Выбор раздела

Вспоминаем основы координационной химии

В этом курсе мы изучаем применение соединений переходных металлов в органической химии. Можно было бы из этого сделать вывод, что предметом курса является органическая химия, и мы просто добавим к известному арсеналу органических реакций новые реагенты на основе производных палладия, меди, иридия, молибдена, циркония и других переходных металлов, и будем, как это принято в органической химии, смотреть, как эти реагенты решают проблемы органического синтеза, какая у них селективность, диапазон применения, ограничения, и т.д. В классической органической химии именно так: главные задачи – синтез новых органических молекул, усовершенствование синтеза известных молекул. Поэтому и подход такой, ориентированный на синтез. Даже когда мы в органической химии разбираем механизмы, то в основном только для того, чтобы лучше понять синтетические возможности реакций.

Но в разделе органической химии, основанном на применении производных переходных металлов, этот подход не работает. Проблема в невероятном разнообразии уже введенных в синтез реагентов и катализаторов этого типа. Все известные d-элементы, представленные в Периодической таблице, кроме короткоживущего радиоактивного технеция, задействованы в органическом синтезе десятками и сотнями комплексов разной степени сложности, причем речь идет не об экзотических разработках, опубликованных в одной статье и положенных на полку, а на реально применяемых методах синтеза с десятками-сотнями-тысячами примеров применения. И мы принципиально оставляем за пределами данного курса f-элементы, очень интересные и перспективные, но весьма специфические и требующие отдельного рассмотрения.

Производные переходных металлов – реагенты и катализаторы – необычны для органиков. Это комплексные соединения, в состав которых входят разнообразные лиганды, от самых простых типа хлорида или пиридина, до ужасающе сложных и, на первый взгляд, совершенно непонятных, ощетинившихся объемистыми замеcтителями многоэтажных фосфинов, гетероциклических карбенов, макроциклов и т.д. Все эти лиганды – не бессмысленные украшения, типа, кто придумает сложнее и рогатее, тот и герой, – а строго определенные по функциям неотъемлемые части реагентов и катализаторов, определяющие селективность, каталитическую активность, реакционную способность, препаративный диапазон, стабильность и тому подобные важнейшие характеристики. Замена одного лиганда на другой часто приводит к драматическому изменению свойств, а сами лиганды подбирают под почти каждую специфическую решаемую задачу. Нет никаких универсальных рецептов, общих методов, рекомендованных методик. Любой химик, планирующий применять комплексы переходных металлов для решения своей задачи, должен понимать, как все это работает, или рискует без пользы потерять кучу времени и денег и намертво разочароваться.

Единственный надежный ключ к этому богатству – координационная химия, химия комплексных соединений. Несмотря на то, что большинство функциональных лигандов – чисто органические соединения, а воспринимаемая невооруженным взглядом сложность, навороченность катализатора или реагента часто сидит в органической части комплекса, эта наука традиционно примыкает к неорганической химии, а не к органической. Степень оскорбления правоверного органика еще усугубляется тем, что так называемые металлоорганические соединения, с точки зрения современной химии, это просто одна из разновидностей комплексных соединений металлов, а следовательно законный предмет изучения координационной и неорганической химии. В этом несложно убедиться, заглянув в свежий или не очень свежий номер любого из известных неорганических журналов с хорошей и долгой историей: Inorganic Chemistry, Dalton Transactions, Inorganica Chimica Acta, European Journal of Inorganic Chemistry – в глазах будет рябить от явно органических молекул. Но методология, использованная в статьях, будет другой, непривычной органикам – это терминология и методология координационной химии, которая крутится вокруг металла, а лиганды рассматривает не с точки зрения их органической природы, а скорее как управляющие элементы, настраивающие центральный металл на исполнение какой-то важной роли.

Поэтому и мы тоже углубимся в предмет с этой стороны. Нас вообще не будет интересовать, откуда берутся те или иные лиганды и как их синтезируют, но будет интересовать, как устроена химия комплексов, что в ней определяется центральным металлом, а что лигандами. И начнем мы с того, что просто вспомним то, что наверняка проходили хотя бы на 1 курсе, а возможно и в рамках каких-то спецкурсов, – с основ координационной химии. Многие все это и так знают наизусть и с самого раннего детства – ну, тогда просто пропустите, или даже полистайте, возможно, что-то все-таки забыли, и будет полезно напомнить.

Сразу предупреждаю, что в данном курсе будет сведено к минимальному минимуму все, связанное с квантовой картиной химии, не будет даже теории кристаллического поля, не говоря уж о корректно нарисованных МО комплексов и результатов DFT расчетов. Все это очень важные и полезные вещи, и, начиная с некоторого уровня, без них не обойтись. Но практика показывает, что вполне удовлетворительное описание свойств и реакций комплексов переходных металлов с акцентом на использование в органической химии можно получить и без этой артиллерии. Может быть, потом добавим, если появится потребность. А пока ограничимся только самыми простыми сведениями о том, как устроены комплексы и связи.

И в этом и во всех других разделах информация будет устроена так: сначала некоторое подобие слайдов, приблизительно соответствующее лекционному материалу, и у многих слайдов будет кнопка, отсылающая к более подробному описанию. В конце появятся задачи на усвоение и понимание материала темы.

Slide 1
Длиннопериодная Периодическая таблица

Будем пользоваться длиннопериодной формой Периодической таблицы элементов Менделеева, очень удобной потому, что положение элемента точно отражает последовательность заполнения валентных оболочек. Стандартизованная форма такой таблицы рекомендована ИЮПАК.

Slide 1
Slide 1
D-Элементы

D-элементы в такой Таблице занимают место ровно в середине между s- и p-элементами в группах от 3 до 12, что соответствует постепенному заполнению d-оболочки, состоящей из 5 орбиталей и вмещающей 10 электронов. Такое положение отражает то, что очередной d-уровень по энергии находится между s и p уровнями следующей по номеру (значению главного квантового числа) оболочки

Slide 1
Slide 1
Ряды d-элементов

Три ряда d-элементов соответствуют заполнению 3d, 4d, и 5d-уровней. В координационной химии имеют дело с атомами металлов в окружении лигандов, взаимодействие лигандов с металлом изменяет порядок заполнения уровней. Количество d-электронов на атоме нульвалентного металла в комплексе соответствует номеру группы в длиннопериодной Таблице. Для двух последних групп в валентной оболочке появляются s-электроны

Slide 1
Slide 1
Степени окисления металлов

В комплексах металлы могут иметь разные степени окисления. Количество d-электронов на атомах металлов с положительной степенью окисления определяется разностью между номером группы и степенью окисления. Степень окисления не может быть больше номера группы, и не больше 8, поэтому конфигурация d0 возможна только для элементов первых восьми групп. У элементов 1-11 групп есть валентные состояния с частично заполненной d-оболочкой: эти элементы являются переходными металлами. Элементы 12 группы (цинк-кадмий-ртуть) переходными иметаллами не являются - d-оболочка всегда заполнена.

Slide 1
Slide 1
Ранние и поздние переходные металлы

Переходные металлы делятся на ранние и поздние. Это деление достаточно условно, но отражает склонность ранних к образованию высоких степеней окисления и конфигурации d0, и вторых к образованию низковалентных состояний с конфигурациями d8 и d10, что имеет глубокие следствия в химии этих элементов. Элементы 11 группы (медь-серебро-золото) имеют много черт родства с поздними переходными металлами, но и очень специфические черты, сближающие их с s-металлами, поэтому их часто выделяют в особую группу переходных металлов.

Slide 1
Shadow

Координационные, комплексные, металлоорганические соединения

Химия, которой мы будем заниматься, требует участия производных переходных металлов или как катализаторов, или как стехиометрических реагентов. Производные переходных металлов – не все вообще, но те, которые нас будут интересовать – всегда устроены по одной схеме: атом металла и вокруг него органические или неорганические лиганды. Такие соединения принято называть координационными соединениями. Есть ещё старый термин “комплексные соединения”, восходящий к работам Альфреда Вернера, получившего за это Нобелевскую премию в 1913. С нашей точки зрения разницы между этими терминами нет. Мы будем называть соединения переходных металлов и комплексами переходных металлов, и координационными соединениями переходных металлов. В более строгом смысле разница есть, и термин “координационные соединения” имеет более общий смысл.

Металлоорганическими соединениями называют координационные соединения, в структуре которых есть хотя бы одна связь металл-углерод, любого типа (ионного, координационного, ковалентного).  

Простые лиганды

Теперь займемся лигандами. Простые лиганды связаны с атомом металла всегда через один атом, то есть в комплексе всегда просто и однозначно можно найти связи металл-углерод, металл-водород, металл-галоген, металл-кислород, металл-азот и т.п. какой бы громоздкой и сложной молекулой ни был бы сам лиганд.  

Slide 1
Лиганды

В координационных соединениях атом металла окружен лигандами. Сначала займемся простыми лигандами, связанными с атомом металла через один атом. Лиганды можно подразделить на X и L-типы. X-лиганды - одновалентные остатки молекул (можно мысленно добавить связь с атомом водорода), L-лиганды - нейтральные молекулы. Разобрав лиганды на типы, для любого комплекса можно написать обобщенную формулу, которая определяет структурный тип. В данном примере родий несет пять лигандов, один из которых (атом водорода, который можно представить, как часть молекулы водорода) - X-лиганд, остальные, молекулы фосфина и CO - L-лиганды, поэтому обобщенная формула будет MXL4.
Существует традиция обозначать связи с лигандами X-типа сплошной чертой, связи с лигандами L-типа пунктиром. Но это именно традиция, и в реальной научной литературе ей не очень аккуратно следуют. Поэтому лучше на эти обозначения не рассчитывать. Природа лиганда должна и может быть установлена однозначно без этой подсказки. Поэтому на этом сайте я не придерживаюсь этой негласной конвенции. Иногда это удобно, особенно в хелатных комплексах, но чаще это ничего не дает.

