В.П. Дядченко, И.В. Трушков, Г.П. Брусова - Синтетические методы органической химии (1125897), страница 6
Текст из файла (страница 6)
33).На практике часто бывает сложно предсказать хемоселективность гидрирования. Решающее словоостается за экспериментом.Каталитическое гидрирование − стереоселективная реакция. Обычно она происходит как синприсоединение.35MeOOC(CH2)3C CH2 (1атм), Pd/BaSO4/ хинолин(CH2)3COOMeMeOH, 25 oHH(CH2)3COOMeMeOOC(CH2)3PhMeMePhHH2Pd/CHH+MePhPhMe97%HPhMeMePhрацематВ циклических молекулах при гидрировании преимущественно атакуется стерически менеезатрудненная сторона.MeHMeHOMeMeподходсвободенH2 (1атм)PtO2, AcOH20oOHMeMeHH+MeMeHOHMe83%17%Син-гидрирование происходит в тех случаях, когда молекула водорода и алкеновый фрагментсубстрата связываются с поверхностью катализатора так, что подход обоих атомов водорода кмолекуле субстрата осуществляется одновременно с одной ее стороны. Если при этом алкенсвязывается с катализатором достаточно прочно, то продуктом реакции является один стереоизомер(цис).
Однако при менее прочном связывании алкена с поверхностью катализатора присоединениеводорода происходит ступенчато. После присоединения первого атома водорода может произойтикак изменение положения молекулы субстрата на поверхности катализатора, так и различныепроцессы изомеризации. В этом случае преимущественным направлением реакции может оказатьсяанти-присоединение, например:HH2 , Pd/C, 1 атмoAcOH, 25H+Hцис21%36Hтранс79%Способность катализаторов образовывать при гидрировании продукт цис-присоединенияизменяется в ряду:Ir > Os > Rh, Ru, Pt >> PdДействительно, платиновые катализаторы дают в основном цис-продукт (кинетическийконтроль реакции), а при использовании палладиевого катализатора часто образуется продукт антиприсоединения (термодинамический контроль реакции).Таким образом, предсказание стереохимии гидрирования во многих случаях являетсянепростой задачей.
Стереохимия может изменяться в зависимости от используемого катализатора,условий реакции и даже чистоты вводимого в реакцию алкена. В то же время существуют алкены,которые при гидрировании дают исключительно продукты син-присоединения водорода, например,производные норборнена.COOMeCOOMeH2 (1 атм), PtO2CH COOH, 25o, 2 дняHHCOOMeCOOMe390%Другой фактор, влияющий на стереохимию гидрирования – так называемая гаптофильность♣.О гаптофильности говорят в тех случаях, когда молекула субстрата содержит функциональнуюгруппу, обладающую выраженной способностью связываться с катализатором. Следствием такогосвязывания является присоединение водорода с той же стороны молекулы, на которой расположенагаптофильная группа.H2, Pd/C, 1 атмMeOCH3OCH2CH2OH, 25oCH2OHHH+MeOMeOCH2OHцис, 95%♣От греческого “hapto” – связывать, привязывать.37транс, 5%CH2OHСтереохимические факторы, влияющие на процесс гидрирования, резюмированы на рис.1.(a)(c)(b)RRHR'HHHHкатализаторРис.
1. Зависимость характера адсорбции субстрата при наличии объемной группы (R) или гаптофила(R′).a) − Затруднение адсорбции, вызванное объемной группой Rb) − Расположение молекулы субстрата, при котором группа R не препятствует адсорбцииc) – Адсорбция молекулы со стороны гаптофила R′ГидрогенолизГидрогенолизомназываетсярасщеплениесвязиуглерод-гетероатомилигетероатом-гетероатом в условиях реакции гидрирования. Так, например, основание Шиффа, полученное избензиламина и циклогексанона, в мягких условиях гидрируется до вторичного амина.PhCH2NH 2 + OPhCH2NPhCH2NH2, 5% Pd/CMeOH, 20oPhCH2NHВ более жестких условиях происходит гидрогенолиз (расщепление) связи C-N, и образуетсяпервичный амин.PhCH2NH2, 20% Pd/CMeOH, 50oH2N+PhCH3Гидрогенолизу обычно подвергаются аллил- и бензиламины, соответствующие спирты и простыеэфиры.38C CC CNOсвязи, подвергающиеся гидрогенолизуГидрогенолиз может происходить также в случае связей C-Hal, N-N, C-S, N-O, O-O и даже C-C(в малых циклах).
