Сочетание изоцианидных лигандов в комплексах палладия(II) с амбидентными N,N- и N,O-нуклеофилами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.01 ВАК РФ

«Санкт-Петербургский государственный университет»

на правах рукописи

Кинжалов Михаил Андреевич

и

СОЧЕТАНИЕ ИЗОЦИАНИДНЫХ ЛИГАНДОВ В КОМПЛЕКСАХ ПАЛЛАДИЯ(П) С АМБИДЕНТНЫМИ N¿1- И ТУ, О-НУКЛЕОФИЛАМИ

Специальность 02.00.01 - неорганическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 4 ИЮЛ 2014

Санкт-Петербург 2014

005550815

005550815

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Боярский Вадим Павлович,

доктор химических наук, доцент

Смирнов Игорь Валентинович,

доктор химических наук, доцент, помощник генерального директора по обеспечению научной деятельности — ученый секретарь ФГУП НПО "Радиевый институт им. В. Г. Хлопина"

Химич Николай Николаевич,

доктор химических наук, профессор кафедры физической и коллоидной химии Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлооргани-ческой химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук (Нижний Новгород)

Защита состоится 25 сентября 2014 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.232.41 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний проспект В.О., д. 41/43, БХА.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9 и на сайте http://spbu.ru, раздел наука/диссертационные советы.

Автореферат разослан «_»

2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук, профессор

/Бальмаков М. Д./

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Превращения лигандов в координационной сфере металлов являются предметом многих исследований. Реакции такого вида приводят к получению комплексов с лигандами, синтез которых недоступен или труднодоступен другими методами. В частности, нуклеофильное присоединение и диполярное циклоприсоединение к координированным изоциани-дам позволяют получать комплексы с ациклическими и гетероциклическими аминокарбеновыми лигандами, которые считаются одними из наиболее эффективных катализаторов органических процессов. Актуальность создания новых типов таких катализаторов связано с необходимостью расширения сферы применения известных реакций и круга используемых субстратов, а также разработки новых каталитических систем.

Поэтому значение ранее открытой реакции нуклеофильного присоединения органических аминов к изоцианидам в координационной сфере Рс1(Н) резко возросло после обнаружения того факта, что образующиеся в результате этого процесса комплексы палладия, содержащие в координационной сфере ациклический диаминокарбеновый лиганд, обладают хорошими каталитическими свойствами в важнейших органических реакциях кросс-сочетания арилгалогенидов с арилборными кислотами (реакция Сузуки), олефинами (реакция Хека), терминальными ацетиленами (реакция Соногаширы) и др. В результате последовал всплеск интереса к получению таких комплексов, выразившийся в появлении значительного числа работ, описывающих взаимодействие бис(изоцианидных) комплексов Рс1(П) с самыми разными органическими /У-нуклеофилами и ТУ, М- и А^О-полифункциональными нуклеофилами. При этом образуются моно- и биядерные комплексы различного строения, сильно отличающиеся по каталитической активности.

Накопленный в настоящее время в литературе материал по реакциям органических изоцианидов, находящихся в координационной сфере Рс1(Н), является разрозненным. Остаются невыясненными закономерности, связывающие структуру органического реагента, выступающего как нуклеофил и строение получающихся палладиевых комплексов с ациклическим диаминокарбе-новым лигандом. Это, наряду с потребностями химии в получении все более активных, стабильных и селективных каталитических систем, обусловило необходимость проведения данной работы.

Целью работы является выявление закономерностей сочетания изоциа-нидных лигандов в комплексах Рс1(П) с полинуклеофилами, позволяющих связать строение образующегося комплекса и исходного нуклеофила. В рамках обозначенной цели были поставлены следующие задачи:

3

1. Изучение взаимодействия бис(изоцианидных) комплексов Pd(II) с орто-фенилендиаминами - полинуклеофилами, способными в результате реакции образовывать C^V-хелатные комплексы;

2. Проведение реакции сочетания бмс(изоцианидных) комплексов Pd(II) с а-аминоазагетероциклами и определение зависимости образования моно- или биядерных карбеновых комплексов от структуры гетероциклов;

3. Получение диаминокарбеновых комплексов палладия в результате сочетания палладий-координированных изоцианидов с ароматическими азагетероцик-лами, где роль А^Я-нуклеофильного центра гарает атом азота пиррольного типа;

4. Проведение сочетания бнс(изоцианидных) комплексов Pd(II) с .МЯ-нуклеофилами, в которых атом азота включен в гидразидный фрагмент;

5. Выявление каталитической активности полученных новых аминокарбе-новых комплексов в реакциях кросс-сочетания.

