Механизм и стереохимия промотируемого Fe(Co)5 и кислотами Льюиса гомолитического присоединения алкилгалогенидов к кратным связям тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

А

\Л'

российская академия наук

институт элеменоорганических соединений

им. А. Н. НЕСМЕЯНОВА

кузнецов никол

МЕХАНИЗМ И СТЕРЕОХИМИЯ ПРОМОТИРУЕМОГО Ее (СО) 5 и КИСЛОТАМИ ЛЬЮИСА ГОМОЛИТИЧЕСКОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ АЛКИЛГАЛОГЕНИДОВ К КРА ТНЫМ СВЯЗЯМ.

02.00.03 - органическая химия

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель доктор химических наук Ю. Н. Белоконь

Научный консультант кандидат химических наук В. И. Тараров

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

I. Введение 4

II. Литературный обзор 7

II. 1 Общепринятая схема металло-редокс катализа 7

И. 2 Хиральные лиганды и субстраты в редокс катализе 13

II. 3 Окислительное присоединение в механизме редокс 21

катализа

II.4 Асимметрическая индукция в радикальных реакциях и 28

причины ее возникновения

II. 5 Влияние кислот Льюиса на стереоселективность 34

радикальных реакций

II. 6 Влияние кислот Льюиса на стереоселективность 39

присоединения к сопряженным С=С связям и на стереоселективность переноса атома

III. Постановка задачи исследования 46

IV. Обсуждение результатов 47

IV. 1 Выбор исходных соединений и методов их синтеза 47

IV.2 Реакция бромирования 52

- N- циннамоил - 4 - фенил оксазол идин-2 - она (1а)

IV. 3 Изучение стерического влияния заместителей в 62

оксазолидин-2-оне на стереоселективность реакции присоединения ВгСС1з к С=С связи 16 и 1в

Стр.

IV.4 Реакции присоединения нуклеофильного изопропильного 64

радикала к С=С связи 1а и 1б

IV. 4.1 Факторы, контролирующие региоселективность 78

присоединения изопропильного радикала к С=С связи коричных амидов (1а и 16)

IV. 5 Сдваивание хиральных a-радикалов, генерированных 86

Fe(CO)5 из 7У-а-бромацилоил-4-фенилоксазолидин-2-онов -асимметрический синтез замещенных янтарных кислот.

IV.6 Реакция типа Реформатского промотируемая Fe(CO)s 92

IV.6.1 Роль активатора в промотировании реакции 92

IV.6.2 Реакция эфиров а-бромпропионовой кислоты с 95

альдегидами и кетонами в присутствии Fe(COb

IV.6.3 Реакция эфиров а-полигалогензамещенных карбоновых 102

кислот с альдегидами и кетонами в присутствии Fe(CO)s

IV. 6.4 Анализ возможных механизмов реакции типа Ю5

Реформатского промотируемой Fe(COb

IV.6.5 Единая природа процессов промотируемых Fe(COb 110

V. Экспериментальная часть 111

VI. Выводы 141

VII. Список цитируемой литературы 142

I. ВВЕДЕНИЕ

Присоединение к кратным связям С=0 и С=С является важнейшим методом формирования углеродного скелета молекул. Основными требованиями предъявляемыми к современному синтезу являются высокая стереоселективность и возможность проведения реакций в каталитических условиях [1-3]. Для решения этой проблемы используются комплексы переходных металлов и кислот Льюиса (КЛ).к благодаря их способности контролировать: стабильность активных интермедиатов, реакционную способность субстратов и стереохимию реакций [47]. Этот подход позволил разработать действительно эффективные энантиоселективные каталитические методы образования связи С-С асимметрического алкилирования [8,9], циклопропанирования [10,11], альдольной конденсации [12, 13], реакции Дильса-Альдера [2], занявших прочное место в синтетической химии.

Гомолитические реакции также очень удобны для этой цели, поскольку образующиеся радикалы, в отличии от большинства металлорганических соединений, толерантны ко многим функциональным группам. Кроме того, это позволяет использовать в реакциях как активированные, так и обычные С=С связи.

Тем не менее, долгое время радикалы рассматривались, в основном, лишь как привлекательные для исследователей реакционные интермедиаты, но с очень ограниченным синтетическим потенциалом, вследствие низкой регио- и стереоселективности гемолитических процессов. Несколько известных препаративных радикальных реакций считались скорее исключением. Это было связано с «неуправляемостью» алкильных радикалов из-за их высокой реакционной способности. Однако, совсем недавно начала развиваться и

фактически была создана химия стереоселективных гемолитических реакций и, в результате, общепринятая концепция оказалась под вопросом [14].

