Разработка и применение кинетических методов исследования механизмов сложных процессов на примере реакций кросс-сочетания в присутствии «безлигандных» палладиевых каталитических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат наук Ларина Елизавета Владимировна

• Ларина Елизавета Владимировна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Ларина Елизавета Владимировна

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

1 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РЕАКЦИЙ КРОСС-СОЧЕТАНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1 Общие сведения о реакциях кросс-сочетания

1.2 Методы исследования кинетики реакций кросс-сочетания для установления деталей

механизма их протекания

1.2.1 Формально-кинетические исследования реакций кросс-сочетания

1.2.2 Исследование кинетики реакций кросс-сочетания с учетом процессов, протекающих за пределами каталитического цикла

1.2.3 Исследования процессов превращения катализатора за пределами каталитического цикла

1.3 Методы, базирующиеся на использовании конкурентных реакций для установления

механизма реакций кросс-сочетания

1.3.1 Методы исследования, базирующиеся на создании «искусственной многомаршрутности»

1.3.2 Изучение «естественной многомаршрутности» для установления механизма реакций

1.3.2.1 Методы исследования механизма реакций, базирующиеся на естественном содержании конкурирующих изотопомеров в субстрате

1.3.2.2 Исследования селективности по основным и побочным продуктам превращения субстрата

1.4 Заключение

2 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

2.1 Применение методов, использующих конкурентные реакции для установления механизма сопряжения стадий каталитического цикла на примере реакций кросс-сочетания

2.1.1 Установление степени обратимости элементарных стадий каталитических циклов реакций кросс-сочетания

2.1.1.1 Реакция Соногаширы

2.1.1.2 Реакция Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот

2.1.2 Определение быстрых и медленных стадий каталитического цикла реакций кросс-сочетания

2.1.2.1 Реакция Соногаширы

2.1.2.2 Реакция Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот

2.1.3 Гипотезы механизма функционирования каталитических систем реакций Соногаширы и Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот

2.2 Применение методов, использующих конкурентные реакции для различения гомогенного и гетерогенного механизмов катализа (на примере реакций кросс-сочетания)

2.2.1 Применение методов, базирующихся на создании «искусственной многомаршрутности»

2.2.1.1 Реакция Сузуки-Мияуры

2.2.1.2 Реакция Соногаширы и реакция Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот

2.2.1.2.1 Реакция Соногаширы

2.2.1.2.2 Реакция Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот

2.2.2 Разработка и применение методов, базирующихся на «естественной многомаршрутности»: КИЭ и дифференциальная селективность по изотопомерам для различения гомогенного и гетерогенного механизмов катализа

2.2.2.1 Теоретическое рассмотрение

2.2.2.2 Реакция Сузуки-Мияуры

2.2.2.3 Реакция Мицороки-Хека с арилбромидами и ангидридами ароматических кислот

2.2.2.4 Реакция Соногаширы

2. 3 Применение «неконкурентных» методов для исследования процессов формирования и дезактивации катализатора в реакциях кросс-сочетания

2.3.1 Разработка и применения метода исследования процессов дезактивации катализатора, на примере реакций Сузуки-Мияуры и Мицороки-Хека с арилгалогенидами

2.3.2 Исследование формирования катализатора в реакции Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3. 1 Исходные вещества, растворители

3.2 Синтез серии образцов микропористых и мезопористых активированных углей

3. 3 Каталитические эксперименты

3.3.1 Реакция сочетания арилацетиленов с арилиодидами (реакция Соногаширы)

3.3.2 Реакция сочетания алкенов с ангидридами ароматических кислот (реакция Мицороки-Хека)

151

3.3.3 Реакция сочетания фенилборной кислоты с арилгалогенидами (Реакция Сузуки-Мияуры)

3.3.4 Реакция сочетания стирола с арилгалогенидами (реакция Мицороки-Хека)

3.3.5 Реакция сочетания арилацетилена с конкурирующими арилиодидами (реакция Соногаширы)

152

3.3.6 Реакция сочетания арилиодида с конкурирующими арилацетиленами (реакция Соногаширы)

153

3.3.7 Реакция сочетания алкена с конкурирующими ангидридами ароматических кислот (реакция Мицороки-Хека)

3.3.8 Реакция сочетания ангидрида ароматической кислоты с конкурирующими алкенами (реакция Мицороки-Хека)

3.3.9 Реакция сочетания фенилборной кислоты с конкурирующих арилбромидами (Реакция Сузуки-Мияуры)

3.4 Методы исследования

4 ВЫВОДЫ

5 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

AIR - воздух

APS - пероксидисульфат аммония

DCPB - дициклогексил фосфин бифенил

Seldif - дифференциальная селективность

TOF - частота оборотов (удельная каталитическая активность)

NMP - ^-метилпирролидон

АУМ - активированные угли микропористые

АУМЗ - активированные угли мезопористые

ГЖХ - газожидкостная хроматография ГХ-МС - газовая хромато-масс-спектрометрия ДМАА - Д#-диметилацетамид

ДМФА - Д#-диметилформамид

КИЭ - кинетический изотопный эффект

ТАБ - тетраарилбензол

ТАФ - тетраарилфульвен

ТБАБ - тетрабутиламмоний бромистый

ТГФ - тетрагидрофуран

ЯМР - ядерный магнитный резонанс

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение кинетических методов исследования механизмов сложных процессов на примере реакций кросс-сочетания в присутствии «безлигандных» палладиевых каталитических систем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Семейство катализируемых палладием реакций кросс-сочетания представляет одну из наиболее интенсивно развивающихся областей катализа. Большой интерес исследователей к этим процессам, прежде всего, обусловлен их синтетическими возможностями, позволяющими вовлекать в реакции широкий набор органических субстратов, а также высокой селективностью по целевым продуктам и толерантностью к примесям в используемых реагентах. Вследствие этого реакции кросс-сочетания в настоящее время получили широкое распространение не только в исследовательских лабораториях, но и на производстве [1, 2]. Тем не менее, несмотря на большое количество публикуемых работ, имеющих, прежде всего, синтетическую направленность, число представленных в литературе исследований механизмов этих реакций достаточно ограничено. Особенно четко это прослеживается для реакций кросс-сочетания, проводимых в присутствии так называемых «безлигандных» каталитических систем на основе соединений палладия, имеющих наибольшие перспективы практического применения вследствие их устойчивости к кислороду и влаге, а также благодаря отсутствию в них токсичных добавок фосфиновых лигандов. Для многих реакций кросс-сочетания, в том числе реакции Соногаширы, различных модификаций реакций Мицороки-Хека и Сузуки-Мияуры, нерешенными на сегодняшний день остаются важнейшие для любого каталитического процесса вопросы о типе механизма катализа (гомогенный или гетерогенный) и роли в нем растворенных молекулярных соединений катализатора и его различных твердых форм (в том числе наноразмерных частиц на поверхности носителя и в растворе), природе стадий, определяющих скорость и селективность процесса, а также о природе и механизме процессов превращения катализатора за пределами каталитического цикла (формирование-дезактивация катализатора). При этом применение традиционных методов исследования (установление формально-кинетических закономерностей, спектроскопический анализ модельных систем с полным исключением одного или нескольких компонентов реакционной смеси, либо с

низким соотношением субстрат/катализатор) к реакциям кросс-сочетания наталкивается на значительные трудности. Они обусловлены в первую очередь протеканием сложных и сопряженных процессов взаимопревращений различных форм катализатора за пределами основного каталитического цикла, что ведет к нестационарности их концентраций, и объективными трудностями количественного определения этих форм в условиях реального каталитического процесса, прежде всего, в силу их низких концентраций. Результатом этого является серьезный дефицит знаний об истинном механизме катализа реакций семейства кросс-сочетания, что делает актуальным применение существующих, а также поиск новых методов исследования механизмов сложных каталитических реакций, способных давать надежные результаты в условиях нестационарности формирующегося in situ катализатора без определения его количества.

Цель работы. Основной целью данной работы является исследование механизма функционирования «безлигандных» каталитических систем на основе солей палладия в реакции Соногаширы без применения солей меди, реакции Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот, реакции Сузуки-Мияуры и «классической» реакции Мицороки-Хека с арилгалогенидами с использованием разработанных ранее, а также новых кинетических методов исследования, способных приводить к достоверным результатам в условиях нестационарности концентрации истинного катализатора, вызванной его превращениями за пределами каталитического цикла, и невозможности ее определения в силу его ультранизкой концентрации и/или неизвестной природы.

Решаемые задачи:

1. Установление характера стадий каталитических циклов (быстрая

или медленная, обратимая или необратимая), в которых

реализуется взаимодействие катализатора с субстратами, а также

различение механизмов гомогенного и гетерогенного катализа в

реакциях Соногаширы и Мицороки-Хека с ангидридами

6

ароматических кислот путем исследования закономерностей дифференциальной селективности в условиях «искусственной многомаршрутности».