Методика эксперимента и используемое оборудование. Строение полученных в работе соединений установлено на основании анализа данных перечисленных ниже физико-химических методов. Температуры плавления измерены в капиллярах на приборах Büchi Melting Point 530 и Stuart SMP30. Масс-спектры высокого разрешения с электрораспылительный ионизацией получены на приборе Bruker micrOTOF (РЦ СПбГУ «Методы анализа состава вещества»). Инфракрасные спектры записаны на спектрометрах Shimadzu FTIR 8400S (4000-400 см"1) и Bruker Tensor 27 FTIR (400-200 см"1, РЦ СПбГУ «Образовательный ресурсный центр по направлению химия»). Элементный анализ соединений проводили с использованием анализаторов Hewlett-Packard 185 В CHN и Euro ЕА 3028 НТ CHNSO. 'Н, ,3С{'Н}, DEPT90/DEPT135, и 'Н,ПС-HSQC/ Н, С-НМВС спектры ЯМР, зарегистрированы на спектрометрах Bruker DPX 300 и Bruker 400 МГц Avance при комнатной температуре (РЦ СПбГУ «Магнитно-резонансные методы исследования»). Значения молярной электропроводности комплексов измерялись на кондуктометре Mettler Toledo FE30 с использованием сенсора Inlab®710. Рентгеноструктурный анализ выполнен проф. М. Хаукка (Университет города Ювясиоля, Финляндия), к.х.н. Ф. М. Долгушиным (ИНЭОС РАН, Москва), к.геол.-мин.н. Г. Л. Старовой (РЦ СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования»).

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнена на Кафедре физической органической химии Химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (20102013 гг.) при поддержке РФФИ (фант 11-03-00048-а), СПбГУ (грантов на проведение НИР в 2011-2013 и 2014-2015 гг.), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (мероприятие 1.2.1, госконтракт

П-676 от 20.05.2010) и Фонда науки и технологии Португалии (Fundaçâo para а Ciencia е a Tecnología - FCT, Portugal, научно-исследовательские проекты PTDC/QUI-QUI/098760/2008 и PTDC/QUI-QUI/109846/2009).

Научная новизна. Продемонстрирована возможность направленного синтеза аминокарбеновых комплексов различной структуры посредством сочетания орото-фенилендиаминов и палладийкоординированных изоцианидов. Показаны факторы, влияющие на протекание реакции, и установлена взаимосвязь между строением исходного нуклеофила, условиями реакции и структурой образующихся комплексов.

Обнаружена взаимосвязь между структурой а-аминогетероцикла и образующегося аминокарбенового лиганда при сочетании а-аминогетероциклов с палладий-координированными изоцианидами. Выявлены условия, приводящие к селективному получению моно- и биядерных аминокарбеновых комплексов палладия.

Обнаружено ранее неизвестное сочетание палладийкоординированных изоцианидов с азагетероциклами, у которых //Я-центр включен в ароматическую систему. Данная реакция приводит к получению аза-аналогов арилами-нокарбеновых комплексов Pd(II).

Синтезирован новый класс ациклических аминокарбеновых комплексов взаимодействием гидразидов карбоновых и сульфоновых кислот с изоци-анидными комплексами Pd(II). Полученные соединения умерено растворимы в воде и обладают гидролитической стабильностью и устойчивостью к действию кислорода воздуха, что позволяет их использовать в качестве катализатора при проведении реакции Сузуки в водной среде.

Практическая значимость. Разработана новая эффективная каталитическая система для проведения реакций кросс-сочетания Сузуки в водном растворе. Предложенные катализаторы значительно превосходят по эффективности все аналоги, описанные в литературе.

Положения, выносимые на защиту:

1. Схема механизма взаимодействия бис(изоцианидных) дихлоридов Pd(II) с А^Д-полинуклеофилами, включающая в качестве интермедиата комплекс палладия с нуклеофилом, образованный в результате замещения хлоридного лиганда одним из нуклеофильных центров реагента. Этот комплекс трансформируется в аминокарбеновый посредством внутримолекулярной нуклеофильной атаки второго нуклеофильного центра на координированный изоцианид.

2. Новая реакция сочетания палладийкоординированных изоцианидов с азагетероциклами, у которых NH-центр включен в ароматическую систему.

3. Новая высокоэффективная система для проведения реакции Сузуки в вод-

ной среде, основанная на применении гидролитически стабильных гидрази-доаминокарбеновых комплексов палладия.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на 9 российских и международных конференциях. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, содержащихся в перечне ВАК РФ, и 10 тезисов докладов.

