Катализируемые комплексными соединениями палладия реакции кросс-сочетания полифторированных органофторборатов с арилгалогенидами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

На правах рукописи

ШАБАЛИН Антон Юрьевич

КАТАЛИЗИРУЕМЫЕ КОМПЛЕКСНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ПАЛЛАДИЯ РЕАКЦИИ КРОСС-СОЧЕТАНИЯ ПОЛИФТОРИРОВАННЫХ ОРГАНОФТОРБОРАТОВ С АРИЛГАЛОГЕНИДАМИ

02.00.15 - Кинетика и катализ 02.00.03 — Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

18 СЕН

2Щ

Новосибирск - 2014

005552663

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор химических наук,

Адонин Николай Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, доцент,

Дьяконов Владимир Анатольевич, Институт нефтехимии и катализа РАН, старший научный сотрудник

доктор химических наук, Третьяков Евгений Викторович, Международный томографический центр СО РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Химический факультет ФГБОУ ВПО «Московский

государственный университет им. М.В. Ломоносова» (г. Москва)

Защита состоится "8" октября 2014 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.012.01, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института катализа СО РАН и на сайте http://www.catalysis.ru.

Автореферат разослан

2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.х.н.

О.Н. Мартьянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка новых методов образования углерод-углеродных связей, основанных на реакциях кросс-сочетания, катализируемых соединениями переходных металлов, и позволяющих синтезировать труднодоступные органические соединения, в т.ч. содержащие биарильный фрагмент, является одной из наиболее важных задач современной синтетической органической химии. Соединения, содержащие биарильный фрагмент, являются ценными полупродуктами для получения лекарственных препаратов, средств защиты растений, материалов для молекулярной электроники, нелинейной оптики и т.п. Синтетические подходы, базирующиеся на каталитических реакциях кросс-сочетания, позволили внести изменения в ряд существующих методов получения химических продуктов, структурно близких к биарилам. Среди известных каталитических методов образования углерод-углеродных связей в результате взаимодействия металло- или элементоорганических реагентов с органическими электрофилами особое место занимают превращения с участием борорганических соединений. Важным преимуществом использования этих реагентов, по сравнению с соответствующими производными лития или магния, является то, что они, как правило, нечувствительны к воздействию влаги и кислорода воздуха. Специфическая реакционная способность органических соединений бора обуславливает возможность модифицирования их органического остатка путем введения широкого круга функциональных заместителей. В отличие от оловоорганических реагентов они дают малотоксичные, нелетучие и легко отделяемые от целевых побочные продукты. Однако, несмотря на значительный прогресс в изучении реакций «росс-сочетания борорганических соединений, остаются нерешенными ряд существенных проблем. Одной из наиболее значимых является проблема эффективного вовлечения в реакцию кросс-сочетания электронодефицитных и гетероароматических борорганических реагентов, склонных к вступлению в конкурентные реакции гидродебо-рирования и гамо-сочетания. Попытки задействования этого класса веществ с применением стандартных для реакций кросс-сочетания условий приводят к неудовлетворительным результатам.

Цель работы состояла в изучении основных факторов, влияющих на протекание катализируемых комплексными соединениями палладия реакций кросс-сочетания низконуклеофильных борорганических реагентов (на примере фторированных органофторборатов) с арилгалогенидами.

В рамках обозначенной цели решались следующие задачи:

1. Выявлялось влияние природы палладийсодержащих предшественников и стабилизирующих лигандов — основных компонентов катализаторов, на стабильность и активность последних, а также на селективность реакций кросс-сочетания.

2. Изучались особенности протекания реакций кросс-сочетания в зависимости от особенностей строения арилгалогенидов и природы галогена.

3. Разрабатывались новые методы получения широкого круга органотрифтор-боратов с различными свойствами.

4. С целью выявления факторов, определяющих возможность вовлечения в реакции лроес-сочетания низконуклеофильных органофторборатов, исследовалось влияние их строения и свойств на арилирующую способность в катализируемых палладием реакциях кросс-сочетания.

Научная новизна. Впервые систематически исследованы закономерности протекания реакций кросс-сочетания низконуклеофильного пентафторфенилтрифтор-бората калия с арилгалогенидами ArHal (Hal = Вг, С1), катализируемых генерируемыми in situ комплексными соединениями палладия. Изучены основные факторы, определяющие активность катализаторов и селективность реакций кросс-сочетания. Предложен способ повышения активности и стабильности катализаторов путем модифицирования добавлением N-гетероциклических карбенов (NHC), генерируемых in situ из солей NHC-HX (X = CI, BF4) в присутствии оксида серебра. Установлено влияние строения карбена и природы противоиона соли NHC-HX на активность катализаторов. Разработан новый подход к получению 4-замещенных тетрафторфенилтрифторборатов калия, основанный на взаимодействии пентафтор-фенилтрифторбората калия с О- и N-нуклеофильными реагентами. Определены индуктивные (от) и резонансные (or°) константы, а также константы Гаммета (<тР) для серии заместителей 4-RC6F4, характеризующие их электронные эффекты. Проведено сравнение относительных скоростей катализируемых Pd реакций кросс-сочетания органотрифторборатов К[4-ЯСбЕ)ВРз] с 4-бромтолуолом. Обнаружено отсутствие взаимосвязи между а-константами групп 4-RCeF4 и реакционной способностью солей KI4-RC6F4BF3] в данном типе реакций.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследования влияния природы палладийсодержащих предшественников и стабилизирующих лигандов — компонентов катализаторов на активность и стабильность последних, а также на селективность реакций кросс-сочетания. Разработка подходов к увеличению активности катализаторов.

