Олефины и ацетилены

Соединения с кратными углерод-углеродными связями являются одними из важнейших субстратов для реакций с участием комплексов переходных металлов. Количество таких реакций огромно, и регулярно увеличивается. Изучение таких процессов – один из самых живых разделов органической химии. Среди реакций олефинов и ацетиленов очень много процессов промышленного значения, и не только в тонком органическом синтезе современных лекарственных препаратов и новых материалов, но и в крупнотоннажном синтезе полупродуктов. Как и в смежных областях химии комплексов переходных металлов в органическом синтезе, в последние 20 лет наблюдается бурный прогресс, связанный с качественным скачком в понимании закономерностей реакционной способности координационных соединений и рационального дизайна лигандов и реагентов новых типов.

Реакционная способность олефинов и ацетиленов после вхождения в координационную сферу металла определяется тонким балансом двух взаимодействий – прямой координационной связи и эффекта обратного донорного взаимодействия, отвечающие за противоположные направления смещения электронной плотности – от лиганда на металл и от металла на лиганд. Сначала посмотрим на два крайних случая, когда преобладает одно из взаимодействий. Преобладание обратного донорного эффекта (back-donation) сообщает координированному олефину свойства нуклеофила, а каждый из двух атомов углерода связи становится похож на карбанион.

Вход олефинов и ацетиленов

в координационную сферу металла всегда осуществляется через η²-комплексы. Баланс двух взаимодействий – обычной координационной связи, обеспечивающей смещение электронной плотности с π-связи на металл, и обратного донорного эффекта (back-donation), обеспечивающего смещение плотности в обратную сторону – определяет реакционную способность координированного ненасыщенного соединения.

В комплексах металлов с большим вкладом back-donation

происходит перераспределение электронной плотности в сторону двойной или тройной связи, что сопровождается изменением гибридизации связанных с металом атомов углерода, изменением степени окисления металла. Комплексы в этом случае получают структуру металлациклов – металлациклопропанов.

Подробнее

Углероды кратной связи

становятся нуклеофилами карбанионного типа и отлично реагируют с электрофилами. С этим связано множество стехиометрических реакций. Одним из самых интересных типов комплексов такой структуры являются комплексы дегидробензолов.

Синтез циклопропанолов по Кулинковичу

– изумительный пример превращения с участием металлациклопропанов, очень ярко и недвусмысленно показывающий, что углероды таких комплексов ведут себя как карбанионы.

Подробнее

Преобладание прямой координационной связи во взаимодействии металл-кратная связь, напротив, делает координированную двойную или тройную связь электрофильной, способной реагировать с нуклеофилами.

Нуклеометаллирование

это реакция внешнего нуклеофила с активированной кратной связью в координационной сфере металла, который в этом случае проявляет свойства π-кислоты (кислоты Льюиса, связанной в π-комплекс с кратной связью). В результате реакции образуется новый комплекс с σ-связью металл – алкил (или винил), а нуклеофил связывается со вторым атомом углерода. Стереохимия таких реакций – всегда анти (транс).

Реакции сольвомеркурирования и Кучерова

– очевидные прототипы нуклеометаллирования из химии непереходных металлов. В старой органической химии эти реакции расматривали как электрофильную атаку на кратную связь с последующей “подсадкой” нуклеофила на образующийся карбокатион или циклический ион. В химии переходных металлов принятая последовательность событий та же самая, но роль металла сводится к активации кратной связи к атаке нуклеофила, а само присоединение нуклеофила становится центральным событием реакции нуклеометаллирования.

Золото и платина

– металлы, чаще всего использующиеся в качестве π-кислот в реакциях нуклеометаллирования. Комплексы золота, в основном относящиеся к структурному типу AuXL, обладают непревзойденными качествами в таких реакциях. “Золотая” реакция Кучерова, например, катализируется многими комплексами золота, может иметь огромные величины TON и TOF.

Внутримолекулярное нуклеометаллирование

Особенно удобно применение комплексов золота в разнообразных циклизациях за счет внутримолекулярной атаки нуклеофила на активированную кратную связь. Для таких реакций особенно эффективны катионные комплексы золота, обычно получаемые прямо в реакционной смеси либо за счет использования очень лабильных X-лигандов, либо за счет активации галогенидгых комплексов солями серебра.

Карбофильные кислоты

Комплексы золота и платины в нуклеометаллировании активируют только кратные связи углерод-углерод, и не пристают к гораздо более основным (в смысле основности Бренстеда) атомам кислорода и азота. Поэтому их называют карбофильными (углеродолюбивыми) кислотами. Это ценнейшее свойство позволяет селективно осуществлять разнообразные реакции в соединениях, нагруженных разнообразными заместителями.

