Хиральные P,N-бидентатные лиганды фосфитного типа: синтез, комплексообразование и применение в асимметрическом аллилировании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.01, кандидат химических наук Ширяев, Алексей Александрович

• Ширяев, Алексей Александрович
• кандидат химических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат химических наук Ширяев, Алексей Александрович

Введение

I. Хиральные РД-бидентатные лиганды фосфитного типа: синтез, комплексообразование и применение в асимметрическом аллилировании (литературный обзор)

1.1. Анализ литературных данных, относящихся к периоду становления координационной химии Р.А^-бидентатных фосфитов

1.2. Анализ литературных данных, относящихся к настоящему периоду изучения координационной химии и катализа с участием Р.Д^-бидентатных фосфитов 13 II. Хиральные РД-бидентатные лиганды фосфитного типа: синтез, комплексообразование и применение в асимметрическом аллилировании (обсуждение результатов) 32 II. 1. Ациклические Р,А^-бидентатные хиральные фосфиты 32 II. 1.1. P.jV-алкилфосфиты с sp -гибридными донорными атомами азота

II. 1.2. РД-арилфосфиты с sp -гибридными донорными атомами азота

II. 1.3. Р,А^-арилфосфиты с зр3-гибридными донорными атомами азота

11.2. Циклические Р,/^-бидентатные фосфиты с аксиальной хиральностью

11.2.1. Аксиально-хиральные Р.М-фосфиты с sp-гибридными донорными атомами азота

11.2.2. Аксиально-хиральные Р.М-фосфиты с зр3-гибридными атомами азота

11.3. Циклические Р*,Af-бидентатные амидофосфитные лиганды на основе (8)-пролинола

11.4. Циклические Р^М-бидентатные амидофосфитные лиганды на основе (8)-2-(анилинометил)пирролидина

11.4.1. Р*,N-амидофосфиты с sp -гибридными донорными атомами азота

11.4.2. Р*,N-амидофосфиты с зр3-гибридными донорными атомами азота

III. Экспериментальная часть

IV. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Хиральные P,N-бидентатные лиганды фосфитного типа: синтез, комплексообразование и применение в асимметрическом аллилировании»

Актуальность темы

Хиральные азотсодержащие фосфиты и амидофосфиты представляют собой новое поколение />,Л^бидентатных лигандов в современной координационной химии и металлокомплексном асимметрическом катализе. Это обусловлено внедрением принципиально нового метода управления стерическими и электронными параметрами фосфорсодержащего лиганда - введения в первую координационную сферу фосфора гетероатомов кислорода и (или) азота. Такой подход позволяет осуществлять тонкую регулировку химической устойчивости лиганда, его стерических требований и донорно-акцепторных свойств. К этому следует добавить, что соединения с тремя Р-0 и (или) P-N связями обладают рядом важных достоинств: 1). Синтетической доступностью, так как большинство этих веществ достаточно легко и с высоким выходом получают из распространенных оптически активных предшественников. При этом возможно прямое одностадийное фосфорилирование хиральных синтонов, в то время как получение соответствующих фосфиновых производных требует их предварительной модификации. 2). Устойчивостью к окислительным воздействиям, обусловленной отсутствием в их структуре связи Р-С. 3). Выраженной 7г-кислотностью, позволяющей координированным фосфитам стабилизировать низкие степени окисления металлов - комплексообразователей и повышать их электрофильность. Вполне закономерно, что />,А'-бидентатные лиганды фосфитного типа нашли применение в энантиоселективных каталитических реакциях гидрирования, сопряженного присоединения, гидросилилирования и алкилирования.

Вместе с тем круг используемых в настоящее время Р, jV-бидентатн ых фосфитов существенно ограничен и поэтому нуждается в значительном расширении и оптимизации. Кроме того, систематические исследования координационных свойств и совершенствование каталитического применения таких лигандов так же являются актуальными.

Цель работы

Получение принципиально новых хиральных Р^-бидентатных лигандов фосфитного типа, установление закономерностей их комплексообразования и создание высокоэффективных катализаторов асимметрического аллильного замещения.

