Новые палладациклы и их применение в энантиоселективном катализе тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ИМ. А. Н. НЕСМЕЯНОВА

На правах рукописи

ЗЫКОВ ПАВЕЛ АНДРЕЕВИЧ

НОВЫЕ ПАЛЛАДАЦИКЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЭНАНТИОСЕЛЕКТИВНОМ КАТАЛИЗЕ

02.00.03 - Органическая химия 02.00.08 - Химия элементоорганических соединений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 2010

□034Э1687

003491687

Работа выполнена в лаборатории гемолитических реакций элементоорганических соединений

Учреждения Российской академии наук Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН и на кафедре органической химии МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

кандидат химических наук Дунина Валерия Владимировна МГУ

доктор химических наук Кочетков Константин Александрович ИНЭОС РАН

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Виноградов Максим Гаврилович ИОХРАН

доктор химических наук, профессор Одинец Ирина Леоновна ИНЭОСРАН

Ведущая организация: Московская государственная академия тонкой химической

технологии имени М. В. Ломоносова Защита диссертации состоится 17 февраля 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.250.01 по присуждению ученой степени кандидата химических наук в Учреждении Российской академии наук Институте элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, В-334, ул. Вавилова д. 28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНЭОС РАН Автореферат разослан «1% января 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.250.01 кандидат химических наук

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. История развития химии циклопалладированиых комплексов (ЦПК) насчитывает почти половину столетия, причем первоначально основное внимание уделялось разработке различных вариантов регионаправленного органического синтеза в стехио-метрическом режиме. Развитие стереохимической ветви этой области началось с появлением в 70-х годах прошлого века первых оптически активных С*-хиральных палладациклов и их пла-нарно-хиральных аналогов, которые долгое время оставались полными монополистами. Безусловным прогрессом последних десятилетий следует признать резкий всплеск интереса к структурной и стереохимической диверсификации соединений этого класса.

Практическое применение хиральных ЦПК ориентировано в конечном итоге на обеспечение нужд стехиометрического и каталитического асимметрического синтеза. Действительно, наиболее популярное и широко развитое направление - разделение на циклопалладированиых матрицах энантиомеров рацемических фосфинов, дифосфинов и аминофосфинов - поставляет лиганды для асимметрического катализа комплексами переходных металлов. Той же цели служат многочисленные варианты промотируемых хиральными палладациклами реакций Дильса-Альдера и гидрофосфинирования. Спектральное определение энантиомерного состава органических молекул с использованием оптически активных СЛ'- или РС-палладациклов также можно рассматривать как простой и эффективный инструмент для контроля за ходом асимметрических трансформаций любого типа.

Отличительной особенностью последних лет следует признать непосредственное вовлечение хиральных палладациклов в энантиоселективный катализ - в роли катализаторов или пре-катализаторов. Толчком к развитию этого направления послужили впечатляющие успехи, достигнутые при внедрении ЦПК в ахиральный гомогенный катализ. Преимущества нового класса (пре)катализаторов базируются на их высокой термической, окислительной и гидролитической стабильности. Именно эти свойства определяют их уникальную эффективность в катализе, часто на много порядков превышающую таковую классических координационных соединений палладия. Поэтому неудивительно, что следующим шагом в развитии этой ветви тонкого органического синтеза стал переход к энантиоселективному катализу хиральными ЦПК. Достижение успеха в этой области требует не только оптимального сочетания стабильности и каталитической активности циклопалладированного катализатора с его способностью к хиральному распознаванию, но и адекватного соответствия структуры катализатора механистическим требованиям химической трансформации.

Ситуация, сложившаяся в последние годы в области энантиоселективного катализа хи-ральными ЦПК, делает актуальным как создание палладациклов новых структурных и стерео-химических типов, так и разработку новых подходов к решению механистических проблем.

Цель работы - синтез оптически активных ЦПК новых стереохимических типов, включая РС-палладациклы с элементами аксиальной хиральности, с я-акцепгорным Р-донором и с прямой связью Рй-С*, а также разработка метода оценки судьбы палладациклов в катализируемых ими процессах, основанного на применении оптически активных циклопалладированных производных прохиральных лигандов.

Научная новизна и практическая ценность работы

1. Синтезированы энангиомерно чистые фосфапалладациклы ранее неизвестных структурных и/или стереохимических типов: первый РС-палладацикл с элементами аксиальной хиральности; первый РС-палладашпсл с асимметрическим С*-стереоцентром, непосредственно связанным с металлом и являющимся единственным источником оптической активности комплекса; первый РС-палладацикл с я-акцспторным Р-стереоцентром на основе диазафосфолида-на. Оптимизированы условия активации связей (8р2)С-Н или (5р5)С-Н в соответствующих ли-гандах.

2. Впервые показана возможность прямой активации связей С-Н в лигандах, полученных на основе 1,1 '-бинафтил-2,2'-диола (ШЫОЬ), в условиях термолиза (-110 °С) без снижения энантиомерной чистоты исходного лиганда, вместо многостадийной процедуры, основанной на окислительном присоединении предварительно функционализованного лиганда.

3. На примере производных фосфитного ЦПК впервые проведен детальный анализ специфики переноса хиральной информации от ее первичного источника к палладациклу и к координационному окружению металла на основании комбинированного использования геометрических параметров молекул в кристалле (РСА) и в газовой фазе (расчеты методом БЕГ).

4. Разработаны новые спектральные (ЯМР 3|Р) методы определения энантиомерного состава РС-палладациклов и исходных оптически активных лигандов с применением (Рс)-валина-та, (Яс,Кс)-стильбендиамина или энангиомерно чистого (5с)-С№-палладацикла на стадии хиральной дериватизации.

5. Разработан принципиально новый и универсальный способ привлечения спектроскопии ЯМР 31Р для определения энантиомерного состава СМ-палладациклов, основанный на использовании в качестве хирального дериватизирующего агента фосфинита (Лс^МепШОРРЬг, легко доступного из природного спирта - (Дс)-ментола.

6. Впервые показана возможность катализа гидроарилирования норборнсна при комнатной температуре с использованием Р*-хирального диазафосфолидинового ЯС-палладацикла в качестве (пре)катализатора.

7. Впервые разработана методология, позволяющая фиксировать сохранение или дехела-тирование ЦПК при их функционировании в катализе, основанная на введении в данный процесс оптически активных циклопалладированных производных прохиральных лигандов в качестве (пре)катализаторов.

Апробация работы. Материалы исследования докладывались на Международной конференции по неорганической и координационной химии (Иерусалим, Израиль, 2008), а также на Международной конференции по металлоорганической и координационной химии (Нижний Новгород, Россия, 2008). Диссертационная работа выполнена при поддержке гранта Отделения химии и наук о материалах РАН по программе «Теоретическое и экспериментальное изучение природы химической связи и механизмов важнейших химических реакций и процессов» (ОХНМ-01).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе статей - 3, тезисов - 2.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста, включая введение, литературный обзор (посвященный анализу эффективности хираль-ных ЦПК в энантиоселективном катализе различных химических трансформаций), обсуждение результатов, экспериментальную часть, выводы и список литературы (259 наименований); она содержит 16 рисунков, 6 таблиц и 67 схем.

Автор выражает благодарность к.х.н. М.В. Ливанцову, д.х.н. Ю.К. Гришину, д.х.н. И.П. Глориозову (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, РФ), к.х.н. ОН Горуновой, к.х.н. И.В. Глухо-ву (ИНЭОС им. А.Н. Несмеянова, РАН, Москва, РФ), к.х.н. A.B. Чуракову и д.х.н. Л. Г. Кузьминой (ИОНХ им. Н.С. Курнакова, РАН, Москва, РФ) и проф. И.П. Смоляковой (Department of Chemistry, UND, USA) за неоценимую помощь при проведении данного исследования.

Основное содержание работы

Обсуждение полученных результатов представлено в четырех частях: в первой описан синтез лигандов; вторая часть посвящена оптимизации условий активации связей С-Н в этих лигандах; третья часть включает результаты структурных исследований производных новых папладациклов (1-3); применение полученных ЦПК в катализе, включая циклопалладирован-ные производные прохиральных лигандов (4,5), обсуждается в четвертой части.

°ТоЦ ^Ви'

4

5

1. Синтез лигандов

Обе формы нового аксиально хирального фосфита, гас-НЬ1 (здесь и далее номер "п" ли-

ганда НЬ* соответствует арабской цифре в шифре палладацикла) и (ЗД-НЬ1, а также известные диязафосфолидин фосфины шД IIЬ4 и третичный амин III,5 синтезированы

стандартными методами с небольшими модификациями.

Отметим, что при синтезе диазафосфолидина (Д^)-НЬ2 проблемы возникли на стадии получения в энаятиомерно чистом состоянии промежуточного диамина (¿с)-6. Нами показано, что короткий двухстадийный синтез диамина из (£с)-глутаминовой кислоты неизменно приводит лишь к скалемическому продушу с низкими выходами. Успех принесло применение модифицированной версии известной четырвхстадийной схемы синтеза диамина (5с)-б из (5с)-пролина (схема 1), по которой он получен с удельным вращением [а]о +20.4° и с суммарным выходом

56%.

