Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Хиральные лиганды в асимметрическом катализе. Монография
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное уч-
реждение высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
И. З. Илалдинов, Р. Кадыров
ХИРАЛЬНЫЕ ЛИГАНДЫ
В АСИММЕТРИЧЕСКОМ КАТАЛИЗЕ
Монография
Казань
Издательство КНИТУ
2014
1
УДК 542.973
ББК 24.2
Илалдинов, И. З.
Хиральные лиганды в асимметрическом катализе: моно-
графия / И. З. Илалдинов, Р. Кадыров; М-во образ. и науки России,
Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2014. – 268
с.
ISBN 978-5-7882-1661-4
Работа посвящена асимметрическому металлокомплексному катализу, одному из мощнейших инструментов современной органической химии. Подробно описаны хиральные лиганды, которые используются в асимметрическом катализе, с точки
зрения дизайна и их синтеза, активности и стереоселективности
в различных реакциях. Показаны сферы их промышленного
применения в производстве лекарственных препаратов, средств
агрохимии и т.д.
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся синтезом и исследованиями хиральных лигандов, разработкой и реализацией асимметрического
катализа. Будет полезна преподавателям, аспирантам и студентам вузов.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты: д-р хим. наук, проф. К. Н. Гаврилов
д-р хим. наук, проф. И. Т. Чижевский
ISBN 978-5-7882-1661-4 © Илалдинов И. З., Кадыров Р., 2014
© Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2014
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Библиографический список
1.
2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИРАЛЬНЫХ
ЛИГАНДОВ И МЕХАНИЗМ АСИММЕТРИЧЕСКОЙ
ИНДУКЦИИ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ .... 22
3. СИНТЕЗ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ХИРАЛЬНЫХ
ЛИГАНДОВ …………………………………………...…… 44
3.1. Хиральные монодентатные лиганды …………... 44
3.2. Хиральные бидентатные Р,Р- лиганды ………... 60
3.2.1. Р,Р-лиганды структурного типа DIOP …………. 61
3.2.2. Р,Р-лиганды структурного типа DIPAMP ……… 65
3.2.3. Р,Р-лиганды структурного типа DuPHOS ……… 70
3.2.4. Биарильные Р,Р-лиганды с аксиальной хираль-
3.2.5. Дифосфиновые лиганды с планарной хирально-
3.2.6. Р,Р-бидентатные фосфиты ………………………. 92
3.3. Хиральные бидентатные P,N – лиганды …….... 100
3.3.1. P,N-лиганды с оксазолиновым фрагментом…... 104
3.3.2. Пиридилфосфиновые P,N-лиганды………….. 136
3.3.3. Амино(имино)фосфиновые P,N-лиганды…... 145
3.3.4. P,N-лиганды с планарной хиральностью……… 152
3.4. Хиральные лиганды на основе природных соеди-
нений …………………………………………... 156
3.4.1. Хиральные лиганды на основе углеводов…….. 157
3.4.2. Хиральные лиганды на основе гидрокси- и
3.4.3. Хиральные лиганды на основе терпенов и тер-
4. ПРИМЕНЕНИЕ ХИРАЛЬНЫХ ЛИГАНДОВ В ПРО-
МЫШЛЕННОМ АСИММЕТРИЧЕСКОМ
КАТАЛИЗЕ ………………………………………………… 185
…………………………………………………
……………………………. 8
ностью …………………………………….. 84
стью …………………………………….. 88
аминокислот. …………………………………….. 165
пеноидов………………………………………. 167
…………………………….. 218
4
3
ВВЕДЕНИЕ
Симметрия, как и ее противоположность – асимметрия, являются фундаментальными свойствами материи. Если симметрия определяет порядок и равновесие в системе, то асимметрия
нарушает его и выводит на новый уровень развития. Фундаментальность этих свойств материи заложена в основе ее возникновения и существования. В теории Большого взрыва предполагается, что в первоначальный момент зарождения нашей Вселенной, когда температура образовавшейся материи в результате
взрыва была огромной, симметрия единого взаимодействия была полной и совершенной, все виды взаимодействия были эффективны и объединены в одно взаимодействие, и не было разделения между частицами материи. Это длилось всего лишь 10
35
секунд от начала Большого взрыва. Затем впервые произошло
нарушение зеркальной симметрии, сопровождаемое фазовым
переходом, в результате которого произошло отделение гравитационного взаимодействия от остальных фундаментальных
взаимодействий, экспоненциальное расширение Вселенной,
конденсация кварк-глюонной плазмы и появление массы у частиц за счет взаимодействия с бозонами Хиггса. Этот конденсат
затем послужил материалом для образования более сложных
структурных единиц материи (протонов и нейтронов) после
очередного спонтанного нарушения симметрии, которое заняло
по времени 10
-19
секунд с начала Большого взрыва. Заме-
тим, что безмассовые частицы сохранили зеркальную симметрию и присутствуют сейчас в природе в виде двух зеркальных
антиподов. Например, фотон не имеет массы и существует в
виде лево- и правополяризованных частиц, которые являются
зеркальными антиподами.
