Реакции сочетания арилгалогенидов, катализируемые комплексами никеля с диазабутадиеновыми лигандами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

005005506

На правах рукописи

лг

Валаева Валентина Николаевна

Реакции сочетания арилгалогенидов, катализируемые комплексами никеля с диазабутадиеновыми лигандами

Специальность 02.00.04 - Физическая химия

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

-8 ДЕК 2011

Москва-2011

005005506

Работа выполнена на кафедре физической химии ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова» (МИТХТ им. М.В. Ломоносова) и в лаборатории элементоорганических соединений кафедры органической химии химического факультета Московского государственной университета имени М.В. Ломоносова (МГУ им. М.В. Ломоносова).

Научные руководители:

д.х.н., профессор Флид Виталий Рафаилович (МИТХТ им. М.В. Ломоносова)

д.х.н., профессор Воскобойников Александр Зельманович (МГУ им. М.В. Ломоносова)

Официальные оппоненты:

д.х.н., профессор Брук Лев Григорьевич (МИТХТ им. М.В. Ломоносова)

д.х.н., профессор Васильев Андрей Александрович (ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН)

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»

Защита состоится 21 декабря 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного сове! Д212.120.05 при МИТХТ им. М.В. Ломоносова по адресу 119571, г. Москва, проспер Вернадского, д. 86, ауд. М-119.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова. С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте www.mitht.ru.

Автореферат разослан 21 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

Никишина Е.Е.

ОБЩАЯ ХАРАТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Эффективное создание связи C(sp2)-C(sp3) является одной из фундаментальных проблем современной органической химии. Такие связи присутствуют в большинстве природных соединений, и, как следствие, в многочисленных фармацевтических и агрохимических препаратах. Некоторые коммерческие красители содержат несколько связанных между собой ароматических колец. Полиароматические соединения нашли применение в качестве органических проводников или полупроводников. Ди- и триарильные производные являются основой для целенаправленного создания лигандов с заданной структурой в асимметрическом катализе.

Востребованность соединений, содержащих два и более сопряженных арильных фрагмента, весьма велика. Разработка эффективных, экономически и экологически приемлемых методов их синтеза является актуальной задачей. Разнообразные палладиевые системы являются активными и селективными катализаторами реакций кросс-сочетания арильных производных (реакции Сузуки, Хека, Негиши, Кумада и другие). Однако палладий весьма дорог и его применение не всегда экономически оправдано. В этой связи перспективной представляется разработка катализаторов на основе более доступных переходных металлов. Подобный подход реализован для реакции Кумада, протекающей с высокими выходами продуктов как в присутствии палладиевых, так и никелевых катализаторов. Другим важным примером является гомосочетание арилгалогенидов. Эту реакцию можно осуществлять с помощью комплексов палладия, но никелевые катализаторы оказались более эффективными для получения би-, три- и полироматических соединений.

В настоящее время наиболее распространен способ гомосочетания арилгалогенидов в присутствии каталитических количеств солей никеля (II) с применением различных лигандов. Соединения Ni(II) восстанавливают цинком до Ni(0) в присутствии йодид-ионов, а для стабилизации каталитически активных интермедиатов используют лиганды, например моно- и бидентантные фосфины, 1,5-циклоокгадиен, 2,2'-дипиридил и др. Однако упомянутые никелевые катализаторы имеют существенные недостатки: использование значительных количеств катализатора (от 0,1 экв.), а также дорогостоящего и токсичного лиганда (до 0,4 экв.), трудности, возникающие при отделении лиганда от продуктов, а также возможное участие лиганда в побочных реакциях.

Целью работы являются разработка и исследование нового семейства высокоактивных и синтетически доступных никельсодержащих катализаторов с диазабутадиеновыми лигандами для гомосочетания арилгалогенидов, изучение механизма действия этих катализаторов, а также возможности их применения для каталитического сочетания арилгалогенидов с ароматическими альдегидами и нитрилами.

Научная новизна и практическая значимость работы:

■ Разработаны новые высокоэффективные никелевые каталитические системы с

диаз абутадиеновыми лигандами для реакции гомосочетания арилгалогенидов. Осуществлен широкий скрининг диазабугадиеновых лигандов и других компонентов, подобраны оптимальные условия реакции (физическая химия).

■ Исследованы кинетические закономерности никель-катализируемой реакции гомосочетания арилгалогенидов. Методом спектроскопии ЭПР доказано наличие парамагнитных комплексов никеля© в ходе каталитической реакции, изучена динамика их формирования. Сделаны предположения о механизме процесса (физическая химия).

. Исследована область применения разработанных катализаторов для синтеза биарилов различных типов, в том числе имеющих егерические затруднения, а также соединений, содержащих различные заместители в арильных фрагментах. Созданные катализаторы перспективны для применения в тонком органическом синтезе, в том числе для получения биологически активных соединений, органических нелинейных оптических материалов и других компонентов электронной техники (органическая химия).

. Показано, что никелевые катализаторы на основе диазабугадиеновых лигандов эффективны в синтезе функционализированных бензофенонов и бензогидролов по реакции кросс-сочетания бензальдегидов с арилгалогенидами. Изучена новая реакция между бензонитрилами и арилгалогенидами, позволяющая получать функционализированные диарилметилимины (органическая химия).

Личный вклад автора

Диссертантом проведен анализ литературных данных и полностью выполнена практическая часть работы - синтезированы все диазабугадиеновые лиганды, получены и протестированы никельсодержащие каталитические системы, осуществлен каталитическим синтез функционализированных бифенилов, бензгидролов, бензофенонов, диарилметшшмшюв. Автором проведены все кинетические исследования, подобраны оптимальные условия процессов, осуществлен поиск ключевых интермедиа«« методом ЭПР-спектроскопии. Лично автором проведена обработка, анализ и оформление полученных результатов.

Апппбания работы. Материалы работы представлены на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2009» (Москва, 2009), XXV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Суздаль, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Российском конгрессе по катализу «Роскатализ», (Москва, 2011), VI Всероссийской конференции «Высокореакционные интермедиа™ химических и биохимических реакций» (Московская область, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 статья в журнале, входящем перечень ВАК, и 5 тезисов докладов на международных и российских конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводе библиографического списка и приложения. Работа представлена на _ страшш

машинописного текста, включая приложения, содержит __ рисунков, _ таблиц.

Библиография включает_наименований.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №№ 08-03-00743-а и 11-03-01085-а.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Методика эксперимента

Общая методика проведения реакций гомо- и кросс-сочетания заключается в следующем: в боксе с контролируемой атмосферой азота в стеклянный реактор объемом 8 мл, снабженный приспособлением для пробоотбора, помещали рассчитанные навески предшественников катализатора и реагентов. Реакционную смесь термостатировали и перемешивали на магнитной мешалке, целевой продукт выделяли из реакционной смеси методом колоночной хроматографии на силикагеле 60А (40-60 мкм). Идентификацию продуктов проводили методами ЖХ-МС (Agilent Technologies 1100 LC/MSD, APCI, колонка Waters Symmetry C18, 5 мкм, 4,6 x 250 мм) и ЯМР спектрскопии (Bruker DPX-400) на ядрах 'Н (300,033 МГц) и 13С (75,15 МГц). Кинетические исследования и количественный анализ всех компонентов реакционной смеси осуществили методом ЖХ (Agilent Technologies 1100 LC, колонка Waters Symmetry С18, 5 мкм, 4,6 х 250 мм) и ГХ (Кристалл 2000, ПИД, капиллярная колонка DB-5). Исследование закономерностей формирования парамагнитных частиц осуществляли с помощью ЭПР-спектроскошш (Радиоспектрометр ЭПР-В, Х-диапазон (частота волны клистрона 8,55 ГГц), внутренний стандарт: 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил, МпО).

1. Разработка нового поколения высокоэффективных

никелевых катализаторов дли гомосочетания арилгалогенидов

Наиболее эффективным из ранее использованных никелевых катализаторов гомосочетания арилгалогенидов является NiCl2(PPh3)2 (1) [J. Hassan, М. Sevignon, С. Gozzi, Е. Schulz, М. Lemaire // Chem. Rev., 2002, 102, 1359], однако он используется в

концентрации не менее 10 мол %. Другие моно- и дифосфиновые комплексы еще менее активны. Из литературных данных известно, что катализатор на основе 2,2'-бипиридила (2) обладает умеренной активностью в реакции гомосочетания арилгалогенидов. Скрининг никелевых катализаторов с на основе азотсодержащих лигандов показал, что комплекс никеля с 1,10-фенантролином (3) катализирует реакцию гомосочетания бромбензола, хотя аналогичные комплексы с различными диаминами оказались неактивны в изученной реакции. Поскольку лиганды 2 и 3 содержат диазабутадиеновый структурный фрагмент, представляло разумным изучить влияние строения легкодоступных диазабутадиеновых лигандов на активность соответствующих катализаторов в реакции гомосочетания арилбромидов.

Оказалось «о ^-этан-1,2-диилиден-бис(2-метилпропан-2-амин) (4), т.е. 1,4-

диазобугадиен содержащий 'Ви замелели при атомах азота, образует высокоактивный — — _я „ГЛо: превращается в бифенил с количественным выходом за 2 часа в присутств №Вг ШМЕ) [ДМЭ = 1,2-диметоксиэтан] и 4, 2 экв. порошка цинка и 1 экв. Et.NI в ГГГт^ Шлучен^ каталитическая система значительно активнее катализатора 1 с

трифенилфосфином.