вое вое о

(ад-7

сад-»

(ад-?

¡) СВиОСО^О, СН2С12, О °С, 2.5 ч, 95%; и) С1С02Й, Ы-метилморфолин, 0 °С, 10 мин; ш) РЬШ2, СН2С12,0 °С, 1 ч; 20°С, 12 ч, 85%; ¡у) ТТА, СН2С12,20 °С, 4 ч;

V) ИаОНщ,, 83%;

VI) 1ЛАЩ4, ТГФ, -15 °С, 0.5 ч; 0 °С, 0.5 ч; 65 °С, б ч, 83%.

(Щ-б

Схема 1

В связи с возникшими при синтезе диамина (5с)-6 проблемами нами разработаны спектральные методы определения энантиомерной чистоты (ЭЧ) как диамина (ЯМР 'Н), так и полу-

тивной дериватизации CN-палладациклом (¿сД:)"'"3 (схема 2; здесь и далее буквенный индекс при номере структуры указывает на ту или иную форму палладацикла). Хемо- и региосе-лективная координация органических молекул с палладациклом и достаточная (Дбн 0.11 м.д.) или высокая (Д6Р 6.83 м.д.) величина дисперсии сигналов в спектрах ЯМР смесей диастереоме-ров, генерируемых in situ на модельных системах, делают вполне надежным как сам метод, так и выводы о полной (>98 %ее) ЭЧ как диамина (Se)-7 с [afo +20.4° (с 1.0, СНСЬ), так и полученного из него известным методом диазафосфолидина (Д/0-HL1 с [o]d -375° (с, 1.0, СНСЬ).

Следует отметить стереоспецифичность процесса циклизации, приводящую к возникновению новых Р- и ^-стереоцентров в лиганде (Я/>)-НЬ2 (данные ЯМР 31Р). Структура диамина (5с)-6, диазафосфолидина (/?/)-шД а также промежуточно образующихся соединений (5с)-7-9 подтверждена спектрально (ЯМР *Н и 31Р).

2. Синтез циклопалладированных комплексов

Несмотря на стерическое стимулирование процессов активации связей С-Н в фосфите НЬ1, диазафосфолидине НЬг и фосфине НЬ3, выраженные тс-акцепторные свойства первых двух лигандов существенно затрудняли их циклопалладирование.

2.1. Фосфапаллалацикл с элементами аксиальной хиральности

Как и следовало ожидать (опираясь на литературные аналогии) активация связи С-Н в фосфите НЬ1 оказалась довольно трудной задачей: даже после оптимизаций условий циклопал-ладирования на рацемическом лиганде гасЛ1\} рацемический (гас-1а) и оптически активный ЦПК (5аД)-1а получены с выходами 53% и 40% (схема 3; здесь и далее числовые значения параметров приведены в соответствии с порядком их упоминания в тексте). Несколько понижен-

ченного из него диазафосфолидина (/?/>)-HL2 (ЯМР 3|Р), основанные на их хиралыюй координа-

Схема 2

ный выход энантиомерно чистого димера (5а,5а)-1а обусловлен его более высокой растворимостью.

(rac-HL1) (гас-1а)

Схема 3

Появившиеся в литературе данные о рацемизации 1,Г-бинафтильноп> фрагмента в аналогичных HL1 бисфосфитзх при термической активации связи С-Н даже при относительно невысокой температуре (< 60 °С) потребовали определения энзнтиомерного состава димера (SaJSa)-1а, полученного в более жестких условиях (-110 °С). Несмотря на наличие ряда известных и весомых контраргументов для родственных структур, мы спектрально (методом ЯМР 31Р) определили энанпюмерный состав ЦПК (SaA)-la после его хиральной деривагазации in situ (йс)-валинатом (схема 4).

Присутствие только одного сигнала (8 147.96 м.д.) в спектре аддукга (Л,я,/?с)-1Ь, а также достаточное разрешение (Д8 0.32 мл) сигналов диасгереомеров в спектре их смеси убедительно подтверждают полное сохранение ЭЧ исходного (£„)-В1Ж)Ь'а в комплексе (5„,5'0)-1а. Тем самым мы доказали возможность прямого циклопалладирования хиральных лигандов на основе ВМХ'а без понижения их энантиомерной чистоты в условиях термической активации связи С-Н.

2.2. ¿"-Хиральный диазафосфолиднновый фосфапалладацикл Известно лишь несколько ахиральньа РС-палладациклов с п-акцепторным Р-донором типа {ЫгСР:}; об их оптически активных аналогах до сих пор не сообщалось. Более того, ЦПК с аналогичным Р-донором типа {ОгСР:} вообще неизвестны. Поэтому неудивительно, что, не-

6

смотря на апробацию различных вариантов активации связи С-Н в лиганде (Я/>)-НЬ2, максимальный выход циклопалладированного димера (5о^5л'3.$>)-2а не превышал 25% (схема 5):

¡)Рс*(ОАс)2, СЗН

толуол, 50°С, 15 мин N -

¡¡)иа, оТо[/ \

ацетон, 20°С, 20 мин ЛМ

(тсЛ\1?) (гас-2а)

Схема 5

Столь умеренный успех можно объяснить высокой реакционной способностью связей Р-Ы, дестабилизирующей лиганд

и провоцирующей конкуренцию восстановления Рс)" ->• Рс1° с основным процессом. Отсутствие признаков эпимеризации лиганда (ВД-НЬ2 (ЯМР 3|Р) в ходе его циклометаллнрования в сравшггельно мягких условиях (< 70°С) свидетельствует о сохранении его абсолютной конфигурации (АК) и закреплении последнего ш четырех стереоцентров (Ы3) в одной АК: (5с5,,\/Д/>)-НЬ2 (в соответствии с правилами старшинства описание АК /'•-стереоцентра изменяется).

23. Фосфапалладацикл со связью Рй-С*

Для получения РС-палладаиикла 3 в энантиомерно чистом состоянии мы использовали стратегию расщепления рацемического димера гас-За с применением двух энантиомеров 2-дифе-1тлэта11-1,2-диамина (Бйеп) в качестве хирального дериватизирующего агента. Сг-Симметрия этого реагента позволила избежать осложнений, связанных с типичной для РС-палладациклов низкой региоселективностью координации несимметричных бидентатных лигандов. Двукратная раскристаллизация эквимолярной смеси (ДсЯсЛс)- и (5с,ЯсЛс)-Диастереомеров аддукта ЗЬ позволила выделить один из них, (5с,ЛсЛс)-ЗЬ, с выходом 56% (> 98% <к, ЯМР 31Р; схема 6).

'Ви Ви' 'Ви Ви' "¡СГ 'Ви Вц> "]+С1-

метанол ЧЛрь

Н Ме Н Ме Н2 РЬ Н Ме Н2 РЬ

гас- За (Дс,ДсДс>ЗЬ:(5с,ЛсЛс)-ЗЬ=1:1 (5с,Йс«с)-ЗЬ

Схема 6

Аналогично, но с применением противоположного (.^сЗД-энантиомера диамина Бйеп выделен индивидуальный диастереомер (/?с,5с5с)-ЗЬ (> 98% <к, ЯМР 3'Р).

Сохранения энантиомерного состава палладацикла в диаминовом аддукте (Rc,ScSc)-3b (>98 %de) при его трансформации в соответствующий димер (RcRc)-3a (>98 %ее) удалось добиться только с применением на стадии протолиза слабой кислоты АсОН, причем в низкотемпературном режиме. При стандартной процедуре элиминирования диамина разбавленной HCl, даже при пониженной температуре и минимальной длительности контакта с кислотой, ЭЧ выделенного димера (ДсЯсУЗа понижается на ~ 5-7 %ее (ЯМР 31Р).

•Bu Bu1 ~|b" 'Buv /But

(YV/^ frV>

H Me н2 Ph H Me

(Лс^с^еУЗЬ, >98 %de (Äc^?c)-3a, >98 'Лее

Схема 7

Конфигурационная стабильность палладацикла со связью (sp3)C*-Pd в условиях термолиза (110 °С) установлена на примере скалемического димера {Re,Re)-За (69 %ге): спектрально (ЯМР 31Р) подтверждено полное сохранение его ЭЧ после кипячения в толуоле (3 ч). Этот факт достаточно удивителен, если учесть наличие трех атомов Н, пригодных для ß-гидридного элиминирования.