Затем еще одно нарушение симметрии, в результате которого
все четыре вида взаимодействия стали существовать уже раздельно, и это дало возможность для Вселенной пройти путь до
ее нынешнего состояния, когда существует огромное количество элементарных частиц с массой и без нее, взаимодействующих
-
4
между собой через различные поля. Но все это стало результатом непрерывного спонтанного нарушения первоначальной
симметрии, появления асимметрии в системе.
Нарушение зеркальной симметрии произошло и на биологическом уровне. Например, двойная спираль молекулы ДНК имеет правую спиральность, а в синтезе белков строительными блоками являются только L-аминокислоты. Но еще Луи Пастер в
середине уже позапрошлого века при обсуждении свойств вновь
открытых веществ, левого и правого аспарагина, высказал идею
о том, что различие между правой и левой из сторон в живых
организмах (нарушение симметрии) обусловливает и дисимметрию рецепторов, ответственных за восприятие внешних раздражителей. Так, зеркальные антиподы одних и тех же веществ могут по-разному влиять на наши органы чувств. Левый аспарагин,
природное соединение, по вкусу горький, а правый, искусственный, наоборот, сладкий. Один энантиомер хиральной молекулы
лимонена пахнет лимоном, а другой – апельсином.
В начале 60-х годов прошлого века во многих странах мира
родились по разным подсчетам от 8 000 до 12 000 детей с пороками развития костных тканей, вплоть до полного их отсутствия. Выяснилось, что причиной таких уродств стало седативное
снотворное лекарственное средство, которое из-за его безвредности при передозировках назначали беременным женщинам,
чтобы снять чувство страха перед родами. Это лекарство разработала немецкая фирма Chemie Grunenthal и выпустила под торговым названием талидомид (Thalidomide). Действующим началом было химическое соединение 2-(2,6-диоксипиперидин-3ил)изоиндол-1,3-дион, или имид фталимидоглютаминовой кислоты (1), которое представляло собой рацемическую (в равных
количествах) смесь двух зеркальных антиподов, двух пространственных изомеров:
5
N
O
O
NH
O
O
Талидомид (Thalidomide) (1)
Изучение этих антиподов показало, что только один из них
ответственен за уродства, а другой совершенно безвреден. Но
только случай с талидомидом вывел исследование зеркальных
антиподов, как еще их называют, оптических изомеров, или
энантиомеров, на новый уровень развития. Стало окончательно
ясно, что оптические изомеры обладают совершенно разной
биологической активностью, включая и фармакологическую
активность лекарственных препаратов. С тех пор хиральные
лекарственные препараты в большинстве развитых стран допускаются к применению только после тестирования исключительно оптически чистых веществ.
Таким образом, промышленное производство оптически чистых соединений стало исключительно важной задачей. Сегодня
оптически чистые соединения все в большем количестве синтезируются в производстве лекарственных веществ и витаминов в
фармакологии, агрохимии, в производстве душистых веществ и
приправ, а также исходных оптически чистых веществ и интермедиатов. Важное значение приобрел также синтез хиральных
полимеров как материалов, обладающих нелинейными оптическими свойствами, а также ферроэлектрических жидких кристаллов.
За прошедшие почти полвека интенсивных исследований в
области асимметрического катализа был накоплен огромный
фактический материал, включая синтез и исследование свойств
самих хиральных лигандов, катализаторов на их основе и тех
реакций, в которых они показали свою эффективность. С целью
наиболее полного охвата всего спектра важнейших достижений
в этой области разобьем последующее изложение на части, ко-
6
торые определим следующим образом. После краткого исторического обзора и описания основных характеристик хиральных
лигандов первая часть посвящена описанию структуры основных, или так называемых «привилегированных» хиральных лигандов. Этот раздел разбит, в свою очередь, на подразделы, в
основу чего положена дентатность лигандов и их структурный
тип, который определяется наличием тех или иных элементов
хиральности в структуре молекулы лиганда. Внутри этих подразделов отдельно рассматриваются структуры, полученные
модификацией тех лигандов, которые вошли в перечень так называемых привилегированных лигандов. Здесь же выделены
лиганды, в которых координирующими атомами могут быть
атомы фосфора и азота. При этом отмечено, что хотя лиганды с
третичными фосфинами и были изначально представлены как
наиболее успешные, но несомненными достоинствами обладают
и фосфоросодержащие лиганды с Р-О- и (или) P-N-связями. В
последней части работы затронуты вопросы промышленного
использования хиральных лигандов, включая и само их производство.
