Механизм функционирования каталитических систем реакции арилирования алкенов (реакция Хека) тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи

ХАЛАЙКА АЙМАН

МЕХАНИЗМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕАКЦИИ АРИЛИРОВАНИЯ АЛКЕНОВ (РЕАКЦИЯ ХЕКА)

02.00.15-Химическая кинетика и катализ.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук,

доцент А.Ф.Шмидт

Иркутск - 1999 г.

Оглавление

Список сокращений 5

Введение 6

1. Реакция Хека: механизм катализа, каталитические системы, условия проведения (Литературный обзор) 11

1.1.Механизм катализа реакции Хека 11

1.1.1. Общие сведения о реакции Хека 11

1.1.2.Механизм реакции Хека 14

1.1.2.1.Формирование каталитически активных частиц в реакции Хека 16

1.1.2.2.Стадия окислительного присоединения 18

1.1.2.3.Стадия внедрения алкена 23

1.1.2.4. Стадия р-элиминирования 31

1.1.2.5.Процессы дезактивации и регенерации катализатора в ходе реакции ХекаЗЗ

1.2.Новые методы арилирования алкенов на основе реакции Хека 35

1.2.1.Новые каталитические системы реакции Хека 35 1.2.1.1 .Гетерогенные и микрогетерогенные катализаторы 36

1.2.1.2.Каталитические системы Джеффери 41

1.2.1.3.Другие каталитические системы реакции арилирования алкенов по Хеку41

1.2.2. Проведение реакции Хека в водных средах 44

1.2.3.Новые типы субстратов в реакции Хека 45 Заключение _ 47

2. Результаты и их обсуждение 49

2.1.Традиционные каталитические системы арилирования алкенов по Хеку 49

2.1.1. Механизм формирования in situ каталитически активных комплексов палладия в реакциях фенилирования пропилена, акриловой кислоты и метилакрилата 50

2.1.2. Кинетика фенилирования пропилена, акриловой кислоты, метилакрилата и акриламида 55

2.1.3. Роль основания в катализе реакции.Хека 64 2.1.3.1. Влияние основания на стадии каталитического цикла реакции арилирования Синергический эффект смешанных оснований 67

2.1.4 Влияние природы алкена на региоселективностъ реакции арилирования 76 2.1.4.1. Региоселективностъ стадии внедрения алкена и распределение

региоизомеров в реакции Хека 77

2.1.4.2. Региоселективность как линейная комбинация факторов 78

2.1.4.3. Региоселективность с позиций принципа "жестких и мягких кислот и оснований" (ЖМКО) и теории возмущения 82

2.1.4.4. Механизм элементарной стадии внедрения алкенов по связи Pd-Ar в реакции Хека 87

2.1.5. Влияние фосфиновых лигандов на активность и региоселективность реакции арилирования 90

2.1.6. Реакционная способность субстратов в каталитическом арилировании алкенов 94

2.1.7. Арилирование алкенов арилбромидами в присутствии гетерогенного

катал изатора Pd/C 106

2.1.8. Фенилирование алкинов по реакции Хека 108

2.2. Нетрадиционные каталитические системы реакции арилирования алкенов! 14

2.2.1. Применение восстанавливающих реагентов в реакции Хека 115

2.2.2. Механизм формирования in situ каталитически активных комплексов в присутствии восстанавливающих реагентов 120

2.2.2.1. Взаимодействие формиата натрия с комплексами Pd(+2) в присутствии кислорода воздуха 121

2.2.2.2. Взаимодействие формиата натрия с комплексами Pd(+2) в инертной атмосфере 124

2.2.2.3. Взаимодействие комплексов Pd(+2) с другими восстановителями 133

2.2.3 Кинетика фенилирования стирола в присутствии каталитической системы с восстанавливающими реагентами 135

2.3. Каталитическая реакция Хека как пример самоорганизующейся системы 138

2.3.1. Механизм функционирования каталитической системы реакции Хека 139

2.3.2. Взаимовлияние процессов формирования и регенерации каталитически активных комплексов 1-го типа с основным каталитическим циклом реакции Хека 141