Вакер-процесс

– наиболее хорошо известный пример реакции нуклеометаллирования (в данном случае, гидроксипалладирования) в химии комплексов палладия. В отличие от золота и платины, палладий и другие поздние переходные металлы 2 ряда очень любят оторвать водород от соседнего атома углерода (β-гидридное элиминирование) и реакция заканчивается именно так, поэтому суммарная реакция является не просто гидратацией двойной связи, а окислительной гидратацией. Каталитическим по палладию этот процесс можно сделать только в присутствии дополнительного окислителя или системы окислителей. Наиболее популярна комбинация солей меди и кислорода, который является конечным стехиометрическим окислителем.

Реакции типа Вакер-процесса

в химии палладия очень распространены, и находят широкое применение и в промышленном синтезе (например, синтез важнейшего мономера винилацетата), и в лабораторном (реакция Вакер-Цудзи – синтез метилкетонов из терминальных олефинов). Важнейшее достоинство этих реакций – применение более легкодоступных и менее опасных олефинов вместо ацетиленов.

Донорный и акцепторный компоненты связи металл-двойная или тройная связь гораздо чаще не преобладают друг над другом, а находятся в тонком балансе. В этих случаях основной реакцией координированного олефина или ацетилена становится миграционное внедрение, происходящее по согласованному механизму в координационной сфере металла. Реакций, включающихстадии этого типа, огромное количество.

Миграционное внедрение

– наиболее распространенный тип превращения координированного олефина или ацетилена. X-лиганд из координационной сферы металла мигрирует на один из атомов углерода, а η²-связанный алкен или алкин превращается в σ-связанный лиганд, фактически встраиваясь (внедряясь) по связи металл-мигрировавший X-лиганд. С точки зрения механизма это согласованный процесс, в котором разрыв и образование связей происходят одновременно, хотя и не обязательно синхронно. Стереохимический результат реакции – всегда син (цис), что отличает этот процесс от внешне очень похожего нуклеометаллирования.

β-Элиминирование

– обратная реакция к миграционному внедрению, когда от двухуглеродного фрагмента отщепляется металл и X-лиганд. Эта реакция происходит гораздо реже миграционного внедрения, и практически только с достаточно электроположительными атомами и фрагментами. Самый распрстраненный вариант β-элиминирования – β-гидридное элиминирование, с которым мы уже несколько раз встречались. Для β-гидридного элиминирования необходимо син-расположение металла и атома водорода. Процесс начинается с возникновения слабого взамодействия металл-водород (так называемой агостической связи) и развивается в четырехчленном переходном состоянии. После элиминирования алкен (алкин) остается в координационной сфере в виде η²-лиганда, но обычно бывает связан настолько слабо, что вытесняется из нее донорным растворителем. Поэтому β-гидридное элиминирование часто находится в конце каталитических циклов и отвечает за выход продукта из координационной сферы.

Последовательность окислительное присоединение – замещение лиганда – миграционное внедрение – восстановительное элиминирование встречается в десятках каталитических процессов. Типичным примером такого процесса является гомогенное гидрирование.

Комплекс Уилкинсона

– классический катализатор гомогенного гидрирования алкенов и алкинов. Процесс развивается в соответствии с типичным каталитическим циклов присоединения к кратным связям. В каталитический цикл входит координационно ненасыщенный комплекс родия (1+), который охотно окислительно присоединяет водород. Оба атома водорода последовательно переходят на атомы углерода, первый в результате миграционного внедрения, второй – за счет восстановительного элиминирования.

Стереоселективное гидрирование

Наиболее важным применением гомогенного гидрирования является стереоселективное гидрирование. Если при присоединении водорода один из атомов водорода присоединяется к атому углерода с двумя разными заместителями при двойной связи (про-хиральному атому углерода), то возможно, что продукт будет не рацемической смесью, а смесью энантиомеров с преобладанием одного. Если такой атом один, и в остальной части молекулы нет других стереогенных фрагментов, то реакция называется энантиоселективной, и источником преобладания одного из энантиомеров (асимметрической индукции) является катализатор гидрирования. Если в остальной части молекулы есть другие стереогенные центры или фрагменты, реакция называется диастереоселективной, и для такой реакции применение энантиоселективного катализатора не обязательно, хотя применение таких катализаторов и в этом случае может способствовать более высокой диастереоселективности.