7
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
R
R
CHO
1.
Ключевой датой открытия гомогенного катализа на переходных металлах считают 26 июля 1938 года, когда немецкий химик Отто Роэлен (O. Roelen), пытаясь найти способ увеличения
длины углеводородных цепочек, полученных по реакции Фишера-Тропша (ФТ), наткнулся на новую каталитическую реакцию
[1]. Он вторично пропускал первоначально полученные в реакции ФТ олефины, добавляя новую порцию синтез-газа (смесь
монооксида углерода и водорода), через катализатор, содержащий кобальт. Но это привело не к увеличению длины цепочки
путем присоединения углеводородов, а к синтезу смеси линейных и разветвленных (изо-) альдегидов:
CO/H
2
R
CHO
+
*
Схема 1. Реакция оксосинтеза.
Было установлено, что при температуре 150 0С и давлении 10
МПа металлический кобальт образует с окисью углерода дикобальтооктакарбонил Сo2(CO)8, который и является катализатором реакции гидроформилирования. Еще одним названием этой
реакции, первоначально предложенным Отто Роэленом, был
оксосинтез (схема 1). Предполагалось, что в реакции происходит присоединение кислорода, только затем стало ясно, что результатом реакции является присоединение атома водорода и
карбонильной группы по ненасыщенной связи.
Реакция гидроформилирования нашла широкое промышленное применение в производстве альдегидов и спиртов при последующем гидрировании альдегидов. Отметим, что одним из
продуктов гидроформилирования является изоальдегид, который имеет хиральный центр. При этом исследования реакций
8
асимметрического гидроформилирования и конструирование
O
для них хиральных лигандов начались довольно рано [2,3].
Открытие Отто Роэлена дало мощный толчок к исследованиям в области гомогенного катализа и металлоорганической химии. В том же 1938 году американский ученый Мелвин Кэлвин
(в последующем лауреат Нобелевской премии за открытие фотосинтеза) (M. Calvin) сообщил о гомогенной каталитической
реакции гидрирования (гидрирование хинона в присутствии
ацетата меди) [4]. В следующем году японский ученый Игучи
(M. Iguchi) сообщил об открытии гомогенного катализатора гидрирования на основе родия. Им была проведена реакция гидрирования фумаровой кислоты.
Война затруднила исследования в области металлоорганической химии и гомогенного катализа, но не остановила. Так, исследовательская группа фирмы BASF (Германия) во главе с В.
Реппе (W. Reppe) продолжила обширные работы по гомогенному катализу. Только после войны эти исследования стали известны широкому кругу исследователей. Сегодня под названием
Реппе-реакции понимаются синтезы на основе окиси углерода и
ацетилена (схема 2) (реакция карбонилирования). Катализаторами в этих реакциях явились комплексы никеля, родия и палладия.
HC CH
+ CO + HX
H2C
C
C
X
( X = -OH, -OR, -SR, - NHR, -OCOR)
Схема 2. Синтез на основе окиси углерода и ацетилена
Другим важным примером стал разработанный Реппе промышленный способ синтеза циклооктатетраена из ацетилена
(схема 3) [5], который является ценным сырьем для производства химических волокон и пластмасс. Катализатором реакции
является цианид или ацетилацетонат никеля.
9
H
4
R
Ni (CO)
HC CH
Схема 3. Реакция цикло(тетра)меризации ацетилена
Позднее им также был предложен важный промышленный
способ производства карбоновых кислот в реакции гидрокарбоксилирования ненасыщенных углеводородов (схема 4).
4
R
+ CO + H2O
COOH
Схема 4. Реакция гидрокарбоксилирования.
В 1951 году Т. Кили и П. Паусон (T.J. Kealy, P.J. Pauson) синтезировали ферроцен [6,7], а в следующем году Уилкинсон, Розенблюм и Вудвард (G. Wilkinson, M. Rosenblum, R.B.
Woodward) [8] определили структуру ферроцена (2) с π-связами
как основу его реакционной способности, которая оказалась
очень похожей на реакционную способность бензола:
Fe
Ферроцен (2)
Э. Фишер (E. Fischer) подтвердил предложенную структуру
на основе рентгеноструктурных данных. Затем появились еще
ряд так называемых «сэндвичных» соединений, проявляющих
ароматический характер в комплексных соединениях и имеющих важное значение при их использовании в качестве лигандов.
Следующим важным шагом в истории гомогенного катализа
оказалась разработка Циглера по полимеризации олефинов, ка-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]