2.4. Планарно хиральный C/V-палладацикл

Скалемический димер (SpiJSpj)-Sa получен с выходом 74% асимметрическим циклопалла-дированием амина HL5 в присутствии Л'-ацетил-(5'с)-лейцина в качестве основания и индуктора хиральносги (метод В.И. Соколова). Поскольку планировалось использование этого CV-димера в катализе, необходимо было разработать удобный и быстрый метод определения его энантиомерного состава. Идея привлечения спектроскопии ЯМР 3|Р для решения этой аналитической задачи реализована нами путем использования Р-донорного хирального дериватизирующего агента, а именно фосфинита (ßc)-MenthOPPh2 (Q), легко доступного из природного терпеново-го спирта - (Яс)-ментола (схема 8; для простоты восприятия здесь и далее указывается конфигурация только одного из стереоцентров природного (1/?,25,5Л)-ментола, а именно, С1):

Me Ме

,оррь2 С1ч

толуол, 20°С ' Je« 'C1 + J¡T

¡i) ЯМР 3IP, CDCI3 O

rac"5a (W-5b (RphRc)-Sb

95.5 : 4.5

Схема 8

Преимущества этого метода несомненны: (i) диастереомерные аддукты 5Ь количественно образуются in situ при комнатной температуре; (ii) /л/ганс^ЛО-координация лиганда (Rc)-Q с палладациклом осуществляется региоспецифично; (iii) прочная координация фосфинига (Лс)-Q исключает осложнения от динамических процессов; (iv) дисперсия сигналов диастереомеров 5Ь (Д8 1.4 м.д.) обеспечивает корректное определение ЭЧ скалемического СЛ-димера (Sp/^Spi)-5а (91% ее); (v) разработанный нами метод универсален и применим практически к любым палладациклам OV-типа.

3. Структурные исследования цнклопалладированных комплексов

Возможности спектрального исследования димерных ЦПК ограничены из-за их динамической подвижности и существования в виде смесей syn/anti и mesoldl изомеров (в случае рацемических соединений). Поэтому подтверждение циклопалладированной структуры и оценка стереохимии полученных комплексов проведены путем спектральных исследований (ЯМР 'Н, 'Н{'Н}; !Н{31Р} и 31Р{'Н}) их моноядерных производных (преимущественно с фосфином РРЬз), с привлечением РСА и квантово-химических расчетов для некоторых из них. Фосфиновые аддукты 1с, 2Ь и Зс синтезированы с выходами 60-88 % стандартной реакцией раскрытия хлорид-ных мостиков в рацемических димерах 1а-3а.

гас- 1с

rac-Jb

гас-Ъс

3.1. Фосфапалладацикл с элементами аксиальной хиральности

Рнс. 1. Фосфиновый

NOE

цис(Р,Р)-Геометрия фосфинового аддукта гас-1с, типичная для фосфитных палладациклов, уста--Н3 1Вц Н4" новлена на основании величины КССВ 2Л,р 45.2 Гц. „ „ // , Его ор/яо-палладированная структура очевидна из

" \)/\ / ьи

Р \=/ отсутствия в спектрах ЯМР 'Н КССВ 37к,н для двух -6 ^ / н6"

однопротонньк сигналов фенольного фрагмента. РЬзР^ & Отнесение этих сигналов к протонам Н(6") и Н(4")

фенольного фрагмента базировалось на следующих

новый... _

аргументах: (1) слабопольныи сдвиг первого сиг-

нала под влиянием анизотропии хлоридного лиганда согласуется с расстоянием Н(6")"'С1, равным 2.49 и 2.66 А по данным ОРТ и РСА; (и) только протон Н(6") имеет КССВ 47н,р2 8.0 Гц с атомом Р(2) фосфина РРИз. Идентификация сигналов 1,1'-бинафтильного фрагмента основана на (¡) обнаружении КССВ Vh.pi (0.9 и 1.2 Гц) для сигналов протонов Н(3)/Н(3'), а также (11) зафиксированном в экспериментах с ИОЕ сближении протонов Н(5)/Н(5') и Н(4)/Н(4') (Н(5) "Н(4) 2.44А по данными ОП-). Правильность отнесения сигналов в спектрах ЯМР 'Н аддукта гасАс дополнительно подтверждена квангово-химическим расчетом спектра.

Аналогично сделано и отнесение сигналов в спектре ЯМР 'Н транс(МС)-изомера вали-натного производного (&,Дс)-1Ь. Диастереотопные протоны валинатной ИЦ-группы дифференцированы путем корреляция значений КССВ 3./нь',сан (4.4 и 7.2 Гц) с рассчитанными методом БРТ величинами двугранных углов ¿ШС"Н, равных +44.67 и +161.84° для ЫН^ и N11" протонов, а также на основании квантово-химического расчета спектра.

7>онс(Лг,С)-Геометрия валинатного производного (5аДс)-1Ь установлена на основании комбинированного использования спектральных данных и квантово-химических расчетов (рис. 2а): 0) слабопольное смещение сигнала протона Н(6") по сравнению с положением сигнала протона Н(4") (8 7.87 и 7.23 м.д.) под влиянием анизотропии карбоксилапюго кислорода согласуется с рассчитанными для этого изомера параметрами спектра ЯМР 'Н и расстоянием Н(6")"'0(С0) (2.31 А); (и) в экспериментах с Ж)Е не обнаружены признаки диполь-дипольно-го взаимодействия между сближенными на 2.22 А протонами и Н(6"), ожидаемого в случае альтернативной цис{Я,С) конфигурации комплекса (рис. 26).

Рис. 2. Взаимное расположение валинатных протонов N7/ и ароматических протонов РС-палладацикла в транф/,С)- (а) и цис{Ы,С)- (б) изомерах валинатного производного

Для подтверждения выводов, сделанных на основании спектральных данных, мы провели квантово-химический расчет структуры транс(И,С)- и ¡^с(Л',С)-изомеров (ЯцЯс)- и (Я«,Лс)-ДИ-астереомеров валинатного аддукта 1Ь для газовой фазы. Полностью оптимизированные структуры этих изомеров представлены на рис. 3.

а) транс(Ы,С)-(5а,П<:)-\Ь

6) (ММСН^Л-ИЬ

№,Лс)-1Ь.

Сравнение параметров четырех изомеров позволяет сделать следующие выводы: (¡) для (&,Лс)- и (Л„,Яс)-диастереомеров 1Ь транс(Ы,С) геометрия выгоднее г/ис(МС)-конфигурации (ДЕ° 2.43 и 2.57 ккал/моль); (и) в обоих диастереомерах валинатный хелатиый цикл принимает Х(/?с)-конформащда с экваториальной Рг'-группой при С"*-сгереоцентре; (ш) ЯС-палладацикл заметно скручен лишь в ^(МО-изомерах и почти планарен в их транс(№,С)-аналогах (шау 11.93-9.52 и 0.71-2.25°); (¡V) его конформация в цис(Ы,С)-изомерах (За,Не)- и (Дфйс)-Диастерео-меров 1Ь определяется АК диоксафосфепинового фрагмента: X в первом и б во втором; (у) тст-раэдрическое искажение координационной сферы металла незначительно во всех изомерах ад-дукта 1Ь (¿Р С(1) 0 N 0.03-2.57°).

транс(5лИс)-\Ъ

цис($аМс)ЛЪ

(а)

(Ь)

транс(Да,Ис)-1Ь

цис^ЯсН Ь

(с)

С«

Рис. 3. Рассчитанные методом ЭР'Г структуры наиболее стабильных конформеров транс{Ы,СУ (а, с) и цис{Ы,С)- (Ь, <)) изомеров ЯсУ (а, Ь) и (К,,Кс)- (с, с!) диастереомеров валинатного аддукта 1Ь.

Возможно, пониженная термодинамическая стабильность чис^О-изомеров по сравнению с mpmc(N,Q-аналогами для обоих диастереомеров, (S^/fcJ-lb и (Ло,Дс)-1Ь, обусловлена более выраженным отклонением конформации РС-палладацикла от планарной, характерной для стерически не затрудненных фосфитных палладациклов. Отсутствие этого важного элемента хиральности в случае #праис(Л',С)-изомеров валинагного адщукга может существенно снижать эффективность переноса хиральной информации в подобных системах.

орлго-Палладированная структура и цис-(Р,Р)-геометрия координационной сферы металла в фосфиновом производном гас-1с подтверждены методом РСА (рис. 4). Отклонение от формально плоско-квадратного координационного окружения металла в комплексе (Sa)*-lc превышает характерное для известных ахиральных фосфитных РС-палладациклов: углы {C'Pd'P1}/ {Cl'Pd'P2} 14.83 и 0.81-13.45°. Степень непла-нарности РС-палладацикла (5л)*-1с сопоставима с таковой для стерически напряженных аналогов: ®„ 16.80 и 15.19-21.08°.

Его 8-конформация противоположна Л-конфигурации псевдо-тетраэдра. Аксиальная хи-ральность (S0)-1,1 '-бинафтильного фрагмента индуцирует 8(&)-скручивание 1,3,2-диоксафос-

фепинового гетероцикла (га^у 42.35°). Стандартным методом установлена Р-конфигурация РРЬз-пропеллера в фосфиновом аддукте (5а)*-1с (т„ 38.6°). Сравнение параметров комплекса (5„)*-1с и его аналогов показало, что введение объемных заместителей в структуру фосфитных ЦПК приводит к увеличению тетраэдрического искажения координационной сферы и степени скручивания пашгадацикла.

