Электрокаталитическое фторалкилирование ароматических галогенидов с участием комплексов переходных металлов

Хризанфоров, Михаил Николаевич

Электрокаталитическое фторалкилирование ароматических галогенидов с участием комплексов переходных металлов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

Хризанфоров, Михаил Николаевич АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Электрокаталитическое фторалкилирование ароматических галогенидов с участием комплексов переходных металлов»

Автореферат диссертации на тему "Электрокаталитическое фторалкилирование ароматических галогенидов с участием комплексов переходных металлов"

На правах рукописи

Хризанфоров Михаил Николаевич

ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОЕ ФТОРАЛКИЛИРОВАНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ ГАЛОГЕНИДОВ С УЧАСТИЕМ КОМПЛЕКСОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

(№, Со, Си и Р(1)

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

■/: с;:г ¿ОіЗ

Казань-2013

005536043

Работа выполнена в лаборатории электрохимического синтеза Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель: Доктор химических наук

Будникова Юлия Германовна

Официальные оппоненты:

Федюшкин Игорь Леонидович, д.х.н., член-корр. РАН., заведующий лабораторией органических производных непереходных металлов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук, Салоутин Виктор Иванович, д.х.н., профессор, зам. директора Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органического синтеза им. И. Я. Постовского Уральского отделения РАН (ИОС УрО РАН)

Ведущая организация: Химический институт A.M. Бутлерова Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанского (Приволжского) федерального университета»

Защита состоится «13» ноября 2013 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 022.005.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии паук по адресу: 420088, г. Казань, ул. Арбузова, 8, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 420088, г. Казань, ул. Арбузова, 8, ИОФХ им. А.Е. Арбузова.

Автореферат разослан ^.октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

Р.Г. Муратова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Уникальные физические и биологические свойства фторорганических соединений обеспечивают их широкое применение в различных областях науки и технологии, особенно в медицине, агрохимии и материаловедении. Важные научные и технологические достижения в области химии фтора появились в результате необычного тесного сочетания решений фундаментальных и прикладных задач. В настоящее время разработка новых синтетических подходов селективного введения фтора и фторсодержащих групп в органические молекулы с целью получения биологически активных и других полезных материалов, а также исследование удивительной взаимосвязи структуры / реакционной способности фторсодержащих соединений стали горячей областью исследований.

Трифторметильная и перфторалкильная группы могут кардинально влиять на свойства органических молекул, увеличивая тем самым возможность их применения в качестве лекарственных препаратов, агрохимикатов или строительных блоков для создания новых органических материалов. Несмотря на важность этих заместителей, не существует общего метода их введения в сложные молекулы и ароматические субстраты, содержащие функциональные группы. Современные подходы либо требуют использования жестких условий реакции, либо реализуются только с ограниченным набором соединений.

Самый полезный традиционный синтетический метод введения трифторметильных и перфторалкильных групп в ароматические и гетероароматические циклы заключается в сочетании соответствующих арил- и гетероарилгалогенидов с участием фтормегилмеди. Эти реакции обычно идут при высоких температурах и больших избытках меди или фторметилмедных реагентов, иногда с заменой их на производные ртути и цинка, то есть имеют очевидные недостатки.

Известны лишь единичные примеры каталитических реакций введения Rf групп. Также острой проблемой остается разработка процессов, в первую очередь каталитических, толерантных к различным функциональным группам, таким как сложноэфирным, амидиым, эфирным, ацетальным, нитрильным и, которые, следовательно, могут быть применимы на поздних стадиях модификации наиболее перспективных интермедиатов в синтезе биологически полезных веществ.

Первый доклад о возможности катализа кросс-сочетания перфторапкилйодидов с органическими галогенидами был сделан в 1982 году Китазуме. Хотя совсем недавно этот путь реакции был опровергнут. Описаны отдельные другие примеры использования медных или палладиевых катализаторов или различных металлических систем (Pd-Ni-Cu или Pd-Zn) в жестких условиях, при инициировании реакции в микроволновой печи или повышенных температурах.

Таким образом, получение молекул, содержащих фторалкильные группы, до настоящего времени остается проблемным. Это обусловлено тем, что многие синтетические способы получения этих молекул требуют жестких условий реакции, таких как высокая температура, которая может быть применена только к довольно простым молекулам (наиболее устойчивым). Синтез более сложных трифторалкилированных молекул нужно начинать с простых, легко доступных соединений, которые содержат Rf группу, затем строить из них желаемую молекулу, и этот процесс мог быть длительным и трудоемким. Тем не менее, Rf группа оказалась успешной и перспективной для улучшения свойств различных молекул, прежде всего биологических свойств препаратов. Так, были получены антидепрессант флуоксетин (Prozac), который, например, содержит одну трифторметильную группу, дутастерид

(Avodart) - препарат, который изменяет переработку тестостерона в организме, содержащий даже две CF3 группы и другие. Но синтетические правила были просты: не пытайтесь присоединить трифторметильную группу к сложной молекуле, молекуле с функциональными группами, поскольку успех крайне маловероятен.

Создание каталитических методов, позволяющих вводить трифторметильную группу в арилбромиды или хлориды требует особого внимания. Несмотря на богатую историю стехиометрического трифторметилирования арилгалогенидов с использованием меди, первый пример каталитического процесса с медью, сочетающего трифторметильную группу с арилйодидами, появился только недавно, в 2009 году. Наиболее удачным можно считать подход Чо с сотр., который предложил метод трифторметилирования арилхлоридов под действием комплексов палладия с лигандами Бухвальда типа BrettPhos в качестве катализаторов. Однако, такие лиганды стоят дороже, чем сам палладий. Также авторы считают необходимым в дальнейшем искать пути снижения количества катализатора, смягчения условий процесса, и, главным образом, искать более экологически чистые трифторалкилирующие агенты.

Таким образом, все направления в области реакций перфторалкилирования субстратов, промотируемого металлами и их комплексами, все еще остаются недостаточно развитыми, требуют дальнейших усовершенствований.

Считается, что дальнейшие разработки необходимо проводить в направлении использования недорогих, регенерируемых растворителей для различных реакций перфторалкилирования. Ярким примером служит подход Чо [Cho Е. et all / Science. -2010. - Vol. 328. - P. 1679-1681]. Поскольку медь является относительно недорогой, ее использование в стехиометрических количествах допустимо. Однако, конечно, более желательно использование меди или других доступных металлов для этих реакций в каталитических количествах.

Для реакции катализируемого трифторметилирования или перфторалкилирования, которая была бы реализована в промышленном масштабе, необходимы другие, менее дорогие лиганды, чем BrettPhos. Поиск таких лигандов является сложной проблемой. Такие лиганды должны не только способствовать восстановительному элиминированию Ar-CF3, самому трудному шагу каталитического цикла, но они также должны быть совместимы с другими стадиями в пределах одного цикла. Необходимо избежать быстрой и необратимой дезактивации катализатора, которая обычно мешает успешному катализу.

Очень мало исследований было сделано в направлении развития реакций с катализаторами на основе комплексов №-, Со-, других дешевых и доступных металлов.

Важно конструировать каталитический цикл га одиночных стадий так, чтобы они работали синергично, подбирать лиганды и металлы так, чтобы каталитически активные формы комплексов и металлоорганические интермедиаты были достаточно реакционноспособны, но в то же время устойчивы, чтобы не распадаться, и все отдельные стадии работали в одном направлении и способствовали образованию конечного целевого продукта, а скорости их, в первую очередь окислительного присоединения и восстановительного элиминирования, были бы сбалансированы. Электросинтез может быть полезен здесь по нескольким причинам и возможностям:

- управления скоростью реакции окислительного присоединения, варьируя потенциал восстановления катализатора, и, соответственно, силу восстановителя M(0)L или M(I)L. Аналогично — для окислителя.

- возможность генерации и регенерации каталитически активной формы на электроде без специально добавленных восстановителей (окислителей)

- возможность эффективного трансметаллирования (при необходимости) в условиях электролиза с растворимыми анодами и восстановительного катализа на катоде

- возможность исследования механизмов каталитических циклов, разбивая их на отдельные стадии и получения информации о редокс-свойствах интермедиатов и константах скоростей реакций окислительного присоединения и других с помощью разработанных математических методов, спектроэлектрохимии и ЭПР.

Изучение закономерностей реакций фторалкилирования позволит прогнозировать реакционную способность фторалкилирующих агентов и направлять процесс в сторону образования целевых продуктов присоединения (замещения) для достижения высоких выходов.

Целью настоящего исследования является разработка нового одностадийного метода ароматического перфторалкилирования с участием комплексов металлов в электрокаталитических мягких условиях и установление закономерностей этого процесса.