Разработанная каталитическая система обладает рядом ппеимуществ К ним можно отнести возможность проведения реакции при комнатной темперетуре доспупность и нетоксичность лиганда. Серьезным недостатком при ^ является митрация РЬ с атома фосфора на никель^ прив« к обоазованию побочных несимметричных продуктов. Диазабугадиеновыи лиганд не ГГв—о побочные реакции. Другим недостатком,трифенилфосфинаяв= юность его отделения методом колоночной хроматографии от продуктов реакции Го— ар—идов. При ж— лиганда 4 этой проблемы нет хотя бы

потому, что он используется в очень малом количестве (всего 2 мол /о).

Положительный результат использования катализатора на основе лиганда 4 послужил "ом для изучения других лигандов диазабу—о^го типа, содержащих различные^аместители. Целью следукнцего этапа работы стал поиск еще более актив —затора гомосочетания, позволяющего эффективно проводить реакцию при более ншюос концентрациях никеля, лиганда и солевой добавки. Для этого был получен ряд лигавдов Содержащих различные заместители при атомах азота и/или атомах углерод

каркаса. Для оценки эффективности лигандов ТОР Сдельное количество каталитических циклов в единицу времени) для

каталитических систем (таблица 1, катализаторов изучали с использованием бромбензола в качестве субстрата при 35 С в ТгГна 1 экв бромбензола брали 5 мол % №Вг,ДМЭ (1,2-диметоксиэтан), 5 мол /о лиганда, атакже 0,5 экв. и 0,75 экв. активированного цинкового порошка.

В первую очередь было изучено влияние структуры алшльных заместителей пР атомах азота диазабугадиенового каркаса па эффективность каталитической системь Ок"1сь Гдля достижения показателей, близких к каталитической системе на оснот лиГда 4 Гобходимо наличие троичного или четвертичного разветвления начато у л™, Заместитель должен обладать сгерическими свойствами, способствуй опиленной наиболее выгодной координации реагентов на атоме никеля. Сре;

основе лиганда 15, содержащего циклододецильные фрашенгы, превосходит , Г оГка'ализа ор на основе лиганда 4. Следует отметить, чш среди катализатор Го" иазобутади— лигандов, содержащих алкильные

азота, наиболее активной оказалась система на основе лиганда 10, содержаще объемистые трет-ошшъние заместители при атомах азота.

№ Лиганда Строение Лиганда TOF-103, er1 Ns Лиганда Строение Лиганда TOF-Ю3, С1

PPh3 (10 mol. %) 0.15 N-

\Г Ч / 0.125

' 4

VJ1

VJ1

1.50

0.75

2.50

1.85

0.20

1.05

Э ^/VfV^

10 -Wvi"3^ 535

11 Одт-О

12

13 CX njO nXP

50

70

0.28

16

17

18

19

51

Ph Ph

nJ-N lUnl. Phr Ph

20 \\ i-N

21 \\

Th

23 \\ AN

И

PhPh

as f

26

АпЧ

1.50

0.21

2.80

Rh Ph Ph-J-N NJrPh 0.00015 PK \_J Ph

0.0045

4.10

22 СЦ NД J 0.65

0.015

24 3.90

0.050

\ 0.40

" Реакцию проводили в присутствии 1 ммоль PhBr, 0.05 ммол №Вг2(ДМЭ),

0,05 ммоль лиганда, 0.5 ммоль Et4NI, 8.4 ммоль цинковой пыли в 5 мл ТГФ при 35°С.

Изученные лиганды, содержащие арильные заместители, можно разделить на две группы К первой группе относятся лиганды с фенилами в метильньгх заместителях при атомах азота бутадиенового каркаса Наиболее активным среди н„=„ 18, содержащий дифенилмегильный радикал. Замена одного фенильного ФР™ на мольный (лиганд 17) приводит к драматическому уменьшению скоросги рс~ Увеличение количества фенильных групп (лиганд 19) приводит к практически полной дезактивации критической системы. Вероятно, это связано с чрезмерным объемом лиганда 19, что не позволяет осуществить необходимую координацию редел» с никелем, а стерические свойства лиганда 17, напротив, недостаточны. Ко второй группе можно отвести лиганды, арильные фрагменты которых непосредственно связаны с атомом азота диазабугадиенового каркаса. Наиболее юшашы среди них оказался лигаш, 2 содержащий 2,6-диизопропилфенильные заместители при атомах азота Замена изопропильнош фрагмента на мегильный (лиганд 20) приводит к уменьшению скорости

реакции на 4 порядка.

Введение заместителей в С-С фрагмент диазабутадиена неоднозначно влияет на активность соответствующих катализаторов. Например, введение мегильных заместителей ^ганд 22) приводит к понижению активности (по сравнению с 21), а более объемных фЗ- заместителей (лиганд 23) - к практически полной потере ка^итическо шетивносги. Напротив, катализатор на основе лиганда 24, содержащего -е„ ф— фрагмент, в изученных условиях имеет высокую активность. Низкая акгивност

ФР ' 3 ■>% мпжет быть связана с тем, что лиганд с двумя

катализатора на основе лиганда 23 может иыть связана ъ ,

фенильными заместителями при атомах углерода существует в основном в виде

изомера, неспособного эффективно координировать атом никеля. Напротив, лиганд 24

существует в виде £,£-изомера, в котором ароматическая система нудится » сопряжении

с двойными связями С=К диазабугадиеновош фрагмента. Последнее обстоятельство

выгодно отличает этот лиганд от аналогичного лиганда 22.

Проведенные исследования показали, что лиганд 10 позволяет создать каталитическую систему до 70 раз более активную, чем классическая система на основе РРЬз Реакция гомосочегания бромбензола может быть осуществлена в присутствии лишь 1 мол % комплекса никеля с указанным лигандом (против 10 мол % для комплекса никеля

с РРЬз).

Гомосочегание сгерически более затрудненного субстрата - орто-бромтолуола -протекает значительно медленнее аналогичной реакции с участием бромбензола (таблиц 2Г Кроме того, изменяется характер зависимости ТОР катшшзатора от природ заместителя при атомах азота в лиганде. Например, комплекс никеля с лигандом 1 являющийся наиболее эффективным в случае гомосочегания бромбензола, проявля низкую активность в гомосочепшии о^-бромтолуола. В этом случае наиболее актив комплекс никеля с лигандом 21. Кроме того, высокую активность проявляют комплексы лигандами 12 и 15, содержащими циклические алкильпые заместители.

Таким образом, было обнаружено, что в реакциях гомосочетания арилгалогенидов высокую активность могут проявлять комплексы никеля с диазабутадиеновыми лигандами различного строения. Для получения дополнительной информации об изучаемой реакции было предпринято исследование ее кинетики, а также проведены эксперименты, позволяющие охарактеризовать возможные шггермедиаты.

2. Кинетические исследования реакции гомосочетания бромбензола

Исследование кинетики реакции гомосочетания бромбензола проводилось в присутствии предкатализатора №Вг2'21, цинковой пыли и Е14№ в ТГФ. Цинк брали в восьмикратном избытке по отношению к субстрату. Было показано, что при таком его содержании в реакционной смеси, процесс протекает в кинетической области. В начальной серии экспериментов концентрация солевой добавки Е!,^ поддерживалась постоянной. Кроме того, было показано, что единственным продуктом реакции является бифенил.

Обнаружено, что при низких концентрациях катализатора (до 5 мол %) зависимость концентрации бромбензола от времени описывается линейной функцией практически во всем изученном диапазоне концентраций субстрата (рисунок 1). Это свидетельствует о нулевом порядке реакции но бромбензолу. Кроме того, было показано, что скорости реакций гомосочетания бромбензола и хлорбензола в изученных условиях одинаковые.

0,016 л X

Z /

§0,012 ■ у/

s у/

3*0,008 (0 /

о.

150,004 о /

о о

0 2 з 4 5 6 Концентрация катализатора,%

Рисунок 1

Зависимость концентрации продукта гомосочетания бромбензола от времени при разных концентрациях катализатора

Рисунок 2

Зависимость скорости реакции гомосочетания бромбензола от концентрации катализатора

Индукционный период на начальном этапе реакции, по-видимому, определяется восстановлением исходного комплекса Ni(II) до комплекса N.(0), активного в омГч™и бромбензола. На рисунке 2 показана линейная зависимость скорости el : гомосо— бромбензола (после индук—о периода) -изначально введенного комплекса NiBr,21, что свидетельствует о порядке реакции по концепции никеля. Таким образом, в

скорости реакции гомосочетания бромбензола в присутствии N.Br^l описывается следующим уравнением:

= кнабП' [PhBr]0' [Ni]1

dt

На рисунке 3 показана зависимость логарифма константы скорости реакции (к„а6л) от температуры в диапазоне 30-60°С. Вычисленные значения энтальпии и энтропии активации составляют АН* = 62 кДж/моль и AS" 42 Дж/моль-К.