Для оценки влияния упаковки в кристалле на структуру и стереохимию комплекса 1с, мы

Рис. 5. Рассчитанная квантово-химичес- провели расчет методом DFT структуры его

ким методом структура фосфино- (дщ_эншт10мера (рИС. 5). Отклонение рассчи-вого производного (S„)-lc для газовой фазы. танных структурных параметров от эксперимен-

Рис. 4. Молекулярная структура (50)*-энан-тиомера фосфинового адцуктагас-1с.

тально найденных (РСА) не превышает 2%; стереохимические характеристики комплекса в двух фазах также близки.

Для подтверждения стереохимической стабильности аддукта (50)*-1с мы дополнительно провели расчеты методом ОБТ энергии его структур с модифицированными конфигурационными, информационными и ротамерными параметрами. Рассчитанное для газовой фазы тетра-эдрическое искажение координационной сферы металла несколько меньше найденного в кристалле: /Р(1)"'С'"С1" Р(2) +8.68 и +15.48°, при идентичной Л-конфигурации псевдо-тетраэдра в обоих случаях (рис. 6). Дополнительные расчеты с модифицированными параметрами показали, что его альтернативная Л-конфигурация в комплексе (&)-1с не реализуется, (рис. 7).

Рис. 6. Рассчитанный А-псев-до-тетраэдр аддукта (5я)-1с

------------- Д 6. Л

\ 4- /

ч

1 V/,

.........:10......_„.< 10 ж> 3

юре. угол. Р1-С' -Р2,0

Рис. 7. Зависимость энергии комплекса (&)-1с от значения торсионного угла

/р'-с-а-р2

Степень непланарности РС-палладацикла в полностью оптимизированной структуре аддукта (5„)-1с близка к найденной для кристалла 15.41 и 16.80°), а его 8-конформация (рис. 8) сохраняется в обеих фазах. Расчеты структур с модифицированными параметрами металлацик-ла показали, что его 5-стереохимия является единственно возможной в газовой фазе (рис. 9).

Рис. 8. Рассчитанный 8-пал-ладацикл аддукта (50)-

Рис. 9. Зависимость энергии комплекса (&)-1с от торсионного угла /С1 "Р'-О'-С2

Столь же близкими к экспериментально найденным оказались и рассчитанные параметры 1,3,2-диоксафосфепи-нового цикла, включающего (£„)-1 Д'-бинафтндькый фрагмент (рис. 10). Степень скручивания семичленного кольца (шат 41.58 и 42.35°) и его 5(5,)-конформация идентична в обеих фазах.

Ротамерное состояние координированного с палладием лиганда РРЬз в аддукте (^Хс весьма сходно в кристалле и в газовой фазе; значения параметра го„ (41.20 и 38.6°) для этих фаз указывают на идентичную ^-конфигурацию РРЬз-пропеллера в обоих случаях (рис. 11). Однако оценка энергии других ротамерных состояний РРИз-пропелле-ра показала, что эта стереохимия координированного фосфина не является единственно возможной: барьер согласованного вращения РРЬ-колец вокруг осей Р-С'"™0 при комнатной температуре не превышает 2.5 ккал/ моль (рис. 12), что лишь немного выше барьера вращения для свободного РРЬз (-1.5 ккал/моль).

Рис. 10. Рассчитанный 6-1,3,2-диоксафосфепиновый цикл адцукта (5У-1с

Рис. 11. Рассчитанный Р-РРЬз-про-пеллер аддукта (5л)-1с

Рис. 12. Зависимость энергии комплекса (5„)-1с от ротамерного состояния РРЬз-пропеллера при вращеиии одного из Р-фенильных колец; М2, Рг - двухлопастные пропеллеры, М3, Рз - трехлопастные пропеллеры.

Таким образом, нами показано, что аксиально-хиральный (5а)-1,1'-бинафтильный фрагмент в комплексе (5,)-1с однозначно диктует 8-конформашпо как 1,3,2-диоксафосфепинового гетероцикла, так и РС-палладацикла, а также Л-конфигурацию псеедо-тетраэдрического окружения металла. Альтернативное сочетание этих стереохимических элементов - / \pciipd -невозможно.

Сравнение рассчитанных параметров для фосфинового аддукта и валинатного производного фосфитного РС-палладацикла, (5„)-1с и (5'„,/?с)-1Ь, показало, что стерические требования

14

вспомогательного лиганда оказывают существенное влияние на их стереохимию. Так, в фосфи-новом аддукте (.Sy-le плоско-квадратное окружение палладия и РС-палладацикл более искажены, чем в менее напряженном валинатном производном (Sa,Rc)-l<i- ¿Р(1) ' С(1)" С1'Р(2) +8.68 и +0.97°; то1У 15.41 и 0.60°. Это позволяет предположить, что в фосфитных ЦПК данного типа перенос хиральной информации от ее первичного источника к реакционному центру будет осуществляться более эффективно при наличии сгерически требовательных вспомогательных ли-гандов за счет участия в этом процессе двух дополнительных элементов хиральности - псевдо-тетраэдрической координационной сферы и твистованной конформации палладацикла.

3.2. Р*-Хиральный диазафосфолидицовый фосфаиалладацикл

Диазафосфолидин HL2 предоставляет два подходящих для палладирования участка: ароматическое кольцо анилинового фрагмент (А) и Ме-группу орто-толильного /"-заместителя (Б, схема 9). Априорно наиболее вероятным представлялось первое направление ввиду большей легкости активации ароматической связи (sp2)C-H по сравнению с алифатической (sp3)C-Н, что и установлено с помощью спектральных и ректгенострукгуркых исследований производных палладацикла 2.

В подтверждение «уиио-палладированной структуры нового РС-палладацикла 2 (направление А) можно привести следующие аргументы: (i) сохранение Ме-группы РТоГ заместителя очевидно из присутствия трехпротонного синглета в сильных полях спектра ЯМР 'Н фосфино-вого аддукта гас-2b; (ii) протоны анилинового фрагмента представлены лишь четырьмя разрешенными мультиплетами, стартовой точкой для идентификации которых послужило определение геометрии этого производного.

Присутствие в спектре ЯМР 31Р фосфинового аддукта гас-2Ъ лишь одного набора сигналов указывает на региоселективность как циклометаллирования, так и координации вспомогательного лиганда с РС-палладациклом, а также на диастереоселективное закрепление атома N(3) в определенной конфигурации. Типичная для фосфапалладациклов с я-акцепторными Р-донорными атомами цис(Р, Р)-геометрия комплекса гас-2Ь установлена на основании низкого значения константы 2Ур,р (33.4 Гц).

СН3 (SjO-2

(SP> V

Схема 9

Рис.13. Эффекты анизотропии в аддукте цис{Р,Р)-гъ

Сигналы ароматических протонов метилированного анилинового фрагмента и ер/ио-толильного Р-зачестителя дифференцированы на основании анализа эффектов анизотропии от (¡) координированного с палладием хлорида и (и) Р-фенильных колец вспомогательного лиганда РРЬз (рис. 13). Первый из них позволяет отнести наиболее слабопалъный из четырёх взаимосвязанных сигналов к орто-протону Н(6) анилинового фрагмента, максимально сближенному с хлоридом: расстояние Н(6)" С1 2.6 А (данные РСА). Второй эффект позволил идентифицировать силъмполъный (за счет анизотропии РРЬ-колец) сигнал протона Н(б') орто-толильного кольца: расстояние от протона Н(б') до центра ближайшего РРЬ-кольца равно 3.7 А (данные РСА).

орто-Палладированная структура и чис(Р,Р)-геометрия координационной сферы металла, а также относительная (ЗсЯщЯ.чзЗ'р)*-конфигурация диазафосфолидинового фрагмента однозначно установлены реитгеносгрук-турным исследованием фосфинового аддукта гас-2Ъ (рис. 14). Данные РСА указывают на сближение метальной группы РТо1° заместителя с металлом: С(18)" И 2.74(4) А. Однако экспериментально мы не обнаружили признаков активации алифатической связи С-Н. Этот факт можно рассматривать как еще одно свидетельство ббльшей реакционной способности ароматических связей С-Н по сравнению с алифатическими в процессах цикло-палладирования. Плоско-квадратное координационное окружение металла и фосфапалладацикл в аддукте гас-2Ь не обнаруживает сколько-нибудь значимых искажений: угол {С"Ра|Р2)/{С1|Р(11Р1} 2.57° и 4.99°.

С{)1|

сан,

С(22)

СШ|

Рис. 14. Молекулярная структура фосфинового аддукта 2Ь.