Ненасыщенные комплексы №, Со, Си с "неинноцентными" лигандами были выбраны в качестве катализаторов. Помимо более низкой цены по сравнению с драгоценными платиновыми металлами Рс! или Р1, использование № и Со в основном мотивировано тем, что последние обладают очень благоприятным сочетанием свойств, необходимых для органических реакций, протекающих через координацию. Известно, что достаточно низкий потенциал ионизации благоприятствует окислительному присоединению к никелю; достаточно слабые связи металл-углерод, тенденция к образованию плоско-квадратных комплексов и возможность достичь пентакоординации, чтобы позволить присоединение; достаточно высокое сродство к электрону, чтобы обеспечить восстановительное элиминирование - также являются важными факторами. Некоторые свойства являются противоречивыми, и для успешного осуществления всех стадий каталитического цикла должен быть достигнут компромисс.

Научная новизна и практическая значимость работы состоят в следующем:

Разработан эффективный электрокаталитический метод кросс-сочетания фторалкил- и арилгалогенидов, который был протестирован с различными катализаторами и металлами анода. Установлены некоторые закономерности этой реакции, заключающиеся в линейной зависимости выхода продукта Аг-ЯР от потенциала восстановления комплекса-катализатора и принципиальная значимость медного анода для селективного образования продукта кросс-сочетания, что подтверждает важную роль стадии трансметаллирования в каталитическом цикле.

Преимущества предложенного способа заключаются в следующем: кросс-сочетание перфторалкилгалогенидов успешно протекает не только с иодбензолом, но и бром- и хлорароматическими производными, это одностадийный каталитический метод, реализуемый в мягких условиях, при комнатной температуре. Содержание катализатора в реакционной системе невелико и достигает от 1 до 10% по отношению к субстратам. Новый метод эффективен с широким рядом ароматических субстратов (бензол, пиридин, тиофен и др. производными).

Предложена схема реакции электрокаталитического ароматического перфторалкилирования, где активной формой катализатора, генерирумой и регенерируемой на электроде, является комплекс никеля или кобальта в низкой степени окисления, образованный в результате металлоцентрированного переноса электрона. Обнаружено, что комплексы с лигандо-центрированной электронной структурой каталитически не активны в изучаемых реакциях.

Сделанные наблюдения позволили распространить методику фторалкилирования на реакцию функционализации олефинов и разработать метод электрокаталитического перфторалкилирования олефинов с высоким выходом с участием комплексов никеля или кобальта с а-дииминами в присутствии медного анода.

Разработаны методы синтеза новых фторорганических соединений, которые могут найти практическое применение как биологически активные, гидрофобизирующие или пластифицирующие соединения. Доказательство протекания процессов через металл (I) или металл (0) активную форму катализатора (метаплоцентрированную) и промежуточный с-перфторалкил комплекс металла углубляет понимание механизмов каталитических процессов с участием комплексов Со, широко востребованных в современной химии и химической технологии.

Объем н структура работы

Диссертация изложена на 154 страницах печатного текста, содержит 26 рисунков, 64 схемы, 14 таблиц. Состоит из введения, 3 глав, выводов и списка цитируемой литературы (223 наименования). В первой главе (литературный обзор) показаны основные методы фторалкилирования органических соединений, а также рассмотрены реакции кросс-сочетания в условиях метаплокомплексного катализа. Вторая глава (обсуждение результатов) содержит данные по синтезу перфтор-н-гексилбензола, 4-перфтор-н-гексилбензонитрилла, 2-перфтор-н-гексилфурана и исследованию продуктов присоединения перфторалкильных групп к ненасыщенным соединениям - 2-винилпиридин, 1-метилстирол, бензилиденацетон в условиях электрокаталитической генерации активных металлокомплексов, а также изучению свойств комплексов №, Со, Си в исследуемых реакциях. В третьей главе (экспериментальная часть) приводится описание методик синтеза соединений и их основные физико-химические характеристики.

Положения, выносимые на защиту

• Электрохимический селективный синтез продуктов кросс-сочетания арил-и перфторалкилгалогенидов в условиях электрокаталитической генерации активных металлокомплексов;

• Каталические свойства ряда комплексов никеля и кобальта в реакциях электрохимического перфторалкилирования;

• Результаты каталитических реакций в различных условиях процесса-различными металлами анода, комплексами N1, Со, Р<1, Си с выбранными лигандами (Ьру, 1ру, (1трЬеп, ЛЬру, сйп, Ывд, Ыррс1сп) и субстратами разной природы;

• Результаты исследования закономерностей кросс-сочетания;

• Схема каталитического ароматического фторалкилирования;

• Результаты фторалкилирования олефинов в условиях каталитической генерации комплексов кобальта и никеля в низких степенях окисления и медным анодом.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на итоговых научных конференциях Казанского Научного Центра Российской Академии Наук (Казань, 2012), XIII молодёжной школе-конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2010), молодежной конференции «международный год химии» (Казань, 2011), XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Суздаль, 2011), XXV международной конференции по металлоорганической химии (Лиссабон, 2012), Международной конференции по катализу в органическом синтезе ГССОв (Москва, 2012), Международном химическом конгрессе РасШссЬегп (Гаваи,

2010), Международном Буглеровском конгрессе по органической химии (Казань, 2011), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы органической химии» (Казань, 2010), Первой российской молодежной школе-конфренции по электрохимии и спектроэлектрохимии (Казань, 2011)

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в центральных российских и международных журналах и 11 тезисов докладов.

Работа выполнена в лаборатории электрохимического синтеза Учреждения РАН Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН в соответствии с темами Института «Разработка методов синтеза соединений со связью фосфор-углерод и фосфор-кислород - основы создания функциональных материалов нового поколения» (№ гос. регистрации 012001157528), «Научные основы и технологические аспекты получения новых практически важных фосфорорганических соединений и материалов на их основе» (№ гос. регистрации 0120803971), при поддержке грантов РФФИ (07-03-00213, 09-03-12264-офи-м, 10-03-00335-а, 11-03-12152-офи-м-2011, 11-03-92662-МСХ_а).

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Изложенный материал и полученные результаты по своим целям, задачам, научной новизне, содержанию и методам исследования соответствуют п.1. « Выделение и очистка новых соединений», п.2. «Открытие новых реакций органических соединений и методов их исследования», п.З. «Развитие рациональных путей синтеза сложных молекул» и п.7. «Выявление закономерностей типа "структура-свойство" паспорта специальности 02.00.03 - органическая химия и решает одну из основных задач органической химии - направленный синтез соединений с полезными свойствами, конкретно фторалкильных производных ароматических соединений.

Личный вклад соискателя. Вся синтетическая часть работы выполнена лично соискателем, включая синтез, выделение и анализ продуктов. Весь объем экспериментальных электрохимических исследований, а также анализ и обработка экспериментальных данных выполнен лично соискателем. Автор участвовал в постановке задачи и разработке плана исследований, обсуждении результатов, формулировании выводов и подготовке публикаций по теме диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Алкнл- и фторалкшшрованне ароматических и гетероароматических соединений с участием комплексов переходных металлов

Для достижения целей работы был решен ряд взаимосвязанных задач: изучить и показать возможность электрокаталитического ароматического фторалкилирования в мягких условиях, обосновать выбор наиболее эффективных и доступных катализаторов - никелевых, медных, кобальтовых комплексов с различными лигандами, улучшить реализацию процессов в электрохимической ячейке с разными растворимыми и нерастворимыми анодами, установить закономерности кросс-сочетания, сделать предположения о ключевых стадиях каталитического цикла.

Модельная реакция с простым алкилгалогенидом (более доступным и дешевым) в качестве субстрата - была исследована с целью выбора условий для кросс-сочетания арил- и перфторалкилгалогенидов (схема 1).

Схема 1.

В результате серии экспериментов по изучению реакции н-гексилйодида с фенилйодидом (Схема 1) установлено, что при использовании в реакции комплексов никеля или кобальта, в неразделённой электрохимической ячейке:

1) При использовании анода из П выход продукта кросс-сочетания гексил- и фенилйодидов не превышает 20%.

2) С использованием в качестве анода или Ъа выход продукта кросс-сочетания может достигать 44% (в случае с СоСЬ<НЬру с цинковым анодом).

3) Было обнаружено, что наиболее эффективными катализаторами являются комплексы никеля и кобальта с Ьру или с1Шру лигандами в присутствии медного анода. В этом случае выход продукта составляет более 70-85% при комнатной температуре (Табл. 1).

