Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Хиральные лиганды в асимметрическом катализе. Монография
.pdf
тализируемых сложными металлоорганическими соединениями
[9]. Официальной датой открытия считается 1955 год, но еще
1952 году немецкий химик К. Циглер (K. Ziegler) обнаружил
полимеризацию этилена в высшие α-олефины, где в качестве
катализатора он использовал гидрид лития, а затем и гидрид
алюминия. Это был поворотный момент в развитии металлоорганического катализа.
С 1953 по 1954 год была проведена большая работа по поиску
более эффективных катализаторов для полимеризации этилена.
Успешные опыты с алюминийорганическими соединениями
привели к открытию триэтилалюминия, который при определенных условиях (100 0С и 10 МПа) присоединял до 100 этиленовых групп в процессе олигомеризации. Затем был найден
комплекс с триэтилалюминием и хлоридом титана, который позволил получить полиэтилен с высокой молекулярной массой
при низких давлениях. Дж. Натт (G. Natta), сотрудник миланского химического концерна Montecatini (Италия), по соглашению
с К. Циглером успешно провел реакцию полимеризации полипропилена с новым катализатором и организовал его промышленное производство. В 1963 году за эти работы им была присуждена Нобелевская премия.
В 1955 году опубликована работа Дж. Гальперина (J.
Halperin) о механизме гомогенного каталитического гидрирования [10], а в 1959 году появилась работа, в которой сообщалось
о реакции окислительного присоединения (схема 5) [11]. Значение и область применения этих реакций в полной мере оценены
только после открытия иридиевого комплекса (1962 г.), названного затем по имени его открывателя комплексом Васки [12].
Этот комплекс представляет собой плоскоквадратный комплекс
одновалентного иридия IrI желто-лимонного цвета, который в
атмосфере водорода находится в равновесии с октаэдрическим
дигидридным комплексом трехвалентного иридия IrII:
11
OC PPh
H
C
l
C
H
Ir
Ph3P Cl
3
+ H
2
OC PPh
Ir
Ph3P H
3
Схема 5. Реакция окислительного присоединения водорода.
В 1964 году Э. О. Фишер впервые синтезировал карбеновый
комплекс переходного металла Me(MeO)C=W(CO)5, в котором
углерод образовывал двойную связь с металлом [13]. Это послужило основанием для Шовена (Y. Chauvin) [14] объяснить
механизм реакции метатезиса олефинов (метатезис – от греческого слова meta tithemi) - обмен местами, впервые предположив
металлокарбен в качестве инициатора каталитического цикла.
Сама реакция метатезиса была впервые открыта в середине 50-х.
В 1956 году H. Eleutario (DuPont) описал образование этилена и
бутена, пропуская пропилен через молибденовый катализатор,
осажденный на окиси алюминия [15]. В настоящее время эта
реакция является основным промышленным способом получения пропилена из этилена и 2-бутена (смеси цис- и трансизомеров) (схема 6).
H2C CH
+
2
H3C
3
2
Схема 6. Триолефиновый процесс Филлипса (Phillips Petro-
leum).
Эти реакции еще называют реакцией диспропорционирования олефинов. В ходе этих реакций происходит изменение длины углеводородных цепочек. Такие реакции протекают как с
гетерогенными, так и с гомогенными катализаторами [16].
В промышленности реакция метатезиса осуществляется как
гетерогенными катализаторами на основе оксидов молибдена
MoO3, вольфрама WO3 и рения Re2O7, так и гомогенным метал-
12
локомплексным катализом на основе хлоридов молибдена Мо и
6% ее
вольфрама W и хорошо структурно определенных комплексов
рутения Ru. Оценили важность реакции метатезиса присуждением Нобелевской премии в 2005 году французскому ученому
Ив Шовену (Y. Chauvin) и двум американским ученым Ричарду
Шроку (R. Schrock) и Роберту Граббсу (R. Grubbs).
В 1965 году Уилкинсон с сотр. [17-19] синтезировал впервые
комплекс на основе родия, который нашел широкое применение
как металлокомплексный катализатор в реакциях гидрирования
С=С двойных связей молекулярным водородом, названный впоследствии катализатором гидрирования Уилкинсона
RhCl(PPh3)3. Этот катализатор, также как и комплекс Васки,
представляет собой плоскоквадратный комплекс с числом валентных электронов 16 и степенью окисления родия Rh (I).