2. Разработка и апробация в ряде реакций кросс-сочетания новых подходов к исследованию механизмов сложных каталитических процессов, характеризующихся нестационарностью концентрации катализатора, для различения механизмов гомогенного и гетерогенного катализа путем исследования дифференциальной селективности по изотопомерам в условиях «естественной многомаршрутности», а также механизмов превращения различных форм катализатора в реакциях кросс-сочетания за пределами каталитического цикла (процессы дезактивации и формирования катализатора).

Научная новизна. В условиях создания «искусственной многомаршрутности» установлен быстрый и практически необратимый характер стадий с участием субстратов и реагентов реакции Соногаширы и реакции Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот. В условиях катализа в присутствии «безлигандных» каталитических систем для этих реакций помимо традиционных продуктов обнаружены новые нетипичные: циклические полиароматические соединения в реакции Соногаширы, и карбонилсодержащие — халконы и дигидрохалконы — в реакции Мицороки-Хека.

Разработан и апробирован новый метод различения гомогенного и гетерогенного механизмов катализа, базирующийся на исследовании дифференциальной селективности и кинетического изотопного эффекта (КИЭ) на естественном содержании изотопов в субстратах и продуктах реакции в условиях реальной каталитической реакции, то есть в условиях «естественной многомаршрутности». В результате проведенных исследований получены новые независимые доказательства реализации исключительно гомогенного

механизма катализа образования стильбенов и карбонилсодержащих продуктов реакции Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот, а также диарилацетиленов - продуктов реакции Соногаширы. Установлен значимый вклад механизма гетерогенного катализа в образование циклических полиароматических продуктов в условиях реакции Соногаширы. Разработан и апробирован на примере «безлигандных» каталитических систем реакций Мицороки-Хека и Сузуки-Мияуры с арилгалогенидами метод определения порядка процесса дезактивации катализатора. Показана принципиальная возможность использования данного подхода для установления кинетических закономерностей процесса дезактивации в реакциях с нестационарной концентрацией катализатора.

Практическая значимость. Обнаружение новых полиароматических продуктов в реакции Соногаширы, и карбонилсодержащих продуктов в реакции Мицороки-Хека может стать основой для разработки новых процессов получения данных соединений. Разработанный метод различения гомогенного и гетерогенного механизмов катализа путем анализа дифференциальной селективности по изотопомерам и КИЭ на естественном содержании изотопов в субстратах и продуктах реакции способен давать корректные результаты в реакциях с нестационарной концентрацией катализатора, когда измерение количества активного катализатора невозможно в силу его ультранизкой концентрации и/или неизвестной природы. Данный метод позволяет получать информацию о механизмах сложных каталитических реакций, необходимую для оптимизации существующих и поиска новых каталитических систем. Для проведения таких исследований достаточно применения доступного и при этом информативного метода хромато-масс-спектрометрии. Обнаруженные в работе кинетические закономерности протекания реакций Соногаширы и Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот могут служить основой при разработке новых перспективных каталитических систем.

Личный вклад автора. Автором выполнена вся экспериментальная работа. Автор принимал непосредственное участие в планировании экспериментов, интерпретации полученных результатов, формулировке выводов и написании статей.

Апробация работы. Материалы по теме диссертации были представлены на ХХХ и ХХХ1 Всероссийских симпозиумах молодых ученых по химической кинетике, (Москва, 2012-2013); кластерах конференций по органической химии «ОргХим-2013», «ОргХим-2016» (Санкт-Петербург, 2013, 2016); Второй международной школе-конференции «Applied Nanotechnology & Nanotoxicology» (Листвянка, 2013); Всероссийских молодежных школах-конференциях «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2014), «Химия под знаком Сигма: исследования, инновации, технологии», (Омск, 2014), «Успехи синтеза и комплексообразования» (Москва, 2016); Всероссийских научных конференциях (с международным участием): «Успехи синтеза и комплексообразования», (Москва, 2014), «Современные достижения химии непредельных соединений: алкинов, алкенов, аренов и гетероаренов» (Санкт-Петербург, 2014), «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (Москва, 2015), IV конференции по органической химии (Москва, 2015); II и III Российском конгрессе по катализу «РОСКАТАЛИЗ» (Самара, 2014), (Нижний Новгород, 2017); 12-th European Congress on Catalysis - EuropaCat-XII (Казань 2015), X International Conference (MCR-X) (Светлогорск, Калининградская область, 2016).

По теме диссертации опубликовано 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 19 тезисов докладов.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, выводов и списка использованной литературы.

В главе 1 проведен анализ методов и подходов, использованных

различными исследовательскими группами для установления деталей

механизмов катализа реакций кросс-сочетания. В главе 2 обсуждаются

результаты собственных исследований. Глава 3 содержит описание процедур

9

проведения кинетических экспериментов, методов синтеза и очистки исходных соединений и математической обработки экспериментальных данных. Диссертация изложена на 178 страницах машинописного текста, включая 27 схем, 11 таблиц, 41 рисунок и список цитируемой литературы из 240 наименований.

Тема диссертационной работы является составной частью научного направления ФГБОУ ВО «ИГУ» «Развитие научных основ синтеза металлокомплексных и наноразмерных катализаторов превращения ненасыщенных соединений на примере реакций С-С-сочетания, гидрирования, ди-, олиго- и полимеризации», выполняемом в отделе физической химии и катализа НИИНУС ИГУ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности Минобрнауки России для выполнения работы «Обеспечение проведения научных исследований» (№4.7266.2017/7.8). Работа выполнена при поддержке грантов: РНФ № 14-13-00062, Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-1167.2014.3, РФФИ № 12-03-31166_мол_а, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» ГК № П2060, ГК № П1344, ГК № 14.740.11.1180.

1 Исследование механизма реакций кросс-сочетания (Литературный обзор)

1.1 Общие сведения о реакциях кросс-сочетания

До 1970 года реакции с участием арилгалогенидов ограничивались лишь их взаимодействием с нуклеофилами по механизму SNAr. Диапазон используемых арилгалогенидов в основном был представлен субстратами, содержащими акцепторные группы, а реакции сочетания с алкенами и алкинами еще были неизвестны [3]. Открытие возможности осуществления окислительного присоединения арилгалогенидов к Pd(0) [4] с образованием интермедиатов типа ArPd(П)XLn (Ь=лиганд или растворитель, п=1, 2), привело к появлению нового класса палладий-катализируемых реакций арилгалогенидов с С-нуклеофилами.

В начале 70-х годов были опубликованы статьи Р. Хека и Т. Мицороки [5, 6], в которых им удалось впервые провести каталитическую по палладию реакцию сочетания арил- или винилгалогенидов с алкенами, ставшую впоследствии известной как реакция Мицороки-Хека (1).

Я2 [Рс1] я2

■2

^х + =/ * -" " » ==/ " + =/

основание / \ (1)

X = I, Вг, С1 Р-продукт а-продукт

= арил, винил, бензил

Необходимым компонентом каталитической системы реакции Мицороки-Хека является основание, в качестве которого обычно используют триалкиламины (NAlkз), ацетаты, карбонаты, гидроксиды щелочных металлов [7]. Кроме арилгалогенидов в реакцию часто вовлекают бензил-, винил- [8] и гетарилгалогениды [9], арил- и винилтрифлаты [10-14], соли арилдиазония [15 - 18], а в качестве алкенов - этилен, стирол, пропилен, виниловые эфиры [19, 20], амиды [21], непредельные кислоты [22], полифторированные алкены [23], аллилтриметилсиланы [24], циклические алкены [25, 26] тиофены [27], а так же дизамещенные алкены [28 - 32]. В качестве растворителей используют

ДМФА [33-36], ТГФ [37], ДМАА [38], толуол [39-41], бензол [42], ацетонитрил [43], метанол [44], диоксан [45]. Существуют примеры проведения реакции без растворителя [46]. В случае использования водорастворимых реагентов в качестве растворителя в некоторых работах применялась вода [22, 47, 48].

Были созданы многочисленные модификации реакции Мицороки-Хека, в которых в качестве субстратов используются сложные эфиры ароматических кислот [49, 50], ангидриды [51] и галогенангидриды карбоновых кислот [52], а также сами карбоновые кислоты [53]. Использование карбоксильных производных в реакции Мицороки-Хека обычно сопровождается декарбоксилированием или декарбонилированием. Арилирование алкенов карбоновыми кислотами требует добавления стехиометрических количеств окислителя и основания, в то время как применение в качестве реагентов хлорангидридов, ангидридов и эфиров карбоновых кислот не требует использования окислителя, и реакции могут идти без добавления основания [54].

Впервые применение ангидридов ароматических кислот в качестве реагентов для реакции Мицороки-Хека было предложено Stephan и de Vries [51]. В результате кросс-сочетания ангидрида бензойной кислоты с алкенами в присутствии палладиевого катализатора образовывались соответствующие дизамещенные алкены, а также CO и бензойная кислота в качестве побочных продуктов (2). Данный метод авторы позиционируют как экологически чистый, так как для проведения реакции не требуется добавления основания, и образующуюся в ходе реакции бензойную кислоту можно вновь трансформировать в ангидрид. о о

II II Ph [Pd] Ph Ph

Ph/C4o/CSh+ =/ -► H + =K + PhCOOH + CO (2)

Ph Ph V

ß-продукт а-продукт

Реакция Мицороки-Хека является одной из наиболее изученных реакций

2 2

кросс-сочетания, сопровождающихся образованием новых Обр-Обр2 связей,

своеобразным «краеугольным камнем палладиевого катализа» [55]. Огромный интерес исследователей к одностадийному замещению атома водорода у двойной связи привел не только к увеличению спектра используемых для этой реакции субстратов, но также стимулировал появление целого ряда новых палладий-катализируемых реакций С-С сочетания (Схема 1).