2. Влияние особенностей строения арилгалогенидов и природы галогена на скорость реакций кросс-сочетания и их селективность.

3. Разработка простого и эффективного способа получения широкого круга полифторированных борорганических соединений, основанного на реакциях ароматического нуклеофильного замещения.

4. Результаты исследования протекания реакций кросс-сочетания в зависимости от строения и электронных свойств полифторированных органофторборатов.

Праетическое значение работы заключается в том, что предложен новый удобный подход к получению полифторированных соединений тетракоординиро-ванного бора. Найдены условия, позволяющие высокоэффективно использовать низконуклеофильные борорганические реагенты в реакциях кросс-сочетания с

арилбромидами, арилхлоридами и бензилгалогенидами.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях различного уровня: на 16-м Европейском симпозиуме по химии фтора (16th European Symposium on Fluorine Chemistry (Slovenia, Ljubljana, 2010); на Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы органической химии» (Новосибирск, 2012); на Всероссийской научной конференции «Химия фтора» (Москва, 2012); на Всероссийских научных школах-конференциях «Химия под знаком «СИГМА»» (Омск, 2012, 2014); на Всероссийском симпозиуме «Металлокомплексный катализ в органическом и ме-таллоорганичееком синтезе» (Уфа, 2013).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в виде трех статей в рецензируемых журналах и представлены в виде шести тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, двух глав обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 163 наименования. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка и 31 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе, представляющей собой обзор литературы, критически проанализированы разнообразные подходы к синтезу низконуклеофильных борорганических реагентов, включая наиболее перспективные, основанные на реакциях, протекающих с сохранением связи С-В. Обсуждены причины неудовлетворительных результатов использования таких соединений в условиях, типичных для реакций кросс-сочетания, катализируемых комплексными соединениями палладия. Рассмотрены описанные к настоящему времени примеры успешного вовлечения поли-фторированных борорганических реагентов в данный тип превращений. Установлено, что информация об основных факторах, влияющих на протекание реакций «росс-сочетания с их участием, представлена фрагментарно, частично противоречива и в целом эти процессы малоизученны.

Во второй главе изложена экспериментальная часть, где описаны использованные в работе материалы и оборудование, приведены методики проведения каталитических экспериментов и синтеза исходных реагентов и катализаторов, а также спектральные характеристики продуктов реакций.

В качестве катализаторов реакций кросс-сочетания использовались комплексные соединения палладия с фосфиновыми или N-гетероциклическими карбеновы-ми лигандами, генерируемые in situ.

Качественный и количественный состав продуктов реакции устанавливали методами спектроскопии ЯМР "F, ГХ и ГХ-МС. Ранее неописанные соединения были

охарактеризованы с помощью комплекса физико-химических методов исследования (мультиядерная спектроскопия ЯМР, элементный анализ, масс-спектрометрия высокого разрешения, ИК-спектроскопия).

В третьей главе изучено влияние различных факторов на протекание реакций кросс-сочетания KfCeFsBFs] (1) с рядом арилгапогенидов.

Зависимость активности и селективности катализаторов от природы стабилизирующих лигандов продемонстрирована на примере реакции соли 1 с 4-бромтолу-олом (2), катализируемой комплексами, генерируемыми in situ из Pd(OAc)2 и третичных фосфинов (Схема 1, Табл. 1).

Схема 1

4 5

Таблица 1. Катализируемые Pd(OAc):z/2L реакции лросс-сочетания KfCcFsBFj] (1) с 4-бромтолуолом (2)

Опыт Лиганд (L) Конверсия Продукты, экв. ('/•)' Селектив-

2, %* 3 4 5 ность, %'

1. РРЬз 30 0.30 (25/ след. 0.07 (6) 100

2. Р(ТоГ)з 87 0.87 (73) Н.О.* 0.10(8) 100

3. XantPhos (6) 98 0.68 (57)' н.о. 0.07 (6) 70

4. JohnPhos(7) 69 0.62 (52) 0.02 (2) 0.19(16) 90

S. Cyclohexyl JohnPhos(8) 44 0.34 (28) след. 0.17(14) 77

6. MePhos (9) 96 0.96 (80) н.о. 0.05 (4) 100

7. SPhos (10) 94 0.93 (78) 0.01 (1) 0.06 (5) 99

DavePhos 98 0.98 (82)

8. (11) н.о. 0.07 (6) 100

9. XPhos (12) 100 1.00(83) след. 0.02(2) 100

10. RuPhos(13) 1-метил-2-(2-дицикло- 100 1.00(83) 0.01 (1) 0.02 (2) 100

11. гексилфос-финофенил)-1Н-бензими-дазол (14) 80 0.68 (57) н.о. 0.07 (6) 85

12. Р(Су),(15) 100 1.00 (83) Н.О. 0.05 (4) 100

13. Р(Ви')з (16) 100 1.00(83) 0.02 (2) 0.08 (7) 100

Примечания: ■ время реакции 8 ч; 6 по отношению к 1; • по отношению к 3; г образуется 0.01 экв. (1 %) 2,3,4,5,6-пешафтордифенила; * не обнаружен; еобразуется 0.19 экв. (16 %) 2,3,4,5,6-пентафтордифенила.

