ist das Verhältnis 99:1. Wir erhalten also einen wesentlich besseren unmittelbaren Effekt. Bei der Hydroborierung von Methylisopropylethylen mit Boran tritt eine gewisse Selektivität auf, fast 50/50. Wir können uns die sterischen Anforderungen von Disiamylboran jedoch zunutze machen. In der weniger stark gehinderten Position der Doppelbindung erhalten wir 97% Bor. Das nächste Dia bitte. Auch bei Verwendung von BH3 führt 9-BBN zu einem Verhältnis von 99:0,9 anstatt 94:6. Bei Methylisopropylethylen liegt das Verhältnis in der weniger stark gehinderten Position der Doppelbindung bei 99:0,8. Das nächste Dia bitte. Chlorboran neigt ebenfalls deutlich dazu, die terminale Position der endständigen Doppelbindung zu durchlaufen, weist aber nicht die sterischen Anforderungen von Disiamylboran und 9-BBN auf. Hier ergibt sich eine Verteilung von nur rund 50/50. Das nächste Dia bitte. Alpha-Pinen lässt sich in optisch aktiver Form herstellen, sowohl rechts- als auch linksdrehend. Es kann aus verschiedenen Terpentinen gewonnen werden, je nachdem, aus welchen Waldstücken diese stammen. Wir wollten herausfinden, zu was es in puncto isometrische Hydroborierung in der Lage ist. Als wir cis-2-Buten während der Hydroborierung Diisopinocampheylboran zusetzten, entstand ein sekundäres Butyl-Derivat. Mittels Oxidierung erhielten wir einen zu 98,4% optisch aktiven Alkohol. Wir konnten also eine asymmetrische Synthese erzielen, die der von Enzymen nahe kommt. Das nächste Dia bitte. Bei der Untersuchung der Reaktionen von Organoboranen stellten wir fest, dass es oftmals sinnvoll ist, diese speziellen Derivate zu verwenden. Bei der Umsetzung von R3B mit Jod bei 150 Grad beispielsweise entsteht das entsprechende Jodid von einer der drei Gruppen. Um wenigstens diese eine Gruppe zu erhalten - die anderen beiden sind schwierig - sind in der Tat 150 Grad notwendig. Wir stellten fest, dass die Reaktion bei Verwendung von Jod mit Natriumhydroxid bei 0 Grad rasch abläuft und zwei, aber nicht drei Gruppen entstehen. Das können wir uns zunutze machen. Bei der Umsetzung von Disiamylboran mit Vinylcyclohexen entsteht diese Verbindung. Setzt man nur ein Mol Jod/Natriumhydroxid ein, wird nur die primäre optische Gruppe freigesetzt, so dass man eine gute Ausbeute des entsprechenden ungesättigten Jodids erhält. Durch Brom und Natriummethoxid lassen sich ebenfalls alle drei reaktiven Gruppen ersetzen, und es entsteht das entsprechende cis-tert-Bromid. Die Mechanismen dieser Reaktionen weisen zahlreiche faszinierende Aspekte auf, die weder wir noch andere jemals untersucht haben. Nehmen Sie z.B. das Hydroborierungsprodukt von Norbornen und Sie erhalten die Exo-Verbindung. Nach Behandlung mit Brom/Natriummethoxid entsteht die Endo-Verbindung, und zwar deshalb, weil die meisten Reaktionen mit Borverbindungen in Richtung Retention gehen; manche gehen auch in Richtung Inversion, das ist aber noch nicht genau erforscht. Das nächste Dia bitte. Die Oxidation ist eine wunderbare Reaktion, die mit einer Retention einhergeht. Wir können also dieses Olefin hydroborieren und erhalten das entsprechende trans-2-Methylcyclopentylboran. Nach Oxidation entsteht reines trans-2-Methylcyclopentenyl. Zum ersten Mal waren diese Alkohole nun problemlos verfügbar. Das nächste Dia bitte. Da wir die Alkohole erzeugen konnten, dachten wir, dass es schön wäre herauszufinden, wie sich die Amine herstellen lassen. Wir begannen also zu untersuchen, welche Reagenzien Boranverbindungen in Amine umwandeln. Es stellte sich in der Tat heraus, dass Chloramin bzw. o-Hydroxylaminsulfonsäure diese Umwandlung bewirkt. Hydroboriert