N
O
Cu
O
N
Хиральный комплекс шиффова основания Cu (II) (3)
COOC2H
5
+ N2CHCOOC2H
1 моль %
кат - Cu
5
H
10% ее
HH
COOC2H
H
5
Схема 7. Циклопропанирование стирола диазоуксусной ки-
слотой в присутствии хирального медного катализатора (3)
13
Впервые в 1966 году будущий лауреат Нобелевской премии
R
R
Р. Нойори (R. Noyori) провел асимметрическое циклопропанирование прохирального стирола диазоуксусной кислотой, используя в качестве катализатора хиральный комплекс (3) шиффова основания с медью Cu (II) [20,21] (схема 7). В результате асимметрического синтеза был получен 2фенилциклопропанкарбоновая кислота с энантиомерным из-
бытком (ее) в 10% для цис-изомера и в 6% для транс-изомера.
Но этот синтез остался незамеченным, и только много позднее
он был улучшен и использован в промышленности компанией
Sumitomo Chemical Co. (Япония) для производства хризантематов (4) (эффективных инсектицидов).
'
COOR
R
Хризантематы (4)
Вскоре об идее замены трифенилфосфина PPh3 в катализаторах Уилкинсона хиральными фосфинами независимо друг от
друга сообщили в 1968 году группы Уильяма Нойелса (W.S.
Knowles) и Л. Хорнера (L.Horner) [22-24]. Так, например, в качестве хирального лиганда Л. Хорнер использовал R-метил-н-
пропилфенилфосфин (5):
P
O
P
(5) (6)
14
Группа Нойелса предложила также, кроме R-метил-н-
COO
H
пропилфенилфосфина (5), в качестве хирального лиганда использовать еще целый ряд хиральных фосфинов, например R(2-метоксифенил)циклогексилметилфосфин (АСМР) (6).
Хотя оптическая чистота полученных продуктов реакции
гидрирования первоначально составила всего лишь 15% энантиомерного избытка и для промышленного гидрирования прохиральных олефинов была еще очень низка, но эта идея оказалась ключевой для дальнейшего развития асимметрического
катализа.
O
O
PPh
PPh
2
2
(R) - DIOP (7)
Одним из первых лигандов, успешно использованных в
асимметрическом синтезе, стал лиганд, полученный группой
Кагана (H. Kagan) в 1971 году на основе (+) – (2R,3R) – винной
кислоты, под названием DIOP (7) [25, 26]. При асимметрическом
гидрировании N-ацетиламидокоричной кислоты (8) в присутствии Rh-комплекса с этим лигандом был достигнут энантиомерный избыток в 83% ее (схема 8).
COOH
NHAc
(8)
NHAc
H
2
Cat.- Rh[DIOP]
Схема 8. Реакция асимметрического гидрирования
N-ацетиламинокоричной кислоты (8)
Отметим, что в дальнейшем эта реакция стала одной из стандартных реакций при тестировании новых катализаторов асимметрического гидрирования. В последующем новые хиральные
15
лиганды этого структурного типа были получены целенаправ-
COOHH
O
H
O
ленной заменой заместителей при атомах фосфора [27-29].
P P
OO
NH
2
(R) - DIPAMP (9) L-DOPA (10)
Следующим важным этапом в развитии асимметрического
катализа стал синтез группой Нойелса [30-32] дифосфинового
лиганда DIPAMP (9), позже использованный американской
фирмой «Monsanto» для промышленного синтеза аминокислоты
(10) под названием L-DOPA. Как ранее было найдено, эта аминокислота помогает в лечении болезни Паркинсона.
Родиевый комплекс с этим лигандом в качестве катализатора
приводит к количественному выходу L-DOPA (10) с энантиомерной чистотой 97,5% ее. Последующее увеличение оптической чистоты продукта (10) до 100% ее достигалось кристаллизацией.
Существенным шагом в направлении практического применения асимметрического катализа стала работа Нойори с сотр., в
которой был впервые использован рутеневый катализатор гидрирования с дифосфиновым лигандом на основе бинафтила -
BINAP (11) [33, 34]. Японская компания Takasago International
Corp. с начала 80-х годов использует BINAP в промышленном
синтезе хирального (-)-ментола (13) из мирцена (12) (схема 9),
выпуская ежегодно до 1 500 тонн продукта [35]. Ключевым этапом является каталитическая изомеризация геранилдиэтиламина
в (R)–центранелал (Е)-енамин с использованием родиевого комплекса с (S) – BINAP. Оптическая чистота продукта на этапе
каталитической изомеризации достигает 99% ее.