Slide 1
Slide 1
L-лиганды

Лиганды L-типа образуют координационную связь с металлом: металл предоставляет вакантную орбиталь (является кислотой Льюиса), а лиганд - неподеленную пару (является основанием Льюиса). В химии переходных металлов простыми L-лигандами могут служить почти любые молекулы, имеющие атом с неподеленной парой, даже такие, которые практически не проявляют ни основности, ни нуклеофильности в органической химии, например, молекулы CO и азота. Если в молекуле есть атом с неподеленной парой, будьте уверены, что найдется переходный металл, который захочет эту молекулу поиметь в виде L-лиганда, хотя при этом не обязательно образуются стабильные комплексы, а ставшая лигандом молекула изменит свою реакционную способность. На этом основано применение комплексов металлов для электрофильной (кислотной) активации молекул. Стоит отметить, что этот тип активации присущ не только переходным, но и непереходным металлам, хотя диапазон превращений, вызываемый такой активацией у переходных металлов гораздо шире.

Slide 1
X-ligands
X-лиганды

Лиганды X-типа образуют ковалентную связь с металлом, то есть можно представить гомолитический разрыв такой связи, образующий свободнорадикальную форму лиганда и металл с нечетным числом электронов в оболочке. Альтернативный способ образования такой связи - пара лигандов от анионной формы лиганда и вакантная орбиталь на металле с формальным положительным зарядом, и в этом случае связь можно назвать типичной координационной. Эта двусмысленность чисто формальна, и на нее можно не обращать внимания. Главный признак X-лиганда то, что если его мысленно отделить от металла, получится не устойчивая молекула, а одновалентный радикал или анион.

X-ligands
Slide 1
X2 и X3-лиганды

Есть ряд лигандов, которые, занимая одно место в координационной сфере металла, вносят вклад +2 или +3 в степень окисления металла, то есть ведут себя в этом отношении как два или три X-лиганда. Такие лиганды можно выделить в особый тип или подтип X2 и X3-лигандов. Типичным и даже архетипичным представителем X2-лигандов является оксо-лиганд, хорошо известный по таким простым координационным соединениям, как тетраоксид осмия, перманганат и хромат-ионы, соединения ванадила и других оксокатионов.
Другие лиганды X2-типа - имидо-комплексы, имеющие возможности более широкой вариации структуры за счет заместителя на азоте.
X3-лиганды представлены в основном нитридным лигандом в комплексах переходных металлов высокой степени окисления.
Углеродные лиганды X2 и X3-типов это карбены (но далеко не все) и карбины, с которыми мы встретимся при обсуждении метатезиса алкенов и алкинов.

Slide 1
Slide 1
Электроотрицательность

Для определения степени окисления металла связи с лигандами X-типа (включая X2 и X3) всегда используют простое правило - неметалл получает минус, металл плюс. Это правило соблюдают всегда для всех неметаллов, включая водород. Степень окисления - формальная характеристика, которая не обязана отражать реальное направление поляризации связей. Гидридные комплексы металлов могут быть как гидридами, так и протонными кислотами, или даже совмещать эти два типа реакционной способности. Многие переходные металлы, особенно поздние, имеют немаленькую электроотрицательность.

Slide 1
Slide 1
Степень окисления и число d-электронов

Определяем степень окисления металла и электронную конфигурацию. Распределив лиганды по L и X-типам, и посчитав количество лигандов каждого типа, определяем степень окисления как число X-лигандов, L-лиганды в степень окисления вклада не вносят. Если у комплекса есть заряд, то прибавляем его к числу X-лигандов (с учетом знака).
Число d-электронов равно номеру группы минус степень окисления.

Slide 1
Shadow

Простые (и не только) лиганды можно соединять в одной молекуле, собирая их с помощью более или менее гибкого органического (не обязательно!) фрагмента. Такие молекулы с несколькими координационными центрами называют полидентатными лигандами (бидентатными, тридентатными и т.д.). Такой большой многоцентровой лиганд может связываться с одним атомом металла, образуя комплекс-хелат. Или с двумя и более атомами металла, образуя многоядерный комплекс или кластер. Комплексы хелатного типа, а следовательно и сами такие лиганды играют колоссальную роль в органических реакциях, а придумывание таких лигандов и комплексов составляет одну из основных форм деятельности в данной области. Для поднятия самооценки этот в значительной степени хаотический мыслительно-экспериментальный или экспериментально-мыслительный процесс любят называть дизайном, намекая на строго целенаправленный характер этой деятельности.

Slide 1
Полидентатные лиганды

Простые лиганды как X, так и L-типов могут соединяться по два, три, и более в одной большой молекуле, образуя бидентатный, тридентатный, … полидентатный лиганд. Если при связи такого лиганда с металлом образуется цикл, такой комплекс (а также сам цикл) называются хелатными, а лиганды называются хелатирующими или хелаторами. В одном комплексе может быть один или несколько хелатных циклов. Подсчет степени окисления, числа d-электронов делается точно так же, как в комплексах с более простыми лигандами, только отдельно считают каждый лигандный центр, помечая его как отдельный лиганд.

В реакциях с участием комплексов переходных металлов хелатирующие лиганды играют особую и совершенно колоссальную роль по множеству причин.
Хелатные лиганды прочнее держатся в координационной сфере, позволяя контролировать структуру комплекса, стереохимию, защищать координационную сферу от нежелательных лигандом и т.п. Хелатные комплексы гораздо устойчивее в условиях реальных реакций, и это очень важно особенно в каталитических реакциях, когда комплекс должен много раз проходить многостадийный процесс, не теряя важных компонентов координационной сферы металла. Если это не соблюдается, катализатор теряет активность (деактивируется), реакционную способность и селективность.
Хелатные лиганды, в другой стороны, имеют важный недостаток в тех же каталитических реакциях - они иногда занимают слишком много места в координационной сфере, а это ограничивает их возможности в одних реакциях, и совсем недопустимо - в некоторых других.
Из-за этого хелаторы не являются универсальным ответом на все проблемы катализа, и монодентатные лиганды не теряют своего значения. Химия - всегда искусство компромисса среди множества противодействующих факторов.

Slide 1
Slide 1
5- и 6-членные хелатные циклы

Как и в обычной органической химии самыми распространёнными циклами и в хелатных комплексах являются пяти- и шестичленные. Так же как и там основной причиной этого является компромисс между энергией образования (циклизации) - это всегда выгодно - и энтропийным фактором - это наименее невыгодно. Циклы такого размера не имеют существенных напряжений. Лигандов, образующих хелаты с такими размерами циклов невероятно много среди всех классов органических и элементоорганических соединений. А комплексы с такими хелатными циклами охотно образуют все металлы без исключения, во всех валентных состояниях.

Slide 1
Slide 1
Четырёхчленные хелатные циклы

Но, в отличие от обычной органической химии, в химии переходных металлов другие циклы образуются тоже достаточно неплохо. Вот, четырёхчленный цикл в органической химии - один из самых трудных. Четырёхчленные циклы из атомов углерода страдают сильным угловым напряжением и энергетически невыгодны. В химии переходных металлов 4-членный хелатный цикл проблемой не является, и такие циклы встречаются достаточно часто. Многие простые анионы кислот - ацетат и другие карбоксилаты, карбонат, нитрат, сульфонат - очень часто в комплексах имеют именно такой способ связывания в комплексах. Очевидными причинами этого являются совсем другие стереохимические способности атомов переходных металлов. В октаэдрической конфигурации и всех производных от неё валентный угол в 90 градусов является нормальным и никакого напряжения не вызывает.

Slide 1
Slide 1
Хелатные и мостиковые лиганды

Бидентатные (и полидентатные, естественно) лиганды могут быть и хелаторами, сидя на одном атоме металла, и мостиковыми лигандами, образуя комплексы с двумя и более атомами металла. Мостиковое связывание обозначается греческой буквой μ (мю), поэтому и лиганды такие называют иногда мю-лигандами, впрочем, это просто синоним слова мостиковый (bridge, bridging). Комплексы с несколькими атомами металла, связанными мостиковыми лигандами называются многоядерными (multinuclear). Есть ещё понятие "кластер (cluster)", которое часто используют наряду с понятием "многоядерный комплекс", но в более аккуратном смысле "кластер" - более специфический тип многоядерного комплекса, содержащий прямые связи металл-металл.

Мостиковыми чаще бывают бидентатные лиганды, образующие неоптимальные по размеру хелатные циклы (не 5- и 6-членные), например 4-членные, или, наоборот большие. Ацетат-ион, например, очень часто работает, как мостиковый лиганд, и такие комплексы очень широко растпространены. А вот, слева, пример биядерного комплекса меди (но не кластера!), в котором есть ацетатные лиганды сразу двух типов: и μ- и хелатных.

Slide 1
previous arrow
next arrow
Shadow
Переходные металлы способны образовывать связь не только используя неподеленные пары, локализованные на атоме в молекулах (основаниях Льюиса), но и выбирая в качестве партнера ковалентные связи или даже системы делокализованных связей. Разберемся с такими лигандами
Slide 1
Связь как лиганд

Даже самая простая ковалентная связь между атомами водорода в молекуле может быть использована переходным металлом для связывания. Другие σ-связи тоже годятся. Такое связывание происходит за счёт взаимодействия занятой связывающей орбитали σ-связи с вакантной d-орбиталью металла, подходящей по симметрии. Результирующая связь также имеет σ-характер. Комплексы такого типа часто вполне устойчивы, но в других случаях образуются как интермедиаты в реакциях. Координация переходного металла по связи почти всегда приводит к её ослаблению (причину разберём позже), вследствие чего обычно малоактивная связь приобретает способность участвовать в реакциях.

Slide 1
Slide 1
Комплексы олефинов и ацетиленов

Соль Цайзе K[PtCl3(C2H4)]·H2O

Очень легко образуют комплексы с переходными металлами олефины и ацетилены. Знаменитая соль Цайзе была получена почти 200 лет назад, считается первым металлоорганическим соединением. В этом случае донором является связывающая орбиталь π-связи (в ацетиленах каждая из π-связей может играть эту роль). Интересно, что природа связи олефина или ацетилена с металлом также имеет σ-характер, и для неё используется та же орбиталь металла dσ-типа, что и для образования комплексов с молекулами, не имеющими кратных связей. При этом, комплексы олефинов и ацетиленов традиционно называют π-комплексами, что иногда вызывает некоторую путаницу.
Структурно олефин связывается с металлом, как плоский фрагмент, перпендикулярный линии связи.

