Катализируемый комплексами палладия и никеля селективный синтез замещённых алкенов и диенов по реакции присоединения тиолов и селенолов к алкинам тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ИМ. Н.Д. ЗЕЛИНСКОГО РАН

На правах рукописи

Чистяков Игорь Владимирович

Катализируемый комплексами палладия и никеля селективный синтез замещённых алкенов и диенов по реакции присоединения тиолов и селенолов к алкинам

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

21 НОЯ 2013

005539368

Москва-2013

005539368

Работа выполнена в Лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук

Научный руководитель: Анаников Валентин Павлович

член-корреспондент РАН

Официальные оппоненты: Халилов Леонард Мухибович

доктор химических наук, профессор (Институт нефтехимии и катализа РАН)

Терентьев Александр Олегович

доктор химических наук, доцент (ИОХ РАН)

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова, г. Москва

Защита диссертации состоится "10" декабря 2013 г. в 11 ч. 00 м. на заседании диссертационного совета Д 002.222.01 при Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ РАН.

Автореферат разослан " 8 " ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.222.01 при ИОХ РАН доктор химических наук

Родиновская Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Важной задачей современной органической химии является селективный синтез гетерозамещённых органических соединений. Использование реакций присоединения молекул со связями гетероатом-водород к кратным углерод-углеродным связям является удобным и эффективным способом введения различных функциональных групп в молекулы органических веществ. Высокая практическая ценность реакций присоединения заключается в 100%-ой "атомной эффективности" (все атомы исходных соединений входят в состав продукта). Использование комплексов переходных металлов в качестве катализаторов позволяет осуществить данные процессы с высокой стерео- и региоселективностью. В рамках этой методологии, варьируя природу каталитически активного комплекса металла и условия реакции, можно контролировать направление процесса и получать разнообразные продукты. К числу таких реакций относится присоединение алифатических тиолов к интернальным алкинам, приводящее к образованию алкилвинилсульфидов. Проведение реакций без растворителя с использованием каталитических количеств комплексов металлов наилучшим образом удовлетворяет требованиям современной "зеленой химии".

Реакции, в ходе которых происходит одновременное образование связей углерод-халькоген и углерод-углерод, позволяют в одну стадию получать относительно сложные молекулы из простых и доступных реагентов. Разработка каталитических систем, пригодных для проведения реакций такого типа, открывает доступ к селективному синтезу новых продуктов - хапькогензамещённых диенов.

На сегодняшний день актуальным является поиск удобных и эффективных путей селективного получения халькогенсодержащих соединений, которые находят широкое применение в синтетической органической химии, медицине, материаловедении.

Цель работы.

Изучение катализируемого комплексами Рё и № присоединения тиолов и селенолов к алкинам в гомогенных и гетерогенных системах, направленное на разработку новых синтетических методов получения функционализированных алкенов и диенов.

Научная новизна.

1. Обнаружена зависимость между степенью упорядоченности частиц и каталитической активностью дихалькогенидов никеля и палладия в реакциях присоединения тиолов и селенолов к алкинам.

2. Найдена эффективная гетерогенная каталитическая система на основе комплексов палладия, позволяющая получать алкилвинилсульфиды с хорошими выходами

и высокой селективностью в реакции апкантиолов с интернальными апкинами.

3. С помощью сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией изучена эволюция катализатора [Pd(SCy)j]n в ходе реакции, исследована зависимость между активностью и морфологией частиц катализатора.

4. Найдена эффективная гомогенная каталитическая система на основе фосфиновых комплексов никеля, позволяющая с хорошими выходами получать новые продукты присоединения-димеризации фенилселенола к терминальным алкинам.

5. С помощью комбинации методов масс-спектрометрии высокого разрешения и спектроскопии ЯМР исследован механизм каталитической реакции образования селенозамещённого диена в растворе, зафиксированы промежуточные комплексы никеля, установлены их состав и строение.

Практическая ценность.

1. Создан удобный препаративный метод стереоселективного синтеза алкилвинилсульфидов по реакции присоединения алифатических тиолов к интернальным алкинам, катализируемой наночастицами палладия.

2. Разработана каталитическая система на основе фосфиновых комплексов никеля, позволяющая селективно получать неизвестные ранее моноселенозамещённые диены в реакции фенилселенола с терминальными алкинами в гомогенных условиях.

3. Разработана методика синтеза наноструктурированных частиц халькогенидов переходных металлов.

Апробация работы.

Отдельные результаты работы были представлены на международной конференции "Catalysis in Organic Chemistry" (Москва, 2012 г.), V молодёжной конференции ИОХ РАН (Москва, 2012 г.), II Всероссийском симпозиуме с участием иностранных учёных «Кинетика и динамика обменных процессов» (Дивноморское, 2013).

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 2 статьи и 3 тезиса в сборниках докладов научных конференций.

Структура и объём работы.

Диссертация изложена на 147 страницах и состоит из введения, обзора литературы, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы. Библиография насчитывает 177 наименований.

Благодарность.

Автор выражает глубокую благодарность Академику Белецкой И. П. за научные консультации, к.х.н. Орлову Н.В. за обучение экспериментальным методикам, помощь в работе и съёмку спектров ЯМР, Хемчяну JI. Л. за плодотворную совместную работу, Ивановой Ю.В. за съёмку масс-спектров, Залесскому С.С. и Кашину A.C. за полезные дискуссии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время реакции присоединения молекул со связью халькоген-водород к тройной связи ацетиленовых соединений хорошо изучены. Выбор металла, лигандов и условий протекания позволяет целенаправленно изменять стерео- и региоселективность реакций присоединения. Никелевые и палладиевые катализаторы могут образовывать гетерогенные (полимерные комплексы вида [М(ЕИ.)2]п (М = Р<1, Е = Б, Бе)), гомогенные (комплексы вида ЬПМ(ЕЯ)2), или смешанные системы в зависимости от типа и количества лиганда.

Нерешенной проблемой в области гидротиолирования ацетиленов является сильная зависимость селективности реакции от строения алкина, что препятствует созданию удобных универсальных синтетических методов. В то время как каталитические реакции присоединения тиолов к терминальным алкинам протекают для широкого круга соединений, аналогичные процессы с дизамещёнными ацетиленами проходят с низкими селективностью и выходом. Описано лишь несколько примеров реакций присоединения АИсБН к активированным интернальным алкинам, протекающих на труднодоступных комплексах родия. В настоящей работе выполнено детальное исследование механизма этой реакции и разработана оптимальная каталитическая система для осуществления данного превращения (схема 1, реакция 1).

В исследуемой системе ключевое значение имеет природа катализатора и взаимосвязь между гомогенным и гетерогенным катализом. При изучении гомогенной каталитической системы была найдена новая реакция, приводящая к образованию функционализированных диенов в одну стадию (схема 1, реакция 2).

Е = Э 11 = А1к

Я2 И.2*Н я, я,

+

реакция 1

ИЕН

Е = 8е [№]/Ь Я = РЬ Я2 = Н

К-1

Схема 1. Реакции присоединения, изученные в данной работе.

реакция 2

1. Формирование катализатора по реакции самоорганизации в растворе.

В изучаемой системе наблюдалось образование частиц из простых предшественников Рё(ОАс)2 и №(асас)2 в результате процесса самоорганизации. На первой стадии процесса имеет место реакция предшественника катализатора с ЯЕН (Е = Э, Эе), при этом образуются частицы М(Е11)2, которые затем участвуют в стадии зародышеобразования и роста металл-содержащих частиц (схема 2). В результате наблюдалось образование гетерогенной системы, содержащей частицы нерастворимого дихалькогенида металла. Полученные частицы были выделены в индивидуальном виде и охарактеризованы с помощью физико-химических методов. Было показано, что морфология образующихся частиц чувствительна к природе металла, халькогенола и алкина.

МХ,

ЯЕН НХ

V /

ЕЯ

/

М

\

ЕЯ

КЕЧ ХЕК М

с }

м. у

/ V ЯЕ ЕЯ

[М(ЕЯ)2]П

М= №, Рё; Е=8. Бе

Схема 2. Образование [М(ЕЯ)2]п из солей Рс1 и № (X = ОАс, асас).