16
PPh
2
PPh
2
(S) - BINAP (11)
В литературе эффективность катализатора определяется числом молей реагента, превращенных в продукт на одном моле
катализатора, или как число оборотов катализатора - ton (turnover number). В указанном промышленном синтезе ментола (13)
эта величина достигает величины ton = 50 000.
Rh/(S)-BINAP
OH
(12)
(13)
Схема 9. Синтез (-)-ментола (13) (Takasago International
Corp., Japan).
Одним из важных этапов в развитии лигандов для асимметрического гидрирования стали лиганды семейства DuPHOS (14)
[36, 37]
и BPE (15) [38], синтезированные Бёрком в начале 90-х
в лаборатории фирмы DuPont:
17
R
R
R
R
R
R
)
R
R
PP
PP
R-DuPHOS (14
R=Me, Et, i-Pr R-BPE (15) R=Me, Et, i-Pr
Эти работы показали, что для эффективного гидрирования с
использованием комплекса Rh(I) более предпочтительными оказались электронно-обогащенные фосфины.
В течение последующих десятилетий с момента появления
первых хиральных лигандов было синтезировано и протестировано в качестве гомогенных катализаторов более 2 000 лигандов
только для асимметрического гидрирования [39]. Это было связано не только с поиском новых, более универсальных и эффективных лигандов, но и с желанием многих химических и фармацевтических компаний пополнить свой патентный портфель
лигандов и обойти конкурентов, которые уже имеют патенты на
подобные лиганды.
Основу такого многообразия лигандов составляет список так
называемых привилегированных лигандов [40], показавших исключительные качества в реакциях асимметрического гидрирования и давших стимул к поиску новых лигандов. В их число
входят и вышеперечисленные соединения. Каждый из них стал
родоначальником целого класса хиральных лигандов. Таким
образом, первоначальная классификация вновь полученных лигандов происходила путем их отнесения к тому или иному типу
привилегированных лигандов DIOP, DIPAMP, BINAP и т.д.:
18
*
*
*
O
O
PPh
2
PPh
*
2
P P
*
OMeMeO
PPh
PPh
2
2
(7)
DIOP
(9)
DIPAMP
(11)
BINAP
PPh
*
2
OPh
*
2
Ph2P
(18)
*
(14)
* *
*
*
N
BPM
*
PP
PPh
Ph2P
Ph2P
2
PPh2N
(19)
(16)
Fe
BPPFS
O
*
PHOX
Ph
Ph2PO
(20)
Ph2P
(17)DuPHOS
O
O
*
*
GLUCOPHOS
Fe
JOSIPHOS
*
O
*
OPPh
Почти одновременно с успехами в области асимметрического
гидрирования другим не менее важным открытием в области
асимметрического синтеза было открытие асимметрического
эпоксидирования. В 1980 году Барри Шарплесс (B. Sharpless) и
Т. Катсуки (T. Katsuki) [41] осуществили каталитическое асимметрическое эпоксидирование аллиловых спиртов (21) с энантиомерным избытком больше чем 90% ее и с выходом 70-90%
(
схема 10).
19
R1O
H
3R2
R
H
O
H
C2H5OOC
O
Ti(OPri)/DET
+
O OH
1
O
R
2
R
3
R
(21) (23) (22)
Схема 10. Каталитическое асимметрическое эпоксидирова-
ние аллиловых спиртов.
В этой реакции в качестве катализатора использовали комплекс
титана с хиральным лигандом – (+) или (-) диэтиловый эфир
винной кислоты (24), а в качестве окислителя – третбутилгидропероксид (23).
OHC2H5OOC
(24)
Этот метод асимметрического эпоксидирования нашел широкое
применение как в фундаментальных исследованиях, так и в
промышленном производстве. Так, американская фирма Atlantic
Richfield Co (ARCO) использует эту реакцию для промышленного производства глицидола как промежуточного продукта для
производства бета-блокаторов, группы препаратов, используемых в качестве сердечных средств. Синтез R-глицидола (25)
показан на схеме 11.
OH
+
O OH
O
OH
H
(25)
Схема 11. Синтез R-глицидола (25)
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]