реакция Бухвальда-Хартвига

реакция Кумады

реакция Стилле

реакция Соногаширы Я

реакция Сузуки-Мияуры реакция Мицороки-Хека

Схема 1. Семейство катализируемых палладием реакций кросс-сочетания арилгалогенидов.

Одной из таких реакций является открытая в 1979 г реакция Сузуки-Мияуры, известная также под названием реакции Сузуки (3) [56, 57].

рчц

+ Я2В(ОН)2-- й-+ ХВ(ОН)2

основание

(3)

х= I, вг, С1, от

Я2 = арил

Эту реакцию обычно проводят в Д#-диметилформамиде (ДМФА), смеси ДМФА/вода, ^-метилпирролидоне (NMP), различных спиртах. В качестве оснований используют амины, карбонаты щелочных металлов, щелочи. В подавляющем большинстве работ в качестве катализаторов реакции используют различные соединения палладия. Кросс-сочетание Сузуки-Мияуры характеризуется отсутствием негативного влияния примесей воды, толерантностью к различным типам функциональных групп, а также высокой

регио- и стереоселективностью.

Кроме того, неорганические побочные продукты реакции нетоксичны и легко отделимы от реакционной смеси, вследствие чего сочетание Сузуки-Мияуры подходит не только для лабораторного, но также и для промышленного осуществления [58].

Еще одной набирающей популярность реакцией семейства кросс-сочетания является сочетание терминальных алкинов с винил-, арил- и гетероарилгалогенидами (4), открытое независимо Хеком и Кассаром в 1975 году [59, 60]. В работе Ричарда Хека арилирование алкинов проводилось в присутствии избытка амина, выступающего в роли основания и растворителя, в то время как Кассар использовал метилат натрия в Д#-диметилформамиде. В том же 1975 году Соногаширой с сотрудниками была обнаружена способность ацетиленидов платины активно реагировать с терминальными алкинами. Используя вместо платины палладий, через несколько месяцев после публикаций Хека и Кассара, Соногашира описал 15 примеров кросс-сочетания алкинов и арил-/винилгалогенидов при комнатной температуре с добавлением иодида меди в качестве сокатализатора [61].

т _

ь^х + =—ы2 -► Я!—-—я2

основание, СиХ

X = I, Вг, С1, ОТТ (4)

арил, винил, гетероарил

Я2 = арил, алкил, гетероарил, 81Я3

Эта реакция получила настолько широкое распространение, что все реакции с использованием Pd катализатора в кросс-сочетании терминальных

2 3

алкинов с sp - и даже sp -галогенидами или трифлатами, вне зависимости от того, используется или нет медный сокатализатор, стало принято называть реакциями Соногаширы. Спектр используемых прекурсоров для катализа этой реакции достаточно широк. Вместо первоначально используемого катализатора (PhзP)2PdQ2 [61], в настоящее время успешно применяются не только фосфин-содержащие Pd(PPhз)2(Ph)Br, [62], PdQ2(PCyз)2 [63], но и т.н. «безлигандные» NaPda4, Pd(MeCN)2Cl2, Pda2, PdI2 [64,65], Pd(OAc)2, [59, 66,

67] катализаторы. В качестве оснований используются пиперидин [68], амины [59], пирролидин [69], К2СО3, Ca(OH)2, ¿-ВиОК, KOH и KOAc [70].

Механизм основного каталитического цикла реакций кросс-сочетания представляет собой комбинацию известных элементарных стадий металлокомплексного катализа. На схеме 2 в качестве примера приведены общепринятые гипотезы механизмов реакций Мицороки-Хека, Соногаширы и Сузуки-Мияуры, как типичных представителей этого семейства. Для всех реакций кросс-сочетания каталитический цикл открывается стадией окислительного присоединения арилгалогенида к комплексам нольвалентного палладия (Схема 2, стадия А). Следует отметить, что стадия окислительного присоединения полностью аналогична для всех реакций этого семейства. Затем следует взаимодействие нуклеофила с комплексом ArPdX (Схема 2, стадии Б, В, Д, Е, в зависимости от природы нуклеофила). Завершает каталитический цикл стадия восстановительного элиминирования с образованием продукта перекрестного сочетания и Pd(0).

АгХ

АгХ

основание

ХВ(ОН)2

1Ш(ОН)2

-НХ основание

А - окислительное присоединение Б - координация В - внедрение Г- внутреннее вращение Д - нуклеофильное замещение Е - трансметаллирование Ж - восстановительное элиминирование 3 - нейтрализация

I - реакция Мицороки-Хека

II - реакция Соногаширы Ш - реакция Сузуки-Мияуры

Схема 2. Примеры механизмов реакций Мицороки-Хека, Соногаширы, Сузуки-Мияуры с арилгалогенидами [3].

Доступность используемых реагентов, толерантность к широкому спектру функциональных групп, высокая регио- и стереоселективность — все это делает реакции кросс-сочетания мощным и незаменимым инструментом в руках химиков-синтетиков. Актуальность исследования этих реакций, а также их перспективность для тонкого органического синтеза была подтверждена присуждением в 2010 г. Нобелевской премии по химии профессорам Р. Хеку, А. Сузуки и Э. Негиши за разработку «катализируемых палладием реакций кросс-сочетания». Реакции этого семейства уже сейчас применяются в производстве различных препаратов, таких как нестероидный противовоспалительный препарат Naproxen™, противораковые препараты Discodermolide™ и Steganone™, антибиотик Dynemicin A™, препараты Altinicline™ и SIB-1508Y, которые используют при лечении болезни Паркинсона, ретиноид Tazarotene для лечения акне и псориаза. Кроме того, широкое применение реакции получили и в синтезе полимеров с определенными свойствами, жидких кристаллов, различных мембран, светодиодов и новых углеродных материалов. Подробнее промышленное применение реакций Мицороки-Хека, Сузуки-Мияуры и Соногаширы описано в работах [71-79].

Тем не менее, несмотря на огромный интерес научного сообщества к реакциям кросс-сочетания, подавляющее большинство работ в этой области имеет синтетическую направленность, а число публикаций, посвященных исследованию механизмов, весьма ограничено.

Исключением, пожалуй, является реакция Мицороки-Хека, которая наиболее изучена в ряду семейства кросс-сочетания арилгалогенидов, с точки зрения механизма катализа. Надежно установлено, что в условиях реакции вне зависимости от природы используемого предшественника катализатора образуются несколько потенциально активных форм палладия: истинно растворенные соединения палладия, представленные молекулярными комплексами Pd(0) и Pd(+2), коллоидные частицы палладия, находящиеся в

растворе и/или на поверхности носителя, а также грубодисперсная фаза металлического палладия (Рис. 1). Накопленный экспериментальный материал, полученный при исследовании реакции Мицороки-Хека (см. обзорные статьи [80-83]), позволяет однозначно утверждать, что все эти формы палладия способны превращаться друг в друга непосредственно в ходе каталитической реакции. Сложное сопряжение между превращениями катализатора внутри и за пределами каталитического цикла приводит к нестационарности его концентрации, и, как следствие, к возникновению трудностей при исследовании механизма этой реакции.

Рис. 1. Взаимопревращения катализатора в ходе каталитической реакции Мицороки-Хека.

Как было сказано выше, реакция Мицороки-Хека является родственной реакциям Сузуки-Мияуры и Соногаширы и, по сути, отличается лишь природой нуклеофила (алкен в реакции Мицороки-Хека, арилборная кислота в реакции Сузуки-Мияуры, алкин в реакции Соногаширы) (Схема 2, стадии Б, Д, Е). При этом общим реагентом для этих реакций является арилгалогенид (Схема 2, стадии А), который как раз и играет ключевую роль в процессах превращения катализатора. Кроме того, на сегодняшний день в литературе нет экспериментальных данных, опровергающих протекание в других реакциях семейства кросс-сочетания процессов превращения катализатора, характерных для реакции Мицороки-Хека (Рис. 1).

Раствор

Коллоидные частицы

Палладий на поверхности

Вследствие всего вышесказанного, реакция Мицороки-Хека, как наиболее изученная из семейства реакций кросс-сочетания (Схема 1), может являться модельной для разработки и тестирования новых методов исследования механизмов каталитических реакций, осложненных протеканием, сопряженных с основным каталитическим циклом, процессов формирования, дезактивации и регенерации катализатора.

Поскольку целью диссертационной работы являлась исследование механизма функционирования «безлигандных» каталитических систем на основе солей палладия в реакциях кросс-сочетания, характеризующихся нестационарностью концентрации формирующегося in situ катализатора, основной задачей данного обзора стал анализ методов и подходов, использованных различными исследовательскими группами для установления деталей механизмов катализа реакций этого семейства.

