Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Хиральные лиганды в асимметрическом катализе. Монография
.pdf
Присуждение Нобелевской премии в 2001 году по химии
трем ученым - Уильяму Нойлесу (Компания "Монсанто", США),
Рёдзи Нойори (Университет Нагойи, Япония) за работу по хиральному катализу реакций гидрирования и Барри Шарплесс
(Скриппс-институт исследований, США) за работу по хиральному катализу реакций окисления стало достойной оценкой
данного направления исследования и впечатляющих результатов, полученных в этой области. Однако интенсивность исследований и количество новых открытий в этой области свидетельствуют о неисчерпаемом интересе к этой теме. В последующих главах книги мы попытаемся систематизировать и описать достижения в разработке новых хиральных лигандов и их
применение в асимметрическом катализе.
21
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИРАЛЬНЫХ ЛИ-
L
L
M
L
L
M
L
L
M
2.
ГАНДОВ И МЕХАНИЗМ АСИММЕТРИЧЕСКОЙ ИНДУК-
ЦИИ В КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ
В основу современного асимметрического синтеза положена
реакция металлокомплексного катализа, основанная на взаимодействии субстрата А с реагентом B в координационной сфере
переходного металла M (схема 12). Наиболее простым и естественным способом наведения асимметрической индукции является модифицикация координированной сферы металла хиральными лигандами L.
A
B
AB
+ B
+ A
-
AB
Схема 12. Обобщённая схема реакции металлокомплексного
катализа.
Атом переходного металла, непосредственно связанный с одним или несколькими нейтральными молекулами, ионами или
радикалами, называемыми лигандами L, образует металлоком-
плексное соединение, или просто комплекс MLn. Такие соединения в силу своего необычного электронного строения, когда за-
22
действованы девять орбиталей (пять d-орбиталей, три рорбитали и одна s-орбиталь) атома переходного металла, показывают уникально высокую регио- и стереоселективность в качестве катализатора. Так, в основе металлокомплексного катализа на атомах переходных металлов лежит «правило 18 элек-
тронов», которое гласит о том, что наиболее стабильным является комплекс с 18-электронной валентной оболочкой у центрального атома. Такие комплексы называются координационно
насыщенными.
Атом металла М и лиганды L образуют внутреннюю координационную сферу комплекса. Число координационных связей,
образуемых металл-лигандом внутри этой сферы, называют ко-
ординационным числом, а число координационных связей одного атома металла с одним и тем же лигандом - дентатностью
лиганда. Лиганды могут быть монодентатными и полидентатными (би-, три-, тетра-, пента-, гексадентатными). Более строгое
определение дентатности сводится к подсчету числа донорных
электронных пар (донируемых пар), когда органические лиганды рассматриваются как основания Льюиса, доноры электронных пар. Хотя лиганды могут быть и акцепторами либо проявлять оба эти свойства. Типичным π-акцептором является СОлиганд, в котором при образовании связи М-СО электроны по πсвязи смещаются в сторону СО больше, чем по σ-связи в сторону М. Например, в таких нейтральных 18-электронных комплексах, как Ni(CO)4, Fe(CO)5, Cr(CO)6, в рентгеноэлектронных
спектрах наблюдают положительный заряд на атоме металла.
В зависимости от того, какая связь углерод-металл возникает
в комплексе, комплексы могут быть σ-комплексами или πкомплексами. Кстати, само слово «лиганд» образовано от латинского ligo – «связываю», и это связывание в основном происходит с образованием донорно-акцепторных связей центрального
(комплексообразующего) металла с лигандами.
Еще одним термином для обозначения комплексов является
гаптность, означающая число атомов углерода, формально связанных с атомом металла. Она обозначается как ηn. В металло-
23
комплексном соединении, в котором металл связан с углеродом,
L
L
L
L
L
L
L
L
σ-связь является моногаптной η1.
M
3
η
M
4
η
M
5
η
Схема 13. Гаптность металлокомлексных соединений.