Табл. 1. Выход продуктов кросс-сочетання в каталитической реакции йодбекзола и гексилмоднда Phi + _C*Hi3l = CfiHia-Ph, температура я 2S°C, ДМФА, ячейка без разделения пространств._

Лнганд Металл комплекса Анод Выход,%

[катализатор: RIJ

1:100 1:10 1:1

Ьру Ni Zn 29 29 21

Ьру Mg >12 20 IS

Ьру PI >14 20 18

tpy Mg IS

Ьру Си 77 76 71

tpy Си 74 75 73

Ьру Си Zn - - -

dppe Zn - - -

Ьру Со Zn 30 20 5

dtbpy Zn 40 42 44

dtbpy Си 85 84 70

dmphen Zn 35 37 34

dmphen Си 81 SO 71

Ьру Си 79 S2 71

dbi Си 84 85 74

В табл. I также показаны результаты взаимодействия в присутствии стсхиометрического количества комплекса-катализатора (соотношение субстрат:катализатор - 1:1) при восстановлении фенилйоднла н гексилйодида. Следует отметить, что в этом случае выход продукта кросс-сочегания был несколько хуже в сравнении с выходом при использовании каталитического содержания катализатора, или сопоставим с последним. Хорошие результаты с низким содержанием катализатора по отношению к субстратам демонстрируют возможность получения желаемых продуктов в мягких условиях в одну стадию селективно при использовании таких перспективных для дальнейшей разработки зтого процесса условий. При этом для получения высокого выхода [-ексилбенэола не требуется высокой температуры и давления реакции по сравнению с классических« методами органического синтеза. Высокая селективность и скорость протекания каталитической реакции приводит к уменьшению количества побочных продуктов при наиболее благоприятных условиях.

Выход продукта кросс-сочетания уменьшается в следующем ряду используемых галогенидов (Схема 2). при использовании наиболее удачного ненасыщенного комплекса СоСЬсИЬру в качестве катализатора с процентным соотношением:

Аг-!1а1:Л1к-На1:Катал>гмгтор * 1:1:0,».__

РЬ-В( ♦ 1-К анод

РЫ + 1Ы1

анод

Си

РМ + т аи°д Си!

РЫ1г + (1с-Я

анод

Си

ИМ 1 ' I к анод ^

РЬ-С1 * Ве-Я анод Сц

РЬ-В» 1 I 1-Й ; «од Си

РП-П - < I к айоа ^

РЬ-В< + 1-И анод -¿л

РЫ + Вг-я анод гп

Ph.IV + ІК

»М°Д М£

РЬ-Вг + ІК

анод

Ре

Схема 2.

В результате проведенных экспериментов обнаружена следующая закономерность уменьшения селективности кросс-сочетания в зависимости от используемых растворимых анодов: Си(0) » гп(0) » Мк(0) » Р«(0) » N¡<0)

Проведение синтеза в аналогичных субстратом - псрфгоргексилйодндом, закономерности (Схема 3).

условиях, но с перфторированным подтверждает наблюдаемые выше

Схема 3.

Обнаружено, что совместный электролиз некоторых комплексов металлов МВД-(М = N1, Со, Си, р<>; Ь = Ьру, 4)рре, dinplK.ii, АЬру. ЛЫ, Ырц, Ырр<«сп) и фторалкнлйодидо в днметилформамиде а присутствии бромбензола в неразделенном электролизере приводит к продуктам кросс-сочетания РЬ-И* с хорошим выходом в некоторых случаях (Табл. 2). Реакция протекает с каталитической регенерацией комплекса М(1)Ь при потенциале первого пика восстановления катализатора:

Обнаружено, что наиболее эффективными катализаторами являются комплексы никеля и кобальта с Ьру, <1Ы, сКЬру, <1Ы или ¿трЬсп лнгандами в присутствии медного анода (Табл.2).

Табл. 2. Выход лродукч>» кросс-сечпаяяя • «шипчки» решит Ймбити И И|>фт0(ммг«м

Лягана М«ю Анод 8ымд,%

комплота |к»т«л"|»юр: : С(Гц11

0,01:1:1 0.1:1:1 Ы:!

Ьру 7л 23 23 30

Ьр« Ив >10 20 20

Ьру Р1 >10 20 20

«РУ N1 Мс >10 13 17

Ьру с« 70 73 70

«РУ с» «0 70 73

м Си «9 75 60

Ыр* Си 27 31 20

Ырр^а 1 1 20 31 30

Ьру Си г* Пробиты гомо-сочетани» бмфекил я геерфгордоаекан

<|рр« Тл

Ьру Тл 30 20 3

<1|Ьр> Тл 40 42 44

ОЮру Си и 40(40*4") 60

¿шрЬга Со Тл за 3* 37

ОтрЬся Си 02 00 73

Ьру Си «1 7« 77

4Ы Си м «3 74

ЬФЧ • Си 27 30 23

Ыр|м)т Си 14 37 19

ш Си 41 41 4С

Ырч N Си 44 44 42

Ырр4о Си 39 3» 37

На основе проведенных реакций (схема 3) обнаружено определяющее влияние пыбора поры металла катализатора -комплекса н металла растворимого я моля, на псионе чего предполагается, что ключевой ролью является стадия трансметаллироваиия в холе каталитического цикла.

Следует отметить, что сочетание бромбекзола и перфторалкилйоднда при комнатной температуре удалось осуществить впервые До этого лучшие результаты сообщались Внциком (0^апотс1а)Пс5, 2008, 3933) и Харвингом (Angew СЬеш. 1п1.

2011, 3793). в работах которых обсуждалась реакция арнлбромидов с медью (I) при температуре выше 65 °С, причем медь брали в стехнометрическом количестве, а не каталитическом.

Реакция взаимодействия фенилхлорида с перфторалкилгалогенидами с учетом использования комплекса СоС12<1(Ьру в качестве катализатора (Аг-На1:Л1к-НяЬКатя-иимюр - 1:1:0,1), с медным анодом давт выходы продуктов кросс-сочетания порядка 50%. Это несколько уступает результатам метода Чо по катализируемому палладием трифтормстшшрованню арил хлоридов, однако предлагаемый нами подход реализуете» в мягких условиях, с низким содержанием более доступного и дешевого катализатора (кобальт против палладия и АЬру против ВгепРЬоя).

С целью расширения спектра возможных субстратов для (фиктивного фторалкилнрования и оценки их реакционной способности были выбраны отдельные представители ароматических и гетсроароматических галогеииаои. в том числе 1 -бром-4-метокснбснзол, 2-бромпирндин. 5-броминдол, 2-бромтолуол, 3-бромтиофен, 1-бром-3,5-димстнлаламантаи, 2-бромтназол, 2-хлорпирмдин, 3-бромпиридин. 2-броммеэктил, 2-хлорпиримилии, 2-бромтолуол, 4-бромбензонитрил, 2-бромфуран, 6-бром-4-мегнп-1-фсиил-2Н-нафто11^Зч/е|хшюлии-2,7(ЗН)-дион> 2-бромфлуорек.

Было обнаружено, что совместный электролиз некоторых комплексов металлов МХ2Ь (СоС1гс11Ьру, СоС13Ьру, СоС^Ы, МВг^ру,) и фторалкилгалогеиида в днметилформамиде в присутствии арнлбромидов или арилхлорндов в неразделенном электролизере приводит к продуктам кросс-сочетания Ат-!^ с хорошим выходом в некоторых случаях (табл. 3).

Табя. 3. Выкал продуто» кросе-сачетаика ■ иплпт«*«»» рпгап АгХ + КГХ « иншти

ігмпараттра. ДМФА, іу<и бст |Ц1ДМнют

Катализатор (Анод) Лг-Х Вшш,Ч

|каталммтор: ! АгХ -0.Ы :1|

С.Г„1 СУ.-СіЩВт

СоСЬЬрг к а 7В 55 30

СоСЪЬрг (МС> И Продукты гоносопсіаш« и р-х« им иш< роааика

С>С1,Ьру (Л») 44

СоСТ,Ьру (Л) и

СоС1г<ІЬі 1 Си) 72 45 31

СоС1,4(Ьру 1 . | 71 49 15

МіВг,Ьру К'») «3 42 32

МВг,Ьір<) (Си) 14 Продукты гошюжтиоа м р-мшишроиим

СоСІіЬірч <Са| 2»

мсьмм <« .) 33

Гі<П,Мп (l-.il

гччвмтрь« «і и 43 **

КіВг,4Ь< 1 С») » 47 2»

CoC^bpy к , a* N ІЗ 45 36

N'lBrjbpy (7-е) 11 Продукти nwoamtum м р-ипгымимромти

CoChbpy <Mf) -

СоСЦЬру (Zm) 7

CoCtjbpy (Ptl -

C«CMW>ÍP 71 65 35

CoCMibpy On» 69 64 36

CoOjbpy « ■) F Br Pcinoa сотеїант не utr

CeCljdbi K'u)