С другой стороны, гетеролитические реакции характеризуются высокой селективностью, за счет эффектов связанных с наличием заряда на атоме углерода (карбанионы, еноляты и их комплексы с ионами металлов) и возможностью управлять этими эффектами, изменяя условия проведения реакции. Высокая стереоселективность гетеролитических реакций достигается использованием хелатообразующих субстратов и КЛ.

Таким образом, существует задача объединения высокой селективности гетеролитических процессов и высокой активности радикальных реакции. В случае нейтральных радикальных частиц решение этой задачи может быть найдено с использованием двух подходов:

• создания конформационной жесткости в не жестких субстратах с помощью КЛ

• использования радикальных реакций, происходящих внутри координационной сферы металла (в частности, металло-редокс реакции).

В отличие от карбанионов и енолятов, радикалы не имеют формального заряда, но, тем не менее, обладают выраженной электрофильностью или нуклеофильностью. Координационные взаимодействия радикалов и субстратов с KJI в типичных радикальных реакциях могут кардинально изменить их свойства и реакционную способность, но до сих пор эта проблема мало исследована.

Металло-редокс реакции можно подразделить на реакции идущие с образованием радикальных и образованием анионных частиц. Среди металлов, которые генерируют анионные интермедиаты (как синтетические единицы) прежде всего можно отметить: Mg, Zn, Sm, Ni и др. [15-18]. Тем не менее, даже в таких типичных металлорганических реакциях происходит промежуточное образование радикальных частиц [19].

Существует ряд металлов, которые могут служить не просто донорами электрона, но и способны к обратимому окислению-восстановлению, так называемые редоке-катализаторы, например, комплексы Си(1, II), КиЩ), КЬ(1), Ре(Н) и Бе(0), Со(0) и №(Н) [20-25]. Однако, до сих пор:

• не исследована стереохимия редокс-катализируемого присоединения по С=С связи и те факторы, которыми она определяется.

• не определена связь строения молекулы алкилгалогенида и процесса переноса электронов от металла-катализатора.

Анализ литературных данных показывает, что прямой подход к изучению механизма редокс- катализа до сих пор не привел к ясному представлению об основополагающих закономерностях.

Исходя из этого, в настоящей работе предпринято исследование воздействия редокс - катализатора Ре(СО)5 [27] и КЛ на стерео- и региоселективность гемолитического присоединения к С=С связи коричных амидов. Для этой цели использовались хиральные субстраты, способные к хелатированию с ионами металлов. Также в настоящей работе впервые предпринята попытка найти границу, разделяющую типичные процессы образования связи С-С, идущие через одноэлектронные редокс - процессы и двухэлектронные превращения, происходящие с промежуточным образованием железоорганических соединений.

В литературный обзор настоящей диссертационной работы включены разделы, касающиеся редокс - катализа и современных представлений об асимметрической индукции в радикальных реакциях, которые помогают предсказывать и объяснять поведение исследуемых систем. Кроме того, проанализированы имеющиеся работы, посвященные изучению влияния солей металлов и других КЛ на стереоселективность радикальных реакций.

И. Литературный обзор

Реакции присоединения алкилгалогенидов к олефинам, катализируемые комплексами переходных металлов в низкой степени окисления - хорошо известный метод образования С-С связи. Большое количество примеров редокс катализируемых реакций было рассмотрено в нескольких обзорах ранее [24, 2629]. Целью же данной части обзора явилось критическое рассмотрение ключевых работ, которые помогут понять противоречивый характер, имеющихся представлений о металло-редокс катализе (в дальнейшем просто редокс-катализ).

11.1 Общепринятая схема металло-редокс катализа.

Реакция свободно-радикального присоединения полигалогеналканов к олефинам была открыта более пятидесяти лет назад Харашем [28, 30, 31], и идеально подходит для условий редокс катализа. Эта реакция нашла широкое применение для получения различных полифункциональных производных. При этом редокс и свободно-радикальное присоединение к кратным связям отличаются принципиально. Во-первых, в сравнимых условиях при свободно-радикальном (например, перекисном) инициировании предпочтительно происходит отрыв атомов водорода от алкилгалогенида, тогда как редокс система предпочитает отрывать атом галогена (см. Схему 2); во-вторых, попытки осуществить свободно-радикальное присоединение алкилгалогенидов к легко полимеризующимся субстратам, типа стирола или акрильных производных в присутствии перекисей приводят лишь к полимерным продуктам. В случае же использования редокс катализатора полимеризация не вдет, - в подавляющем количестве между телогеном и теломером образуется аддукт состава 1:1.