man 1-Phenylcyclopenten und behandelt es mit o-Hydroxylaminsulfonsäure, erhält man das entsprechende trans-2-Phenylcyclopropylamin. Das nächste Dia bitte. R3B reagiert zwar mit organischen Aziden zu Zwischenprodukten und kann als sekundäre Substanz hydrolysiert werden, die Reaktion ist aber langsam und träge und bezüglich der sterischen Anforderungen der Alkylgruppe empfindlich. Wir sind heute jedoch in der Position, dass wir nicht nur mit R3B arbeiten müssen, sondern R2BCl oder RBCl2 nach Belieben herstellen können. Mit RBCl2 läuft diese Reaktion beispielsweise bei Raumtemperatur ab. Setzt man hier BH2Cl2 und anschließend Phenylazid zu, entsteht nach der Hydrolyse sekundäres Amin. Sekundäre Amine dieser Art allein mit Hilfe der Transferchemie herzustellen zu wollen wäre äußerst schwierig. Hier entstehen sie im Prinzip als Nebenprodukt des Reaktionsmechanismus. Das nächste Dia bitte. Wir können auch Ketone auf diese Weise synthetisieren. Hydroboriert man diese Verbindung, entsteht die trans-Form 9-BBN. Ersetzt man den Wasserstoff durch eine Alkoxy-Gruppe und behandelt sie mit Dichlormethylether, erhält man das entsprechende 9-Keton-Derivat. Mir gefällt dieses Beispiel, denn Bob Woodward und Chris Foote, die dieses Keton damals herstellen wollten, mussten dazu eine achtstufige Synthese durchführen. Heute können wir an einem Tag in einer Eintopfreaktion eine hohe Ausbeute dieses Ketons erzeugen. Das nächste Dia bitte. Das Schönste daran ist vielleicht, dass wir zum ersten Mal in der Lage sind, alle Arten von Strukturen, die ein oder mehrere Boratome enthalten, zu synthetisieren. Wir verfügen bei vielen dieser Verbindungen über wirtschaftliche Syntheseverfahren, was früher nicht der Fall war. Damals liefen praktisch alle Synthesen zur Herstellung von Borverbindungen über das Grignard-Reagens. Häufig tauschten sich die Gruppen rasch untereinander aus und man erhielt am Ende Gemische. Durch die Hydroborierung stellen wir einzelne Verbindungen her, die ihre Identität in Lösung lange beibehalten. Wir können sie rückgewinnen und ihre physikalischen Eigenschaften, z.B. ihre Spektren usw. untersuchen. Wir sind damit heute in der Lage, die strukturellen Eigenschaften der Organoboranverbindungen zu erforschen und ihre tatsächliche Struktur mittels Spektren, NMR-Verschiebungen usw. zu untersuchen. Das nächste Dia bitte. Ich möchte Ihnen gerne zeigen, woran wir aktuell arbeiten. Wir untersuchen derzeit die Reaktionen ungesättigter Borane im Detail. Alkylborane haben sich als sehr wertvolle, reaktive und interessante Materialien erwiesen. Wir kennen etwa 26 Hauptreaktionen, können also über Organoborane viel erzählen. Die ungesättigten Borane sind sogar noch aktiver und machen viele interessante Sachen. Ich möchte Ihnen nun einen kleinen Eindruck von dieser Chemie vermitteln. Bei der Hydroborierung von Acetylen mit Disiamylboran können wir ein Mol zusetzen und es mit Essigsäure protonieren. Das Endprodukt ist reines cis-Olefin. Dies scheint die beste und sauberste Möglichkeit zur Herstellung von cis-Olefinen zu sein. Wir können sie auch oxidieren, um das entsprechende Keto-Derivat zu erhalten. Bei einem endständigen Olefin entsteht dabei am Ende das entsprechende Aldehyd. Es gibt also eine Möglichkeit, endständige Acetylene entgegen der Markownikow-Regel zu hydratisieren. Bei Doppel- oder Dreifachbindungen verfügen wir über bestimmte Reagenzien, die vorzugsweise Dreifachbindungen attackieren, und andere, die vorzugsweise Doppelbindungen attackieren. Ich zeige Ihnen nachher ein Beispiel dafür. Wir können also Doppel- bzw. Dreifachbindungen selektiv