Объем и структура работы. Диссертационная работа объемом 143 страницы машинописного текста состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитированной литературы, включающего 88 наименований. В обзоре литературы рассмотрено строение изоцианидных комплексов и сочетание изоцианидных комплексов палладия с Л'-нуклеофилами и А'.Л'-полинуклеофилами. В экспериментальной части представлены методики синтезов, физические характеристики и спектральные данные полученных соединений.

2. Основное содержание диссертационной работы

Синтез исходных изоцианидных комплексов.

Для достижения цели работы выбрана серия бис(изоцианидных) комплексов Рс1(ГГ). Комплексы дихлорида палладия(Н) г/мс-[Рс1С12(СНЯ1)2] (Я1 = Су 1, ?-Вц 2, Ху1 3,2-С1-6-МеС6Нз 4) синтезированы замещением ацетонитрильных лигандов в [Рс1С12(ЫСМе)2] на изоцианидные. Соответствующие дибромидные комплексы палладия(И) [Рс1Вг2(СН11)2] (Я1 = Су 5, Ху1 6) синтезированы по обменной реакции между бмс(изоцианидными) комплексами дихлорида Рс1(Н) и бромидом калия. Установлено, что в твердой фазе и в растворе в хлороформе дибромидные комплексы 5 и 6 находятся в тирднс-конфигурации. Обнаружено, что в условиях, в которых цмс-изоцианидные комплексы 1-4 активны в реакции нуклеофильного сочетания и образуют диаминокарбеновые комплексы, /иранс-изоцианидные комплексы 5 и 6 инертны и в реакцию нуклеофильного сочетания не вступают.

Особенности взаимодействия бнс(изоцианидных) комплексов Р(](11) с полинуклеофнлами, способными в результате реакции образовывать С,Л/-хелатные комплексы.

Спецификой всех полинуклеофилов, сочетание которых с изоцианида-ми описано в литературе, является то, что взаимное расположение нуклео-фильных центров в них позволяет образование С, И- или Ы,№- хелатных лигандов. В некоторых работах даже высказано предположение, что взаимодействие З-иминоизоиндолин-1-она и /У-фенилбензамидина с изоцианидными комплексами дихлорида палладия начинается с замещения этим нуклеофилом одного из хлоридных лигандов с последующей внутримолекулярной атакой

нуклеофила на координированный изоцианид. Для выяснения роли внутримолекулярных взаимодействий в сочетании полинуклеофилов с изоцианид-ными комплексами Рс1(П) и проверки предположения о предварительном обмене лигандов мы провели сочетание комплексов г/ис-[Рс1С12(СЫЯ )2] с орто-, мета- и иара-фенилендиаминами, а также ияра-толуидином, орто-аминофенолом, и ор/ио-аминобензиловым спиртом, и сравнили реакционную способность и структуру образующихся комплексов.

Сочетание эквимолярных количеств изоцианидных комплексов 1,3 и 4 и орото-фенилендиаминов (7-9) проводит к образованию комплексов 10-18, которые по данным РСА в твердой фазе имеют катионный характер и содержат С,Л-хелатный карбеновый лиганд (Схема 1, Рисунок 1). Кондуктометрические исследования указывают на наличие в метанольном растворе равновесия между С,Л-хелатной катионной и открытоцепной незаряженной формами. О существовании равновесия свидетельствует и тот факт, что из растворов комплексов 17 и 18 выделены бис(карбеновые) С,С-хелатные комплексы 19 и 20, образование которых может происходить через открытоцепные формы.

И! 71С1 Я, К, СбНэ(2С|)(6Ме)

Ж „,' N4 «/ НИ, к

V ^ н2^я2 Л? __ „„А/

а' Ъ у=/ нм^ н

„2 Я2 СеНз(2С|)(6Ме)

134 Я2 = Н (7), Ме (8), С| (9) И' - Су, Я2 - Н (10). Ме (11), С1 (12); Я2 = Ме (19), С| (20)

Я1 - Ху|, И2 = Н (13), Ме (14), С| (15);

И' • 2-а-6-МеСвНз, Я2 = Н (16), Ме (17). а (18)

Схема 1

Рисунок 1. Структура продуктов 17 (слева) и 20 (справа).

Для установления механизма сочетания изоцианидных комплексов палладия и о/7/ио-фенилендиаминов проведено сравнение относительных скоростей реакции комплекса 3 с орто-фенилендиамином 8 и иора-толуидином (21). В обоих нуклеофилах аминогруппы схожи по основности, однако только в случае диамина 8 атака координированного изоцианида может быть внутримолекулярной при условии предварительного протекания реакции обмена хлорид-

ного лиганда на амин (Схема 2). Установлено, что 8 реагирует более чем в 100 раз быстрее, чем 21. Эти данные позволяют предположить, что при сочетании изоцианидных комплексов с анилинами на первой стадии реакции происходит обратимое замещение хлоридного лиганда, после чего в случае орто-фениле-ндиаминов нуклеофильное присоединение происходит внутримолекулярно.

