Диссертация (1150329), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Использование в качестве модификатора метилиодида позволилокарбонилироватьразличныеарилбромиды,гетарилгалогениды,атакжевинилгалогениды [60]. Однако селективность процесса низка, так как побочно взначительных количествах образуются соответствующие арилметилкетоны.При комнатной температуре и атмосферном давлении монооксидауглерода возможно карбонилирование галогенаренов с использованием вкачестве катализатора системы хлорид кобальта(II)/метилиодид [61], носкорость реакции при этом невелика. Для увеличения скорости реакции в этойсистеме было предложено использование восстанавливающих агентов, вчастности, боргидрида натрия или аддукта натрия с нафталином [62]. В данномслучае, по мнению авторов, исключается стадия получения карбонила кобальта.Однако по активности такие системы не отличаются от систем, изученных в[58−60],аиспользованиедополнительныхвосстановителейусложняетпроведение реакции, тогда как Co2(CO)8 является коммерчески доступным инедорогим катализатором.20Болееспособныйподходящимлегкомодификаторомобразовыватьсявляетсябензилхлоридтетракарбонилкобальтатным[63],аниономбензилкобальткарбонильный комплекс, превращающийся далее в анионныйкомплекс А (R = PhCH2) (Схема 20):Схема 20В работе [63] показано, что из всех алкилгалогенидов бензилхлоридобразуетнаиболееактивныйкатализатор.Носерьезнымнедостаткомбензилхлорида является то, что он сам подвергается карбонилированию вусловиях реакции с образованием в значительном количестве фенилуксуснойкислоты, которую сложно отделять от целевой арилкарбоновой кислоты.
Этообстоятельство привело к необходимости поиска другого метода модификациикобальткарбонильных комплексов, нежели взаимодействие алкилгалогенидов скарбонилом кобальта.Недавно в нашей лаборатории была разработана каталитическая системакарбонилирования галогенаренов на основе Co2(CO)8 и метилоксирана [64](Схема 21):Схема 21Реакция характеризуется мягкими условиями, идет в спиртовой среде вприсутствии основания при атмосферном давлении монооксида углерода. Это21позволилосинтезироватьцелыйрядзамещенныхбензойныхкислот,труднодоступных другими методами [65−67].Ключевой стадией процесса является анион-радикальная активациягалогенаренакобальт-лактонныманионнымкомплексомВ,обратимообразующимся в условиях реакции из тетракарбонилкобальтатного аниона иоксирана и выполняющим роль мягкого нуклеофила в реакции анионрадикального нуклеофильного замещения [64] (Схема 22):Схема 222.3.
Реакции аминирования, катализируемые комплексами медиКатализируемое медью арилирование N-нуклеофилов галогенаренами(Схема 1) представляет собой известный с 1903 г. синтетический метод.22Традиционные методы C–N кросс-сочетания с использованием меди, такие какклассические реакции Ульмана (амины в качестве нуклеофила) [68] иГольдберг (амиды в качестве нуклеофила) [69], находят ограниченноепрактическоеиспользованияприменение,впервуюстехиометрическогоочередьколичествапотому,меди,чтотребуютжесткихусловийпроведения процесса (>200 °C) и использования высококипящего полярногоорганического растворителя, обычно нитробензола [70,71].
Поэтому поисккаталитических систем для проведения модифицированной реакции Ульмана,позволяющих арилировать различные NH-нуклеофилы в сравнительно мягкихусловиях, привлекает пристальное внимание исследователей.За последние 15 лет был предложен широкий круг подобных систем[71−74]. В настоящее время катализируемые медью реакции N-арилированияаминов активно применяются в синтезе, в том числе, и ряда биологическиактивных веществ: ингибиторов киназы [75,76], антибиотиков [77,78] иактивных агентов центральной нервной системы [79]. При этом ключевую рольиграет подбор соответствующих лигандов, повышающих растворимость истабильность медных комплексов в используемом растворителе.