Изучение каталитически активных частиц металлов показало, что они могут быть представлены большим разнообразием морфологических элементов: сферами, нитями, чешуйками, слоистыми структурами или иглами в зависимости от вышеперечисленных параметров (рисунок 1).

(А)Рё(ОАс)2/РЬ8еН/1Ь

(Б) №(асас)2/РЬ8еН/1Ь

Была исследована связь между степенью упорядоченности (однородность формы и размера) частиц катализатора и их каталитической активностью в реакциях образования связи углерод-халькоген на примере реакций присоединения REH (Е = S, Se; R = Ph, Су) к алкинам (схема 3). Каталитически активный дихалькогенид металла образовывался in situ, строение частиц катализатора было установлено с использованием сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией (FE-SEM), элементный состав подтверждён методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX).

(В) Ni(acac)2/PhSH/l b (Г) Pd(OAc)2/CySH/l а

Рисунок 1. Характеристичные примеры морфологии частиц [M(ER)2]„.

100°С R' /R2 R> /R2

R, = R2 + REH ---+ ^

2 мольн. % MX2 ER RE

1 a R[ = H, R2 = CH2NMe2 Т-терпинен 2 3

lb R| = Et. R2 = CH2NMe2 lc R| = H, R2 = nBu M = Ni, Pd; E = S, Se

Схема 3. Исследованная реакция присоединения REH к алкинам.

Реакция присоединения РЬБеН к 1Ь, катализируемая Рё(ОАс)2, протекала с выходом 40 % (соотношение 2 : 3 = 98 : 2), из реакционной смеси были выделены частицы, имеющие форму пластин толщиной 30 - 50 нм (рисунок 1А). Использование №(асас)2 в этой реакции привело к повышению выхода реакции до 63% и снижению селективности присоединения (соотношение 2 : 3 = 66 : 34). Выделенные частицы [№(8еРЬ)2]п имели вид волокон диаметром 50 - 150 нм (рисунок 1Б). Частицы сферической формы диаметром 100 - 300 нм (рисунок 1В) были выделены из реакции присоединения РИБН к 1Ь в присутствии №(асас)2 (выход 57%, соотношение 2 : 3 = 30 : 70). Реакция между Су8Н и 1а, катализируемая Рё(ОАс)2, позволила получить продукты присоединения с выходом 47% и высокой

селективностью 2:3 = 91:9. Катализатор в этом случае был представлен стержневидными частицами длиной 2-3 мкм и толщиной 100 - 200 нм (рисунок 1Г). Для подробного изучения в работе были рассмотрены различные комбинации частиц металлов, алкинов и REH (более 20 различных комбинаций).

Сопоставление результатов исследования частиц катализатора, выделенных из реакционных смесей, и данных о выходе продуктов присоединения и селективности, определённых методом ЯМР, выявило зависимость между уровнем организации частиц катализатора и их каталитической активностью. Было показано, что высокие выходы винилсульфидов наблюдаются в каталитических системах с высокой степенью упорядоченности наноразмерных частиц. При этом не наблюдалось чёткой зависимости выхода продуктов от размера или формы частиц катализатора. Реакции, протекающие с низкими выходами продуктов присоединения, имели место в случае [M(ER)2]n с низкой степенью упорядоченности.

2. Разработка каталитической системы для стереоселектиеного присоединения алифатических тиолов к интернальным алкинам.

Проведённые эксперименты по изучению морфологии наночастиц в самоорганизующихся каталитических системах выявили большое разнообразие структурных форм и показали возможность управления каталитической активностью частиц катализатора.

Подбор оптимальных параметров каталитической системы проводился для модельной реакции присоединения циклогексилмеркаптана к Ы,К-диметил-1-аминопентину-2 (схема 4). Изучение каталитической активности соединений никеля и палладия (таблица 1) проводилось в присутствии ингибитора радикальных реакций - -у-терпинена. Во всех случаях наблюдалась высокая стереоселективность присоединения (продукт транс-присоединения не зафиксирован), а также умеренная региоселективность. Для более полного анализа каталитической активности реакция проводилась при различных температурах. В большинстве случаев повышение температуры позволило сократить время реакции почти в два раза, хотя наблюдалась небольшая потеря региоселективности.

Хорошо зарекомендовавший себя в реакциях присоединения тиолов к алкинам, Ni(acac)2 показал низкую каталитическую активность в модельной реакции как при 100°С, так и при 150СС (таблица 1, № 1). Более высокая конверсия была достигнута при использовании ацетата никеля (таблица 1, № 2), причём проведение реакции при более высокой температуре позволило увеличить конверсию в 1.5 раза с незначительной потерей селективности. Похожие результаты были получены для реакции в присутствии бис(циклопентадиенил) никеля (таблица 1, № 3) и хлорида никеля с добавкой Et3N (таблица 1, № 4), однако в последнем случае повышение температуры привело к резкому падению конверсии.

Была исследована активность полимерных комплексов никеля, приготовленных заранее по реакции халькогенола с солью металла (таблица 1, №№ 5-7). Во всех случаях каталитическая активность была заметно ниже, чем для образующихся in situ комплексов, хотя дополнительный нагрев позволил несколько увеличить конверсию алкина. Высокую активность показал ацетат палладия (таблица 1, № 8), за 7 часов при 100°С удалось достигнуть конверсии 91%, а повышение температуры до 150°С привело к количественному образованию продуктов присоединения всего за 4 часа реакции.

\ ,NMe2 2 мольн. % MX- ^ / NMe2 / NMe2

4—=—' + CySH -:

у-терпинен

lb

/

Схема 4. Реакция присоединения CySH к алкину lb.

I

у-терпинен

Таблица 1. Изучение каталитической активности соединений № и Рс1 в реакции присоединения циклогексилтиола к Ы,Ы-диметил-1 -аминопентину-23.

№ Катализатор Выход продуктов присоединения (%) и соотношение 2а:3а ь

100°С, 7 ч. 150°С, 4 ч.

1 Ni(acac)2 20 (39:61) 33 (36:64)

2 Ni(OAc)2 37 (28:72) 54 (35:65)

3 Ni(Cp)2 63 (25:75) 61 (31:69)

4 NiCl2/Et3N 63 (27:73) 32(29:71)

5 [Ni(SCy)2]„c 36 (27:73) 46 (35:65)

6 [Ni(SPh)2]„c 43 (30:70) 59 (34:66)

7 [Ni(SePh)2]„c 33 (36:64) 37(39:61)

8 Pd(OAc)2 91 (27:73) 99 (33:67)

9 [Pd(SCy)2]„c 12 (25:75) 53 (30:70)

10 [Pd(SPh)2]n c 17(27:73) 32 (30:70)

11 [Pd(SePh)2]„c 20 (26:74) 21 (35:65)

"Условия реакции: 1 ммоль алкина, 1.1 ммоль тиола, 1 ммоль у-терпинена, 0,2 ммоль катализатора, инертная атмосфера. Определено методом спектроскопии ЯМР 'Н реакционной смеси. сКомплекс синтезирован заранее.

Проведение реакции на предварительно полученных полимерных комплексах [Р<1(ЕК)2]п (Е=8, Бе, К=РЬ, Су) (таблица 1, №№ 9-11) показало преимущество комплексов, образующихся в процессе самоорганизации по ходу каталитической реакции. Сравнение наблюдаемых величин выходов и селективности показало, что ацетат палладия проявил наибольшую активность в модельной реакции.

Было изучено влияние количества предшественника катализатора на протекание реакции (таблица 2). При использовании менее 1 мольн. % катализатора (таблица 2, №№ 1-3) конверсия алкина не превосходила 20 %. При переходе от 0,5 мольн.% к 2 мольн. % наблюдался линейный рост конверсии алкина (таблица 2, №№ 3-5). Использование 5 мольн % позволило за 2 часа получить продукты с количественным выходом (таблица 2, № 6), однако такой же результат был получен при использовании 2-х мольн. % Рй(ОАс)2 за 4 ч. (таблица 1, № 8). С точки зрения баланса эффективности и экономичности использование 2 мольн. % катализатора представляется оптимальным.