Задачи работы

- рациональный синтез неизвестных ранее Р,ДГ-бидентатных хиральных лигандов фосфитной природы, относящихся к следующим структурным группам: ациклическим фосфитам, аксиально-хиральным циклическим фосфитам, циклическим амидофосфитам с Р*-стереоцентром.

- оценка стерических, электронных и спектральных параметров новых P,N-бидентатных лигандов.

- изучение характера координации полученных лигандов путем проведения модельных реакций комплексообразования с [Rh(CO)2Cl]2 , [Pd(COD)Cl2] и [Pd(allyl)Cl]2. Выявление факторов, определяющих закономерности комплексообразования, в том числе с прекатализаторами асимметрических реакций.

- исследование эффективности полученных хиральных лигандов в Pd-катализируемых реакциях асимметрического аллильного алкилирования и сульфонилирования.

Научная новизна

- получены новые хиральные Р,УУ-бидентатные лиганды фосфитного типа с разнообразными структурными и электронными характеристиками, в том числе с различными количеством и природой элементов хиральности. При этом впервые синтезированы фосфитные соединения .^-гибридным донорным атомом азота - иминофосфиты, обладающие высокой степенью электронной несимметрии; а так же фосфитооксазолины с ациклическими и Р*-хиральными фосфорными центрами.

- с использованием доступного оптически активного синтона (5)- и (или) (/?)-BINOL синтезированы уникальные мультихиральные Р,УУ-бидентатные лиганды.

- разработан неизвестный ранее хлорфосфитный метод фосфорилирования (5)-(2-анилинометил)пирролидина, открывающий доступ к стереоиндивидуальным циклическим амидофосфитам с Р*-стереоцентрами.

- впервые систематически исследовано координационное поведение различных групп новых лигандов по отношению к Rh (I) и Pd (II) и установлены его закономерности. Показано, что основным направлением является хелатообразование, при этом степень региоселективности зависит от стереохимии лиганда, характера азотного донорного центра и природы исходного металлокомплекса.

- ациклические и аксиально-хиральные циклические Р,уУ-фосфиты исследованы в Pd-катализируемом алкилировании (З-пентен-2-ил)этилкарбоната диметилмалонатом, при этом достигнуто до 82%ее. Показано, что наиболее эффективны лиганды с иминной периферией, выявлена прямая корреляция между величиной оптического выхода и стерическим объемом заместителей в составе периферийной иминогруппы.

- с использованием имино- и аминоамидофосфитов с Р*-стереоцентром созданы высокоэффективные палладиевые катализаторы асимметрического аллилирования. При этом в алкилировании 1,3-дифенилпропен-2-ил ацетата достигнуто до 98 % ее, что является лучшим на сегодняшний день результатом среди всех известных хиральных фосфитных лигандов. В сульфонилировании 1,3-дифенилпропен-2-ил ацетата NaS02pToI достигнут наибольший на настоящий момент уровень энантиоселективности в 97 %.

Практическая значимость работы состоит в создании высокоэффективных катализаторов асимметрического аллильного замещения, которые могут найти применение в получении важных биологически активных соединений, например а- и (3-аминокислот, простагландинов группы Е и нестероидных противовоспалительных препаратов.

На защиту выносятся

- дизайн и синтез неизвестных ранее групп хиральных ЛУУ-бидентатных лигандов фосфитного типа.

- зависимость их комплексообразования с Rh (I) и Pd (II) от стерических и электронных параметров лигандов, а также от природы исходного металлокомплекса.

- разработка высокоэффективных каталитических систем для реакций Pd-катализируемого аллильного замещения.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на Второй региональной научной конференции по органической химии «Органическая химия на пороге третьего тысячелетия - итоги и перспективы» (Липецк -2000г.); XX Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Ростов-на-Дону-2001г.); 13-й Международной конференции по химии соединений фосфора (Санкт-Петербург - 2002г.); 14-м Международном симпозиуме по хиральности (Германия, Гамбург - 2002г.); VI Российской конференции «Механизмы каталитических реакций» (Москва - 2002г.).

Публикации

Основное содержание работы изложено в 14 публикациях, в том числе в 8 статьях в рецензируемых российских и зарубежных журналах.