3-3. Фосфапалладацикл со связью Р<)-С*

Циклопалладированная структура РС-палладацикла, содержащего прямую связь металла с асимметрическим С*-стереоцентром, а также геометрическая конфигурация его моноядерного фосфинового производного гас-ЗЬ подтверждены спектральными исследованиями последнего. Наличие лишь одного набора сигналов с величиной КССВ 2Л,р 353 Гц в спектре ЯМР 3!Р этого комплекса свидетельствуют о региоселективной транс(Р,Р)-координации вспомогатель-

16

ного лиганда. Значительно большее значение константы Ун,р2 по сравнению с 1/н,р> для протона а-СН (13.1 и 3.6 Гц) в спектре ЯМР 'Н фосфинового аддукта гас-ЗЬ, обусловленное вкладом спин-спинового взаимодействия а-СН "Р2 через пространство, может служить дополнительным подтверждением его тра»с(Я, Р)-геаметрии.

Спектры ЯМР 'Н комплекса гас-ЗЬ подтвердили его цикломе-

Н6 'Ви ,

? иВи таллированную структуру и позволили установить участок метал-'Р

лирования. В пользу активации алифатической связи именно орта-гРЬз ЭТШ1Фенильного заместителя в лиганде НЬ3 свидетельствуют (1) Ме Н'' мультиплетность и КССВ сигналов протонов а-СН и Ме-группы,

Рис. 15. 1гапз(Р Р)- О') сохранение дублетных девяти протонных сигналов 'Ви-групп, а

Конфигурация также (ш) их диастереотопность. Отметим, что прецеденты акти-

адцукта гас-ЗЬ , 3,„ „ , , ,

вации в мягких условиях связи (ер )С-Н Ви-группы в фосфинах

типа АгРВи'г известны, несмотря на напряженность образующихся при этом четырехчленных

палладациклов. Отнесение сигналов протонов фениленового фрагмента сделано на основании

идентификации слабопольного сигнала протона Н6 (д.д.д) по КССВ 3/цр1; для остальных

протонов {СбН«} констант Ун,р не обнаружено.

ортоПалладированная структура и

абсолютная конфигурация атома углерода,

непосредственно связанного с палладием, од"

однозначно установлены рентгенострук-

турным исследованием одного из диасге-

реомеров его диаминового производного,

(Яс&ЯсУЗс (рис. 16).

Плоско-квадратное координационное

окружение металла в аддукте (8сЯсЛс)~Зс

искажено столь же незначительно, как и в Рис. 16. Молекулярная структура аддукта

структуре (5с)-пролинатного производного (^йсВД-Зс. Сольватная молекула

ацетонитрила удалена для упроще-(4а) Р*-хирального палладацикла (5»-4: ния восприятия

углы ¡М-Рс1-Е}/{Р-Р(1-С} равны 5.24 и 3.5°. К необычным особенностям структуры комплекса (5сАЛс)-Зс следует отнести практически полную планарность фосфапалладацикла (ш„ 2.64°), резко контрастирующую с его весьма заметным скручиванием в структурах ахиральных цикло-палладированных производных РТо1°з (ш„ 11.5-29.2°) и аддукта (5»-4а (та,, 18.2°), не содержащих заместителя при металлированном атоме углерода Конформация диаминового Л'.Л'-хе-латного цикла в РС-аддукге (5с,ЛсЛс)-Зс имеет форму конверта, подобную таковой в его известном СЛ'-аналоге (ш„ 30.8 и 32.2°).

4. Применение циклопалладированых комплексов в катализе

Предполагалось два направления использования в катализе оптически активных ЦПК, полученных на основе трапных и прохиральных лигандов. Комплексы первого типа предназначались для апробации в асимметрическом катализе, а вторые - для выяснения судьбы палла-дациклов при их функционировании в каталитических циклах на примере ахиральных. процессов.

4Л. Попытка энантиоселективного катализа гидроарилирования

Первое направление было ограничено апробацией РС-палладацикла 2 в катализе гидроарилирования норборнена Известны лишь две работы по применению в этом процессе оптически активных ЦПК с СЛ'Л- или СЛ'-палладациклом, причем приемлемая каталитическая активность достигалась только при повышенных температурах (65-120 °С) и без признаков асимметрической индукции (0 %ее).

Поскольку энантиоселективность реакций обычно понижается в жестких условиях, предварительно мы оценили возможность проведения каталитического гидроарилирования при комнатной температуре, используя на этом этапе рацемический диазафосфолидиновый димер гас-2а (схема 10).

\ гас- 2а, 1 мол%,

/-" + РЫ Е|3Ы/НС02Н

С^^В ОМвО, 20°С, 120 ч

пЬ

Схема 10

Нами показано, что каталитическая активность димера гас-2а достаточна для проведения гидроарилирования норборнена при комнатной температуре и позволяет выделить 2-фенил-норборнан (11) с выходом 65%. При катализе этой реакции оптически активным комплексом ($р)-2а в аналогичных условиях продукт арилирования 11 выделен с выходом 55%. Однако, несмотря на более мягкий температурный режим, асимметрическая индукция от Я*-хирального палладацикла (5»-2 не обнаружена.

4.2. Тестирование механизмов реакций

Отсутствие асимметрической индукции от />*-хирального палладацикла (5»-2 в наших экспериментах по гидроарилированию и серия известных из литературы неудач в процессах тапа кросс-сочетания потребовали выяснения судьбы палладациклов при их функционировании в каталитических циклах. Наша идея тестирования заключалась в проведении каталитичес-

ких реакций с участием оптически активных цикпопалладированных производных прохираль-ных лигандов, с последующей регенерацией катализатора с целью контроля его энантиомер-ного состава При этом события могут развиваться по одному из двух сценариев.

(¡) Если палладацикл не подвергается дехелатированию за счет разрыва связи Рй-С при его функционировании в каталитическом цикле, то выделенный по окончании реакции комплекс должен сохранять как абсолютную конфигурацию, так и исходный энантиамерный состав (схема 11, путь А). Такой результат можно ожидать либо при катализе за счет взаимопревращений Р^/Ра™, либо при реализации редокс-схемы Рс^ЛМ", но только при условии функционирования ЦПК в каталитическом цикле в виде анионных частиц типа [(г)2-Ь)1М0У„]~.

(н) Если катализ осуществляется по классической схеме Рс10/Рс1п, предполагающей дехе-латированиг палладацикла за счет разрыва связи Рй-С, то с учетом стандартных для процессов кросс-сочетания условий (>100 °С, основание) резонно было предположить возможность повторного циклопалладирования образующегося при этом прохирального к'-координированного через гетероатом лиганда. Однако в этом случае выделенный по окончании реакции такого типа комплекс должен быть рацемическим (схема 11, путь Б).

Для оценки судьбы палладациклов при их функционировании в катализе мы использовали циклопалладированные производные прохиральных Р- (4) и //-донорных лигандов (5). Установленная нами пониженная конфигурационная стабильность РС-палладацикла 3 с прямой связью Рё-С* (см. раздел 2.3) вынудила нас отказаться от его применения в тех же целях.

Первоначально мы выбрали известный энантиомерно обогащенный (91 %ег) Р*-хиральный РС-димер в качестве катализатора, а в качестве модельной реакции -

кросс-сочетание по Хеку. С целью обеспечения количеств регенерированного катализатора,

сохранение палладацикла и его ЭЧ

Схема 11

разрушение и рацемизация пазладацикпа

достаточных для последующих спектральных исследований, для арилирования стирола был избран малоактивный хлорид PhCl. Реакция проводилась в стандартном для таких процессов высокотемпературном режиме (150 °С, схема 12). Выделенный после ее окончания с выходом 76% димер (5»-4Ь имел пониженную до 17% ее энантиомерную чистоту.

^ (S/.,S/.)-4a, 2.7 mol°/o ^ ph

PhCl + Ph/"4 —-^ Ph-^4^

ДМА, NaOAc,

36 ч, 150°C 56 %

Схема 12

В холостом опыте, при нагревании энантиомерно чистого димера (5/>, 5»-4а (>98 %ее) в диметилацетамиде (ДМА) в присутствии ацетата натрия, но без арилхлорида и стирола, выделенный с количественным выходом димерный ЦГЖ оказался оптически активным, с той же абсолютной конфигурацией и лишь незначительно пониженной ЭЧ (86 %ее; схема 13):

°ТоЦ >Ви' °То1ч ци'

\ ДМА, АсОЫа (Т^^Г^'^ -С1

рл V :-»- V

26 ч, 135 °С "^Л-У Ч^ 2 2

>98 %ее 99%, 86 %ее

Схема 13

Контраст между энантиомерным составом образцов комплекса (5д5р)-4а, выделенных из основного и холостого опытов (17 и 86 %ее), вполне согласуется с предположением о деструкции ЯС-палладацикпа при его функционировании в катализе. Незначительное понижение его ЭЧ в холостом опыте резонно связать с возможностью внутримолекулярного перепаллади-рования лиганда при повышенной температуре; этот маршрут может вносить определенный вклад в понижение ЭЧ и в основном опыте. Процесс перепалладирования по такому сценарию должен приводить к образованию комплекса (ЯрЯе)-4а противоположной конфигурации, что с учетом обратимости процесса обеспечивает в итоге частичное понижение ЭЧ исходного палла-дацикла

Неудачный первоначальный выбор структуры тестового катализатора и модельной реакции заставил нас обратиться к планарно хиральному СЛ'-палладациклу (5^/)-5, внутримолекулярное перепалладирование которого принципиально невозможно (схема 14).