Slide 1
Slide 1
Учёт гапто-лигандов

Лиганды, связываемые с металлом посредством своих π- или σ-связей, называются гапто-лигандами. В зависимости от того, сколько атомов сидит непосредственно на той связи, которая стала кординационным центром связывания, их маркируют как n-гапто, вместо слова "гапто" используют греческую букву η (эта). Водород, олефин, ацетилен - дигапто-лиганды (η2-лиганды), так как они цепляются за металл двухатомными связями. Это очень важно понимать - в таком комплексе не две связи металл-атом лиганда, а одна.
Нет ничего проще учёта лигандов такого типа в структуре. В подавляющем большинстве случаев это просто одиночные L-лиганды, занимающие одно место в координационной сфере (они вносят 1 в координационное число). Ацетилен, олефин, молекула водорода, что-то ещё - один L-лиганд.

Slide 1
Slide 1
Хелаты из гапто-лигандов

Гапто-лиганды, точно так же как простые лигандные центры могут быть в одной молекуле и образовывать хелатные комплексы с металлами. Среди таких гапто-хелаторов есть очень популярные в химии особенно поздних переходных металлов вспомогательные лиганды типа 1,5-циклооктадиена (COD), циклододекатриена (CDT), норборнадиена (NBD). Учёт таких хелаторов в координационной сфере металла ничем не отличается от учёта простых хелаторов.

Slide 1
Slide 1
Сопряжённые диены как лиганды

Несопряжённые диены в комплексах работают как хелаторы. А сопряжённые? Чаще всего как единый лиганд, металл образует связи с занятыми орбиталями сопряжённой системы, которых, как известно, две. Связывание происходит в s-цис-конформации, если диен нежёсткий, а если жёсткий, циклический, то только с двойными связми, которые могут расположиться таким образом. Похоже на реакцию Дильса-Альдера, не правда ли?
Сопряжённый диен в комплексе является единым η4-лигандом. В анализе структуры комплекса можно было бы ввести новый тип четырёхэлектронного лиганда, но чтобы не плодить новые типы лигандов, поступают проще - учитывают как два L-лиганда. С ними всё получится правильно, но нельзя ни на мгновение забывать, что это не два независимых координационных центра.

Slide 1
Slide 1
Ароматическая система как лиганд

От сопряжённого диена один шаг до бензола, и шире, к ароматическому кольцу. Бензол ведёт себя как единый шестиэлектронный лиганд, связанный совершенно симметрично так, что расстояния от металла до каждого из шести атомов одинаковы. Комплекс бензола с нульвалентным хромом наряду с ферроценом послужил детонатором для взрывообразного роста металлоорганической химии во второй половине 20 века, что и было отмечено Нобелевской премией Уилкинсона и Фишера. При анализе комплексов бензол и другие ароматические соединения учитывают не как единый шестиэлектронный лиганд, а как три L-лиганда.
Известно довольно много комплексов, в которых бензолы связываются частично как η2- или η4-лиганды.

Slide 1
Slide 1
Аллильная система

Аллильный остаток сильно отличается от уже рассмотренных лигандов - это не полноценная молекула, а одновалентный остаток. Вполне очевидно, что он может связываться с металлом обычной ковалентной связью, как любой простой X-лиганд. Такие комплексы существуют и их много. Двойная связь аллила может сесть на атом металла как дигапто-L-лиганд. Поскольку три атома углерода, вовлечённые в эти взаимодействия рядом, скорее мы имеем дело с единым лигандом, имеющим η3-связывание. В этом случае это четырёхэлектронный лиганд, учитываемый как X+L.
В растворах аллильные лиганды двух типов в комплексах обратимо превращаются друг в друга, что приводит к переползанию металла с одной стороны плоской аллильной системы на другую.

Slide 1
Slide 1
Царь лигандов - циклопентадиенил

От аллильного лиганда один шаг до самого знаменитого лиганда металлоорганической химии - циклопентадиенила. Это шестиэлектронный η5-лиганд, который для удобства учитывают как 2L+X.

Slide 1
previous arrow
next arrow
Shadow

С металлами и лигандами разобрались – теперь попробуем собрать все вместе в комплекс (координационное соединение), и попробуем посчитать электроны, вовлеченные в образование таких молекул, и посмотрим, что из этого получится. Считать придется по очень строго сформулированному правилу, которое гарантирует, что будет получаться одно и то же, кто бы ни считал. Из такого счета получается знаменитое и очень полезное правило 18-электронное правило. 

previous arrow
Slide 1
Считаем электроны

Чтобы посчитать валентные электроны в координационном соединении, нужно сначала записать его обобщенную формулу (структурный тип), разобрав лиганды по типам. Дальше можно воспользоваться одним из двух способов - ионным или ковалентным, - или сразу обоими для самопроверки. Оба способа должны дать один и тот же результат.

Slide 1
Slide 1
18-Электронное Правило
В стабильных комплексах переходных металлов число валентных электронов,
как правило,
равно 18.

Это правило является эмпирическим, он получено обобщением многолетних наблюдений по огромному числу комплексов переходных металлов.
Это не незыблемый закон Природы, а устойчивая тенденция, связанная с электронной структурой комплексов переходных металлов.
Комплексы с меньшим счётом, особенно 16-электронные, также широко распространены, особенно среди комплексов поздних переходных металлов.
У ранних переходных металлов бывают вполне устойчивые комплексы с 12-14 электронами.
Комплексы с нечётным числом электронов часто образуют димеры со связью металл-металл, счёт электронов становится чётным на единицу больше.
Отклонения в большую сторону (19-20 электронов) чрезвычайно редки. Если такой комплекс попался, нужно тщательно проверить расчёт счёта электронов, и если он подтвердился, разобраться в причинах такого необычного поведения.

Slide 1
Примеры счёта электронов

Попробуем посчитать электроны в нескольких комплексах, взятых наугад. Слева нейтральные комплексы, справа заряженные. Красным подсвечен расчет по ковалентной модели, синим – по ионной. Как видим, получается одно и то же. 18-электронные комплексы. встречаются чаще 16-электронных.
16-электронные комплексы среди этих примеров это, с одной стороны, комплекс раннего переходного металла. С другой стороны, это плоско-квадратный комплекс позднего переходного металла.

Slide 1
next arrow
Shadow

Одно из важнейших следствий счета электронов – представление о том, что 18-электронные комплексы не только встречаются чаще всех остальных, но и обладают интересной особенностью – координационной насыщенностью, то есть принимают максимально возможное число лигандов для данного валентного состояния металла. Если есть координационная насыщенность, то есть и координационная ненасыщенность – состояние, подразумевающее возможность изменения количества лигандов на металле, а это совершенно необходимо для того, чтобы комплекс металла мог участвовать в химической реакции, связанной с изменением лиганда. А это именно то, что нам нужно для того, чтобы стало возможным то, о чем мы будем говорить в этом курсе. 

Slide 1
Источники CO для большого синтеза

Оксид углерода - отличный реагент в синтезе не только лабораторном, но и промышленном. Реакции CO - одни из первых промышленных каталитических реакций. В лаборатории используют или баллоны с CO (кто не боится и имеет очень хорошие тяги) или разложение муравьиной кислоты концентрированной серной.

В промышленности очень часто используют не чистый CO, а его смеси с водородом в соотношениях 1:1 и 1:2. Основной источник оксида углерода для большого синтеза - конверсия угля, взаимодействие угля с водяным паром при очень высокой температуре, которую поддерживают чередованием водяного пара с воздухом. При этом образуется смесь CO и водорода, исторически называемая водяным газом. Соотношение CO:H2 регулируют с помощью так называемой реакции водяного газа (water-gas shift reaction) - для разных реакций требуются смеси от 1:1 до 1:2, такие смеси часто называют синтез-газом.
Есть еще и вторая реакция, которая дает смесь CO и водорода, но с большим содержанием водорода - паровой риформинг метана, гатерогенная каталитическая реакция. Но эту реакцию применяют в основном для производства водорода, а СО из газовой смеси удаляют с помощью реакции водяного газа.
Самая важная реакция с синтез-газом c соотношением CO:H2 2:1 - синтез метанола, а метанол далее перерабатывают в формальдегид, уксусную кислоту и многие другие важные соединения.

Slide 1
Slide 1
Дуализм карбен-карбанион

CO - маленькая, но очень интересная молекула. В свободном состоянии (не в виде лиганда в комплексах) эта молекула ближе к структуре с тройной связью и зарядами на атомах - можно даже сказать, что это карбанион (причем илидного типа, так как рядом положительно заряженный атом кислорода), только не забывать, что соответствующая ему сопряженная кислота - это формильный катион, очень сильная CH-кислота, а следовательно, CO - это очень слабое основание Бренстеда. Если рассматривать CO как основание Льюиса, то мы хорошо видим, что это именно мягкое основание Льюиса - мягкие основания Льюиса всегда являются слабыми основаниями Бренстеда. Вторая граничная структура имеет карбеновый характер. Эта структура дает небольшой вклад в структуру свободного CO, но играет очень большую роль в комплексах.

Очень интересно и поучительно рассматривать CO в ряду изоэлектронных частиц, в которых проявляются оба структурных типа, более или менее, в зависимости от природы второго атома - от чисто анионного (карбанионного) типа, как в ацетиленид-ионе, до чисто карбенового, как в нитрозоний-катионе (точнее, нитренового, но нитрен - это это просто аза-аналог карбена с тем же сочетанием пустой и заполненной орбитали на одном атоме). Посредине - цианид, он же изоцианид-ион, в структуре которого карбеновая и карбанионная формы представлены одинаково значительно. От цианид-иона аналогия, как мы уже знаем, приведет нас к гетероциклическим карбенам, также проявляющим дуализм карбанион-карбен.

Slide 1
Slide 1
Комплексы CO - карбонилы

Лиганд CO официально называется карбонилом. В комплексах с переходными металлами CO (которые также называются карбонилами) образует как обычную координационную связь (σ-связь) за счет пары электронов на углероде, так и вторую связь (π-связь) за счет обратного донорного эффекта (back-donation). Второй эффект зависит от возможностей металла и свойств других лигандов. CO - один из самых сильных π-акцепторов среди лигандов. Если вклад π-связи невелик, в структуре лиганда преобладает троесвязанная форма, если велик - порядок связи снижается в пределе до двух, между металлом и карбонилом в этом случае можно рисовать двойную связь. Такая структура немного напоминает же знакомый нам винилиденовый карбен в комплексах. Карбонильный лиганд очень удобен тем, что позволяет легко диагностировать вклад back-donation по ИК-спектру, так как частота валентного колебания связи углерод-кислород сильно и очень характерно зависит от ее порядка, снижаясь при уменьшении порядка.