Таблица 2. Каталитическое присоединение циклогексантиола к Ы,Ы-диметил-1-аминопентину-2 при различных количествах ацетата палладия.3

№ Мольн.% Рй(ОАс)2 Выход продуктов присоединения (%) и соотношение 2а:3аь

1 0.1 12 (32:68)

2 0.2 15 (34:66)

3 0.5 19(31:69)

4 1.0 48 (31:69)

5 2.0 94 (31:69)

6 5.0 99 (31:69)

"Условия реакции: 1 ммоль алкина, 1.1 ммоль тиола, 1 ммоль у-терпинена, Р<1(ОАс)2, 150°С, 2 ч. ьОпределено методом спектроскопии ЯМР 'Н реакционной смеси.

Исследование области приложения разработанной каталитической системы и варьирование заместителей в интернальных алкинах показало, что присоединение протекает стереоспецифично для широкого круга алкинов и позволяет получать алкилвинилсульфиды с высокими выходами и умеренной региоселективностью (схема 5, таблица 3). Гладко протекает присоединение циклогексантиола к алкинам, содержащим ароматические

заместители (таблица 3, №№ 2, 4-6), имеющим пропаргильную гидроксильную (таблица 3, №№ 3, 4) или сложноэфирную группу (таблица 3, №№ 5, 6).

2 мольн. % Рс1(ОАс)2 К1 ,К2 Я]

Я, + ЯБН -ч=< +

1 у-терпинен ^ ^ ^ ^

Схема 5. Реакция присоединения тиолов к интернальным алкинам.

Таблица 3. Выходы продуктов реакции присоединения алифатических тиолов к интернальным алкинам при катализе комплексами палладия. а

№ 1*1 = «2 иен Условия Выход продуктов присоединения (%)ь и соотношение 2:3

1 1Ь СуБН 150°С, 2 ч. 83 (36:64)

2 РИ = РИ 1с СуЭН 150°С, 14 ч. 81

3 \ _ ,°Н 1(1 Су8Н 100°С, 20 ч. 64 (67:33)

4 ОН РЬ——' 1е СуЗН 150°С, 2 ч. 78 (61:39)

5 О ОЕ1 1Г СуЭН 150°С, 2 ч. 83 (23:77)

6 Р рь^м: ОЕ1 18 ВпЭН 150°С, 10 ч. 82(17:83)

7 МеО О О ОМе СувН 150°С, 1 ч. 66 е

аУсловия реакции: 1 ммоль алкина, 1.1 ммоль тиола, 1 ммоль у-терпинена, Рё(ОАс)2, 150°С. ^ыход выделенного продукта после хроматографической очистки. Образовалась смесь Е- и 7-изомеров в соотношении 75:25, приведен выход чистого £-изомера.

В случае диметил ацетилендикарбоксилата присоединение протекает с побочным образованием побочного некаталитического продукта транс- присоединения (таблица 3, № 7). Показано, что присоединение бензилмеркаптана также катализируется описанной системой (таблица 3, № 6). Строение продуктов присоединения подтверждено спектроскопией ЯМР, масс-спектрометрией высокого разрешения и рентгеноструктурным анализом (для продукта 2Ь).

Предложенный механизм реакции (схема 6) включает на первой стадии образование координационного полимера [Рс1(5Су)2]п (А) в результате взаимодействия ацетата палладия с тиолом. Стадия координации алкина к концевому атому палладия с последующим внедрением по связи Рс1 - Б проходит как сын-присоединение и определяет высокую стереоселективность. Региоселективность процесса зависит от типа и размера заместителей в алкине. Образовавшийся комплекс (Б) подвергается протонолизу циклогексантиолом с отщеплением алкилвинилсульфида и регенерацией катализатора.

Рс1(ОАс)2

3. Исследование зависимости каталитической активности частиц 1Р<Ц8Су)г]п от их морфологии.

Присоединение алкантиолов к интернальным алкинам проводилось в условиях гетерогенных каталитических систем. Исследование частиц катализатора, формирующихся в ходе реакции и синтезированных заранее, методом сканирующей электронной микроскопии

с полевой эмиссией (БЕ-ЗЕМ) выявило зависимость между строением частиц и их каталитической активностью. Были исследованы частицы, выделенные из реакционной смеси через 20 минут (конверсия 56%, рисунок 2А) и два часа после начала реакции (конверсия 93%, рисунок 2Б).

Обнаружено, что частицы катализатора после 20 минут реакции (рисунок 2А) представляют собой стержни длиной 3-4 мкм, имеющие толщину 400 - 800 нм и состоящие из субъединиц толщиной 50 - 100 нм. Волокнистая структура свидетельствует об упорядоченности полученных полимерных нитей. Через 2 часа структура катализатора заметно меняется (рисунок 2Б). Средняя длина стержней и размер субъединиц остаются примерно на том же уровне, в то время как средняя толщина уменьшается до 200 - 500 нм. Одновременно наблюдается образование искаженных сфер размером около 100 нм, агрегированных в частицы размером 3-5 мкм.

(А) (Б)

Рисунок 2. Микрофотографии [Рё(ЗСу)2]п. А - через 20 минут и Б - через 2 часа после начала реакции.

Катализатор, полученный до реакции взаимодействием Pd(OAc)2 с CySH, также был изучен методом SEM (рисунок ЗА). Частицы [Pd(SCy)2]n представляли собой плотные агрегаты пучков частиц, имевших гораздо менее выраженную стержневидную структуру, чем катализатор, образующийся in situ (ср. с рисунком 2А), однако также состоявших из субъединиц удлинённой формы. После окончания реакции наблюдалось уменьшение степени агрегации частиц, изменение морфологии было незначительным (рисунок ЗБ). Каталитическая активность таких частиц также была ниже, чем у образующихся в ходе реакции, конверсия через 4 часа составила всего 53%.

Зависимость морфологии и каталитической активности частиц катализатора состава [Pd(SCy)2]n от условий получения может быть объяснена двумя факторами:

1) при наличии алкина в системе, рост полимера регулируется координацией апкина к атомам палладия;

2) образование катализатора in situ происходит при большем избытке тиола, что также оказывает влияние на форму и размер частиц.

Различие в каталитической активности частиц [Pd(SCy)2]„, образующихся in situ (высокая степень упорядоченности) и полученных заранее (низкая степень упорядоченности), согласуется с наблюдавшимся эффектом влияния степени организации частиц катализатора на скорость протекания реакции.

(А) (Б)

Рисунок 3. Микрофотографии предварительно полученного рМ(8Су)2]„- А - до реакции, Б - через 4 часа после начала реакции.

4. Образование селенозамещённых диенов в реакции терминальных алкинов с фенилселенолом, катализируемое комплексами никеля.

Впервые было обнаружено, что присоединение фенилселенола к терминальным алкинам, протекающее в условиях гомогенного катализа фосфиновыми комплексами №, приводит к образованию не только винилселенидов 6 и 7, но также уникальных селенозамещённых диенов 5 (схема 7).

Схема 7. Присоединение PhSeH к терминальному алкину в присутствии фосфиновых

комплексов никеля.

Состав и строение диена 5а было установлено с использованием метода ЯМР-

спектроскопии, масс-спектрометрии высокого разрешения и подтверждено

рентгеноструктурным анализом (РСА). С помощью экспериментов 'Н-'Н ЫОЕЗУ было

12

установлено, что в растворе возможно вращение вокруг одинарной связи диена (рисунок 4). На основании данных, полученных методом РСА, был сделан вывод о ь-гош конфигурации в кристаллической форме.

7.0 6.0 РРт

s-цис 5а i-транс 5а

Рисунок 4. Спектр 'Н-'Н NOESY соединения 5а.

В реакции были опробованы моно- и бидентантные фосфиновые и фосфитовые лиганды с различными стерическими и электронными свойствами. Хорошие результаты были достигнуты при использовании фосфинов, у которых атом фосфора имеет два ароматических и один алифатический заместитель (таблица 4, №№ 2, 3, 7, 8, 13, 14): была достигнута высокая конверсия (61 - 98%) и лучшая селективность образования диена 5а (44 _ 56%). Стерические свойства заместителей этих лигандов сильно разнятся (ср. № 2 и № 7), что позволяет предположить первостепенное значение электронных эффектов лиганда для исследуемой реакции. В то же время фосфины вида PArnAlk3.n (n=0, 1, 3) (таблица 4, №№4-6, 9-12, 15) показали низкую селективность или низкую степень конверсии. Фосфитовые лиганды показали низкую селективность образования целевого диена, основными продуктами были винилсульфиды 6а и 7а (таблица 4, № 17, 18).