Энантиоселективный синтез L-ДОФА

– первый пример успешного применения энантиоселективного гидрирования для промышленного синтеза важного фармацевтического препарата. В реакции используется катионный комплекс родия(1+) с бидентатным хиральным фосфиновым лигандом DIPAMP.

Секрет высокой энантиоселективности гидрирования

в синтезе Леводофы – жесткое и надежное закрепления субстрата и хирального фосфина в координационной сфере родия. Исходный олефин для гидрирования связывается с металлом как через двойную связь, так и основным атомом азота в координационно-стабильный хелат, и именно это способствует стереохимически-точному образованию стереогенного центра в результате восстановительного элиминирвоания.

Другой важнейший процесс описывается немного другим циклом, с другим завершением. Цикл окислительное присоединение – замещение лиганда – миграционное внедрение – β-гидридное элиминирование соответствует реакции Мидзороки-Хека.

Реация Мидзороки-Хека

– это взаимодействие олефинов с органическими электрофилами (такими же, как в кросс-сочетании) в присутствии комплексов Pd(0) и оснований. Каталитический цикл начинается с окислительного присоединения, а следовательно полностью разделяет закономерности реакционной способности с реакциями кросс-сочетания. Реакция Мидзороки-Хека предпочитает монозамещенные терминальные олефины, хотя известны примеры применения реакции и к ди- и к тризамещенным олефинам.

Завершающая стадия - син-элиминирование

И если нет атома водорода со стороны заместителя, пришедшего из электрофила, то отщепляется другой атом водорода. Эта ситуация часто встречается, если в реакции участвуют циклоалкены.

Смещение двойной связи

– серьезная проблема реакции Мидзороки-Хека с алифатическими алкенами. В этом случае атом водорода может найтись по обе стороны от атома палладия, а кроме того, отщепление гидрида обратимо. Эти два процесса могут повторяться несколько раз, что приводит к смещению двойной связи от исходного положения и образованию смеси продуктов.

Бидентатные фосфины

плохо работают в реакции Мидзороки-Хека в отличие от кросс-сочетания. Причина – необходимость наличия трех свободных мест в координационной сфере палладия, который крайне редко принимает более четырех лигандов в сумме. Это ограничесние можно преодолеть, если электрофилом является трифлат, не занимающий координационного места. Это очень важно для реализации энантиоселективной реакции.

Полная невозможность гидридного элиминирования

например, при использовании жесткого по структуре олефина типа норборнена, когда подходящего для элиминирования атома водорода рядом не находится, цикл Мидзороки-Хека не может завершиться, что можно использовать, пристыковав другой процесс, например, кросс-сочетание. Такой сложный каталитический цикл называется каскадом.

Сложные каскады

состоящие и соединенных последовательно стадий миграционного внедрения (карбопалладирования), которые не могут завершиться гидридным элиминированием с успехом применяют для синтеза сложных молекул. Пример такой реакции показывает карбопалладирование тройной связи, а также завершение каскада β-элиминированием, но не гидрида, а кремниевого заместителя.

Еще более сложный каскад

из четырех карбопалладирований за один заход строит четыре новых цикла, и счастливо завершается гидридным элиминированием.

Возвращаемся к циклам окислительное присоединение – лигандное замещение – миграционное внедрение – восстановительное элиминирование. К таким процессам относятся многочисленные, или даже бесчисленные реакции присоединения всяких реагентов типа A-B к двойным и тройным связям. Посмотрим на некоторые реакции этого типа, и не будем забыввать, что в реальности их намного больше, и их продолжают успешно открывать и разрабатывать прямо сейчас. Почти не ошибемся, если предположим, что пока я пишу этот микроскопический текст, кто-нибудь посылает в какой-нибудь журнал новую статью про катализируемое комплексами какого-нибудь переходного металла каких-нибудь кратных связей. То же самое произойдет, когда вы будете это смотреть.

Катализируемое гидроборирование

дает возможность использовать дешевый пирокатехинборан, малореакционноспособный в обычном гидроборировании, а также получать продукты гидроборирования с необычной региоселективностьюю

Родий-катализируемое гидроборирование

часто дает продукты гидроборирования, формально соответствующие классической формулироваке правила Марковникова, сформулированного для электрофильного присоединения к олефинам. В современной химии правило Марковникова понимают формально – больший кусок исходного реагента должен присоединиться к более замещенному (или, буквально как говорили в XIX веке, менее гидрогенизованному) атому углерода. Сейчас так и говорят марковниковское присоединение, марковниковский продукт, анти-марковниковское присоединение, анти-марковниковский продукт совершенно не задаваясь вопросом, каков механизм у реакции.
Итак, родий-катализируемое гидроборирование часто дает марковниковский продукт из-за взаимодействия атома родия с заместителем.