ХУЧ У1а *ч хУ>'

X + =м Лг2 — ^НнЛ

3 8 Ме М» „

Ху1 ХуГ| С1 Ме

^ = х * Ч^/

з 21 22 С|/ Чс|

Схема 2

Использование двукратного избытка орто-фенилендиаминов 7 и 8 и проведение реакции в более полярном растворителе (ацетонитриле) приводит к образованию г/ис-бмс(карбеновых) комплексов 23-28 (Схема 3). Эти комплексы также могут быть получены взаимодействием карбеновых комплексов 10-15 с эквивалентным количеством соответствующего фенилендиамина.

Схема 3

В твердой фазе комплексы 23-28 содержат два симметричных С,/У-хелат-ных карбеновых лиганда, а ионы хлора находятся во внешней координационной сфере. Результаты кондуктометрических исследований указывают на наличие в растворе равновесия между бикатионной и монокатионной формами, причем равновесие смещено в сторону последней (метанол, 20 °С).

Присоединение избытка менее нуклеофильного о/шо-фенилендиамина 9 к комплексам 1,3 и 4 протекает только по одному изоцианидному лиганду с образованием комплексов 16-18. Л/еота-фенилендиамин (29) и иора-фенилен-диамин (30) также взаимодействуют с 3 и 4, реагируя только по одному изоцианидному лиганду (Схема 4). При этом 29 реагирует только одной аминогруппой, образуя комплексы 31 и 32, а в соединении 30 в реакции принимают независимое участие оба нуклеофильных центра, каждый из которых вступает в сочетание с отдельной частицей 3 или 4.

Литературные данные свидетельствуют, что при сочетании комплексов типа г/ис-[Р(1С12^Я1)2] с Л'Я-нуклеофилами в реакцию обычно вступает только один изоцианидный лиганд. Это связано с тем, что образующийся карбе-новый лиганд является более сильным донором, чем изоцианидный, и дезактивирует второй изоцианидный лиганд в реакциях нуклеофильного присоединения. В нашем исследовании обнаружено, что нейтральный комплекс 22 легко реагирует с 8 с образованием смешанного бис(карбенового) комплекса 35 (Схема 5). В то же время, взаимодействия между комплексом 22 и избытком 21 не наблюдалось. Более того, подобное взаимодействие катионного комплекса 14 с 21 также не протекает, несмотря на повышенную электрофильность катионного комплекса 14 по сравнению с нейтральной частицей 22.

Г*1 = Ху| (31), 76% Я' = 2-С|-6-МеС6Н3 (32), 80%

9 Ъ

Я' =Ху1 (33), 74% Я1 = 2-01-6-МеСеН, (34), 80%

Схема 4

Ме

с\' ЧС1

Ме

22

21

35

14

Ме

Схема 5

Это подтверждает, что образование бис(карбеновых) комплексов 23-28 инициируется замещением хлоридных лигандов на орото-фенилендиаминовые, с последующей внутримолекулярной атакой амино-группы на изоцианид.

Сочетание комплексов 3 и 4 с орто-аминофенолом (36), и орото-амино-бензиловым спиртом (37), содержащими в качестве второго атакующего центра группу ОН, гораздо менее основную, чем NH2 в 7 и 8, приводит к комплексам 38-41 (Схема 6). В их образовании участвуют один изоцианидный лиганд и аминогруппа ариламина. Даже при использовании четырехкратного избытка нуклеофила и проведения реакции в жестких условиях, образование бис(карбеновых) комплексов не наблюдалось.

R1 R1 /Г\ R< Y = 0H'

V -n' // X> R4 , R1 = Xyl, 38;

с'' + f|f -- УЧ J R1 = 2-CI-6-MeCeH3,39

Cl' Ъ r.t, 1 d M Pd Y = CH2OH.

Y = OH, 36 Cl Cl R1 = Xyl, 40;

3,4 Y = CH2OH. 37 R1 = 2-CI-6-MeC6H3,41

Схема 6

В целом, проведенные исследования показали, что фактор внутримоле-кулярности играет определяющую роль в сочетании А^-полинуклеофилов с координированными изоцианидами. Реакция с такими нуклеофилами начинается с частичного обратимого обмена хлоридного лиганда на амин, с последующей внутримолекулярной нуклеофильной атакой второго N-нуклеофиль-ного центра на координированный изоцианид. Это ускоряет образование монокарбеновых комплексов и делает возможным синтез продуктов более сложной структуры, например, бис(карбеновых) комплексов. В то же время для вовлечения в реакцию менее основного О-нуклеофильного центра в N, О-полинуклеофилах этого фактора оказывается недостаточно.

