Лекция 5

Лекция 5

Каталитические реакции образования

С-С связей

XPd(0)

R1n

baseR2

R1n

R2

Реакция Мидзороки-Хека

Партнеры по сочетанию

Арил-, бензил- или винилгалогенидыАктивированные олефины

Катализатор:

PdL4, PdL2Cl2 (L = фосфиновый лиганд)

Основание:

K2CO3, NaOAc и т.д.

X

Pd(0)B(OH)2

R1n R2

n

R1n

R2n

base

Реакция Сузуки-Мияура

Партнеры по сочетанию

Арил-, винил-, алкилгалогениды, трифлаты, тозилаты и т.д.Арил-, винил-, алкилборные кислоты и их эфиры

Катализатор:

PdCl2, PdL4, PdL2Cl2 (L = фосфиновый лиганд), Pd наночастицы и т.д.

Основание:

NaOH, KOH, CsOH, K2CO3, Cs2CO3 и т. д.

Асимметрическое 1,4-присоединение арил(алкил)борных кислот

Takaya, Y.; Ogasawara, M.; Hayashi, T.; Sakai, M.; Miyaura, N. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5579

Sakai, M.; Hayashi, H.; Miyaura, N. Organometallics 1997, 16, 4229

Каталитическая реакция:

Асимметрический вариант:

Каталитический цикл реакции Хека

Beletskaya, I. P.; Cheprakov, A. V. Chem. Rev. 2000, 100, 3009-3066.

Pd(0) or Pd(II) precatalyst

RX

R

PdX

R

Pd

X

R

Pd

Pd

R

Pd H

R

R

Pd(0)

-

активация

Окислительное присоединение

1,2-внедрениеэлиминирование

Экспериментальное исследование преактивации

Pd(OAc)2 + nL, where L = PPh3, etc.

PdL2 ?

Pd(OAc)2(PPh3)2 O PPh3

Pd(OAc)2 + H2O + nPR3 + 2R'3N Pd(PR3)n-1 + O=PR3 + 2R'3N HOAc

Ozawa, F; Kobo, A.; Hayashi, T. Chem. Lett. 1992, 2177-2180

Каталитическая система

Активная частица

Обнаруженные интермедиаты

«Стехиометрическая реакция»

Два возможных механизма преактивации

Pd PR3 Pd(0)

Nu-

+ NuPR3

+PR3O

Nu

Pd PR3 + NuPR3

+PR3OPd(0)

Нуклеофильное замещение на фосфоре

Восстановительное элиминирование от Pd(II)

Не вполне понятно

Обычные проблемы в реакциях, катализируемых комплексами Pd(0)

Очень низкая равновесная концентрация катализатора:

Олигомеризация и восстановление в отсутствии избытка лиганда:

Исследование обмена лигандов в Pd(0) прекурсоре

PdP P

PP O

OO

O

Pd(DIOP)2

PhI, 1000 equ.

PdP

P O

O

Pd(dba)(DIOP)

O

Pd(dba)2 + 1DIOP after 10 min

Pd(dba)2 + 1DIOP after 4 h

100 equ. of PhI

PhPdI(DIOP)

PdP

P O

O

Ph

I

Pd(dba)2 + Pd(DIOP)2 Amatore, C.; Broeker, G.; Jutland, A.; Khalil, F. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5176-5185

Окисление Pd(dba)2

Окисление Pd(dba)2 + 2DIOP (Pd(DIOP)2)

Восстановление Pd(dba)2

Восстановление Pd(dba)2 + 2DIOP (Pd(DIOP)2)

Циклические вольтамперограммы комплексов Pd(0), охарактеризованных с помощью 31P ЯМР

Amatore, C.; Broeker, G.; Jutland, A.; Khalil, F. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5176-5185

Окисление Pd(dba)2

Окисление Pd(dba)(DIOP)

Окисление Pd(dba)(DIOP) + 50 PhI

Электрохимическая идентификация интермедиатов

Amatore, C.; Broeker, G.; Jutland, A.; Khalil, F. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5176-5185

В присутствии PhI Pd(0) комплексы не окисляются. Вместо этого происходит окислительное присоединение

В отсутствии PhI происходит обратимое окисление до Pd(II)

Оценка скорости окислительного присоединения электрохимическим методом

Amatore, C.; Jutland, A. Acc. Chem. Res. 2000, 33, 314-321.