Как правило,процесс ведут в органических растворителях (ДМСО, ДМФА, 2-пропанол,толуол, н-декан). С практической точки зрения предпочтительнее применять вкачестве растворителя воду. Примеров проведения С‒N кросс-сочетания сиспользованием медного катализа в водных средах не так много, но имеющиесяв литературе методики обладают большим синтетическим потенциалом [80]. Вслучае использования лигандов на основе оксалилдигидразида [81, 82] игидразида пиррол-2-карбоновой кислоты [83] было показано, что в реакциях С–N кросс-сочетания в водной среде способны участвовать субстраты и NHнуклеофилы различной структуры. Однако эти методики требуют большойзагрузки меди (до 10 мол.
%) и лиганда (до 50 мол. %).В литературе в разное время было предложено несколько механизмов,описывающихкатализируемоемедьюкросс-сочетаниегалогенареновс23различными нуклеофилами [71, 74]. В настоящее время большинство авторовсчитает,чтореакцияподчиняетсяобычномукаталитическомуциклу,включающему стадии окислительного присоединения, обмена лигандов ивосстановительного элиминирования с участием пары Cu(I)/Cu(III) (Схема 23)[71, 74, 84]:Схема 23Полагают,чтолимитирующейстадиейявляетсяокислительноеприсоединение галогенарена ArX к комплексу меди(I) LCuNHPh. В ряде статейобсуждаются ключевые аспекты, связанные с окислительным состояниемактивного медного катализатора и с типом активации галогенарена [84−86].Стадия окислительного присоединения может протекать как согласованныйтрехцентровой процесс (OxIns), или через одноэлектронный перенос скомплекса меди на галогенарен (SET) (Схема 24).
Последний, в свою очередь,можетприводитькобразованиюарильногорадикалаврезультатефрагментации анион-радикала или в результате отрыва от него галогенид-ионакомплексом меди (перенос атома, АТ).24Схема 24По-видимому, конкретный механизм зависит от вида нуклеофильногореагента, а также используемого галогенарена и условий реакции [71, 74].Несмотря на то, что существуют альтернативные механизмы длямодифицированнойреакцииУльмана,большинствоэкспериментальныхданных говорят в пользу OxIns, хотя не стоит отрицать возможностисуществования SET-механизма в случае C–N сочетания для некоторыхотдельных субстратов, как, например, для 1-бромантрахинона.2.4.
Особенности механизмов окислительного присоединения с участиеморганических галогенидовДля всех рассмотренных выше реакций кросс-сочетания характернаобщая стадия активации галогенарена комплексом переходного металла –стадия окислительного присоединения (OxAdd), часто являющаяся скоростьопределяющей в каталитическом цикле [4] (Схема 25).Схема 2525Кроме того, именно эта стадия ответственна за то, будет ли данныйкатализатор активировать тот или иной органический субстрат.
Поэтомупонимание закономерностей протекания этой стадии весьма важно дляразработкиновыхкаталитическихпроцессов.Кнастоящемувремениокислительное присоединение стало предметом ряда отдельных исследований,включая эксперименты на модельных системах [87, 88], кинетическиеизмерения [89, 90, 91, 92] и квантово-химические расчеты [93–97].Различаютследующиемеханизмыстадииокислительногоприсоединения: ионный, механизм SN2, анион-радикальный, радикальный исогласованный (OxIns).Для ионного механизма характерна полная диссоциация в растворемолекулы А-В и последовательная координация к металлическому комплексу.Возможны два пути реакции: первоначальная координация катиона А, либоаниона В (Схема 26).Схема 26Потакомумеханизмупроисходитокислительноеприсоединениепротонных кислот, например, HCl (Схема 27) [98].26Схема 27Окислительное присоединение по механизму SN2.
По этому механизмуреагируют,преждевсего,алкил-ибензилгалогениды.Приэтомметаллокомплекс вступает в реакцию бимолекулярного нуклеофильногозамещения в качестве нуклеофила, атакуя одной из пар электроновметаллоцентра разрыхляющую орбиталь связи C-X, образуя X- и [LnMR]+,которые далее дают продукт окислительного присоединения (Схема 28).Схема 28Для этого механизма характерна классическая зависимость реакционнойспособности галогенида от его структуры, хорошо известная из органическойхимии. По мере увеличения объема заместителей у атома углерода, скоростьреакции изменяется в следующем порядке: MeX > EtX > i-PrX.