I. Хиральные Р,Л^бидентатные лиганды фосфитного типа: синтез, комплексообразование и применение в асимметрическом аллилировании литературный обзор)

Органические реакции, катализируемые хиральными комплексами переходных металлов, внесли решающий вклад в формирование современного состояния асимметрического синтеза. Этот факт был отмечен, в том числе, присуждением трем ведущим в этой области химии исследователям Нобелевской премии 2001г. При этом ключевым звеном в достижении высоких каталитических результатов является целенаправленный дизайн и синтез соответствующей группы оптически активных лигандов. Среди последних исключительно важную роль играют фосфорсодержащие соединения, внесшие весомый вклад в развитие представлений о геометрии и структуре комплексов, взаимном влиянии внутрисферных лигандов, природе координационной связи, а также в прогресс металлокомплексного катализа [1,2]. При этом основное внимание сейчас уделяется гетеробифункциональным системам, имеющим в составе молекулы помимо атома фосфора дополнительный донорный атом. Особое место принадлежит здесь Р,Д^-бидентатным соединениям. Так, в настоящее время известно более 500 хиральных Р.М-бидентатных лигандов, которые определяют процесс в таких областях органического синтеза, как формирование связей С - С и С - гетероатом, изомеризация, асимметрическое восстановление, присоединение - окисление. Большинство таких веществ относится к фосфиновому типу. Однако в последний период времени сформировался самостоятельный класс Р,Л^бидентатных фосфитных лигандов. При этом введение в состав молекулы эфира или амидоэфира фосфористой кислоты yV-донорного центра позволяет существенно расширить область применения хиральных фосфитов.

В настоящем обзоре систематически проанализированы литературные источники, посвященные синтезу хиральных Р.М-бидентатных лигандов фосфитного типа, а также их роли в координационной химии и металлокомплексном асимметрическом катализе. Проведена классификация литературных данных на основе структуры лигандов, а также с учетом соблюдения хронологии и вклада наиболее результативных научных школ.

Материал настоящей главы разбит на два подраздела. В первом суммированы ранние работы, посвященные главным образом координационной химии первых групп Р,М-бидентатных фосфитов [3]. Во втором обсуждаются исследования, результаты которых опубликованы в последнем пятилетии, т.к. именно в это время произошло активное внедрение />,уУ-бидентатных фосфитов в каталитические асимметрические реакции [4,5].

Заключение диссертации по теме «Неорганическая химия», Ширяев, Алексей Александрович

IV. Выводы.

1. Разработаны эффективные методики получения 35 новых P,N-бидентатных лигандов фосфитного типа с различными стерическими и электронными характеристиками, а также природой и положением элементов хиральности (в том числе мультихиральных). Эти соединения относятся к трем основным структурным группам в соответствии с природой фосфорного центра: 1) ациклическим фосфитам; 2) аксиально-хиральным циклическим фосфитам; 3) циклическим амидофосфитам с Р*-стереоцентром. При этом они располагают периферийными амино- или иминогруппами.

2. Показано, что Р,Д^-бидентатных лиганды с иминной периферией обладают более высокой степенью электронной несимметрии и являются более выраженными хелатообразователями, чем аналогичные соединения с периферийной аминогруппой.

3. Установлено, что координация с Rh (I) и Pd (II) ациклических P,N-фосфитов приводит к формированию устойчивых хелатных моноядерных комплексов. Исключение составляют соединения со стерически объемной аминогруппой, образующие побочные продукты с Р-монодентатным связыванием.

4. С участием ациклических />М-фосфитов в Pd-катализируемой реакции алкилирования 1,3-дифенилпропен-2-ил ацетата диметилмалонатом достигнуто до 97% ее, (3-пентен-2-ил)этилкарбоната диметилмалонатом - до 82% ее. В последнем случае аминофосфиты мало результативны, наиболее энантиоселективны иминофосфитные лиганды. Для последних найдена прямая корреляция между величиной оптического выхода и стерическими требованиями заместителей при азотном и хиральном углеродном атомах.