Схематический профиль потенциальной энергии для окислительного присоединения PhI, промотируемого ацетат-ионом

Активация-восстановление Pd(II) до Pd(0)

Иодид легко замещается ацетат-анионом

Выводы относительно стадии активации

• Анионы комплексов типа Pd(OAc)2 и PdCl2L2, являющиеся предшественниками Pd(0) в кросс-сочетании и в реакции Хека, играют важную роль в этих реакциях

• Катализаторами являются трехкоординированные комплексы Pd0L2Cl¯ и Pd0L2(OAc)¯ , а не обычно постулируемые Pd0L2.

• Анион, расположенный в координационной сфере Pd(0), влияет на кинетику окислительного присоединения ArI, а также на структуру и реакционную способность комплексов Pd(II), образующихся в этой реакции

Amatore, C.; Jutland, A. Acc. Chem. Res. 2000, 33, 314-321.

Цис-аддукт – кинетический продукт окислительного присоединения

Транс-аддукт – термодинамически стабильный продукт окислительного присоединения

Первичный продукт окислительного присоединения

Casado, A. L.; Espinet, P. Organometallics 1998, 17, 954-959

Спектральные характеристики цис- и транс-аддуктов

PdPh3P

IPh3PF

F

Cl

Cl

F

PdPh3P I

PPh3

F

F

Cl

Cl

F

Цис-изомер

Транс-изомер

31P: = 29.6, 16.7

19F: = -90.63, дублет дублетов

31P: = 22.6

19F: = -92.48, триплет


Мониторинг превращения цис-аддукта (2) в транс-аддукт (3) методом 19F ЯМР

ln([2]/[2]0) = kisot

0 min

10 min

20 min

30 min

40 min

50 min

60 min

70 min

80 min

90 min

In THF at 315.7 K and [2]0=10-2 M/L kiso= 72±5


Ингибирование изомеризации трифенилфосфином


Зависимость скорости изомеризации от концентрации комплексовв TГФ

в TГФ с избытком PPh3

в PhCl

TГФ участвует в реакции


Механизмы, чувствительные к присутствию Ph3P

Механизм изомеризации на основании кинетического анализа


Механизмы, нечувствительные к присутствию Ph3P

PdAr L

XL

PdAr S

XLPd

Ar

XL

PdAr X

LLPd

Ar S

LL

+

X-

PdAr

LL

+

X-

L = phosphine ligand, S = solvent, X = halogen

S

- L

- S

S

- S

“Нейтральный” и “Катионный” Механизмы для стадии координации олефина

“Нейтральный”

“Катионный”


Расчеты стадий координации олефина, внедрения олефина

и - элиминирования

ArPdL2

ArPdL2(С2Н4)Переходное состояние для стадии внедрения олефина

PdLL Переходное состояние -

элиминированияPd

H

LLАгостическийкомплекс

Оптимизированные структуры переходных состояний для ионного и нейтрального механизмов

Albert, K.; Gisdakis, P.; Roesch, N. Organometallics 1998, 17, 1608.

+8.3 kcal/mol +11.2 kcal/mol

Структуры и стабильность переходных состояний достаточно близки

Синтез катионных комплексов Pd(II)

Pd2(dba)3

PhI

TMEDAPd

N Ph

IN

dppePd

P Ph

IP

AgX

PdP Ph

P + X_

X = OSO2CF3, BF4, etc.

Катионные комплексы Pd(II) с ненуклеофильными анионами используются для моделирования реакций, катализируемых менее

реакционноспособными комплексами Pd(II)

Ludwig, M.; Stroemberg, S.; Svensson, M.; Akermark, B. Organometallics, 1999, 18, 970-975

Brown, J. M.; Hii, K. K. M. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35 657