1.2 Методы исследования кинетики реакций кросс-сочетания для установления деталей механизма их протекания

Изучение кинетики каталитических реакций позволяет сделать предположения о механизме протекания процесса. При этом кинетические исследования позволяют полностью дискриминировать выдвинутые гипотезы механизма. Любые варианты механизма, возникающие в результате применения различных методов исследования, должны быть верифицированы кинетическими методами [84]. Поэтому при выяснении деталей механизма каталитических процессов существенная роль отводится изучению кинетических закономерностей.

В данном разделе рассмотрены примеры исследования кинетики реакций кросс-сочетания с помощью методов, которые могут быть отнесены к традиционным.

1.2.1 Формально-кинетические исследования реакций кросс-сочетания.

Первые исследования кинетики реакции Мицороки-Хека были проведены в 1985 году [85, 86]. Обнаруженные зависимости скорости реакции фенилирования стирола иодбензолом от концентраций реагентов имели вид кривых с насыщением. Это свидетельствовало о переменных кинетических порядках по реагирующим веществам, что характерно для каталитических реакций. Аналогичные исследования для реакции арилирования метилакрилата и н-бутилакрилата были проведены в работах [87, 88]. Обнаружение большего порядка по алкену, чем по арилиодиду, позволило авторам [87] сделать вывод о лимитирующем характере стадии внедрения алкена в каталитическом цикле реакции Мицороки-Хека.

При изучении кинетики реакции Мицороки-Хека с н-бутилакрилатом в присутствии циклических палладиевых комплексов авторами работ [89, 90] был обнаружен первый концентрационный порядок по катализатору. Однако ранее при изучении кинетики реакции Мицороки-Хека в аналогичных условиях, некоторые исследователи сообщали о дробных порядках реакции по катализатору [91-93]. В этих работах дробные порядки зависимости скорости от концентрации катализатора объясняются формированием неактивных в катализе димерных а-арильных комплексов палладия с мостиковыми галогенидными лигандами, что приводит к непропорциональному увеличению количества активной формы катализатора с ростом концентрации предшественника катализатора. Первый порядок зависимости скорости реакции от концентрации катализатора, по мнению авторов [89], указывает на то, что в изученном диапазоне концентраций не происходит образования димерных форм палладия, а также не происходит агломерации комплексов Pd(0) с ростом концентрации последнего.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ларина Елизавета Владимировна, 2017 год

- 2

- 38

77 91 -L-1— 126 1 52 175 л—......... .1,—,— 226 289 341 36539 t

100

150

200

250

300

350

Рис. 10. Масс-спектр продукта 1,2,3,5-тетраарилбензола в реакции иодбензола и фенилацетилена (Схема 11), (m/z (относительная интенсивность, %): [M+] 382 (100.00), [M+ (13C)] 383 (31.66), [M+ - И-СбИз-СНз] 289 (15.55)).

Н Ar

Ar'PdX "W^ ->=VH H

M PdX ,

XPd А1

' ..X

H PdX

Ar'. А*

H Ar

H Ar

Схема 12. Предполагаемый механизм образования тетраарилбензолов (на схеме показано образование 1,2,3,5-тетраарилбензола).

В том случае, если внедрение всех трех молекул алкина протекает против правила Марковникова, должно наблюдаться образование 1,2,3,5-тетраарилбензола, в котором арильный заместитель из арилгалогенида находится в положении 2 (Схема 12). Внедрение второй или третьей молекул алкина по правилу Марковникова приводит к образованию 1,2,3,4- или 1,2,4,5-тетраарилбензолов соответственно. Если же внедрение и второй и третьей молекул алкина протекает по правилу Марковникова, должно наблюдаться образование 1,2,3,5-тетраарилбензола, в котором арильный заместитель из арилгалогенида находится в положении 1. Таким образом,

0

использование иодбензола должно приводить к образованию трех региоизомеров тетрафенилбензолов, а в случае замещенных арилиодидов четырех региоизомеров тетраарилбензолов. Использование стандартного образца 1,2,3,4-тетрафенилбензола (Sigma- Aldrich) позволило установить, что в продуктах реакции присутствуют лишь следовые количества этого вещества. Таким образом, можно заключить, что в условиях реакции из иодбензола и фенилацетилена в значимых количествах образуется лишь два региоизомера тетрафенилбензола (1,2,3,5- и 1,2,4,5-тетраарилбензол). В случае же замещенных арилгалогенидов и фенилацетилена образуется три региоизомера.

Вторая группа циклических полиароматических продуктов 7-9 вероятнее всего относится к тетраарилфульвенам (ТАФ) (Схема 11). Образование тетраарилфульвенов 7-9 происходит при карбопалладировании (внедрении) первой молекулы арилацетилена по правилу Марковникова, что приводит к отсутствию атома водорода у Р-углеродного атома, необходимого для элиминирования палладия и замыкания бензольного кольца после последовательного карбопалладирования двух дополнительных молекул арилацетилена (Схема 13). Аналогично региоизомерам ТАБ, различная региоселективность карбопалладирования второй и третьей молекул арилацетилена приводит к образованию 1,3,6,6-, 1,4,6,6- и 2,3,6,6-тетраарил-фульвенов. Следует отметить, что интенсивность молекулярного иона в масс-спектрах продуктов 7-9 была относительно низкой (Рис. 11) по сравнению с тетраарилбензолами 4-6, возможно, из-за более низкой стабильности неароматической структуры фульвена в сравнении с бензольным кольцом в тетраарилбензоле. Количество хроматографических пиков фульвенов (3 пика) в реакционной смеси указывает на образование всех возможных региоизомеров. Ранее образование полизамещенных фульвенов типа 7-9 наблюдалось в стехиометрической реакции между о-палладированными аминами и тремя молекулами арилацетилена [223], при этом данные о

получении подобных соединений в каталитических условиях на сегодняшний день отсутствуют.

Ar'PdX

Аг-

^Аг Н н

Ar' PdX

Аг Н

Схема 13. Предполагаемый механизм образования цис- и транс-1,3,6,6-

тетраарилфульвена. %

19 Э1 38 05 2

51 77 1 05 151 2 289 02 226 265 309 339 367

100 50 0

100 200 300

Рис. 11. Масс-спектр 1,3,6,6-тетраарилфульвена в реакции иодбензола и фенилацетилена, (m/z (относительная интенсивность, %): [M+] 382 (100.00), [M+ -(СбИ5)2-С-СИ] 191 (64.51), [M+ - СбИз] 305 (56.15)).

На наш взгляд, образование циклических полиароматических соединений, а также енинов, обусловлено тем, что в «безлигандных» условиях, а также в отсутствии соединений меди преобладающим маршрутом превращения арилацетилена становится не нуклеофильное замещение атома галогена на ацетиленид ион в продукте окислительного присоединения арилгалогенида к Pd(0) (Схема 14, Б), а карбопалладирование (внедрение) молекулы арилацетилена В. Образующийся в результате а-алкенильный комплекс палладия (Схема 14), аналогичный продуктам окислительного присоединения винилгалогенидов к Pd(0), способен вступать в многочисленные превращения с нуклеофилами, в том числе и с молекулами арилацетилена, присутствующими в каталитической системе.

Я'Х+Р<1(0) ■

я

н — к яч рах

я = я -<— яра^^я -ятах-

Б В Н Я трансметаллирование

реакция Соногаширы

Схема 14. Возможные маршруты превращения молекулы арилацетилена в «безлигандных» условиях реакции Соногаширы.

Таким образом, образование наблюдаемых нами полиароматических циклических продуктов становится возможным в результате последовательного внедрения еще двух молекул арилацетилена в а-алкенильный комплекс палладия (Схема 14). Фактически единственным примером таких превращений до сих пор являлась трехкомпонентная реакция сочетания арилгалогенида с арилацетиленом и арилборной кислотой, демонстрирующая возможность реализации маршрута: окислительное присоединение - карбопалладирование - трансметаллирование [224, 225]. Таким образом, обнаруженное в условиях реакции Соногаширы образование енинов и циклических полиароматических продуктов указывает на то, что реакции сочетания органических галогенидов с ацетиленами могут стать

основой для нового семейства двух- и трехкомпонентных реакций с различными нуклеофилами.

Образование в реакции кросс-сочетания арилиодидов с арилацетиленами, наряду с дизамещенными арилацетиленами, продуктов последовательного внедрения двух и трех молекул арилацетилена значительно усложняет рассматриваемую реакцию. Однако, исследование дифференциальной селективности в условиях создания «искусственной многомаршрутности», несмотря на это усложнение, позволяет изучать свойства именно той стадии каталитического цикла, в которой непосредственно происходит конкуренция субстратов, вне зависимости от сложности механизма реакции, количества элементарных стадий и образующихся продуктов.