Весьма важным и интересным является выяснение роли, которую играет солевая добавка Et4NI. Известно, что в отсутствии йодида-иона реакция гомосочетания

практически не протекает. Существуют две версии, объясняющие промотирующее влияние иодид-иона [I. Colon, D. R. Kelsey // J. Org. Chem. 1986, 51, 2627]. Первая заключается в том, что йодид-ион осуществляет роль мостика между цинком и никелем и способствует восстановлению последнего. По второй версии иодид-анион облегчает протекание стадии восстановительного элиминирования биарила,

Рисунок 3.

Температурная зависимость логарифма константы скорости реакции гомосочетания бромбензола

заполняя координационную сферу комплекса никеля. Измерение скорости реакции при разных концентрациях EttNI (20-100 мол % по субстрату) показало, что порядок по йодид-иону является дробным (около 0.6). В связи с тем, что растворимость Et4NI в указанных условиях в ТГФ является неполной, он был заменен более растворимым "Bu4NI. Исследование зависимость скорости реакции от концентрации "Bu4NI в области его полной растворимости (<10%) также указывает порядок по этому соединению равный 0.5. Очевидно процессы, протекающие с участием йодид-иона достаточно сложны и их трактовка неоднозначна.

3. Исследование реакции гомосочетания бромбензола методом ЭПР

Комплексное исследование механизма каталитической реакции предполагает поиск ключевых интермедиатов, играющих важную роль для детализации процесса. Учитывая то, что при гомосочетании бромбензола никель постоянно меняет степень окисления, в рассматриваемой системе можно ожидать образования парамагнитных комплексов Ni(I) и даже Ni(IÏÏ). Такие комплексы могут быть зарегистрированы методом ЭПР.

Для изучения методом ЭПР реакции гомосочетания бромбензола на 1 экв. субстрата в ТГФ брали 8 экв. порошка металлического цинка, 0,5 экв. солевой добавки Et4NI и 5 мол % комплекса NiBr2-21. Характеристики полученных спектров при 298 и 77 К (рисунок 4) однозначно свидетельствуют об образовании комплекса Ni(I) с конфигурацией 3d9 и спиновым моментом Уг [Отман, Я.Я., Манулик О.С., Флид В.Р. // Кинетика и катализ, 2008, 49, 502; В. В. Сараев, П. Б. Крайкивский, С. Н. Зелинский и др. // Коорд химия 2006, 32, 413]. Значение g-фактора при 298 К составляет 2,29.

Для выяснения роли комплекса(ов) N¡(1) в каталитическом процессе было изучено изменение его концентрации N¡(1) во времени. Кинетическая кривая а (рисунок 5)

—

Рисунок 4

Вид спектров ЭПР парамагнитного комплекса никеля (I)

а) при 298 К

при 77 К

б) экспериментальный; в) расчетный

соответствует быспрому (до 15 мин) накоплению парамагнитных частиц N.(1) на начальном -âne реакции, соответствующему индукционному периоду на "ческой кривой б, описывающей образование бифенила во времени. Затем концентра^ парамагнитных частиц плавно уменьшается до около 70% от максимальной концентрации После окончания реакции гомосочегания концентрация парамагнитных частиц в разоре практически не меняется во времени. По предварительным оценкам максимальная концентрация парамагнитно™ комплекса Ni® составляет 20-60% от начальной Ген рации комплекса Nffir,21. Оказалось, что зависимость интенсивности сигала ЭПР от^ концентрации №Вт,21 (в диапазоне 4-31 мол %) имеет линейныи характер

(рисунок 6).

0,016 -, 0,09

0,014 -I "ЧД.- ■ 0,08 0,07 0,06 |

0,012 - 1 0.01 -§ * 0,008 ■ •

б / 0.05 а 0,04 Ç

£ 0,006-о ■ О.ОЗ о

0,004 0,02

0,002- :/ 0,01 0

0 и^—— 0 50 100 t, мин 150 200

0.06 •

е'1

О X 0.05 ■ /

i 1 /

Е £ с 0,04 ■ /

1 & 3. ■ 2 5 § г 0,03 /

к 8 s о /

II ф 2 0,02

° у

о 0) ? Ê 0.01

s 1 /

0 н---—--'-- '

0 0,02 0,04 0,06 о.ое

концентрация комплекса NKH), вводимого в

реакцию, моль/л

Рисунок 5

Зависимости концентраций парамагнитного комплекса Ni(I) (а) и бифенила (б) от времени

Рисунок 6

Зависимость максимальной концентрации Ni(I) от начальной концентрации NiBr2-21

Для изучения роли парамагнитных частиц в каталитическом цикле были получены ЭПР-спектры каталитической системы в отсутствие субстрата (рисунок 7). Оказалось, что парамагнитный комплекс никеля(1) образуется даже в отсутствие бромбензола, однако его распад протекает значительно быстрее, чем в системе, содержащей субстрат. В том случае, если в системе не содержится ни субстрата, ни солевой добавки ^N1, то парамагнитные частицы не образуются вовсе. Вероятно, восстановление никеля(11) цинком в отсутствие йодид-иона сильно затруднено.

Рисунок 7

Зависимость концентрации комплекса N¡(1) от времени в присутствии РЫЗг (а) и в его отсутствии (б)

Исследовано влияние заместителей при атомах азота диазабутадиенового лиганда на и и характер сигнала ЭПР. Для этого проведено кинетическое исследование армирования и распада парамагнитного комплекса никеля® с лигандом 4. Показано, что мена лиганда практически не влияет на значение g-фактора неразрешенной структуры (g

2.26).

Для протекания реакции гомосочетания арилг^огенидов в каталитическом режиме обходимо постоянно in-situ восстанавливать никель цинком. При удалении цинковои „ли образование продукта прекращается. Для исследования стабильности парамагшгшых астиц Ni(I) проведены кинетические исследования в условиях дефицита восстановителя. 1бнаружено, что если реакционную смесь отделить от цинковой пыли на начальных гапах реакции, т.е. в области накопления комплекса N¡(1) и индукционного периода еакции гомосочетания, то парамагнитные частицы имеют тенденцию к быстрому разложению. Если же отделять реакционную смесь от восстановителя в области накопления бифенила, т.е. когда концентрация комплекса Щ1) начина уменьшаться, то парамагнитные частицы остаются достаточно стабильными.

4. О механизме гомосочетания бромбензола в присутствии

комплексов никеля с диазобутадиеновыми лигандами Совокупность полученных кинетических и спектральных данных, а также результаты наблюдений за поведением системы при варьировании различных параметров, „Голяют высказать некоторые соображения о механизме каталитического действия никелевых комплексов с диазабугадиеновыми лигандами. Непротиворечивая схема каталитического цикла представлена

( №(11)ВГ2 N

Ar-Ar

^ 0.5 Zn, L' 0.5ZnX2

на схеме. Реакция начинается стадией инициирования, опреде-ляяющей индукционный период. Здесь происходит восстановление исходного комплекса никеля(И) с диазобутадиеновым лигандом металлическим цинком. Образующийся комплекс никеля(О) начинает каталитический цикл, осуществляя окислительное

присоединение арилгалогенида. Поскольку в присутствии комплекса №Вт2-21 скорость гомосочетания для хлор- и бромбензола имеет первый порядок по никелю, нулевой порядок по субстрату и не зависит

от природы галогена, а, кроме того, методом спектроскопии ЭПР фиксируется образование в высокой концентрации иптермедиата никеля(1), то в изученном случае скорость лимитирующей стадией является одноэлектронное восстановление Н11(21)(Вг)(Ь'), где I.' = ТГФ или иодид-анион, под действием металлического цинка. По-видимому, роль иодид-иона сводится к уменьшению перенапряжения на цинке и облегчению восстановления комплекса N1(1) до N¡(0). Образование продукта реакции в результате восстановительного элиминирования из комплекса №ш(21)(Вг)(РЬ)2, очевидно протекает быстрее, чем вышеупомянутое восстановление комплекса никеля(1).

5. Синтез симметричных биарилов с применением

никелевых катализаторов с диазабутадиеновыми лигандамн

Для определения синтетических возможностей разработанных катализаторов было проведено исследование гомосочетания различных замещенных арилгалогенидов. Известно, что в реакцию гомосочетания легко вступают субстраты, содержащие акцепторные или слабодонорные заместители. Реакции с донорными субстратами протекают с низкими выходами. Однако в случае никелевого катализатора на основе лиганда 10 в реакцию легко вступают субстраты с заместителями разного типа, в том числе арилгалогениды, содержащие донорные заместители (Ж:^, ОМе), а также бромзамещенные тиофены. Оказалось, что в присутствии 5 мол % №Вг2(ДМЭ) и лиганда 10 удается количественно провести реакцию гомосочетания арилбромидов, содержащих орто-заместители к атому галогена. Следует отметить, что описанные в литературе методы получения 2,2'-ди-орто-замещенных биарилов требуют увеличения количества катализатора в 2-3 раза (т.е. до 20-50 мол %) по сравнению с количеством, необходимым для гомосочетания субстратов, содержащих только мета- и пара-заместители.

