ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

ИМ. Н.Д. ЗЕЛИНСКОГО РАН

На правах рукописи

ИВАНОВА

Юлия Владимировна

Контроль селективности в катализируемом комплексами Pd и Ni образовании связи углерод-фосфор по реакции присоединения к ацетиленовым углеводородам 02.00.03 – Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов № ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН

Научный руководитель:

Анаников Валентин Павлович член-корреспондент РАН

Официальные оппоненты:

Нечаев Михаил Сергеевич доктор химических наук (МГУ им. М.В. Ломоносова) Турова Ольга Васильевна кандидат химических наук (ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН)

Ведущая организация:

ФГБУН Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится " 26 " ноября 2013 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.222.01 по присуждению ученой степени кандидата химических наук при Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН по адресу:

119991, Москва, Ленинский проспект, д. 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОХ РАН.

Автореферат разослан "_" октября 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 002.222.01 при ИОХ РАН доктор химических наук Родиновская Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Фосфорорганические соединения находят все большее применение в органической химии, катализе, материаловедении и в качестве перспективных предшественников для синтеза эффективных биологически активных соединений, поэтому актуальной задачей является разработка простых методов синтеза соединений со связью углерод-фосфор (С-Р). Интенсивное развитие металлокомплексного катализа в последние десятилетия открыло новые возможности для образования связей С-Р на основе реакций присоединения субстратов со связью фосфор-водород (Р-Н) к ацетиленовым углеводородам.

Практическая ценность реакций присоединения заключается в “атомной 100%-й эффективности” (все атомы исходных соединений входят в состав продукта), что позволяет создавать экономичные и экологичные синтетические методики на их основе. Использование комплексов переходных металлов в качестве катализаторов позволяет проводить данные процессы в мягких реакционных условиях с количественными выходами целевых продуктов, высокой регио- и стереоселективностью. Поиск новых высокоактивных катализаторов, лигандов и условий реакции является необходимой составляющей успешного применения этого синтетического подхода для эффективного и селективного синтеза соединений со связью С-Р.

Цель работы. Разработка катализаторов на основе комплексов переходных металлов для проведения регио- и стереоселективных реакций присоединения субстратов со связью Р-Н к терминальным и интернальным алкинам; исследование механизмов реакций образования связи С-Р.

Научная новизна.

1. Предложен и реализован новый способ контроля региоселективности реакции гидрофосфорилирования алкинов посредством смены лиганда в каталитически активном комплексе палладия. Методами спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии идентифицированы комплексы палладия, образующиеся в растворе, а также выявлены факторы, влияющие на соотношение между активной и неактивной формами катализатора.

2. Разработана новая эффективная каталитическая система Ni(acac)2/DIBAL для регио- и стереоселективного гидрофосфорилирования терминальных и интернальных алкинов. Впервые осуществлено бис-гидрофосфорилирование, катализируемое комплексами никеля.

3. Выявлена зависимость селективности реакции гидрофосфорилирования от количества используемого никелевого катализатора. Обнаруженный эффект использован для селективного синтеза моно- и бисфосфонатов.

4. Впервые проведено гидрофосфинилирование терминальных и интернальных алкинов вторичными диалкилфосфиноксидами, протекающее в отсутствии фосфинового лиганда.

продуктов реакции гидрофосфорилирования диинов. Разработана простая синтетическая методика получения алкилтетрафосфонатов.

Практическая ценность.

1. Найдена высокоэффективная каталитическая система на основе Ni(acac)2/DIBAL для селективного гидрофосфорилирования и гидрофосфинилирования различных алкинов и проведен синтез пяти классов соединений: алкенилфосфонатов, алкенилфосфиноксидов, алкилбисфосфонатов, алкилбисфосфиноксидов и алкилтетрафосфонатов.

2. Отличительной особенностью разработанной системы на основе комплексов никеля является проведение процесса с использованием малых количеств катализатора в отсутствие лиганда и растворителя. Такая особенность в сочетании со 100%-й атомной эффективностью реакции присоединения представляется перспективной в рамках создания ресурсосберегающих технологий.