CoCljdtbpy :( »|

CoOtdibp« :< u) ЗЧІромітаол Олигомсримни» ИНДОЛ»

CoCljbpy <Cl¡) С Br 71 65 66

CoCIjbpy 1 Mg> 14 10 -

CoCIjbpy (Za) U и -

CoCIjbpy (Pt) 20 - -

СоСМЫК") 75 62 56

CoCljdrbpy " u| 74 62 55

NiBrjbpy Cm) 65 63 63

М<Вг,Ыря (Cnl 34 34 M

СоС1,Ы(х) (Cm 29 29 29

PdCljbfpq (t u) 31 33 33

Cutljbipq « M) - - -

MBrjdmpbn. 64 64 64

NlBrjdbiC. 64 69 69

CoClibpy (< «) Нолитиофсиы

ni 0

CoCbdibpy :i и»

CoCMMlU) 2-бромшгмггкл SI 20 •

CoCljdtbpy :C.i) 47 16 -

CeCljbpjr [Cn) a N Q 50 45 Схш

CoCIjbpy <4E| Продукты гомосо*стмк«, іюлмдеркшши к одюоысрмыиим

CoCIjbpy (7m)

C'oCIjbpy (PK

CoOjdbf 52 32

Co(l:dlbpy 52 ЗІ

MBr,bpy 43 35

MBr:bip<| а 24 •

rotljbtpq N O 19 -

PdCljbipq 23 -

СмГ|,Ырч - -

Niltr.dmphcn 49 25 Следы

4lltr;dbi 62 34 Следы

f oC'ljbpy 82 67 58

Ceil.bpy iMii» 36 -

CoCI.bpy (/.in 45 2« -

(oCl,bp> (PI) CN 3» • -

( »< l.dbi Л 99 7» 56

CeCl.dtbpy о es 71

MBr.bpy Y 7» 70 48

NiRr.bipq Br 48 3t -

( ,»( l bl|H| 45 2» -

PdCtjblpq 3» 29 -

< u< Mn|i4 Ii • -

<»M..dmpbrn 84 7» 43

CoCIibpy S* 51 57

< 0(l;hpy ІМЦІ 15 • -

CoCI;bp> </Л> 26 следы -

< ot l.bpy (Ptl Г,-л • • -

CoOjdbi О- 63 57 48

t i>t l:dibp> 63 61 53

NiBr.bpy 56 49 32

NiBr.bipq 37 29 -

CoCIjblpq 34 24 •

Pd< 1:Ырч 35 21 -

С«П]Мрч - - -

Ч(Нг;атрЬсп « 49

\iHr.dlii 62 4« 49

< »П^Ы 34 - -

С*П]41Ьр> >2 * -

С*С1,Ьр> г^м ЧА. $0 К •

СоС1,Ьру 1 Мк» Продукты гошжпешп

С*С1,Ьру {7м)

СоС 1,Ьру 111)

СоС1|4Ы 17

( о( |,<НЬр> 51 1«

\*Вг,Ьр> «7

МНг.Ырч 10 *

С «С 1,Ырч • •

1МС 1;Ь|1>Ц - -

С иС ТЫрч - -

СоСМтрИсп 49 10

Реакция взаимодействия галоген пи рили нов с перфтор&лкилгалогенидами в присутствии каталитических количеств комплексов Со и N1 приводит к продуктам кросс-сочстания с хорошими выходами. Эти продукты были впервые получены с помощью катали 1ическо1 о метода, поскольку па сегодняшний день неизвестны их успешные каталитические синтезы.

Так. совместный электролиз 3-бромпиридина и С„Кц1 в присутствии некоторых комплексов N1 или Со (10%) после пропускания 2Ф электричества в ДМФА при потенциале первого пика восстановления в ячейке с медным анодом давт продукты с выходами 60-70 %. Наилучший выход З-перфтор-и-гексилпирндина (71%) достигнут с катализатором СоСЬёЫ при 24 °С и при использовании медного анода. В работе Грэйс Чэи 3-псрфтор-н-гсксилпирндин был получен в две стадии, на первой из которых cHiiieiiipuBa.ui нриизииднис Си-К| перемешиванием нерфшр!сксилйишида (I миль) с бронзовой стружкой (2 моля) в течение 30 минут при температуре 125-135 "С, а на второй получали продукт кросс-сочстания по реакции мсльоргэпического реагента с жвимольным количеством 3-бромпиридина в течение 40 часов с 71% выходом.

В настоящей работе наилучший выход 2-псрфтор-«-гексил пиридина (72%) достигнут с СоС1;с1Ьм (10%) путем сочетания 2-бромпиридина и С«,К|)1 при 25 °С и использовании медного анода.

Реакция взаимодействия 2-бромфурапа и псрфюр-н-гсксилнодида с использованием медного анода с катализатором СоСМЫ (10%) или СоСЬЛЬру (10%) при комнатной температуре (21 °С) даСт высокие выходы продуктов кросс-сочстания

(71%). Реакция 3-бромтиофсна с перфтор-м-гсксилбромидом, либо нерфтор-н-гекенлйодилом. либо I -бром-1Н. 111,211.211-исрфторлскаиом в условиях элсктровосстановлсния с изучаемыми катализаторами не приводит к продукту кросс-сочетания. В результате реакции образуется смесь продуктов полимеризации с большим разбросом высоких молекулярных масс. То есть невозможно получить фторвлкнлза.мсщсннос производное из 3-бромтиофеиа. Большая реакционная способность 2-замешенных ароматических субстратов (2-бромгшриднна, 2-бром I иофена, 2-бромфурана) в изучаемом каталитическом нерфюра-жилироилнии подтверждается и литературными данными и известной склонностью к полимеризации и олигомеризацни 3-бромтиофсна в электрохимических процессах.

Совместный электролиз 4-бромбснзоиитрила и перфтор-м-гексилйоднда (1:1) при комнатной температуре (23 °С) и использовании медного анода в присутствии катализатора CoCljdbi (10%) или CoCljdtbpy (10%) приводит к продукту кросс-сочегаиия, 4-нерфтор-и-1сксилбс1понитрилу, с высокими выходами, 89 и 85%. соответственно. Высокий выход продукта кросс-сочетания обеспечивается в этом случае за счСт элсктроно-акцеп торных свойств нитрнлыюй группы, которая в результате оттягивания электронной плотности на себя увеличивает длин; связи Ar-Mal и повышает его реакционную способность по отношению к M(I)L. а также, вероятно, способствует стадии восстановительного элиминирования, которую считают наиболее медленной стадией каталитического никла. Аналогичные наблюдения сделаны, например, в работах Тони (алкилированнс по нуклеофилыюму механизму). Ю (алкнлнрованне по радикальному механизму).

Обнаружено, что элсктронодонорные заместители в с оста»« молекулы ари.иалогенида препятствуют кросс-сочетанию арил- и мерфюралкилгалотсиилов. Так. в элсктровосстановнтельных условиях взаимодействие псрфторалкилталотснидов с 1-бром-4-мстоксибснюлом либо 4-броманилииом не даст продукта кросс-сметания ни с одним из катализаторов, что также совпадает с некоторыми литературными наблюдениями.

Совместный хчектролнз броммезнтила с псрфтор-м-гсксилйодидом ь присутствии комплекса CoCI;dlbpy (10%) даСТ продукт кросс-сочетания с выходом 44%. По-видимому. более низкий выхол но сравнению с феннлбромнлом обусловлен стеричсским фактором, а именно за1руженностью орто-положения ароматического кольца субстрата, что приводит к повышенной устойчивости а-ортанклкомилсксов металлов (ключевых реагентов каталитическою цикла) и их ннзкой реакционной способности.

В ходе проведении реакции реакционная смесь претерпевает двойное изменение цвета (рис.1), что может соответствовать различным формам метадтокомплекса-каталнзатора или интермеднатам каталитического цикла.

По данным на диаграмме (рис.2) зависимости выхода продукта 2-псрфтор-«-гексилпиридина от времени электролиза можно предположить, что на первой стадии (+14) происходит связывание металла с перфторалкилгало! спидом по реакции окислительного присоединения с образованием снгма-комплскса кобальта зеленого цвета (здесь продукт кросс-сочетания отсутствует - рис. 16). затем (+24) тротекает его реакция с ароматическим партнером, когда в растворе появляется продукт кросс-сочетания и присутствует уже сигма-комплекс меди (рис.1 в).

Рис.1 ») Начало реакции Ру-Вг + С^о! - ивст реакционной смеси синий;

б) Ру-Вг + С*Р„1 при пропускании 1Ф электричества - цвет реакционной смеси телСный:

в) Ру-Вг + C4.F1,! при пропускании 2Ф электричества - цвет реакционной смеси желтый.