В отличие от настоящих карбенов, карбонил принимает back-donation на разрыхляющую орбиталь π-связи с кислородом, в основном находящуюся (имеющую больший вес) на атоме кислорода - то есть электроны с металла фактически поступают на электроотрицательный кислород, создавая там отрицательный заряд. Это очень выгодно, поэтому карбонил так хорошо стабилизирует низкие степени окисления металлов, причём мы должны понимать, что формальная степень окисления металла в таких комплексах может нас обманывать. Если совсем уж осмелеть в аналогиях, то можно увидеть что в комплексах с низковалентными и ранними переходными металлами карбонил ведёт себя как карбен Шрока. Но - будьте осторожны, здесь нужно сохранять некоторую степень благоразумия, так как в координационной химии монодентатный карбонил всегда рассматривают как L-лиганд.

Slide 1
Slide 1
Анионные комплексы - карбонилаты

Характерным примером такого поведения карбонильного лиганда являются анионные карбонилы металлов, известные для всех переходных металлов кроме 10 и 11, а также 3 групп (J. E. Ellis Organometallics 2003, 22, 3322). По свойствам эти комплексы всегда являются сильными восстановителями и довольно часто - сильными нуклеофилами. Формально, при учёте карбонила как L-лиганда в этих комплексах металл имеет максимальное для своей группы число d-электронов, совсем нехарактерное в первую очередь для ранних переходных металлов.

При этом, если мы учтем вклад back-donation в полной степени, то получим, что, например, у комплекса металла 4 группы шесть карбонилов в пределе снимают всю плотность с металла и вместо формальной степени окисления 2-, очень странной для раннего переходного металла, получим обычную степень окисления 4+, то есть обычную для этой части d-блока. В принципе, это очередное повторение фокуса с фактическим изменением степени окисления при максимальном вкладе back-donation, которое мы уже видели и в металлациклопропанах, и в карбенах Шрока.

Slide 1
Shadow
Slide 1
Основная реакция – миграционное внедрение

Аналогия карбонильного лиганда и карбенов распространяется и на реакции. Основная реакция в координационной сфере металла - фактически та же самая, что часто происходит с карбеновыми лигандами - миграционное внедрение σ-связанного X-лиганда на углеродный атом карбонила (карбена), непосредственно связанный с металлом. Эта реакция обратима, и смещение равновесия в сторону продукта внедрения обеспечивается связыванием донорного лиганда из реакционной смеси (фосфина, еще одной молекулы CO или хотя бы донорного растворителя). Степень окисления металла не изменяется, как и в других реакциях миграционного внедрения. Продукт миграционного внедрения - σ-ацильный комплекс.

Slide 1
Slide 1
Миграционное внедрение обратимо: декарбонилирующие реакции

Обратимость реакции миграционного внедрения может быть использована довольно неожиданным образом. Можно получить σ-ацильный комплекс по-другому, например, окислительным присоединением к ацил хлоридам или другим производным карбоновых кислот. Такой ацильный комплекс может или участвовать в обычном кросс-сочетании с образованием кетонов, либо потерять CO и направиться по пути декарбонилирующего кросс-сочетания или реакции Мидзороки-Хека.

Один из фокусов, которые можно встретить в этой химии - реакция Мидзороки-Хека без участия оснований. Такую реакцию можно сделать, если взять в качестве электрофила ангидриды или амиды ароматических кислот - уходящая группа в этом случае играет роль основания, а выход этой группы из координационной сферы обеспечивается лигандным обменом с галогенидами..

Slide 1
Slide 1
Что дальше происходит с ацильным комплексом?

Кроме обращения миграционного внедрения, ведущего к потере карбонила, ацильные комплексы могут вступать и в другие реакции, при которых карбонил сохраняется. Есть три основных пути, встречающихся в огромном количестве процессов.

Восстановительное элиминирование происходит, если на металле есть ещё один окисляемый лиганд, а металл имеет не самую низкую степень окисления. Эта реакция прежде всего встречается в карбонилирующем кросс-сочетании и родственных процессах. Металл изменяет степень окисления на -2.

Другая очень распространённая реакция - расщепление ацила нуклеофилом. Эта реакция чертовски похожа на нуклеофильное замещение в карбонильных соединениях - также идёт через тетраэдрический аддукт. Металл, как и в восстановительном элиминировании, уменьшает степень окисления на 2.

Третья реакция, немного более редкая, - расщепление ацильного комплекса электрофилом. Чаще всего в роли электрофила выступает протон (протонная кислота), тогда реакцию называют протолизом. Металл в этой реакции не изменяет степени окисления.

Slide 1
previous arrow
next arrow
Shadow
Slide 1 - carbometalation
Карбометаллирование – бесконечно гибкий метод соединения углеродных фрагментов

Миграционное внедрение сигма-связанного углеродного лиганда (алкила, арила, ацила и т.п.) с кратной углерод-углеродной связью, за которым следуют разнообразные превращения (восстановительное элиминирование, гидридное элиминирование, следующая стадия каскада) представляет собой исключительно мощный метод соединения углеродных фрагментов в новый скелет. Почти бесконечные возможности этой реакции определяют и разное поведение переходных металлов, и возможности управлять течением процесса за счет выбора лигандов, и потенциалом соединения этой реакции с предшествующими и последующими стадиями.

Карбометаллирование - одна из основных элементарных реакций, на которых строятся сложные каскады - большие каталитические циклы, включающие до десятка, а иногда и более, последовательных реакций.

Slide 1 - carbometalation
Slide 2 - Mizoroki-Heck
Реакция Мидзороки-Хека

Ричард Хек
(1931-2015)

Важнейшая и самая популярная реакция, использующая карбопалладирование - реакция Мидзороки-Хека, открытая параллельно с классическими методами кросс-сочетания, и даже немного раньше. Ключами к открытию и кросс-сочетания, и этой реакции стали два достижения: окислительное присоединение галогенпроизводных к нульвалентным металлам 10-й группы, и разработка общих принципом каталитического цикла самим Хеком. В этом методе типичные органические электрофилы реагируют с олефинами с образованием новой C-C связи.

Реакция включает окислительное присоединение, вход олефина в координационную сферу, миграционное внедрение (карбопалладирование), и гидридное элиминирование. Регенерация нульвалентного палладия происходит за счет действия основания. В отсутствие основания реакция не является каталитической по палладию.

Slide 2 - Mizoroki-Heck
Slide 3 - poor control
Реакция Мидзороки-Хека плохо поддаётся управлению лигандами

Реакция Мидзороки-Хека очень необычна тем, что на неё очень мало влияют лиганды и вообще структура пред-катализатора в том случае, если используются достаточно реакционноспособные бром и иодпроизводные.

За почти четыре десятилетия очень интенсивных исследований накоплены огромные массивы информации по этой реакции, и эти горы данных в полном смысле этого слова родили мышь - вывод о том, что все эти исследования ничего не дали кроме этого парадоксального вывода.

Реакция Мидзороки-Хека формально очень похожа на кросс-сочетание, настолько, что ее часто причисляют к этому типу процессов. Но у реакции Мидзороки-Хека другой каталитический цикл (другой механизм), и другие требования к координационному окружению атома палладия. В реакции Мидзороки-Хека палладий должен располагать тремя доступными координационными местами у Pd(2+), которому свойственна плоскоквадратная конфигурация. По этой причине палладий не может иметь ни бидентатных лигандов, ни очень объемистых лигандов, а диапазон субстратов ограничн стандартными бромидами, иодидами, трифлатами.

В кросс-сочетании на всех стадиях требуется не более двух мест для лигандов-акторов, потому что второй остаток входит через переметаллирование, использующее уже занятое место в координационной сфере. Поэтому в крос-сочетании активно используются бидентатные лиганды и специальные объёмистые и гемилабильные лиганды новых поколений. Это позволяет почти неограниченно расширять диапазон кросс-сочетания за счет сложных субстратов, плохих уходящих групп, необычных сред, и т.п.

Slide 3 - poor control
Slide 4 - syn-syn
Син-Син: Стереохимия реакции Хека

Многие особенности реакции Мидзороки-Хека обусловлены очень строгой син-стереоспецифичностью двух ключевых реакций этого цикла - карбопалладированием и β-гидридным элиминированием

В реакции с терминальными олефинами обычно получаются транс-продукты (более 90% с небольшой примесью цис). Причина проста, и сразу видна из простого конформационного анализа. Так как и присоединение и элиминирование имеют син-стереохимию, из возможных конформеров более выгоден тот, который даёт транс из-за меньшего стерического отталкивания заместителей.

Син-син стереохимия объясняет и другие фокусы. Реакция с циклическими олефинами, например, не может дать обычный продукт реакции, так как невозможно син-элиминирование. Поэтому элиминирование происходит со следующего атома углерода в цикле, если такой есть, конечно, и если на нём есть подходящий водород. Это приводит к сдвигу двойной связи и заодно к образованию стереогенного центра, то есть создаёт возможность реализации энантиоселективной реакции Хека. Это, конечно, непросто, так как придется преодолеть то, с чем мы уже столкнулись - плохой контроль реакции со стороны анциллярных лигандов. Выход из этого есть, но об это в другой раз.

Slide 4 - syn-syn
Slide 5 - migration db
Миграция (блуждание) двойной связи

С нециклическими алкенами возникает другая проблема (или возможность). В этом случае гидрид для элиминирования есть и стереохимически доступен по обе стороны от металла, и элиминирование может происходить в обе стороны. Более того, элиминирование гидрида - обратимая реакция (обратная реакция - миграционное внедрение или гидропалладирование), и повторение этих стадий приводит к расползанию двойной связи по доступной части углеродной цепи. Как правило, это приводит к осложнениям, низкой селективности, и прочим плохим последствиям, но в некоторых случаях может быть использовано для интересных превращений.

В этом процессе очень много зависит от конкретных условий, так как мы имеем дело с конкуренцией двух реакций - депротонирования гидрида палладия, и обратного присоединения (гидропалладирования) к двойным связям. Это всегда очень трудно предсказывать и еще труднее - пытаться управлять, поэтому мы в большинстве случаев имеем неустановившееся и очень подвижное равновесие с невоспроизводимыми результатами. Теоретически, это можно было бы использовать для смещения двойной связи, что-то типа ацетиленовой молнии (зиппер-реакции), но для этого нужно придумать, как создать один единственный продукт, выводящий систему из равновесия. Для палладиевой химии это сделать очень непросто, но аналогичные и вполне работающие системы есть в химии других переходных металлов.