Наибольшие селективность и выход наблюдались в случае использования таких лигандов, как РРЬ2Су, РРЬ2Ме, РРЬ2(СН2)4РРЬ2, среди которых РРЬ2Су (таблица 4, № 2) был выбран для дальнейшей оптимизации.

Таблица 4. Выход и селективность образования диена 5 при использовании различных фосфорных лигандов.*

№ Фосфиновый л н га ид Конверсия РЬ8еН, % (соотношение 5а : 6а : 7а)ь

1 - 87 (23:73:4)

2 РРЬ2Су 95 (53:38:9)

3 РРИ2Вп 97(47:32:21)

4 РРЬСу2 97 (29:67:4)

5 РСуз 99 (32:64:4)

6 РСу2(о-То1) 76 (20:71:9)

7 РРЬ2Ме 98 (56:30:14)

8 РРЬ2Е1 98(49:33:18)

9 РРЬМе2 12 (73:27:0)

10 РРИз 93 (30:58:12)

11 Р(Р-С1РЬ)3 87 (30:39:31)

12 Р(р-ОМеРЬ)з 98 (37:53:10)

13 СН2(РРЬ2)2С 61 (44:43:13)

14 РРЬ2(СН2)4РРЬ2С 92 (53:37:10)

15 10(43:41:16)

16 СН2=С(РРЬ2)2с 3 (27:73:0)

17 Р(0'Рг)3 97(17:28:55)

18 Р(ОпВи)з 56 (8:53:39)

"Условия реакции: 2 ммоль алкина, 0.5 ммоль РЬБеН, 2 мольн. % №(асас)2,20 мольн. % фосфинового лиганда, 40°С, 0.5 ч. 'Определено по спектрам ЯМР 'Н реакционной смеси.с Использовано 10 мольн. % фосфинового лиганда.

Другим важным параметром, определяющим селективность образования диена 5, оказался способ добавления фенилселенола, а также мольное соотношение алкина и РЬЗеН.

Были проведены реакции с различными соотношениями алкин : селенол при двух способах добавления селенола - однократном (таблица 5, метод А) и покапельном (таблица 5, метод Б). Сравнение способов добавления показало, что покапельное добавление приводит к лучшим результатам, чем однократное, что объясняется большим эффективным соотношением реагентов во время реакции. Избыток алкина в обоих случаях увеличивал селективность образования соединения 5а, хотя использование большого избытка в виде 5 эквивалентов алкина приводило к небольшому снижению конверсии фенилселенола (таблица 5, № 4).

Таблица 5. Влияние соотношения селенол — алкин на реакцию образования

диена 5а."

№ РЬвеН: алкин Конверсия РЬвеН, % (отношение 5а:6а:7а)ь

метод А с метод Б с

1 1 : 2 91 (41:52:7) 95 (58:34:8)

2 1 : 3 91 (48:46:6) 96 (69:24:7)

3 1:4 95 (53:38:9) 93 (82:11:7)

4 1 : 5 90 (58:35:7) 89 (84:12:4)

"2 мольн.% №(асас)2, 20 мольн.% РРЬ2Су, 40°С, 0.5 ч. Определено по спектрам ЯМР Н реакционной смеси. сМетод А: однократное добавление РЬБеН; метод Б: покапельное добавление РЬБеН

Изучение влияния растворителей, а также добавок оснований и кислот показало, что при добавлении 0.2 мл толуола и 10 мольн. % Е13Ы удаётся повысить выход диена 5а до 97% (86% после хроматографической очистки).

Использование оптимизированных условий позволило получить диены по реакции присоединения фенилселенола к терминальным алкинам с различными заместителями (таблица 6).

Оказалось, что эффективность протекания реакции зависит также и от типа алкинового субстрата: замещённые пропаргиловые спирты образовывали диен 5 с выходом от 51% до 86% (таблица 6, №№ 1, 4, 6). Алкинолы с большей длиной цепи реагировали с РЬЭеН с образованием 42% - 49% продукта 5 (таблица 6, №№ 5, 7, 8). Присоединение РИЗеН к алифатическим терминальным алкинам позволило получить селенозамещённые диены с выходами от 44 до 62% (таблица 6, №№ 9 - 13). Увеличение загрузки реагентов показало, что реакция эффективно протекает при загрузке РЬ8еН 5 ммоль - были получены 78% (1.49 г) диена 5а и 62% (0.92 г) диена 5с.

Интересно, что некоторые алкины вступали в реакцию образования диена даже в отсутствии фосфинового лиганда. Образование диена имело место в каталитической системе

15

№(асас)2/Е13М, причем в случае З-бутин-2-ола выход диена в таких условиях превышал выход в реакции, протекающей в присутствии РРЬ2Су (Таблица 6, № 6).

Таблица 6. Получение диенов 5 в реакциях алкинов 4 с фенилселенолом в оптимизированных условиях.а

№ Алкин Т, °С/ время, ч. Выход 5, % ь, (после ОЧИСТКИ, %)

1 40 / 0.5 97 (86)

2 4а 76 (69)с

3 86 (78)"

4 =—^ОН 4Ь 40/1.5 84 (80)

5 4с 30/1.5 77 (58)

6 ОН =4 4(1 25/1.5 67 (51)с

7 =-/ ^ОН 4е 25/1.5 54 (46)

8 у—ОН 4f 25/2 52 (42)

9 = С5Н„ 40/1.5 56 (50)

10 - У 4Ь 25/1.5 57 (52)

11 Ви 1с 25/2 64 (49)

12 69 (62)"

13 4\ 40/1.5 57 (44)

аУсловия реакции: алкин : РИБеН = 4:1, покапельное добавление РЬБеН, 2 мольн.% Ы1(асас)2, 20 мольн.% РРЬ2Су. 'Определено по спектрам ЯМР 'Н реакционной смеси. сРеакция проводилась без добавления РРЬ2Су. Нагрузка реагентов и катализатора увеличены в 10 раз.

5. Исследование механизма образования моноселенозамещённых диенов в реакции терминальных алкинов с фенилселенолом.

Для изучения механизма реакции было выполнено физико-химическое исследование методами масс-спектрометрии и спектроскопии ЯМР. Основываясь на полученных результатах, был предложен каталитический цикл (схема 8), включающий в себя следующие

стадии: i) образование каталитически активного фосфинового комплекса Ni I; ii) координация алкина к Ni центру с последующим внедрением по связи Ni - Se (комплекс II); iii) координация второй молекулы алкина с последующим внедрением по связи Ni - С, приводящая к образованию комплекса III; iv) образование продукта 5 и регенерация катализатора происходят в результате протонолиза комплексов III или VII. Винилселенид 6 образуется в результате протонолиза комплекса II.

Ni(acac)2 PR'3-nJ

* уас; R'iP-Ni

ас;

IV

РЯ'з 2PhSeH~4

2асасН

-У

R'3P4 ,SePh Ni

асас-Ni

R'3P4 SePh

Ni+ | R'3P SePh V

R'iPx "PR'

Ni4 SePh R',P SePh II

R

-.ESI

R'3P-№ SePh SePh VI

R'3PS

Ni4 R'3P' 4acac

II'

R

SePh

Я" = О'Рг R = CMe2OH (а), СМеЕЮН (Ь)

Схема 8. Каталитический цикл реакции образования диена 5. (Все комплексы, кроме I и II зафиксированы с помощью Е81-НКМБ).

Представленный каталитический цикл (схема 8) объясняет влияние режима добавления фенилселенола и избытка алкина на селективность образования моноселенозамещённого диена. Действительно, недостаток РЬБеН замедляет протонолиз комплекса II, уменьшая скорость образования нежелательного продукта 6 и благоприятствуя внедрению второй молекулы алкина. Влияние добавки триэтиламина также можно объяснить снижением скорости протонолиза за счёт обратимого связывания фенилселенола.

