Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор. Синтез, строение и свойства хиральных rf комплексов металлов подгруппы Ті 12
1.1. Строение и синтез анса- //5-комплексов металлов подгруппы Ті 12
1.1.1. Особенности структуры анса- комплексов 12
1.1.2. Методы синтеза анса- комплексов металлов подгруппы Ті 18
1.1.3. Способы получения оптически активных анса- комплексов металлов IV подгруппы 45
1.2. Каталитическое действие энантиомерно чистых rf- комплексов переходных металлов подгруппы Ті в реакциях АОС с олефинами 56
2. Обсуждение результатов 67
2.1. Реакции алкенов с триалкилаланами в присутствии анса- п5 комплексов циркония 67
2.1.1. Каталитическое действие анса- //5-комплексов Zr в реакции алкенов с A1R3 (R= Me, Et) 67
2.1.2. Структура и динамика интермедиатов реакций карбо- и циклоалюминирования алкенов, катализируемых анса- комплексами Zr 71
2.2. Гидроалюминирование олефинов с помощью ХАІВи в присутствии aHca-L2ZYC\2 82
2.2.1. Каталитическая активность анса- цирконоценов в реакции гидроалюминирования алкенов 82
2.2.2. Структура интермедиатов реакции гидроалюминирования алкенов, катализируемой анса- комплексами Zr 84
2.3. Синтез энантиомерно чистых анса- //5-комплеков Zr 92
2.4. Каталитическое действие энантиомерно чистых //5-комплексов Zr в реакциях терминальных алкенов с A1R3 94
2.5. Установление энантиомерного избытка и абсолютной конфигурации продуктов карбо- и циклоалюминирования алкенов 101
3. Экспериментальная часть 113
Выводы 145
Литература 1
- Способы получения оптически активных анса- комплексов металлов IV подгруппы
- Каталитическое действие энантиомерно чистых rf- комплексов переходных металлов подгруппы Ті в реакциях АОС с олефинами
- Структура и динамика интермедиатов реакций карбо- и циклоалюминирования алкенов, катализируемых анса- комплексами Zr
- Синтез энантиомерно чистых анса- //5-комплеков Zr
Способы получения оптически активных анса- комплексов металлов IV подгруппы
Из примеров, приведенных выше, видно, что угол поворота лигандов относительно друг друга определяется типом мостика и заместителей в л лиганде.
Часто для одного и того же комплекса характерно наличие разных конформации в растворе, количество и строение которых определяется, в основном, структурой rj5- лиганда. Так, например, этандиил-бис-инденильные комплексы подвержены конформационной изомерии благодаря подвижности мостика -СН2-СН2-. С помощью ЯМР - исследования [23] раствора рац-изомера комплекса этилиден-бис-(инденил)цирконий дихлорида (1а) в CD2C12 в интервале температур -80 25С установлено, что данное соединение существует в виде двух конформеров: рац-la и рац-la" (Схема 3). Выявлено, что в жидкой среде конформеры мало отличаются по энергии (AG AH= 0.945 ккал/моль) и находятся в быстром обмене, тогда как в кристаллическом виде, согласно РСА, молекулы имеют конформацию рац-1а . Конформационное равновесие рац-la - рац-la" было также исследовано квантово-химическим неэмпирическим методом Хартри-Фока [24]. Оказалось, что ориентация этандиильного моста в переходном состоянии рац-\а% и рац-la" соответствуют гош- конформации бутана, а энергетический барьер вращения составляет 20 кДж/моль.
Схема гас-1а гасЛдї гасЛдї Стабилизации состояния рац-\ау в растворе способствует наличие заместителей в 4,7- положении бензольного кольца инденильных фрагментов молекул комплекса, как показано в работе [25].
Отмечается также, что мезоЛа существует в растворе в виде двух эквивалентных заторможенных и одной заслоненной конформациях [23] (Схема 4):
Схема При рассмотрении стереохимии анса- комплексов автором обзоров [17,18] предложено исходить из пространственной структуры лигандов, которую можно описать в рамках теории симметрии [26]. Согласно данным работам, лиганды, как связанные мостиком, так и несвязанные, можно разделить на три группы: лиганды с эквивалентными или гомотопными сторонами, лиганды с энантиотопными сторонами и лиганды с диастереотопными сторонами.