Slide 5 - migration db
Slide 6 - bidentate
Бидентатный лиганд – только с трифлатами

Бидентатные лиганды, фосфины типа dppf или BINAP все-таки можно использовать в реакции Мидзороки-Хека, но только, если электрофилом является трифлат (есть и ещё несколько вариантов, например, соли диазония, но это экзотика). Теоретически можно представить три разных пути реакций с участием комплексов палладия с бидентатными лигандами: гемилабильный, неполярный и полярный. Несколько десятилетий поисков каталитических систем для реакций Хека выявили то, что только полярный путь является работающим, и именно таким способом были реализованы разные специальные разновидности реакции Мидзороки-Хека типа энантиоселективной.

Гемилабильный хелатор мог бы уступать одно место для олефина, но в химии реакции Хека такие каталитические системы достоверно не известны

Олефин может связываться через 5-координированный 18-электронный интермедиат. Такой путь обычно называют неполярным, и он принципиально возможен, хотя дальше по циклу возникнет еще одна проблема с бета-гидридным элиминированием.

Наиболее реалистичный и, скорее всего, основной или даже единственный реальный путь связан с особым типом субстратов, содержащих высоконуклеофугные группы типа трифлата. Такой путь называют полярным.

Трифлат почти никогда не является лигандом в реакциях с участием поздних переходных металлов, и не занимает места в координационной сфере, освобождая его для реагирующих лигандов. Окислительное присоединение к трифлатам идёт как нуклеофильное замещение, так как трифлат ведёт себя, как и положено трифлату, как хорошая уходящая группа. Реакцию Мидзороки-Хека с трифлатами поэтому используют для специальных целей, например, для энантиоселективного арилирования циклических олефинов.

Slide 6 - bidentate
Slide 7 - norbornene
Блокировка гидридного элиминирования – путь к каскадам

Бывает, что гидридное элиминирование совсем не может произойти, так как ни с одной стороны нет атома водорода. Самый знаменитый олефин такого типа - норборнен, подробно изученный в работах Марты Кателлани и сотрудников. После карбопалладирования реакция как будто зависает на палладий-органическом интемедиате. И можно дать ему возможность двигаться дальше, но не по пути Хека, а, например, по пути кросс-сочетания. Такую последовательность реакций, в которой интермедиат в каталитическом цикле перехватывается другой реакцией, называют каскадом.

Каскад - это единый каталитический цикл, а не последовательность из нескольких циклов или что-то ещё. Каскад обслуживается одним катализатором и имеет одну точку входа и одну точку выхода, в которой катализатор возвращается на новый виток. TON/TOF считаются по всему циклу, а не по каждой реакции каскада отдельно (тем более что реакции эти неразделимы). Каждая часть каскада в свою очередь может состоять из нескольких элементарных реакций, то есть представлять собой часть более простого каталитического цикла (реакции Хека, кросс-сочетания, гидрирования, и т.п.), по какой-то причине или незаконченного, или начинающегося не с обычного начала. Эти части склеиваются в большой цикл-каскад на общих интермедиатах, вот как здесь - интермедиат, образовавшийся в незаконченном Хеке, входит в кросс-сочетание на стадии переметаллирования.

Slide 7 - norbornene
Slide 8 - cascade 1
Сложные каскады

Еще более сложные каскады строятся на основе внутримолекулярных реакций. Готовится субстрат, содержащий набор реакционных центров, которые могут участвовать в последовательных реакциях карбопалладирования без возможности гидридного элиминирования, и таким образом, чтобы последовательно замыкались 5-ти или 6-тичленные циклы. В конце паллаиевый центр глушат какой-нибудь подходящей реакцией, замыкающей каскад.

Очень удобны для этого не двойные, а тройные связи, при карбопалладировании которых принципиально не может получится структура, в которой возможно гидридное элиминирование. Поэтому в межмолеккулярных реакциях алкины используют редко, так как не всегда удается погасить палладиевый центр и начинается тупая олигомеризация. Но во внутримолекулярных реакциях использовать тройные связи - одно удовольствие, так как у них нет никаких неконтролируемых побочных.

Вот один такой каскад из работ выдающегося каскадёра Луца Тице (L.Tietze et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125, 3273) - два карбопалладирования с необычным завершением элиминированием силильной группы - в один присест, в одном каталитическом цикле создается сложная система циклов. Подобнее этот каскад разобран на страничке с Вопросами.

Slide 8 - cascade 1
Slide 9 - 4-times-heck
Еще более сложный каскад

Еще более сложный каскад состоит из четырех последовательных карбопалладирований, причем последнее происходит на двойную связь, сформировавшуюся на первом карбопалладировании, которой не было в исходном, то есть надо было просчитать все ходы до последнего. В последнем карбопалладировании возникает подходящий по конфигурации атом водорода для гидридного элиминирования, и цикл завершается бета-гидридным элиминированием, как в обычном Хеке. Поэтому этот замечательный каскад можно считать таким четверным Хеком, поиском подходящего атома водорода для элиминирования, для чего пришлось поназамыкать кучу циклов в последовательности ходов, напоминающем изощрённую шахматную комбинацию. В каскаде из нециклической структуры (бензольные кольца каскадом не затрагиваются) образуется четыре новых кольца, три пятичленных и одно семичленное, причем одно из новых колец имеет фульвеновую структуру.

И для такой потрясающей каскадины не понадобилось ничего особенного - только самая банальная каталитическая система для простейшего Хека с самым тривиальным лигандом, да это и понятно, более крупный современный линганд, скорее всего, застрял бы на одной из первых стадий. Мораль - не выбрасывайте баночку с трифенилфосфином даже если накупили всех наисовременнейших лигандов и поддались на рекоаму их чудодейственных качеств.

Slide 9 - 4-times-heck
Shadow
Slide 1
Реагент Колмана

Первый удачный пример применения карбонильных комплексов в синтезе органических карбонильных соединений - использование анионного карбонилата железа (реагента Колмана) в работах Джеймса Колмана, одного из первопроходцев использования переходных металлов в синтезе. Это высоконуклеофильное производное легко реагирует в SN2-замещении, а образующиеся алкильные комплексы претерпевают миграционное внедрение с образованием ацильных комплексов. Необратимость внедерения обеспечивается или добавлением донорного лиганда или проведением реакции в атмосфере CO.

Так как исходный карбонилат - дианион, - возможно и второе замещение уже в ацильном комплексе, сохраняющем достаточную нуклеофильность. Протолиз моноалкильного комплекса дает альдегиды, а из дизамещенных комплексов уже Fe(2+) продукт, кетон, образуется спонтанным восстановительным элиминированием. Эта реакция в начале 1970-х произвела огромное впечатление на органиков, так как показала исключительный потенциал комплексов переходных металлов в органическом синтезе. Но широкому применению препятствовало то, что эти реакции были стехиометрическими и требовали работы с большими количествами токсичных и непростых в работе карбонилов.

Slide 1
Slide 1
Каталитическое карбонилирование с нуклеофильным карбонилатом кобальта

Каталитической эту реакцию удается сделать с помощью ближайшего аналога тетракарбонилферрата. К этой реакции пришёл в 1963 Ричард Хек в результате исследования механизма гидроформилирования в самом начале своей карьеры. Нуклеофильность тетракарбонилкобальтата тоже довольно велика, а реакцию удается продвинуть вперед к ацильному комплексу просто используя избыток CO, а не дополнительный лиганд типа фосфина.

Расщепление ацильного комплекса нуклеофилами дает карбоновые кислоты или сложные эфиры, и возвращает тетракарбонилкобальтат-анион в цикл. Реакция хорошо идет с субстратами, активными в реакциях SN2, в первую очередь, с бензильными галогенидами и α-галогенпроизводными карбоновых кислот.

Современные версии этой реакции используют не неудобный карбонил кобальта или карбонилаты, а несложные комплексы кобальта, которые в условиях реакции восстанавливаются до карбонилатов. Одна из последних работ в этой области, описанная Ли и сотр. из Северо-Западного университета, но не того, который близ Чикаго, а того, который в китайском городе Сиань, использут комплекс с хелатором, производным бензимидазола, достигает цели в мягких условиях.

Slide 1
Slide 1
Карбонилирование эпоксидов

Эпоксиды легко раскрываются нуклеофилами - мы хорошо знаем эту реакцию ещё с 3 курса. Нуклеофильный тетракарбонилкобальтат не исключение - и в этом случае в результате внутримолекулярного расщепления ацильного комплекса алкоксидом может получиться 4-членный лактон. Такие лактоны вызывают огромный интерес, прежде всего как мономеры для получения биоразлагаемых полимеров полигидроксибутиратов (ПГБ).

Эту реакцию открыл ещё в 1963 году Хек в стехиометрическом варианте, но сделать ее каталитической долго не получалось. Проблема в некоторой несовместимости реагентов - для раскрытия кольца с приличной скоростью требуется содействие кислотой Льюиса, но она же снижает скорость расщепления ацильного комплекса. Впервые решить эту задачу смог канадский исследователь Ховард Алпер, очень много занимавшийся самыми ранними реакциями карбонилирования. Решение нашлось в применении специфического, очень объемистого противоиона PPN и довольно жестких условий реакции. После Алпера этой реакцией занимались и другие, пытаясь как-то избавиться от этого катиона - он не очень сложен и дорог, но демонстративно неэкономичен и в смысле "экономии атомов", и в более приземлённом смысле расходов на проведение реакции и выделение продуктов.

Slide 1
Shadow
Slide 1
Каталитический цикл нуклеокарбонилирования

В самом общем виде каталитический цикл карбонилирования включает окислительное присоединение органического электрофила, связывание CO, миграционное внедрение и расщепление ацильного комплекса нуклеофилом - гидроксидом, алкоксидом, амином, и т.п. с образованием карбоновых кислот и их производных. Термин нуклеокарбонилирование как раз и подчеркивает эту особенность - в молекулу входит группа, состоящая из карбонила и нуклеофила, и в конкретных случаях применяют более точные термины: гидрокси-, алкокси-, амино- и т.п. -карбонилирование. При этом как раз сами карбоновые кислоты этим способом получают редко, так как гидроксид-ион в реакционной смеси вызывает назойливую побочную реакцию превращения CO в карбонат (water-gas shift reaction) и образования гидридных комплексов, расщепляющих исходные галогенпроизводные. Метод чрезвычайно популярен в синтезе ароматических кислот и их производных.