Диборилирование

– другая очень полезная реакция, продукты которой используются в кросс-сочетании по Судзуки-Мияуре. Они же, собственно, ее и открыли. Лучший катализатор для этой реакции не палладий, а платина. В остальном, она точно следует типичному каталитическому циклу, и дает продукты цис-присоединения к ацетиленам.

Примеры других реакций катализируемого присоединения

– дистаннилирования и боростаннилирования, также дающих полезные для последующего использования в кросс-сочетании продукты.

Реакции с участием комплексов карбенов и карбинов

Карбен – это половинка олефина, а карбин – половинка ацетилена. Комплексы карбенов и карбинов очень часто встречаются в реакциях непредельных соединений с участием комплексов переходных металлов, поэтому и заняться ими имеет смысл именно в этом разделе.

Связь карбена с металлом

в комплексах обеспечивается координационной σ-связью гибридной орбитали синглетного карбена, на которой в свободном состоянии карбена находится пара электронов. Так как эта связь по определению донорная со стороны карбена, углерод карбена должен иметь электрофильный характер из-за наличия свободной p-орбитали.

Часто в связи металла с карбеном присутствует и обратный донорный эффект (back-donation) со стороны металла на пустую p-орбиталь углерода. Это можно рассматривать как π-связь, и в этом случае связь металл-карбен можно рассматривать как двойную связь, изображать ее двойной чертой, и сам карбеновый комплес – как металлаолефин, то есть гетероаналог олефина с заменой одного углерода на металл.

Интересной разновидностью карбеновых лигандов являются винилидены, которые можно рассматривать и как частицу, образовавшуюся в результате разрыва одной из двойных связей в аллене, или даже как изомеры терминальных алкинов. Так или иначе это типичные карбены, которые часто в стечаются в виде комплексов в реакциях терминальных ацетиленов в присутствии комплексов переходных металлов.

Свободный винилиден

можно формально легко получить, если к ацетиленид-аниону присоединить электрофил к второму. нейтральному атому углерода. В реальности такое превращение невозможно, так как карбанионный атом углерода на многие порядки более основен и нуклеофилен.

Комплексы винилиденов с переходными металлами

в отличие от свободного винилидена как раз и получаются атакой электрофила на ацетиленидные производные металлов. После атаки электрофила бывшая π-связь как раз и превращается в p-орбиталь карбенового атома, а обратный донорный эффект, включающийся после такого перераспределения электронной плотности, как раз стабилизирует это состояние, притом что в исходном ацетилениде те же орбитали были заселены парами электронов каждая, то есть их взаимодействие было дестабилизирующим, отталкивательным. Это одна из причин весьма широкого вовлечения винилиденовых комплексах в реакции терминальных ацетиленов с участием поздних переходных металлов.

Подробнее

Транс-гидроборирование

в присутствии комплекса родия и основания – одна из реакций с участием винилиденового комплекса. Необычная стереоселективность и еще более необычное перемещение протона с терминального конца ацетилена на β-атом углерода, подтвержденное дейтериевой меткой, как раз и являются следствием участия такого интермедиата в каталитическом цикле.

Подробнее

Каталитический цикл транс-гидроборирования

включает образование винилиденового комплекса, окислительное присоединение борана и восстановительное элиминирование с образованием продукта. Транс-стереохимия объясняется стерическим отталкиванием заместителя и металла.

Подробнее

Присоединение нуклеофилов против Марковникова

Винилиденовые комплексы вовлечены и в дуругие аномальные реакции ацетиленов, например, присоединение нуклеофилов к терминальному атому углерода (например, гидратация против правила Марковникова). Нуклеофил присоединяется к электрофильному карбеновому углероду. Для реакции необходимы специфические комплексы рутения с инденильным лигандом (это аналог циклопентадиенила, и также L₂X-лиганд).

Click-реакция: циклоприсоединение азидов к терминальным ацетиленам

Самая важная реакция с участием винилиденовых комплексов – медь-катализируемое циклоприсоединение азидов и ацетиленов (CuAAC-реакция, Cu-catalyzed Azide-Acetylene Cycloaddition) – универсальный и простой метод соединения различных фрагментов, очень полезный для создания новых функциональных органических соединений, состоящий из разных блоков, каждый из которых отвечает за отдельные свойства (биологическую активность, взаимодействие с рецепторами, растворимость, транспорт в биологических системах, закрепление на поверхности, люминесценцию, и т.п.).