Несмотря на возможное внедрение третьей молекулы алкина в комплекс III, продукты триенового строения зафиксированы не были.

Предложенный механизм был исследован с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения с ионизацией электрораспылением (ESI-HRMS). Объектом изучения стала модельная реакция присоединения фенилселенола к 2-метил-3-бутин-2-олу в присутствии №(асас)2/Р(0'Рг)з в метаноле. Замена фосфинового лиганда на фосфит была необходима для увеличения степени ионизации интермедиатов реакции, что позволяет зарегистрировать их методом ESI-HRMS.

Анализ масс-спектров высокого разрешения показал присутствие интермедиатов предполагаемого каталитического цикла (схема 8). Высокая точность определения отношения тЬ и характерное изотопное распределение селена и никеля позволили с высокой достоверностью соотнести наблюдаемые сигналы со структурами промежуточных соединений.

Рисунок 5. Сравнение сигналов комплексов Vila и Vllb.

Для более полного доказательства строения соединений III-VII' (схема 8) была проведена аналогичная реакция с участием гомологичного алкина - З-метил-1-пентин-З-ола (схема 9, система (2); таблица 7). Для интермедиатов, содержащих два алкиновых фрагмента (схема 8, соединения III, VII, VII', рисунок 5), наблюдался сдвиг сигналов в масс-спектре, точно соответствующий двум группам СН2. Данный факт является дополнительным свидетельством в пользу того, что сигналы зарегистрированных ионов отвечают интермедиатам реакции. Важно отметить, что сдвиг сигналов для комплексов, не содержащих фрагментов алкина, не наблюдался (схема 8, комплекс V).

Комплекс IV не был зафиксирован в реакционных смесях, содержащих алкин и фенилселенол, однако возможность его образования была показана на примере системы Щасас)2 + Р(0'Рг)з в метаноле (схема 9, система (3); таблица 7). Исчезновение сигнала интермедиата IV при добавлении фенилселенола подтверждает предположение о полном замещении ацетилацетонат-анионов на РЬБе".

Сигнал интермедиата I не наблюдался в масс-спектре реакционной смеси, однако удалось зафиксировать образование нуль-валентного комплекса никеля V, стабилизированного фосфитовыми лигандами, который образуется в результате восстановительного элиминирования из комплекса I.

— ^ОН + РЬБеН + №(асас)2 + Р('ОРг)3 + МеОН (1) :— (^011 + РИБеН + №(асас)2 + Р('ОРг)3 + МеОН (2)

Щасас)2 + Р('ОРг)3 + МеОН (3) Схема 9. Модельные реакции, исследованные методом масс-спектрометрии.

Таблица 7. Сигналы интермедиатов в масс-спектрах реакционных смесей.

Комплекс (см. схему 8) Сигналы интермедиатов в различных модельных реакционных смесях (схема 9)

(1) (2) (3)

I - - -

II - - -

II' [м-нг m/z 813.2313 - -

III [М+Н]+ т/г 957.2158 [м+нГ m/z 985.2453 -

IV - - [M+Na]+ m/z 487.1385

V [M+Naf m/z 497.1696 [M+Na]+ m/z 497.1701 -

VI [М-Н]+ m/z 663.0080 - -

VII [М+Н]+ m/z 749.0936 [M+H]+ m/z 777.1236 -

VII' [М+Н]+ m/z 483.0566 [M+H]+ m/z 511.0874 -

Помимо комплексов, укладывающихся в предложенный каталитический цикл, были зафиксированы соединения II' и VII', имеющие в составе ацетилацетонат-анионы. Их образование в растворе маловероятно ввиду наличия избытка более сильной кислоты -

19

фенилселенола. Анализ спектра ЯМР 'Н реакционной смеси показал наличие свободного асасН. Было сделано предположение, что замещение лигандов никеля ацетилацетонат-анионом имеет место в ионизационной камере масс-спектрометра. Для подтверждения был осуществлён HRMS эксперимент с раствором Ni(OAc)2/acacH в метаноле, в результате которого были зафиксированы сигналы Ni(acac)2 и димера [№2(асас)з]+.

Проведенные исследования полностью подтвердили сделанные ранее предположения о составе каталитически активных комплексов. Для ответа на вопрос о структуре интермедиатов был проведен дополнительный эксперимент с использованием тандемной масс-спектрометрии высокого разрешения (схема 10). Объектом исследования стал молекулярный ион Vllb (схема 8), зафиксированный в модельной системе (2) (схема 9). Для этого иона массой 777.1236 Да была проведена серия HRMS экспериментов с диссоциацией, индуцируемой соударением (CID), при различных энергиях (схема 10).

5Ь [М-Н]+

Схема 10. HRMS2 эксперимент для комплекса Vllb.

Показано, что уже при энергии соударения в 3 эВ наблюдается появление сигнала молекулярного иона продукта 5Ь, что подтверждает предположение о моноселенозамещённом диеновом фрагменте, слабо связанном с № центром комплекса УНЬ При увеличении энергии соударения до 8 эВ или 20 эВ, наблюдалось появление сигналов, свидетельсвующих о независимой диссоциации связей ЫьР и N¡-86.

Энергии соударения, при которых протекает диссоциация фрагментов комплекса УНЬ могут дать косвенные данные об относительной прочности связывания лигандов с никелевым центром. Масс-спектр комплекса, образующегося в результате диссоциации связи N¡-56 в интермедиате УНЬ показан на рисунке 6.

■jJjUj

ilJ<-J

(/-РЮ)3Р—

Phs/ ]>QH [M+H]+ VHIb

1

$M 6:> 510 6Ш Ы2 (24 t2t tie

361 012 expartflMdtal « ♦MS2T77 10ОО) \ "Л

351 0» // 3541012 365 101«

I , 1 i 1 j 1 i ** г.

363 014 Calculated C18>Cb02S«. W-f>H .3S3 1С

351 022

MB.1041 350.1049 »11Мв 3551018

| | 352 1060 I J | £61050

Э47 MS

350 3SI 352 3S3 ЭМ

3Se 357m<

Рисунок 6. Фрагменты спектра MS/MS для комплекса Vllb.

Для исследования стадии протонолиза была проведена реакция Ph2Se2 с 2-метил-3-бутин-2-олом, катализируемая Ni(acac)2/PPh2Cy в присутствии CF3COOH (схема 11). Анализ реакционной смеси методом ЯМР *Н зафиксировал образование продуктов 5а и 6а. В отсутствии кислоты в данной реакции наблюдается образование продуктов бис-

21

присоединения, которые в данном случае зафиксированы не были, что свидетельствует о предпочтительном протекании протонолиза комплексов типа III в условиях исследуемой реакции.

- ( "ОН "Г ГП20С} "Г ____

\ у j 40°С, 30 мин.,

толуол

+ Ph,Se, + CF-iCOOH Ni(acac)2/PPh;Cy >

Y

по каплям

4а

ОН

ОН

11%

Схема 11. Реакция присоединения РЬгЗег к 4а в присутствии кислоты.

SePh 6а

1%

Невысокий выход продуктов объясняется, по-видимому, отсутствием регенерации никелевого катализатора после протонолиза кислотой (схема 12), в отличие от стадии протонолиза в исходной системе, где на стадии ¡V (схема 8) происходило образование комплекса I с замыканием каталитического цикла.

Ni(acac)2

PPhjCy PhSeH

(PR'3)2N¡(SePh)2 I

PhSe

Ph2Se2

(PR'3)2Ni

протонолиз

N

PRS

-[acacH] -P(0)R'3

Ni(acac)2

(PR'3)2Ni(SePh)(CF3C00)

R CF3COOH 5

Схема 12. Сравнение исследованных каталитических реакций (схемы 7 и 11).

Таким образом, было прямо зафиксировано образование почти всех интермедиатов предлагаемого механизма (существование комплекса I косвенно подтверждено обнаружением комплекса V, схема 8) и показано, что замыкание каталитического цикла происходит через стадию протонолиза комплекса III или VII.

выводы

1. Показано, что каталитическая активность дихалькогенидов никеля и палладия в реакциях присоединения тиолов и селенолов к алкинам зависит от степени упорядоченности частиц катализатора.