Определение закономерностей образования моио- или биядерных карбеновых комплексов в зависимости от структуры используемого для металлопромотируемого сочетания а-аминоазагетероцикла

Известно, что сочетание 1,3-дииминоизоиндолинов и 3-иминоизоиндо-лин-1-она с изоцианидными комплексами Pd(II) приводит к моноядерным комплексам, содержащих один или два хелатных карбеновых лиганда. В то же время, в случае сочетания 2-аминопиридинов с изоцианидными комплексами Pd(II) образующиеся карбеновые комплексы сами являются нуклеофилами и способны атаковать еще один изоцианидный комплекс с образованием биядерных соединений. Большой интерес представляло изучение причин такого различия и определения круга а-аминоазогетероциклов, способных образовывать необычные биядерные комплексы металлов в результате такой реакции.

Мы показали, что взаимодействие изоцианидного комплекса палладия 3 с а-аминоазогетероциклами со свободной аминогруппой 42-46 приводит к образованию биядерных комплексов 49-53. Во всех случаях реакция одинаково протекает по фрагменту МСЫ и не зависит от типа гетероциклического кольца (Схема 7).

.,-х

мн X = ЫН, У = N (42) х = Б, У = СН (43)

,ХУ1

С1Х / Рс1

/И

С/

-О1

Ху1

49-53 (76-88%)

Схема 7

При использовании аминоазогетероциклов, аминогруппа которых вовлечена во внутримолекулярную водородную связь (47 и 48), реакция останавливается на образовании С./У-хелатных моноядерных комплексов (Схема 8).

ОМе

,ХУ1

С1Ч ,с Рс1

ч

Г н

Пг{

мч\ а >

Ху1

Рс1 С/ чс.

Ху|

Схема 8

На примере 2-аминопиразина нами установлено, что взаимодействие изоцианидных комплексов с а-аминоазогетероциклами 42-46 протекает через промежуточное образование карбенового комплекса 56, который, сам являясь нуклеофилом, присоединяется ко второй молекуле изоцианидного комплекса (Схема 9). Введение в молекулу аминоазогетероцикла групп, способных образовывать внутримолекулярную водородную связь с атомом водорода аминогруппы препятствует депротонированию и реакция останавливается на образовании моноядерных комплексов.

С1Ч ,с

Рй СГ 'С.

Ч

3 Ху1

л

ГГ^Нг

46 56 57 83

Схема 9

2.4 Сочетание бис(изоцианидных) комплексов Рс1(П) с ароматическими азагетероциклами, где роль А'Я-нуклеофилыюго центра играет атом азота пиррольного типа

Присоединение к тройной связи координированных изоцианидов известно только для гетероциклов, имеющих центр 1ЧН не включенный в ароматическую систему. Поэтому интерес представляло исследование сочетания палладийкоординированных изоцианидов с нуклеофилом, у которого ЫН-центр включен в ароматическую систему. Образующийся в результате лиганд, будучи формально диаминокарбеновым, по своей структуре будет ближе к ариламино-карбенам, синтез которых представляет весьма сложную задачу.

Взаимодействие эквимолярных количеств комплекса цис-[РаС12(СЫСу)2] (1) и индазола (58) или 5-метилиндазола (59) реализуется при кипячении в хлороформе в течение 6 часов (Схема 10).

л

С1„ р

Рс) с\у чс.

х 4

Су

Г* = Н 58, = Ме 59

Су

Р = Н60, Р = Ме61 Схема 10

Введение электронакцепторных заместителей в ароматическое кольцо снижает нуклеофильность настолько, что нитро- и хлорзамещенные индазолы не вступают во взаимодействие с комплексом, даже при продолжительном интенсивном нагреве реакционной смеси.

Данные РСА комплекса 60 свидетельствуют о стабилизации карбено-вого атома углерода л-системой индазольного кольца. Длина связи С10-ЫI (1.365(4) А) заметно меньше по сравнению с длиной простой связи С-Ы

(1.469(10) А). Также наблюдается увеличение длин связей N1-С9 и N¡—N2 по сравнению с аналогичными длинами связей в свободном индазоле (№-N2 АЬ - 0.023 А; N1-09 АЬ = 0.051 А). В то же время связь между атомами N2 и СЗ в комплексе 60 укорачивается по сравнению с индазолом (АЬ = 0.024 А). Это свидетельствует о перераспределении электронной плотности в индазольном фрагменте, частично выводящим из ароматической л-системы индазольного кольца неподеленную пару атома азота N1. Длина связи С 10-Ю (1.291(4) А) ближе к длине двойной связи СЫ (1.279(8) А).

