Новые палладациклы и их применение в энантиоселективном катализе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат химических наук Зыков, Павел Андреевич

• Зыков, Павел Андреевич
• кандидат химических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат химических наук Зыков, Павел Андреевич

I. Введение.

II. Литературный обзор "Применение циклопалладированных комплексов в энантиоселективном катализе".

11.1. [3,3]-Сигматропные перегруппировки.

11.1.1. Аза-кляйзеновская перегруппировка.

11.1.2. Окса- и тиакляйзеновские перегруппировки.

11.2. Альдольная конденсация.

11.3. Реакция Михаэля.

11.4. Реакции аллилирования кратных связей и аллильного замещения.

11.4.1. Реакции аллилирования альдегидов и иминов.

11.4.2. Реакции аллильного замещения.

11.5. Другие трансформации.

11.6. Кросс-сочетание и аналогичные процессы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Новые палладациклы и их применение в энантиоселективном катализе»

История развития химии циклопалладированных комплексов (ЦПК) насчитывает почти половину столетия — первое соединение этого класса было синтезировано в 1965 году.1'1 Первоначально химия ЦПК была ориентирована преимущественно на разработку различных вариантов региопаправленного топкого органического синтеза в стехиометрическом режиме.'2^ Начало развития стереохимии пал-ладациклов датируется появлением в 80-х годах прошлого века первых оптически активных С*-хиральных CTV-палладациклов, производных а-арилалкиламинов'3'4' и их планарно-хиральиых аминоалкилферроценовых аналогов;'5'6' эти структуры долгое время оставались монополистами в своей области.

Безусловным прогрессом последних десятилетий в химии хиральных ЦПК следует признать резкий всплеск интереса к структурной и стереохимичсской диверсификации соединений этого класса. Коллекция известных к настоящему времени оптически активных палладациклов насчитывает сотни структур, включая как мопоциклические CN-, CS- и РС-комплексы, так и их бициклические "пинцетные" SCS-, NCN- и РСР-апалоги, преимущественно содержащие эндо- или экзо-цикли-ческие С*-стереоцентры.

Если проанализировать все варианты практического применения оптически активных палладациклов, то становится очевидным, что все они в конечном итоге обслуживают нужды сгехиометрического и каталитического асимметрического синтеза. Действительно, первое, наиболее широко развитое и ставшее рутинным направление — разделение на циклопалладированных матрицах энантиомеров рацемических фосфинов, дифосфинов и амипофосфинов,17'^ поставляет лиганды для асимметрического катализа комплексами переходных металлов. Фактически той же цели служат и многочисленные варианты промотируемых хиральными CvV-пал-ладациклами реакций [4+2]циклоприсоедипспия Дильса-Альдера'9' и гидрофосфи-нирования/10'1'' Спектральное определение энантиомерного состава'12'13' и абсолютной конфигурации'1^ органических молекул, способных к координации с палладием, с использованием оптически активных CN- или РС-палладациклов на стадии хиральной дериватизации, также можно рассматривать как простой и надежный инструмент контроля за эффективностью асимметрических трансформаций любого типа.

Отличительной особенностью последних лет следует признать более непосредственное вовлечение хиральных ЦПК в энантиоселективный катализ в роли катализаторов или прекатализаторов. Эта область находится лишь на начальных этапах развития, поэтому неудивительно, что потенциал палладациклов оценен далеко не во всех трансформациях, подвластных классическому палладиевому катализу. Для достижения успеха здесь необходимо оптимальное сочетание каталитической активности циклопалладировапного комплекса с его способностью к хи-ральному распознаванию; для выполнения последнего условия существенно сохранение металлацикла при его функционировании в катализе. Решение этих задач требует как создания новых хиральных ЦПК ранее неизвестных структурных и сте-реохимических типов, так и более глубокого исследования механизмов катализируемых реакций, направленного на выяснение судьбы участвующих в катализе палладациклов.

