Пожарский А.Ф., Гулевская А.В.и др. Практикум по органической химии

Подождите немного. Документ загружается.

231

3.9.1.4. Типы реакционной способности органических

комплексов переходных металлов

Химическая связь между переходным металлом и органиче-

ским лигандом в металлорганических комплексах не очень прочная:

для переходных металлов первого ряда ∼30 ккал/моль, для второго

и третьего рядов – несколько выше. Каталитическое действие таких

комплексов обусловлено реакциями, в которых открывается доступ к

переходному металлу. Рассмотрим основные типы реакций, характер-

ных для этих соединений.

Реакциитрансметаллирования

Реакция трансметаллирования (переметаллирования), проис-

ходящая при взаимодействии литий-, магний- или алюминийоргани-

ческого соединений с галогенидами переходных металлов − наиболее

общий метод синтеза комплексов переходных металлов с органиче-

скими лигандами :

R-M + M'Hal R-M' + MHal

Лигандныйобмен

Первой, а иногда и лимитирующей, стадией реакций металлорга-

нических комплексов является лигандный обмен:

+ nL' ML

x-n

+ nL

Существует два основных механизма лигандного обмена, кото-

рые в чем-то аналогичны S

1 и S

2 – механизмам.

Ассоциативный механизм подобен S

2: в ходе реакции образу-

ется интермедиат с увеличенным к.ч. посредством создания новой

связи М – лиганд. Такой механизм характерен для координационно

ненасыщенных комплексов.

+ Y

+ X

Диссоциативный механизм аналогичен S

1: в ходе реакции об-

разуется интермедиат с пониженным к.ч. в результате разрыва связи

металл – лиганд. Такой механизм типичен для координационно на-

сыщенных комплексов.

медленно

L + ML

быстро

232

Необходимо подчеркнуть, что каталитические свойства комплек-

сов переходных металлов определяются их способностью переходить

в координационно ненасыщенное состояние:

x-n

+ nL

Использование объемных лигандов – эффективный способ уско-

рить диссоциативный лигандный обмен. Наивысшие скорости лиганд-

ного замещения характерны для комплексах металлов второго пере-

ходного ряда: Co < Rh > Ir, Ni < Pd > Pt. Объяснение этой закономер-

ности отсутствует.

Окислительное присоединение и восстановительное элиминиро-

вание

В результате окислительного присоединения у переходного ме-

талла появляются новые формально отрицательные лиганды, при

этом формальная степень окисления металла увеличивается от n до

n+2, что сопровождается отдачей двух электронов с его d-подуровня и

образованием комплекса с отличной от исходной геометрией.

[M(n)]

A B

n+2

Если А−В – полярная электрофильная частица типа R

δ+

– X

δ-

, то

механизм окислительного присоединения можно представить следу-

ющей схемой:

CMX

CM XC X

(n)

(n+2)

Очевидно, что если атом углерода, связанный с группой Х хира-

лен, то в процессе этой реакции его конфигурация обращается (по-

добно S

2 – реакциям).

Ряды активности R-X в окислительном присоединении таковы: R

первичный > вторичный >> третичный; X = I > Br > Cl >> F.

Реакция обратная окислительному присоединению называется

восстановительным элиминированием. Геометрические требова-

ния к восстановительному элиминированию − перед отщеплением

элиминируемые лиганды должны быть в цис-положении друг к дру-

гу. Так, восстановительное элиминирование частицы R-R из транс-

палладиевого комплекса PdL

возможно только после транс-цис-

изомеризации. Например, для осуществления следующей реакции

необходим фотолиз:

233

Pt CH

PPh

h

Pt PPh

PPh

быстро

Когда цис-транс-изомеризация невозможна, восстановительное

элиминирование не происходит, как в случае комплекса А:

DMSO

P PPd

Me Me

DMSO

В общем, восстановительное элиминирование с образованием

связи С-Н происходит легче, чем с образованием связи С-С. Ацил-

алкильное и винил-алкильное элиминирование происходит быстрее,

чем алкил-алкильное.

Внутримолекулярные реакции внедрения и цис-элиминирования

алкена

Внедрение ненасыщенного лиганда Y происходит в соседнюю

связь металл-лиганд М-Х, при этом другой лиганд L (любое основание

Льюиса, включая растворитель) занимает координационную вакан-

сию, которая возникает в результате внедрения.