Важную роль для реакционной способности субстрата в реакции гомосочетания арилгалогенидов играет природа галогена. Арилбромиды и арилйодиды легко вступают в реакцию гомосочетания в присутствии 5 мол % >№гг(ДМЭ) и лиганда 10, 0,75 экв. порошка цинка и 0,5 экв. Е14Ж Однако, гомосочетание арилхлоридов в этих условиях протекает с низкими выходами (30% в случае хлорбензола). Значительного увеличения выходов удается добиться введением в реакцию большого избытка цинка. По-видимому, это связано с тем, что хлорид цинка, образующийся в результате реакции, обладая меньшей растворимостью в ТГФ, чем бромид цинка, дезактивирует поверхность части металла. Например, с помощью системы, содержащей 5 мол % №Вг2(ДМЭ) и лиганда 10, 7 экв. порошка цинка и 0,5 экв. ЕЦМ, удается получить бифенил, исходя из хлорбензола, выходом 98%.

Следует отметить, что разработанная каталитическая система позволяет леги осуществлять гомосочетание других соединений, содержащих эр2 гибридизованные атом углерода, например винилгалогенидов. Все это открывает широкие возможности да применения разработанных катализаторов в синтезе широкого круга ценных органичен» продуктов.

5мол%№ВГ2(ДМЭ)М0 0.5 экв Еи^, 0.75 экв Тл, ТГФ, 70°С, 15 ч 2 И-Х----

вг >э9%

РИ

\ //

„ "Ю- ф- -

I >99%

>99%

_Вг 97% РзС^

МеО^

Ч /

Вг 95°/

МеО

/~ВГ 92% 0

/Н^' 97% "С7н150-Г .

П-«

-Вг >99%

ОМе

ч г

Вг 87%

\>вг 94% О-1

РзС-Ч /-ВГ >99% мс

\ /

Вг 98%

Вг >99%

Ш2

у—Вг >99% МеО—^ ^-Вг >99%

I 95% >99%

У/ \—С1 79% -С1 85%

7—^ 0Ме

(/ \-Вг >99% г=/

Овг 95%

У/ \-Вг 55%

С1 75%

95% 93%

\—Вг 98%

О-

Вг 97%

Вг 80%

N—Вг 95% -в

^-ОМе

Вг 79%

У

РЛ-л

81%

Р(1

\-С\ 73%

6. Реакция кросс-сочетания замещенных бензальдегидов с арилгалогенидами

Синтез биологически активных соединений является важным направлением современной химии. Основная проблема синтеза подобных соединений заключается в том Гони насыщены различными функциональными группами, в связи с чем иссле — предъявляют серьезные требования к селективности используемых методов. Поэтому большие усилия тратятся на разработку новых методов, которые толераятны к различным функциональным группам.

К подобным методам относится синтез диарилкарбинолов по реакции Нозаки-Хияма-Киши. Эта реакция между арил-, аллил-, винилгалогенидом или -трифлатом и ароматическим альдегидом в присутствии соли хрома и никелевого катализатора прекрасно подходит для синтеза структурно разнообразных природных соединений, благодаря ее высокой хемоселективности, очень мягким условиям проведения, а также толерантности к функциональным группам, в особенности, склонным к элиминированию, и фрагментам молекулы, склонным к эпимеризации. Существенным недостатком метода является необходимость использования большого количества токсичного реагента Сг(Н) (в некоторых случаях вплоть до 400 мол %). Соли хрома являются ядовитыми, что исключает любое применение таких реакций в промышленных процессах и для получения фармакологических препаратов. Кроме того, довольно высокая стоимость СгС12 делает крупномасштабные синтезы малопривлекательными. Ранее несколькими группами ученых были сделаны попытки свести к минимуму количество соединения хрома, необходимого для проведения реакции. Например, Сг(П) регенерировали путем электровосстановления или восстановлением марганцем или алюминием. Количество необходимого СтС12 удалось снизить до 15 мол %, что, однако, привело и к снижению выходов целевых продуктов до 62-80%, а также необходимости использования двойного избытка арилгалогенида или трифлата. Кроме того, электронодефицитные ароматические альдегиды с трудом вступают в реакцию Нозаки-Хияма-Киши и превращаются преимущественно в соответствующие пинаколы.

Считается, что хром в каталитическом цикле реакции Нозаки-Хияма-Киши выполняет двоякую роль, являясь с одной стороны вторичным каталитическим центром, а с другой стороны - восстановителем, превращающим N¡(11) в каталитически активный N¡(0). Сам Сг(П) окисляется в результате этого процесса до Сг(Ш) и возвращается в каталитический цикл после восстановления каким-либо реагентом. Нам показалось нелогичным подобное опосредованное восстановление никеля, потому была предпринята попытка восстанавливать никель(П) непосредственно металлическим цинком, что позволило бы полностью отказаться от использования токсичных и дорогих солей хрома. Роль вторичного каталитического центра в этом случае мог бы взять на себя никель или цинк.

Оказалось, что при нагревании бромбензола с бензальдегидом в присутствии 10 мол % комплекса никеля с лигандом 10 в присутствии 1 экв порошка цинка при 70'С в ТГФ происходит образованием смеси бензофенона, бензгидрола, бифенила, а также незначительного количества пинакола.

Было показано, что варьируя условия проведения реакции, можно добиться существенного преобладания одного из желаемых продуктов. Например, можно получить

№Вгг(ДМЭ) / лиганд гп(0), ТГФ, 70°С

ОН

О

Таблица 4

РЬСНО +

РЬВг

5 мол % N¡012 'лиганд 1.15 экв гп(0) ТГФ, 70°С, 24 ч

Р|12СН0Н +

Р^НО

нзогидрол с высоким выходом (85-95%) при использовании 5 мол % №Вг2(ДМЭ) и ганда 6,15,21 или 24. Однако, скрининг лигандов не позволил подобрать Каталитичес-Д ' кую систему, позволяющую получать бензофенон

с удовлетворительным выходом. Из литературных данных было известно, что увеличить выход бензофенона можно повышением температуры реакции до И О" С. Однако, оказалось, что в изученных условиях увеличение или уменьшение температуры не влияет на соотношение продуктов, а влияет лишь на скорость протекания реакции. Решением проблемы эффективного синтеза бензофенона стала солевая добавка 1ЛС1. Изначально добавку 1лС1 было решено ввести в реакционную смесь для подавления образования побочного продукта - дифенила, поскольку из ранее проведенных исследований было известно, что ПС1 существенно замедляет реакцию гомо-сочетания. Ожидаемого эффекта это не дало, но оказалось, что хлорид лития способен подавлять образование бензогидрола и увеличивать выход бензофенона. Таким образом, использование комплекса никеля №Вг2(ДМЭ) с лигандом 6, 8, 10, 12 или 15 в присутствии 1лС1 позволяло получать бензофенон с удовлетвори-тельным выходом (до 68%). Предполагается, что 1лС1, являясь кислотой Льюиса, активирует карбонильную группу альдегида. Кроме того, вероятно, что указанная соль способствует растворению шгтермедиатов (продуктов) реакции в ТГФ. Подобный эффект 1ЛС1 наблюдается не всегда. Например, для лиганда 10 или 13 использование добавки УС1 не сопровождается увеличением выхода бензофенона Го при этом бензгидрол образуется с высоким выходом. Таким о р-использованные диазобутадиеновые лиганды можно разделить на три класса, т.е. лигандь к орые образуют катализаторы, позволяющие получать (1) только бензогидрол (лигандь Г„То) (2) тольГо бензофенон (лиганды 21 и 24), или (3) в зависимости от условии реакции с высоким выходом как бензгидрол, так и бензофенон (лиганды 6,12 и 15).

Разработанный метод позволяет также проводить сочетание бе—о,с арилхлоридами, что привлекательно в силу большей комм^скои . последних. В оптимальны условиях (5 мол %№Вг2(ДМЭ) и лиганда24, 1,15 экв гп 11Ф "из хлорбензола и бензальдегида удается и полнить бензогидрол с выходом 90 /о.

Лиганд Солевая добавка | Конверсия,% ----—I Выход бензгидрола, % Выход бензофенона, %

21 - 98 91 5

иС1 100 94 4

! 24 I 100 90 2

ис! 100 90 7

', 8 - 96 68 7

УС1 98 10 68

10 - 93 53 7

УС1 99 15 65

6 - 95 90 5

1Ю1 97 25 50

I- 12 - 96 90 4

иС1 94 25 50

15 - 95 85 5

УС1 97 40 50

5 мол % №Вг2(ДМЭ) / Лиганд

1.15эквгп, ТГФ, 70°С, 24 ч Р1)СНО + АгВг -РЬСН(ОН)Аг + РИС(0)Аг

А: лиганд 24, без солевой добавки; В: лиганд 10,0,5 экв. ЫС1

X < Условия Конверсия, % Выход бензгидрола, % Выход | бензофенона, % ! АгХ Условия Конверсия,% Выход бензгидрола, % Выход бензофенона, %

с5-вг А 96 90 0 ОМе С/вг А 93 85 0

Б 100 29 70

А 98 93 0 А 89 70 10

Б 0 0 0

А 100 70 21 ММе2 А 93 80 2

Б 90 10 50 Б 94 84 3

А 97 90 0 РЬ 0К>вг А 100 90 9

Б 66 0 50 Б 70 10 44

р-0~вг А 98 93 0 А 68 40 10

Б 100 47 50 Б 91 40 30

г <С^вг А 99 93 0 Ос| А 97 90 4

Б 78 10 50

Р3С о А 100 93 4 -О-0' А 98 93 3

Б 98 53 40

МеО—Вг Б 98 53 40 А 96 77 15

А 99 94 3 Б 31 15 10

Для изучения синететических возможностей предложенного метода были получе] бензгидролы и бензофеноны, содержащие различные функциональные группы. В общ случае, из арилгалогенидов, содержащих электронодонорные заместители, соответству-

;1ИС диарилкарбинолы образуются с ббльшими выходами чем из суб^ов, ерж^их электроноакцепторные замелели. Например, фтор-Ценные бензгидролы м01уг быть получены с выходами более 90/о, метоксии этиламино-производные бензогидролов могут быть получены с выхода,, шако бензгидролы, содержащие кето-, эфирную и нитрильную функциональные ппы ы хут быть получены с выходами не более 80%. Для реакции с участием «ещённьв^бензальдегидов более высоких выходов продуктов удается достичь „р .пользовании хлорбензола, а не бромбензола. По-видимому, это связано с тем, что юрбензол является менее активным субслратом для побочной реакции гомосочетани, ГедуГ отметить, что синтез замещенных бензофенонов протекает с более низкими

.кодами - до 70%.