Цель настоящей работы — синтез оптически активных ЦПК новых стереохи-мических типов, включая фосфитный РС-палладацикл с атомом фосфора в аксиально хиральном окружении, диазафосфолидиповый РС-комплекс с 7г-акцептор-ным Р-донором и фосфиновый РС-палладацикл с прямой связью Рё-С*, а также разработка нового метода тестирования механизмов катализируемых реакций, основанного на применении оптически активных циклопалладированных прохираль-ных лигандов.II. Применение циклопалладированных комплексов в энантиоселективном катализеВнедрение в гомогенный металлокомплексный катализ циклопалладированных соединений принято считать началом новой эры в этой области. Преимущества этого нового класса (пре)катализаторов основаны на их чрезвычайно высокой термической, окислительной и гидролитической стабильности. Именно эти свойства определяют их уникальную эффективность в катализе процессов образования связей С-С и C-N. С переходом от классических координационных соединений палладия к ЦПК удалось не только добиться рекордных значений TON (до 1011) в реакциях, обычно требующих затрат до 10 мол% дорогого катализатора/'5"18' но и вводить в них дешевые, но малореакционноспособные арилхлориды/19'201Поэтому неудивительно, что следующим шагом в развитии этой ветви тонкого органического синтеза стал переход к энаптиоселективному катализу хираль-ными палладациклами. В данном обзоре представлен анализ результатов исследований поведения хиральных моно- и бициклических ЦПК в катализе различных химических трансформаций. Из рассмотрения исключены карбеновые аналоги ЦПК и металлациклические соединения СС-типа, поскольку они выходят за рамки классического определения циклопалладированных соединений как структур с одним или несколькими карбанионными центрами, стабилизированными координацией металла с одним или более гетеродонорным атомом.

Следующим шагом в процессе усовершенствования планарно-хиральных катализаторов стало использование ферроценильных палладациклов Va-i с 1,3-окса-золинильными донорными группами (семейство катализаторов "FOP" — Ferrocenyl Oxazoline Palladacycles)/3j'39'40]R\SiCpFeMe,SiCpFeCEt2(OMe)(RplSc)-Va-cR = Pr¡, R' = Me (a); R = Bu1, R' = Me (b), Et (c).GSUSc)-VdRn = H (e), 2-Me (f), 4-MeS (g), 4-CF3 (h), 2,6-(MeO)2 (i).

1с (Аг = 4-МеОС6Н4) 2с, 99.6% ее(Я), 94%Авторы предполагают, что повышенная каталитическая активность паллада-циклов VIa,b, принадлежащих к семейству "FIP" (Ferrocenyl Imidazoline Pallada-cycles), обусловлена (по меньшей мере частично) электроноакцепторными свойствами Ph-колец, усиливающих льюисову кислотность металлического центра. Вероятно, энантиоселективность таких структур во многом определяется конформаци-онными 01раничениями, накладываемыми объемным РЬ5Ср-фрагментом. К сожалению, оба катализатора работают только после их предварительной активации солями серебра.

Большинство фсрроцснильпых ТДПК - IVa-f,l38] Va-i,L33'39'40'60"62J VIIa-e[44] и хромтрикарбонильные соединения IXa,b,'33'55'6jJ получены альтернативным способом, основанным на окислительном присоединении предварительно функциопали-зовапного лиганда к соединению палладия(О), обычно Pd2(dba)3 (dba = дибепзили-депацетоп) или персметаллированисм токсичных ртуть-органических предшественников с последующим разделением диастереомеров.'63' Эти методы сильно проигрывают предыдущему подходу по нескольким причинам: (i) оба метода довольно трудоемки и многостадийны, первый из них часто включает двукратное лигиирова-пие, если необходимо блокирование нежелательного участка мсталлировапия си-лильпой группой; (ii) всс стадии проводятся па оптически активном исходном соединении, что сопряжено со значительными потерями дорогих хиральных соединений; (iii) поскольку для фунгщионализации лигандов обычно используют йодирование, то конечные ЦПК образуются в виде ц-йодидных димеров, которые не обладают каталитической активностью, что с неизбежностью требует замены йодида на другой анион, обычно с помощью солей серебра или таллия.