Лиганды, координация которых атомом переходного металла не сопровождается образованием нового стереохимического элемента, - это лиганды с эквивалентными или гомотопными сторонам. Как правило, они обладают либо центром симметрии, либо осью симметрии Сп (Схема 5).
Схема Лиганды с энантиотопными сторонами - это лиганды с двумя различными ахиральными заместителями или лиганды, для которых характерны элементы второго рода симметрии, в частности зеркально-поворотная симметрия. При координации аниона атомом переходного металла, не обладающего хиральностью, возможно образование двух энантиомеров комплекса (Схема 6). Так, первоначальный энантиотопный процесс координации одной из части дианиона связан с образованием п1,п5-переходного состояния трихлоридного комплекса, который находится в виде смеси S- и R- энантиомеров. Последующая координация второй половины бисинденильного лиганда сопровождается формированием дополнительных стереогенных центров в составе комплекса. В результате образуются пространственные изомеры анса- комплекса, содержащие лиганды с разными стереогеннными центрами: оптически неактивный мезо- изомер (p-R, p-S) и рацемическая смесь рац- комплексов (dl\ p-R, p-Rn p-S, p-S). Схема 1R, 1R p-R, p-R 1S, 1S p-S, p-S
На схеме 7 приведен случай, когда несимметричный лиганд содержит стереогенные центры в мостиковой группе (лиганд с диастереотопными сторонами). В результате комплекс За образуется в виде двух энантиомерных рац- и одного оптически неактивного ./иезо-изомеров в соотношении 1:2,5:4,2. Как следует из примера, наличие стереогенных центров в лиганде изменяет диастереоселективность образования конечных комплексов. Этот прием часто используют при получении энантиомерно чистых комплексов переходных металлов.
С этого момента времени появляется несколько работ по синтезу и строению мостиковых бис-циклопентадиенильных соединений [29-33]. Так, в 1979 году Бринтзингер [32, 33], исследуя структуру метандиил-, этандиил- и пропандиил - мостиковых бис-циклопентадиенильных комплексов Ті состава (CH2)n(C5H4)2TiX2 (п=1-3, Х= С1, СН3, СО) с помощью методов РСА и ЯМР, установил, что конформационная жесткость молекулы зависит от длины углеводородного мостика. Оказалось, что параметром, отражающим конформационную лабильность металлоцена в растворе, является разница химических сдвигов ЯМР А5дв протонов циклопентадиенильных колец (Схема 10). Наиболее жесткой молекулой является метилен-1,1 -бис-(циклопентадиенил)титан дихлорид 10а, угол между плоскостями колец которого (а) составляет 44, что практически выводит атом переходного металла из плоскости циклопентадиенильных колец, а разница между ХС протонами Ср-кольца в спектрах ЯМР Н достигает относительного максимума - 1,36 м.д. Увеличение размера углеводородного мостика до трех атомов углерода в комплексе 10с приводит к росту конформационной лабильности циклопентадиенильных лигандов в растворе (А5дв= 0,05 м.д.). Интересно, что в относительно жесткой системе этандиил-бис-(циклопентадиенил)титан дихлорида 10Ь (А5дв= 0,82 м.д.) угол а, равный 51,8, соответствует значению угла а титаноцена безмостиковой структуры [32, 33]:
Каталитическое действие энантиомерно чистых rf- комплексов переходных металлов подгруппы Ті в реакциях АОС с олефинами
Основными способами получения энантиомерно обогащенных анса-металлоценов являются разделение рац- изомеров комплексов с помощью дериватизирующих реагентов или синтез, где в качестве исходного соединения используется хиральный субстрат.