Чем лучшеуходящая группа X, тем выше скорость реакции, поэтому относительнаяреакционная способность изменяется в ряду RI > RBr > RCl. Чемнуклеофильнее металл, тем больше его активность в SN2 присоединении. Так,например, для комплексов Ni(0) активность изменяется следующим образом:Ni(PAlk3)4 > Ni(PAr3)4 > Ni(PAlk3)2(алкен) > Ni(PAr3)2(алкен) [99].27Нуклеофильность металла может увеличиваться и, следовательно,оказывать мощное стимулирующее воздействие на SN2 присоединение, такжепри присоединении галогенид-иона (еслиобразованиеманионногокомплекса.он имеется в растворе)Например,присокислительномприсоединении MeI к RhI(CO)(PPh3)2 иодид-ион первоначально заменяет PPh3наметаллическомцентресобразованиемпромежуточногокомплекса[RhI2(СО)(PPh3)]-, который очень быстро реагирует с MeI, образуя продуктреакции Rh(Me)I2(CO)(PPh3)2 и высвобождая иодид-анион [100].В оптически активных галогенидах происходит инверсия стереогенногоцентра (Схема 29) [101].Схема 29Образующийся в результате присоединения по механизму SN2 комплекс,как правило, имеет транс-конфигурацию (Схема 30), что может служитькосвенным подтверждением механизма.Схема 3028Анион-радикальный механизм может быть цепным или нецепным.Нецепной механизм представлен на схеме 31 на примере реакции комплексаPt(0):Схема 31Ключевой особенностью является перенос электронов от комплекса PtL2к RX с образованием катион-радикала PtL2+ и анион-радикала RX−.
Затемкатионный комплекс PtL2+ отрывает анион X− от анион-радикала RX− сполучением радикала R, который приводит к образованию конечного продуктареакции RPtXL2, прежде чем радикал сможет выйти из клетки растворителя. Сувеличением основности металла облегчается перенос электрона. Реакционнаяспособность галогенидов падает в ряду RI > RBr > RCl, а реакцияалкилтозилатов ROTs (в отличие от процесса SN2) протекает очень медленно.Это связано с разницей в энергиях связи С−Х, т.к.
электрон при образованиианион-радикала переносится на σ*-орбиталь этой связи. По той же причинесреди алкилгалогенидов наиболее реакционноспособными являются третичныесистемы.Цепной анион-радикальный механизм (SRN1) был предложен в 1970 г.БаннетомиКимомдляреакцийнуклеофильногозамещениявнеактивированных галогенаренах в мягких условиях (Схема 32) [102].Схема 3229Цепныеион-радикальныереакциизамещениямогутпротекатьсамопроизвольно, если в системе генерировать ион-радикалы ароматическогосубстрата.Получитьвзаимодействиемион-радикалыароматическихароматическихсубстратовсмолекулможносольватированнымиэлектронами, которые генерируются путем растворения щелочных металлов вжидком аммиаке [102, 103], также с помощью реакции переноса электрона снуклеофила на ароматический субстрат (SET), эта реакция характерна длянуклеофилов, обладающих сильными донорными свойствами [104].
Крометого, ион-радикалы могут быть получены электрохимически [105] илифотохимически [106].Примеромцепногоанион-радикальногомеханизмавреакцииокислительного присоединения комплекса металла является взаимодействиегалогенаренов с тетракарбонилкобальтатным анионом при освещении УФсветом (Схема 33) [47].Схема 33Основными стадиями цепного радикального механизма, изображенногона схеме 34, являются инициирование (реакция (1)), развитие цепи (реакции (2–3)) и обрыв цепи (4−5).30(1)RInR-XIn-XMnRRM(n+1)R-XRM(n+2)X2RR2(4)R2M(n+2)(5)RM(n+1)RM(n+1)R(2)(3)RСхема 34В отличие от нецепного радикального механизма, реакция замедляетсяили полностью останавливается в присутствии радикальных ингибиторов,таких как пространственно затрудненные фенолы, например, 2,6-ди-(третбутил)фенол; при этом образуется инертный арилоксильный радикал ArO..Cогласованный механизм характерен для палладиевого катализа реакцийнеполярныхреагентовЭкспериментальными[106–109]илидоказательствамигалогенареновтакогомеханизма[110–113].являютсяотносительная конфигурация стереогенного центра в случае хиральногореагента АВ и цис-положение лигандов А и В в образующемся комплексепалладия (Схема 35) [101].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