+ е_

Количеств пропущенною мсмричсстд

Рис.2. Лиаграмма выхода продукта кросс-сочетания Ру-Вг + С&Рц1 » Ру-С^и от времени электролиза.

Таким образом, разработан эффективный электрокаталитический метод кросс-сочетания фторалкил-арил производных, который был протестирован с различными катализаторами и металлами анода. Обнаружены некоторые закономерности этой реакции, которые будут обсуждены ниже.

Преимущества этого способа заключаются в следующем: кросс-сочетание протекает успешно не только с йод-, но и бромароматическями субстратами и перфторалкилгало! енидами, это одностадийный каталитический метод, который характеризуется мягкими условиями, комнатной температурой процесса. Удалось осуществить реакцию даже с хлорбензолом, хотя с меньшими выходами.

Наиболее эффективно процесс кросс-сочетания идет с 4-брсмбенэонитрилом. 2-бромфураном, 2-бромпиридином, 2-хлорпиридином, 3-бром пиридином и с перфтор-к-гексилйодидом. перфтор-м-гексилбромилом или 1-бром-1Н,1Н.2Н,2Н-перфтордсканом. Таким образом, предлагаемый метол эффективен в случае ароматических субстратов различной природы. Наиболее эффективные катализаторы - это комплексы, характеризующиеся наиболее отрицательным потенциалом восстановления, а именно СоС1:Ьру СоС1гЛЬру, СоСЫЫ, СоСЫЬпрЬеп, М1Вг:Ьру, МВг^ру, К В[А.

2. Установление закономерностей электрокаталитнческого кросс-сочетания 2.1 .Электрохимические свойства комплексов никеля, кобальта, палладия и меди в изучаемых каталитических системах

С целью установления закономерностей электрокаталитического кросс-сочетания, факторов, определяющих эффективность или успешность протекания исследуемого процесса, в первую очередь были изучены электрохимические свойства всех комплексов-катализаторов с помощью циклической вольтамперометрии и ЭПР. Для электрохимических каталитических реакций были выбраны некоторые комплексы с азот-и фосфор-содержащими лигандами, которые, как известно, стабилизируют низкие степени окисления металлов, например, 2,2'-бипиридил, 2,2'-бипиримидин, 2,9-диметил-1,10-феиантролин, -хорошо изученные в электрохимии и часто применяемые во множестве каталитических реакций, а также замещенные имидазолы и полиазотисгые гетероциклы: 2,2'-бис-1Н-бензо[(1]имидазол, (1Н-бензо[е1]имидазол-2-ил)-3-фенилхиноксалин, 5-(1Н-бензо[фшидазол-2-ил)-6-фенилпиразин-2,3-

дикарбонитрил, которые ранее подробно не исследовались, но, как нам представлялось, могли бы быть полезны в данных процессах и для понимания факторов, влияющих на успешность кросс-сочетания. В реакциях использовались комплексы никеля, кобальта, меди и палладия в различном лигандном окружении.

Электрохимические свойства - потенциалы восстановления и число электронов, переносимых при потенциалах первого пика, обратимость процесса были изучены в каждом случае (Табл. 4).

Табл. 4. Потенциалы первых ликов восстановления лнгандов и комплексов металлов МХг, используемых для реакдин фторалкилпрования при комнатной температуре._

- Ер1^, V

L Pd(II) хлорид N¡(11) бромид Со(П) хлорид Си(Н) хлорид В отсутствие М(П)

Вру 1,23 (2е) Обратимый 1,12 (2е) Обратимый 1,19 (1е) Обратимый -0,05 (1е) Обратимый 1,85 (1е) Необратимый

Dtbpy - 1,34 (2е) 1,22 (1е) Обратимый 0,03 (1е) обратимый 1,96 (1е) Необратимый

Dmphen - 1.35(2е) Обратимый 1,39 (1е) Обратимый - 2,123(1е) Необратимый

Dppe 1,28 (2е) Обратимый 1,37 (1е) Обратимый 1,42 (1е) Обратимый -0,02 (1е) Обратимый 2,10(1е) Необратимый

Bippdcn 1,08 (1е) Обратимый 0,73 (2е) Обратимый 0,75 (1е) Обратимый -0,05 (1е) Обратимый 0,81 (1е) Обратимый

Dbi 1,63 (2е) Необратимый 1,53 (4е) Необратимый 1,72 (4е) Необратимый 0,12 (2е) Необратимый 1,69 (1е) Обратимый

Bipq 0,83 (1е) Обратимый 0,75 (1е) Обратимый 0,65 (1е) Обратимый -0,09 (1е) Обратимый 1,337 (1е) Обратимый

Pc 1,22 (2е) Обратимый - 0,91 (2е) Обратимый - 1,75 (1е) Необратимый

Bpym 1,32 (1е) Неоратимый 1,34 (2е) Необратимый 1,27 (1е) Необрапшый 0,08 (1е) Обратимый 1,99 (1е) Необратимый

Эл.сравнения Ag/AgCl, 10"2M, СКш.-ва=5 • 1 оЛгаль/л В ДМФА, СУ

Обнаружена зависимость выхода продукта кросс-сочетания от потенциала восстановления мстаялокомг.лскса-каталнзатора (рис.3).

KIX.L. IF

Phi +RpI —---Rp-Ph

Рие.3 Зависимость кихода продукта реакции РЫ + C>F„I восстановления коиплекса

C.Fu-Ph от потенциала первого пика

На рис.3 график зависимости выхода (в %) сгт потенциала восстановления (В) катализатора практически линейный, коэффициент корреляции 0,9236.

Таким образом, успех каталитического процесса зависит от потенциала восстановления катализатора. Чем больше огтрицатслышй потенциал восстановления, тем более эффективный катализатор. Однозначного объяснения этому фактору пока ист, возможно, более отрицательный потенциал восстановления определяет большую силу восстановителя и скорость стадии окислительного присоединения, что является определяющим в каталитическом цикле. Так или иначе, именно с этими катализаторами стадии каталитического цикла, в первую очередь окислительного присоединения и восстановительного элиминирования, сбалансированы для успешного протекания процесса в целом.

2.2. Роль природы металла анода в реакции кросс-сочетания. Предполагаемый каталитический цикл кросс-сочетания

Для изученных компл:ксов Со, Мц Рс1 выявлена зависимость их эффективности от природы используемого а юла: Гчг<!\^<Р|«7,п<Си.

Медный растворимый анод значительно увеличивает выход продукта кросс-сочетания. что позволяет предположить определенный синергизм ионо» металлов катализатора и иона, генерируемого в ходе анодной реакции, которые могут участвовать на различных стадиях цикла, направляя процесс в нужную сторону и благоприятствуя, например, наиболее медленной стадии восстановительного элиминирования.

Чтобы объяснять пут реагирования и изумить каталитический цикл был использован метод циклической вольтамперометрни. ЦВА комплексов никеля и кобальта чувствительны к добавкам RFHal (Hal»I, Br.Cl)-

Пик восстановления М(П) в М(1) увеличивается примерно в 2 раза при добавлении перфторалкнлга.'югенида с потерей обратимости (рнс.4). В случае NiBr2tpy первый пик восстановления в присутствии перфторалкилгалогеннда увеличивается в 2 раза, что свидетельствует о его каталитической эффективности.

ЦВА

Потенциал, В

Ркс.4 ЦВА восстановлении комплекса №8Г]|ру в присутствии возр»ст«ЮШ"х количеств С.К„1ІВг (ЯО М) 1:3,1;«, 1:12, и«

ЦВА катализатора в присутствии Си и добавок ЯОС подтверждают важность ионов мели для регенерации катализатора. Гак, например, в отсутствие ионов меди добавка к раствору комплекса МіВг2Ьру приводит к уменьшению тока

восстановления катализатора почти вдвое, а в присутствии ионов меди наблюдается прирост тока 4/4 " 2 ([ЯрХ)-рЧі1), то есть ток больше в 4 раза суммарно (рис.3).

Рт. S. (См.) ЦВА NiBrjbpy (5 10 ' М). присудим СиСЫ» 1СГ' М> и C«Fi;MBi <» 10 1 М) «СУ «е«ро« . ДМФА <1. чш-иый). N.Bfjbpy (5 10' М) (2. с">™»>. №Bf*|>y (5 10 М> в присутствии C.FUHB« <5 Ю М) (3,

ЦВА СоСЬЬр» <510 ' М) в пржутстми CuClrfJ 10 1 М) и СА.НВГ <5 10 ' М> и. СУ» ДМФА (Гдосжы*). СоС1,Ьр> (5 10 і Ml (2. синий). СоС^Ьру (5 10' М) . присутствии C.F„H!k (J 10 М) (3.