Для установления степени обратимости стадий с участием конкурирующих арилацетиленов в реакции с иодбензолом (Схема 15) на начальном этапе было проведено исследование зависимости дифференциальной селективности от концентрации конкурирующих субстратов [220]. Фазовые траектории расходования конкурирующих фенилацетилена и и-толилацетилена, а также фазовые траектории накопления образующихся из них толана и и-метилтолана, полученные по результатам 3-х «конкурентных» экспериментов при варьировании начальных концентраций конкурирующих арилацетиленов, существенно отличались. При этом их наклоны были прямо пропорциональны отношению начальных концентраций конкурирующих субстратов (в качестве примера приведены зависимости для отношения скоростей расходования конкурирующих субстратов Рис. 12).

Аг'-

-Аг! +

Аг'(Аг,)

(Аг^Н

+

Аг,^ .Аг1

Аг'1

1а

Аг'-

- Аг-)

(и)ат{- у ^(н) Н(Аг,) 4а-6а

АтХАгО

, Аг2(Аг')

(Н)АГ2-

Используемые наборы субстратов: 1. Аг' =РЬ; Аг,= РЬ; Аг2=и-СН3 -С6Н4;

16

(Н)АГ2 Н(АГ2)

76-96

2. Аг-/г-СН30-С6Н4; Агх= РИ; Аг2=и-СН3-С6Н4

Схема 15. Варианты конкурентных реакций сочетания арилиодидов с парой арилацетиленов в присутствии «безлигандной» каталитической системы.

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

I3 0.4

0.3

0.2

0.1

0

у = 0.7344х + 0.1014 R2 = 0.9610

0 0.5 1 1.5 [и-толилацетилен]/[фенилацетилен]

Рис. 12. Зависимости отношения скоростей (наклон фазовой траектории) расходования и-толилацетилена (г81) и фенилацетилена (г82) от отношения начальных концентраций конкурирующих субстратов в реакции с иодбензолом (ДМФА, Ши3, Рё(ОЛе)2, 80°С).

Другая серия экспериментов была проведена и в условиях конкуренции иодбензола и и-иоданизола (Схема 16). Поскольку в случае конкуренции двух арилиодидов образовывается значительно меньше вариантов продуктов сочетания с тремя молекулами одного и того же арилацетилена (ТАБ и ТАФ), трудностей с количественным определением продуктов не возникало, что позволило дополнительно установить закономерности влияния варьируемых параметров на дифференциальную селективность катализатора не только по «классическим» продуктам реакции Соногаширы, но и по ТАБ и ТАФ.

74

Фазовые траектории строились по суммам концентраций соответствующих полиароматических продуктов.

Используемые наборы Суиырсиив.

1. Аг=РЬ; Аг'^РЬ; Аг'2=и-СН30-С6Н4; 1г 4г-6г 7г-9г

2. Аг =и-СН3-С6Н4; Аг'^ РЬ; Аг'2=и-СН30 -С6Н4

Схема 16. Варианты конкурентных реакций сочетания арилацетиленов с парой арилиодидов в присутствии «безлигандной» каталитической системы.

Как и в случае с конкуренцией арилацетиленов, фазовые траектории, построенные по расходованию конкурирующих арилиодидов и образующихся из них «классических» продуктов реакции Соногаширы при варьировании соотношения количеств конкурирующих арилиодидов, существенно отличались. При этом наклоны фазовых траекторий были прямо пропорциональными отношению концентраций конкурирующих субстратов (в качестве примера приведены зависимости для отношения скоростей расходования конкурирующих субстратов Рис. 13). Аналогичные закономерности наблюдались и для фазовых траекторий, построенных по полиароматическим продуктам.

н

Аг

ДМФА, Л» 80 °С

Р<1(ОАс)2

1 г

0.9 -0.8 -0.7 -£ 0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0

0

Рис. 13. Зависимости отношения скоростей (наклон фазовой траектории) расходования и-иоданизола (г^) и иодбензола (г^2) от отношения начальных концентраций конкурирующих субстратов в реакции с фенилацетиленом (ДМФА, Шиз, Рё(ОЛе)2, 80°С).

Обнаруженная прямо пропорциональная зависимость значения дифференциальной селективности от отношения начальных концентраций конкурирующих субстратов согласовывалась с предсказываемыми в уравнениях (12) - (14) зависимостями, что позволяет их использовать для установления степени обратимости стадий с участием конкурирующих арилацетиленов и конкурирующих арилиодидов. Для дискриминации уравнений (12) - (14) далее были проведены эксперименты с варьированием количеств общих реагентов: в случае конкуренции арилацетиленов варьировалась концентрация иодбензола, а в случае конкуренции арилиодидов концентрация фенилацетилена.

Было установлено, что фазовые траектории по конкурирующим субстратам и продуктам их превращения при варьировании начальной концентрации общих реагентов, как в случае конкуренции арилиодидов (Рис. 14 (а)), так и в случае конкуренции арилацетиленов (Рис. 14 (б)) оставались неизменными. Аналогичная закономерность наблюдалась и для фазовых траекторий, построенных по полиароматическим продуктам в случае конкуренции арилиодидов.

........

0.5 1

[и-иоданюол]/[иодбензол]

Рис. 14. Фазовые траектории конкурентной реакции (а) и-этинилтолуола и фенилацетилена при варьировании концентрации иодбензола: 1.5 М (♦), 1 М (▲), 0.5 М (■); (б) и-иоданизола и иодбензола при варьировании концентрации фенилацетилена: 3 М (А), 2 М (■), 1 М (о), 0.75 М (□) (ДМФА, Шиз, Рё(ОЛе)2, 80°С).

Это позволяло исключить из рассмотрения наиболее сложный вариант механизма реакции, когда все стадии, сопряженные со стадией, в которой осуществляется конкуренция субстратов, квазистационарны (уравнение (12)). Таким образом, необходимо было дискриминировать два крайних случая, соответствующих квазиравновесному состоянию (уравнение (13)) или практически полной необратимости стадий с участием конкурирующих субстратов (уравнение (14)). С математической точки зрения, для различения этих случаев необходимо проведение экспериментов с варьированием констант скоростей стадий с участием общего реагента, но без изменения констант скоростей или равновесия стадий, в которых осуществляется конкуренция субстратов. Этого можно достигнуть изменением природы общего реагента. В случае конкуренции арилацетиленов вместо иодбензола использовался и-иоданизол, при конкуренции арилиодидов фенилацетилен был заменен на и-этинилтолуол. В обоих случаях фазовые траектории по соответствующим субстратам оставались неизменными (Рис. 15). Совпадение фазовых траекторий означает, что дифференциальная

селективность конкурентной реакции двух арилиодидов, а также двух арилацетиленов не зависит от природы общих реагентов. Неизменность фазовых траекторий наблюдалась не только в случае построения зависимостей по продуктам реакции Соногаширы - дизамещеным арилацетиленам, но также и по полиароматическим соединениям, в случае конкуренции арилиодидов.

60 § 55

®0 50 о

Г 45 ]л 40 § 35 на 30

д

до 25 и

А 20

15 10

(б)

10 30 50

[иодбензол] *100, М

Рис. 15. Фазовые траектории конкурентной реакции (а) п-этинилтолуола и фенилацетилена в присутствии иодбензола (о), п-иоданизола (•); (б) п-иоданизола и иодбензола в присутствии и-этинилтолуола (■), фенилацетилена (о) (ДМФА, Ши3, Рё(ОЛе)2, 80°С).

Совокупность полученных данных указывает на то, что дифференциальная селективность реакции сочетания арилацетиленов с арилиодидами описывается уравнением (14), которое соответствует случаю практически полной необратимости стадий с участием конкурирующих субстратов. Таким образом, можно сделать вывод, что стадии реакции Соногаширы с участием и арилацетиленов (Схема 2, стадия Д, цикл II), и арилиодидов (Схема 2, стадия А, цикл II) являются практически полностью необратимыми. Поскольку данный вывод сделан на основании в том числе и фазовых траекторий расходования конкурирующих арилацетиленов, он справедлив не только для стадии нуклеофильного замещения в каталитическом цикле образования диарилацетилена (Схема 2, стадия Д, цикл II), но и для стадий с участием арилацетилена, ведущих к енинам 2-3 и

78

полиароматическим циклическим продуктам 4-9 (Схема 11). Участие молекул арилацетилена сразу в нескольких процессах, приводящих к образованию различных продуктов в отличие от молекулы арилгалогенида, участвующей в единственной стадии окислительного присоединения, на первый взгляд, могло бы поставить под сомнение вывод об их необратимости. Однако специфика использованного метода конкурирующих реакций, приводит к совершенно корректным результатам, поскольку позволяет изучать свойства всех стадий, в которых осуществляется конкуренция субстратов (в данном случае арилацетиленов), вне зависимости от того, в последовательности образования каких продуктов они находятся.

2.1.1.2 Реакция Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот

При проведении реакции сочетания стирола с ангидридом бензойной кислоты в присутствии каталитической системы на основе РёС12 (Схема 17) было обнаружено, что помимо ожидаемого на основе литературных данных стильбена 10 и 1,1-дифенилэтилена 11, происходит образование 1,3-дифенил-2-пропен-1-она 12 (халкон) и 1,3-дифенил-пропан-1-она 13 (дигидрохалкон). В зависимости от условий проведения процесса суммарный выход этих продуктов достигал 25% от общей конверсии стирола.