Анализ результатов апробации циклопалладированных катализаторов показывает существенную зависимость их активности и энантиоселсктивности от структуры субстрата. Наиболее существенна природа заместителя R1 в винильном положении, поскольку он сохраняется в конечном аллиламине. Практически приемлемые химические и оптические выходы были получены только в реакциях субстратов со сравнительно слабо разветвленными заместителями R1 = Me, Pr, Ви1, Вп, PhCH2CH2; при R1 - Рг; скорость реакции обычно заметно снижается. До сих пор не удалось распространить этот подход на субстраты с R1 = Ph, Bul, даже с использованием наиболее эффективных катализаторов, что существенно ограничивает область применимости перегруппировки Овермана.

Еще одну проблему представляет заметное понижение скорости реакции в случае субстратов (^-конфигурации по сравнению с (£)-аналогами, хотя зависимость энантиоселективности реакции от геометрии субстрата как правило противоположна. Снятие этой нежелательной зависимости позволило бы получать оба энантиомера аллиламина с катализатором одной и той же конфигурации.

Заключение диссертации по теме «Органическая химия», Зыков, Павел Андреевич

V. Выводы

1. Синтезированы эпантиомерно чистые фосфаналладациклы ранее нензвес-тных структурных и/или стереохимических типов: первый РС-палладацикл с элементами аксиальной хиральности; первый РС-палладацикл с асимметрическим С*-стереоцентром, непосредственно связанным с металлом и являющимся единственным источником оптической активности; первый РС-палладацикл с я-акцспторным Р-стереоцентром на основе диазафосфолидипа. Оптимизированы условия актива

О 1 ции связей (sp )С-Н или (sp )С-Н в соответствующих лигандах.

2. Впервые показана возможность прямой активации связей С-Н в хираль-ных лигандах, полученных на основе 1,Г-бипафтил-2,2'-диола (BINOL) в условиях термолиза (—110 °С) без понижения энантиомерной чистоты исходного лиганда, вместо обычно используемой многостадийной процедуры, основанной па окислительном присоединении предварительно функционализованного лиганда.

3. Проведено полное отнесение сигналов в спектрах ЯМР 'Н с использованием не только стандартных экспериментальных методик, таких как ЯМР 'щ'Н} и

I 31

Н{ Р}, COSY, NOE, но и расчетов спектров и структур квантово-химическим методом (DFT), а также с привлечением данных РСА.

4. Впервые на примере фосфитных ЦПК проведен детальный анализ специфики переноса хиральной информации в фосфапалладациклах от ее первичного источника к палладациклу и к координационному окружению металла на основании геометрических параметров новых комплексов в газовой фазе (расчеты методом DFT) и в кристалле (РСА).

3 1

5. Разработаны новые спектральные (ЯМР Р) методы определения энантио-мерного состава РС-палладациклов и исходных оптически активных лигандов с применением (Яс)-валината, (Рс,Рс)-стильбендиамина или энантиомерно чистого (^-СА^-палладацикла па стадии хиральной дериватизации.

6. Впервые разработан универсальный способ привлечения спектроскопии

31

ЯМР Р для определения энантиомерного состава GV-палладациклов, основанный на использовании в качестве хирального деривагизирующего агента фосфинита (Z?c)-MenthOPPh2, легко доступного из природного спирта - (Рс)ментола.

7. Показана высокая каталитическая активность /""-хирального диазафосфо-лидинового РС-палладацикла в реакции гидроарилирования норборнена; признаки асимметрической индукции в этом процессе не обнаружены.