Чтобы объяснить различие в поведении этих систем была выдвинута схема механизма редокс процесса, которая включает три стадии (см. Схему 1): на первой стадии (1) ион металла (лигандное окружение для простоты не показано), находящийся в степени окисления Ъ расщепляет связь Я-Х в алкилгалогениде через одноэлектронное восстановление до радикала Л*. Галоген - X, при этом, переносится на металл, степень окисления которого соответственно увеличивается на единицу. На второй стадии (2) радикал присоединяется по С=С связи олефина, давая аддукт-радикал Яд. Затем (3) к адцукт-радикалу переносится атом галогена от М2+1Х и регенерируется исходный ион металла М2. Таким образом, основное отличие редокс катализа от простого инициирования радикальных реакций металлами в низкой степени окисления заключается в очень эффективном переносе галогена от иона металла, а не от другой молекулы галогеналкана. При этом скорость переноса галогена от металла превышает скорость присоединения аддукт-радикала ЯА* по С=С связи (рост цепи).

Аналогичная реакционная цепь встречается, в так называемых, реакциях радикального присоединения с переносом атома [32, 33], а также в контролируемой «живущей» радикальной полимеризации. Ключевым отличием «живущей» полимеризации от свободно-радикальной является стадия обрыва

г* о о

цепи. В «живущеи» полимеризации промотируемои редокс катализаторами на основе солей меди, обрыв цепи происходит не за счет радикальных процессов, как то - димеризации, диспропорционирования, восстановления, а единственно - за счет переноса атома галогена от катализатора, как показано на Схеме 1 (см.

Схема 1.

стадию 3). При этом алкилгалогенид занимает только одно координационное место у иона металла [34].

Комплексы железа и меди традиционно используются как редокс катализаторы присоединения хлороформа и других галоидпроизводных к алкенам [35-39], например, реакция с хлороформом имеет вид:

СНС13 + СН2=СНБ1 -> С12СНСН2СН(С1)11

Схема 2

Процесс можно представить идущим через стадии инициирования (Схема 3, стадия 1), стадии присоединения радикала к связи С=С с образованием промежуточного адцукт-радикала (стадия 2) и, наконец, переноса атома галогена от атома металла (стадия 3).

Бе11 + НСС13 Реш(С1) + НС'С12 (1)

НС'С12 + СН2=СНК С12СНСН2С'НК (2)

С12СНСН2С*НК + Реш(С1) С12СНСН2СН(С1)К + Бе11 (3)

Схема 3.

Как видно (Схема 2, стадия 3) промежуточный аддукт-радикал предпочитает обрывать цепь переносом галогена, а не водорода как, например, при перекисном инициировании. По аналогичной схеме [40] происходит присоединение этилтрихлорацетата к олефинам катализируемое хлоридами меди (I, II) (см. Схему

4).

С13СС02Е1 + Си1 Сип(С1) + С12С'С02Е1

С12С*С02Е1 + СН2=СНЯ -> ЕЮ2СС(С1)2СН2С#НК ЕЮ2СС(С1)2СН2С'НК + Сип(С1) -> ЕЮ2СС(С1)2СН2С(С1)НК + Си1

Схема 4.

Та же реакция может быть проведена в присутствии рутениевого катализатора: дихлоробистрифенилфосфинрутения (II), который дает высокие

выходы адцуктов, достигающих 95%, даже в случае легко полимеризующихся олефинов (стирол, акрилонитрил, метилметакрилат и метилвинилкетон) [41]. Реакция присоединения сильно ингибируется малыми количествами гальвиноксила, который как известно является энергичным акцептором радикалов. Схему механизма присоединения авторы считают не отличающейся от представленных ранеедля меди (I) и железа (II). Каталитические количества биядерных карбонилов железа и молибдена [СрРе(СО)2]2 и [СрМо(СО)з]2 также катализируют присоединение трихлорацетатов, давая при этом лактоны [29].