hydroborieren. Das nächste Dia bitte. Mit 9-BBN lassen sich diese Olefine ebenfalls hydroborieren, die Reaktion neigt aber im Fall von endständigem Olefin dazu weiterzulaufen, so dass schließlich 1-1-Diborane entstehen, die ganz eigene chemische Eigenschaften aufweisen. Das nächste Dia bitte. Nach Hydroborierung durch Dibromboran erhalten wir hier direkt die entsprechenden Dibromboran-Derivate. Das nächste Dia bitte. Hier geht es um die Untersuchung der Richtungseffekte. Bei Verwendung von Dibromboran und Methylisopropylacetylen erhält man 96% Bor in der am wenigsten zentrierten Position der Dreifachbindung. Es gibt also einen starken sterischen Richtungseffekt, den wir uns bei der Herstellung eines einzelnen Derivats zunutze machen können. Das nächste Dia bitte. Aus was für Gründen auch immer scheint 9-BBN Acetylene kaum zu attackieren. Andererseits ist Dibromboran gegenüber Dreifachbindungen weitaus reaktiver als gegenüber Doppelbindungen. Bei einem Molekül wie diesem wird 9-BBN demzufolge vorzugsweise die Doppelbindung attackieren, Dibromboran vorzugsweise die Dreifachbindung. Wir können also je nach Wunsch entweder die Doppel- oder die Dreifachbindung hydroborieren. Das nächste Dia bitte. Wir untersuchten nun die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten dieser Substanzen. Man kann sie zu Aldehyden oxidieren und mit Halogenen und Basen zu den entsprechenden Halogeniden umsetzen. Das nächste Dia bitte. Wir fanden heraus, wie sich Vinylhalogenide mit Retentions- bzw. Inversionskonfiguration herstellen lassen, so dass wir entweder trans-Jodid erhalten oder es in cis-Jodid invertieren, indem wir die Bedingungen kontrollieren. Das nächste Dia bitte. Ich zeige Ihnen jetzt noch einmal die Zweckmäßigkeit einiger dieser neuen Reagenzien. Mein früherer Mitarbeiter George Zweifel setzte terminales Acetylen mit Thexylboran um und erzeugte ein Divinyl-Derivat. Anschließend oxidierte er die Thexyl-Gruppe selektiv mit Trimethylaminoxid, so dass Divinylboronsäure entstand. Mit Hilfe von Jod und Natriumhydroxid stellte er das cis-trans-Dien her. Heute können wir das Divinyl-Derivat mit Acetylen, Hydroboran und Chlorboran direkt erzeugen. Nach Behandlung mit Jod und Natriumhydroxid entsteht ohne den Oxidierungsschritt unmittelbar dasselbe Dien in derselben Ausbeute. Das nächste Dia bitte. Wir dachten, es wäre schön, wenn wir Bor durch Kupfer ersetzen könnten. Das würde uns die Möglichkeit geben, Vinylkupfer-Derivate herzustellen, ohne Methyllithium oder Methyl-Grignard-Reagens als Zwischenprodukt verwenden zu müssen; wir könnten einfach funktionelle Gruppen einsetzen. Bei der Behandlung dieser Verbindung mit Natriummethoxid und Kupferbromiddimethylsulfid bei 0 Grad bildet sich offensichtlich das Kupfer-Zwischenprodukt, das spontan zerfällt, so dass wir eine erhebliche quantitative Ausbeute an trans, trans-Dien erhalten. Das nächste Dia bitte. Läuft die Reaktion bei -15 Grad ab, zerfällt das Kupfer-Zwischenprodukt nicht. Setzt man Bromid zu, reagiert es zu dem entsprechenden 1-4-Dien und behält die stereochemischen Eigenschaften der ursprünglichen Borverbindung bei. Das nächste Dia bitte. Mittels Diethylether-Bortrifluorid erhalten wir das Kupfer-Zwischenprodukt. Die Reaktion wird katalysiert und es erfolgt eine 1-4-Addition unter Beibehaltung der stereochemischen Eigenschaften. Wir können also heute diese Kupfer-Derivate direkt aus den Borverbindungen gewinnen und dabei die verschiedensten funktionellen Gruppen einsetzen. Das nächste Dia bitte. Eine der interessanten Reaktionen, deren Anwendungsmöglichkeit ich Ihnen zeigen möchte, ist die Synthese