Данные комплексы имеют структуру ариламинокарбеновых комплексов, при этом стабилизация карбена происходит за счет частичного нарушения ароматической системы гетероарильного фрагмента.

2.5 Присоединения ГЧН-нуклеофила, в котором атом азота включен в гидразидный фрагмент к /шс(изоцнанидным) комплексам Рс1(Н).

Известно, что присоединение гидразина, метил- и фенил- замещенных гидразинов к бис- и те/?/иа-изоцианидным комплексам Р<1(П) приводит к образованию С,С-хелатных бис(карбеновым) комплексов. В то же время, при использовании фенилгидразина с сильными акцепторными заместителями в бензольном кольце (4-нитрофенилгидразин) реакция останавливается на стадии образования монокарбенового комплекса. В данной части работы в качестве структурно близких к гидразинам нуклеофилов использованы гидразиды карбоновых (А, 62-75) и сульфоновых (В, 76, 77) кислот.

HN ..

г, К 'N-,<

Pd Н О и

R3

HN—NH2

76,77

СГ

чх

R1

98-105

СНС13 reflux, 4 h

Pd

с," Ъч

N

V"

H2N—NH

62-75

HN П п

си Х/Ч

Pd Н О

CHCI3 reflux, 4 h

СГ

R1 - Су, 1Вц, Xyl. 2С|,6МеС6Н3

R' ~ Су. (Ви

N4

R1 78-97

1-4

Схема 11

Взаимодействие изоцианидных комплексов и гидразидов 62—77 протекает при кипячении в течение 4 ч. в хлороформе и приводит к продуктам 78-105 с хорошими препаративными выходами 60—96% (Схема 11). Комплексы 78—105 обладают некоторой растворимостью в воде (0.015-0.02 ммоль/л), гидролитической стабильностью и устойчивостью к действию кислорода воздуха. Помимо этого, данные частицы устойчивы в протонных растворителях в присутствии оснований, что позволяет предполагать возможность использования их в качестве катализаторов реакций кросс-сочетания в удобных с практической точки зрения условиях (в спиртах или в воде без дегазации).

2.6 Выявление каталитической активности полученных амино-карбеновых комплексов в реакциях кросс-сочетанпя.

Несмотря на то, что каталитические системы на основе соединений палладия для реакции Сузуки в водной среде известны более 20 лет, эффективность используемых систем остается низкой. Реакции обычно проводят при высокой загрузке катализатора (до 2 мол%) и/или требуется применение водорастворимых лигандов, синтез которых сложен (например, соответствующих М-гетерциклических карбенов). Примеры использования ациклических диами-нокарбеновых комплексов палладия в качестве катализаторов для проведения кросс-сочетания в воде в литературе отсутствуют. В то же время, возможность использования воды в качестве растворителя для органических реакций вызывает особый интерес, так как она считается экологически нейтральным растворителем. Кроме того, избирательная функционализация больших биомолекул (например, пептидов или белков) через реакции кросс-сочетания — один из новейших подходов в биоинженерии - возможна только в водной среде, поскольку ее использование позволяет избежать денатурации, происходящей в органических растворителях. Поэтому была исследована применимость комплексов 78-105 для катализа кросс-сочетания Сузуки в водном растворе.

Установлено, что все гидразидоаминокарбеновые комплексы 78-105 являются эффективными катализаторами модельной реакции Сузуки в водной среде (Схема 12). Реакция протекает при загрузке катализатора 0.01 мол%, при этом выход биарила достигает 93%.

ВГ /^/В(ОН)2 Са,

♦пг

^^ 80 »С, 2 И.

МеО'

Схема 12

Три наиболее активных катализатора (83, 94 и 100, Рисунок 2) были отобраны для исследования применимости данной системы для синтеза различных биарилов. Обнаружено, что реакция успешно протекает с субстратами, содержащими как донорные, так и акцепторные заместители. Кроме того, показано, что даже пространственно затрудненные соединения успешно трансформируются в соответствующие биарилы в водной среде.

_.СШе ОМе

„м НО рс Й Ъ Р6 но0

С1 счч С1' ~счч СГ

ич 4 К

су ез (-Ви 54 ч[-ви «о

Рисунок 2. Наиболее активные катализаторы реакции Сузуки.