Таблица 6

АгСНО + РЬВг

5 мол % №Вг2(ДМЭ) / Лиганд 1.15эквгп,ТГФ, 70°С, 24 ч

Р(1СН(ОН)Аг + РЬС(0)Аг

А: I = 24, без солевой добавки В: 1_ = 10, 0,5 экв. ЫС1 * РЬС! вместо РЬВг

Альдегид Условия ---- Конверсия,% Выход бензгидрола, % « X о X 0> •& о о X щ ю ч о X т

МеО ц1еп_/ \—СНО А 100 93 5 75 5

ОМе В 91 13 30

МеР2С—СНО А 70

Ме2М—СНО А* 98 96 3

В 97 40 50

МеЗ-^^-СНО А 100 70 15

(рЧ—сно А* 96 93 0

В 68 4 40

Гу-сно А 95 90 2

В 84 25 35

Таким образом, каталитическая система, разработанная ранее для реакции гомосочетания арилгалогенидов, оказалась весьма эффективной и для синтеза диарилкарбинолов из альдегидов и арилгалогенидов, позволив полностью оказаться от использования токсичных и дорогих солей хрома, а также для синтеза диарилкетонов, позволив заменить агрессивные металлоорганические субстраты и палладиевый катализатор на более доступные реагенты и катализатор.

7. Синтез диарилиминов по реакции сочетания замещенных бензонитрилов и арилгалогенидов

Третьей перспективной реакцией, для которой перспективно применение никелевого катализатора с диазобутадиеновым лигандом, является синтез диарилметилиминов \ бензонитрилов и арилгалогенидов. Имины широко используются в качеста фармацевтических интермедиатов, а также для получения пигментов и красителей. Бензофенонимины являются ценными исходными соединениями для синтеза материале органических фотодиодов. Кроме того, имины являются прекурсорами таки востребованных биологически активных соединений, как амины. Из литературных данны известно, что диарилметилимины получают в основном по реакции реактивов Гриньяр или других металлоорганических соединений с бензонитрилами. Очевидный недостатс этого метода - агрессивность металлоорганики и ее нетолерантность к функциональны группам. Другим распространенным методом синетза бензофенониминов является реакщ между бензофеноном и аммиаком, которая проводится в присутствии катализатора жестких условиях (давление до 200 бар при температуре 130°С), что существен!-ограничивает круг субстратов и является серьезным препятствием для синтеза природнь: соединений.

Оказалось, что в присутствии каталитической системы на основе комплекса никеля диазобутадиеновым лигандом можно проводить реакции сочетания бензонитрилов арилбромидами и получать соответствующие диарилметилимины в мягких условиях. I нашего исследования в литературе такая реакция описана не была.

МаВН4 ^ МВг2(ДМЭ)/Лиганд / *

гп(0),ТГФ ||

Аг_Вг + -. дгАдг,

\__ II

Н30+ Аг-^АГ-

Наибольших выходов бензофенониминов можно достичь, используя в качест: катализаторов комплексы никеля с лигандами 21 и 24, содержащими 2,6-диизопропи фенильные заместители при атомах азота диазабутадиенового каркаса. В присутствии мол % №Вг2(ДМЭ) и лиганда 21 можно получить дифенилметилимин с выходом 74%, а присутствии лиганда 24-е выходом 80%. Комплексы никеля с лигандами, содержащие алкильные заместители при атомах азота диазабутадиенового каркаса, малоэффективны

я этой реакции. С наибольшими выходами реакция протекает при температуре 60-100 С ТГФ или диокеане. Среди арилгалогенидов наиболее оптимальными субстратами ляются арилбромиды. Например, использование хлор- или иодбензола в реакции с нзонигрилом сопровождается образованием дифенилметшшмина с выходом .иблизительно в два раза меньшим, чем при использовании бромбензола. Были ;следованы синтетические возможности метода, для чего проведен синтез различных мешенных дифенилмегилиминов. Следует отметить, что получение имины могут быть тко восстановлены до соответствующих дифенилметиламинов при помощи КаВД в этаноле или тидролизованы до соответствующих бензофенонов. Обе реакции -установления и гидролиза - проходят с количественными выходами.

Таблица 7

ВЫВОДЫ

1 Разработана серия высокоэффективных и легкодоступных катализаторов на основе комплексов никеля с диазабутадиеновыми лигандами для гомосочепшия арилгалогенидов. Новые катализаторы в низкой концентрации позволяют с высокими выходами получать биарилы различных типов, в том числе сгерически затрудненные, а также соединения, содержащие различные заместители в арильных фрагментах.

2 Изучены кинетические закономерности реакции гомосочегания арилгалогенидов в присутствии никелевой каталитической системы с диазабутадиеновыми лигандами. Установлены зависимости скорости реакции от строения диазабутадиенового лиганда, состава и концентрации катализатора, арилгалогенида, других компонентов

21

смеси и температуры. Получено кинетическое уравнение, определены активадионные параметры.

3. Методом ЭПР-спектроскопии впервые зафиксирован и исследован парамагнитный комплекс никеля (I) - вероятный интермедиат каталитической реакции. На основании кинетических и спектральных данных предложен непротиворечивый механизм гомосочетания арилгалогенидов в присутствии изученных комплексов никеля.

4. Никелевые катализаторы на основе диазабутадиеновых лигандов успешно применены в синтезе функционализированных бензофенонов и бензогидролов по реакции кросс-сочетания бензальдегидов с арилгалогенидами в присутствии восстановителя (цинк). Изучена область применения этой реакции.

5. Впервые обнаружена и исследована реакция между бензонягрилами арилгалогенидами в присутсвии никелевых катализаторов и восстановителя (цинк позволяющая получать функционализированные диарилимины,

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

публикациях:

1. В.Н. Валаева, А.Ф. Асаченко, П.С. Кулябин, В.Р. Флид, А.З. Восокобойнико] «Новый катализатор гомосочетания арилгалогенидов на основе комплексов никеля диазобутадиеновыми лигандами». // Ж. Орг. Химии 2011, Т. 47, вып. 11, стр. 1734-1736.

2. В.Н. Валаева, П.В. Мельников, В.Р. Флид, Е.А. Поленов, А.З. Воскобойнико: «Исследование интермедиатов реакции гомосочетания арилгалогенидов с помощью ЭП1 спектроскопии». // Тезисы докладов на на VI всероссийской конференции - шко! «высокореакционные интермедиа™ химических реакций», 10-13 октября 2011 г.

3. В.Н. Валаева, П.С. Кулябин, А.Ф. Асаченко, В.Р. Флид, А.З. Восокобойнико «Новые эффективные методы синтеза замещенных бифенилов, дифенилметиламино бензофенонов и бензогидролов Кросс-сочетание арилгалогенидов и замещении бензальдегидов с использованием никелевого катализатора». // Тезисы докладов 1 российском конгрессе по катализу «Роскатализ», Москва, 3-7 октября 2011.

4. В.Н. Валаева, П.С. Кулябин, А.Ф. Асаченко, В.Р. Флид, А.З. Восокобойнико «Кросс-сочетание арилгалогенидов и замещенных бензальдегидов с использование никелевого катализатора». // Тезисы докладов на «XIX Менделеевском съезде по общей прикладной химии», Волгоград, 25 - 30 сентября 2011 г.

5. В.Н. Валаева, П.С. Кулябин, А.Ф. Асаченко, В.Р. Флид, А.З. Восокобойнико «Новые эффективные методы синтеза замещенных бифенилов, дифенилметиламино бензофенонов и бензогидролов». II Тезисы докладов на XXV международной Чугаевскс конференции по координационной химии, Суздаль, 6-11 июня 2011г.

6. В. Н. Валаева. «Новые катализаторы гомосочетания арилгалогенидов на осно] комплексов никеля с бисиминовым лигандом». И Тезисы докладов на Международнс конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2009», Москва, 14-17 апреля 2009 г.

Подписано в печать 18.11.2011 Формат 60x84/16. бумага писчая. Отпечатано на ризографе. Уч. изд. листов 1,0 Тираж 100 экз. заказ №129

Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова.