von Acetylen. Versetzt man R3B mit Lithiumacetylid, entsteht ein A-Komplex. Nach Behandlung mit Jod erhält man das entsprechende Acetylen. Wir können also trans-2-Methylcyclopentylboran und Lithiumacetylid mit Jod versetzen und erhalten reines trans-2-Methylcyclopentylacetylen. Das nächste Dia bitte. Ich fragte einen meiner Mitarbeiter, warum sich die Leute aus dem Bereich Naturprodukte diese neuen chemischen Eigenschaften und Synthesemöglichkeiten scheinbar so wenig zunutze machten. Er meinte, das Problem sei, dass man eine Reaktion entdeckt und sie auf ein paar einfache Modellverbindungen anwendet, dann aber nicht weiter macht. Seiner Ansicht nach müsste man hingehen und mit Hilfe dieser Chemie ein paar Naturprodukte synthetisieren, um zu zeigen, dass sie auf tatsächliche Moleküle von allgemeinem Interesse auf dem Gebiet der Naturprodukte anwendbar ist. Wir entschlossen uns also, die Anwendungsmöglichkeiten dieser Verfahren anhand der Synthese von Insektenpheromonen zu untersuchen. Hier haben wir einige typische Strukturen. Sie weisen hohe Regio- und Stereoselektivitätserfordernisse auf und scheinen für die Verwendung in der Borchemie ideal zu sein. Ich zeigte Ihnen ein Beispiel für unsere aktuelle Arbeit, die einstufige Synthese eines Pheromons. Das nächste Dia bitte. Hydroboriert man im Handel erhältliches 6-Acetoxy-1-hexan, entsteht diese Borverbindung. Nach Zusatz des Lithiumsalzes von 1-Hexyn erhält man den A-Komplex. Behandelt man diesen mit Jod, entsteht Acetylen. Nach Hydroborierung mit 9-BBN und Methanolyse, d.h. Hydrolyse durch Methanol erhalten wir dieses Endprodukt. Es handelt sich um eine Eintopfreaktion und wir erhalten eine isolierte Ausbeute dieses Geschlechtspheromons von 75% mit einer Reinheit von mehr als 98%. Das vermittelt Ihnen einen Eindruck von der Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens. Das nächste Dia bitte. Wer sind nun die Leute, die die ganze Arbeit machen? Das ist meine Gruppe von 1974, ich möchte sie Ihnen gerne zeigen. Können wir das ein bisschen schärfen stellen? J.J. Katz kam nach seinem Abschluss an der École Normale in Paris zu mir und wollte an der Purdue University seinen Doktor machen. Mark Midland wurde mir von meinem früheren Mitarbeiter Glen Russell an der Iowa State University geschickt. Er war bereits dort ein herausragender Student und war es auch in Purdue. Das hier ist Lazeral Brenner aus Mexico Stadt. Hier haben wir Jim Sinclair, einen weiteren Doktoranden aus Berkley, Kalifornien. Darüber sehen Sie Paten Jacobs, den George Zweifel von der University of California in Davis schickte. Der Mann dort hinten, Charlie Skelton, stammt aus dem Süden der Vereinigten Staaten, aus Georgia. Die ganze USA ist also vertreten. In Purdue nehmen wir für gewöhnlich nicht unsere eigenen Studenten, sie kommen von überall her. Außerdem ist da noch K.K. Wong, der aktuell mit mir an dem Pheromonproblem arbeitet; er stammt aus Taiwan. Das hier ist George Kelly aus Australien, der ein Forschungsjahr absolvierte. Daneben steht Mark Zegowitz aus Polen. Wir haben also Leute aus der ganzen Welt in unserer Gruppe. Das nächste Dia bitte. Bevor ich zum Ende komme, möchte ich noch auf etwas hinweisen, das viele von Ihnen vielleicht nicht realisieren. Alle Nobelpreisträger wissen - was Ihnen möglicherweise nicht klar ist - dass das erste Jahr nach der Preisverleihung eine enorm hektische Zeit ist. Sie beginnen das Jahr mit den üblichen Verpflichtungen, in meinem Fall 24 geplanten Vorträgen und drei Auslandsreisen. Dann kommt der Nobelpreis und auf einmal müssen Sie sechs Auslandsreisen und 50 Vorträge