Самый важный процесс с участием карбеновых комплексов переходных металлов, несомненно, метатезис. Эта реакция имеет огромное значение и для промышленного крупнотоннажного синтеза, и для тонкого органического синтеза. Сделаем пока краткий обзор, потом потихоньку пойдем вглубь (но не ко дну).

Метатезис - обмен фрагментами

Наиболее хорошо известен и изучен метатезис олефинов, в котором происходит равновесный обмен половинками – карбенами. Метатезис ацетиленов также очень неплохо изучен – в нем ацетилены размениваются своими половинками, карбинами. В паре олефин – ацетилен фактически происходит именно олефиновый метатезис, поэтому реагент с тройной связью сохраняет целостность: в реакции ен-инового метатезиса образуются сопряженные диены.

Механизм метатезиса олефинов

включает повторяющиеся реакции [2+2]-циклоприсоединения олефин + карбеновый комплекс (металлаолефин) и ретро-[2+2]-циклоприсоединения (циклореверсии), при этом фрагменты обмениваются, а при повторном прохождении цикла перемешиваются. Все стадии процесса обратимы, а следовательно и весь процесс обратим, и все возможные олефины находятся в равновесной смеси, состав которой определяется или относительной устойчивостью олефинов (при установившемся равновесии), или принципом Ле Шателье, если выполняются условия применения этого принципа (избыток одного из исходных олефинов, уход одного из продуктов из реакционной смеси).

Главная проблема метатезиса олефинов - низкая селективность

Эта проблема заложена в самом механизме процесса – его обратимости и весьма низкой чувствительности к структуре исходных олефинов. Поэтому в произвольном случае кросс-метатезис (реакция двух разных олефинов, даже монозамещенных) не может дать один продукт, даже если не учитывать стереоселективность (цис-транс, например), которая также далека от желаемой в современном синтезе. Эти врожденные особенности обусловлены природой механизма и обратимостью, и не могут быть преодолены подбором катализатора или условий.

Эффективные катализаторы для метатезиса олефинов

используют готовые (pre-formed) комплексы с карбеновыми лигандами. Первые катализаторы этого типа (катализаторы Шрока, Schrock Mo и Schrock W) были построены на основе комплексов ранних переходных металлов в высоковалентном состоянии, изоэлектронные по центральному атому металла с триоксидами Mo(6+) и W(6+). В таких комплексах карбеновый лиганд (и аналогичные нитреновый) работают как кислород в тех же триоксидах, то есть как X₂-лиганды, дающие вклад +2 в степень окисления металла. Такие карбеновые комплексы (не сами лиганды!) принято называть карбенами Шрока.

Рутениевые катализаторы

Чаще всего применяются в метатезисе олефинов более устойчивые и удобные катализаторы на основе позднего переходного металла рутения. В таких комплексах карбены – L-лиганды. Несколько поколений таких комплексов предложил Граббс и его последователи. Замена фосфина карбеновым лигандом и хелатирующим карбеном повышает активность комплексов (TOF) и их долговечность (TON).

Циклизация через метатезис

Основной вид метатезиса, применяемый в тонком органическом синтезе, – циклизация (ring closure metathesis, RCM), для которой почти всегда берут терминальные диены. Метатезис приводит к замыканию цикла и образованию второго олефина – летучего этилена, уходящего из реакционной смеси, и тем самым смещающего равновесие метатезиса в сторону продукта циклизации. Этот вид метатезиса позволяет получать почти любые циклы, а не только 5- и 6-членные. Метод очень востребован в синтезе больших циклов (макроциклов).

Метатезис алкинов

Иногда используют в синтезе макроциклических олефинов, если необходима точная стереохимическая конфигурация двойной связи (цис или транс). Метатезис олефинов, к сожалению, нестереоспецифичен и часто дает смеси цис- и транс. RCM метатезис алкинов дает циклический алкин, который далее подвергают стереоспецифическому гидрированию. Для метатезима алкинов применяют катализаторы на основе карбиновых комплексов металлов, аналогичные катализаторам Шрока. В отличие от RCM метатезиса алкенов, в метатезисе алкинов избегают терминальных ацетиленов, склонных к побочным реакциям, но все равно берут “маленькие” заместители, чтобы второй пробукт метатезиса был легколетуч и быстро удалялся из реакционной смеси.