С момента первого сообщения о синтезе рац-анса- металлоценов разрабатывались методы их разделения с помощью различных дериватизирующих реагентов. В качестве дериватизирующего реагента в основном применялся оптически активный бинафтол. Так, в 1979 году Бринтзингером с сотр. был осуществлен синтез p-S, p-S- пропандиил-био ( /?е -бутилциклопентадиенил)цирконий дихлорида (p-S, p-S-110) реакцией энантиомерно чистого бинафтолатного комплекса 109 с НС1 в эфире согласно схеме 49 [93]. Энантиомерно чистый комплекс 109 предварительно выделяли с помощью колоночной хроматографии. Схема S-
В работе [34] Бринтзингер с сотр. проводит дериватизацию гас-13 с помощью S- бинафтола в присутствии Et3N. Разделение реакционной смеси на хроматографической колонке позволило получить комплексы S, p-S, p-S-111 и p-R, p-R-13 выходами 77% и 70%, соответственно. Энантиомерная чистота p-R, p-R-13 составила 75%. Бинафтолатный комплекс S, p-S, p-S-111 после выделения переводили в диметильное производное, которое продували хлороводородом до образования красного осадка титаноцендихлорида p-S, р-S-13.
Для минимизации потерь хирального комплекса S, p-S, р-S-lll Коллинз в работе [94] предлагает реакционную смесь подвергать кипячению с натрием и З-бинафтолом. В этом случае выход энантиомерно чистого комплекса S, p-S, р-S-lll составил 78%. Дихлорид p-R, p-R-13 был выделен в количестве 40%. После обработки S, p-S, р-S-lll раствором MeLi в гексане и НС1 в эфире был получен p-S,p-S-13 с выходом 68% и энантиомерной чистотой 93%ее, которая определялась с помощью ЯМР !Н спектроскопии карбоксилатного комплекса R,R, p-S, p-S-112a.
Схема В дальнейшем Бринтзингер для разделения хиральных анса-металлоценов использовал различные оптически активные кислоты [95]. Авторы выделяют три способа получения карбоксилатов: 1) перевод дихлоридных металлоценовых комплексов в диметильные производные и последующая их реакция с кислотой в толуоле; 2) реакция хлоридов металлоценов с Li или Na солями кислот; 3) взаимодействие металлоцендихлоридов с кислотами в присутствии триэтиламина в толуоле или этаноле. Наиболее эффективным способом оказалась реакция дихлоридов металлов с і?-ацетил-миндальной кислотой в присутствии Ш Н (Схема 52). Полученные комплексы 112а, 112Ь были выделены из реакционной смеси дробной кристаллизацией с выходами 77-88%. Перевод карбоксилатов в дихлоридные комплексы p-S, p-S-13 и p-S, p-S-14 осуществляли через диметильные производные с последующей обработкой соляной кислотой в эфире (выход 50%).
В работе [96] был выделен энантиомерно чистый комплекс/7-5, p-S-114. Для этого исходный рацемат 14 вовлекали в реакцию с дилитийбинафтолатом, а затем реакционную смесь обрабатывали алюминиевой пудрой в дихлорметане (Схема 53). В результате получали комплекс S, p-S, p-S-113, который при взаимодействии с MeLi давал диметилпроизводное p-S, p-S-14 с выходом 63% и энантиомерной чистотой 98%ее.
При разделении рацематов анса- металлоценов с бифенильными мостиками 115 (Ті) и 116 (Zr) с помощью і?-бинафтола получены энантиомерно чистые комплексы R,R,R-111 и R,R,R-11S (Схема 54) [97]. Реакция титаноцена 115 с і?-ацетил-миндальной кислотой приводила к образованию смеси диастереомеров 119 (выход определяли по спектру ЯМР !Н реакционной смеси), которые не удалось разделить при помощи колоночной хроматографии.
Схема В работе [98] титановый комплекс рац-13 дериватизировали смесью R-бинафтола и пара- аминобензойной кислоты в толуоле при кипячении с избытком триэтиламина (Схема 55). В итоге получен бинафтолатный комплекс R, p-R, p-R-\\\ (34%) и производное аминобензойной кислоты/7-5, /7-5-120, которое при продувании хлороводородом в дихлорметане дает энантиомерно чистый комплексp-S, p-S-13 (33%).
Схема 55 Такой же прием использовался для разделения анса- цирконоцена 14 (Схема 56) [99]. В результате получали бинафтолатный комплекс R, p-R, p-R-113 с выходом 37% и энантиомерной чистотой 97%ее. Производное аминобензойной кислоты p-S, p-S-121 обрабатывали (5)-1,1 -бифен-2-олом с получением комплекса S, p-S, p-S-122 (27%, 97%ее).