absolvieren. Das ist also eine sehr hektische Zeit. Hoffentlich ist das nur im ersten Jahr so. Während man all das macht, was ja auch sehr schön ist, nimmt die Arbeit zuhause kein Ende. Das nächste Dia bitte. Ein anderes Problem ist, dass es außerordentlich schwierig wird Paper zu schreiben, wenn man so beschäftigt ist. Mein guter Freund Holger Erdmann prophezeite mir dieses Problem in seiner Weihnachtskarte. Das nächste Dia bitte. Sie sehen hier die von einem meiner Mitarbeiter über die Jahre hinweg gesammelten Publikationen - so sah die Kurve aus. Dann kam die Mitteilung des Nobelpreises und die Zahl meiner Publikationen sank auf Null. Erdmann malte zwei Pfeile und schrieb, dass die Kurve entweder ihre ursprüngliche Form wieder annehmen oder einfach weiterhin horizontal verlaufen würde. Ich weiß nicht, aber leider gibt es bei mir zuhause jemanden, dem dieses Problem Sorgen bereitet, wie Sie sehen. Sie ermuntert mich gerade, wieder zurück an die Arbeit zu gehen. Ich möchte meinen Vortrag nun mit drei Botschaften an die Studenten hier schließen. Erstens ein leicht abgewandeltes Bibelsprichwort: 'Wem ein tugendsam Weib beschert ist, die ist viel edler denn die köstlichsten Perlen'. Zweitens sieht sich jede Studentengeneration mit Problemen konfrontiert; diese sollten aber nicht als Grund zur Entmutigung, sondern vielmehr als Gelegenheit betrachtet werden. Meine Erfahrung ist, dass sich solche Probleme für gewöhnlich individuell durch Intelligenz, Enthusiasmus und Optimismus lösen lassen. Selbst Entwicklungen, die zunächst katastrophal erscheinen, können sich als Chancen erweisen. In unserem Fall taten sie das ganz eindeutig, und es ergaben sich neue fruchtbare Möglichkeiten. Für die dritte Botschaft möchte ich aus meiner Nobelpreisrede zitieren. Als ich 1938 meinen Doktorgrad verliehen bekam, war die organische Chemie für mich eine ausgereifte Wissenschaft, in der praktisch alle wichtigen Reaktionen und Strukturen bekannt waren. Es gab scheinbar nur wenig Neues zu entdecken. Heute weiß ich, dass ich völlig falsch lag; ich habe miterlebt, wie bedeutende neue Reaktionen entdeckt wurden. Uns stehen zahlreiche neue Techniken zur Verfügung. Seit 1938 wurde eine enorme Anzahl an Materialien in der organischen Chemie entwickelt. Ich weiß aus Gesprächen, dass viele der heutigen Studenten genau dasselbe Gefühl haben wie ich 1938. Ich sehe aber keinen Grund zu glauben, dass die nächsten 40 Jahre weniger fruchtbar werden als die letzten. In meinem Buch "Hydroboration" habe ich den Dichter bemüht: 'Der Samen wird ein Baum einst sein'. Mein heutiger Vortrag begann in einer Zeit, als der Samen, die Eichel noch ein reines Pollenkorn war. Ich habe Ihnen gezeigt, wie dieses Pollenkorn sich in eine Eichel verwandelte, aus der eine Eiche und dann ein Wald wurde. Heute sehen wir allmählich die Konturen eines riesigen Kontinents. Wir bewegen uns rasch über diesen Kontinent und erkunden die wichtigsten Gebirgszüge, Flusstäler, Seen und Küsten. Es ist jedoch offensichtlich, dass wir bisher nur einen kleinen Teil des Ganzen entdeckt haben. Eine weitere Generation von Chemikern wird notwendig sein, um diesen Kontinent zu besiedeln und ihn zum Wohle der Menschheit nutzbar zu machen. Doch gibt es einen Grund zu glauben, dass dies der letzte neue Kontinent seiner Art ist? Sicherlich nicht. Wahrscheinlich liegen ähnliche Kontinente vor uns, die ihrer Entdeckung durch tatkräftige, enthusiastische und optimistische Forscher harren. Ich hoffe, dass ein Ergebnis dieses Vortrags sein wird, dass junge Chemiker zur Suche nach diesen neuen Kontinenten inspiriert werden. Viel Glück.