2. Найдена эффективная самоорганизующаяся гетерогенная каталитическая система [Pd(SCy)2]n, на основе которой разработана синтетическая методика получения алкилвинилсульфидов с хорошими выходами (64 - 83%) и высокой селективностью (от 75 : 25 до >99 : 1 ) по реакции алкантиолов с интернальными алкинами.

3. С помощью методов сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией изучена эволюция катализатора [Pd(SCy)2]„ в ходе реакции, обнаружена зависимость между активностью и морфологией частиц катализатора.

4. Разработана новая эффективная гомогенная каталитическая система на основе фосфиновых комплексов никеля, позволяющая с хорошими выходами (42 - 86%) получать неизвестные ранее продукты присоединения фенилселенола к терминальным алкинам -монохалькогенозамещённые 1,3-диены. Показана возможность масштабирования реакции до граммовых количеств.

5. Было установлено, что образование селенозамещённых диенов по реакции присоединения PhSeH к терминальным алкинам в каталитической системе №(асас)2/РЯз протекает через формирование промежуточных винильных и диенильных комплексов никеля, состав и строение которых установлены с использованием комбинации методов масс-спектрометрии и спектроскопии ЯМР.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях

1. И.В. Чистяков, Н.В. Орлов, В.П. Анаников, И. П. Белецкая "Стереоселективное присоединение алифатических тиолов к интернальным алкинам в каталитической системе с "наносолью" палладия в качестве активного центра" // Изв. АН, Сер. хим. - 2013. - Т. 1. — С 48 -55.

2. I.V. Chistyakov, V.P. Ananikov "Dependence of catalytic activity of metal particles on degree of ordering rather than on size and shape. Pd and Ni-Catalyzed of carbon-heteroatom bond formation" // Mendeleev Commun. - 2013. V. 23. - P. 337 - 339.

3. И.В. Чистяков, H.B. Орлов, JI.JI. Хемчян, В.П. Анаников "Исследование механизма катализируемого комплексами никеля присоединения фенилселенола к терминальным алкинам методом ESI-HRMSn" // II Всероссийский симпозиум с участием иностранных учёных «Кинетика и динамика обменных процессов», 2-9 ноября, 2013, Дивноморское. Тезисы докладов, С. 211 - 215.

4. И.В. Чистяков, Н.В. Орлов, В.П. Анаников "Новая каталитическая система на основе комплексов никеля для селективного получения моноселенозамещённых диенов" // V

молодёжная конференция ИОХ РАН, 28 - 29 марта, 2012, Москва. Тезисы докладов, С. 203 - 204.

5. I.V. Chistyakov, N.V. Orlov, V.P. Ananikov, I.P. Beletskaya "Development of novel nickel-based phosphine-free catalytic system for selective synthesis of monoselenosubstituted dienes" // International Conference Catalysis in Organic Synthesis, September 15-20, 2012, Russia. Book of abstracts. P. 144.

Формат 60x90/16. Заказ 1731. Тираж 100 экз.

Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов.

Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, Ленинский пр. 42, тел. (495)774-26-96

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. Н. Д. ЗЕЛИНСКОГО

На правах рукописи 04201450319 ^ ™ ,

ЧИСТЯКОВ Игорь Владимирович

Катализируемый комплексами палладия и никеля селективный синтез замещённых алкенов и диенов по реакции присоединения

тиолов и селенолов к алкинам

02.00.03 — Органическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: член-корр. РАН В.П. Анаников

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6

1. Получение винилхалькогенидов в реакциях с участием алкинов 6

1.1. Реакции радикального присоединения 6

1.2. Реакции нуклеофильного присоединения 17

1.3. Реакции электрофильного присоединения 30

1.1.4. Реакции присоединения, катализируемые комплексами переходных 36 металлов

1.2. Получение халькогензамещённых диенов в реакциях с участием 60 алкинов

2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 67

2.1. Формирование катализатора по реакции самоорганизации в 68 растворе

2.2. Разработка каталитической системы для стереоселективного 77 присоединения алифатических тиолов к интернальным алкинам

2.3. Исследование зависимости каталитической активности частиц 86 [Р(1(8Су)2]п от их морфологии

2.4. Образование селенозамещённых диенов в реакции терминальных 89 алкинов с фенилселенолом, катализируемое комплексами никеля

2.5. Исследование механизма образования моноселенозамещённых 99 диенов в реакции терминальных алкинов с фенилселенолом

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 108

3.1. Общие сведения по методам анализа 108

3.2. Методики экспериментов 109

3.3. Характеристика полученных соединений 114 ВЫВОДЫ 124 БЛАГОДАРНОСТЬ 125 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 126

Использованные сокращения.

PC А - рентгеноструктурный анализ; ЯМР - ядерный магнитный резонанс; КССВ - константа спин-спинового взаимодействия; ЯЭО - ядерный эффект Оверхаузера; НМВС - гетероядерная корреляция по дальним константам; NOESY - гомоядерная спектроскопия, основанная на ядерном эффекте Оверхаузера; FE-SEM - сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссией; EDX - энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия; ESI - ионизация электрораспылением; HRMS -масс-спектрометрия высокого разрешения; MS , MS/MS - тандемная масс-спектрометрия; CID - диссоциация, индуцируемая соударением.

ВВЕДЕНИЕ

Гетерофункционализация органических соединений - простой и зачастую единственный способ получения биологически активных веществ, новых материалов и ценных синтетических полупродуктов. В общем случае введение гетероатомов может осуществляться реакциями замещения, присоединения и обмена, причём каждый из подходов имеет свою область применимости, сильные и слабые стороны.

Реакции присоединения молекул со связями водород - гетероатом к непредельным соединениям обладают рядом неоспоримых преимуществ, таких как доступность реагентов, возможность избежать образования побочных продуктов (атомная экономичность), высокие выходы, универсальность и предсказуемость протекания. Реакции присоединения позволяют получать винилхалькогениды, которые находят широкое применение в органическом синтезе [1], материаловедении [2], [3], биохимии и медицине [4], [5], [6].

Присоединение халькогенолов к алкинам может протекать по различным механизмам: радикальному, нуклеофильному, электрофильному. Некаталитические реакции часто протекают с образованием смеси продуктов и применимы для узкого круга субстратов. Применение катализаторов на основе переходных металлов в таких реакциях позволяет сильно повысить выходы, селективность и универсальность процесса, а также получать продукты, недоступные в отсутствие катализатора.

Каталитические системы позволяют добиться в одной реакции образования не только связей углерод - халькоген, но также и углерод - углерод, что открывает доступ к одностадийному селективному получению сложных молекул из простых субстратов.

Реакции присоединения молекул со связью халькоген - водород к алкинам могут приводить к образованию регио- и стереоизомерных винилхалькогенидов (схема 1). Продукты А и Б образуются в результате син-присоединения REH к алкину, они наиболее характерны для реакций, катализируемых переходными металлами (Ni, Pd, Pt, Rh), хотя, в зависимости от типа субстрата, могут наблюдаться и в некаталитических реакциях.

Образование продукта транс-присоединения В наиболее характерно для реакций радикального, нуклеофильного или электрофильного присоединения.

продукты син- продукт трансприсоединения присоединения

Г--N

К ] К ] К1 ЕЙ.

к_= +ЯЕН -)= + + 4=7

^ А Б ЕЯ В

ч___;

у

разветвлённый линейные винилсульфид винилсульфиды (по правилу (против правила Марковникова) Марковникова)

Схема 1. Возможные продукты присоединения ЫЕН к терминальным

алкинам

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Получение винилхалькогенидов в реакциях с участием алкинов

Получение винилсульфидов и винилселенидов возможно в реакциях присоединения халькогенблов к алкинам, алленам. Использование алленов часто сопровождается побочными процессами изомеризации и обладает относительно низкой селективностью, в то время как ацетилены представляют собой наиболее подходящий класс веществ для получения винилхалькогенидов в реакциях присоединения. Разработано большое число синтетических методик, позволяющих регио-, стерео- и хемоселективно проводить реакции присоединения молекул со связью халькоген-водород к тройной связи алкинов.