В работах [100, 101] описывается разделение рацемической смеси комплекса гас-122 с помощью ВЭЖХ на оптически активных колонках, в которых в качестве носителя используется нанесенный на силикагель трис-(3,5-триметилфенилкарбамат) целлюлозы [102, 103]. В ходе разделения получены два энантиомера: R, p-R, p-R-122 (a25435= -1100) и S, p-S, p-S-122 (а25435=+1100).
В литературе имеются также сведения о синтезе хиральных комплексов переходных металлов за счет стереонаправленного действия энантиомерно чистых лигандов. Так, в работе [104] описывается получение оптически активных соединений титана p-S, p-S-126 и циркония p-S, p-S-121 с бифенильным мостиком (Схема 57). Лиганд 125 получен из дикарбоновой кислоты Д5-123, которую предварительно разделяли на энантиомеры с помощью (+)-бруцина. Взаимодействие 5-124 с димагниевым реагентом Гриньяра и последующий протонолиз приводили к энантиомерно чистому лиганду 125 с выходом 60%. Переметаллирование на атом переходного металла позволило выделить 46% комплекса/?- p-S-126 и 20%p-S, p-S-127.
Структура и динамика интермедиатов реакций карбо- и циклоалюминирования алкенов, катализируемых анса- комплексами Zr
Таким образом, хемо- и энантиоселективность каталитических реакций АОС с алкенами зависит от многих параметров, среди которых структура катализатора является важнейшим фактором. Как следует из рассмотренных выше примеров, поиск активных и селективных каталитических систем для реакций функционализации алкенов с помощью АОС происходит путем широкого скрининга исходных реагентов, комплексов переходных металлов и условий реакции, поскольку зачастую трудно установить четкую корреляцию между эффективностью каталитической системы и электронным и пространственным строением каталитически активных центров, на которых происходит координация субстрата и его последующая трансформация. Среди исследований, посвященных поиску новых катализаторов для хемо- и энантиоселективных трансформаций алкенов под действием АОС, недостаточно внимания уделено анса- комплексам металлов подгруппы Ті. Известно, что эти соединения проявляют высокую активность и стереоселективность в реакциях полимеризации алкенов, однако, их каталитическое действие практически не изучено в реакциях гидро, карбо- и циклометаллирования алкенов, которые, в свою очередь, можно рассматривать в качестве промежуточных стадий полимеризационных процессов. Поэтому исследование каталитического действия анса-комплексов циркония в реакциях алкенов с АОС важно не только с точки зрения создания новых эффективных методов построения С-Н, С-С и металл-С связей, но и в связи с возможностью получения важной информации о влиянии структуры катализатора на направление и стереоселективность реакций, а также о строении каталитически активных центров, что может являться важным моментом для понимания механизмов циглеровского катализа. 2. Обсуждение результатов
С целью исследования активности и хемоселективности анса-комплексов Zr в реакциях функционализации олефинов с помощью АОС изучено взаимодействие терминальных алкенов с A1R3 (R= Me, Et) или XAlBu (X= H, Bu1) в присутствии катализаторов гас-la, 16a, rac-31a, rac-33a, гас-, meso-60a, гас-, meso-164, гас-165 (Схема 73). Каталитическое действие комплексов оценивалось относительно Cp2ZrCl2 (163) [130].
В ходе исследования установлено, что реакция октена-1 с АІМез В присутствии комплексов гас-la, 16а, гас-31а, гас-, meso-60a, гас-, meso-164, гас-165 при соотношении исходных реагентов АІМез: алкен: L2ZrCl2, равным 60:50:1, и комнатной температуре проходит с образованием продуктов карбо 68
Среди выбранных для исследования комплексов наибольшую активность и хемоселективность в направлении циклоалюминирования проявляет катализатор со связанными диметилсилиленовым мостиком циклопентадиенильными лигандами 16а. Меньшей активностью обладают йгнш-бис-инденильные катализаторы гас-бОа, гаоЗІа и raola: 90% конверсия алкена в присутствии этих катализаторов достигалась за 24 часа в хлорсодержащих растворителях. Увеличение выхода продуктов циклоалюминирования (173c,f, 66%) происходило при проведении реакции в присутствии гаобОа и гаоЗІа в хлористом метилене. Существенное снижение конверсии наблюдалось лишь в случае еяо-изомера комплекса 60 и циклопентадиенильных комплексов гас-164 и гас-165. В присутствии гас-164 и гас-165 увеличение конверсии алкена и выхода продуктов циклоалюминирования (173) происходит при использовании гексана в качестве растворителя.