3. Предложен эффективный подход к анализу продуктов и исследованию механизмов каталитических реакций на основе комбинации методов спектроскопии ЯМР и массспектрометрии.

Апробация работы. Отдельные результаты работы были представлены на международном конгрессе International Congress on Organic Chemistry (Казань, 2011), международной конференции International Conference on Organometallic Chemistry XXV ICOMC (Лиссабон, 2012), международной конференции International Conference “Catalysis in Organic Synthesis” ICCOS-2012 (Москва, 2012), международном симпозиуме “Modern Trends in Organometallic Chemistry and Catalysis” (Москва, 2013), кластере конференций по органической химии (ОргХим-2013) (Санкт-Петербург, Репино, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи и 5 тезисов в сборниках докладов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на _ страницах и состоит из введения, обзора литературы, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы. Библиография насчитывает _наименований.

Благодарность. Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту академику Белецкой И.П., без которой эта работа была бы невыполнима.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Активное исследование катализируемого комплексами переходных металлов образования связи С-Р позволило разработать ряд методик селективного синтеза фосфорорганических соединений (схема 1). Однако в реакции присоединения необходим строгий контроль как регио-, так и стереоселективности процесса. В противном случае образование смеси продуктов снизит эффективность синтетической процедуры и затруднит выделение целевых продуктов реакции.

Для решения этой проблемы была предложена каталитическая система на основе комплексов палладия, позволяющая получать разветвленные и линейные алкенилфосфонаты с хорошими выходами и селективностью (схема 2, путь а, b). Важным преимуществом разработанного подхода является возможность контролировать региоселективность реакции присоединения Н-фосфонатов к алкинам путем выбора соответствующего лиганда (L1 или L2, схема 2).

Разработанная на следующем этапе каталитическая система Ni(acac)2/DIBAL с успехом заменила дорогостоящие комплексы палладия в реакции гидрофосфорилирования алкинов (схема 3, путь с, d). Данная система стала первым примером катализатора, позволяющего проводить моно- и бис-гидрофосфорилирование алкинов в отсутствие фосфиновых лигандов с высокими выходами продуктов (схема 3, путь с, d).

Кроме того, каталитическая система Ni(acac)2/DIBAL позволила осуществить гидрофосфинилирование алкинов вторичными диалкилфосфиноксидами ((С6Н13)2P(O)Н;

(С8Н17)2P(O)H) (схема 4).

Эффективность катализатора для селективного синтеза молекул со связью С-Р непосредственно связана с природой вступающих в реакцию соединений и образующихся интермедиатов. В рамках данной работы был предложен и успешно протестирован аналитический подход, основанный на совместном использовании масс-спектрометрии высокого разрешения и спектроскопии ЯМР для изучения состава и строения интермедиатов каталитического гидрофосфорилирования.

1. Каталитическое гидрофосфорилирование алкинов 1.1. Катализируемое комплексами палладия присоединение H-фосфонатов к алкинам Присоединение (i-PrO)2P(O)H 2а к гептину-1 1а было выбрано в качестве модельной реакции для изучения эффективности различных комплексов палладия (схема 5). На первом этапе работы были апробированы различные фосфиновые лиганды. Было показано, что эффективность палладиевой каталитической системы и селективность реакции сильно зависят от природы лиганда L (таблица 1).

Использование P(4-MeOC6H4)3 в качестве лиганда приводило к селективному образованию разветвленного изомера 3а, в то время как в случае фосфиновых лигандов с MeO-заместителями в орто-положениях образовывался линейный изомер 4а (таблица 1).

Данный эффект был изучен на ряде реакций гидрофосфорилирования различных терминальных алкинов 1 Н-фосфонатами 2. В результате было обнаружено, что обе функциональным группам в молекулах исходных соединений (таблица 1).