PPd

P

Ph Ph

OH2

Ph

Fe+

PPd

P

Ph Ph

OSO2CF3

Ph

Fe

PPd

P

Ph Ph

O

Ph

Fe+

OSO2CF3

_

OSO2CF3

_

Низкотемпературные равновесия сольватных комплексов палладия

Интермедиаты, обнаруженные для реакции Хека, катализируемой катионным комплексом


P

Pd

P

Ph Ph

PhPh

O

Ph

Fe+

OSO2CF3

_

Fe

P

Pd

P

Ph Ph

PhPh

Ph+

OSO2CF3

_

C

CO2Me

HH Fe

P

Pd

P

Ph Ph

PhPh

O

HCO2Me

CH2Ph+

OSO2CF3

_

C

CO2Me

H H

PhCO2Me

C

CO2Me

H H

Fe

P

Pd

P

Ph Ph

PhPh

O

HCO2Me

CH3

+

OSO2CF3

_

Fe

P

Pd

P

Ph Ph

PhPh

H+

OSO2CF3

_

C

CO2Me

HH

Fe

P

Pd

P

Ph Ph

Ph Ph

O

C

OMe

HH

+

OSO2CF3_

Наблюдаемые интермедиаты

ЯМР спектры метастабильных интермедиатов


31P ЯМР 13C ЯМР

Fe

P

Pd

P

Ph Ph

PhPh

O

HCO2Me

CH2Ph+

OSO2CF3

_

Fe

PPd

P

Ph Ph

PhPh

O

HCO2Me

CH2Ph+

OSO2CF3

_

Fe

PPd

P

Ph Ph

PhPh

O

HCO2Me

CH3

+

OSO2CF3

_

Fe

PPd

P

Ph Ph

PhPh

O

HCO2Me

CH3

+

OSO2CF3

_

Fe

P

Pd

P

Ph Ph

Ph Ph

O

C

OMe

HH

+

OSO2CF3_

Fe

P

Pd

P

Ph Ph

Ph Ph

O

C

OMe

HH

+

OSO2CF3_

A A

B B

CC

PdP Ph

P +OSO2CF3

_

Ph

PdP Ph

P Ph

+

PdP S

PPh

Ph

PdP S

PPh

Ph

+

+

OSO2CF3_

OSO2CF3

_

OSO2CF3_

PdP H

P

PdP H

PPh

Ph

+

+

OSO2CF3_

OSO2CF3_

PdP H

P Ph

+

OSO2CF3

_

PdP S

P CH3

Ph

+

OSO2CF3_

Ludwig, M.; Stroemberg, S.; Svensson, M.; Akermarj, B. Organometallics, 1999, 18, 970-975

Интермедиаты, обнаруженные при проведении реакции Хека, катализируемой катионным комплексом Pd

Characterized intermediates

Ph

Ph

Спектральные данные катионных интермедиатов

PdP S

PPh

Ph

+

OSO2CF3_

PdP S

P CH3

Ph

+

OSO2CF3_

1H NMR: 3.64 m; 2.93 m; 2.09 m.

31P NMR: 18.9 d; 6.2 d.

13C NMR: 72.3 dd; 34.3 d.

1H NMR: 3.28 m; 0.86 m.

31P NMR: 18.3 d; 6.3 d.

13C NMR: 67.4 dd; 13.3 d.

Ludwig, M.; Stroemberg, S.; Svensson, M.; Akermarj, B. Organometallics, 1999, 18, 970-975

R

H

PdX

HH

Ar

PdH

ArH

RH

PdH

HAr

RH

Ar

R

Ar

R

Обычно наблюдается высокая Е-стереоселективность.

-Элиминирование происходит стереоселективно:

Когда присутствует фрагмент Pd-H, может происходить изомеризация

Pd

PhMe

HH

ArPh

HH

Ar

PdH Ph

HH

ArPdH

PdMe

HH

Ar

Ph

Ar

Ph

Me

Ph

Ar

Ar Ph

Me

PdH PdH PdH PdH

Каталитический цикл реакции Хека


Pd(0) or Pd(II) precatalyst

RX

R

PdX

R

Pd

X

R

Pd

Pd

R

Pd H

R

R

Pd(0)

-

активация


1,2-внедрениеэлиминирование

Основание нужно, чтобы избавляться от Pd-H

В циклических системах изучена асимметрическая реакция Хека

Ohrai, K.; Kondo, K.; Sodeoka, M.; Shibasaki, M. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 11737

Асимметрическая реакция Хека с дигидрофураном

O

Pd-Ar O Ar

Htrans

PdHcis

O

Pd HPd

O Ar

H

HH

O Ar*

OPd Ar

O Ar*

Hayashi, T.; Kubo, A.; Ozawa, F. Pure&Appl. Chem 1992, 64, 421-427

Ar

PdP P

Ph

PdP P

Ph

O

O

PdP P

Ph

O

PdP P

O

Ph

O Ph

Предложенный механизм стереоотбора

unfavorable

favorable

R


O

O

PdP Ar

P*

O

PdP Ar

P*

O

PdP Ar

OTfP*

+

+

O

ArPd

PP

*

+

O

ArPd

PP

*

+

OAr

Pd

HP

P*

OAr

Pd

HP

P*

OAr

OAr

PdP

P*

OAr

*

PdP

P

H

OAr

Кинетическое разрешение в реакции Хека

>96% ee (R)

around 25% ee (S)