££ + ^РЬ исьис, , гь + * о^ ,

Аг О Аг ЫМР, 140 °С а/ Аг ^ РЬ

10 11 12

Аг= РЬ; и-СНэО -С6Н4; О

л-СР3-С6Н4; и-С1-С6Н4; + У + РЬСООН + СО

Аг РЬ

13

Схема 17. Реакция сочетания ангидрида бензойной кислоты со стиролом в присутствии «безлигандной» каталитической системы.

Образование продуктов типа 12-13 указывает на реализацию маршрута

реакции, включающего взаимодействие алкенов с ароильным комплексом

палладия (ArCOPdX) (Схема 18, Б) без промежуточного элиминирования

молекулы СО. Ароильные интермедиаты ранее были зафиксированы

методом ЯМР-спектроскопии при проведении реакции в присутствии

трифенилфосфина [226], однако, на основании совокупности кинетических и

спектроскопических данных предполагалось, что взаимодействие с алкенами

происходит только после элиминирования молекулы СО (Схема 18, Б), с

превращением промежуточного соединения в арилпалладиевый интермедиат

(ArPdX), характерный для реакции с арилгалогенидами.

[Рс1] х- В

(АгССУЬО 1 » Аг-С(0)-Рс1-0С(0)Аг « » Аг-С(0)-Рс1-Х -- Аг-Р(1-Х

А - АгСОО" —

Я

-СО

Я

АгС(0)Рс1-Х Аг-Р(1-Х

-нрах

О о

я

восстановление Аг" ^ Я--Аг^ "Я

Я

-нрах

* я

13 п и Аг Аг 10

Схема 18. Образование продуктов в реакции Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот.

Кроме того, бензоильные комплексы палладия (PhCOPdX) были зафиксированы электрохимически при исследовании механизма реакции окислительного присоединения бензойного ангидрида к фосфинсодержащему комплексу нольвалентного палладия [227], однако, продуктов их декарбонилирования, необходимых для дальнейшего протекания реакции Мицороки-Хека по классическому механизму, обнаружено не было. Образование халконов было зафиксировано ранее в реакции карбонилирования арилтрифлатов с участием газообразного СО при повышенном давлении (5 атм. и выше) и только в присутствии фосфиновых лигандов [228]. Применение арилтрифлатов вместо традиционных для реакции Мицороки-Хека арилгалогенидов и добавление бидентатных

фосфиновых лигандов было вызвано необходимостью создания условий для формирования в каталитической системе катионных комплексов палладия, поскольку такие комплексы способны катализировать сополимеризацию моноксида углерода и олефинов. Таким образом, полученные нами результаты впервые свидетельствуют о том, что использование ангидридов ароматических кислот в качестве арилирующих агентов в реакции Мицороки-Хека позволяет получать халконы без применения фосфиновых лигандов и условий, способствующих формированию катионных комплексов палладия. Эти результаты могут свидетельствовать о возможности протекания стадии внедрения алкена по связи Pd-C(O) в нейтральных ароильных комплексах палладия (Схема 18, Б).

Для установления степени обратимости стадий каталитического цикла реакции Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот были проведены серии экспериментов с измерением дифференциальной селективности конкурентных реакций, аналогичные проведенным выше с реакцией Соногаширы (см. раздел 2.1.1.1 стр. 73). В случае конкуренции алкенов в роли конкурирующих субстратов выступали стирол и н-бутилакрилат, а общим реагентом являлся бензойный ангидрид (Схема 19), в случае конкуренции ангидридов ароматических кислот - бензойный и п-метоксибензойный ангидриды взаимодействовали с общим реагентом стиролом (Схема 20).

Используемые наборы субстратов:

1. Аг = РЬ; 1^= РЬ, Я2= СООС4Н9;

2. Аг = и-СН30-С6Н4; 1^= РЬ, Я2= СООС4Н9

Схема 19. Варианты конкурентных реакций сочетания ангидридов ароматических кислот с парой алкенов в присутствии «безлигандной» каталитической системы.

АГ!

Используемые наборы субстратов:

1. Я= РЬ; Аг,= РЪ; Аг2=и-СН30-С6Н4;

2. СООС4Н9; Агг РЬ; Аг2=и-СН30-С6Н4.

Схема 20. Варианты конкурентных реакций сочетания алкенов с парой ангидридов ароматических кислот в присутствии «безлигандной» каталитической системы.

В случае конкуренции алкенов фазовые траектории строились по конкурирующим субстратам, а также по продуктам реакции 10а, 10б (Схема 19). В случае конкуренции ангидридов ароматических кислот фазовые траектории строились только по соответствующим продуктам 10в, 10г (Схема 20), поскольку количественное определение ангидридов ароматических кислот было невозможно методом ГЖХ. Кроме того, во всех конкурентных экспериментах наблюдалось образование

карбонилсодержащих продуктов 12, 13 (Схема 18), но их концентрации были незначительными, поэтому изучения влияния варьируемых параметров на дифференциальную селективность по этим продуктам не проводилось.

Было установлено, что дифференциальная селективность реакции, как в случае конкуренции ангидридов ароматических кислот (Рис. 16 (а)), так и в случае конкуренции алкенов (Рис. 16 (б)), прямо пропорциональна отношению концентраций конкурирующих субстратов, что согласуется с уравнениями (12) - (14).

0.8

0.7

0.6

0.5

•- 0.4

£ 0.3

0.2

0.1

0

(а)

у = 0.212^ + 0.0872 R2 = 0.9981

0.7 0.6 0.5 £ 0.4 ^ 0.3 0.2 0.1 0

(б)

у = 0.24^ - 0.0692 R2 = 0.9886

0

4

0

1 2 3

[ и-метоксибензойный ангидрид]/[бензойный ангидрид]

Рис. 16. Зависимость отношения скоростей (наклон фазовой траектории): (а)

12 3 4

[стирол]/[н-бутилакрилат]

накопления и-метоксистильбена (г^) и стильбена (г^) от отношения начальных концентраций конкурирующих субстратов в реакции со стиролом; (б) накопления стильбена (г51) и н-бутилциннамата (г^2) от отношения начальных концентраций конкурирующих субстратов в реакции с бензойным ангидридом (NMP, Lia, Pda2, 140oC).

Далее нами были проведены эксперименты по установлению зависимости дифференциальной селективности конкурентных реакций от концентрации и природы общих реагентов. Варьирование концентраций стирола в случае конкуренции ангидридов (Рис. 17), а также варьирование концентрации бензойного ангидрида в случае конкуренции алкенов (Рис. 18) никак не отразилось на виде фазовых траекторий. Это позволило исключить из рассмотрения случай квазиравновесия стадии с участием общего реагента (уравнение (13)), при котором должно наблюдаться влияние его концентрации на величину дифференциальной селективности.

Дифференциальная селективность реакций не проявляла чувствительности и к природе общих реагентов. При замене стирола на н-бутилакрилат в условиях конкуренции пары ангидридов фазовые траектории реакции оставались неизменными (Рис. 17). Аналогичная картина наблюдалась при замене бензойного ангидрида на и-метоксибензойный ангидрид, в условиях конкуренции двух алкенов (Рис. 18).

Ч I а

§ И

* ! ¡5

и О н

« ь *

5 и

ибо О Я 5 й «

* 5 й

ч ю — он а 3 и в

1—1 о

н и

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

0 10 20 30 40 50

[продукт сочетания бензойного ангидрида с алкеном]*100,М

Рис. 17. Фазовые траектории конкурентной реакции бензойного и п-метоксибензойного ангидридов при варьировании концентрации стирола: 0.5 М (■), 1.0 М (♦), 1.5 М (о), 2.0 М (▲), а также при замене стирола на н-бутилакрилат 1.0 М (□) (NMP, Lia, Pda2, 140°^.

20

с а й 18

л о р о к с е 16

и т с я ч и т а М ,0 0 14 12

и м 1 10

н о *

а р ]

т е ч а м ы т о 8

о с о д осл 6

т к и р и к 4

у д 2

д и г

ро п[ н а 0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

[продукт сочетания н-бутилакрилата с ангидридом ароматической кислоты] *100, М

Рис. 18. Фазовые траектории конкурентной реакции стирола и н-бутилакрилата при варьировании концентрации бензойного ангидрида: 0.5 М (♦), 1.0 М (▲), 1.5 М (■), а также при замене бензойного ангидрида на п-метоксибензойный ангидрид 1.0 М (о) (NMP, LiCl, PdCl2, 140^).

Совокупность полученных данных указывает на то, что дифференциальная селективность конкурентных реакций сочетания алкенов с ангидридами ароматических кислот описывается уравнениями типа (14), которые соответствуют случаю практически полной необратимости стадий с

участием конкурирующих субстратов. Таким образом, установлено, что стадии каталитического цикла реакции Мицороки-Хека с участием ангидридов ароматических кислот (Схема 2, стадия А, цикл I) и алкенов (Схема 2, стадия Б, цикл I) практически необратимы.