Лактонизация - это типичный для соединений железа вторичный процесс, происходящий после стадии радикального присоединения дихлорацетильного радикала к олефину. Были обнаружены необычные и существенно более активные катализаторы на основе комплексов Ре(0). Например, если пентакарбонил железа окислять триметиламиноксидом, то происходит внутрисферное окисление молекулы СО, а не железа, и образуется стабильный в твердом состоянии комплекс триметиламинтетракарбонилжелезо [42], который может быть выделен и охарактеризован:

Ре(СО)5 + Ме31ЧО Ме3КРе(СО)4 + С02

Схема 6.

каталитические количества этого комплекса обеспечивают присоединение СО4 к олефинам уже при комнатной температуре, например:

я—сн-сн

С13СС02Ме + ЯСН=СН

2

Схема 5.

/7 + СС14

[Ме3КРе(СО)4] >С1зС

С1

Схема 7.

Замена жестко связанного лиганда СО на лабильный триметиламиновый лиганд не способный к я-акцепторному связыванию, приводит к одновременному усилению каталитических свойств комплекса железа.

Наряду с реакциями межмолекулярного присоединения комплексы переходных металлов эффективно промотируют реакции внутримолекулярной циклизации, например, а,а-дихлоронитрила [43].

Хороший выход продукта реакции циклизации был получен с трифенилфосфиновыми комплексом меди и триэтоксифосфинатным комплексом железа. Интересно, что реакция с рутениевым катализатором приводит исключительно к продукту дегидрохлорирования (см. Схему 8). Это необычно, потому что рутениевые и родиевые катализаторы являются как раз наиболее эффективными. Межмолекулярное присоединение трихлорацетата к олефинам дает соответствующий аддукт с количественным выходом. Очевидно, что механизм этого процесса зависит от природы металла катализатора. Можно предположить, что в случае комплекса рутения такое течение реакции обусловлено известным его свойством активировать С-Н связь и образовывать связь Яи-Н [44]. Вероятно, внутри координационной сферы рутения образуется промежуточный комплекс

Н

КиС12(РРЬ3)з, (4%), 20 часов РеС12[Р(ЕЮ)3]3, (5%), 23 часа СиС1 / РРИ3, (1%), 17 часов

98%

89% 91%

Схема 8.

типа К-СН2-СС1(С1Ч)-Ки-С1, который распадается путем дегидрохлорирования за счет активации соседней связи С-Н. Этот процесс происходит быстрее чем реакция внутримолекулярной циклизации, поэтому образуется продукт дегидрохлорирования. По аналогии с Ки, можно предположить что Си и Бе могут образовывать комплексы с субстратом в переходном состоянии (ПС) реакции. Однако, поскольку ионы железа и меди не способны к такого типа активации связи С-Н внутримолекулярная радикальная циклизация не осложняется другими процессами.

Образование промежуточного комплекса в редокс реакциях поддерживается й кинетическими соображениям. В общем случае, это означает, что скорость реакции отрыва атома галогена на стадии 3 (кз) (см. Схему 1) больше чем скорость роста цепи - присоединения аддукт-радикала Яд* к С=С связи. Если допустить, что константа скорости для Яд* (по крайней мере для димеров тримеров) по порядку та же, что и при присоединении к С=С связи первичного радикала 11', то можно приравнять кг « кцл и использовать в дальнейшем, при оценочных выкладках, величины кг-

Скорость теломеризации (см. Уравнение 1а) равна произведению стационарной концентрации радикалов на концентрацию олефина (пусть 1 моль/л) и константу скорости стадии 2 (кг). Стационарная концентрация радикалов определяется скоростью их сдваивания и контролируется диффузионной константой равной 108-Ю10 М^с"1. Таким образом, имеем [Я*] = 10~7 М и, следовательно, [Мг+1Х] = 10"7 М. Константа скорости теломеризации известна [34] и составляет около 104-105 М'Чт1. Получаем, что скорость теломеризации должна быть равной 10~2. С другой стороны, скорость переноса галогена равна произведению концентраций радикала на количество М2+1Х и константу скорости кз. Произведение [Я*]х[М7+1Х] = 10"14 - как показано выше, и

зная константу скорости теломеризации можно оценить константу скорости переноса галогена (см. Уравнение 1в).

^еЛомеризацИИ= k2x[R']x[C=C] = ШМО'М = 10"2 (а)

^теломеризации^ ^перенос галогена- (б)

^перенос галогена ~ ]x[Mz+^X] > 10 2

k3 > 10-2/(10"14) > 1012 (в)

Уравнение 1.

Таким образом, получается огромная величина константы скорости переноса галогена в редокс системе. Порядок величины константы скорости равен верхнему пределу констант скоростей любых моно и внутримолекулярных реакций, �