R3—X + R4-B(OH)2 Cat. R3—R4

Выход, при выбранном

R4 R3X катализаторе, %

83 94 100

4-MeC6H4Br 96 (89) 94 93

4-MeOC6H4Br 91 (88) 91 93

4-NCC6H4Br >99 (96) >99 >99

Ph 4-N02C6H4Br >99 (95) >99 >99

3-(H02C)C6H4Br >99 (96) >99 >99

2-MeOC6H4Br 91 (89) 91 93

4-MeOC6H4I 84 (81) 86 87

4-MeOC6H4Cl <5 <5 <5

4-MeOC6H4Br 78 (62) 68 62

2-ÍBUOC6H4 4-N02C6H4Cl4 92 (78) 89 85

4-MeOC6H4Cl <5 <5 <5

2,6-(МеО)2С6Н3 4-MeOC6H4Br 4-ClC6H4f 92 (82) 99 (92) 90 91 86 97

3,5-(CF3)2C6H3 4-MeOC6H4Br 4-К02С6Н4С14 83 (78) 82 (78) 84 81 82 78

К2С03 (1.5x10^ моль, 1.5 экв.), субстрат (1.0x10^ моль, 1 экв), фенилборная кислота (1.2x10^ моль, 1.2 экв.), катализатор (1х10~8 моль); Н20 (1 мл), 2 часа.

Анализ полученных результатов показывает, что система, основанная на использовании гидразидоаминокарбеновых комплексов 78—105, является наиболее эффективной из описанных в литературе.

Среди Pd-катализируемых реакций кросс-сочетания важное место занимает также реакция Соногаширы, в классическом варианте катализируемая одновременно соединениями палладия и меди. Однако использование такой системы негативно сказывается на селективности реакции из-за образования побочного продукта гомосочетания - бутадиина. Поэтому разработка эффективных каталитических систем, позволяющих проводить Pd-катализируемое кросс-сочетание галогенаренов и терминальных ацетиленов без использования медного сокатализатора, является актуальной задачей в металлоком-плексном катализе.

На примере взаимодействия 4-иоданизола с фенилацетиленом мы показали, что все гидразидоаминокарбеновые комплексы 78-105 могут быть

использованы в качестве катализаторов «безмедной» реакции Соногаширы. Реакция протекает при загрузке катализатора 0.01 мол% с выходом арилаце-тилена до 96% (Схема 13).

Схема 13.

Таким образом, используя разработанный нами подход к синтезу ациклических диаминокарбеновых комплексов Рс1, основанный на металлопромо-тируемой реакции изоцианидов и гидразидов карбоновых и сульфоновых кислот, нам удалось разработать новую каталитическую систему для проведения реакций Сузуки и Соногаширы. Особенностью синтезированних катализаторов является их гидрофильность, что позволяет проводить реакцию используя в качестве растворителя не только спирты, но и воду. Анализ полученных результатов и литературных данных показывает, что предлагаемая в работе система, основанная на использовании комплексов 78-105, является наиболее эффективной для проведения реакции Сузуки в водной среде. Кроме того, благодаря высокой каталитической активности и стабильности на воздухе, комплексы 78-105 могут применяться для катализа реакции Соногаширы в безмедном варианте.

3. Основные результаты и выводы

1. Геометрические изомеры исходных бис(изоцианидных) дигалогенидов палладия(П) определяется природой галогена. Дихлорокомплексы в растворе существуют преимущественно в цис-форме, а дибромо-производные имеют исключительно /иранс-конфигурацию;

2. Сочетание ортоо-фенилендиаминов с ^ис-бис(изоцианидными) комплексами пвлладия(И) приводит к образованию хелатных карбеновых комплексов, в которых хелатирование происходит за счет замещения хлоридного лиганда оставшейся свободной аминогруппой фенилендиамина, вошедшего в состав карбенового фрагмента;

3. Сочетание а-аминоазагетероциклов с г^мс-бмс(изоцианидными) комплексами палладия(Н) приводит к образованию биядерных комплексов, содержащих два палладацикла. Реакция протекает через промежуточное образование хелатного монокарбенового комплекса, который выступает

как нукгтеофил, присоединяясь ко второй молекуле координированного изоцианида;

4. Продемонстрирована- возможность сочетания изоцианидного лиганда с индазолом - нуклеофилом, у которого АТУ-центр включен в ароматическую систему;

5. Сочетание палладий-координированных изоцианидов с гидразидами приводит к образованию карбеновых комплексов, обладающих высокой каталитической активностью в реакции Сузуки в водной среде и в реакции Соногаширы в безмедном варианте.

В ходе выполнения диссертационной работы синтезировано и охарактеризовано 69 новых соединений, структура 25 из них подтверждена методом рент-геноструктурного анализа.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи

1. M. A. Kinzhalov, К. V. Luzyanin, V. P. Boyarskiy, M. Наикка, V. Yu. Kukushkin, ADC-Based palladium catalysts for aqueous Suzuki-Miyaura cross-coupling exhibit greater activity than the most advantageous catalytic systems // Organometallics, 32 (2013) 5212-5223.