Издательско-полиграфический центр. 119571 Москва, пр. Вернадского 86

Список сокращений

1. Введение

2. Литературный обзор.

2.1. Гомосочетание арилгалогенидов в присутствии комплексов никеля.

2.1.1. Гомосочетание арилгалогенидов в присутствии стехиометрических количеств комплекса никеля, полученного ех-эки.

2.1.2. Гомосочетание арилгалогенидов в присутствии стехиометрических количеств комплекса никеля, полученного т-йНи.

2.1.3. Гомосочетание арилгалогенидов с применением системы №СЯА.

2.1.4. Гомосочетание арилгалогенидов с применением «никеля Риеке».

2.1.5. Гомосочетание арилгалогенидов в присутствии каталитических количеств комплекса никеля.

2.1.6. Электровосстановительное гомосочетание арилгалогенидов.

2.2. Механизм реакции гомосочетания арилгалогенидов.

2.3. Особенности спектров ЭПР парамагнитных комплексов никеля.

2.4. Выводы.

Постановка задачи.

3. Результаты и их обсуждение.

3.1. Разработка нового поколения высокоэффективных катализаторов гомосочетаиия арилгалогенидов.

3.2. Кинетические исследования реакции гомосочетания бромбензола.

3.3. Исследование реакции гомосочетания бромбензола методом ЭПР-спектроскопии.

3.4. О механизме реакции гомосочетания бромбензола в присутствии никелевых катализаторов с диазабутадиеновыми лигандами.

3.5. Синтетическое применение разработанной каталитической системы для синтеза симметрчных биарилов.

3.6. Реакция сочетания замещенных бензальдегидов с арилгалогенидами.

3.7. Синтез диарилиминов с помощью реакции сочетания замещенных бензонитрилов и арилгалогенидов.

4. Экспериментальная часть.

5. Выводы.

Бурное развитие науки в последние десятилетия ставит перед химиками-синтетиками новые сложные задачи. Глубокое понимание медиками и биологами процессов, протекающих в организме при заболеваниях, привело к появлению абсолютно нового поколения лекарств, предназначенных для селективного воздействия на конкретные мишени. Подобные лекарства часто имитируют природные соединения, которые отличаются высокой структурной сложностью. Промышленное и лабораторное получение этих веществ зачастую основано на конвергентном синтезе, в процессе которого несколько фрагментов молекулы синтезируются параллельно и сшиваются на последних стадиях. Основная проблема, возникающая при осуществлении, заключительных стадий синтеза подобных соединений связана с тем, что они насыщены различными функциональными группами. В этой связи предъявляются весьма серьезные требования к селективности- используемых методов. Химики-синтетики и каталитики предпринимают значительные усилия для разработки новых, мягких технологий, толерантных к различным функциональным группам.

Разнообразные реакции кросс-сочетания (реакции Сузуки, Хека, Негиши, Кумада, Соногишира и другие), катализируемые соединениями палладия, стали мощным инструментом органического синтеза. Палладиевый катализ позволил реконструировать или модифицировать в лабораторных условиях различные природные соединения.

Области применения палладиевых катализаторов очень широки. В частности, разработки в области создания современных тонких дисплеев на органических светодиодах (OLED) требуют создания полиароматических структур сложного строения. Реакция Сузуки является одним из основных методов синтеза полиароматических соединений с заданными свойствами.

Тем не менее, палладий весьма дорог и его применение не всегда экономически оправдано. При осуществлении промышленных или крупномасштабных синтезов применение палладиевых катализаторов крайне негативно влияет на стоимость конечного продукта. В этой связи перспективной представляется разработка катализаторов на основе более доступных переходных металлов, таких как никель, кобальт, железо или медь. Подобный подход реализован для* реакции Кумада, протекающей с высокими выходами продуктов в присутствии как палладиевых, так и никелевых катализаторов. Другим важным примером является гомосочетание арилгалогенидов. Эту реакцию можно осуществлять с помощью комплексов палладия, но никелевые катализаторы оказались более эффективными для получения симметричных биарилов, а также три- и полиароматических соединений.

Симметричные арильные фрагменты присутствуют в большинстве природных соединений, и, как следствие, в многочисленных фармацевтических и агрохимических препаратах. Некоторые коммерческие красители содержат несколько связанных между собой ароматических колец. Полиароматические соединения нашли применение в качестве органических проводников или полупроводников. Ди- и триарильные производные являются основой для целенаправленного создания лигандов с заданной структурой в асимметрическом катализе.

Востребованность соединений, содержащих два и более сопряженных арильных фрагмента, весьма велика. Разработка эффективных, экономически и экологически приемлемых методов их синтеза является актуальной задачей, и в этой связи многие научные группы работают над ее решением. Результатом их работы стал распространенный в настоящее время способ гомосочетания арилгалогенидов, предполагающий использование каталитических количеств комплексов никеля (II) с различными лигандами. Соединения Ni(II) восстанавливают металлом, чаще всего цинком, или электрохимически до Ni(0) в присутствии йодид-ионов. Для стабилизации каталитически активных интермедиатов используют лиганды, например, моно- и бидентантные фосфины, 1,5-циклооктадиен, 2,2'-дипиридил и др. Среди упомянутых лигандов трифенилфосфин является наиболее универсальным и позволяет достаточно эффективно осуществить реакцию. Однако упомянутые никелевые катализаторы имеют существенные недостатки: невысокие выходы продукта, использование значительных количеств катализатора (более 0,1 экв.) и дорогостоящих и, зачастую, токсичных лигандов (до 0,4 экв.). Кроме того, возникают трудности при отделении лигандов и катализатора от продуктов, возможно их участие в побочных реакциях.

Таким образом, разработка новых эффективно действующих каталитических систем и технологий, базирующихся на использовании широко доступных металлов и лигандов, является актуальной и своевременной задачей.

2. Литературный обзор

5. Выводы

1. Разработана серия высокоэффективных и легкодоступных катализаторов на основе комплексов никеля с диазабутадиеновыми лигандами для гомосочетания арилгалогенидов. Новые катализаторы в низкой концентрации позволяют с высокими выходами получать биарилы различных типов, в том числе стерически затрудненные, а также соединения, содержащие различные заместители в арильных фрагментах.

2. Изучены кинетические закономерности реакции гомосочетания арилгалогенидов в присутствии никелевой каталитической системы с диазабутадиеновыми лигандами. Установлены зависимости скорости реакции от строения диазабутадиенового лиганда, состава и концентрации катализатора, арилгалогенида, других компонентов смеси и температуры. Получено кинетическое уравнение, определены активационные параметры.

3. Методом ЭПР-спектроскопии впервые зафиксирован и исследован вероятный интермедиат каталитической реакции - парамагнитный комплекс никеля (I). На основании кинетических и спектральных данных предложен непротиворечивый механизм гомосочетания арилгалогенидов в присутствии изученных комплексов никеля.

4. Никелевые катализаторы на основе диазабутадиеновых лигандов успешно применены в синтезе функционализированных бензофенонов и бензгидролов по реакции кросс-сочетания бензальдегидов с арилгалогенидами в присутствии восстановителя (цинк). Изучена область применения этой реакции.

5. Впервые обнаружена и исследована реакция между бензонитрилами и арилгалогенидами в присутствии никелевых катализаторов и восстановителя (цинк), позволяющая получать функционализированные диарилметилимины.

1. Saito T.; Uchida Y.; Misono A.; Yamamoto A.; Morifuji K.; Ikeda S. Diethyldipyridylnickel. Preparation, Characterization and Reactions.//J. Am. Chem. Soc. -1966, -V.88. -P.5198.

2. Semmelhack M. F.; Helquist P. M.; Jones L. D. Synthesis with zerovalent nickel. Coupling of aryl halides with bis (1, 5-cyclooctadiene) nickel (0). // J. Am. Chem.Soc. -1971. —V.93. -P.5908.

3. H.A. Reisch, V. Enkelmann, U. Scherf. A novel nickel (O)-mediated one-pot cascade reaction to cis-9,10-dihydroxy-9,10-dihydrophenanthrenes and 9-phenanthrones. // J. Org. Chem., -1999. -V.64. -P.655.

4. Semmelhack M. F.; Ryono L. S. Nickel-promoted synthesis of cyclic biphenyls. Total synthesis of alnusone dimethyl ether// J. Am. Chem. Soc. -1975. -V.97. -P.3874.

5. Tolman C. A.; Seidel D. H.; Gosser L. W. J. Am. Chem. Soc. Formation of three-coordinate nickel (0) complexes by phosphorus ligand dissociation from NiL4 // J. Am. Chem. Soc. -1974. -V.96. -P.53.

6. Kende A. S.; Liebeskind L. S.; Braitsch D. M. In situ generation of a solvated zerovalent nickel reagent. Biaryl formation. // Tetrahedron Lett. -1975. -V.16. -P.3375.

7. Jennings P. W.; Pillsbury D. G.; Hall J. L.; Brice V. T. Carbon-carbon bond formation via organometallic electrochemistry. // J. Org. Chem. -1976. -V.41. -P.719.

8. Mori M.; Hashimoto Y.; Ban Y. Preparation and synthetic use of the zerovalent nickel complex by electrochemical reduction // Tetrahedron Lett. -1980. -V.21.-P.631.