Проблема этой и аналогичных реакций в том, что оксид углерода - настолько хороший лиганд, конкурентно связываемый с металлом даже в присутствии других лигандов, вытесняемых из координационной сферы, что контролировать эту реакцию с помощью всяких специальных лигандов довольно трудно. Поэтому, в этой реакции круг субстратов (электрофилов) довольно узок и очень далек от того головокружительного многоообразия, которое мы видим в реакциях кросс-сочетания. Тем не менее, работа по конструированию более гибких и мощных каталитических систем продолжается и иногда приносит интересные результаты.

Slide 1
nickel_carbonyl
Карбонил никеля - первый катализатор карбонилирования галогенпроизводных

Способность тетракарбонила никеля катализировать карбонилирование (точнее гидроксикарбонилирование) ароматических галогенпроизводных была известна почти сто лет назад, но реакции требовали чрезвычайно жёстких условий (высокая температура и давление), и была поэтому описана только в патентах. Впервые запустили эту реакцию в мягких условиях, пригодных для лаборатории, и с каталитическим количеством карбонила никеля итальянские исследователи Луиджи Кассар и Марко Фоа, обнаружившие, что в полярных растворителях в присутствии гидроксид-иона реакция происходит намного быстрее и не требует жёстких условий (L.Cassar, M.Foà J.Organomet.Chem., 1973, 51, 381).

Эта работа стала основополагающей для последующего развития метода нуклеокарбонилирования. Эффект гидроксид-иона обычно связывают с образованием анионных комплексов никеля, более активных в окислительном присоединении. Загрузка катализатора, впрочем, была немаленькой (25 моль%), что при учёте выходов соответствовало не более чем 3-4 каталитическим циклам.

Надо впрочем отметить, что никель не нашёл большого примененя в карбонилировании (пока не нашёл, но никель уже столько всего за последние 10 лет нашёл, что и здесь наверняка ещё последнего слова не сказал). Это очень сильно связано с тем, что реакция карбонилирования, как и реакциях Мидзороки-Хека плохо поддаётся управлению анциллярными лигандами, а именно этот приём стоит за почти всеми великими успехами катализа последних 10-15 лет.

Карбонил никеля может быть заменён на другие комплексы. Например, Альпер и Амер показали (J. Org. Chem. 1988,53, 5147), что может быть использован цианид никеля в условиях межфазного переноса. Цианид никеля в условиях реакции превращается в анионные комплексы карбонильными лигандами.

В обоих реакциях образуются соли карбоновых кислот, а сами кислоты образуются после подкисления.

nickel_carbonyl
Pd-catalyzed nucleocarbonylation
Палладий-катализируемое нуклеокарбонилирование

Гораздо мощнее и универсальнее в химии карбонилирования через окислительное присоединение к органическим электрофилам ведут себя катализаторы на основе комплексов палладия. Эта химия вполне аналогична химии кросс-сочетания и Мидзороки-Хека. Собственно Хек открыл и эту реакцию, описав ее в колоссальной статье 1974 года (A. Schoenberg, I. Bartoletti, R. F. Heck, J. Org. Chem., 1974, 39, 3318–3326;). Фосфиновые комплексы палладия отлично катализируют образование сложных эфиров из иод и бром-производных бензола и алкенов. Для иодпроизводных можно ограничиться бесфосфиновым катализом и использовать просто ацетат палладия. Стоит заметить, что CO очень быстро восстанавливает соли палладия до палладиевой черни, но в присутствии иодпроизводных окислительное присоединение идёт настолько быстро, что Pd(0) не накапливается. В этом случае, очевидно, происходит такое же резервирование активного палладия через наночастицы, играющие роль resting state.

Обратим внимание, что для реакции не требуется алкоксид, но вполне работает сам спирт в присутствии не очень сильного основания, третичного амина. Хек по какой-то причине чертовски любил трибутиламин, в последующих работах, где этот протокол применялся в реальных синтезах, чаще берут триэтиламин. Спирты тоже не ограничены бутанолом - можно брать другие спирты.

Непредельные (винильные) бром и иодпроизводные превращаются в непредельные (акриловые) кислоты в таком же протоколе алкоксикарбонилирования. Реакция в основном протекает с сохранением конфигурации, хотя некоторая изомеризация происходит.

Pd-catalyzed nucleocarbonylation
aminocarbonylation
Аминокарбонилирование

Расщепление ацильных комплексов аминами даёт амиды. Эту важнейшую реакцию также открыл Ричард Хек (A. Schoenberg, R. F. Heck J. Org. Chem. 1974, 39, 23, 3327).
В реакцию вступают первичные и вторичные амины и анилины, но не аммиак. Несмотря на то, что амины сами по себе приличные нуклеофилы способные расщепить ацильный комплекс, реакцию ведут в присутствии третичного амина. Не называйте эту реакцию, как иногда неверно делают, амидокарбонилированием или, тем более, амидированием. В реакцию вступают бром и иодпроизводные бензола и алкенов. В дальнейшем реакцию немного оптимизировали и она стала очень популярной в синтезе амидов.

Каталитический цикл вполне типичен для нуклеокарбонилирования. Третичный амин требуется для нейтрализации кислотности, возникающей при расщеплении ацильного комплекса.
Еще раз обратим внимание на то, что анциллярные лиганды на палладии должны уметь освобождать три координационных места, чтобы впустить электрофил и молекулу CO. В этом смысле карбонилирование очень похоже на реакцию Мидзороки-Хека - в нём не работают бидентатные фосфины. Это свойство каталитического цикла очень сильно и долго ограничивало развитие метода, но в 2000-х накопление знаний о лигандах и появление новых семейств лигандов 3 поколения привело к быстрому расширению возможностей нуклеокарбонилирования.

aminocarbonylation
double
Двойное карбонилирование

Иногда в продукт попадает не одна, а две карбонильные группы, и образуются сложные эфиры или амиды α-кетокислот. Такой процесс называется двойным карбонилированием. Так как такие производные кетокислот - весьма полезные соединения, хороший метод их получения всячески приветствуется. Исследования показали, что механизмом такого процесса, скорее всего, является не второе миграционное внедрение CO в ацильный комплекс, а нуклеофильная атака на карбонильный лиганд с образованием второго ацила в реакции, аналогичной реакции водяного газа (water-gas shift reaction) с последующим восстановительным элиминированием продукта двойного карбонилирования.
Вполне очевидно, что такая реакция будет конкурировать с обычным нуклеокарбонилированием, но ее можно сделать основной, используя повышенное давление CO, а также подобрав правильные лиганды и условия.

Первый каталитический протокол для селективного двойного арилирования предложил Масато Танака. Протокол использует CO под значительным давлением, причём снижение давления приводит к монокарбонилированию. Также необходим хелатирующий, но гемилабильный лиганд из серии бис-дифенилфосфиноалканов, лучшим оказался dppb (T. Kobayashi, M. Tanaka, J. Organomet. Chem., 1982, 233, C64).

double
arcl
Расширение возможностей нуклеокарбонилирования

Новые лиганды с большим трудом нашли себе дорогу в карбонилирование. Но кропотливое изучение каталитических циклов карбонилирования открыло некоторые возможности.. Контраст с кросс-сочетанием продолжает оставаться разительным - там лигандов и протоколов уже сотни. В карбонилировании каждый новый метод сдаётся только самым упорным и опытным исследователям, и обычно никаких вариаций не подразумевает.
Очень показательна история вовлечения хлорпроизводных в нуклеокарбонилирование. Очень долго они не сдавались - появлялись только работы по отдельным, обычно гетероциклическим субстратам, а это не считается - в гетероциклах хлор настолко подвижен, что больших усилий по его замешению хоть в обычной органической химии, хоть в катализе комплексами переходными металлами не требуется. В конце концов лиганд был найден, причём всего один, причём независимо и группой Хартвига, и группой Бачуолда. Это, кажется, первый случай, когда они сошлись на практически одном решении, прийдя к нему с совершенно разных сторон. Лиганд dcypp - аналог dppp с циклогексильными группами вместо фенилов.

Протокол Бачуолда особенно затейлив (Buchwald S.L. Angew Chem Int Ed. 2007, 46, 8460). Он установил, что для успеха аминокарбонилирования хлорпроизводных нужен не только этот специфический лиганд, но и использование феноксида в качестве основания. Этот пример очень ясно показывает, как трудно в реакциях такого типа совместить все необходимые компоненты реакционных смесей. Бачуолд обнаружил, что в каталитическом цикле получается не амид, а сложный эфир фенола - именно феноксид расщепляет ацильный комплекс. И уже снаружи цикла происходит обычное переамидирование.

И еще довольно непонятно, как происходит связывание CO и миграционное внедрение - с хелатным лигандом просто нет места в координационной сфере. Остаётся предполагать или возможность связывания пятого лиганда - такие гипотезы часто всплывают, когда в каталитических циклах с участием Pd(2+) не удаётся обойтись четырьмя лигандами. Но мне кажется, что дело здесь просто в гемилабильности этого бидентатного фосфина - временном переходе в монодентатную форму, освобождая место для CO. Естественно, это не потому что лиганду присуще свойство учтивости и прочие сентименты, а просто потому что при повышенной температуре в реакции есть равновесие между двумя формами комплекса.
Интересно, что у Хартвига получился немного другой протокол и другие выводы о механизме каталитического цикла (J.F. Hartwig et al, JACS, 2018, 140, 7979). Но эти двое не устают спорить с 1994 года.

arcl
Azidocarbonylation
Тиокарбонилирование...

Тщательный подбор современных лигандов и других компонентов каталитической системы позволяет достигать впечатляющих результатов и в этой области - один за другим сдаются сложные нуклеофилы, трудносовместимые с обычными условиями палладиевого катализа.

Так, датский исследователь Скрюдструп с сотр. сделали эффективный протокол для тиокарбонилирования и получения тиоэфиров (T. Skrydstrup et al J. Org. Chem. 2014, 79, 11830). Сернистые соединения всегда считались страшной отравой для палладиевых катализаторов, и это действительно так, но безусловно это относится только к гетерогенному катализу. В гомогенном катализе проблема отравления - это просто проблема защиты координационной сферы от связывания избыточного количества хорошего лиганда, и эта проблема решается подбором анциллярных лигандов для эффективного контроля координационной сферы. В этом случае опять отлично сработал XantPhos.