1.1.1. Реакции радикального присоединения

Исторически первой реакцией присоединения тиолов к ненасыщенным соединениям стала реакция между тиофенолом и стиролом, опубликованная Познером с 1905 году [7] (схема 2). Эта реакция протекала по свободно-радикальному механизму с термическим инициированием и приводила к образованию продукта присоединения против правила Марковникова с выходом, близким к количественному.

Первым примером радикального присоединения тиолов к алкинам была реакция присоединения тиокрезола (4-метилтиофенол) к фенилацетилену при нагревании до 100°С [8]. Реакция протекала количественно с образованием смеси 2- и Е- изомеров продукта присоединения против правила Марковникова.

Хорошо изучена стереохимия таких процессов. Так, соотношение алкина и тиола сильно влияет на состав продуктов. Присоединение тиофенола к фенилацетилену [9] и тиоуксусной кислоты [10] к гексину показывает

Схема 2. Радикальное присоединение РЬвН к стиролу.

(таблица 1), что избыток тиола приводит к равновесному составу продуктов, в то время как эквимолярное соотношение или избыток алкина в некоторых случаях позволяет получать 2- винилсульфиды с выходами, близкими к количественным.

Я'БН, К +КЧ=/8К'

Е- г-

Таблица 1. Радикальное присоединение тиолов при различных соотношения тиол - алкин.

Тиол Алкин Соотношение Соотношение

тиол :алкин Z-: Е-

С6Н58Н [9] РЬС=СН 20 : 1 16 : 84

СбНзБН [9] РЬС=СН 1 : 1 56 :44

С6Н58Н [9] РЬС^СН 1 : 20 >95 : 5

СНзСОБН [10] пВиС=СН 1 : 1 . 73 : 27

СНзСОБН [10] пВиС=СН 1 : 2 79 : 21

СН3С08Н [10] пВиС=СН 1 : 530 83 : 17

С6Р13(СН2)28Н[11] РЬС=СН 2 : 1 6 : 94

С6Р13(СН2)28Н[11] РЬС-СН 1 : 2 64 : 36

Таблица 2. Выравнивание содержания Z- и Е- винилсульфидов в смеси.

Условия Исходное соотношение Z-: Е- Конечное соотношение Х-: Е-

90°С, 11 дней 77 : 23 50 : 50

90°С, 11 дней 17 : 83 50 : 50

Ьу, 1 мольн. % РЬБН, 3 дня 74 : 16 53 : 47

Ьу, 1 мольн. % РЬБН, 3 дня 20 : 80 52 : 48

Также в работе [10] показано, что облучение в присутствии небольших количеств тиофенола или выдерживание при повышенной температуре смеси 2- и Е- изомеров приводит к тому, что их количества выравниваются (таблица 2).

Известно множество примеров радикального присоединения алкил и арилтиолов к алкинам. Инициирование может быть как термическим, так и

посредством УФ излучения, фотохимического (1184, 1-(гидроксициклогексил)фенилкетон ; БМРА, 2,2-диметокси-2-фенилацетофенон) или термохимического инициатора (А1В1Ч, азобис(изобутиро)нитрил; ВгООВх, перекись бензоила) (схема 3).

Схема 3. Некоторые радикальные инициаторы.

Эта реакция протекает для широкого круга алкинов и приводит к образованию продуктов присоединения против правила Марковникова, как к смеси Х- и Е- стереоизомеров, так и к чистым стереоизомерам.

к. _ МН^Ч^ +К'\=/8К

Таблица 3. Выходы и стереоселективность радикального присоединения тиолов к алкинам.

Я И' Условия Выход продуктов, % Соотн. Z-: Е-

Е1 [12] ояг 35°С, 6 ч., Е^о 84 н/у

п-Рг [12] OEt 35°С, 7 ч., Е120 75 н/у

Вп [12] (Ж 35°С, 2 ч., Е120 74 н/у

р-МеС6Н4 [12] OEt 35°С, 17 ч., Е^О 84 >1

Ег[13] БРИ 65°С, 6 ч., С6Н6 58 1 : 1

Ви [13] ЭРИ 35°С, 2 ч., С6Н6 70°С, 5 ч., 62 1 : 1

СбЫСНгЫП] СН2ОАс 1 мольн.% AIBN, н-гептан 70°С, 5 ч., 56 н/у

С6Р13(СН2)2[11] СН2ОЕ1 1 мольн.% AIBN, н-гептан 70°С, 18 ч., 78 0 : 100

С6Р13(СН2)2[11] РЬ 1 мольн.% А1ВК, н-гептан 84 64 : 36

CH2C(0)H [14] co2H 20°C, 2 сут. 92 0 : 100

CH(CH3)C(0)H [14] C02H 20°C, 5 сут. 75 100 : 0

o-C6H4C(0)H [14] co2H 20°C, 5 сут. 88 100 : 0

100°C, 2 ч.,

Ac [15] Ph 0,5 мольн. % 70 н/у

BzOOBz

Ac [15] Ph 100°C, 2 ч. 25 н/у

Ac [15] Ph hv, 20°C, 3 ч. 60 н/у

Н/у- не указано.

Ошима с сотрудниками показал, что реакции радикального присоединения ар ил- и алкилтиолов к терминальным [16] алкинам и инамидам [17] могут протекать с высокими выходами в присутствии Et3B (схема 4). В случае инамидов реакция протекает с высокой регио- и стереоселективностью.

R

R1SH,Et3B R

МеОН, 25°С

R, = N

-Ts ArSH

R2

SR,

ь 10 mol.% Et3B ArS N~Ts

K3 ^

CH2C12> -30°C

70-95%

R3

60-97%

R=Ph,nC10H21, Z/E : 0/100-82/18 R2 =Alk, ЕЮ2С(СН2)4) Z/E : 59/41 ->99/1

R3 =Me, Bn, Allyl

Ar = Ph, C6F5 2-MeC6H4, 4-MeC6H4, 4-MeOC6H4, 4-BrC6H4 Схема 4. Et3B - инициируемое радикальное присоединение тиолов к

алкинам.

TMS, СН2ОН Rj=Ph, nBu, *Bu

Для аллильного тиола реакция с терминальным алкином шла с образованием дигидротиофена с выходами 36% (1-додекин) и 77% (фенилацетилен).

Помимо низкой стереоселективности, для радикальных реакций существует проблема низкой хемоселективности присоединения. Так, Сулимов и Петров [18] провели реакции присоединения алкантиолов и тиофенола к винилацетилену и этантиола к гомологам винилацетилена.

R'—=—^ SSH j^.—=_

SR

R"

R"

+ R'—=C 2

SR

R"

+ V

RS

+ R4_

SR

Таблица 4. Зависимость соотношения продуктов радикального присоединения тиолов к винилацетиленам от строения исходных веществ.

R R' R" Условия Выход продуктов, % Соотношение 1:2:3:4

Me H H 4 мольн.% 'BuOO'Bu, 100°C, 4ч. 27 39 : 40 : 18 : 3

Et H H 4 мольн.% 'BuOO'Bu, 100°C, 4ч. 23 34 : 35 : 24 : 7

nPr H H 4 мольн.% 'BuOO'Bu, 100°C, 4ч. 27 37 : 46 : 14 : 4

nBu H H 4 мольн.% 'BuOO'Bu, 100°C, 4ч. 28 34 : 44 : 17 : 5

Ph H H 25°C, 2ч. 14 40 : 60 : 0 : 0

Et H Me 4 мольн.% 'BuOO'Bu, 100°C, 4ч. 36 14 : 86 : 0 : 0

Et Me H 4 мольн.% 'BuOO'Bu, 100°C, 4ч. 48 95 : 5 : 0 : 0

Et Et H 4 мольн.% 'BuOO'Bu, 100°C, 4ч. 62 90 : 10 : 0 : 0

Из приведённых в таблице 4 данных видно, что радикальное присоединение предпочтительно идёт по двойной связи в 1,2- или 1,4-положения. Заместители при тройной связи резко смещают соотношение продуктов реакции в сторону продуктов присоединения по двойной связи. Ароматические тиолы присоединяются только по двойной связи.