С целью изучения влияния структуры алкена на его конверсию и хемоселективность взаимодействия терминальных алкенов с AlEt3 нами реакцию был вовлечен 4-метилпентен-1. В качестве катализатора был выбран наиболее активный комплекс 16а. Из таблицы 8 следует, что в этом случае конверсия алкена практически не зависит от структуры субстрата и составляет более 90%, однако направление процесса изменяется в зависимости от природы растворителя. Так, в реакции 4-метилпентена-1 с АІЕіз в присутствии комплекса 16а в гексане преимущественно образуются продукты гидроалюминирования (175f). Напротив, в хлористом метилене достигается наибольший выход циклического АОС (173f) на уровне 85%.
Таким образом, оказалось, что во всем ряду испытанных анса-комплексов наибольшую каталитическую активность в реакции алкенов с АІЕіз проявили 16а, гас-31а, гаобОа, гас-la. Впервые показано, что лучшими условиями для осуществления направления циклометаллирования олефинов с помощью AlEt3 является проведение реакции в СН2С12 при использовании катализаторов 16а, гас-31а, гаобОа. Наличие в структуре анса- комплексов стерически нагруженных циклопентадиенильных лигандов делает их менее активными в изучаемых реакциях.
Синтез энантиомерно чистых анса- //5-комплеков Zr
Следует отметить, что наличие фенильного заместителя в алкоксидном фрагменте исследуемого сложного эфира вызывает увеличение доли конформеров с splap- конфигурацией селенсодержащего фрагмента. Таким образом, природа заместителя при /?- стереогенном центре PSPA эфира и абсолютная конфигурация этого центра влияют на распределение конформеров, геометрия которых первоначально задается селенсодержащим фрагментом всей молекулы. Именно эта часть молекулы в большей степени оказывает влияние на химический сдвиг Se . Если принять, что в реальном ЯМР спектре мы видим усредненную линию, которая является результатом быстрого обмена конформеров с определенной долей, то тогда химический сдвиг 5se= 5ІЛ [160]. Согласно этому были определены усреднённые по химические сдвиги для каждого из диастереомеров эфиров 198а и 198І. Как как для 198І До Se= -1-3 м.д. В результате знак расчетного диастеромерного эффекта совпал со знаком экспериментального значения. Из вышеизложенного следует, что предложенный подход по определению усредненного 5Se возможных конформеров диастереомеров PSPA эфиров может быть применен для установления абсолютной конфигурации /?-стереогенного центра 2-этил-1-алканолов при условии осуществления анализа как можно большего количества возможных конформеров.
В спектрах ЯМР С эфиров 199а-е, содержащих линейный заместитель, диастереомерному расщеплению подвергались сигналы углеродных атомов С , С и С . В случае более стерически затрудненного циклогексильного заместителя (199g) диастереомерное расщепление наблюдалось еще и для углеродного атома С1, тогда как в случае изобутильного заместителя (199f) -для С4 и Сб углеродных атомов.
Сигналы ядер селена в спектрах ЯМР 77Se эфиров (К)-2-фенилселенпропионовой кислоты /?-алкил-1,4-бутандиолов (200a-j) претерпевали диастереомерное расщепление A5Se 0.1 - 0.3 м.д. в области 452 - 455 м.д. (рис. 11). Соотношение диастереомеров в спектрах ЯМР 77Se селенпроизводных совпадало с соотношением диастереомеров эфиров
МТРА, найденное в спектрах ЯМР С. Следует отметить, что реагент R-PSPA оказался более удобным в использовании, поскольку реакция замещенных 1,4- бутандиолов с ним проходила практически мгновенно и с высокой конверсией, а также существенно экономилось время регистрации спектров ЯМР 77Se. В случае использования МТРА реакция проходила в течение 8 ч, а выход эфиров в значительной степени зависел от степени осушки исходных спиртов. Также требовалось длительное накопление спектров ЯМР 13С.