… и даже азидокарбонилирование

Отличный пример того, как решают проблемы каталитических процессов - разработка азидокарбонилирования. Азид - отличный нуклеофил, но задача совмещения в одной реакционной смеси азида, палладия, фосфина может показаться неразрешимой - азид с такими соседями напоминает курицу в компании волка и лисы - он реагирует и с фосфинами и с Pd(0). Кроме исходного азида нужно было умудриться сохранить и продукт реакции, ацилазид, также очень реакционноспособный и неустойчивый при повышенных температурах. Тем не менее, филигранная работа по подбору всех компонентов каталитической системы, осуществлённая Владимиром Грушиным в Каталонии привела к успеху (F. M. Miloserdov, V. V. Grushin Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3668 –3672). Ключевым решением было использование XantPhos в качестве лиганда. Кроме собственно катализатора, важными также оказались и гетерофазная водно-органическая среда реакции, разводящая по разным фазам азид-ион и фосфин, а также добавка полимерного силана, обеспечивающая реактивацию катализатора. Протокол получился настолько эффективным, что обеспечил почти количественные выходы ацилазидов с самыми разными заместителями в ароматическом кольце.

Azidocarbonylation
Monsanto
Синтез уксусной кислоты - процесс Monsanto-Celanese

Как получить уксусную кислоту из метанола? Формально - просто добавить карбонил. Это как раз и есть карбонилирование, которое мы сейчас обсуждаем, но - мы не умеем карбонилировать спирты, потому что нет эффективных способов осуществить окислительное присоединение по связи C-OH. Выход очевиден и мы его хорошо знаем из обычной органической химии - подменить уходящую группу. Но это хорошо в лаборатории, а здесь нужен процесс для промышленности, причём крупнотоннажной - должно работать в масштабе тысяч тонн. И, казалось бы, это тупик, но давно выяснилось, что если в реакционной смеси присутствует немного HI, то прямо в реакторе образуется иодистый метил, который уже можно карбонилировать, и дальше уже дело химической инженерии придумать, как сделать этот процесс эффективным. Начинали еще в 1950-е с катализа карбонилом кобальта (процесс BASF), но для этого требовались чудовищно жёсткие условия - сотни атмосфер и высокая температура, а каталитическая эффективность была невелика.

Намного более эффективен процесс, катализируемый благородным родственником кобальта родием, запатентованном компанией Монсанто в 1960-х и усовершенствованного компанией Celanese. Кроме довольно простого бесфосфинового родиевого катализатора требуется каталитическое количество HI, работающей как со-катализатор. Процесс разворачивается как типичный каталитический цикл нуклеокарбонилирования, но из-за необходимости использовать сильнокислотную среду, требующуюся для замещения гидроксильной группы в метаноле на иодид, завершением процесса не может быть нуклеофильное расщепление ацильного комплекса. Процесс завершается восстановительным элиминирование иодангидрида, быстро гидролизующегося в уксусную кислоту с регенерацией HI. Понятно что для этого требуется наличие некоторого количества воды, иначе мы получили бы метилацетат, который никому не нужен. Процесс идёт в такой сложной смеси при небольшом давлении в 30-60 атм и температуре около 200

Образующаяся уксусная кислота, вода, иодистый метил и метилацетат непрерывно отгоняются из реакционной смеси, разделяется фракционной перегонкой, и всё, кроме уксусной кислоты возвращается в реактор. Реактор функционирует с одной загрузкой очень долго, TON достигает сотен тысяч, но в конце катализатор переходит в неактивную форму, выпадающую из раствора, и тогда реактор полностью перезагружают, а родиевый комплекс регенерируют.

Monsanto
Cativa
Синтез уксусной кислоты - иридиевый катализ в процессе BP-Cativa

Метод Монсанто в 20 веке завоевал мир, став основным способом промышленного синтеза уксусной кислоты (в мире ее каждый год поизводят около 10 млн тонн, кроме карбонилирования метанола в меньших масштабах ещё окисляют ацетальдегид и, наряду с простыми кетонами и пропионовой кислотой используют катализируемое жидкофазное окисление алканов). Но в начале нового века произошло невероятное - родий, самый востребованный металл в промышленном катализе, понемногу дорожал-дорожал, да и подорожал настолько, что стал самым дорогим благородным металлом, далеко обогнав и золото, и платину. А иридий, благодаря своей исключительной редкости долгое время удерживавший звание самого дорогого металла, неожиданно отстал, и сильно.
Иридий принадлежит к той же 9 группе, что кобальт и родий, поэтому неудивительно, что он тоже способен катализировать карбонилирование метанола через метилиодид. Но долгое время считался бесперспективным и по причине дороговизны, и потому что скорость иридий-катализируемого процесса была маловата для промышленной эксплуатации.

Кропотливая работа по оптимизации условий иридий-катализируемого процесса химиками компании British Petrolium, создавшей для его коммерциализации отдельную компанию Cativa, позволила преодолеть его детские болезни, и вывести его на уровень промышленной эксплуатации с экономичностью, превышающей характеристики старого процесса. Новый процесс оказался даже эффективнее процесса Monsanto-Celanese. И процесс, который безусловно доминировал более 30 лет, отправился на Свалку Истории. И теперь за каждой второй тонной банальнейшей уксусной кислоты стоит один из самых изысканных благородных металлов, иридий. И - не бойтесь, пищевые уксусы, в том числе бальзамический уксус из Модены по-прежнему делают без родия и иридия старым добрым брожением.     

Иридий-катализируемый процесс очень похож на родий-катализируемый, отличаясь только деталями механизма. И уксусная кислота в нём получается именно нуклеофильным расщеплением ацильного комплекса водой. Процесс даёт намного более чистую уксусную кислоту с меньшими затратами энергии и материалов, а иридиевый катализатор намного стабильнее родиевого, и служит гораздо дольше (большие TON). Только первый завод BP Petronas Acetyls в Малайзии производит полмиллиона тонн уксусной кислоты в год.

Heading layer
Cativa
previous arrow
next arrow
Shadow
Slide 1
Гидроформилирование

Знаменитая и чрезвычайно важная промышленная реакция гидроформилирования олефинов или реакция Рёлена - случайный побочный продукт лихорадочных попыток найти способ получения синтетического топлива в нацистской Германии. Для этого там интенсивно исследовалась реакция Фишера-Тропша - процесс синтеза предельных углеводородов из синтез-газа. Процесс работал и снабжал Третий Райх значительным количеством довольно низкокачественного эрзац-бензина, но в попытках усовершенствовать метод Отто Рёлен пробовал добавлять в синтез-газ простые олефины, и обнаружил образование альдегидов. Даже эту реакцию пробовали приспособить для получения взрывчатых веществ из аналогов пентаэритрита, но не преуспели. После войны исследование процесса возродилось уже именно для синтеза промышленно важных альдегидов.

Otto Roelen
(1897-1993)

Slide 1
Каталитический цикл гидроформилирования

Каталитический цикл гидроформилирования был в основном установлен в работах Ричарда Хека. Можно даже сказать, что именно с этого и начался весь катализ комплексами переходных металлов в органической химии. Каталитический цикл можно представить себе как гидрирование в середину которого вставили миграционное внедрение карбонила.

Проблема гидроформилирования в том, что в несимметричных олефинах, а реакцию чаще всего делают с терминальными олефинами, получается два продукта, называемые по аналогии марковниковким и анти-марковниковским (или даже чаще говорят про альдегиды нормального и изо-строения). Направление реакции определяется первой стадией - миграционным внедрением гидрида в олефин. Фокус в том, что в разных областях нужны альдегиды и того и другого строения, и поэтому исследования региоселективности гидроформилирвоания стали важнейшей научной задачей, решение которой принесло огромное количество знаний о функционировании каталитических систем.

Slide 1
Карбонил кобальта - первый катализатор гидроформилирования

Первые катализаторы гидроформилирования используют карбонильные комплексы кобальта. Простой тетракарбонилгидрид, образующийся на месте из карбонила кобальта даёт смесь лдегидов нормального и изо-строения с преобладанием первого, но недостаточно большим. Региоселективность сильно улучшается, а условия реакции смягчаются, если в реакцию вводят фосфиновые лиганды.

Региоселективность реакции определяется в обычном для присоединения гидридов металлов процессе обратимого присоединения - гидридного отщепления, что вызывает блуждание двойной связи, на фоне которого и происходит миграционное внедрение карбонила. Более стерически объёмистый кобальт с фосфиновым лигандом и мигрирует быстрее, и в большей степени предпочитает терминальное положение.

Slide 1
Родиевые катализаторы гидроформилирования

При использовании родиевых катализаторов тенденции в региоселективности те же, но ещё более выражены - фосфиновые комплексы дают ещё больший выход альдегидов нормального строения. Именно поэтому родиевые комплексы чаще применяют в промышленных процессах.

Н-масляный альдегид очень востребован в промышленности, как важный синтетический полупродукт. Для получения этого соединения в больших масштабах компании РурХеми и Рон-Пуленк совместно разработали эффективный процесс, использующий фазо-разделяемый катализ с рециклизацией катализатора в водной фазе. Водорастворимость катализатора достигается использованием уже нам знакомого сульфированного трифенилфосфина (собственно именно для этого процесса он и был впервые разработан).

Как показали исследования, реакция идёт в водной фазе из-за весьма приличной растворимости маленького олефина пропилена в воде. Продукты экстрагируются в органическую фазу и отделяются от каталитической фазы. Более крупные и более гидрофобные олефины в этой системе не реагируют, так как совсем нерастворимы в воде.

Slide 1
Гидроаминометилирование - тандемный процесс

Гидроформилирование, как и другие фундаментальные превращения, можно встраивать в более сложные процессы. Познакомимся с ещё одним принципом - не с каскадированием, а с тандемным процессом. Тандем - это последовательность разных реакций, имеющих разные механизмы и не встроенных в один каталитический цикл с единым катализатором.

Господи, опять этот
XantPhos!

Соединяем гидроформилирование, дающее альдегид, с обычным образованием енамина с вторичным амином, за которым следует гидрирование и опять с родиевым катализатором - можно сказать тем же, что и в гидроформилировании, но дело в том, что он ведёт отдельный цикл гидрирования, отделённый от гидроформилирования стадией образования енамина, совсем не нуждающейся в родии (родию должно быть обидно, но ничего - потерпит).