Несмотря на то, что при применении РРЬз целевой дифенил 3 образуется с высокой селективностью, конверсия арилбромида 2 составляет всего 30 %. Значительно увеличить активность позволяет использование стерически затрудненных лигандов Р(То1°)з или ХаШРЬоз (6) (Рис. 1), но свойства генерируемых из них катализаторов не являются оптимальными. Примечательно, что Р(То1°)з не подвергается квахернизации, характерной для третичных фосфинов, протекание которой подтверждается образованием 2,3,4,5,6-пентафтордифенила в случае использования РРЬз и Ха^РИоБ (6). Соединения 9-13 (Рис. 1) проявляют существенно большую эффективность в качестве стабилизирующих лигандов, по сравнению с недавно разработанным бидентатным фосфином 14 и их аналогами 7 и 8, не имеющими заместителей в арильном фрагменте. Продукт кросс-сочетания 3 образуется с высокой селективностью при практически полной конверсии субстрата в присутствии комплексов, генерируемых из ацетата палладия и лигандов 12,13, 15, 16. Преимуществом применения симметричных фосфинов 15 и 16 является то, что они значительно более доступны и дешевы, по сравнению с диалкилбиарил-фосфинами.

Из серии экспериментов, результаты которых представлены в Табл. 2, установлено, что природа палладийсодержащих предшественников оказывает меньшее влияние на свойства катализаторов. Проведенные исследования каталитических свойств широкого круга комплексов, генерируемьк из соединений Рс1 (0 или II) и стерически затрудненных фосфинов ЗрЬоэ (10), ХрЬоэ (12) или Р(Ви')з (16) в реакциях кросс-сочетания соли 1 с арилбромидом 2 (Схема 1) показали, что практически во всех случаях были достигнуты значения как конверсии субстрата, так и селективности реакции, сопоставимые с получаемыми при использовании ацетата палладия. Наименьшую эффективность в качестве источника Рс1 проявил РсГСЬ, что может быть связано с его низкой растворимостью в толуоле. Лучшие результаты были получены при использовании комбинаций веществ [ТМ2(с1Ьа)з СНС1з] и йрЪоз (10), [Рс1СЬ(МеСМ)2] или [Рс1С12(РЬСЫ)2] и Р(Ви')з (16). Следует отметить, что нитрильные комплексы хлорида палладия являются одними из наиболее доступных и легко синтезируемых источников Рс1 (II), что позволяет рассматривать их как наиболее перспективные предшественники катализаторов.

Ме Ме

14

(Я')2Р

РЬ2Р РРЬ2

ХаШРЬси 6

(Су)2Р

Я1 = Ви'; И.2, Л3, Я4 = Н (7) К' = Су; К2, Я3, Я4 = Н (8) Я1 = Су; Я2 = Ме; Я3, Я4 = Н (9) Я1 = Су; Я2, Я4 = ОМе, Яз = Н (10) Я1 = Су; Я2 =NN102; Я3, Я4 = Н (II) Я1 = Су; Я2, Я3, Я4 = РН (12) Я1 = Су; Я2, Я4 = ОРг\ Я3 = Н (13)

Рнс. 1. Фосфиновые лиганды

Таблица 2. Катализируемые (Рс1(0) или Рс1(П))/2Ь реакции ^росс-сочетания К[СбР5ВРз] (1) с 4-бромтолуолом (2)

Соединение Лиганд Конвер- _Продукты, экв. (%)'_ Селектив-

Р(|_(Ь) сия 2,'_3_4_5 иость, % *

1. Р<1(ОАС)2 ХРИоэ 100 1.00 (83) след. 0.02(2) 100

2. Р£)(ОАС> ЭРИсК 94 0.93 (78) 0.01 (1) 0.06(5) 99

3. Рс1(ОАС)2 Р(Ви')з 100 1.00(83) 0.02 (2) 0.08 (7) 100

4. Рс1(<1Ьа)2 ХрЬоэ 91 0.77 (64) 0.05 (4) 0.08 (7) 85

5. Рс1(йЬа>. ЭРЫ« 87 0.70 (58) 0.09 (8) 0.09 (8) 80

6. Р<1(аЬа)2 Р(Ви')з 99 0.91 (76) 0.01 (1) 0.07(6) 92

7. Р<Ь(с1Ьа)з'СНС1з ХрЬоэ 99 0.93 (78) 0.01 (1) 0.06 (5) 94

8. Р<Ь(<1Ьа)зСНС1з ЭРЫи 99 0.96 (80) 0.02 (2) 0.01 (1) 97

9. Рс12(с1Ьа)зСНСЬ Р(Ви'Ь 99 0.91 (76) н.о.г 0.08 (7) 92

10. Рс1С12 ХрЬОБ 87 0.75 (63) 0.05 (4) 0.07 (6) 86

11. рась БРЬоз 83 0.67 (56) 0.10(8) 0.07 (6) 81

12. РёСЬ Р(Ви')з 96 0.79 (66) 0.02 (2) 0.15(13) 82

13. Р(1(асас)2 ХрЫк 96 0.85 (71) 0.04 (3) 0.07 (6) 89

14. Рс](асас)2 ЗРЬоз 83 0.62 (52) 0.04 (3) 0.17(14) 75

15. Рс1(асас>! Р(Ви')з 99 0.94 (78) 0.01 (1) 0.04 (3) 95

16. [РсКЛ^РЬСКЫ ХрЬоБ 99 0.90 (75) 0.02 (2) 0.07 (6) 91

17. [РаСЬСРЮОД ЗРЬОБ 91 0.79 (66) 0.04 (3) 0.08 (7) 87

18. [Р(1СЬ(РЬСМ)г] Р(Ва')3 99 0.95 (79) н.о. 0.04 (3) 96

19. [РсЮЫМеСЫЫ ХрЬоэ 96 0.93 (78) 0.01 (1) 0.02 (2) 97

20. [Р(1С12(МеСЫ)2] БРИоэ 96 0.86 (72) 0.02 (2) 0.08 (7) 90

21. [РсЮЫМеСОД Р(Ви')з 99 0.96 (80) н.о. 0.03 (3) 97

Примечания: • время реакции 8 ч;6 по отношению к 1; ■ по отношению к 3;г не обнаружен.