Например, гидрирование эфира бензойной кислоты нельзя остановить на стадииобразования бензилового спирта, поскольку гидрогенолиз последнего происходит гораздо легчегидрирования сложного эфира.PhCOOEtH2 (200 атм)CuCr2O4, EtOH, 25o[PhCH2OH]H2CuCr2O4PhCH3 + H2OВ ряде случаев гидрогенолиз является фактором, осложняющим синтез, но иногда он полезен.Например, он используется для удаления защитной бензилоксикарбонильной группы.OH2, (1 атм), PtO2PhCH2O-C-NHEtOH, CH3COOHHOOC(CH2)2CHCONHCH2COOEtOHO-C-NHPhCH3 +HOOC(CH2)2CHCONHCH2COOEtNH2CO2 +HOOC(CH2)2CHCONHCH2COOEtДля проведения гидрогенолиза бензильных производных чаще всего используют такиекатализаторы, как палладий на угле и хромит меди, так как на этих катализаторах гидрированиеароматического кольца идет медленно. Напротив, свести гидрогенолиз к минимуму позволяют такиекатализаторы, как родий и рутений.39OHOOHCH3H2 (3 атм), 5% Rh/Al2O3EtOH, 50 oOHCH378%Гидрогенолиз не происходит также при проведении реакций гидрирования в присутствиигомогенных катализаторов (см.
ниже).Легкость гидрогенолиза связи C-Cl используют при восстановлении хлорангидридов кислот поРозенмунду.OOClH2 (пропускание через раствор)Pd/BaSO4 + S8 / хинолинкипящий ксилолH80%Серу и хинолин добавляют с целью «отравить» катализатор, то есть сделать его менее активным.Заметим, что гидрогенолиз связи C-Cl в данном случае идет намного легче, чем восстановлениекарбонильной группы в альдегиде. Это достигается именно «отравлением» катализатора. Наиболеечасто применяемые каталитические «яды» - это ртуть, сера, амины.
Они образуют достаточнопрочные связи с поверхностью катализатора, закрывая таким образом его активные центры.Гомогенное гидрированиеНекоторые комплексы переходных металлов также способны катализировать гидрированиеалкенов и алкинов. Поскольку эти комплексы растворимы в органических растворителях, то естьсубстрат и катализатор находятся в одной фазе, такое гидрирование называется гомогенным.Приведем два примера катализаторов гомогенного гидрирования: (Ph3P)3RhCl (катализаторУилкинсона) и IrCl(CO)(Ph3P)2 (катализатор Васка). Механизм гомогенного гидрирования включает всебя следующие этапы: координацию молекулы водорода с атомом металла (1), замещение одного изфосфиновых лигандов на алкен (образование π-комплекса, 2), внедрение алкена по связи металлводород (3) и элиминирование продукта гидрирования (4).40PPh3ClPPh3RhHH(1) H2цис-присоединениеClPh3PPPh3PPh3(2) C=CH(-PPh3)RhClPh3PPPh3Rh HC=CPPh3π-комплексH PPh3(3)ClRhPPh3(4)ClC-C-HRhPPh3PPh3Ph3PPh3PRhH-C-C-H+Clсин-присоединениеPPh3PPh32 PPh3RhClPPh32 ClRhPPh3и т.д.PPh3Алкины при этом гидрируются быстрее алкенов, а вот группы COOR, NO2, CN, C(O)R незатрагиваются, например:Ph-CH=CH-NO2 + H2(PPh3)3RhClH3C C C2H5PhCH2CH2NO241%OВ данной реакции в качестве растворителя использован кетон, который, также как и группаNO2, в этих условиях не восстанавливается.При гидрировании альдегидов нежелательной реакцией является декарбонилирование.
Этареакция может быть подавлена проведением гидрирования в этаноле в качестве растворителя.Важным преимуществом гомогенного гидрирования по сравнению с гетерогенным являетсяотсутствие гидрогенолиза связей C-O и C-N в бензильных производных. Преимуществамигомогенного гидрирования по сравнению с гетерогенным являются также лучшая воспроизводимостьрезультатов, высокая селективность и нечувствительность к каталитическим ядам. Процесс весьмаизбирателен по отношению к двойным связям углерод-углерод разного типа.