Slide 1
Реакция Посона-Кханда

Одна из самых популярных и важных реакций с участием комплексов переходных металлов в органическом синтезе - реакция Посона-Кханда. Питер Посон - это тот самый учёный, который впервые получил, вместе с Томасом Кили, ферроцен. Этого достаточно, чтобы навсегда войти в историю химии, но ему повезло ещё раз - повезло с пакистанским постдоком Ихсаном Уллой Кхандом, открывшим совершенно новую и очень интересную реакцию. Посон оказался исключительно щепетильным человеком, и не только не присвоил себе честь открытия, но и всячески после напоминал, что реакцию открыл отнюдь не он.

Peter Pauson
(1925-2013)

Реакция представляет собой циклизацию [2+2+1] олефина, ацетилена и карбонила из карбонила кобальта. Продукты реакции - циклопентеноны, превосходные заготовки для дальнейшего развития сложного синтеза. Реакция завоевала огромную популярность в органическом синтезе.

Циклопентаноновые и циклопентеноновые фрагменты очень часто встречаются в сложных природных и биологически активных молекулах, и реакция Посона-Кханда очень часто является ключом к синтезу таких соединений

Slide 1
Механизм реакции Посона-Кханда

Механизм реакции Посона-Кханда не менее красив, чем сама реакция Посона-Кханда. Во-первых, мы впервые встречаемся с реакцией, в которой работает не просто комплекс переходного металла, а двухядерный комплекс, причём работает согласованно обоими атомами металла.
Ключевой интермедиат реакции - комплекс ацетилена с карбонилом кобальта удивительной структуры - каждый атом кобальта образует η2-комплекс с одной из пи-связей ацетилена. Получается такой искажённый тетраэдр - ацетилен и два атома кобальта образуют два взаимно перпендикулярных треугольника. Так как в этом комплексе есть всязь металл-металл - это настоящий кластер.

Механизм реакции Посона-Кханда похож на идеально отлаженную машину, в которой двухкобальтовый манипулятор поочерёдно берёт молекулы ацетилена, олефина и оксида углерода и филигранно соединяет их в новую молекулу.

И вот этот кластер, в котором один атом кобальта продолжает держать бывший ацетилен за одну пи-связь, другим атомом кобальта берёт олефин и миграционно внедряет его, образуя металлацикл. Дальше тот же атом кобальта ещё миграционно внедряет один из своих карбонилов. В каталитическом варианте реакции оксид углерода в конце снимает карбонил кобальта с двойной связи образовавшегося циклопентенона.

previous arrow
next arrow
Shadow
Slide 1
Карбонилирование и кросс-сочетание

Карбонилирование достаточно легко соединяется в единых каталитических циклах с другими процессами, особенно часто с кросс-сочетанием, - такие процессы называют карбонилирующим кросс-сочетанием. Достаточно, но не совсем легко, потому что для эффективного управления таким каскадным процессом не хватает координационных мест у атома палладия. Поэтому такие процессы обычно довольно просты, и используют более реакционноспособные субстраты, а TON обычно невелики. Тем не менее, это довольно удобный и гибкий способ синтеза сложных кетонов.

Карбонилирование обычно входит в каскад после окислительного присоединения, но или до, или после переметаллирования. В этом случае реакция практически полностью повторяет кросс-сочетание с хлорангидридами или другими производными карбоновых кислот, которое мы разобрали в самом начале лекции.

Slide 1
Slide 1
Карбонилирование + Судзуки-Мияура

Каскадирование кросс-сочетания по Судзуки-Мияуре и карбонилирования описали сами Судзуки и Мияура с сотрудниками в 1998 году. У них получился общий метод синтеза бензофенонов с самыми разными заместителями из бром или иодпроизводных или трифлатов фенолов и бороновых кислот (T. Ishiyama, H. Kizaki, T. Hayashi, A. Suzuki, N. Miyaura
J. Org. Chem. 1998, 63, 4726). Лучше всего реагируют иодпроизводные, но не только из-за лёгкости окислительного присоединения, но и потому что внедрение СО происходит легче с продуктами окислительного присоединения, имеющими иодид как лиганд. А в этой реакции это очень важно, потому что если CO не успевает внедриться, мы получаем продукт обычного кросс-сочетания. Для бромпроизводных и трифлатов необходима добавка KI как раз для того, чтобы заменить лиганд на палладии и ускорить внедрение CO.

Slide 1
Slide 1
Карбонилирование + реакция Мидзороки-Хека

Реакция Мидзороки-Хека очень трудно сопрягается с карбонилированием - совсем не хватает места в координационной сфере палладия, да и олефин и CO конкурируют за место и активно мешают друг другу. Очевидно, что для успеха такой реакции требуется тщательный подбор контролирующего лиганда, но из-за толчеи и давки это очень непросто. Неудивительно, что в отличие от карбонилирующего кросс-сочетания, известного почти столько же сколько и само карбонилирование, карбонилирующий Хек представлял собой почти нерешимую задачу, пока за дело не взялся один из самых плодовитых исследователей в химии переходных металлов, Маттиас Беллер (ФРГ). Разработанный им метод использует трифлат к качестве субстрата, освобождающий одно место и позволяющий использовать бидентатный лиганд dppp (Beller M. et al Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 5284 –5288).

Структура продуктов однозначно свидетельствует о том, что внедрение CO происходит после окислительного присоединения, но до карбопалладирования - карбонилирование предшествует собственно реакции Мидзороки-Хека.

Slide 1
Slide 1
Сложный каскад, включающий карбонилирование

Более сложные каскады могут включать много стадий в едином каталитическом цикле...

... как например, в каскаде, начинающемся как карбонилирование, но развивающемся дальше через циклизацию в результате внутримолекулярного карбопалладирования, за которым следует ещё одно карбонилирование, и завершающимся кросс-сочетанием по Стилле с оловоорганикой.

Slide 1
Slide 1
Более простой каскад - гидрокарбонилирование

Кетоны и всякие производные карбоновых кислот получать карбонилированием мы уже научились. Но хотелось бы ещё альдегиды. В стехиометрической реакции с реагентов Коллмена ацильный комплекс расщепляют протолизом. Но в каталитических реакциях удобнее было бы расчитывать на восстановительное элиминирование, но для этого нужно загрузить в координационную сферу и гидрид и ацил. Один из способов это сделать очень сильно похож на карбонилирующее кросс-сочетание, но на последней стадии на металл загружается гидрид переметаллированием с гидридом кремния (силаном).
Результат - весьма хемоселективная реакция - обратите внимание, что сохраняется даже олефиновая двойная связь, для которой в этой реакции очень много угроз - и гидрирование, и Хек - но ни одна не мешает целевой реакции гидрокарбонилирования.

В каталитическом цикле после окислительного присоединения формируется ацильный комплекс, который в восстановительном элиминировании даёт формильную группу. В принципе, это тоже каскад, хотя и простой.

Slide 1
previous arrow
next arrow
Shadow

В связях металлов с лигандами часто присутствует и дополнительное взаимодействие, называемое по-английски back donation, за счет взаимодействия заполненных орбиталей металла dπ-типа с вакантными орбиталями лиганда, подходящими по симметрии, а это обычно разрыхляющие π-орбитали. Это взаимодействие играет совершенно колоссальную роль как в структурах комплексов, так и в их реакционной способности. В каком-то, а точнее, во вполне определенном смысле это взаимодействие является ключевой причиной того, что лиганды в координационной сфере металла приобретают новую реакционную способность, и вступают в разнообразные реакции. Можно даже сказать, что если бы не было этого эффекта, не было бы и этого курса лекций, потому что не о чем было бы рассказывать. 

carbon monoxide
Карбонил - наиболее очевидный пример лиганда с двумя типами связывания

Оксид углерода или просто карбонил - один из важнейших лигандов в химии переходных металлов. В большинстве комплексов это сигма-донорный лиганд, связанный с металлом за счет донорно-акцепторной связи, образуемой за счет ВЗМО молекулы CO, которую можно легко отождествить с неподеленной парой на атоме углерода. Стандартная форма карбонильного лиганда не сильно отличается от свободной молекулы CO c sp-гибридными атомами и тройной связью.

carbon monoxide
back_donation_metal-carbonyl
Back-donation делает связь лиганда с металлом прочнее

Кроме координационной сигма-связи в карбонилах металлов часто возникает еще один тип связывания, который называют back-donation. Во многих карбонильных комплексах, особенно низковалентных поздних переходных металлов возникает дополнительное связывание за счет вакантной разрыхляющей орбитали оксида углерода и заполненной d-орбитали металла. В этом взаимодействии смещение электронной плотности происходит от металла к лиганду, а следовательно лиганд ведет себя как кислота Льюиса, а металл как основание. Поскольку back-donation это π-связь практически всегда (бывает ещё дельта-связь, например, в том же дибензолхроме) лиганд, способный на back-donation, часто называют π-кислотой (металл, способный на back-donation это π-основание).

back_donation_metal-carbonyl
Slide 1
Back-donation - переменный эффект

Back-donation, как правило, действует не как полноценная химическая связь, а скорее как электронный эффект, вызывающий смещение электронной плотности от металла на лиганд. Это смещение может быть и очень слабым, но может проявляться очень сильно в значительном упрочнении связи металл-лиганд, и одновременном ослаблении (разрыхлении) связей в самом лиганде. Этот эффект поэтому играет чрезвычайно важную роль в влиянии металла на свойства и реакционную способность лиганда. Молекула, войдя в координационную сферу металла, приобретает высокую реакционную способность в различных реакциях, не свойственную этой молекуле в свободном состоянии. Это явление называют активацией.

Slide 1
Slide 1
Back-donation может стать основной связью

У низковалентных комплексов ранних переходных металлов back-donation может играть главную роль, обусловливая основной вклад в связывание лигандов с металлами. Этот эффект приводит к парадоксальным и не очень легко оцениваемым изменениям - изменяется степень окисления металла, счёт d-электронов, структура лиганда. Совершенно особая химия ранних переходных металлов, особенно из самого начала блока d-элементов, во многом связана с этим эфектом.

Slide 1
back donation olefins
Back-donation в олефинах

Другой важный пример back donation дает связь переходного металла с олефином. В этом случае для связи используется разрыхляющая орбиталь двойной связи. Перенос электронной плотности с металла на эту орбиталь закономерно приводит к ослаблению двойной связи, и этот эффект часто используют в реакциях олефинов с комплексами переходных металлов.

back donation olefins
previous arrow
next arrow
Shadow