На следующем этапе работы изучалась возможность повышения активности и стабильности катализатора путем модификации за счет комплексообразования с Л-гетероциюшческими карбеновыми (ЫНС) лигандами, генерируемыми т ¡¡Ш из солей ИНС НХ (Рис. 2; ШС = БШев (17), Б1РГ (18), Шеэ (19), 1То1 (20), 1МеРу (21), 1МезРу (22); X = С1, Вг, ВР^) в присутствии оксида серебра. Каталитическую активность палладиевых комплексов, с ЫНС-лигандами в реакции кросс-сочетания органотрифторбората 1 с 4-бромтолуолом (2) (Схема 1) сравнивали с каталитической системой Р<1(ОАс)2/2Р(Ви')з (5 % мол.), проявившей наибольшую эффективность.

ГЛ /=\

Я1, Я2 = 2,4,6-триметилфенил (17) Я1, Я2 = 2,4,6-триметилфенил (19) Я1, Я2 = 2,6-диизопропилфенил (18) Я1, Я2 = 4-металфенил (20)

Я' = метил, Я2 = 2-пиридил (21) Я1 = 2,4,6-диизопропилфенил, Я2 = 2-пиридил (22)

Рис. 2. №1С-лигацды

Для более точного определения числа оборотов катализатора (TON) количество Pd(OAc)2 и Р(Ви')з было снижено до 1.5 и 3.0 % мол., соответственно, чтобы конверсия субстрата не превышала 20-30 %. Соли NHC-HX добавлялись в реакционные смеси вместе с основными компонентами катализатора в эквимо-лярном количестве, относительно вводимого в реакцию палладия. Обнаружено, что добавки солей 21-НВг и 22-НВг, содержащих в своем составе пиридиновый фрагмент, подавляют каталитическую активность (Табл. 3, опыты 1,2), что может быть связано с образованием прочных и малореакционноспособных хелатных соединений. Во всех остальных случаях наблюдается значительное увеличение каталитической активности генерируемых палладиевых комплексов. Степень активирующего влияния добавок NHC-HX зависит как от природы NHC-карбена, так и от природы аниона X". Так, эффект воздействия солянокислых солей оказался выше, по сравнению с соответствующими солями тетрафторборной кислоты. Наблюдаемый факт может объясняться различиями в природе образующихся в ходе процесса промежуточных соединений серебра, выполняющих роль переносчиков карбенов на палладий. Лиганд SIMes (17), содержащий менее стерически затрудненный карбеновый центр (Рис. 2), по сравнению с SIPr (18), дает более активные палладиевые комплексы.

Таблица 3. Влияние карбеновых лигандов на каталитическую активность

Опыт ГчИС'НХ Время, мин Конверсия 2, % TON TOF, ч1

1. ft 5 33 6.6 79.2

2. 21-НВг 60 8 5.3 5.3

3. 22-НВг 60 9 5.7 5.7

4. 20HBF4 5 13 8.7 104.4

5. 20НС1 5 18 12.0 144.0

6. 18HBF, 5 18 12.0 144.0

7. 18НС1 5 20 13.3 159.6

8. 19НС1 5 20 13.3 159.6

9. 17HBF4 5 24 16.0 192.0

10. 17HCI 5 25 16.7 200.4

Примечания: ■ загрузка Pd(OAc)2 и Р(Ви*)з 5 и 10 % мол. (по отношению к арилбромиду 2).

Значительное увеличение каталитической активности комплексов палладия с карбеновыми лигандами, по-видимому, обусловлено смещением равновесий между существующими в системе различными соединениями палладия, в сторону одной из наиболее активных и стабильных форм. Косвенным подтверждением этого предположения может служить тот факт, что для каталитических систем с ЫНС-лиган-дами не наблюдается образования палладиевой черни, формирование которой является основной причиной дезактивации Рс1-содержащих катализаторов.

Следующим направлением работы было исследование влияния природы галогена и строения арилгалогенидов на протекание реакций «росс-сочетания. За ис-

ключением 4-ацетофенона, все шра-замещенные бромбензолы легко реагируют с К[Сб?5ВРз] (1), давая целевые продукты с выходами 97-100 % (Табл. 4, ур. 1).

К

X=Y. Pd(OAc)2,2L /==\ X-Y-

W"BF' +Bt~\JR Ag20, Толуол,'100 °C,' \l)-\JR О

K K2CO3 8 ч

1

L = Xphos (12), Р(Су)з (15), Р(Ви')з (16)

Таблица 4. Катализируемые Pd(OAc)2/2L реакции кросс-сочетания K[C6FsBF3] (1) с арилбромидами

_Выход дифенила, %_

XPhos Р(Су)з Р(Ви*)з

- 100 >97

85 86 69

98 14 87

92 19 78

- 100 100

51 33 28

СН СН 4-Н, 4-МеО, 4-COOEt

СН СН 4-СОМе

СН СН 2-COOEt

СН СН 2,6-Мег

СН N Н

N СН Н

Было обнаружено, что наличие заместителей в орто-положении по отношению к атому брома, независимо от их электронной природы, может приводить к существенному снижению скорости реакции. Например, при взаимодействии соли 1 с 2,6-диметилбромбензолом или этил 2-бромбензоатом соответствующие дифе-нилы образуются выходами 78 и 87 % в присутствии катализаторов, генерируемых из Pd(OAc)2 и Р(Ви')з (16). Вместе с тем, в случае использования в качестве лиганда фосфина 15 их выход не превышает 19 %. Учитывая, что реакция К[СбР5ВРз] (1) с 3-бромпиридином приводит к получению целевого продукта «росс-сочетания с выходом, близким к количественному, неожиданными оказались результаты взаимодействия соли 1 с изомерным 2-бромпиридином. Только при использовании катализатора, генерируемого из Pd(OAc)2 и XPhos (12), 2-(пентафторфенил)-пиридин образуется с удовлетворительным выходом. Вероятно, атом азота 2-бром-пиридина может координироваться с атомом палладия, что приводит к получению стабильного комплекса, обладающего меньшей каталитической активностью.