В подавляющем большинстве случаев синтез разветвленных алкенилфосфонатов удалось провести при 50С и эквимолярном соотношении реагентов (таблица 1, №1-3, 5, 6).

Исключением стал лишь алкин 1с, содержащий в молекуле гидроксильную группу, в случае которого потребовалось нагревание до 70С (таблица 1, №4). Линейные алкенилфосфонаты также были синтезированы с высокими выходами, однако при этом потребовалось нагревание до 140С (таблица 1, №1-6).

гидрофосфорилирования.[a] [а] Условия реакции: 1 ммоль 1, 1 ммоль 2, 3 мол% Pd2dba3, 12 мол% L, 0.5 мл TГФ [b] Рассчитано по 31P{1H} ЯМР спектру, в скобках приведены выходы выделенных продуктов.

[с] 50oC, 24ч. [d] 140oC, 8ч. [e] 50oC, 8ч. [f] 70oC, 24ч. [g] 140oC, 24ч. [h] 12 мол% P(2,4,6-(MeO)3C6H2)3.

Линейные продукты присоединения 4 имели Е-конфигурацию двойной связи (установлено по значениям констант спин-спинового взаимодействия JP-H). Все синтезированные продукты были выделены в чистом виде и охарактеризованы методами спектроскопии ЯМР, масс-спектрометрии и элементного анализа.

1.2. Изучение механизма реакции гидрофосфорилирования, катализируемой комплексами палладия, методами спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии Общепринятый механизм каталитической реакции присоединения молекул со связью P-H к алкинам включает в себя следующие стадии (схема 6): 1) окислительное присоединение; 2) координацию алкина; 3) внедрение алкина по связи металл-фосфор или металл-водород; 4) восстановительное элиминирование и регенерацию каталитически активного комплекса.

разрешения (МСВР) была использована для установления строения промежуточных комплексов палладия. С помощью данного подхода исследованы образцы следующего состава:

№2 Pd2dba3 + P(4-MeOC6H4)3 + 2a + ТГФ-d №3 Pd2dba3 + P(2,6-(MeO)2C6H3)3 + 2a + ТГФ-d №4 Pd2dba3 + P(2,4,6-(MeO)3C6H2)3 + 2a + ТГФ-d Установлено, что взаимодействие Н-фосфоната 2а с Pd2dba3 приводит к образованию устойчивого четырехкоординированного комплекса I (рисунок 1), не имеющего вакантных позиций в координационной сфере, что препятствует дальнейшим стадиям каталитического цикла – координации и внедрению алкина. Комплекс I был зарегистрирован методами P{1H} спектроскопии ЯМР ((31P) 94.75 м.д.) и масс-спектрометрии (рисунок 1).

структурными фрагментами комплекса I, образованными в результате диссоциации координированного P(OH)(Oi-Pr)2. Молекулярные ионы комплексов I, Ia, Ib в масс-спектре были зарегистрированы для каждого из исследованных образцов (№1-4).

Рисунок 1. Масс-спектр высокого разрешения для образца №1; R3=i-Pr. В рамке приведено сравнение экспериментального и расчетного масс-спектров комплекса I.

Установлена роль фосфинового лиганда, заключающаяся в генерировании активной формы катализатора (комплекс II) из четырехкоординированного неактивного палладиевого комплекса I (схема 7). Для всех проварьированных лигандов (образцы №2-4) образование комплекса II было подтверждено методами масс-спектрометрии и ЯМР.

Детальный анализ масс-спектров позволил установить, что фосфиновые лиганды с о-MeO-заместителями в молекуле координировались к палладиевому центру соединения II с образованием хелатного комплекса. Моделирование следующей стадии каталитического цикла - координации алкина к атому палладия - было проведено в рамках теории функционала плотности (DFT) методом PBE/TZ(2d) (программный комплекс PRIRODA). Две различные ориентации молекулы гептина-1 относительно фосфиновых лигандов P(2,4,6MeO)3C6H2)3 и P(4-MeOC6H4)3 показаны на схеме 8.