8. Разработана принципиально новая методология оценки судьбы паллада-циклов при их функционировании в катализе, основанная на применении оптически активных циклопалладированных производных прохиральных лигандов в качестве (пре)катализаторов, с последующим анализом изменений в энантиомерном составе регенерированного катализатора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Зыков, Павел Андреевич, 2010 год

1. А. С. Соре, R. W. Siekman, "Formation of Covalent Bonds from Platinum or Palladium to Carbon by Direct Substitution",./. Am. Chem. Soc., 1965, 87, 3272.

2. J. M. Vila, M. T. Pcreira, in Palladacycles. Synthesis, Characterization and Applications', J. Dupont, M. Pfeffer, Eds. Wiley-VCI I Verlag GmbH: Wcinheim, 2008, 5, 87.

3. S. Otsuka, A. Nakamura, Т. Капо, K. Tani, "Partial resolution of racemic tertiary phos-phines with an asymmetric palladium complex", J. Am. Chem. Soc., 1971,93,4301.

4. V. I. Sokolov, L. L. Troitskaya, O. A. Reutov, "Asymmetric induction in the course of internal palladation of enantiomeric 1-dimethylaminoethylferrocene",

5. J. Organomet. Chem., 1977, 133, C28.

6. V.I. Sokolov, L.L. Troitskaya, "Asymmetric Catalysis in Cyclometallation Reaction", Chimia, 1978, 32, 122.

7. J.-P. Djukic, in Palladacycles. Synthesis, Characterization and Applications', J. Dupont, M. Pfeffer, Eds. Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim, 2008, 7, 123.

8. S. B. Wild, "Resolutions of tertiary phosphines and arsines with orthomctallated palladium(ll)~amine complexes", Coord. Chem. Rev., 1997, 166, 291.

9. P.-H. Leung, "'Asymmetric Synthesis and Organometallic Chemistry of Functio-nalized Phosphines Containing Stereogenic Phosphorus Centers",

10. Acc. Chem. Res., 2004, 37, 169.

11. F. L. Liu, S. A. Pullarkat, Y. Li, Sh. Chen, M.Yuan, Zh. Y. Lee, P.-H. Leung, "Highly Enantioselective Synthesis of (2-Pyridyl)phosphine Based C-Chiral Unsymmetrical P,N-Ligands Using a Chiral Palladium Complex", Organometallics, 2009,28. 3941.

12. W.-Ch. Yco, S.-Y. Tee, G.-Kh. Tan, L. L. Koh, P.-H. Leung, "Chiral Palladium Template Promoted Asymmetric Hydrophosphination Reaction between Diphe-nylphosphine and Vinylphosphines", Inorg. Chem., 2004, 43, 8102.

13. V. V. Dunina, L. G. Kuz'mina, M. Yu Kazakova, Yu. K. Grishin, Yu. A. Veits, E. I. Kazakova, "orZ/jo-Palladated a-phenylalkylamines for enantiomeric purity determination of monodentate P -chiral phosphines",

14. Tetrahedron: Asymmetiy, 1997, 8, 2537, and references therein.

15. V. V. Dunina, O. N. Gorunova, M. V. Livantsov, Yu. K. Grishin, "P*-Chiral phosphapalladacycle as derivatizing agent for enantiomeric purity determination of a-amino acids by means of 31P NMR spectroscopy",

16. Tetrahedron: Asymmetry, 2000, 11, 2907, and references therein.

17. V. V. Dunina, L. G. Kuz'mina, M. Yu. Rubina, Yu. K. Grishin, Yu. A. Veits, E. I. Kazakova, "A resolution of the monodentate P*-ehiral phosphine PBu'C6H4Br-4 and its NMR-deduced absolute configuration",

18. Tetrahedron: Asymmetry, 1999, 10, 1483, and references therein.

19. C. Najera, D. A. Alonso, in Palladacycles. Synthesis, Characterization and Applications; J. Dupont, M. Pfeffer, Eds. Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim, 2008, 8, 155.