В заключение следует также отметить, что при сравнении между собой МТРА и PSPA по эффективности использования в оценке энантиомерного избытка 2-этил-1-алканолов и /?- замещенных 1,4-бутандиолов, предпочтение следовало бы отдать PSPA, поскольку в этом случае в спектрах ЯМР "Se наблюдается больший диастереомерный эффект (Рис.10, 11), благодаря чему минимизируются ошибки при интегрировании сигналов.
Все операции с металлоорганическими соединениями выполняли в атмосфере аргона. Растворители (СбН6, толуол) непосредственно перед применением перегоняли над триизобутилалюминием, хлорсодержащие (СН2С12, СНС13) - над Р205. ТГФ, диэтиловый эфир кипятили над натрием с бензофеноном, перед применением перегоняли над триизобутилалюминием. Использовали НА1Віг2 (99%, Aldrich), Affile (95%, Strem), А1Ме3 (97%, Aldrich), МАО (10% в толуоле, Aldrich) и коммерчески доступный AlEt3 (98%), а также гас- Me2Si(Ind)2ZrCl2 (рац-ЗЫ) (97%, Strem), гас-C2H4(Ind)2ZrCl2 (рац-la) (Strem). Катализаторы 113 [34], 156 [116], 164 и 165 [161] синтезировали по известным методикам из ZrCU (99,5%, Aldrich).
Спектроскопические исследования проводили методом ЯМР Н, С с полным и частичным подавлением по протонам в интервале температур от -90 до 25 С на спектрометре «Bruker AVANCE-400» (рабочая частота 400.13 МГц (1Я) и 100.62 МГц (13С)) и на спектрометре «Bruker AVANCE-500» (рабочая частота 500.17 МГц (!Н), 125.76 МГц (13С) и 95.4 МГц (77Se)). В качестве внутреннего стандарта использовали бензол , толуол-dg, CDCb и CD2C12. Химические сдвиги ЯМР 77Se приведены относительно SeMe2 в CDC13. Образцы готовили в стандартной ампуле диаметром 5 мм. ХС сигналов углеродных и водородных атомов приведены в шкале 8 (м.д.) относительно ТМС, величины КССВ (J) приведены в Гц.
Одно и двумерные ЯМР спектры (COSY НН, HSQC, НМВС) сняты с применением стандартных импульсных последовательностей. 2D гомо- (НН COSY) и гетероядерные (HSQC, НМВС) корреляционные эксперименты проведены с использованием методики импульсных градиентов поля.
Выход продуктов реакции определяли по продуктам гидролиза и дейтеролиза реакционной смеси относительно исходного олефина. ГЖХ-анализ продуктов гидролиза осуществлен на хроматографе CARLO ERBA в токе Не, колонка 50000 х 0.32 мм, неподвижная фаза «ULTRA-1», пламенно-ионизационный детектор. Продукты гидролиза реакционной смеси анализировались на хроматографе «Chrom-5», колонка 2 м х 3 мм 15% "Peg-6000", 50-190С, пламенно-ионизационный детектор. Анализ дейтерированных продуктов проводили при помощи хроматомасс-спектрометрии на приборе GCMS-QP2010 Ultra (Shimadzu, Япония).
Энантиоселективность карбо- и циклометаллирования оценивалась по оптической чистоте спиртов, полученных в ходе окисления продуктов реакции. Выделенные в чистом виде спирты вовлекались в реакцию с хлорангидридом (і?)-(+)-а-метокси-а-трифторметилфенилуксусной кислоты [151, 152] (S-MTPACl) или (7?)-фенилселенпропионовой кислотой [153] с образованием диастереомерных эфиров, которые затем анализировали с помощью ЯМР. Оптический угол вращения [a]D определяли на поляриметре PerkinElmer-341.