X = H, R, Ar, COR

C C

Y = CO,

n-2

XYM

XYMM Y

Если лиганд Х хирален, то реакция протекает с сохранением кон-

фигурации. В присутствии кислот Льюиса реакции миграционного вне-

дрения протекают легче.

Рассмотрим в качестве примера внедрение алкена. Вначале об-

разуется π-комплекс алкена с координационно ненасыщенным ком-

плексом R-M. Затем происходит присоединение R и металла с одной

стороны плоскости алкена (цис-присоединение). Региоселективность

234

присоединения во многом определяется совокупностью стерических и

электронных факторов.

M CH

CH R

R CH

CH R

цис -Элиминирование алкена из металлалкильного производно-

го путем отрыва β-водородного атома происходит обратным путем.

Нуклеофильнаяатаканалиганды,координированныеспе-

реходнымиметаллами

Ненасыщенные лиганды, такие, как СО, олефины, диены и аре-

ны, в обычных условиях инертны к нуклеофилам. Однако при коорди-

нации с электронодефицитными комплексами переходных металлов

они активируются по отношению к нуклеофильной атаке и их обычная

реакционная способность существенно изменяется. При этом чем

больше дефицит электронов на металлическом центре, тем более

чувствительны связанные с ним лиганды к нуклеофильной атаке.

(n-1)+

Все вышеприведенные реакции входят в качестве элементарных

стадий в некоторые известные превращения, обеспечивая их проте-

кание по низкоэнергетическому пути. Кроме того, они лежат в основе

новых синтетических методов, которые будут рассмотрены ниже.

3.9.1.5. новые методы конструирования С-С связей

с участием переходных металлов

РеакцияХека

Реакция Хека (1968 г.) – катализируемая соединениями палладия

реакция сочетания органических галогенидов с олефинами:

235

R X

[Pd]

+ HX

R = Ar, Het, PhCH

, винил, Alk

X = Br, J

[Pd] = Pd (PPh

)

, Pd (PPh

)

, Pd (PPh

)

(OAc)

В качестве катализаторов используют триарилфосфиновые

комплексы палладия или хлоридов и ацетатов двухвалентного пал-

ладия.

C точки зрения классической органической химии реакция кажет-

ся совершенно неосуществимой. Тем не менее, многие органические

галогениды – арил, гетарил, бензил, винил, алкилбромиды и йодиды,

а также бензилхлориды – легко вступают в нее. Алкилгалогенид, од-

нако, не должен содержать β-водородных атомов, иначе преобладаю-

щим направлением реакции будет элиминирование.

Олефины, способные сочетаться с органическими галогени-

дами, столь же разнообразны: терминальные, внутренние, 1,1-

дизамещенные и некоторые тризамещенные. Однако с увеличением

числа заместителей при двойной связи скорость реакции падает.

В галогениде и в олефине могут присутствовать различные

функциональные заместители. Но наличие кислых ОН и NH

групп в

арилгалогениде нежелательно, так как эти группы могут кватернизо-

вать триарилфосфин; применение три-о-толилфосфина (в котором

фосфор стерически затруднен) вместо PPh

позволяет избежать этих

осложнений.

Практически реакцию проводят так: смешивают RX с неболь-

шим избытком олефина, небольшим избытком амина (чаще всего

N), 1 мол.% Pd(OAc)

и 2 мол.% PAr

. Гомогенный раствор кипятят

в инертной атмосфере (для предотвращения окисления PPh

) или на-

гревают в бомбе на водяной бане. По окончании смесь разбавляют

водой и экстрагируют продукты. При необходимости в качестве рас-

творителя применяют ацетонитрил (в отсутствии PPh

Механизм реакции Хека включает следующий каталитический

цикл (схема 1)*:

* Для палладия характерно к.ч. 4. Чтобы не загромождать схему, мы опу-

скаем дополнительные фосфиновые лиганды.

236

Схема 1

цис-элиминирование

цис-присоединение

H Pd X

PdX

R Pd X

R X

[Pd

]

При использовании комплексов Pd

истинный катализатор, веро-

ятно, образуется при восстановлении предшественника до нульва-

лентного состояния in situ, и каталитический цикл включает окисли-

тельное присоединение галогенида (стадия а).