Координационное число (к.ч.) определяет основную геомет-
рию комплекса. Так, если к.ч. = 2, то геометрия будет линейной,
как, например, Ph3P – Au – Cl. При к.ч. = 3 геометрия комплекса
тригонально-планарная,
M
,
при к.ч.=4 – тетраэдрическая, или квадратно-планарная,
M
L
L
,
L
при к.ч. = 5 – тригонально-бипирамидальная,
L
L M
L
,
а при к.ч. = 6 – октаэдрическая
LL
M
LL
24
Каталитический цикл с участием металлокомплекса MLn
A
L
включает несколько стадий. На первой стадии реагент А, входя в координационную сферу металла, занимает место, которое
освобождает лиганд L. При этом реагент А активируется, приобретая возможность в более мягких условиях вступать во взаимодействие с другим реагентом В, который также вступает в
координационную сферу комплекса. Лиганды L, освобождающие места для реактантов, являются слабосвязанными лигандами, образуют лабильные комплексы, в которых эти лиганды быстро замещаются на другие. Чаще всего эту роль играют молекулы растворителя с донорными свойствами. Каталитические
свойства комплекса при этом определяются оставшимися лигандами в низколигандном комплексе ML
лиганды называются управляющими. Комплекс ML
. В этом смысле эти
n-2
A может
n-1
взаимодействовать с реагентом В и напрямую, образуя продукт
(АВ) металлокомплексного катализа. Низколигандный комплекс
ML
или ML
n-2
стабилизируется присоединением ранее отщеп-
n-1
ленных лигандов L и может вовлекаться в новый каталитический цикл.
ML
n
2L
ML
n-2
ML
n-1
L
(A)
B
(AB)
ML
(A)(B)
n-2
Схема 14. Каталитический цикл с участием металлокомплекса
MLn
25
Координация реагентов А и В с металлом может быть простым донорно-акцепторным взаимодействием, хотя возможны и
варианты, когда в структуре реагентов при замене на лиганд в
комплексе могут происходить в более глубокие изменения. В
каталитическом цикле на стадии отщепления лигандов и координации реагента на металле не все лиганды являются участниками этого процесса. Часть лигандов выпадает из этого процесса, и, меняя структуру и электронные свойства этих лигандов,
можно управлять протеканием каталитического цикла.
Для повышения энантиоселективности в асимметрическом
синтезе необходимо иметь катализатор, способный к хиральному распознаванию энантиотопных сторон прохиральных молекул. Это достигается проектированием всевозможных структур
металлокомплексов с хиральными лигандами, т.е. молекулярным дизайном. Такое проектирование включает пространственное изменение стерического и электронного окружения металла
за счет подбора хиральных лигандов, отличающихся молекулярной симметрией, наличием различных функциональных
групп, связывающих лиганды с металлом, функциональных заместителей, способных тонко подстраиваться к различным областям окружающего пространства стерически и электронно.
Важно и то, что в зависимости от конкретных реакций лиганды
должны в одних случаях создавать достаточно жесткую скелетную структуру, а в других - обладать скелетной гибкостью.
Одним из главных преимуществ гомогенного катализа по отношению к гетерогенному является его селективность, достигаемая за счет того, что в гомогенном растворе все каталитические центры одинаковы и каталитическая активность зависит
только от природы лигандов и металла. В то же время гетерогенный катализатор имеет разную каталитическую активность
при получении тех или иных продуктов реакции в зависимости
от того, какой участок поверхности катализатора принимает
участие в каталитическом процессе. Селективность реакции –
это доля целевого продукта по отношению к общему количеству
26
продуктов реакции. В общем случае под целевым продуктом
понимается рацемическая смесь без разделения на энантиомеры.
В общую характеристику каталитических реакций включают
и степень конверсии исходного продукта реакции, а также строго специфические параметры, используемые только для определения активности катализаторов в каталитических реакциях:
число оборотов катализатора ton (turn-over number) и частоту
оборота катализатора tof (turn-over frequency). Число оборотов
катализатора ton мы уже определили ранее как количество превращений молекул реагента одной молекулой катализатора, а
частота оборота катализатора tof - это число оборотов катализатора ton за одну секунду или минуту. Так, для металлокомплексных катализаторов эта величина колеблется от 1 с
-1
до 104
с-1, а, например, для ферментативных реакций – до 106 с-1, а для
обычных кислотных катализаторов – от 10-4 до 10-1 с-1.
Дадим определение энантиомерного избытка (ее) как отношения превышения мольной доли одного из энантиомеров над
другим к их общему количеству.