[Со(Ч)^Со(1> І

Аналогично, например, и для комплекса СоВгз^ИВиЬру. Вез ионов меди " 1.2, а в присутствии ¡^ •• 4.8 ([К«:Х]-{Со]). Таким образом, ток увеличивается также в 4 раза, скорость регенерации катализатора возрастает (рис.6).

Вероятный каталитический цикл кросс-сочетания можно представить следующим образом (например, для №Х21ру):

Схема 4. Каталитический цикл кросс-сочетанкя перфторыкильных и ароматических галогеичдов

Цикл запускается реакцией активной формы катализатора M(I) (М = Ni, Со) с > RrX (потенциал восстановления которого менее отрицательный, чем у ЛгХ партнера, ' поэтому скорость взаимодействия с ним должна быть выше). Получающийся о-комплекс металла затем либо реагирует с образованием о-комплскса меди в результате трансметаллирования (схема 4), а последний далее реагирует с АгХ в условиях электровосстановления с образованием желаемых продуктов кросс-сочстаиия. либо стадия трансметаллирования происходит позже, на стадии бнорганид сигма-комплексов ннксля Rr(Ar)ML.

Известно, что комплексы никеля типа Ni(Ar)CFjL очень устойчивы и не приводят к продуктам кросс-сочетания Ar-CFj. На этой стадии суммарная реакция должна была бы остановиться, поскольку катализатор связан в устойчивое соединение и не регенерируется. Однако, присутствие ионов мели Си2* приводит к успешному завершению цикла, продукту кросс-сочетания и регенерации катализатора.

Можно предположить, что это обусловлено реакцией трансметаллирования, с превращением бнорганил о-комплексов никеля (одного или всех возможных) в соответствующие комплексы меди, более реакинонноспособные и приводящие к желаемым продуктам и освобождению Ni(IDU замыканию цикла

3. Реакция прнсоедішеиия-днмеріїзацнн н монопрнсоединения перфторалкнлыюго заместителя.

В нашей группе было показано, что в условиях электрохимического генерировали» комплекса №°Ьру из предшественника МіВг2Ьру в присутствии перфторалкнлгалогенидов в электролизере с разделением анодного и катодного пространства протекает эффективное перфторалкнлнрование а-мсти л ста рол а, приводящее к димериому продукту присоединения фторалкильных групп 110 двойкой связи С=С олефина (Схема 5).

ок Иі

I №В,?Ьру.у

^-суитстл Х-Щг

Схема 5.

Использование ячейки с разделением анодного и катодного пространства создаст определенные трудности при реализации процесса, связанные с большим напряжением на ячсПке, то есть повышенным расходом электроэнергии, неудобством конструкции, но, главным образом, также сравнительно невысокими выходами продуктов перфторалкилирования. Представляло интерес использовать наблюдения и выводы, сделанные при разработке процесса ароматического перфторалкилирования. для повышения селективности фгоралкилировання олефинов, выходов за счет использования растворимых анодов в сочетании с никелевым или кобальтовым комплексом-катализатором, то есть использовать реакцию трансметаллнрования для более успешной реализации каталитического цикла.

Электролиз проводили с изменением конструкции самой ячейки как на ГЧ-катоде как в разделенной системе, так и неразделенной системе с использованием растворимых медных, цинковых, никелевых (Ренея) или магниевых анодов (Схема 6). Для определения оптимальных условий варьировали температуру, а также соотношение самих реагентов.

*<х + (Х-

МОГЦНІСГІІХ'ІІІ

па -Ыма

си"

Схема 6.

Выход конечного продукта присоединения фторалкильного субстрата зависит от температуры и от природы анода. Наиболее значимый результат был получен как и в случае ароматического кросс-сочетания с использованием медного анода. Выход продуктов с использованием цинка, в качестве анода в неразделенной ячейке выше, чем с магнием. Магний же в свою очередь позволяет получать более высокие выходы, чем в разделенной ячейке. Наилучший выход 2,3-днпнриднл-М-бнспсрфторгексилбутаяа (85%) достигнут при 4 ®С и использовании медного анода (рнс.7).

Рис. 7 Выход продукта псрфторалкнлирования г-вшшлпирндпнл от температуры реакции с использованием анодов различной природы комплексом М1Вг<Ьру

90-

«0-

£ «11

ч .4)

со 411

2п-»ивд Рюиод

СИ-ЛИОД

А ч* - ' < V: „ « 0 •

в £* Л О V » А Г4 * г» и Г) *. • й* « - ^ V & - С! • ко С1** «си

Рис. 8 Молекулярные структуры продуктов перфторалкнлироаання г-винилпириднн» или а-ыетлетирола по данным РСА. «) 23-Дипнридил-1.4-биспсрфтор-»-гексш1б>тан; б) 2,3-днфс|гил-2,3-днмеп1л-1.4-б«с<11ерфгор-и-гсксил)<5>тан. в) 2,3-Д1Ширилнл-1,4-бис<6Я-псрфтор-и-гекснл)бутан; г) 2,3-диметил-2,3-дифеню-1,4-бйс<б//-перфтх>р-«-гсксил)бутан.

Можно предположить, что механизм реакции перфторалкилирования непредельных соединений имеет некоторые обише черты с ароматическим кросс-сочетанием галогенидов Решающую роль в получении продукта сочетания играет природа металла анода, то есть реакция трансмсгал лировани*.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые разработан удобный препаративный универсальный одностадийный электрокаталитический метод ароматического фторалкилирования путем кросс-сочетания перфторалкил и ароматических галогенидов (иод-, бром-, хлорпроизводных) при участии комплексов никеля и кобальта в низких степенях окисления с а-дииминами (от 0,01%).

2. Установлено, что селективному образованию продукта кросс-сочетания благоприятствует медный анод, что подтверждает важную роль стадии трансметаплирования в каталитическом цикле.

3. Предложена схема реакции электрокаталитического ароматического перфторалкилирования, где активной формой катализатора, генерирумой и регенерируемой на электроде, является комплекс никеля или кобальта в низкой степени окисления, образованный в результате металлоцентрированного переноса электрона.

4. Установлена закономерность реакции ароматического кросс-сочетания, заключающаяся в линейной зависимости выхода продукта Аг-Яр от потенциала восстановления комплекса-катализатора.

5. Впервые разработан метод электрокаталитического перфторалкилирования олефинов (а-метилстирол, 2-винилпиридин, дибензилиденацетон) с участием комплексов никеля или кобальта с а-дииминами в присутствии медного анода.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Khrizanforov М. Aromatic perfluoroalkylation with metal complexes in electrocatalytic conditions / Khrizanforov M., Giyaznova Т., Sinyashin O., Budnikova Y. // Journal of Organometallic Chemistry, V.718 (2012), 101-104.

2. Mikhaylov D.Y. Electrochemical nickel-induced fluoroalkhylation: synthetic, structural and mechanistical study / Mikhaylov D.Y., Budnikova Y.H., Gryaznova T.V., Dudkina, Y„ Khrizanphorov M.N., Kataeva, O.; Vicic, D.A. // Dalton Trans. - 2012. - 4(1). -165-172.

3. Хризанфоров M.H. Синтез 2,3-дипиридин-1,4-бисперфторгесилбутана через электрокатализ комплексами Ni. / Хризанфоров М.Н., Грязнова Т.В., Михайлов Д.Ю., Криволапое Д.Б., Будникова Ю.Г., Синяшин О.Г. Н Изв. АН, сер.хим. - 2012. - 8. -1544-1547.

4. Budnikova Y.H. Prospects of synthetic electrochemistry in the development of redox noninnocent Iigand metal catalysts for single bond activations. / Y.H. Budnikova, D.Y. Mikhailov, Y.B.Dudkina, V.V. Khrizanforova, R.M. Galimullina, M.N.Khrizanforov, T.V. Gryaznova, D.A.Vicic. // ICOMC 2012 - XXV International Conference On Organometallic Chemistry. ICOMC 2012. 1-7 Sept. Lisbon. Book of Abstracts. 03.8.

5. Budnikova Y.H. Prospects of synthetic electrochemistry in the development of unusual oxidation state metal catalysts for C-C{ and P-Cf bonds formation reactions and hydrogen-evolving activity. / Y.H. Budnikova, D.Y. Mikhailov, V.V. Khrizanforova, R.M. Galimullina, M.N. Khrizanforov, T.V. Gryaznova, O.G. Sinyashin. // International Conference Catalysis in Organic Synthesis.ICCOS-2012. BOOK OF ABSTRACTS. September 15-20,2012. Moscow, Russia. -P.39.