На стадии б происходит образование η

-комплекса с алкеном и,

затем, «внедрение» алкена по связи С – Pd по типу цис-присоединения

(стадия в). Стадия г – цис- элиминирование гидрида палладия H-Pd-X,

последний далее восстанавливается до Pd

, отщепляя галогеноводо-

род, который связывается Et

Направление присоединения органопалладиевого интермедиа-

та к олефину определяется стерическими факторами: органические

группы R предпочитают пространственно менее затрудненный атом

углерода двойной связи. Электронные эффекты также важны: элек-

тронодонорные группы при С=С связи олефина или у атома углерода,

несущего галоген, способствуют присоединению R к более электро-

нодефицитному атому углерода двойной связи. Стерические эффек-

ты, однако, доминируют, что демонстрирует рис. 60. Ориентация не

зависит от природы галогена и от наличия заместителей в арильных

группах PAr

=CH CO

Me CH

=CH CN CH

=CH Ph

=CH CHMe

100

100 90 10

93 7

79 21

N O

Рис. 60. Процентное соотношение продуктов присоединения бромбензола

к различным олефинам в условиях реакции Хека (100

С)

237

Реакция Хека высоко стереоселективна, что следует из приве-

денного выше механизма. Например, сочетание бромбензола с (Z)-1-

фенилпропеном-1 дает с выходом 73 % (Z)-1,2-дифенилпропен. В тех

же условиях (Е)-олефин дает 79 % (Е)-1,2-дифенилпропена-1.

PhBr +

Pd(OAc)

PPh

цис-присоединение

цис-элиминирование

- HPdBr

РеакцияСоногаширы

Реакция сочетания терминальных алкинов с арил- и винилгалоге-

нидами (или трифлатами*) в присутствии палладиевого катализатора

и соли меди (I) как сокатализатора с использованием аминов в каче-

стве основания и иногда растворителя. Реакция требует повышенной

температуры (∼100

С). Однако добавление к смеси Cu (I) позволяет

проводить эту реакцию при комнатной температуре. В ходе реакции

образуются ацетилениды меди, которые затем непосредственно реа-

гируют с промежуточным комплексом Ar-Pd-X, образуя арилацетиле-

ны.

R C CH

+ ArX + R

N + R

NHX

R C C Ar

[Pd

]

Реакцииперекрестногосочетания

Кросс-сочетание металлорганических соединений (МОС) – наи-

более общая методология, применяемая для конструирования С-С

связей.

R – M + R’ – X → R – R’ + M – X.

Это типичная реакция нуклеофильного замещения, в которой

МОС выступает в роли нуклеофила, тем более сильного, чем боль-

* Трифлатами называют сложные эфиры трифторметансульфокислоты

R, т. е. Tf = CF

238

ше степень ионности связи углерод-металл. Однако даже в случае

таких реакционноспособных МОС, как реактивы Гриньяра, реакция

идет гладко лишь с алкилсульфатами, алкилсульфонатами, слож-

ными α-хлорэфирами, (т. е. соединениями, которые проявляют вы-

сокую S

2 активность). В случае алкилгалогенидов кросс-сочетание

осложняется процессами элиминирования с образованием олефи-

нов. В 1975 . японский химик Мурахаши установил, что многие ре-

акции кросс-сочетания катализируются палладием. В реакцию были

введены органические соединения Al, Zn (синтез Негиши), Li (синтез

Мурахаши), Sn (синтез Стилле, Мигита), Si (синтез Хияма), Mg (синтез

Караша), Cu (I) (синтез Норманта), B (синтез Сузуки).

Механизм и общие закономерности

Каталитический цикл реакций кросс-сочетания имеет общие

черты с реакцией Хека и включает три основные стадии (схема 2)*:

окислительное присоединение катализатора к органогалогениду 1)

с образованием интермедиата R’ – Pd – X (стадия а)**;

трансметаллирование с образованием диорганилпалладиевого 2)

интермедиата R’ – Pd – R (стадия б);

восстановительное элиминирование из диорганилпалладия R’ – 3)

R и [Pd

]- катализатора (стадия в).