70%

30%

ЯМР исследование реакции [PhPd(S-BINAP)]+ OSO2CF3- с

дигидрофураном

PdP Ph

OTfP* PdP

OTfP

OPh

* * PdP

OTfP

O

Ph

* PdP

OTfPO

Ph

PdP H

OTfP*

PdP

OTfPO*

PdP

OTfPO*

O

Наблюдаемые интермедиаты

Hii, K. K. (M.); Claridge, T. D. W.; Brown, J. M. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 984-987

31P ЯМР Мониторинг реакции [PhPd(S-BINAP)]+ OSO2CF3- с

дигидрофураном


PdP Ph

OTfP*

* PdP

OTfPO

Ph

PdP

OTfPO*

PdP

OTfPO*

*


Структура наиболее стабильного интермедиата подтверждена с помощью эффекта Оверхаузера

Обычно обсуждаемый каталитический цикл Сузуки-Мияура кросс-сочетания


Переметаллирование

Восстановительное элиминирование

Первая попытка установить стереохимию кросс-сочетания

Вторичные алкилбораны – трудные субстраты для кросс-сочетания

Синтез дейтероборабициклононана

Matos, K.; Soderquist, J. A. J. Org. Chem. 1998, 63, 461-470

BH3 THF

B

B B

OMe

H HCH3OH

9-BBN

MeO-9-BBN

i = (9-BBN-D)2

ii = CD3COOD

iii = (9-BBN-H)2

iv = PhBr/NaOH/Pd(PPh3)4


Экспериментальное определение стереохимии кросс-сочетания

Сохранение стереохимии при транс-металлировании предполагает четырехчленное переходное состояние


Сравнение двух боранов с различной кислотностью Льюиса

Только BBN-производное давало продукт реакции



ЯМР свидетельство важности основания

Основание может быть также важным для образования гидроксильных комплексов палладия


B

Hx

B

Hx OH-

Гидрокси-BBN реагирует с гидроксид-анионом


Пять возможных способов участия основания в реакции Сузуки-Мияура

• Образование гидроксиборатных комплексов

• Гидролиз интермедиатов Pd(II)X до мономерных комплексов Pd(II)OH

• Комплексация с HOBR2

• Ускорение реакции в случае «ат»-комплексов

• Регенерация катализатора

Модифицированный каталитический цикл для реакции Мияура-Сузуки


Общепринятый механизм реакции Штилле

Модифицированный механизм реакции Штилле

Асимметрическое 1,4-присоединение арил(алкил)борных кислот

Takaya, Y.; Ogasawara, M.; Hayashi, T.; Sakai, M.; Miyaura, N. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5579

Sakai, M.; Hayashi, H.; Miyaura, N. Organometallics 1997, 16, 4229

Каталитическая реакция:

Асимметрический вариант:

Каталитический цикл

1

23

Все три интермедиата были надежно охарактеризованы

Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.

Синтез фенилродиевого интермедиата


31P ЯМР Мониторинг асимметрического образования С-С связи


Асимметрические реакции с использованием фенилродиевого интермедиата


Диастереомерные окса--аллилпалладиевые комплексы можно синтезировать другим путем

Спектры ЯМР независимо приготовленных образцов были сравнены со спектрами, наблюдаемыми при мониторинге


Оксародиевые комплексы можно синтезировать независимым путем


Симуляция стадии регенерации катализатора


Региоселективная и неселективная реакции

Только один диастереомер наблюдается в реакционной смеси


31P ЯМР спектры двух диастереомерных интермедиатов


Различие в активности разных катализаторов

Использование гидроксиродиевого комплекса позволило проводить реакцию в гораздо более мягких условиях


Прямое трансметаллирование гидроксиродиевого комплекса более эффективно


Выводы

Каталитические реакции образования С-С связей происходят путем:

Окислительного присоединения алкилгалогенида (доставка первого радикала к атому металла)

Переметаллирования (доставка второго радикала к атому металла)

Восстановительного элиминирования с образованием прочной С-С связи.

В определенных реакциях может также происходить 1,2-внедрение и изомеризация.

При наличии протонов в -положении может наблюдаться -элиминирование, затрудняющее реакцию

ЯПОНИЯ ОСЕНЬ

日本　　　　秋

Лекция 5

Documents

Transcript of Лекция 5