6. Budnikova Y.H. Electroreductive metal complexes assisted fluoroalkylation. / Budnikova Y.H., Mikhaylov D.Y., Gryaznova T.V., Khrizanphorov M.N., Sinyashin O.G. // The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem 2010), December 15-20, 2010, Honolulu, Hawaii, USA. -1Ш1070

7. Хризанфоров M.H. Электрохимические реакции кросс-сочетания в присутствии комплексов переходных металлов Ni, Со, Си. / Хризанфоров М.Н., Будникова Ю.Г., Михайлов Д.Ю., Грязнова Т.В., Синяшин О.Г. // XXV Международная Чугаевская конференция по координационной химии, тезисы докладов, Июнь 6-11, -2011. - Суздаль, Россия, - с.362.

8. Khrizanforov M.N. Cross-coupling reaction by means of Co, Ni, Cu complexes electrocatalyzed as universal method of new compounds preparation. / M.N. Khrizanforov, Y.G. Budnikova, T.V. Gryaznova, D.Y. Mikhaylov, O.G. Sinyashin // International Congress on Organic Chemistry, Book of abstracts, Sept.18-23, -2011. - Kazan, Russia, - p.221.

9. Khrizanforov M.N. Perfluoralkylation electrochimique a l'aide des complexes des métaux de transition des combinaisons insaturees. / Khrizanforov M.N., Gryaznova T.V., Budnikova Yu.G., Sinyashin O.G. // Ensemble de résums a participé à la Conférence Scientifique et Educative Internationale des Étudiants «Langues étrangères en communication professionnelle». -2011. -Kazan, Russia. Book of abstracts. - p.566-576.

10. Mikhaylov D.Y. Electrochemical nickel-induced fluoroalkylation: synthetic, structural and mechanistical study. / D.Y. Mikhaylov, M.N. Khrizanphorov, T.V. Gryaznova, Y.H. Budnikova, Sh.K. Latypov, O.G. Sinyashin. H International Congress on Organic Chemistry, Book of abstracts, September 18-23,2011, Kazan, Russia, -p.431.

11. Михайлов Д.Ю. Комплексы никеля, как эффективные катализаторы электрохимического фторалкилирования. / Михайлов Д.Ю., Хризанфоров М.Н., Грязнова Т.В., Будникова Ю.Г. // XIII молодёжная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии» Новосибирск, Россия, Сентябрь 12-19,. Сборник тезисов XIII молодёжной школы-конференции «Актуальные проблемы органической химии» -2010. - с.145.

12. Хризанфоров М.Н. Электрохимическое введение перфторалкильных синтонов в олефины с использованием комплексов Ni, Со, Си. / Хризанфоров М.Н., Грязнова Т.В., Будникова Ю.Г. // Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы органической химии» Казань, Россия, Октябрь 6-8,2010. - Т. 1 -с.71.

13. Хризанфоров М.Н. Электрокатализ комплексами Со И Ni в реакции кросс-сочетания арилгалогенидов с фторорганическими галогенидами. / Хризанфоров М.Н., Будникова Ю.Г., Михайлов Д.Ю., Грязнова Т.В., Синяшнн О.Г. // Молодёжная конференция «Международный год химии», сборник материалов, Казань, Россия, - Октябрь - 17-19. - 2011. -с. 144-146.

14. Khrizanforov M.N. Electrocatalytic cross-coupling of aryl-, alkyl halides with fluorinated analogs. / M.N. Khrizanforov, D.Y. Mikhaylov, Y.G. Budnikova, T.V. Gryaznova, O.G. Sinyashin // «ISE Satellite student regional symposium on electrochemistry - first student meeting in Kazan», book of abstracts, Kazan, Russia, November, 17-19,2011. p.13.

Отпечатано в ООО «Печатный двор». г. Казань, ул. Журналистов, 2А, оф.022

Тел: 295-30-36, 564-77-41, 564-77-51. Лицензия ПД№7-0215 от 01.11.2001 г Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано в печать 27.09.2013 г Печ.л. 1,5 Заказ Л» К-7303. Тираж 130 экз. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать -ризография.

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Хризанфоров, Михаил Николаевич, Казань

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ ИМ. А.Е. АРБУЗОВА

КАЗАНСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи ¿к

0420136406

Хризанфоров Михаил Николаевич

«Электрокаталитическое фторалкилирование ароматических галогенидов с участием комплексов переходных металлов (N1, Со, Си и Рф»

02.00.03-Органическая химия

диссертация на соискание ученой степени кандидата

химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, Будникова Ю.Г.

Казань-2013

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Ьру - 2,2'-бипиридил

1ру - терпиридин

ёрре - дифенилфосфиноэтан

ёшрЬеп - 2,9-диметил-1,10-фенантролин

&ЬЬру - 2,2'-дитретбутилбипиридил

<1Ы - 2,2'-би(1Н-бензо[с1]имидазол)

bipq - (1Н-бензо[ё]имидазол-2-ил)-3-фенилхиноксалин

Ырр(1сп - 5-( 1 Н-бензо[(1]имидазол-2-ил)-6-фенилпиразин-2,3-Дикарбонитрил ВгейРЬоз - 2-(дициклогексилфосфино)3,6-диметокси-2',4',6'-триизопропил-1,1'-бифенил

ЦВА - Циклическая вольтамперограмма СУ - Стеклоуглеродный электрод

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. Актуальность.................................................................4

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР...................................................13

1.1 Статистика по фторорганическим соединения и публикациям по их тематике......................................................................................14

1.2. Химия органических соединений фтора и их применение............15

1.2.1. Фторсодержащие биологически активные препараты.....................16

1.2.2. Некоторые другие примеры использования перфторалкил-содержащих органических соединений...................................................18

1.2.2.1. Фторполимеры..............................................................18

1.2.2.2. Жидкие кристаллы для телевизоров и дисплеев.....................18

1.2.2.3. Замедлители горения......................................................18

1.2.2.4. Перфторуглеродные ПАВ................................................18

1.2.2.5. Перфторуглеродные жидкости - искусственная кровь.............19

1.2.2.6. Фосфорорганические соединения.......................................19

1.3. Методы введения фторалкильных заместителей в различные субстраты.20

1.3.1.Перфторалкиллитиевые реагенты.............................................20

1.3.2. Магнийорганические фторалкильные реагенты...........................23

1.3.3. Перфторалкил кальцийорганические реагенты.............................26

1.3.4. Оловоорганические фторалкильные реагенты.............................26

1.3.5. Свинецорганические фторалкильные реагенты............................29

1.3.6. Цинкорганические фторалкильные реагенты...............................29

1.4. Методы кросс-сочетания алкил(перфторалкил)- и арилгалогенидов......35

1.4.1. Классические примеры реакций кросс-сочетания..........................35

1.4.1.1. Реакция Сузуки.............................................................35

1.4.1.2. Реакция Негиши............................................................37

1.4.1.3. Реакция Хияма..............................................................39

1.4.1.4. Реакция Стиле...............................................................40

1.4.1.5. Реакция Мураи..............................................................42

1.4.1.6. Реакция Нозаки-Хияма-Киши.............................................43

1.4.2. Реакции кросс-сочетания перфторалкил- и арил галогенидов..........44

1.5. Постановка задачи......................................................................50

ГЛАВА 2. Обсуждение результатов.......................................................53

2.1. Алкилирование и фторалкилирование ароматических и гетероароматических соединений с участием комплексов переходных металлов....................................................................................53

2.2. Установление закономерностей электрокаталитического кросс-сочетания ......................................................................................................73

2.2.1. Электрохимические свойства комплексов никеля, кобальта, палладия и меди в изучаемых каталитических системах..........................................75

2.2.2. Роль природы металла анода в реакции кросс-сочетания. Предполагаемый каталитический цикл кросс-сочетания..............................87

2.3. Реакция присоединения-димеризации и моно-присоединения

перфторалкильного заместителя............................................................95

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.....................................102

Выводы........................................................................................125

Список используемой литературы......................................................126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Уникальные физические и биологические свойства фторорганических соединений обеспечивают их широкое применение в различных областях науки и технологии, особенно в медицине, агрохимии и материаловедении [1-3]. Важные научные и технологические достижения в области химии фтора появились в результате необычного тесного сочетания решений фундаментальных и прикладных задач [4]. В настоящее время разработка новых синтетических подходов селективного введения фтора и фторсодержащих групп в органические молекулы с целью получения биологически активных и других полезных материалов, а также исследование удивительной взаимосвязи структуры / реакционной способности фторсодержащих соединений стали горячей областью исследований [1-14].