9. Troupel M.; Rollin Y.; Sibille S.; Perchion J.; Fauvarque J.-F. Catalyse par des complexs sigma.-aryl-nickel de l'electroreduction en biaryles des halogenures aromatiques // J. Organomet. Chem. -1980. -V.202. -P.435.

10. M. Tiecco, L. Testaferri, M. Tingoli, D. Chainelli, M. Montanucci. A convenient synthesis of bipyridines by nickel-phosphine complex-mediated homo coupling of halopyridines. // Synthesis,-1984.-P.736.

11. Caubere P. Complex Reducing Agents (CRA's)—Versatile, Novel Ways of Using Sodium Hydride in Organic Synthesis // Angew. Chem., Int. Ed., Engl. -1983. -V.22. -P.599.

12. Guillaumet G.; MordentiL.; Caubere P. J. Organomet. Chem.1975, 102, 43.

13. Guillaumet G.; Mordenti L.; Caubere P. J. Activation of reducing agents: Sodium hydride-containing // Organomet. Chem. -1975. -V.102. -P.353.

14. Loubinoux R.; Vanderesse R.; Caubere, P. Activation of reducing agents. Sodium hydride containing "Complex reducing agents". Some new complex reducing agents and some new applications // Tetrahedron Lett. -1977. -V.18. -P.3951.

15. Rieke R. D.; Wolf W. J.; Kujundzic N.; Kavaliunas A. V. Highly reactive transition metal powders. Oxidative insertion of nickel, palladium, and platinum metal powders into aryl-halide bonds // J. Am. Chem. Soc. -1977. -V.99. -P.4159.

16. Matsumoto H.; Inaba S.-I.; Rieke R. D. Activated metallic nickel as a reagent for the dehalogenative coupling of halo benzenes // J. Org. Chem. -1983. —V.48. —P.840.

17. Kavaliunas A. V.; Rieke R. D. Preparation of highly reactive metal powders. Direct reaction of nickel, cobalt, and iron metal powders with arene halides // J. Am. Chem. Soc. -1980. —V. 102. -P.5944.

18. Chao C. S.; Cheng C. H.; Chang C. T. New method for the preparation of activated nickel and cobalt powders and their application in biaryl synthesis // J. Org. Chem. -1983. -V.48. -P.4904.

19. Colon I.; Maresca L. M.; Kwiatkowski G. T. Coupling of aryl and heteroaryl mono chlorides // U.S. Patent 4,263,466, -1981.

20. Fahey D. R.; Mahan J. E. Reversible oxidative addition of triphenylphosphine to zero-valent nickel and palladium complexes // J. Am. Chem. Soc. -1976. —V.98. -P.4499.

21. Lewin M.; Ainzenshtat Z.; Blum J. Formation of diaryls by thermal decomposition of rhodium (I) triarylphosphine complexes // J. Organomet. Chem. -1980. -V.184. -P.255.

22. Kikukawa K.; Takagi M.; Matsuda T. Reaction of Coordinated Phosphines. Mechanism of Carbon-Phosphorus Bond Cleavage in Triarylphosphines and Trialkylphosphines by Palladium (II) Acetate// Bull. Chem. Soc. Jpn. -1979. -V.52. -P.1493.

23. Berman R. S.; Kochi J. K. Kinetics and mechanism of oxygen atom transfer from nitro compounds mediated by nickel (0) complexes // Inorg. Chem. -1980. —V. 19. —P.248.

24. Zembayashi M.; Tamao K.; Yoshida J.; Kumada M. Nickel-phosphine complex-catalyzed homo coupling of aryl halides in the presence of zinc powder // Tetrahedron Lett. -1977. -V. 18. -P.4089.

25. Takagi K.; Hayama N.; Sasaki K. Ni(0)-Trialkylphosphine Complexes. Efficient Homo-coupling Catalyst for Aryl, Alkenyl, and Heteroaromatic Halides // Bull. Chem. Soc. Jpn. -1984. -V.57.-P.1887.

26. Iyoda, M.; Sato, K.; Oda, M. Novel diphenoquinone-type redox systems containing seven-membered quinonoid structure // Tetrahedron Lett. -1987. -V.28. -P.625.

27. M. Iyoda, H. Otsuka, K. Sato, N. Nisato, M. Oda. Homocoupling of aryl halides using nickel (II) complex and zink in the presence of Et^NI. An efficient method for the synthesis of biaryls and bipyridines // Bull. Chem. Soc. Jpn. -1990. -V.63. -P.80.

28. J. Howarth, P. James, J. Dai. The coupling of aryl halides in the ionic liquid bmim.PF6. // Tetrahedron Lett., -2000. -V.41. -P.10319.

29. G. Lin, R. Hong. A New Reagent System for Modified Ullmann-Type Coupling Reactions: NiCl2(PPh3)2/PPh3/Zn/NaH/Toluene. // J. Org. Chem., -2001. -V.66. -P.2877.

30. R. Hong, R. Hoen, J. Zhang, G. Lin. Nickel-catalyzed Ullmann-type coupling reaction to prepare tetra-ortho-substituted biaryls. // Synlett -2001. -V. 10. -P. 1527.

31. M. Hapke, H. Staats, I. Wallmann, A. Luetzen. Synthesis of amino-fimctionalized 2,2'-bipyridines // Synthesis -2007. -V.17. -P.2711.

32. X. Tao, W. Zhou, Y. Zhang, C. Dai, D. Shen, M. Huang. Homocoupling of aryl bromides catalyzed by nickel chloride in pyridine // Chinese Journal of Chemistry -2006. -V.24. N.7. -P.939.

33. A. Jutand, A. Mosleh. Nickel- and Palladium-Catalyzed Homocoupling of Aryl Triflates. Scope, Limitation, and Mechanistic Aspects. //J. Org. Chem. -1997. -V.62. N.2. -P.261.

34. A. Jutand, A. Mosleh. Palladium and nickel catalyzed synthesis of biaryls from aryl triflates in the presence of zinc powder. // Synlett -1993. -V.8. -P.568.

35. Yamashita J.; Inoue Y.; Kondo T.; Hashimoto H., Ullmann-type coupling reaction of aryl trifluoromethanesulfonates catalyzed by in situ-generated low valent nickel complexes // Chem. Lett. -1986. -P.407.

36. X. Zheng, Y. Zhang. Coupling reaction of aryl halides promoted by NiCl2/PPh3/Sm(0). // J. Chem. Res. (S) -2002. -P.562.

37. V. Courtois, R. BarKdadi, M. Troupel. Electroreductive coupling of organic halides in alcoholic solvents. An example: the electrosynthesis of biaryls catalyzed by nickel-2,2' bipyridine complexes //Tetrahedron -1997. -V.53. -P. 11569.

38. V. Courtois, R. Barhdadi, S. Condon, M. Troupel. Catalysis by nickel-2,2'-dipyridylamine complexes of the electroreductive coupling of aromatic halides in ethanol // Tetrahedron Lett. -1999. -V.40. -P.5993.

39. A. Yasuhara, A. Kasano, T. Sakamoto. Electrochemical Generation of Highly Reactive Nickel and Its Utilization for the Dehalogenative Coupling of Aryl Halides // Organometallics -1998.-V. 17.-P.4754.

40. Foa M.; Caesar L. Oxidative addition of aryl halides to tris(triphenylphosphine)nickel(0) // J. Chem. Soc. DaltonTran. -1976. N.23. -P.2572.

41. Hidai M.; Kaahiwagi T.; Ikeuchi T.; Uchida Y. Oxidative additions to nickel(O): preparation and properties of a new series of arylnickel(II) complexes // J. Organomet. Chem. -1971. -V.30. -P.279.

42. Parshall G. W. .sigma.-Aryl compounds of nickel, palladium, and platinum. Synthesis and bonding studies //J. Am. Chem. Soc. -1974. -V.96. -P.2360.

43. Tsou T. T.; Kochi J. K. Mechanism of oxidative addition. Reaction of nickel(O) complexes with aromatic halides // J. Am. Chem. Soc. -1979. -V. 101. -P.6319.

44. Tsou T. T.; Kochi J. K. Mechanism of biaryl synthesis with nickel complexes // J. Am. Chem. Soc. -1979. -V.101. -P.7547.

45. D. G. Morrell and J. K. Kochi. Mechanistic studies of nickel catalysis in the cross coupling of aryl halides with alkylmetals. Role of arylalkylnickel (11) species as intermediates // J. Am. Chem. Soc., -1975. -V.97. -P.7262.

46. Schiavon G.; Bontempelli G.;Corain B. Coupling of organic halides electrocatalyzed by the NiII/NiI/Ni°-PPh3 system. A mechanistic study based on an electroanalytical approach // J. Chem. Soc. Dalton Trans. -1981. -V.5. -P. 1074.

47. M. Troupel, Y. Rollin, S. Sibille, J. F. Fauvarque, J. Perichon. Electrochemistry of nickel complexes. Part 4. Electrosynthesis of biaryls catalyzed by a nickel-phosphine complex // J. Chem. Res. (S). -1980. -P.26.

48. Almemark M.; Akermark B. Anodically induced decomposition of some arylnickel (II) phosphine complexes // J. Chem. Soc. Chem. Commun -1978. N.2. -P.66.