Среди арилгалогенидов наименее активными субстратами в реакциях кросс-сочетания являются арилхлориды. В большинстве случаев они реагируют намного медленнее, по сравнению с соответствующими арилбромидами. При проведении реакций в разработанных нами условиях (ур. 2) для получения приемлемых результатов оказалось достаточным увеличения загрузки палладиевых катализаторов в два раза (10 % мол. Pd(OAc)2 и 20 % лиганда). Под действием комплексов, генерируемых in situ из Pd(OAc)2 и лигандов P(Cy)j (15) или Р(Ви')з (16), выходы соответствующих продуктов кросс-сочетания соли 1 с хлорбензолом или 4-метоксихлор-

бензолом не превышают 27 %. Замена лиганда на ХРЬоб (12) приводит к повышению выходов целевых продуктов до 50-67 %.

К

(Т^ВРз 1

РС1(ОАС)2, 2Ь

+ С1~\ Ур Аг20, Толуол, 100 °С," К2С03 8 ч

(2)

Ь = ХрЬов (12), Р(Су)э (15), Р(Ви")з (16);

Я = Н (27-67 %), 4-МеО (24-50 %), 4-СОМе (36-74 %), 4-ЫОг (76-90 %), 2-ЫОз(23-55 %)

Полифторарилирование более реакционноспособных 4-хлорацетофенона и 4-нитрохлорбензола, содержащих сильные электроноакцепторные группы, протекает значительно быстрее - в этих случаях достигаются выходы 74 и 90 %, соответственно. Важно отметить, что сгерический фактор оказывает существенное влияние на скорость реакции К[Сбр5ВРз] с арилхлоридами. Так, вне зависимости от природы используемого фосфинового лиганда, выход продукта кросс-сочетания в реакции органотрифторбората 1 с 4-нитрохлорбензолом значительно превышает таковой, достигаемый для изомерного 2,3,4,5,6-пентафтор-2'-нитродифенила.

На примере реакций кросс-сочетания соли 1 с бензилбромидом и бензилхлор-идом (ур. 3) продемонстрирована принципиальная возможность использования найденных условий для вовлечения в реакцию субстратов, содержащих связь С(5р3)-На1. Условия реакции не оптимизированы, но результаты являются основой нового удобного подхода к получению полифторированных диарилметанов.

ВР,

Ра(ОАс)2, 21

%_/] К%гО, Толуол, 100 °С,' ' р

К2С03 8 ч

(3)

1

Ъ = ХрЬоэ (12), Р(Су)з (15), Р(Ви')з (16); X = Вг (46-47 %), С1 (38 %)

В четвертой главе показана применимость реакций нуклеофильного замещения для модификации органотрифторбората 1 и результаты исследования влияния строения полученных из него солей К[4-КСср4ВРз] на их арилируюшую способность в реакциях «росс-сочетания.

Найдено, что К[СбР5ВРз] легко реагирует с ВиЮК в 1,2-диметоксиэтане (ДМЭ) при 25 °С (ур. 4).

К

<@Нвр3

+ ВиЧЖ

ДМЭ

25 °С, 3 ч

К

Ви*0

ВР,

+ КР

(4)

Согласно данным спектроскопии ЯМР 19F, единственным продуктом нуклео-фильного замещения является 4-отреот-бутокси-2,3,5,6-тетрафторфенилтрифтор-борат калия, препаративный выход которого составил 88 %.

Попытка вовлечь в реакцию ряд алкоксидов натрия RONa (генерируемых in situ из алифатических спиртов и NaH) в вышеописанных условиях не увенчалась успехом. Реакция протекает гладко в более жестких условиях - при 130 °С в высоко полярных растворителях. В этом случае соответствующие 4-алкокси-2,3,5,6-тетра-фторфенилтрифторбораты образуются с выходами, превышающими 90 % и полной конверсией исходного вещества 1 (ЯМР "F). Обработка реакционных смесей избытком бифторида калия приводит к получению целевых солей K^-ROCiFiBFj] с высокими выходами (Схема 2).

К

<Qkbf3

ROH, NaH _ ДМФА, 130 "С, 4 ч

K(Na)

rohQ>-BF;

KHF,

ДМФА, 25 °С, 8 ч

К

Схема 2

RO~V^BF3

R = Me (24, 88 %), Et (25, 81 %), Pr" (26, 87 %), FV (27, 86 %), Bu" (28, 89 %), PI1CH2 (29,80 %)

Напротив, в реакции К[СбР5ВРз] (1) с генерируемым аналогично аллилатом натрия в этих условиях образуется смесь продуктов, среди которых основным компонентом оказался 1-аллилокси-2,3,5,6-тетрафторбензол. Целевой органотри-фторборат К[4-А11уЮСбР4ВРз] (30) удалось получить с препаративным выходом 87 % при понижении температуры до 100 °С (ур. 5).

К

1. ДМФА, 100 °С, _4ч_

0Na 2. KHF2, ДМФА, 25 "С, 8 ч

(5)

Подобным образом протекает взаимодействие соли 1 с 2-фенилэтилатом натрия, генерируемым in situ из 2-фенилэтанола и NaH (ур. 6).