Поскольку вывод о необратимости стадий с участием алкенов сделан, в том числе на основании фазовых траекторий их расходования, он справедлив не только для стадии взаимодействия алкена с комплексом AгPdX в каталитическом цикле образования «классических» продуктов 10, 11 реакции Мицороки-Хека (Схема 18, стадия Д), но и в стадии внедрения алкена по связи Pd-C(O) в нейтральный ароильный комплекс палладия (Схема 18, стадия Б), в каталитическом цикле образования продуктов 12, 13 (Схема 18). Поскольку применение метода конкурирующих реакций позволяет изучать свойства всех стадий, в которых осуществляется конкуренция субстратов (в данном случае алкенов), вне зависимости от того, в последовательности образования каких продуктов они участвуют, нет сомнения в корректности полученных результатов о практически необратимом характере стадий с участием алкенов.

2.1.2 Определение быстрых и медленных стадий каталитического цикла

реакций кросс-сочетания

Для исследования природы скорость-определяющих и быстрых стадий каталитических циклов реакций кросс-сочетания был использован подход на базе метода конкурирующих реакций, разработанный и протестированный нами ранее на реакциях сочетания Сузуки-Мияуры и Мицороки-Хека с арилгалогенидами в [143]. В этой работе была показана возможность использования интегральных кинетических зависимостей расходования конкурирующих субстратов или накопления продуктов их превращения для решения задачи определения быстрых и медленных стадий каталитического цикла. Принципиальным отличием предлагаемого подхода от традиционного метода конкурирующих реакций является анализ кинетических

интегральных зависимостей, а не значений относительных реакционных способностей. Так, если пара конкурирующих субстратов участвует в быстрой стадии каталитического цикла, на кинетической кривой расходования менее реакционноспособного субстрата при практически полном расходовании более реакционноспособного субстрата будет наблюдаться ускорение. Отсутствие такого ускорения, можно рассматривать как свидетельство участия конкурирующих субстратов в медленной стадии каталитического цикла, что, однако, требует проведения проверочных экспериментов для формулировки однозначных выводов (проведение дополнительных серий экспериментов с использованием субстратов, отличающихся природой или концентрацией предшественника катализатора и/или конкурирующих субстратов (подробнее см. раздел 1.3.1 стр.42)).

2.1.2.1 Реакция Соногаширы

Для подбора пар конкурирующих субстратов в реакции Соногаширы были определены относительные реакционные способности замещенных арилацетиленов и арилиодидов (Табл. 2). Значения скоростей оценивались по начальным участкам кинетических кривых расходования субстратов в конкурентных реакциях.

Таблица 2. Значения скоростей расходования субстратов, измеренные в

«конкурентных» условиях

№ S1/S2 Общий реагент о^/ы

1 Иодбензол/и-иоданизол Фенилацетилен 1.6/1.7

2 Иодбензол/и-иодацетофенон Фенилацетилен 0.14/3.4

3 и-иоданизол/и-иодацетофенон Фенилацетилен 0.2/4.6

4 и-иодтолуол/и-иодацетофенон Фенилацетилен 0.1/8.1

5 Фенилацетилен/и-этинилацетофенон Иодбензол 4.3/5.8

6 Фенилацетилен/и-этинилтолуол Иодбензол 6.8/8.1

7 и-этиниланизол/и-этинилацетофенон Иодбензол 2.3/4.5

8 и-этинилтолуол/и-этинилацетофенон Иодбензол 9.7/14.6

Одним из условий эффективного применения подхода, базирующегося на анализе интегральных кинетических зависимостей конкурирующих реакций, для установления природы быстрых и медленных стадий каталитического цикла реакции является достаточная разница в реакционной способности конкурирующих субстратов. При этом, однако, скорость расходования менее активного субстрата не должна быть слишком низкой (для ее точной оценки в условиях эксперимента) [143].

Согласно этим критериям, наиболее оптимальными для целей эксперимента парами конкурирующих субстратов в условиях конкуренции арилиодидов являются иодбензол/п-иодацетофенон (Табл. 2, № 2), п-иоданизол/п-иодацетофенон (Табл. 2, № 3) и п-иодтолуол/п-иодацетофенон (Табл. 2, № 4). В условиях конкуренции арилацетиленов оптимальными сочетаниями являются п-этиниланизол/п-этинилацетофенон (Табл. 2, № 7) и п-этинилтолуол/п-этинилацетофенон (Табл. 2, № 8)

При проведении конкурентной реакции между иодбензолом и п-иодацетофеноном с фенилацетиленом на кривой расходования иодбензола наблюдалось четко выраженное ускорение, совпадающее по времени с полным расходованием более активного п-иодацетофенона (Рис. 19). Для наглядной демонстрации эффекта ускорения были рассчитаны мгновенные скорости расходования иодбензола на всем протяжении реакции. Как следует из полученных данных, на кривой зависимости скорости расходования иодбензола от времени наблюдался максимум (Рис. 19), совпадающий по времени с моментом полного расходования п-иодацетофенона. Таким образом, наличие ускорения на кривой расходования менее активного иодбензола, однозначно указывает на участие арилиодидов в быстрых стадиях реакции.

Для исключения влияния случайных факторов на наблюдаемый эффект, аналогичные эксперименты были проведены в условиях конкуренции двух других пар субстратов (Рис. 20), в которых также наблюдались хорошо выраженные ускорения расходования менее активных

арилиодидов и соответствующие им прохождения через максимум зависимости скорости их расходования от времени, совпадающие с полным расходованием более активных арилиодидов. Полученные результаты однозначно указывают на участие арилиодидов в быстрой стадии каталитического цикла реакции сочетания с арилацетиленом, которой, в соответствии с общепринятыми представлениями, является стадия окислительного присоединения арилгалогенида к нольвалентному палладию (Схема 2, стадия А, цикл II).

¿§10

50 100

Время, мин

150

Рис. 19. Зависимость концентраций иодбензола (▲), «-иодацетофенона (•) и скорости расходования иодбензола (о) от времени в конкурентной реакции сочетания с фенилацетиленом (ДМФА, МВи3, Рё(ОЛе)2, 80°С).

60 г (а) ^ 50

1 40

*

я

в 30 я

ев

н 20 н е я

10

о

0.5 0.4

60 ^ 50

§ ®

| 5 40 0.3 . * Ш § 30

а2 5 120

о 5

01 I & 10 0 0

г (б)

1 к* А *

50

Время, мин

100

150

0 50 100

Время, мин

Рис. 20. Зависимости: (а) концентраций «-иоданизола (▲), «-иодацетофенона (•) и скорости расходования «-иоданизола (о) от времени; (б) концентраций «-иодтолуола (▲), «-иодацетофенона (•) и скорости расходования «-иодтолуола (о) от времени, в конкурентных реакциях сочетания с фенилацетиленом (ДМФА, Ши3, Рё(ОЛе)2, 80°С).

0

0

Аналогичные эксперименты были проведены и в условиях конкуренции пары арилацетиленов. При проведении реакции с использованием и-эти-нилацетофенона и и-этиниланизола в момент, совпадающий с практически полным расходованием более активного и-этинилацетофенона, наблюдалось некоторое увеличение скорости расходования и-этиниланизола (Рис. 21 (а)). В условиях конкуренции и-этинилацетофенона и и-этинилтолуола также было зафиксировано ускорение расходования менее активного и-этинилто-луола, а кривая, описывающая зависимость скорости его расходования от времени, проходила через максимум, совпадающий по времени с моментом практически полного расходования и-этинилацетофенона (Рис. 21 (б)).

Таким образом, наличие ускорения на кривых расходования менее активных арилацетиленов (Рис. 21), однозначно указывает на их участие в быстрых стадиях реакции.

Время, мин Время, мин

Рис. 21. Зависимости: (а) концентраций и-этиниланизола (•), и-этинилацетофенона (■) и скорости расходования и-этиниланизола (о) от времени; (б) концентраций и-этинилтолуола (•), и-этинилацетофенона (■) и скорости расходования и-этинилтолуола (о) от времени, в конкурентных реакциях сочетания с иодбензолом (ДМФА, МВиз, Рё(ОЛе)2, 80°С).

Следует отметить, что участие молекул арилацетилена сразу в нескольких процессах, приводящих к образованию дизамещенных

арилацетиленов 1, енинов 2-3 и полиароматических циклических продуктов 4-9 (Схема 11), в отличие от молекул арилгалогенида, участвующих в единственной стадии окислительного присоединения, на первый взгляд, могло бы поставить под сомнение вывод о быстром характере стадий с участием молекул арилацетилена. Однако специфика использованного метода конкурирующих реакций, приводит к совершенно корректным результатам, поскольку позволяет изучать свойства всех стадий, в которых осуществляется конкуренция субстратов (в данном случае арилацетиленов), вне зависимости от того, являются ли они скорость-определяющими [145].