Также возможно присоединение второй молекулы тиола к моно-аддукту с образованием вицинальных бис(тиоорганил)замещённых алканов. Fairbanks, Scott [19] и сотр. показали, что фотоинициируемая реакция радикального присоединения тиола к терминальным алкинам протекает в 3 раза медленнее, чем присоединение второй молекулы тиола к образовавшемуся винилсульфиду.

Эта реакция может протекать как побочная при получении моно-аддуктов, или использоваться как метод синтеза 1,2-дитиозамещённых углеводородов. Bader, Cross и Heilbron [15] изучали присоединение связи S - Н тиоуксусной кислоты к 1,7-октадиину (схема 5). Состав продуктов

свидетельствует о том, что присоединение по двойной связи в тиолацетате протекает быстрее, чем присоединение по тройной связи (отсутствуют не вицинальные бисаддукты).

AcS

+ AcSH 100°с'1 ч; Acs

AcS'

SAc

SAc

+

-SAc

26% 12% 36%

Схема 5. Радикальное присоединение AcSH к 1,7-октадиину.

R'—=

RSH R'\

+

SR RS

R\ SR

5 ......6

Таблица 5. Соотношение moho- и бис-аддуктов в реакции радикального присоединения тиолов к терминальным алкинам.

R R' Условия Выход 5, % Выход 6, %

Et[20] CMe2OH 0,6 мольн. % AIBN, hv, 2 ч. 0 55

"Bu [21] CH2SnBu AIBN, hv, 15 4. 16 38

"Bu [21] CH2OH AIBN, hv, 15 4. 0 63

Et[22] CH2OH 0,1 мольн. % BzOOBz, hv, 2 нед. 0 95

Et [22] CH2OAc 0,1 мольн. % BzOOBz, hv, 2 нед. 0 93

Et [22] "СбНо 0,1 мольн. % BzOOBz, hv, 2 нед. 0 94

Et [22] COOH 0,1 мольн. % BzOOBz, hv, 2 нед. 30 44

Et [22] Ph 0,1 мольн. % BzOOBz, hv, 2 нед. 0 93a

а продукт 1,1-бис-присоединения.

В оптимизированных условиях возможно селективное получение бис(тио)аддуктов с высокими выходами (таблица 5). На состав продуктов сильно влияют природа алкина и тиола.

Бис-присоединение тиолов к алкинам по радикальному механизму (т. н. «Thiol-упе click» реакция) с успехом используется для получения высоко функционализированных полимеров [23] и сверхразветвленных дендримеров [24] из простых реагентов с высокими выходами. Такие реакции обычно

проходят с участием фотоинициатора, который под действием УФ излучения становится источником свободных радикалов. В качестве единственного реагента можно использовать вещества, имеющие одновременно концевую тройную связь и БН-группу [3] (схема 6).

Б-г

_ <SH УФ, i

z—=

Z

ДМФА

Z

S S

Ьл s"z

HS-Z s-z

hA

z-s s-z

MeOOMe

SH

SH

О О

Р

О

/Ph N

Pfr

Схема 6. Получение сверхразветвлённого дендримера по реакции

радикального присоединения.

Недавно сообщалось о реакциях присоединения тиолов к алкинам, протекающих с высокой скоростью и региоселективностью (для терминальных и интернальных алкинов) и стереоселективностью в воде при комнатной температуре [25], [26]. В данных условиях можно селективно получать продукты как moho-, так и бис-присоединения. Jin, Xu и Hammond [25] описывают механизм как радикальное присоединение, в то время как Bhadra и Ranu [26] считают, что данная реакция протекает нуклеофильно.

Радикальное присоединение тиолов к алкинам может приводить не только к' продуктам присоединения, но также и к продуктам радикальной циклизации, перегруппировок и изомеризации кратных связей.

Так, Монтевеччи [27] и сотр. показали, что связь С - S может разрываться в случае, когда с атомом серы связан ароматический радикал. В случае алифатического радикала разрыв связи не наблюдался. Таким образом, присоединение арилтиолов к алкинам носит обратимый характер и может

наблюдаться образование продуктов взаимодействия исходных соединений и продуктов разрыва связи С - Б винилсульфидов (схема 7).

21-53% 21-38%

,-А-N '-А-Ч

ВпБН РЬ8 Игё РЬ РЬв РЬ

РИ8 = РЬ -► /==г + ^Л + /=\ + ¿=\

АГОЫ, 84°С Вп8 РЬ 8Вп РЬ8 РЬ РЬ8 8РИ

1.5-10 экв.

А . * .

• ; Н ; Н

РЬв . РЬЗ^^РЬ ИЯ ' РЬ

>=\ РЬ8 ................- )=\ + /=<

Вп8 РЬ \ РЬ8 РЬ РЬ8 8РЬ

1

Вп8 = РЬ

Схема 7. Радикальное присоединение Вп8Н к тиозамещённому ацетилену, сопровождающееся разрывом связи САг - 8.

Радикальная циклизация и радикальное смещение в ходе реакции могут привести к образованию гетероциклических соединений [16], [27], [28], [29], замещённых бензолов и продуктов перегруппировки [27].

Через переходное циклическое состояние идёт образование пробочных продуктов переноса фенильного кольца [30] (схема 8).

ВпБН Я ч Я

90°С,А1ВЫ БВп 1 Т^ РК 8СН2 РН БМе

Схема 8. Радикальное присоединение Вп8Н к алкинам, сопровождающееся

переносом РЪ группы.

В работе [29] показано, что промежуточные винилсульфидные радикалы, образованные алкином и бензэтилтиолом могут претерпевать 1,4-радикальный сдвиг с последующим взаимодействием со второй молекулой алкина, что даёт бис(винил)судьфидный радикал, из которого может образоваться бис(винил)сульфид или замещённый тиофен.

Селективное получение гетероциклов и тиокраунэфиров возможно по реакции радикального бис-присоединения дитиола к алкину, описанной Троянским [31] (схема 9).

Я НБ. Рг3В/02 к с к ^

+ Н8^)П МеОН Т Р) +

Б

40-70% Я=СООЕ1 Инициирование Я=пВи, СН2ОН, П=1

Рг3В + О2 -- Рг2ВОО'+ Рг СН2С1, С(Ме)2ОН

п=1, 2

Схема 9. Радикальное бис-присоединение дитиола к алкину, приводящее к образованию гетероциклических соединений.

Известна реакция радикального присоединения тиолов к арилацетиленам, активируемая комплексами Мп(Ш) и протекающая по радикальному механизму со стереоселективным образованием винилсульфидов линейного строения [32] (схема 10). Также с небольшим выходом образуется бис(тио)гидроксизамещённый алкан.

25-50 мольн. %

Мп(0Ас)3*2Н20 К] К] БЯ

+ ЫБН -----^ + )—(

23°С, 2 мин., АсОН НО БЯ

Я, - РЬ, р-МеС6Н4 90-98% 0-5%

Я = Е1:, РЬ Е/г:90/10-95/5

Схема 10. Мп(Ш) - инициируемое радикальное присоединение тиолов к

алкинам.

Протекание реакций радикального присоединения селенолов к алкинам в основном схоже с протеканием реакций тиолов.

В 1958 году Уо^ег и АгепБ изучали региоселективность присоединения этилселенола к этоксиацетилену и этилтиоацетилену [33]. Реакции проводились в абсолютном этаноле при нагревании и приводили к 1-этилселено-2-этокси-(этилтио-) этиленам (схема 11). Авторы предполагают, что продукты имели ^ис-конфигурацию двойной связи.

R^E + PhSeH -► тГ\еРН R=°Et 76%

35°C, эфир, 3 ч. R SePh SEt 84%

Схема 11. Радикальное присоединение PhSeH к алкинам.

Wadsworth и Detty . описали присоединение фенилселенола к арилпропиновым кислотам в метаноле и изопропаноле [34]. Реакция протекала регио- и стереоселективно, продукты присоединения получены с высоким выходом, однако авторы затруднились определить конфигурацию двойной связи.

Присоединение фенилселенола к фенилацетилену исследовала группа Ogawa и Sonoda [35]. Они показали, что в инертной атмосфере при комнатной температуре присоединение фенилселенола к фенилацетилену проходит за 24 часа, в то время как в присутствии 02 для завершения реакции требуется 5 минут. Это подтверждает предположение о радикальном характ