Внутримолекулярное перепалладирование

возможно:

Н

Me, >1е

не возможно:

Н

(ад-5

Схема 14

Кроме того, в этом случае в качестве модельного процесса мы избрали реакцию Сузуки, которая может быть проведена в относительно мягких условиях. Предварительные эксперименты с димером гас-5а показали его высокую каталитическую активность: полная конверсия л-толилбромида достигается за 15 мин. при комнатной температуре (данные ТСХ, схема 15).

Далее реакция Сузуки проводилась с участием оптически активного циклопалладиро-ванного катализатора (Spi£pi)-5a (91% ее, данные ЯМР 3!Р) в условиях, аналогичных приведенным на схеме 15, но с большей длительностью (20 "С, 24 ч), что позволило выделить би-арил 12 с выходом 94%. К сожалению, вследствие выделения палладиевой черни в этих реакциях димер удалось регенерировать лишь с низким выходом (23 %); ситуация осложнялась его образованием в виде смеси двух форм, ц-хлоридной (5а) и ц-бромидной (5с) вследствие мета-тезиса анионов в условиях катализа. Энантиомерный состав смеси двух димеров определен методом ЯМР 31Р (см. раздел 2.4); сигналы диастереомерных хлоридных ((5р/,Лс)-5Ь и (Rpiflc)-5b) и бромидных ((Spific)-Sd и (RpificY5d) ментилфосфинитных адцуктов идентифицированы на основании спектров их заведомых образцов, генерированных in situ обработкой хлоридного димера (гас-5а) или его бромидного аналога (гас-5с) фосфинигом (ic)-MenthOPPh2 (Q). Анализ

TolBr + PhB(OH)2

гас- 5а, 5 mol%

К2С03, ТВАВ Ме0ШН20 20 °С, 1S мин

Ме^^ 12 конверсия 100% (ТСХ)

Схема 15

спектральных характеристик выделенного после катализа и хирально дериватизированного СДГ-палладацикла (5^/,^/)-5 показал лишь незначительное понижение ЭЧ (от 91 до 83 %ее)

Можно предложить два объяснения незначительной потери ЭЧ катализатора (на -8%), зафиксированной в эксперименте с катализом модельной реакции Сузуки димером

(1). Этот результат может служить аргументом в пользу широко известного предположения Хермана о роли палладациклов в катализе как резервуара, поставляющего в каталитический цикл частицы нульваленгного палладия высокой каталитической активности. В этой версии неясными остаются как причины, побуждающие ббльшую часть циклопалладированного катализатора уклоняться от участия в катализе, так и природа мифических частиц Р<1°, обладающих уникальной каталитической активностью.

(и). Наблюдаемый нами результат тестирования реакции Сузуки может быть свидетельством реализации принципиально иного каталитического цикла, в котором истинными катализаторами являются анионные циклометаллированные частицы типа [(г|2-Ь5)Рд°Уп]"", содержащие Ра(0). Косвенным подтверждением этого предположения может служить тот факт, что только в реакциях Сузуки, катализируемых оптически активными палладациклами была обнаружена вполне заметная асимметрическая индукция (до 54% ее).

Результаты наших исследований судьбы палладациклов в катализе кросс-сочетания позволяют предположить, что формально аналогичные в механистическом плане процессы (реакции Хека, Сузуки, Стилле, Соногаширы, Бучвальда-Хартвига и другие), могут реализоваться по принципиально различным маршрутам.

Выводы

1. Синтезированы энантиомерно чистые фосфапалладациклы ранее неизвестных структурных и/или стереохимических типов: первый РС-палладацикл с элементами аксиальной хи-ральности; первый РС-палладацикл с асимметрическим С*-стереоцентром, непосредственно связанным с металлом и являющимся единственным источником оптической активности; первый РС-палладацикл с л-акцепторным Р-стереоцентром на основе диазафосфолидина. Оптимизированы условия активации связей (зр2)С-Н или (зр3)С-Н в соответствующих ли-гандах.

2. Впервые показана возможность прямой активации связей С-Н в хиральных лигандах, полученных на основе 1,1'-бинафтил-2,2'-диола (ВПЧОЬ) в условиях термолиза (-110 °С) без понижения энантиомерной чистоты исходного лиганда, вместо обычно используемой многостадийной процедуры, основанной на окислительном присоединении предварительно функ-ционализованного лиганда.

3. Проведено полное отнесение сигналов в спектрах ЯМР 'Н с использованием не только стандартных экспериментальных методик, таких как ЯМР 'H{'Hj и 'Н{31Р}, COSY, NOE, но и расчетов спектров и структур квантово-химичесюш методом (DFT), а также с привлечением данных РСА.

4. Впервые на примере фосфитных ЦПК проведен детальный анализ специфики переноса хиральной информации в фосфапалладациклах от ее первичного источника к палладациклу и к координационному окружению металла на основании геометрических параметров новых комплексов в газовой фазе (расчеты методом DFT) и в кристалле (РСА).

5. Разработаны новые спектральные (ЯМР 31Р) методы определения энантиомерного состава РС-палладациклов и исходных оптически активных лигандов с применением (Лг)-вали-ната, (Лс^?с)-стильбендиамина или энантиомерно чистого (i^-CA-палладацикла на стадии хиральной деривагизации.

6. Впервые разработан универсальный способ привлечения спектроскопии ЯМР 31Р для определения энантиомерного состава CjV-палладациклов, основанный на использовании в качестве хирального дериватизирующего агента фосфишгга (ZfcJ-MenthOPPhj, легко доступного из природного спирта - (Лс)-ментола.

7. Показана высокая каталитическая активность /"•-хирального диазафосфодидинового РС-палладацикла в реакции гидроарилирования норборнена; признаки асимметрической индукции в этом процессе не обнаружены.

8. Разработана принципиально новая методология оценки судьбы паяладациклов при их функционировании в катализе, основанная на применении оптически активных цюсгопаллади-рованных производных прохиральных лигандов в качестве (прс)кзталшаторов, с последующим анализом изменений в энантиомерном составе регенерированного катализатора.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Valery V. Dunina, Olga N. Gorunova, Valeriya A. Stepanova, Pavel A. Zvkov. Michail V. Livan-tsov, Yuri К. Grishin, Andrey V. Churakov and Lyudmila G. Kuz'mina. "Enantiomerically pure cyclopalladated diazaphospholidine". Tetrahedron: Asymmetry, 2007,18,2011-2015.

2. Valery V. Dunina, Pavel A. Zvkov. Michail V. Livantsov, Ivan V. Glukhov, Yuri К. Grishin, Konstantin A. Kochetkov. "First optically active phosphapalladacycle bearing a phosphorus atom in an axially chiral environment". Organometallics, 2009,28,425-432.

3. B.B. Дунина, П.А. Зыков. M.B. Ливанцов, И.В. Глухов, К.А. Кочетков, И.П. Глориозов, ЮК. Гришин. "Первый оптически активный ЯС-палладацикп с атомом фосфора в аксиально хиральном окружении". Изв. РАН, Серия хим., 2009, № 11,2247-2264.

4. Valery V. Dunina, Pavel А. Zvkov. Michail V. Livantsov, Ivan V. Glukhov, Yuri К. Grishin, K.A. Kochetkov. "First optically active phosphapalladacycle bearing a phosphorus atom in an axially chiral environment". 38lk International Conference on Coordination Chemistry, ICCC-38, Izrael, Jerusalem, 20-25 July 2008, Abstract Book, p. 519.

5. P.A. Zvkov. Michail V. Livantsov, I.V. Glukhov, Yu.K. Grishin, I.P. Gloriozov, V.V. Dunina, K.A. Kochetkov. "First example of optically active phosphate palladacycle bearing a phosphorus atom in an axially chiral environment". International Conference on Organometallic and Coordination Chemistry, ICOMCC, Russia, Nizhny Novgorod-Goritsy-Nizhny Novgorod, 2-8 September 2008, Book of Abstracts, 056.

Подписано в печать:

12.01.2010

Заказ № 3234 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

I. Введение.

II. Литературный обзор "Применение циклопалладированных комплексов в энантиоселективном катализе".

11.1. [3,3]-Сигматропные перегруппировки.

11.1.1. Аза-кляйзеновская перегруппировка.

11.1.2. Окса- и тиакляйзеновские перегруппировки.

11.2. Альдольная конденсация.

11.3. Реакция Михаэля.

11.4. Реакции аллилирования кратных связей и аллильного замещения.

11.4.1. Реакции аллилирования альдегидов и иминов.

11.4.2. Реакции аллильного замещения.

11.5. Другие трансформации.

11.6. Кросс-сочетание и аналогичные процессы.