2.3.2.1. Каталитические системы с солями и гидроксидами щелочных металлов в качестве оснований 141

2.3.2.2. Каталитические системы с третичными аминами в качестве основания14

2.3.2.3. Каталитические системы с применением восстанавливающих реагентов 144

2.3.3. Взаимовлияние процессов отравления и регенерации каталитически активных комплексов 2-го типа с основным каталитическим циклом реакции Хека 145

2.3.3.1 Каталитическая система с третичными аминами в качестве оснований145 2.3.3.2. Каталитическая система с применением формиата натрия 146

3. Экспериментальная часть 147

3.1.Исходные вещества, растворители

147

3.2.Кинетические эксперименты 149

3.3. Взаимодействие комплексов палладия(+2) с компонентами реакции Хека и восстанавливающими реагентами 151

3.4.Методы исследования 152 Выводы 154

Список литературы

157

Список сокращений

ДМФА - К,М,-диметилформамид Ь - лиганд

с!Ьа - транс,транс-дибензилиденацетон

ОРРР - дифенилфосфинопропан

ОТ5 - трифлатный заместитель

АсасН - ацетилацетон

Асас" - ацетилацетонатный лиганд

Ру - пиридин

ТГФ - тетрагидрофуран

N11 - нуклеофил

НО Ас - уксусная кислота

ОАс - ацетатный анион Бо1у - растворитель X - ацидолиганд

ОЮР

Введение

Актуальность темы. Суть реакции Хека заключается в замещении атома водорода при двойной связи алкена на арильный радикал с сохранением двойной связи. Такое нетипичное превращение алкенов, склонных прежде всего к реакциям присоединения, таит в себе практически неограниченные синтетические возможности и, безусловно, сразу же нашло широкое применение в органической химии. Лучшим подтверждением этому являются количество статей, опубликованных за последние 27 лет, прошедших с момента открытия Ричардом Хеком этой реакции. С одной стороны, огромный интерес химиков к реакции Хека обусловлен тем, что она позволяет в одну стадию, в относительно мягких условиях, с высоким выходом получать желаемые вещества, с другой стороны, простотой процедуры проведения процесса и доступностью реагентов. При этом следует отметить, что известно не так много методов прямого ароматического замещения алкенов и их функциональных производных. По крайней мере отсутствуют методы, имеющие настолько же общий характер, как и реакция Хека.

Идея использования органического галогенида и каталитического количества палладия при обязательном присутствии эквивалента основания оказалась чрезвычайно плодотворной и для разработки целого ряда других методов синтеза веществ, в которых формируются новые углерод-углеродные связи (карбонилирование и восстановительное сочетание арилгалогенидов, арилирование алкинов, винилирование алкенов и.т.д.). Предложенный Хеком метод позволяет в настоящее время химикам-синтетикам получать вещества, принадлежащие к различным классам органических соединений, что свидетельствует об его общем характере. Все это делает реакцию Хека мощным инструментом конструирования углерод-углеродной связи в современном органическом синтезе.

Однако, до сих пор реакция Хека остается лишь лабораторным методом синтеза и внедрение ее в промышленность сдерживается рядом нерешенных проблем. Во-первых, это необходимость повышения производительности как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов, разработка способов их регенерации; во-вторых, замена третичных аминов, используемых в реакции в качестве основания на более доступные неорганические основания, в-третьих, снижение жесткости условий и повышение стабильности каталитических систем, что особенно важно при арилировании алкенов менее реакционноспособными, чем арилиодиды, арилбромидами и арилхлоридами.

Решение этих проблем невозможно без изучения детального механизма катализа реакции Хека, без наличия информации о природе каталитически активных комплексов, закономерностях их формирования и гибели. Данные вопросы до настоящего времени остаются открытыми, что вызвано, в первую очередь, синтетической направленностью подавляющего большинства работ, посвященных исследованию реакции Хека. Кроме того, следует отметить, что новые данные, касающиеся механизма реакции Хека могут оказаться важными и для развития некоторых других методов каталитического превращения органических галогенидов в присутствии палладия. Это связано с тождественностью ряда элементарных стадий этих процессов.

Таким образом, изучение детального механизма катализа реакции Хека является необходимым и актуальным.