Это видно изприведенного ниже примера по гидрированию разных алкенов в присутствии катализатораУилкинсона.41СоединениеMeMeMeMeОтносительнаяскоростьгомогенногогидрирования135Me00Таким образом, на скорость гидрирования большое влияние оказывает экранированностьдвойной связи. По этой причине удается провести селективное гидрирование одной из двух C=Cсвязей, имеющих разную степень замещения.CH3CH3OOH2, RhCl(PPh3)3C6H6H3CCH2CH3H3C90%Использование хиральных лигандов позволяет проводить асимметрическое гидрирование С=С,C=O или C=N связей. Один из наиболее известных хиральных лигандов, используемых для этой цели− 2,2’-бис(дифенилфосфино)-1,1’-бинафтил (BINAP).PPh2PPh2(R)-(+)-BINAPИспользуются также другие хиральные фосфорсодержащие лиганды, например∗:H2, [Ir(COD)Cl]2CH2PhH NHCH2PhNMe3CPh∗CH3PPhO пиридин, толуолH20o, 25 атмCOD = 1,5-циклооктадиен42PhCH382%Гомогенное гидрирование можно проводить в двухфазной системе.
При этом в качествекатализатора используется соль K3[Co(CN)5H]. Эта соль с помощью катализатора межфазногопереноса переводится в органическую фазу, где и катализирует гидрирование.+H2K3[Co(CN)5H]бензол, ТЭБАХ87%Восстановление гидридами бора и алюминияКосвенный метод гидрирования ненасыщенных соединений, ставший классическим благодаряработам Г.Брауна, заключается во взаимодействии алкенов и алкинов сгидридами бора(гидроборирование).ГидроборированиеДиборан, необходимый для этой реакции, в лаборатории обычно получают взаимодействиемборогидрида натрия с эфиратом трехфтористого бора.3 NaBH4 + 4 BF3ТГФо0-10 С2 B2H6 + 3 NaBF4В настоящее время в продаже имеется готовый разбавленный раствор борана в ТГФ (его хранят при0°С).
Этот реагент весьма активен, но крайне огнеопасен. Можно использовать также комплексыборана с аминами R3N•BH3 (жидкости или кристаллические вещества). Эти комплексы удобны тем,что они неогнеопасны, однако они реагируют с алкенами лишь при повышенной температуре (100оС).Применение находит также комплекс BH3•SMe2. Реакция диборана с алкеном происходит каксогласованное син-присоединение к двойной углерод-углеродной связи:MeMeHMeMeMeHMeH+ B2H6BH2BH43Me H)3BЕсли алкен несимметричный, атом бора присоединяется преимущественно к наименеезамещенному атому углерода:CH3-CH=CH2B2H6......CH3-CH2-CH2BH2(CH3-CH2-CH2)3BТакое направление присоединения вызвано в первую очередь пространственными эффектами.Электронные эффекты в алкене также играют определенную роль, хотя и в меньшей степени.
Такимобразом, реакция гидроборирования является региоселективной. Региоселективность присоединенияборанов определяется структурой алкена:CH3CH3CH2-CH=CH27% 93%CH3CH3CH2-C=CH21% 99%CH3-C-CH=CH-CH3H 43% 57%BBBЕсли в алкене, к которому присоединяется диборан, имеются значительные пространственныезатруднения, то триалкилборан не образуется. Реакция останавливается на стадии образованиядиалкил- или моноалкилборана.CH3CH3-C=CH-CH3B2H6ТГФ, ОоСCH3CH3(CH3-CH-CH-)2BHдисиамилборан (Sia2BH)H3CH3CCH3CH3B2H6H3CCH3CH CH3CBH2CH3тексилборанBH2В соответствии с электроотрицательностями бора и углерода поляризация связи углерод-бор валкилборанах такова:δδ(R-CH2-CH2)3BПод действием кислот происходит расщепление связи С-В, при этом протон атакует атомуглерода, несущий частичный отрицательный заряд.44δδ(R-CH2-CH2)3BH3 RCH2CH3В этой реакции наиболее эффективна уксусная кислота, поскольку атом бора весьма склоненобразовывать связи с кислородом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