Таким образом, результаты экспериментов по исследованию интегральных кинетических зависимостей реакции сочетания арилиодидов с арилацетиленами в условиях конкуренции пары однотипных субстратов однозначно свидетельствуют о том, что и арилацетилены, и арилиодиды участвуют в быстрых стадиях каталитического цикла реакции (Схема 2, стадии А и Д, цикл II). Следовательно, скорость каталитического цикла данной реакции, наиболее вероятно, определяет одна или совокупность нескольких мономолекулярных стадий [220].

2.1.2.2 Реакция Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот

Как и в случае реакции Соногаширы (см. раздел 2.1.2.1 стр. 86), для установления природы быстрых и медленных стадий каталитического цикла реакции Мицороки-Хека с ангидридами ароматических кислот необходимо было предварительно определить относительные реакционные способности пар конкурирующих субстратов. Скорости расходования конкурирующих алкенов оценивались по начальным участкам кинетических кривых их расходования. В случае конкуренции ангидридов ароматических кислот скорости рассчитывались по начальным участкам кинетических кривых накопления соответствующих «классических» продуктов сочетания Мицороки-Хека 10в, 10г (Схема 20), вследствие невозможности анализа концентраций ангидридов используемыми методами.

Анализ полученных результатов (Табл. 3) показал, что для экспериментов с конкуренцией алкенов оптимальными являются пары: стирол/акриловая кислота (Табл. 3, № 5), стирол/н-бутилакрилат (Табл. 3, №6). В условиях конкуренции ангидридов оптимальные сочетания: бензойный ангидрид/«-метоксибензойный ангидрид (Табл. 3, №13), «-(трифторметил)-бензойный ангидрид/ бензойный ангидрид (Табл. 3, № 14).

Таблица 3. Значения скоростей расходования субстратов, измеренные в

«конкурентных» условиях

№ 8Ш2 Общий реагент о^/ы

1 Стирол/«-метоксистирол Бензойный ангидрид 1.05/1.11

2 Стирол/«-хлорстирол Бензойный ангидрид 0.483/0.43

3 Стирол/«-бромстирол Бензойный ангидрид 1.09/3.24

4 Стирол/метиловый эфир коричной кислоты Бензойный ангидрид 2.6/0.01

5 Стирол /акриловая кислота Бензойный ангидрид 0.16/2

6 Стирол / н-бутилакрилат Бензойный ангидрид 0.49/6.8

7 н-бутилакрилат/метиловый эфир коричной кислоты Бензойный ангидрид 4.3/0*

8 «-Хлорстирол/ н-бутилакрилат Бензойный ангидрид 0.5/1.6

9 «-Бромстирол/ н-бутилакрилат Бензойный ангидрид 1.6/4.4

10 Стирол/ н-бутилакрилат «-метоксибензойный ангидрид 0.9/2.9

11 Бензойный ангидрид / «-меток-сибензойный ангидрид н-бутилакрилат 3.15/0.77

12 «- (трифторметил)- бензойный ангидрид /«-метоксибензойный ангидрид н-бутилакрилат 2.12/0.15

13 Бензойный ангидрид /«-меток-сибензойный ангидрид стирол 1.63/0.84

14 «- (трифторметил)- бензойный ангидрид /бензойный ангидрид стирол 5.1/1.02

15 «- (трифторметил)- бензойный ангидрид /«-метоксибензойный ангидрид стирол 3.4/0.06

16 Бензойный ангидрид / пентаф-торбензойный ангидрид стирол 2.17/0*

* - в данных условиях продуктов сочетания с одним из субстратов не

образуется

При проведении конкурентной реакции со стиролом и н-бутилакрилатом (Рис. 22 (а)) на кривой расходования стирола (как и на кривой образования соответствующего продукта - стильбена) в момент практически полного расходования более активного н-бутилакрилата наблюдалось четко выраженное ускорение. На кривой зависимости скорости расходования стирола от времени также наблюдался максимум, совпадающий с моментом значительного падения скорости расходования н-бутилакрилата.

Аналогичные зависимости наблюдались и при конкуренции стирола с акриловой кислотой в реакции с бензойным ангидридом (Рис. 22 (б)).

60

50

о о

40

% 30 р

1 20 я

о

10

0.5

0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

50 100 150

Время, мин

200

Рис. 22. Зависимости: (а) концентраций н-бутилакрилата (■), стирола (•), стильбена (▲) и скорости накопления стильбена (о) от времени; (б) концентраций акриловой кислоты (■), стирола (•), стильбена (▲) и скорости накопления стильбена (о) от времени, в конкурентных реакциях с бензойным ангидридом (ЯМР, ЫС1, РёС12, 140°С).

Таким образом, ускорение на кривой расходования менее активного субстрата в описанных конкурентных реакциях однозначно указывает на участие конкурирующих алкенов в быстрых стадиях каталитического цикла реакции с ангидридами ароматических кислот. С учетом общепринятых представлений о механизме каталитического цикла реакции, такой стадией,

0

0

наиболее вероятно, является координация алкенов к комплексам Рё(П) (Схема 2, стадия Б, цикл I).

В условиях конкуренции бензойного и «-метоксибензойного ангидридов кинетические кривые накопления продуктов двух конкурирующих реакций характеризовались одновременным падением скоростей их накопления, что подтверждалось отсутствием максимума на кривой зависимости скорости образования «-метоксистильбена от времени (Рис. 23 (а)).

Аналогичная картина наблюдалась и в условиях конкуренции «-(трифторметил)-бензойного и бензойного ангидридов - происходило одновременное падение скорости накопления продуктов двух конкурирующих реакций (Рис. 23 (б)). Таким образом, полученный результат с учетом данных о необратимом характере стадий с участием ангидридов (см. раздел 2.1.1.2 стр. 81) можно рассматривать как доказательство медленного протекания стадии каталитического цикла с участием ангидридов ароматических кислот.

Однако следует отметить, что в отличие от случая, когда на кривой расходования менее активного субстрата (либо на кривой накопления продукта образующегося из этого субстрата) явно наблюдается ускорение, отсутствие этого ускорения следует интерпретировать с большой осторожностью. Это связано с тем, что отсутствие ускорения может быть обусловлено не только медленным протеканием стадии, в которой происходит конкуренция, но и незначительным ускорением в сочетании с недостаточной чувствительностью использованных экспериментальных методик.

45

2 40 ®М 35

I 30

•к

§2 25

§ 20 л

Й 15 я

ё 10

® .

,"5 5

0

у —---

Г -^

Г 1 -П-1— -*г>

09 в 0.8 | 0.7 ^

0.6 13 0.5 |

0.4 §

60 1 50 н 40

1.4

0.3 ^

н о о а о И

0 и

0.2 0.1

§ 30 а | 20 я © 10

40

80 120 Время, мин

160

100 Время, мин

Рис. 23. Зависимости: (а) концентраций стильбена (▲), и-метоксистильбена (■) и скорости накопления и-метоксистильбена (о) от времени; (б) концентраций стильбена (▲), и-(трифторметил)стильбена (■) и скорости накопления стильбена (о) от времени в конкурентных реакциях сочетания со стиролом (ЯМР, ЫС1, РёС12, 140°С).

К тому же вывод о медленном характере стадий с участием ангидридов ароматических кислот не согласовывался с результатами формально-кинетического исследования реакции Мицороки-Хека, в ходе которого был найден нулевой порядок реакции по концентрации ангидрида бензойной кислоты (Рис. 24). Такой результат традиционно интерпретируется как свидетельство участия реагента в быстрых стадиях реакции.

-0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5 -5

я

-1 -0.5 0 0.5 1 1п[(РИС0)20]

Рис. 24. Логарифмическая зависимость скорости накопления стирола от концентрации бензойного ангидрида в неконкурентной реакции Мицороки-Хека со стиролом (концентрация бензойного ангидрида 2.5-10 ммоль, ММР, ЫС1, РёСЬ, 140°С).

0

0

0

С учетом изложенного выше, возникла необходимость в проведении дополнительных исследований. Нами были получены гамметовские зависимости реакции по результатам как «конкурентных» (с использованием пар ангидридов), так и «неконкурентных» (эксперименты проводились с каждым ангидридом по отдельности) экспериментов. В «неконкурентных» экспериментах было получено низкое значение параметра р (0.35), свидетельствующее о низкой чувствительности реакции к природе арильного заместителя в ангидриде (Рис. 25). Этот результат однозначно опровергает предположение о скорость-определяющем (медленном) характере стадии с участием молекул ангидрида.

0.2 0.15 01 ^ 0.05 й 0 >-0.05 ^ -0.1 -0.15 -0.2

-0.5

V п-СК

у = 0.3522х - 0.0324 R2 = 0.9448

♦ п-МеО

0

0.5

1

Ос

Рис. 25. Гамметовские зависимости скорости неконкурентной реакции арилирования стирола ангидридами п-замещенных ароматических кислот от константы арильного заместителя в ангидриде (ММР, ЫС1, РёС12, 140°С).

В противоположность этому значение параметра р по результатам «конкурентных» экспериментов (Рис. 26) оказалось значительно выше (>2) и близким к значениям, известным для родственной реакции окислительного присоединения арилгалогенидов к палладию [127].

О 81"°82