5. Выявлено, что по сравнению с ациклическими аналогами хелатирующая способность аксиально-хиральных Р,А^-фосфитов на основе BINOL выражена в меньшей степени и зависит от стереохимии лиганда, природы азотного донорного центра и исходного металлокомплекса.

6. Использование Р,М-фосфитных производных BINOL в Pd-катализируемой реакции алкилирования (3-пентен-2-ил)этилкарбоната диметилмалонатом позволяет достичь до 81% ее. Как и в случае ациклических систем, обнаружена существенно большая энантиоселективность иминофосфитов, а также корреляция между стерическим объемом заместителя при иминном азоте и величиной оптического выхода. При этом мультихиральность является необходимым условием высокой энантиоселективности.

7. Изучение комплексообразования аминоамидофосфитных производных (8)-пролинола показало, что включение донорного атома азота в состав пиперидинового цикла препятствует хелатообразованию и приводит к образованию биядерного продукта с мостиковым связыванием лигандов по типу «голова к хвосту».

8. Найдено, что фосфорилирование соответствующих имино- и аминоспиртов монохлордиамидофосфитным производным (S)-2-(анилинометил)пирролидина протекает с высокой стереоселективностью и приводит к эпимерам с (^-конфигурацией Р*-стероцентра. Эти лиганды при координации с Rh (I) и Pd (II) являются как правило типичными хелатообразователями за счет Р,Л^бидентатного связывания. С их участием в Pd-катализируемом аллильном алкилировании 1,3-дифенилпропен-2-ил ацетата диметилмалонатом достигнуто до 98% ее, в аллильном сульфонилировании этого же субстрата действием NaSC>2 pTol - до 97% ее.

9. Впервые в Pd-катализируемом аллильном сульфонилировании использованы фосфитные и амидофосфитные производные оксазолинов, при этом для 1,3-дифенилаллилпропен-2-ил ацетата достигнуто 92% оптического выхода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Ширяев, Алексей Александрович, 2003 год

1. Catalitic Asymmetric Syntesis (Ed. I. Ojima). Wiley, New York, 2000

2. Ю.Н. Кукушкин. Реакционная способность координационных соединений. Химия, Ленинград, 1987

3. К.Н. Гаврилов, И.С. Михель // Координац. химия 1998, Т. 24, С. 833

4. К.Н. Гаврилов, А.И. Полосухин // Успехи химии 2000, Т. 69, С. 721

5. К.Н. Гаврилов, О.Г. Бондарев, А.И. Полосухин // Успехи химии 2003, принято в печать

6. К.Н. Гаврилов, Е.Ю. Жоров // Журн. неорган, химии, 1993, Т. 38, № 9, С. 1544

7. А.А. Волобоев // Дис. канд. хим. наук, М.: ИОХ РАН, 1994

8. К.Н. Гаврилов, А.И. Полосухин, JI.A. Лопанова, Г.И. Тимофеева // Координац. химия 1995, Т. 21, № 3, С. 281

9. И.С. Михель, К.Н. Гаврилов, М.Г. Виноградов // Тез. докл. VI Междунар. конф. «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах», Иваново, 1995, К-43

10. К.Н. Гаврилов, И.С. Михель, К.А. Лысенко и др. // Журн. неорган, химии 1997, Т. 42, №4, С. 593

11. К.Н. Гаврилов, А.В. Корыстылев, Г.И. Тимофеева и др. // Координац. химия 1998, Т. 24, № 8, С. 610

12. К.Н. Гаврилов, И.С. Михель // Координац. химия 1997, Т. 23, № 7, С. 560

13. К.Н. Гаврилов, Д.В. Лечкин // Координац. химия 1994, Т. 20, № 9, С. 719

14. К.Н. Гаврилов, Д.В. Лечкин, Л.А. Лопанова, Г.И. Тимофеева // Координац. химия 1996, Т. 22, № 6, С. 472

15. К.Н. Гаврилов, Д.В. Лечкин, А.И. Полосухин, А.В. Корыстылев // Тез. докл. XVIII Чугаевского совещ. по химии координационных соединений, Москва, 1996, С. 28

16. К.Н. Гаврилов, Д.В. Лечкин // Журн. неорган, химии, 1997, Т. 42, № 11, С. 184717