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
Casado, A. L.; Espinet, P. Organometallics 1998, 17, 954-959
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
Casado, A. L.; Espinet, P. Organometallics 1998, 17, 954-959
Ингибирование изомеризации трифенилфосфином
Casado, A. L.; Espinet, P. Organometallics 1998, 17, 954-959
Зависимость скорости изомеризации от концентрации комплексовв TГФ
в TГФ с избытком PPh3
в PhCl
TГФ участвует в реакции
Casado, A. L.; Espinet, P. Organometallics 1998, 17, 954-959
Механизмы, чувствительные к присутствию Ph3P
Механизм изомеризации на основании кинетического анализа
Casado, A. L.; Espinet, P. Organometallics 1998, 17, 954-959
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”
Beletskaya, I. P.; Cheprakov, A. V. Chem. Rev. 2000, 100, 3009-3066.
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
Brown, J. M.; Hii, K. K. M. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35 657
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
Brown, J. M.; Hii, K. K. M. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35 657
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
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
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
Hayashi, T.; Kubo, A.; Ozawa, F. Pure&Appl. Chem 1992, 64, 421-427
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)
Hayashi, T.; Kubo, A.; Ozawa, F. Pure&Appl. Chem 1992, 64, 421-427
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
Hii, K. K. (M.); Claridge, T. D. W.; Brown, J. M. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 984-987
PdP Ph
OTfP*
* PdP
OTfPO
Ph
PdP
OTfPO*
PdP
OTfPO*
*
Hii, K. K. (M.); Claridge, T. D. W.; Brown, J. M. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 984-987
Структура наиболее стабильного интермедиата подтверждена с помощью эффекта Оверхаузера
Обычно обсуждаемый каталитический цикл Сузуки-Мияура кросс-сочетания
Окислительное присоединение
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
Matos, K.; Soderquist, J. A. J. Org. Chem. 1998, 63, 461-470
Экспериментальное определение стереохимии кросс-сочетания
Сохранение стереохимии при транс-металлировании предполагает четырехчленное переходное состояние
Matos, K.; Soderquist, J. A. J. Org. Chem. 1998, 63, 461-470
Сравнение двух боранов с различной кислотностью Льюиса
Только BBN-производное давало продукт реакции
Matos, K.; Soderquist, J. A. J. Org. Chem. 1998, 63, 461-470
Matos, K.; Soderquist, J. A. J. Org. Chem. 1998, 63, 461-470
ЯМР свидетельство важности основания
Основание может быть также важным для образования гидроксильных комплексов палладия
Matos, K.; Soderquist, J. A. J. Org. Chem. 1998, 63, 461-470
B
Hx
B
Hx OH-
Гидрокси-BBN реагирует с гидроксид-анионом
Matos, K.; Soderquist, J. A. J. Org. Chem. 1998, 63, 461-470
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
Matos, K.; Soderquist, J. A. J. Org. Chem. 1998, 63, 461-470
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
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
31P ЯМР Мониторинг асимметрического образования С-С связи
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
Асимметрические реакции с использованием фенилродиевого интермедиата
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
Диастереомерные окса--аллилпалладиевые комплексы можно синтезировать другим путем
Спектры ЯМР независимо приготовленных образцов были сравнены со спектрами, наблюдаемыми при мониторинге
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
Оксародиевые комплексы можно синтезировать независимым путем
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
Симуляция стадии регенерации катализатора
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
Региоселективная и неселективная реакции
Только один диастереомер наблюдается в реакционной смеси
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
31P ЯМР спектры двух диастереомерных интермедиатов
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
Различие в активности разных катализаторов
Использование гидроксиродиевого комплекса позволило проводить реакцию в гораздо более мягких условиях
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
Прямое трансметаллирование гидроксиродиевого комплекса более эффективно
Hayashi, T.; Takahashi, M.; Takaya, Y.; Ogasawara, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5052-5058.
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
Top Related