История развития химии циклопалладированных комплексов (ЦПК) насчитывает почти половину столетия — первое соединение этого класса было синтезировано в 1965 году.1'1 Первоначально химия ЦПК была ориентирована преимущественно на разработку различных вариантов региопаправленного топкого органического синтеза в стехиометрическом режиме.'2^ Начало развития стереохимии пал-ладациклов датируется появлением в 80-х годах прошлого века первых оптически активных С*-хиральных CTV-палладациклов, производных а-арилалкиламинов'3'4' и их планарно-хиральиых аминоалкилферроценовых аналогов;'5'6' эти структуры долгое время оставались монополистами в своей области.

Безусловным прогрессом последних десятилетий в химии хиральных ЦПК следует признать резкий всплеск интереса к структурной и стереохимичсской диверсификации соединений этого класса. Коллекция известных к настоящему времени оптически активных палладациклов насчитывает сотни структур, включая как мопоциклические CN-, CS- и РС-комплексы, так и их бициклические "пинцетные" SCS-, NCN- и РСР-апалоги, преимущественно содержащие эндо- или экзо-цикли-ческие С*-стереоцентры.

Если проанализировать все варианты практического применения оптически активных палладациклов, то становится очевидным, что все они в конечном итоге обслуживают нужды сгехиометрического и каталитического асимметрического синтеза. Действительно, первое, наиболее широко развитое и ставшее рутинным направление — разделение на циклопалладированных матрицах энантиомеров рацемических фосфинов, дифосфинов и амипофосфинов,17'^ поставляет лиганды для асимметрического катализа комплексами переходных металлов. Фактически той же цели служат и многочисленные варианты промотируемых хиральными CvV-пал-ладациклами реакций [4+2]циклоприсоедипспия Дильса-Альдера'9' и гидрофосфи-нирования/10'1'' Спектральное определение энантиомерного состава'12'13' и абсолютной конфигурации'1^ органических молекул, способных к координации с палладием, с использованием оптически активных CN- или РС-палладациклов на стадии хиральной дериватизации, также можно рассматривать как простой и надежный инструмент контроля за эффективностью асимметрических трансформаций любого типа.

Отличительной особенностью последних лет следует признать более непосредственное вовлечение хиральных ЦПК в энантиоселективный катализ в роли катализаторов или прекатализаторов. Эта область находится лишь на начальных этапах развития, поэтому неудивительно, что потенциал палладациклов оценен далеко не во всех трансформациях, подвластных классическому палладиевому катализу. Для достижения успеха здесь необходимо оптимальное сочетание каталитической активности циклопалладировапного комплекса с его способностью к хи-ральному распознаванию; для выполнения последнего условия существенно сохранение металлацикла при его функционировании в катализе. Решение этих задач требует как создания новых хиральных ЦПК ранее неизвестных структурных и сте-реохимических типов, так и более глубокого исследования механизмов катализируемых реакций, направленного на выяснение судьбы участвующих в катализе палладациклов.

Цель настоящей работы — синтез оптически активных ЦПК новых стереохи-мических типов, включая фосфитный РС-палладацикл с атомом фосфора в аксиально хиральном окружении, диазафосфолидиповый РС-комплекс с 7г-акцептор-ным Р-донором и фосфиновый РС-палладацикл с прямой связью Рё-С*, а также разработка нового метода тестирования механизмов катализируемых реакций, основанного на применении оптически активных циклопалладированных прохираль-ных лигандов.II. Применение циклопалладированных комплексов в энантиоселективном катализеВнедрение в гомогенный металлокомплексный катализ циклопалладированных соединений принято считать началом новой эры в этой области. Преимущества этого нового класса (пре)катализаторов основаны на их чрезвычайно высокой термической, окислительной и гидролитической стабильности. Именно эти свойства определяют их уникальную эффективность в катализе процессов образования связей С-С и C-N. С переходом от классических координационных соединений палладия к ЦПК удалось не только добиться рекордных значений TON (до 1011) в реакциях, обычно требующих затрат до 10 мол% дорогого катализатора/'5"18' но и вводить в них дешевые, но малореакционноспособные арилхлориды/19'201Поэтому неудивительно, что следующим шагом в развитии этой ветви тонкого органического синтеза стал переход к энаптиоселективному катализу хираль-ными палладациклами. В данном обзоре представлен анализ результатов исследований поведения хиральных моно- и бициклических ЦПК в катализе различных химических трансформаций. Из рассмотрения исключены карбеновые аналоги ЦПК и металлациклические соединения СС-типа, поскольку они выходят за рамки классического определения циклопалладированных соединений как структур с одним или несколькими карбанионными центрами, стабилизированными координацией металла с одним или более гетеродонорным атомом.

Следующим шагом в процессе усовершенствования планарно-хиральных катализаторов стало использование ферроценильных палладациклов Va-i с 1,3-окса-золинильными донорными группами (семейство катализаторов "FOP" — Ferrocenyl Oxazoline Palladacycles)/3j'39'40]R\SiCpFeMe,SiCpFeCEt2(OMe)(RplSc)-Va-cR = Pr¡, R' = Me (a); R = Bu1, R' = Me (b), Et (c).GSUSc)-VdRn = H (e), 2-Me (f), 4-MeS (g), 4-CF3 (h), 2,6-(MeO)2 (i).

1с (Аг = 4-МеОС6Н4) 2с, 99.6% ее(Я), 94%Авторы предполагают, что повышенная каталитическая активность паллада-циклов VIa,b, принадлежащих к семейству "FIP" (Ferrocenyl Imidazoline Pallada-cycles), обусловлена (по меньшей мере частично) электроноакцепторными свойствами Ph-колец, усиливающих льюисову кислотность металлического центра. Вероятно, энантиоселективность таких структур во многом определяется конформаци-онными 01раничениями, накладываемыми объемным РЬ5Ср-фрагментом. К сожалению, оба катализатора работают только после их предварительной активации солями серебра.

Большинство фсрроцснильпых ТДПК - IVa-f,l38] Va-i,L33'39'40'60"62J VIIa-e[44] и хромтрикарбонильные соединения IXa,b,'33'55'6jJ получены альтернативным способом, основанным на окислительном присоединении предварительно функциопали-зовапного лиганда к соединению палладия(О), обычно Pd2(dba)3 (dba = дибепзили-депацетоп) или персметаллированисм токсичных ртуть-органических предшественников с последующим разделением диастереомеров.'63' Эти методы сильно проигрывают предыдущему подходу по нескольким причинам: (i) оба метода довольно трудоемки и многостадийны, первый из них часто включает двукратное лигиирова-пие, если необходимо блокирование нежелательного участка мсталлировапия си-лильпой группой; (ii) всс стадии проводятся па оптически активном исходном соединении, что сопряжено со значительными потерями дорогих хиральных соединений; (iii) поскольку для фунгщионализации лигандов обычно используют йодирование, то конечные ЦПК образуются в виде ц-йодидных димеров, которые не обладают каталитической активностью, что с неизбежностью требует замены йодида на другой анион, обычно с помощью солей серебра или таллия.

Анализ результатов апробации циклопалладированных катализаторов показывает существенную зависимость их активности и энантиоселсктивности от структуры субстрата. Наиболее существенна природа заместителя R1 в винильном положении, поскольку он сохраняется в конечном аллиламине. Практически приемлемые химические и оптические выходы были получены только в реакциях субстратов со сравнительно слабо разветвленными заместителями R1 = Me, Pr, Ви1, Вп, PhCH2CH2; при R1 - Рг; скорость реакции обычно заметно снижается. До сих пор не удалось распространить этот подход на субстраты с R1 = Ph, Bul, даже с использованием наиболее эффективных катализаторов, что существенно ограничивает область применимости перегруппировки Овермана.

Еще одну проблему представляет заметное понижение скорости реакции в случае субстратов (^-конфигурации по сравнению с (£)-аналогами, хотя зависимость энантиоселективности реакции от геометрии субстрата как правило противоположна. Снятие этой нежелательной зависимости позволило бы получать оба энантиомера аллиламина с катализатором одной и той же конфигурации.

V. Выводы

1. Синтезированы эпантиомерно чистые фосфаналладациклы ранее нензвес-тных структурных и/или стереохимических типов: первый РС-палладацикл с элементами аксиальной хиральности; первый РС-палладацикл с асимметрическим С*-стереоцентром, непосредственно связанным с металлом и являющимся единственным источником оптической активности; первый РС-палладацикл с я-акцспторным Р-стереоцентром на основе диазафосфолидипа. Оптимизированы условия актива

О 1 ции связей (sp )С-Н или (sp )С-Н в соответствующих лигандах.

2. Впервые показана возможность прямой активации связей С-Н в хираль-ных лигандах, полученных на основе 1,Г-бипафтил-2,2'-диола (BINOL) в условиях термолиза (—110 °С) без понижения энантиомерной чистоты исходного лиганда, вместо обычно используемой многостадийной процедуры, основанной па окислительном присоединении предварительно функционализованного лиганда.

3. Проведено полное отнесение сигналов в спектрах ЯМР 'Н с использованием не только стандартных экспериментальных методик, таких как ЯМР 'щ'Н} и

I 31

Н{ Р}, COSY, NOE, но и расчетов спектров и структур квантово-химическим методом (DFT), а также с привлечением данных РСА.