Схема 8. Обозначения атомов: синий – палладий, оранжевый – фосфор, красный – кислород, фиолетовый – атомы углерода гептина-1, серый – атомы углерода фосфинового лиганда (для наглядности некоторые атомы не указаны).

Для комплексов с P(2,4,6-(MeO)3C6H2)3 и P(4-MeOC6H4)3 лигандами (схема 8, а, б) координация молекулы гептина-1 реализуется таким образом, что заместитель в молекуле алкина располагается напротив лиганда. В случае обоих комплексов в результате последующих стадий внедрения и восстановительного элиминирования образуется продукт разветвленного строения. В то же время, если алкин координируется таким образом, что заместитель в молекуле алкина и лиганд расположены рядом, наблюдается существенное отличие в геометрии комплексов исследуемых лигандов (схема 8, в, г). За счет координации атома кислорода MeO-группы к палладию возникает затрудненное вращение вокруг связи Pd-P в случае P(2,4,6-(MeO)3C6H2)3 (схема 8, в). Последующая стадия внедрения алкина приводит к получению продукта линейного строения. Однако, для P(4-MeOC6H4)3 из-за незатрудненного вращения вокруг связи Pd-P и, как следствие, стерического отталкивания между алкиновым заместителем и лигандом, образование комплекса (схема 8, г) маловероятно, и в этом случае не наблюдается образования линейного изомера. Проведенное теоретическое исследование согласуется с экспериментально полученными результатами.

осуществляется посредством направленных изменений в координационной сфере интермедиатов (возможность или невозможность вращения вокруг связи Pd-P), что позволяет проводить селективный синтез как разветвленных, так и линейных алкенилфосфонатов (таблица 1, схема 8). На основании полученной информации был сформулирован важный принцип дизайна новых палладиевых каталитических систем для получения фосфорсодержащих производных алкенов, заключающийся в выборе соответствующего лиганда из ряда P[(MeO)nC6H5–n]3, и описан каталитический цикл реакции гидрофосфорилирования (схема 9).

Координация Н-фосфоната к палладиевому центру приводит к образованию неактивного четырехкоординированного комплекса I. Переход между неактивной и активной формами катализатора осуществляется за счет фосфинового лиганда, который замещает Н-фосфонат, что приводит к образованию ключевого комплекса II. Таким образом, I выступает в роли палладиевого “резервуара”, а концентрация каталитически активных частиц в растворе значительно ниже количества использованного предшественника катализатора. Конверсия Н-фосфоната в продукты реакции сдвигает равновесие между комплексами I и II в сторону образования последнего. Координация алкина к палладиевому центру II приводит к образованию двух интермедиатов III и IV. Внедрение алкина по связи Pd-P комплекса IV и последующий протонолиз приводит к образованию продукта линейного, а в случае комплекса III - разветвленного строения.

1.3. Присоединение Н-фосфонатов к алкинам, катализируемое комплексами никеля Присоединение 2а к дифенилацетилену 1f было выбрано в качестве модельной реакции для изучения каталитической системы на основе соединений никеля. Устойчивый на воздухе и недорогой Ni(acac)2 был использован в качестве предшественника катализатора.

Данная реакция не протекает при нагревании смеси 1f, 2а и Ni(acac)2. Однако мы установили, что добавка каталитического количества диизобутилалюминийгидрида (DIBAL) позволяет достичь полной конверсии исходного Н-фосфоната 2а и алкина 1f.

Использование системы Ni(acac)2(9 мол%)/DIBAL позволило синтезировать продукт 3g с количественным выходом и высокой стереоселективностью E/Z >99/1 (схема 10).