2. M. A. Kinzhalov, V. P. Boyarskiy, К. V. Luzyanin, F. M. Dolgushin, V. Yu. Kukushkin, Metal-mediated coupling of a coordinated isocyanide and inda-zoles // Dalton Trans., 42 (2013) 10394-10397.

3. M. А. Кинжалов, К. В. Лузянин, В. П. Боярский, М. Хаукка, В. Ю. Кукушкин, Сочетание аминоазагетероциклов с изоцианидным лигандом в комплексе палладия(Н) // Известия Академии наук. Серия химическая, 3 (2013) 757-765.

4. М. A. Kinzhalov, К. V. Luzyanin, I. A. Boyarskaya, G. L. Starova, V. P. Boyarskiy, Synthetic and structural investigation of [PdBr2(CNR)2] (R = Cy, Xyl) Il Journal of Molecular Structure, 1068 (2014) 222-227.

Тезисы докладов

5. M A. Кинжалов, К. В. Лузянин, В. П. Боярский, В. Ю. Кукушкин Новая эффективная каталитическая система для проведения реакции сузуки в водной среде // Кластер конференций по органической химии «ОргХгш-2013» -2013 — Санкт-Петербург - стр. 129.

6. М. А. Кинжалов, К. В. Лузянин, В. П. Боярский Сочетание изоцианидного комплекса палладия(П) с аминоазогетероциклами, приводящее к новым пал-ладациклам // VII Всероссийская конференция по химии для молодых ученых, студентов и аспирантов с международным участием «Менделеев-2013» -2013 - Санкт-Петербург - том «Органическая химия», стр. 174-175.

7. M. A. Kinzhalov, V. P. Boyarskiy, К. V. Luzyanin, M. Haukka, V. Yu. Kukushkin, New type palladium(II)-hydrazideaminocarbene complexes // International Symposium «Frontiers of Organometallic Chemistry» - 2012 - Санкт-Петербург - стр. 79.

8. M. A. Kinzhalov, К. V. Luzyanin, V. P. Boyarskiy, V. Yu. Kukushkin Novel hydrazidocarbene complexes as catalysts for Suzuki-Miyaura coupling under mild conditions// International Conference on Organometallic Chemistry {ICOMC 2012) - 2012 - Лиссабон, Португалия - PA. 118.

9. M. A. Kinzhalov, К. V. Luzyanin, V. P. Boyarskiy, M. Haukka, V. Yu. Kukushkin Synthesis, structure and properties of new aminocarbene-palladium(II) complexes containing carbohydrazide moiety // International Conference on Organometallic Chemistry СICOMC 2012) - 2012 - Лиссабон, Португалия - F6.5.

10. M. A. Kinzhalov, К. V. Luzyanin, V. P. Boyarskiy, V. Yu. Kukushkin Novel type hydrazidocarbene-palladium complexes - potent catalysts for Suzuki-Miyaura coupling under mild conditions // 6th Spanish Portuguese Japanese Organic Chemistry Symposium - 2012 - Лиссабон, Португалия - стр. 130.

11. M. A. Kinzhalov, V. P. Boyarskiy New type palladium(II)-hydrazidoaminocar-bene complexes // International Student conference «Science and Progress» - 2012 - Санкт-Петербург - стр. 79.

12. M. А. Кинжалов, К. В. Лузянин, В. П. Боярский Синтез, свойства и структура карбеновых комплексов палладия(Н), содержащих ацилгидразиновый фрагмент // VI Всероссийская конференция по химии для молодых ученых, студентов и аспирантов с международным участием «Менделеев-2012» - 2012 - Санкт-Петербург - том «Органическая химия», стр. 69.

13. М. А. Кинжалов, В. П. Боярский, В. Ю. Кукушкин Палладий промотируе-мое нуклеофильное присоединение индазола к тройной связи CN циклогекси-лизонитрила // V Всероссийская конференция студентов и аспирантов «Химия в современном мире» - 2011 - Санкт-Петербург - стр. 374.

14. М. А. Кинжалов, В. П. Боярский, Ф. М. Долгушин, В. Ю. Кукушкин Нуклеофильное присоединение индазола к тройной связи CN циклогексилизо-нитрила в координационной сфере Pd(II) // XXV Международная Чугаевская конференция, - 2011 - Суздаль — стр. 374.

Подписано в печать 19.05.14. Формат 60 х 84 '/16 Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать цифровая. Усл. печ. л. 1.00. Тираж 100 экз. Заказ 4531.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии ИХ СПбГУ 198504 Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., д. 26 _тел.: (812) 428-4043, 428-6919