4. Впервые на примере фосфитных ЦПК проведен детальный анализ специфики переноса хиральной информации в фосфапалладациклах от ее первичного источника к палладациклу и к координационному окружению металла на основании геометрических параметров новых комплексов в газовой фазе (расчеты методом DFT) и в кристалле (РСА).

3 1

5. Разработаны новые спектральные (ЯМР Р) методы определения энантио-мерного состава РС-палладациклов и исходных оптически активных лигандов с применением (Яс)-валината, (Рс,Рс)-стильбендиамина или энантиомерно чистого (^-СА^-палладацикла па стадии хиральной дериватизации.

6. Впервые разработан универсальный способ привлечения спектроскопии

31

ЯМР Р для определения энантиомерного состава GV-палладациклов, основанный на использовании в качестве хирального деривагизирующего агента фосфинита (Z?c)-MenthOPPh2, легко доступного из природного спирта - (Рс)ментола.

7. Показана высокая каталитическая активность /""-хирального диазафосфо-лидинового РС-палладацикла в реакции гидроарилирования норборнена; признаки асимметрической индукции в этом процессе не обнаружены.

8. Разработана принципиально новая методология оценки судьбы паллада-циклов при их функционировании в катализе, основанная на применении оптически активных циклопалладированных производных прохиральных лигандов в качестве (пре)катализаторов, с последующим анализом изменений в энантиомерном составе регенерированного катализатора.

1. А. С. Соре, R. W. Siekman, "Formation of Covalent Bonds from Platinum or Palladium to Carbon by Direct Substitution",./. Am. Chem. Soc., 1965, 87, 3272.

2. J. M. Vila, M. T. Pcreira, in Palladacycles. Synthesis, Characterization and Applications', J. Dupont, M. Pfeffer, Eds. Wiley-VCI I Verlag GmbH: Wcinheim, 2008, 5, 87.

3. S. Otsuka, A. Nakamura, Т. Капо, K. Tani, "Partial resolution of racemic tertiary phos-phines with an asymmetric palladium complex", J. Am. Chem. Soc., 1971,93,4301.

4. V. I. Sokolov, L. L. Troitskaya, O. A. Reutov, "Asymmetric induction in the course of internal palladation of enantiomeric 1-dimethylaminoethylferrocene",

5. J. Organomet. Chem., 1977, 133, C28.

6. V.I. Sokolov, L.L. Troitskaya, "Asymmetric Catalysis in Cyclometallation Reaction", Chimia, 1978, 32, 122.

7. J.-P. Djukic, in Palladacycles. Synthesis, Characterization and Applications', J. Dupont, M. Pfeffer, Eds. Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim, 2008, 7, 123.

8. S. B. Wild, "Resolutions of tertiary phosphines and arsines with orthomctallated palladium(ll)~amine complexes", Coord. Chem. Rev., 1997, 166, 291.

9. P.-H. Leung, "'Asymmetric Synthesis and Organometallic Chemistry of Functio-nalized Phosphines Containing Stereogenic Phosphorus Centers",

10. Acc. Chem. Res., 2004, 37, 169.

11. F. L. Liu, S. A. Pullarkat, Y. Li, Sh. Chen, M.Yuan, Zh. Y. Lee, P.-H. Leung, "Highly Enantioselective Synthesis of (2-Pyridyl)phosphine Based C-Chiral Unsymmetrical P,N-Ligands Using a Chiral Palladium Complex", Organometallics, 2009,28. 3941.

12. W.-Ch. Yco, S.-Y. Tee, G.-Kh. Tan, L. L. Koh, P.-H. Leung, "Chiral Palladium Template Promoted Asymmetric Hydrophosphination Reaction between Diphe-nylphosphine and Vinylphosphines", Inorg. Chem., 2004, 43, 8102.

13. V. V. Dunina, L. G. Kuz'mina, M. Yu Kazakova, Yu. K. Grishin, Yu. A. Veits, E. I. Kazakova, "orZ/jo-Palladated a-phenylalkylamines for enantiomeric purity determination of monodentate P -chiral phosphines",

14. Tetrahedron: Asymmetiy, 1997, 8, 2537, and references therein.

15. V. V. Dunina, O. N. Gorunova, M. V. Livantsov, Yu. K. Grishin, "P*-Chiral phosphapalladacycle as derivatizing agent for enantiomeric purity determination of a-amino acids by means of 31P NMR spectroscopy",

16. Tetrahedron: Asymmetry, 2000, 11, 2907, and references therein.

17. V. V. Dunina, L. G. Kuz'mina, M. Yu. Rubina, Yu. K. Grishin, Yu. A. Veits, E. I. Kazakova, "A resolution of the monodentate P*-ehiral phosphine PBu'C6H4Br-4 and its NMR-deduced absolute configuration",

18. Tetrahedron: Asymmetry, 1999, 10, 1483, and references therein.

19. C. Najera, D. A. Alonso, in Palladacycles. Synthesis, Characterization and Applications; J. Dupont, M. Pfeffer, Eds. Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim, 2008, 8, 155.

20. R. B. Bedford, in Palladacycles. Synthesis, Characterization and Applications', J. Dupont, M. Pfeffer, Eds. Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim, 2008, 9, 209.

21. J. Dupont, C. S. Consorti, J. Spencer, "The Potential of Palladacycles: More Than Just Precatalysts", Chem. Rev., 2005, 105, 2527.

22. I. P. Beletskaya, A. V. Cheprakov, "The Heck Reaction as a Sharpening Stone of Palladium Catalysis", Chem. Rev., 2000, 100, 3009.

23. R. B. Bedford, C. S. J. Cazin, D. Holder, "The development of palladium catalysts for C-C and C-heteroatom bond forming reactions of aryl chloride substrates", Coord. Chem. Rev., 2004, 248, 2283.

24. N. J. Whitcombe, K. K. Hii, S. E. Gibson, "Advances in the Heck chemistry of aryl bromides and chlorides", Tetrahedron 2001, 57, 7449 (review).

25. L. F. Tietze, H. Ila, H. P. Bell, "Enantioselective Palladium-Catalyzed Transformations", Chem. Rev., 2004, 104, 3453.

26. J. Dupont, M. Pfeffer, J. Spencer, "Palladacyclcs An Old Organometallic Family Revisited: New, Simple, and Efficient Catalyst Precursors for Homogeneous Catalysis", Eur. J. Inorg. Chem., 2001, 1917.

27. A. Gutnov, "Palladium-Catalyzed Asymmetric Conjugate Addition of Aryl-Metal Species", Eur. J. Org. Chem. 2008, 4547.

28. P. S. Pregosin, R. Salzmann, "Structure and dynamics of chiral allyl complexes of Pd(II): NMR spectroscopy and enantioselective allylic alkylation",

29. Coord. Chem. Rev., 1996, 155, 35.

30. J. T. Singleton, "The uses of pincer complexes in organic synthesis", Tetrahedron, 2003, 59, 1837.

31. M. E. van der Boom, D. Milstein, "Cyclometalated Phosphine-Based Pincer Complexes: Mechanistic Insight in Catalysis, Coordination, and Bond Activation", Chem. Rev., 2003, 103, 1759.

32. M. Albrecht, G. van Koten, "Platinum Group Organometallics Based on Pincer Complexes: Sensors, Switches, and Catalysts",

33. Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 3750.

34. L. E. Overman, "Molecular rearrangements in the construction of complex molecules", Tetrahedron, 2009, 65, 6432. (review)

35. L. E. Overman, N. E. Carpenter, Org. React. 2005, 66, 1.

36. L. E. Overman, "Thermal and mercuric ion catalyzed 3,3.-sigmatropic rearrangement of allylic trichloroacetimidates. 1,3 Transposition of alcohol and amine functions", J. Am. Chem. Soc., 1974, 96, 597.

37. L. E. Overman, "Allylic and propargylic imidic esters in organic synthesis", Acc. Chem. Res., 1980, 13, 218.

38. M. Calter, T. K. Flollis, L. E. Overman, J. Ziller, G. G. Zipp, "First Enantioselective Catalyst for the Rearrangement of Allylic Imidates to Allylic Amides",

39. J. Org. Chem., 1997, 62, 1449.

40. T. K. Hollis, L. E. Overman, "Palladium catalyzed enantioselective rearrangement of allylic imidates to allylic amides", J. Organomet. Chem., 1999, 576, 290.

41. P.-FI. Leung, K.-H. Ng, Y. Li, A. J. P. White, D. J. Williams, "Designer cyelopal-ladated-amine catalysts for the asymmetric Claisen rearrangement",

42. Chem. Commun., 1999, 2435.

43. M. P. Watson, L. E. Overman, R. G. Bergman, "Kinetic and Computational Analysis of the Palladium(II)-Catalyzed Asymmetric Allylic Trichloroacetimidate Rearrangement: Development of a Model for Enantioselectivity",

44. J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 5031.36.