Интересной особенностью разработанной системы является зависимость селективности реакции от количества используемого никелевого катализатора. В реакции в отсутствие Ni(acac)2 (при прочих равных условиях) образование продукта 3g наблюдалось лишь в следовых количествах (2-3%). Уменьшение количества Ni(acac)2 до 4.5 мол% и 2 мол% привело к снижению выхода алкенилфосфоната 3g до 86% и 47%, соответственно, однако конверсия 2а осталась 100%-й. Оказалось, что кроме 3g в реакционной массе содержался продукт бис-гидрофосфорилирования 5а (схема 10). Увеличение выхода бисфосфоната 5а наблюдалось при уменьшении количества используемого Ni(acac)2. Действительно, проведение реакции в присутствии 1 мол% Ni(acac)2 позволило получить бисфосфонат 5a с 64% выходом за 4 часа при 120С. После небольшой оптимизации условий (мольное отношение 1f/2a=1/2.5) удалось селективно получить продукт 5а с 99% выходом. Таким образом, контроль селективности гидрофосфорилирования в данном случае осуществляется за счет варьирования количества используемого Ni(acac)2, что позволяет синтезировать как монофосфонаты, так и 1,2-бисфосфонаты.

Продукт 5а представлял смесь мезо-формы (meso-5а) и рацемата (rac-5а). Строение meso-5а было однозначно подтверждено методом рентгеноструктурного анализа (рисунок 2), а структура рацемата установлена комбинацией методов 1H - 31P HMBC, 1H - 13C HSQC и H - 13С HMBC спектроскопии ЯМР.

Рисунок 2. Молекулярная структура meso-5а, определенная методом PCA.

Образование 1,2-бисфосфоната 5а - каталитический процесс, протекающий в ходе гидрофосфорилирования 3g второй молекулой 2а в присутствии системы Ni(acac)2/DIBAL или только DIBAL. Этот факт был подтвержден серией из четырех экспериментов, где синтезированный и очищенный монофосфонат 3g был использован как реагент в реакции с 2а (схема 11, условия реакции: 1 ммоль 3g, 1 ммоль 2a, 4.5 мол% Ni(acac)2, 9 мол% DIBAL, 120°C, 24ч.).

Наблюдаемая зависимость селективности процесса от количества Ni(acac)2 может быть объяснена кинетическим фактором. Действительно, по результатам мониторинга в случае 9 мол% Ni(acac)2 конверсия 2а составила около 80% уже через 5 мин после начала нагревания. В то же время, при меньших количествах Ni(acac)2 образование алкенилфосфоната 3g протекает намного медленнее, Н-фосфонат 2а дольше находится в зоне реакции и может взаимодействовать с полученным 3g с образованием 1,2-бисфосфоната 5а. Таким образом, в результате проведенной оптимизации на примере 1f была показана эффективность системы Ni(acac)2/DIBAL в реакциях селективного гидрофосфорилирования и бис-гидрофосфорилирования алкинов.

Важной особенностью разработанной каталитической системы является возможность использования различных никельсодержащих предшественников катализатора (таблица 2).

Таблица 2. Влияние природы предшественника катализатора на выход продукта 3g.[a] [a] Условия реакции: 1 ммоль 1f, 1 ммоль 2a, 4.5 мол% [Ni], 9 мол% DIBAL 1.0 M раствор в ТГФ, 120°C, 3ч. [b] Рассчитано по 31P{1H} ЯМР спектру. [c] Общее количество фосфорсодержащих продуктов.

Практически во всех случаях наблюдалась полная конверсия 2а (таблица 2). NiCl2 и NiBr2 продемонстрировали схожую эффективность, однако конверсия 2а и выход продукта 3g были несколько выше в случае NiBr2 (таблица 2, №2-3). Использование Ni(cod) приводило к образованию смеси продуктов 3g и 5а с практически равными выходами (таблица 2, №4). Известно, что Ni(cod)2 является высокоактивным комплексом Ni0, однако реакция присоединения с использованием Ni(cod)2 в отсутствие DIBAL приводит к образованию лишь 9% продукта 3g. Таким образом, очевидно, что комплексы Ni0 имеют не основное значение в реакции гидрофосфорилирования алкинов. Можно сделать предположение о том, что в каталитической системе Ni(acac)2/DIBAL роль DIBAL заключается не только в восстановлении NiII, но и в генерировании каталитически активных никелевых комплексов.