К

BF-i

1. ДМЭ.25 °С,

+ Ph(CH2V,ONa -—-- К

2. KHF2, ДМЭ, 25 °С, 8 ч

Ph(CH2)20-^. F />— BF3 31

(6)

При проведении реакции в ДМФА при 80-130 °С селективность образования продукта нуклеофильного замещения не превышает 33 %. Понижение температуры

реакции до 25 °С и использование избытка нуклеофила позволяет получить 4-(2-фенилэтил)окситетрафторборат в ДМФА или ДМЭ с селективностью 89 и 91 %, соответственно, при практически полной конверсии К[СвР5ВРз] (1). После оч;истки соответствующая калиевая соль 31 была выделена с выходом 86 %.

Среди исследованных апротонных полярных растворителей наиболее подходящим для реакции К[С6р5ВГз] (1) с феноксидом калия оказался ДМСО (ур. 7). При использовании двукратного избытка нуклеофила целевой продукт 32 может быть получен с 85 % конверсией соли 1 и 97 % селективностью за 4 ч.

К

<QbBF3

+ PhOK

ДМСО 130 °С, 4 ч

К

PhO

W

32

BFi

+ KF

(7)

Взаимодействие соли 1 с N-центрированными нуклеофилами (морфолином, диэтиламином или амидами натрия, генерируемыми из них in situ) в ДМСО, диглиме или ДМФА при 130-150 °С не привело к образованию целевых боратов K[4-RC6F,»BF3]. В этих случаях K[C6FsBF3] (1) либо не вступает в реакцию, либо подвергается гидродеборированию с образованием пентафторбензола (5).

Гораздо большую активность в реакциях нуклеофильного замещения органо-трифторбората 1 проявили N-нуклеофилы, генерируемые из азотсодержащих пяти-членных гетероциклов. При взаимодействии бората 1 с имидазолидом калия в апротонных полярных растворителях (ДМФА, МП и ДМСО) целевой продукт 33 образуется с селективностью 94-95 % и конверсией соли 1 95-97 % при 80 °С в течение 8 ч (Табл. 5, ур. 8). В случае реакции соли 1 с пиразолидом натрия, генерируемым in situ из пиразола и NaH, использование вышеописанных условий позволяет получить продукт 34 с выходом 64 % (Табл. 5, ур. 8).

К

BF,

+ MN

Условия

К

X'

N

W

33-35

BF,

(8)

Таблица 5. Взаимодействие K[C6FsBF3] (1) с N-центрированными нуклеофилами

X Y М Условия Продукт Выход, %"

K[4(l-[midazolyl)C6F,BF3] (33) 92

K.[4(l-Pyrazolyl)C6F4BF3] (34) 64

K[4(l-PyrolylX^F4BF3] (35) 86

Примечания: ■ препаративный.

СН N К 1. ДМФА, 80 СС, 8 ч

N СН Na 1- ДМФА, 80 °С, 8 ч; N СН Na 2.KHF2,25°C,84

1. ДМФА, 130 °С, 4 ч; СН СН Na 2. KHF2,25 °С, 8 ч

Для вовлечения в реакцию нуклеофильного замещения пирролида натрия необходима более высокая температура. Оптимальным оказалось проведение процесса при 130 °С, при этом соль 35 была выделена с препаративным выходом 86 %. В обоих случаях для замены катионов натрия калием реакционные смеси обрабатывали бифторидом калия при 25 °С в течение 8 ч (Табл. 5, ур. 8).

При взаимодействии K[C6FsBF3] (1) с N-нуклеофилами, генерируемыми in situ из индола или бензимидазола и NaH (ур. 9), выходы целевых органотрифторбор-атов K[4-AzC6F4BF3] снижаются из-за образования существенных количеств продуктов дизамещения - солей K[3,4-(Az)2C6F3BF3] (Az = 1-индолил, 1-бензими-дазолил). После обработки бифторидом калия соли 36 и 37 были получены с выходами 74 и 67 %, соответственно.

К

Условия

•к

х=\

N-

BF-,

1 36(Х = СН)

37 (X = N)

Условия: X = СН (1. ДМФА, 130 "С, 4 ч; 2. KHF2,25 "С, 8 ч); X = N (1. ДМСО, 100 "С, 5 ч; 2. KHFz, 25 °С, 8 ч)

(9)

Вышеописанные результаты позволили перейти к исследованию относительной арилирующей способности полученных органотрифторборатов К[4-ЯСбР4ВРз] в реакциях кросс-сочетания с 4-бромтолуолом.

Для установления взаимосвязи между структурой соединений и их реакционной способностью в органической химии широко используется уравнение Гаммета (формула Г).

1 ^ = (1°

где кик°— константы скорости реакции замещенного и незамещенного (в качестве него была выбрана соль 1) соединений;

р - параметр чувствительности реакции к смене заместителя; а — константа Гаммета, характеризующая способность заместителя изменять электронную плотность на реакционном центре.

Анализ литературы показал отсутствие данных об электронных свойствах полифторированных арильных групп ЯСбР4 (за исключением СбРз). Один из наиболее удобных методов, позволяющих рассчитывать константы Гаммета на основе экспериментальных данных, предложен Тафтом, продемонстрировавшим, что индукционная (<т0 и резонансная (ок°) части стр-константы могут быть связаны с положением химического сдвига ядер фтора мета- и ларя-замещенных монофтор-бензолов в спектрах ЯМР "Р (формулы 2', 3').

¿>;=-7.1сг,+0.6 (2')

8* =-7.1(7,-29.50-; +0.6 (3')

где величины хим. сдвига атома фтора относительно положения сигнала СбИзИ.