49. Fauvarque J. F.; Chevrot C.; Jutand A.; Franpia M.; Perichon J. Electrosynthèse catalytique d'acides benzoïques para-substitués à partir du dérivé halogène correspondant et de l'anhydride carbonique // J. Organomet. Chem. -1984. -V.264. -P.273.

50. Fauvarque J. F.; Petit M. A.; Pfliiger F.; Jutand A.; Chevrot C.; Troupel M. Preparation of Poly (1, 4-phenylene) by Nickel (0) complex catalyzed electropolymerization // Makromol. Chem., Rapid Commun. -1983. N.4. -P.455.

51. Sock 0.; Troupel M.; Perichon J.; Chevrot C.; Jutand A. Electrochemistry of nickel complexes with 1,2-bis diphenyl phosphinoethane: Reactions with organic halides // J. Electroanal Chem. -1985. -V.183. -P.237.

52. B.B. Сараев, П.Б. Крайкивский, В.В. Анненков и др. Катионные комплексы одновалентного никеля катализаторы полимеризации стирола // Кинетика и катализ. -2005.- Т.46. №5. - С.757

53. В.В. Сараев, П.Б. Крайкивский, П.Г. Лазарев и др. Вибронные эффекты в разнолигандных трикоординационных фосфиновых комплексах никеля(1) // Коорд.химия. -1996.-Т.22. №9.-С.648

54. В.В. Сараев, П.Б. Крайкивский, С.Н. Зелинский, В.С.Ткач, Ф.К. Шмидт. Изучение методом ЭПР взаимодействия комплекса №(РР11з)4 с кислотами Бренстеда // Коорд.химия. -2001. Т.27. №2. - С.136.

55. В.В. Сараев, П.Б. Крайкивский, П.Г. Лазарев и др. Геометрическое строение разнолигандных тетракоординационных фосфиновых комплексов никеля(1) // Коорд.химия. -1996. Т.22. №9. - С.655.

56. В.В. Сараев, П.Б. Крайкивский, С.Н. Зелинский и др. ЭПР комплексов (ц5-циклопентадиенил) никеля (I) с Р- и N- донорными лигандами и 1,5-циклооктадиеном // Коорд. химия. -2006. Т.32. №6. - С.413.

57. В.В.Сараев, П.Б.Крайкивский, А.И. Вильмс и др. Циклотримеризация и линейная олигомеризация фенилацетилена на моноциклопентадиенильном комплексе одновалентного никеля CpNi(PPh3)2 // Кинетика и катализ. -2007. — Т.48. № 6. С.834.

58. U. Ко He, D. Ting-Zhen, H. Keller, B. L. Ramakrishna, E. Raabe, C. Kruger, G. Raabe, J. Fleischhauer. Reduktion von (Cyclobutadien)(Cyclopentadienyl)- und (1,5-Cyclooctadien)-(cyclopentadienyl)nickel-Kationen // Chem. Ber. -1990. V.123. № 2. - P.227.

59. S. Pasynkiewicz, A.Pietrzykowski. From nicelocene to novel organonickel compounds // Coord. Chem. Rev. -2002. V.231. №1-2 - P. 199.

60. V. V. Saraev, P. G. Lazarev, V. S. Tkach and F. K. Shmidt. EPR study of oxidation reaction of nickel (0) phosphine complexes with boron trifloride gtherate // Coord. Chem. -1999. V.25. №3. — P.204.

61. В.В. Сараев, П.Б. Крайкивский, Д.А. Матвеев и др. Влияние последовательности введения протонных кислот на формирование активных комплексов в каталитической системе Ni(PPh3)4/BF3-OEt2 // Кинетика и катализ. -2006. Т.47. №5. - С.722.

62. В.В. Сараев, Ф.К. Шмидт. Электронный парамагнитный резонанс металлокомплексных катализаторов // Иркутск: Изд-во ИГУ. 1985. С.344.

63. V.V. Saraev, Р.В. Kraikivskii, M.F. Polubentseva, F.K. Shmidt. EPR study of reactions between cationic nickel (I) complex (PPh3)Ni.BF4 and proton donating compounds // Coord.Chem. -1999. -T.25. №7. -C.483.

64. F. Andrew, J. Kolodzie. The chemistry of Nickel-Containing Enzymes // Progr. lnorg. Chem. -1994.- V.41.-P. 493.

65. David G. Holah, Alan N. Hughes, Benjamin С. Hui, and Chi-Tat Kan. Production of Ni(I) complexes from reactions between Ni(II) and NaBH, in the presence of triphenylphosphine and some bidentate phosphines // Can. J. Chem. -1978. -V.56. -P.2552.

66. J. Kiji, K. Yamamoto, S. Mitani, S. Yoshikawa and J. Furukawa. The Nickel-catalyzed Cyclodimerization of Butadiene. The Synthesis of 2-Methylenevinylcyclopentane and the isomerization of 1,3,7- Octatriene//Bull. Chem. Soc. Jpn. -1973. -V. 46.-P. 1791.

67. M. Fourmigue', N. Avarvari. A series of neutral radical CpNi(dithiolene)* complexes // Dalton Trans. -2005. -P. 1365.

68. Guangcai Bai, Pingrong Wei, and Douglas W. Stephan // Diketiminato-Nickel(II) Synthon for Nickel(I) Complexes // Organometalics -2005. -V.24. -P.5901.

69. E. Kogut, H. L. Wiencko, L. Zhang, D. E. Cordeau, Т. H. Warren. A Terminal Ni(III)-Imide with Diverse Reactivity Pathways // J. Am. Chem. Soc. -2005. -V. 127. -P. 11248.

70. Yamamoto Y.; Asao N. Selective reactions using allylic metals // Chem. Rev. -1993. -V.93. -P.2207.

71. Otera, J. Modern Carbonyl Chemistry. // Ed.;Wiley-VCH, Weinheim, -2000.

72. Jin II.; Uenishi J.; Christ W.; Kishi Y. Catalytic effect of nickel (II) chloride and palladium (II) acetate on chromium (Il)-mediated coupling reaction of iodo olefins with aldehydes // J. Am. Chem. Soc. -1986. -V.108. -P.5644.

73. Kishi Y. Palytoxin: an inexhaustible source of inspiration—personal perspective // Tetrahedron -2002. -V.58. -P.6239.

74. Xiao-Tao Chen, Samit K. Bhattacharya, Bishan Zhou, Clare E. Gutteridge, Thomas R.R. Pettus Danishefsky, S. et al. The Total Synthesis of Eleutherobin //J. Am. Chem. Soc. -1999. -V.121. -P.6563.

75. Still W.C.; Mobilio D. Synthesis of asperdiol// J. Org. Chem. -1983. -V.48. -P.4785.

76. Muriel Durandetti, Jacques Perichon, Jean-Yves Nedelec. Nickel- and chromium-catalysed electrochemical coupling of aryl halides with arenecarboxaldehydes // Tetrahedron Lett. -1999. -V.40. -P.9009.

77. Furstner A.; Shi N. Nozaki-Hiyama-Kishi Reactions Catalytic in Chromium // J. Am. Chem. Soc. -1996. -V. 118. -P. 12349.

78. Hiyama T.; Okude Y.; Kimura K.; Nozaki H. Highly Selective Carbon-Carbon Bond Forming Reactions Mediated by Chromium(II) Reagents // Bull. Chem. Soc. Jpn. -1982. -V.55. -P.561.

79. ICurobashi M.; Tanaka M.; ICishimoto S.; Tanaka H.; Torii. Electrochemical Regeneration of Chromium(Il). Alkenylation of Carbonyl Compounds // Synlett. -1999. N.l. -P.69.

80. Muriel Durandetti, Jean-Yves Nedelec, and Jacques Perichon Electrochemical Regeneration of Chromium(II). Alkenylation of Carbonyl Compounds // Org. Lett. -2001. -V.3. N.13. -P.2073.

81. J.-J. Brunet and R. Chauvin. Synthesis of Diarylketones through Carbonylative Coupling // Chem. Soc. Rev. -1995. -P.89.

82. Franz J. Weiberth and Stan S. Hall. Copper(I)-Activated Addition of Grignard Reagents to Nitriles. Synthesis ofKetimines, Ketones, and Amines // J. Org. Chem. -1987. -V.52. -P.3901.

83. Liu Yan; Wang Jinqu. Synthesis of 4-Substituted Styrene Compounds via Palladium-Catalyzed Suzuki Coupling Reaction Using Free Phosphine Ligand in Air // Synthetic Communications -2010 -V.40. N.2. -P. 196.

84. Gronowitz. On the transformations of unstable thienyllithium compounds // Acta Chemica Scandinavica -1961. -V. 15 -P. 1393.

85. Krasovskiy Arkady; Knochel Paul. A LiCl Mediated Br/Mg Exchange Reaction for the Preparation of Functionalized Aryl and Heteroarylmagnesium Compounds from Organic Bromides // Angewandte Chemie, -2004. -V.l 16. N.25 P.3396.

86. HOFarnaz Jafarpour, Parviz. Rashidi-Ranjbar, and Asieh Otaredi Kashani. Easy-to-Execute Carbonylative Arylation of Aryl Halides using Molybdenum Hexacarbonyl: Efficient Synthesis of Unsymmetrical Diaryl Ketones Eur. // J. Org. Chem. -2011. -P.2128.