Схема 2

R Pd X

R X

[Pd

]

R M

R' R

Большинство реакций кросс-сочетания катализируется Ni (0),

Pd (0), Fe (I), однако, палладиевые катализаторы наиболее эффек-

тивны. Чаще всего используют Pd(PPh

)

, а также его предшествен-

ники PdCl

(PPh

)

, Pd(OAc)

, Pd

dba

, которые стабильны на воздухе

и легко восстанавливаются до Pd(0) в ходе реакции. Палладиевые

* Каждая стадия включает, вероятно, другие подстадии. Указанные в схе-

ме интермедиаты были выделены или зафиксированы спектроскопиче-

ски.

** Для палладия характерно координационное число 4. Чтобы не загро-

мождать схему, мы опускаем дополнительные лиганды.

239

комплексы, содержащие отличное от 4 число фосфиновых лигандов

или объемные триарилфосфиновые лиганды (например, трис-(2,4,6-

триметоксифенил)фосфин) в целом более активны в окислительном

присоединении.

Окислительное присоединение (стадия а) – скоростьопределяю-

щая стадия в каталитическом цикле. Относительная активность R’–X

в зависимости от Х падает в следующем ряду: I > OTf > Br >> Cl. Арил-

и алкенилгалогениды, активированные с помощью ближних электро-

ноакцепторных групп более активны, чем те же субстраты с электро-

нодонорными заместителями.

Окислительное присоединение 1-алкенил, 1-алкинил, аллил, бен-

зил и арилгалогенидов к Pd (0)-комплексу приводит к образованию ста-

бильного транс-σ-палладиевого комплекса. Реакция протекает с пол-

ным сохранением конфигурации алкенилгалогенида и с инверсией ал-

лил- и бензилгалогенидов. Алкилгалогениды, имеющие β-водородные

атомы, в реакциях кросс-сочетания используются редко, так как в этом

случае доминирующей становится реакция β-гидридного элиминиро-

вания из σ-органопалладиевого комплекса. Никелевые катализаторы

менее склонны к β-элиминированию, чем палладиевые. Однако мож-

но повысить эффективность Pd как катализатора, подобрав лиганд, в

присутствии которого β-элиминирование подавляется, например, 1,1’-

бис(ферроценил)фосфин.

Восстановительное элиминирование (стадия в) органической

частицы из диорганилпалладиевого комплекса R’ – Pd – R протекает,

очевидно, по схеме 3.

Схема 3

PdPh Ph

Ph Ph + Pd

0 .

изомеризация в цис-



-палладиевый комплекс

частичное перекрывание

р-орбиталей бензольных колец

Порядок активности: диарил > (алкил)арил > дипропил > диэтил

> диметилпалладий (II) подтверждает участие π-орбиталей арильных

групп в ходе образования С-С связи. Подробности восстановительно-

го элиминирования из 1-алкенил- и 1-алкинил-палладиевых комплек-

сов не изучены, но подобный эффект наблюдается и в этом случае.

Для диалкильных комплексов предполагается диссоциативный меха-

низм (схема 4).

240

Схема 4

PdMe Me

+ Pd

PdMe Me

-L

PdL Me

Me Me

Стадия трансметаллирования (б) менее изучена, так как ее ме-

ханизм сильно зависит от природы МОС и условий реакции.

РеакцияСузуки

В 1982 г. японский химик Акира Сузуки предложил использовать в

качестве нуклеофильного сочетающегося партнера борорганические

соединения (схема 5).

Схема 5

R BX

+ R

[Pd] / base

solvent

R R

X = OH, OAlk, Hal

Y = J, Br, Cl, OTf

base = NaOH, NaOAlk, Na

, Na

, Et

N, NaOAc etc.

solvent = H

O, EtOH, DME, C

, THF etc.

На первый взгляд, это кажется нелогичным, поскольку бор вы-

сокоэлектрофилен и, следовательно, связанные с ним органические

группы должны быть слабонуклеофильными. Тем не менее, борор-

ганические соединения достаточно реакционноспособны для транс-

металлирования другими металлами (галогенидами серебра, магния,

цинка, алюминия, олова, меди, ртути). Кроме того, оказалось возмож-

ным увеличить их нуклеофильность (и, таким образом, способность к

перенесению органических радикалов от бора к электронодефицитно-

му центру) путем координации отрицательно заряженного основания

по атому бора. Т. е. на стадии трансметаллирования в каталитическом

цикле участвует не сама исходная частица R-BX

, а соответствующий

«атный» комплекс с отрицательно заряженным основанием, напри-

мер: