Реакции сопряжения, катализируемые переходными металлами

Реакции сопряжения, катализируемые переходными металлами, произвели революцию в органическом синтезе, обеспечивая возможность образования связей углерод-углерод и углерод-гетероатом в мягких условиях с высокой специфичностью и эффективностью. Эти реакции используют переходные металлы, такие как палладий, никель, медь и родий, для осуществления образования связей между ненасыщенными органическими молекулами и их металлорганическими аналогами.

Исторический фон

Область реакций сопряжения, катализируемых переходными металлами, начала процветать во второй половине 20-го века. Ключевым моментом стало развитие реакции перекрестного сопряжения, катализируемой палладием, разработанной Эй-ити Нэгиши, Ричардом Ф. Хеком и Акирой Судзуки, которые получили Нобелевскую премию по химии в 2010 году за свои работы.

Основные принципы

Реакции сопряжения, катализируемые переходными металлами, обычно включают следующие этапы:

1. Окислительная присоединение: катализатор на основе переходного металла входит в связь, образуя металлический комплекс с обоими сопрягающимися партнерами.
2. Трансплантация металлов: на этом этапе органическая группа переносится от источника металла к центральному металлическому атому комплекса.
3. Редуктивное выделение: две органические группы на металлическом центре комбинируются, образуя новое органическое соединение, регенерируя катализатор металла.

Основные реакции

Многие названные реакции попадают под категорию реакций сопряжения, катализируемых переходными металлами, каждая со своими уникальными исходными материалами и условиями. Некоторые из наиболее влиятельных и широко используемых реакций следующие:

Соединение Сузуки

Соединение Сузуки представляет собой реакцию между арильными или винильными галогенидами и органоборными соединениями в присутствии палладиевого катализатора и основания. Эта реакция высоко ценится за ее терпимость к широкому диапазону функциональных групп и способность эффективно образовывать углерод-углеродные связи.

Pd-катализатор + основание
             ,
R–X + R'–B(OH)2 ———> R–R'

Пример: Комбинация фенилбороновой кислоты и о-бромарина.

C6H5B(OH)2 + Br–C6H4–X → C6H5–C6H4–X + B(OH)3
    

Реакция Хека

Реакция Хека соединяет алкены с арильными или винильными галогенидами. Универсальность этой реакции очевидна, так как она соединяет различные олефины с электрофилами в присутствии палладиевого катализатора.

Pd-катализатор
   ,
R–CH=CH2 + R'–X ———> R–CH=CH–R'

Пример: Соединение иодобензола с этиленом.

C6H5I + CH2=CH2 → C6H5–CH=CH2 + HI
    

Соединение Сононгаширы

Эта реакция соединяет терминальные алкины с арильными или винильными галогенидами в присутствии палладиевого катализатора и медного кокатализатора. Соединение Сононгаширы особенно примечательно для синтеза арильных ацетиленовых соединений, которые являются важными строительными блоками в фармацевтике и материалах.

Pd-катализатор
   ,
R–C≡CH + R'–X ———> R–C≡C–R'

Пример: Фенилацетилен с иодобензолом.

C6H5C≡CH + C6H5I → C6H5C≡C–C6H5 + HI
    

Соединение Стила

Реакция Стилла включает использование органостаневых реагентов с органическими галогенидами в присутствии палладиевого катализатора. Благодаря стабильности органостанов, эти реагенты часто используются в реакциях, требующих высокой избирательности.

Pd-катализатор
   ,
R–SNR'3 + R''–X ———> R–R''

Пример: Трибутилфенилолово реагирует с бромбензолом.

C6H5SnBu3 + C6H5Br → C6H5–C6H5 + SnBu3Br
    

Соединение Нэгиши

Металлоорганические соединения цинка первоначально были недооценены из-за их чувствительности, но соединение Нэгиши эффективно использует эти соединения и использует разнообразие доступных цинковых реагентов.

Pd-катализатор
   ,
R–Zn–X + R'–X ———> R–R'

Пример: Фенилцинкбромид и иодобензол.

C6H5ZnBr + C6H5I → C6H5–C6H5 + ZnIbr
    

Механистическое понимание

Понимание этих реакций на механистическом уровне повышает их полезность:

1. Окислительная присоединение: На начальном этапе переходный металл внедряется в связь, образуя комплекс между металлом и добавленной субстратом.
2. Трансплантация металлов: На этом этапе органическое соединение передается от металла к реактивному центру комплекса, подготавливая почву для образования связи.
3. Редуктивное выделение: Органические группы соединяются, образуя продукт, и катализатор металла регенерируется.

// Пример: Упрощенный катализаторный цикл
M -> Окислительная добавка -> M(R1)(R2) -> Трансплантация металлов -> M(R1)(R3) -> Редуктивное выделение -> R1-R3 + M

Описание катализаторов

Различные металлы предлагают уникальные свойства и профили реакционной способности:

• Палладий: Палладий, который играет ключевую роль в этих реакциях, является универсальным и обеспечивает высокую избирательность и выход. Он катализирует несколько известных соединений.
• Никель: Никель дешевле палладия и может справляться с более реакционноспособными субстратами, но часто требует более мягких условий.
• Медь: В качестве кокатализатора медь снижает нагрузку на палладий в некоторых реакциях, особенно повышая полезность соединения Сононгаширы.
• Родий: Обеспечивает высокую реакционную способность и уникальную избирательность, хотя используется реже, чем палладий.

Реагенты и условия

Успешные маршруты синтеза требуют учета реакционной способности и стабильности участвующих реагентов:

• Органогалогениды: Эти соединения содержат галогены, которые замещаются при образовании новых связей.
• Металлорганические реагенты: Эти соединения включают широкий диапазон соединений, таких как органоборолы, органостаны и органоцинки, каждый из которых демонстрирует уникальные преимущества в зависимости от реакционной способности.
• Щелочь и растворитель: Щелочи, такие как карбонаты или фосфаты, облегчают реакцию, а растворители, такие как DMF или THF, стабилизируют интермедиаты и улучшают совместимость.

Применение в органическом синтезе

Последствия реакций сопряжения весьма обширны, позволяя производить следующее:

• Фармацевтика: Многие молекулы лекарств требуют нескольких реакций сопряжения в их синтезе, что демонстрируется сборкой сложных молекулярных структур, необходимых для биологической активности.
• Сельскохозяйственная химия: Синтез инсектицидов, гербицидов и фунгицидов часто использует структуры соединений углерод-углерод и углерод-гетероатом для производства активных соединений.
• Материаловедение: Органическая электроника и передовые полимеры выигрывают от точных комбинаций этих реакций, что приводит к улучшению проводимости и свойств материалов.

Проблемы и развитие

Несмотря на свои обещания:

• Экологические проблемы: Переходные металлы могут быть дорогими и токсичными; следовательно, предпринимаются усилия по разработке "зеленых" каталитических процессов.
• Масштабируемость: Реакции сопряжения необходимо адаптировать от лабораторного масштаба до промышленного использования, что потребует исследований вспомогательных технологий.
• Экономичность: Используемые металлы дороги, и оптимизация оборота катализатора имеет решающее значение для практических применений.

• Изучении менее распространенных металлов, таких как железо, кобальт и марганец, чтобы расширить спектр реакции.
• Разработке дизайнов лигангов, которые увеличивают скорость и избирательность реакции.
• Создании систем с двумя металлами для достижения синергетических преимуществ.

Заключение

Реакции сопряжения, катализируемые переходными металлами, остаются краеугольным камнем органической химии, предоставляя незаменимые инструменты для конструирования сложных и разнообразных молекул. Продолжающиеся инновации, вероятно, расширят спектр, эффективность и стабильность этих реакций, тем самым сохраняя их важную позицию в органическом синтезе.

Комментарии