Е − Е
ее =
Е + Е
∗
х100%,
∗
где Е – мольная доля энантиомера в избытке; Е* - мольная доля
другого энантиомера.
Отметим еще одно необходимое условие для того, чтобы гомогенный асимметрический каталитический синтез был эффективен. Так, металл, вступая во взаимодействие с лигандами,
образует соединение, которое должно хорошо растворяться,
чтобы перевести катализатор в гомогенное состояние. Поэтому
одним из направлений усовершенствования лигандов является
усиление способности комплекса растворяться. В дальнейшем
рассмотрим каталитический цикл, в котором хорошо растворимым комплексом является только промежуточное соединение
(интермедиат), а конечный продукт, исходные соединения и начальный каталитический комплекс нерастворимы или малорастворимы в растворителе.
27
Асимметрический катализ с участием металлокомплексного
катализатора включают стадию асимметрической индукции,
когда субстрат взаимодействует (координирует) с металлокомплексным катализатором с образованием промежуточного соединения. В этом случае говорят о «стерическом контроле» и
взаимодействии типа «ключ-замок». Хотя возможно, что асимметрическая индукция может включаться и на последующих
стадиях преобразования. Процесс асимметрической индукции
рассматривается как способ передачи стехиометрической информации от каталитического комплекса с хиральными лигандами субстрату и определяется двумя факторами. Первый фактор обусловлен стерическим препятствием, а второй определяется кинетическими и термодинамическими факторами.
При построении различных моделей, описывающих механизм
асимметрического катализа, одним из основных моментов является выбор стадии асимметрической индукции. Здесь возможны
несколько вариантов.
Первый вариант был предложен Гальпериным и Брауном [42,
43] для реакции асимметрического гидрирования, когда на первом этапе возникают как минимум два интермедиата – промежуточный металлокомплекс с лигандами и с субстратом. Один
из них образуется в большом количестве как основной интермедиат (I-A), а другой - в меньшем количестве (I-B). И только за
счет преобладания скорости реакции на следующем этапе присоединения водорода в реакции гидрирования с минорным интермедиатом происходит быстрое накопление продуктов реакции (энантиомера) по этому циклу, в то время как продукт, который должен был возникнуть при гидрировании основного интермедиата, остается в меньшем количестве [44, 45].
При исследовании механизма асимметрической реакции наиболее изученной реакцией является реакция гидрирования енамидов, прежде всего производных α-ацетамидокоричной кислоты (26) фосфиновыми комплексами родия (схема 15).
28
O
M
e
O
*
HN O
HN O
OR
Rh - L
H
2
Me
Схема 15. Асимметрическое гидрирование производных
H
2
α-ацетамидокоричной кислоты (26)
CO2Me
Me
H
N
Ph
I-B
MeO2C
P
P
Rh
I-A
NH
Ph
O
Ph
Me
NHCOMe
O
CO2Me
Rh
P
P
OR
H
2
MeO2C
H
P
Rh
NH
Ph
O
мажорный цикл
Me
P
H
P
Rh
P S
II-A
минорный цикл
S
Me
II-B
S
Me
O
S
P
Rh
P
H
CO2Me
Ph
III-A
H
H
Me
N
O
минорный продукт - R
CO2Me
Ph
MeO2C
H
MeO2C
H
N
Ph
O
мажорный продукт - S
Me
O
S
Ph
P
Rh
P
III-B
Me
Схема 16. Механизм асимметрического гидрирования
Гальперина
CO2Me
HN
P
H
Rh
P
O
Ph
H
S
H
29
На схеме 16 представлена схема асимметрического гидрирования метил-α-ацетамидокоричной кислоты (27), иллюстри-
рующая теорию Гальперина. Одним из экспериментальных фактов, противоречащих этой теории, являются эксперименты с
каталитическим гидрированием итаконовой, цитраконовой и
мезаконовый кислот в 2-метилянтарную кислоту в
присутствии (Rh)-BPPM (28):
Ph2P
PPh
2
N
t
CO2Bu
BPPM (28) .
HO
O
(S) - 85,3% ee
CH
2
HO2C
OH
(S) - 50,9% ee
HO
HO2C
O
CH
3
HO2C
S
CH
O
P
Rh
H
P
3
O
HO
(S) - 22,0% ee
HO2C
CH
3
Схема 17. Асимметрическая индукция в каталитическом
цикле
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]