Эффективность разработанной каталитической системы Ni(acac)2/DIBAL была показана на примере реакций гидрофосфорилирования терминальных и интернальных алкинов 1 различными H-фосфонатами 2, (таблицы 3, 4). Продукты 3 и 5 в большинстве случаев были получены с высокими выходами и селективностью. Для всех терминальных алкинов наблюдалось образование лишь 1,2-бисфосфонатов (таблица 3, №1-4), в связи со стерическим фактором. В случае интернального алкина 1h происходило образование только монофосфоната 3i, независимо от количества использованного Ni(acac)2 (таблица 4, №4,).

Впервые были получены продукты присоединения Н-фосфонатов с различной природой заместителей 2a-с к несимметричному 1-фенил-1-пропину 1g с хорошими выходом и высокой регио- и стереоселективностью (таблица 4, №3,6,8). Помимо алкенилфосфоната 3h в реакционной смеси наблюдали минорное количество бисфосфоната, выход которого при уменьшении количества катализатора до 1 мол% не возрос. Однако снижение температуры до 80С привело к увеличению количества бисфосфоната до 68%, а проведенная оптимизация позволила получить 82% выход продукта.

Таблица 3. Катализируемое комплексами никеля присоединение 2а к терминальным алкинам 1а, 1i-k.[a] [a] Условия реакции: 1 ммоль 1, 1 ммоль 2, 9 мол% Ni(acac)2, 18 мол% DIBAL, 120oC, 24ч. [b] Рассчитано по 31P{1H} ЯМР спектру, в скобках приведены выходы выделенных продуктов.

Таблица 4. Катализируемое комплексами никеля присоединение Н-фосфонатов 2a–2c к интернальным алкинам 1f-1h.[a] [a] Условия реакции: 1 ммоль 1, 1 ммоль 2, 9 мол% Ni(acac)2, 18 мол% DIBAL, 120oC, 24ч. [b] Рассчитано по 31P{1H} ЯМР спектру, в скобках приведены выходы выделенных продуктов. [c] 1ч. [d] 1 ммоль 1, 2.5 ммоль 2, 1 мол% Ni(acac)2, 4 мол% DIBAL, 120oC, 28ч. [e] 80oC. [f] 4. мол% Ni(acac)2, 9 мол% DIBAL, 120oC, 1ч. [g] 4.5 мол% Ni(acac)2, 9 мол% DIBAL.

Высокая активность системы Ni(acac)2/DIBAL в реакции гидрофосфорилирования алкинов была обнаружена и исследована впервые. Примечательно, что реакция протекает в отсутствие растворителя, а также не требует использования добавок лиганда. Уникальный способ контроля селективности посредством незначительных изменений количеств использованного Ni(acac)2 позволяет быстро и селективно получать как моно-, так и 1,2бисфосфонаты.

1.4. Изучение методами масс-спектрометрии и спектроскопии ЯМР механизма катализируемой комплексами никеля реакции гидрофосфорилирования Методами спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии был проведен мониторинг реакции 1f + 2a + Ni(acac)2 + DIBAL + CH3CN (таблица 5). Особенностью метода массспектрометрии с ионизацией электрораспылением является необходимость использования добавки растворителя – ацетонитрила. Мониторинг выбранной реакции методом спектроскопии ЯМР показал, что ацетонитрил не оказывает влияния на каталитическую систему (5 минут, 120oC, конверсия 2а 68%).

Таблица 5. Мониторинг реакции методом спектроскопии ЯМР.[a] Условия реакции: 1 ммоль 1f, 1 ммоль 2a, 9 мол% Ni(acac)2, 18 мол% DIBAL. [b] Рассчитано по 31P{1H} ЯМР спектру.