20. R. B. Bedford, in Palladacycles. Synthesis, Characterization and Applications', J. Dupont, M. Pfeffer, Eds. Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim, 2008, 9, 209.

21. J. Dupont, C. S. Consorti, J. Spencer, "The Potential of Palladacycles: More Than Just Precatalysts", Chem. Rev., 2005, 105, 2527.

22. I. P. Beletskaya, A. V. Cheprakov, "The Heck Reaction as a Sharpening Stone of Palladium Catalysis", Chem. Rev., 2000, 100, 3009.

23. R. B. Bedford, C. S. J. Cazin, D. Holder, "The development of palladium catalysts for C-C and C-heteroatom bond forming reactions of aryl chloride substrates", Coord. Chem. Rev., 2004, 248, 2283.

24. N. J. Whitcombe, K. K. Hii, S. E. Gibson, "Advances in the Heck chemistry of aryl bromides and chlorides", Tetrahedron 2001, 57, 7449 (review).

25. L. F. Tietze, H. Ila, H. P. Bell, "Enantioselective Palladium-Catalyzed Transformations", Chem. Rev., 2004, 104, 3453.

26. J. Dupont, M. Pfeffer, J. Spencer, "Palladacyclcs An Old Organometallic Family Revisited: New, Simple, and Efficient Catalyst Precursors for Homogeneous Catalysis", Eur. J. Inorg. Chem., 2001, 1917.

27. A. Gutnov, "Palladium-Catalyzed Asymmetric Conjugate Addition of Aryl-Metal Species", Eur. J. Org. Chem. 2008, 4547.

28. P. S. Pregosin, R. Salzmann, "Structure and dynamics of chiral allyl complexes of Pd(II): NMR spectroscopy and enantioselective allylic alkylation",

29. Coord. Chem. Rev., 1996, 155, 35.

30. J. T. Singleton, "The uses of pincer complexes in organic synthesis", Tetrahedron, 2003, 59, 1837.

31. M. E. van der Boom, D. Milstein, "Cyclometalated Phosphine-Based Pincer Complexes: Mechanistic Insight in Catalysis, Coordination, and Bond Activation", Chem. Rev., 2003, 103, 1759.

32. M. Albrecht, G. van Koten, "Platinum Group Organometallics Based on Pincer Complexes: Sensors, Switches, and Catalysts",

33. Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 3750.

34. L. E. Overman, "Molecular rearrangements in the construction of complex molecules", Tetrahedron, 2009, 65, 6432. (review)

35. L. E. Overman, N. E. Carpenter, Org. React. 2005, 66, 1.

36. L. E. Overman, "Thermal and mercuric ion catalyzed 3,3.-sigmatropic rearrangement of allylic trichloroacetimidates. 1,3 Transposition of alcohol and amine functions", J. Am. Chem. Soc., 1974, 96, 597.

37. L. E. Overman, "Allylic and propargylic imidic esters in organic synthesis", Acc. Chem. Res., 1980, 13, 218.

38. M. Calter, T. K. Flollis, L. E. Overman, J. Ziller, G. G. Zipp, "First Enantioselective Catalyst for the Rearrangement of Allylic Imidates to Allylic Amides",

39. J. Org. Chem., 1997, 62, 1449.

40. T. K. Hollis, L. E. Overman, "Palladium catalyzed enantioselective rearrangement of allylic imidates to allylic amides", J. Organomet. Chem., 1999, 576, 290.

41. P.-FI. Leung, K.-H. Ng, Y. Li, A. J. P. White, D. J. Williams, "Designer cyelopal-ladated-amine catalysts for the asymmetric Claisen rearrangement",

42. Chem. Commun., 1999, 2435.

43. M. P. Watson, L. E. Overman, R. G. Bergman, "Kinetic and Computational Analysis of the Palladium(II)-Catalyzed Asymmetric Allylic Trichloroacetimidate Rearrangement: Development of a Model for Enantioselectivity",

44. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 5031.36.