В литературе отсутствовали спектральные характеристики необходимых производных фторбензола. С помощью реакций кросс-сочетания солей K^-RCsFiBFj] с 3- или 4-иодфторбензолом, были синтезированы два ряда ранее неописанных дифе-нилов (ур. 10).

JR-^^bfII-^Q Д^^'^С,1 r-^)~Qr, (10)

К2С03.8 ч - - К

R = F (1), Ви'О (23), МеО (24), ЕЮ (25), IVO (26), IVO (27), BunO (28), РЬСНгО (29), AllylO (30), РЬ(СН2)зО (31), PhO (32), 1-Pyrazolyl (34), l-Pyrolyl (35), 1-IndolyI (36) H (38), Bu" (39); R' = 3-F, 4-F

Также по известным методикам были получены соли K[4-HC6F4BF3] (38) к К[4-BunC6F4BF3] (39). Рассчитанные для заместителей 4-RCiF4 значения oi, <tr° и стр приведены в Табл. 6.

Таблица 6. Электронные параметры групп 4-RC<sF4

Заместитель, R Ol Or" 4,

ЕЮ, Рг"0, Ви'О, PhCH20, Ви" 0.16 0.01 0.17

МеО, Рг"0, Ви'О, AllylO, Ph(CH2)20 0.17 0.01 0.18

Н 0.19 0.03 0.22

PhO 0.20 0.02 0.22

1-Pyrazolyl 0.21 0.03 0.24

F 0.22 0.02 0.24

l-Pyrolyl 0.22 0.03 0.25

1-Indolyl 0.24 0.03 0.27

Все группы 4-КСбР4 обладают электроноакцепторными свойствами (имеют отрицательный индуктивный и резонансный эффекты, <тг, стя° > 0). Отметим, что значения сгя° групп 4-ЯСбР4 практически не зависят от электронной природы заместителя Я и находятся в интервале 0.01-0.03. По-видимому, данный факт может быть связан с тем, что 7С-системы фенильных колец в исследованных дифенилах слабо взаимодействуют между собой, поскольку они находятся в разных плоскостях.

С помощью метода конкурентных реакций была изучена реакционная способность солей К^-ЯС^ВГз] в реакциях кросс-сочетания с арилбромидом 2 (Схема 3, Табл. 7).

к

+ к

Схема 3

Рс!(ОАс)2ъ 2Р(Ви')з

Ag20, Толуол, 100 °С, К2С03_ 8 ч

Таблица 7. Сравнение реакционной способности солей К[4-ЯСбР4ВРз] в реакциях кросс-оочетгишя с 4-бромтолуолом (2)

Как видно из представленных данных, при проведении взаимодействия полифторированных ор-ганотрифторборатов 23-32, 34-36, 38 и 39 с 4-бромтолуолом (2) при условиях, оптимизированных для соли 1, реакции протекают с близкими скоростями. Несмотря на то, что значения <тр-констант заместителей ЯС6Р4 варьируются в достаточно широком интервале (0.17-0.27), наблюдаемые константы скорости реакции для половины исследованных соединений отличаются не более, чем на 12 % (|1ё (Ыкр)| < 0.05). Для остальных солей различия в значениях констант находятся в интервале 12-35 % (0.07 < (кц/кр)| < 0.19).

В результате проведенного корреляционного анализа полученных данных было обнаружено отсутствие зависимости между ар-константами групп 4-ЯСб?4 и логарифмами относительных констант скорости реакции кросс-сочетания соответствующих органотрифторборатов К[4-ЯСбр4ВРз]. Исходя из этого, можно предположить, что трансметаллирование, при протекании которого решающую роль играет нуклеофильность борорганического реагента, зависящая от электронных свойств его органического фрагмента, не является скорость-определяющей стадией при проведении реакции в вышеописанных условиях. Для установления механизма требуются более детальные исследования, выходящие за рамки данной работы.

Опыт К кц/кг

1. АПуЮ (30) 0.65

2. Н (38) 0.67

.3. Ви" (39) 0.69

4. Рг"0 (26) 0.72

5. МеО (24) 0.79

6. РЬСН20 (29) 0.82

7. Ви°0 (28) 0.86

8. РНО (27) 0.89

9. Ви*0 (23) 0.93

10 ЕЮ (25) 0.94

И. РЮ (32) 0.95

12. РЬ(СН2)20 (31) 0.96

13. 1 -1ш1о1у 1 (36) 0.96

14. 1-Руго1у1 (35) 1.08

15. 1-Ругаго1у1 (34) 1.12

выводы

1. В результате систематического исследования влияния природы стабилизирующих лигандов на каталитические свойства генерируемых in situ палладйевых комплексов в реакциях кросс-сочетания низконуклеофильного К[СбР'5ВРз] с арил-галогенидами ArHal (Hal = Br, CI) обнаружено, что активность катализатора и селективность реакции зависят от природы третичных фосфинов. Наиболее активные катализаторы, позволяющие вовлекать в реакции кросс-сочетания арилбро-миды и арилхлориды, дают стерически затрудненные лиганды Р(Ви')з, Xphos, Sphos и Р(Су)з в комбинации с ацетатом палладия.

2. Тестирование широкого круга катализаторов, генерируемых in situ из фосфинов Р(Ви')з, Xphos, Sphos и ряда соединений палладия (0) и палладия (II), в реакциях кросс-сочетания KfCiFsBFs] с 4-бромтолуолом позволило выявить наиболее эффективные Pd-coдержащие предшественники - [Pd2(dba)3'CHCh], [PdCh(MeCN)2] и [PdCIzfPhCN^J, обеспечивающие достижение наибольших значений конверсии субстрата и селективности образования целевого продукта, сопоставимых с получаемыми при использовании ацетата палладия.