Цель работы. Целью работы являлось установление механизма катализа реакции Хека в присутствии различных комплексов двухвалентного палладия и разработка на базе полученных данных новых эффективных каталитических систем и методов арилирования алкенов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. изучение процесса формирования каталитически активных низковалентных комплексов палладия из исходных комплпексов Рс1(+2) как непосредственно в

ходе каталитической реакции арилирования (in situ), так и в модельных стехиометрических процессах;

2. Определение роли основания в системе, исследование его влияния на процессы формирования и гибели активных комплексов, а так же на стадии каталитического цикла реакции арилирования;

3. исследование состава каталитически активных комплексов путем изучения закономерностей региоселективности и активности каталитической системы реакции арилирования;

4. изучение реакционной способности различных алкенов и арилгалогенидов, влияния природы алкена на региоселективость реакции, исследование электронного механизма стадии внедрения алкена по связи Pd-Ar;

5. разработка новых каталитических систем и способов арилирования непредельных соединений.

Поставленные задачи решались с помощью комплекса физических и физико-химических методов (УФ-, ЯМР-спектроскопия, хромато-масс-спектрометрия, ГЖХ). Большое место отводилось кинетическим исследованиям, квантовомеханическим расчетам и анализу зависимостей типа структура-активность.

Научная новизна. Установлено, что формирование каталитически активных комплексов палладия при арилировании различных алкенов происходит по автокаталитическому механизму. При этом существует обратная положительная связь между скоростью формирования активных комплексов и скоростью базовой каталитической реакции арилирования. Показано, что в состав каталитически активных комплексов входят иодидные или ацетатные анионы при использовании в качестве оснований NB113 или NaOAc, соответственно. Доказано, что высокая эффективность NB113 связана с выполнением им одновременно двух функций - основания и восстановителя. Это позволило создать принципиально новый тип каталитических систем реакции

арилирования, в основу которых легло использование восстанавливающих агентов. Впервые экспериментально установлено, что присоединение арильного радикала к стерически незатрудненным алкенам определяется не распределением эффективных зарядов на атомах углерода винильной группы, а вкладами их АО в НВМО алкена, что свидетельствует об орбитальном, а не зарядовом контроле реакции. Показано, что на достаточно доступном и способном долго храниться катализаторе Рс1/С марки ИКБ-3-20 могут быть достигнуты близкие к полученным на коллоидном палладии частота оборотов каталитического цикла и выход продуктов.

Практическая значимость. На базе проведенных исследований по изучению роли основания в каталитическом арилировании алкенов была разработана новая высокоэффективная каталитическая система, позволяющая использовать вместо традиционных третичных аминов доступные неорганические основания. Реакция арилирования в этом случае протекает с высокими значениями селективности и выхода продуктов. При этом существенно упрощается процедура проведения процесса и достигается более полное препаративное выделение веществ. Последнее важно для применения реакции Хека в качестве лабораторного метода синтеза (в особенности лекарственных препаратов). Впервые реакция арилирования арилбромидами осуществлена на каталитической системе, не содержащей третичных фосфинов. Предложена новая концепция катализаторов арилирования малореакционноспособными арилгалогенидами.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, содержит выводы и список использованной литературы.

Первая глава посвящена обзору литературных данных, касающихся механизма реакции Хека, а так же применения в ней новых каталитических систем и субстратов. В второй главе обсуждаются результаты собственных исследований. Третья глава содержит описание процедур проведения

кинетических и спектральных экспериментов, методов синтеза и очистки исходных соединений.

Диссертация изложена на 174 страницах машинописного текста, включая 24 таблицы, 21 рисунок и 14 схем.