Трифторметильная и перфторалкильная группы могут кардинально влиять на свойства органических молекул, увеличивая тем самым возможность их применения в качестве лекарственных препаратов, агрохимикатов или строительных блоков для создания новых органических материалов. Несмотря на важность этих заместителей, не существует общего метода их введения в сложные молекулы и ароматические субстраты, содержащие функциональные группы [6-20]. Современные подходы либо требуют использования жестких условий реакции, либо реализуются только с ограниченным набором соединений.

Самый полезный традиционный синтетический метод введения трифторметил и перфторалкильных групп в ароматические и гетероароматические циклы заключается в сочетании соответствующих арил и гетероарил галогенидов с участием фторметилмеди. Эти реакции обычно идут при высоких температурах и больших избытках меди или фторметилмедных реагентов, иногда с заменой их на производные ртути и цинка [15], то есть имеют очевидные недостатки.

Известны лишь единичные примеры каталитических реакций введения Rf групп. Также острой проблемой остается разработка процессов, в первую очередь каталитических, толерантных к различным функциональным группам, таким как сложные эфиры, амиды, эфиры, ацетали, нитрилы и третичные амины и, которые, следовательно, могут быть применимы на поздних стадиях модификации наиболее перспективных интермедиатов в синтезе биологически полезных веществ.

Первый доклад о возможности катализа кросс-сочетания перфторалкилйодиов с органическими галогенидами был сделан в 1982 году Китазуме [17] Хотя совсем недавно этот путь реакции был опровергнут. Описаны отдельные другие примеры использования медных или палладиевых катализаторов или различных металлических систем (Pd-Ni-Cu или Pd-Zn) в жестких условиях, при инициировании реакции в микроволновой печи или повышенных температурах [21].

Таким образом, получение молекул, содержащих фторалкильные группы, до настоящего времени остается проблемным. Это обусловлено тем, что многие синтетические способы получения этих молекул требуют жестких условий реакции, таких как высокая температура, которая может быть применена только к довольно простым молекулам (наиболее устойчивым). Синтез более сложных трифторалкилированных молекул нужно начинать с простых, легко доступных соединений, которые содержат Rf группу, а затем строить из них желаемую молекулу, а этот процесс мог быть длительным и трудоемким. Тем не менее, Rf группа оказалась успешной и перспективной для улучшения свойств различных молекул, прежде всего биологических свойств препаратов. Так, были получены антидепрессант флуоксетин (Prozac), который, например, содержит одну трифторметильную группу, дутастерид (Avodart)- препарат, который изменяет переработку тестостерона в организме, содержащий даже две CF3 группы и другие. Но синтетические правила были просты: не пытайтесь присоединить трифторметильную группу к сложной молекуле, молекуле с функциональными группами, поскольку успех крайне маловероятен.

Создание каталитических методов, позволяющих вводить трифторметильную группу в арилбромиды или хлориды требует особого внимания. Несмотря на богатую историю стехиометрического трифторметилирования арилгалогенидов с использованием меди [19,20, 21-25], первый пример каталитического процесса с медью, сочетающего трифторметильную группу с арилйодидами, появился только недавно, в 2009 году [26]. Наиболее удачным можно считать подход Чо с сотр., который предложил метод трифторметилирования арилхлоридов под действием комплексов палладия с лигандами Бухвальда типа ВгеиРЬоБ в качестве катализаторов [27]. Однако, такие лиганды стоят дороже, чем сам палладий. Также авторы считают необходимым в дальнейшем искать пути снижения количества катализатора, смягчения условий процесса, и, главным образом, искать более экологически чистые трифторалкилирующие агенты.

Считается, что дальнейшие разработки необходимо проводить в направлении использования недорогих, регенерируемых растворителей для различных реакций перфторалкилирования [15]. Ярким примером служит подход Чо [26]. Поскольку медь является относительно недорогой, ее использование в стехиометрических количествах допустимо. Однако, конечно, более желательно использование меди или других доступных металлов для этих реакций в каталитических количествах.

Для реакции катализируемого трифторметилирования или перфторалкилирования, которая была бы реализована в промышленном масштабе, необходимы другие, менее дорогие лиганды, чем ВгейР1юз. Поиск таких лигандов является сложной проблемой. Такие лиганды должны не только способствовать восстановительному элиминированию Аг-СР3, самому трудному шагу каталитического цикла, но они также должны быть совместимы с другими

стадиями в пределах одного цикла. Необходимо избежать быстрой и необратимой дезактивации катализатора, которая обычно мешает успешному катализу.

Очень мало исследований было сделано в направлении развития реакций с катализаторами на основе комплексов N1-, Со-, других дешевых и доступных металлов.

Важно конструировать каталитический цикл из одиночных стадий так, чтобы они работали синергично, подбирать лиганды и металлы так, чтобы каталитически активные формы комплексов и металлоорганические интермедиаты были достаточно реакционноспособны, но в то же время устойчивы, чтобы не распадаться, и все отдельные стадии работали в одном направлении и способствовали образованию конечного целевого продукта, а скорости их, в первую очередь окислительного присоединения и восстановительного элиминирования, были бы сбалансированы. Электросинтез может быть полезен здесь по нескольким причинам и возможностям:

- управления скоростью реакции окислительного присоединения, варьируя потенциал восстановления катализатора, и, соответственно, силу восстановителя М(0)Ь или М(1)Ь. Аналогично - для окислителя.

Ненасыщенные комплексы N1, Со, Си с "неинноцентными" лигандами были выбраны в качестве катализаторов. Помимо более низкой цены по сравнению с драгоценными платиновыми металлами Рс1 или Р^ использование № и Со в основном мотивировано тем, что последние обладают очень благоприятным сочетанием свойств, необходимых для органических реакций, протекающих через координацию. Известно, что достаточно низкий потенциал ионизации благоприятствует окислительному присоединению к никелю; достаточно слабые связи металл-углерод, тенденция к образованию плоско-квадратных комплексов и возможность достичь пентакоординации, чтобы позволить присоединение; достаточно высокое сродство к электрону, чтобы обеспечить восстановительное элиминирование - также являются важными факторами. Некоторые свойства являются противоречивыми, и для успешного осуществления всех стадий каталитического цикла должен быть достигнут компромисс [28-30]

Научная новизна и практическая значимость работы состоят в следующем:

Разработан эффективный электрокаталитический метод кросс-сочетания фторалкил- и арил галогенидов, который был протестирован с различными катализаторами и металлами анода. Установлены некоторые закономерности этой реакции, заключающиеся в линейной зависимости выхода продукта Аг-Яр от потенциала восстановления комплекса-катализатора и принципиальная значимость медного анода для селективного образования продукта кросс-

сочетания, что подтверждает важную роль стадии трансметаллирования в каталитическом цикле.

Преимущества предложенного способа заключаются в следующем: кросс-сочетание перфторалкилгалогенидов успешно протекает не только с иодбензолом, но и бром- и хлор ароматическими производными, это одностадийный каталитический метод, реализуемый в мягких условиях, при комнатной температуре. Содержание катализатора в реакционной системе невелико и достигает от 1 до 10% по отношению к субстратам. Новый метод эффективен с широким рядом ароматических субстратов (фенил, пиридин, тиофен и др. производными).

Разработаны методы синтеза новых фторорганических соединений, которые могут найти практическое применение как биологически активные, гидрофобизирующие или пластифицирующие соединения. Доказательство протекания процессов через металл (I) или металл (0) активную форму катализатора (металлоцентрированную) и промежуточный а-перфторалкил комплекс металла углубляет понимание механизмов каталитических процессов с участием комплексов Со, широко востребованных в современной химии и химической технологии.

Объем и структура работы

Диссертация изложена на 148 страницах печатного текста, содержит 26 рисунков, 64 схемы, 14 таблиц. Состоит из введения, 3 глав, выводов и списка цитируемой литературы (225 наименования). В первой главе (литературный обзор) показаны основные методы фторалкилирования органических соединений, а также рассмотрены реакции кросс-сочетания в условиях металлокомплексного катализа. Вторая глава (обсуждение результатов) содержит данные по синтезу перфтор-н-гексилбензола, 4-перфтор-«-гексилбензонитрила, 2-перфтор-к-гексилфурана и исследованию продуктов присоединения перфторалкильных групп к арил галогенидов - 2-винилпиридин, а-метилстирол, бензилиденацетон в условиях электрокаталитической генерации активных металлокомплексов, а также изучению свойств комплексов Со, Си в исследуемых реакциях. В третьей главе (экспериментальная часть) приводится описание методик синтеза соединений и их основные физико-химические характеристики.

Положения, выносимые на защиту

• Электрохимический селективный синтез продуктов кросс-сочетания арил и перфторалкилгалогенидов в условиях электрокаталитической генерации активных металлокомплексов;

• Результаты каталитических реакций в различных условиях процесса-различными металл