3. Исследование влияния добавок предшественников N-гетероциклических кар-бенов на активность и стабильность палладйевых катализаторов показало, что в присутствии эквимолярных количеств относительно вводимого в реакцию палладия солей NHCHX (NHC = SIPr, SIMes, IMes, ГГо1; X = CI, BF4) наблюдается значительное увеличение активности катализатора. Установлено влияние строения N-гетероциклического карбена NHC и природы противоиона X" в соли NHC-HX на активность катализаторов и селективность реакций кросс-сочетания.

4. Обнаружено стерическое влияние заместителей в молекуле арилгалогенида на скорость реакций кросс-сочетания. Показано, что присутствие групп в орто-положении относительно атома галогена, вне зависимости от их электронной природы, приводит к существенному снижению скорости реакции, особенно при использовании в качестве реагентов менее активных, по сравнению с арилброми-дами, арилхлоридов.

5. Разработаны препаративные методы синтеза широкого круга фторированных органотрифторборатов KI4-RC6F4BF3], основанные на взаимодействии ключевого пентафторфенилтрифторбората калия с О- и N-центрированными нуклеофилами.

6. Установлено отсутствие взаимосвязи между скоростями реакций кросс-сочетания KI4-RC6F4BF3] с 4-бромтолуолом и электронными константами заместителей 4-RCeF4. Это позволяет предположить, что стадия трансметаллирования каталитического цикла не является лимитирующей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Shabalin, A. Y., Adonin, N. Y., Bardin, V. V., Prikhod'ko, S. A., Timofeeva, M. N., Bykova, M. V., Parmon, V. N. Synthesis of K[4-ROC6F4BF3] from potassium pentafluorophenyltrifluoroborate and O-nucleophiles // J. Fluorine Chem. - 2013. - Vol. 149.-P. 82-87.

2. Shabalin, A.Y., Adonin, N.Y., Bardin, V.V., Taran, O.P., Ayusheev, A.B., Parmon, V.N. Synthesis of potassium 4-(l-azol-l-yl)-2,3,5,6-tetrafluorophenyltrifluoroborates from KfCiFsBFj] and alkali metal azol-l-ides. The dramatic distinction in nucleophilicity of alkali metal azol-l-ides and dialkylamides // J. Fluorine Chem. - 2013. - Vol. 156. -P. 290-297.

3. Shabalin, A. Y., Adonin, N.Y., Bardin, V.V., Parmon, V.N. The influence of the nature of phosphine ligand on palladium catalysts for cross-coupling of weakly nucleophilic potassium pentafluorophenyltrifluoroborate with ArHal and PhCH2Hal (Hal = Br, CI) // Tetrahedron. - 2014. - Vol. 70. -No. 23. - P. 3720-3725.

4. Adonin, N.Y., Shabalin, A. Y., Bardin, V.V., Parmon, V.N. Reactivity of K[C6F5BF3] towards nucleophilic reagents // 16th European Symposium on Fluorine Chemistry: Book of abstracts. 18-23 july 2010. - Ljubljana, Slovenia, 2010. - P. 91.

5. Шабалин, А.Ю., Адонин, Н.Ю., Бардин, B.B., Пармон, В.Н. Реакции нуклеофильного замещения K[C6F5BF3] // Химия под знаком «СИГМА»: Тез. докл. Всероссийск. науч. школы-конференции. 14-22 мая 2012. - Омск, Россия, 2012. -С. 256-257.

6. Шабалин, А.Ю., Адонин, Н.Ю., Бардин, В.В., Пармон, В.Н. Взаимодействие пентафторфенилтрифторбората калия с О-, N- и С-нуклеофилами // Актуальные проблемы органической химии: Тез. докл. Всероссийск. молодежи, науч. конференции. 9-14 июля 2012. - Новосибирск, Россия, 2012. - С. 119.

7. Адонин, Н.Ю., Шабалин, А.Ю., Бардин, В.В., Пармон, В.Н. Новый подход к полифторарилтрифторборатам калия: нуклеофильное замещение в K[C6F5BF3] // Химия фтора: Тез. докл. Всероссийск. науч. конференции. 22 - 26 октября 2012. -Москва, Россия, 2012. - С. О-10.

8. Адонин, Н.Ю., Бардин, В.В., Приходько, С.А., Шабалин, А.Ю., Пармон, В.Н. Фторированные органические соединения в металлокомплексном катализе // Металлокомплексный катализ в органическом и металлоорганическом синтезе: Тез. докл. Всероссийск. симпозиума. 25 - 28 сентября 2013. - Уфа, Россия, 2013. -С. 18-23.

9. Шабалин, А.Ю., Адонин, Н.Ю., Бардин, В.В., Пармон, В.Н. Реакции кросс-сочетания K[CeFsBF3] с арил- и бензилгалогенидами // Химия под знаком «СИГМА»: Тез. докл. Всероссийск. науч. школы-конференции. 12 - 18 мая 2014. -Омск, Россия, 2014. - С. 244-245.

ШАБАЛИН Антон Юрьевич

КАТАЛИЗИРУЕМЫЕ КОМПЛЕКСНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ПАЛЛАДИЯ РЕАКЦИИ КРОСС-СОЧЕТАНИЯ ПОЛИФТОРИРОВАННЫХ ОРГАНОФТОРБОРАТОВ С АРИЛГАЛОГЕНИДАМИ

Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата химических наук.

Подписано в печать 04.08.2014. Заказ № 44. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Отпечатано в издательском отделе Института катализа СО РАН 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 5 http://catalysis.ru