1. Реакция Хека: механизм катализа, каталитические системы, условия проведения (Литературный обзор)

1.1.Механизм катализа реакции Хека

1.1.1. Общие сведения о реакции Хека

Возможность использования палладия и его соединений в реакциях органического синтеза известна давно и весь комплекс исследований, проведенных к настоящему времени, указывает на актуальность и, по-видимому, неисчерпаемость идей использования палладиевых соединений в качестве катализаторов для получения различных ценных с практической точки зрения веществ. Ярким подтверждением этому служат начатые в 60-е годы американским исследователем Р. Хеком исследования реакций металлоорганических соединений непереходных металлов, где в качестве сореагентов использовались соли палладия [1-7]. Однако открытая Хеком и японскими исследователями Фудживарой и Моритани [8] реакция окислительного сочетания металлоорганических соединений не были истинно каталитическими, так как для их проведения требовались стехиометрические количества соединений палладия. Позднее в работах японских исследователей и самого Хека [9,10], эта проблема была решена. Ими проводилась следующая каталитическая по палладию реакция:

+ АгХ

+ НХ

+ НХ

(1)

где Х= I, Вг.

В качестве основания использовался МА1к3 или ацетат щелочного металла. Кроме арилгалогенида в реакцию были вовлечены бензил- и винилгалогениды [10], а в качестве алкенов - этилен, пропилен, виниловые эфиры [11,12], >1-винилпирролы [13], амиды [14], непредельные кислоты [15], аллилтриметилсиланы [16]. В последнее время в реакцию были вовлечены дизамещенные алкены, в частности, бутилметакрилаты [17]. В качестве растворителей использовались ДМФА [18-21], ТГФ [22], ]М,Ндиметилацетамид [23], толуол [24-26], бензол [27], ацитонитрил [28], метанол [29]. Иногда реакция проводилась без растворителя [30]. В случае водорастворимых субстратов в качестве растворителя применялась вода [31].

Реакция (1) с момента ее открытия была связана с именем Р. Хека, по этому в литературе широко применяется понятие "реакция Хека". Обычно под этим понимается взаимодействие арил-, бензил- и алкенилгалогенидов (и не только галогенидов, но и соединений, содержащих трифлатные заместители) с алкенами , в присутствии основания и каталитических количеств палладия.

В настоящее время в литературе опубликовано большое количество работ, посвященных реакции Хека. Однако, в основном, эти работы затрагивают препаративные возможности реакции (1) и разработку новых методов органического синтеза. В этом направлении химиками-синтетиками достигнуты большие успехи, что подтверждает перспективность реакции Хека как метода конструирования углерод-углеродных связей. В последние годы развиваются новые направления, касающиеся асимметрического арилирования алкенов по реакции Хека [27,32], применения ее в реакциях тандемного типа, каскадных процессах и реакциях внутримолекулярной циклизации [33,34].

Все это делает необходимым проведение систематических исследований механизма катализа реакции арилирования. Однако, число публикаций, посвященных этой проблеме, относительно невелико. Причем, основное их количество появилось только в 90-е годы. Таким образом, необходимость

исследования механизма катализа реакции Хека сохраняется до сих пор. Актуальность изучения механизма реакции арилирования связана и с тем, что ключевой интермедиат реакции арилирования, Аг-Рс1-Х, образующийся в результате протекания стадии окислительного присоединения, является одновременно промежуточным соединением ряда других реакций, катализируемых палладием и имеющих большое значение в органическом катализе (Схема!).

Схема 1.

Процессы, включающие стадию окислительного присоединения Рс1(0) к арилгалогениду.

АгРах

АгХ+ Рс1(0) —>АгРаХ

восст-е сочетание ИХ

>Аг-Аг+РаХ9

1Й ь

протолиз СО, Н1Чи

карбонилирование

>АгН+рах2

АгСОЗЧи+НХ+Р(1(0)

арилирУвание > АгС-О*+НХ+Р(1(0)

КС=СК1 + н

восст-е арилирование

АгИС^СШ^+Р^О)

-^^->Аг-11+М§Х7+Рс1(0)

кросс сочетание ° * 4 у

[3.5-38] [39]

[40-45]

[46,47] [48,49]

[50,51]

В связи с выше сказанным, основной целью настоящего обзора является изложение и анализ результатов, опубликованных к настоящему времени исследований механизма катализа реакции Хека, а также наиболее значительных успехов в поиске перспективных каталитических систем реакции арилирования и новых способов ее проведения. Подробную информацию о синтетических возможностях реакции арилирования можно найти в обзорных работах [33,34,52,53].

1.1.2.Механизм реакции Хека

Основные моменты об