Herbert Brown (1980)

Organoboranes - The Modern Miracle

Herbert Brown (1980)

Organoboranes - The Modern Miracle

Comment

This is the first Lindau lecture given by Herbert C. Brown after he shared the 1979 Nobel Prize in Chemistry with Georg Wittig. In 2000, twenty years and six chemistry meetings later, he should give his last Lindau lecture at the 50th Lindau Nobel Laureate Meeting. Through all this time, Browns topic remained unchanged: the chemistry of the chemical element boron, with a particular focus on its applications in synthetic organic chemistry. Indeed, organoboron chemistry has been a hot topic throughout all this time. In the realm of the Nobel Prizes, its latest fruit was the 2010 Nobel Prize in Chemistry. One of the Laureates, Akira Suzuki, had invented the “Suzuki coupling”, a method for carbon-carbon bond formation, which is based on organoboron reagents. Not surprisingly, Suzuki had been a PostDoc in Browns laboratory from 1963 to 1965.In the present lecture, Brown gives a review of organoboron chemistry, starting in 1936. He closely links his chemical endeavours to his personal history and presents the latter with a degree of openness, which is exceptional and refreshing. He points out, for example, that the reason for him going into boron research had been a book on this topic given to him as a gift by his girlfriend (and later wife) Sarah. Apparently, however, the book was chosen only due to the fact that it was, at $2, the cheapest chemistry book available. In view of the ensuing scientific output and the $100.000 Nobel Prize award, an excellent value for money!On the basis of this (in)valuable gift, Brown began to develop organoboron chemistry, which was just in its infancy. A first major hurdle was the large-scale synthesis of one of the simplest boron compounds: borane, a molecule made from one boron atom and three hydrogen atoms. Borane (BH3) resembles methane (CH4), however, contrary to methane, individual borane molecules spontaneously pair up to yield diborane (B2H6). Brown eventually succeeded in making large quantities of this compound via a straightforward method. Until today, diborane is industrially synthesized in the same way.The synthesis of diborane was an essential prerequisite for the further development of organoboron chemistry. Organoboranes can be imagined as BH3, in which one or more hydrogen atoms have been replaced by an organic residue, for example a hydrocarbon chain. Further on in the lecture, Brown discusses the reactivity of organoboranes and their use in synthetic organic chemistry in quite some detail.Besides these purely chemical aspects, the description of the impact of war on chemical research is another intriguing feature of Brown’s lecture. He explains, for example, how, during the Second World War, the supply of lithium in the US was running low. A situation, which complicated his research significantly. The reason for the lack of lithium was that each military airplane carried two one-pound canisters of lithium hydride. If mixed with water, lithium hydride spontaneously and vigorously generates hydrogen gas. If the plane had to make a forced landing, this reaction could be used by the crew to fill a balloon carrying an antenna, allowing them to contact their home base.It might be mentioned here, that carrying lithium hydride in an airplane is not without risk: once the substance catches fire, it may not be extinguished with water, water-containing solids or carbon dioxide due to its high reactivity with these substances. However, Brown also worked on a solution of this problem and eventually suggested sodium borohydride (NaBH4) as a safer alternative to lithium hydride. Due to its military relevance, this research was classified until 1953 and could not be published. A rather annoying situation, as Brown points out.Still, he did not let these problems get the best of him. In closing his talk, Brown encourages the young researchers in the audience to relentlessly apply intelligence, enthusiasm and optimism – according to him, the basic ingredients of Nobel Prize worthy research.David Siegel

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT


Related Content