относящихся к никельсодержащим соединениям, а в зарегистрированы сигналы в области 80 - 110 м.д. Три наиболее интенсивных сигнала ( 87, 102, 106 м.д.) были выбраны для дальнейшего исследования. В результате анализа Н - 31Р HMBC ЯМР спектра было доказано наличие в молекуле соединения фосфонатной группы одного типа, дающей сигнал при 87.28 м.д.

В 1H – 31P HMBC ЯМР спектре наблюдался схожий набор кросс-пиков для сигналов при 102 и 106 м.д., соответствующих никелевым комплексам, образующимся в результате внедрения по связи Ni-H (рисунок 3). В этом случае установлено взаимодействие с протонами фенильных заместителей, изопропильных групп фосфонатного остатка и алифатическими протонами метильных групп. Отличительной особенностью сигнала при 102 м.д. является наличие кросс-пика, отвечающего взаимодействию фосфонатной группы с протоном фенильного кольца, дающего в 1Н спектре характеристичный сигнал (8.3 м.д.).

Анализ литературы по винильным комплексам никеля показал, что транс-внедрение 1f по связи Ni-C в (acac)Ni(CH3)PPh3 протекает с образованием комплекса Z-конфигурации. В этом случае орто-протон фенильного заместителя находится в непосредственной близости от атома никеля, за счет чего происходит сильное дезэкранирование сигнала в 1Н спектре. В случае Е-конфигурации комплекса такого эффекта не наблюдается. Таким образом, можно предположить, что образующиеся в нашем случае комплексы относятся к транс- и цисаддуктам (102 и 106 м.д., соответственно).

Для подтверждения структуры и состава образовавшихся соединений был проведен детальный анализ 1H – 31P HMBC ЯМР спектра. К сожалению, сильное перекрывание в ароматической и алифатической областях не позволило провести полное отнесение сигналов.

Среди трех кросс-пиков в области 3.8-4.7 м.д. два показывают взаимодействие между изопропильными группами фосфонатного остатка и атомами фосфора, дающими сигналы при 102 и 106 м.д. в 31Р{1H} спектре. Оставшиеся кросс-пики соответствуют взаимодействию между атомами фосфора (102 м.д. и 106 м.д.) и винильными протонами (4.60 м.д. и 4.74 м.д.).

Методом HSQC с редактированием (multiplicity edited HSQC) было подтверждено наличие связи протонов дающих сигналы в 1Н спектре при 4.60 м.д. и 4.74 м.д., с атомами углерода СН-групп, дающих сигналы в Предполагаемые структуры комплексов внедрения с данными химических сдвигов 13С{1H} и H (в скобках) приведены на рисунке 4. Состав комплексов был подтвержден с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения.

Рисунок 4. Предполагаемое строение комплексов, установленное по данным 2D ЯМР Проведенный мониторинг реакции методами спектроскопии ЯМР и массспектрометрии позволил зафиксировать и охарактеризовать ряд ключевых комплексов никеля. На основании полученных результатов был предложен механизм реакции гидрофосфорилирования (схема 12).

Взаимодействие Ni(acac)2, DIBAL и 2а приводит к образованию интермедиата, содержащего связь Ni-P, который был зарегистрирован в масс-спектре как комплекс A.

Известно, что при ионизации электрораспылением возможно замещение слабокоординированных лигандов. В данном случае, наличие прикоординированного ацетилацетона в молекуле комплекса А зафиксированного в масс-спектре высокого разрешения, может быть следствием протекания такого процесса. Комплекс B образуется в результате координации алкина 1f к никелю, как показано на схеме 12 Комплекс С, спектрометрии, является продуктом внедрения алкина 1f по связи Ni-H комплекса В.

Каталитический цикл заканчивается взаимодействием комплекса С с Н-фосфонатом 2а, что приводит к регенерации комплекса А и образованию алкенилфосфоната 3f.

2. Катализируемое комплексами никеля гидрофосфорилирование диинов 2.1. Анализ продуктов реакции комбинацией методов ЯМР 31Р DOSY и ВЭЖХ-МС В качестве модельной реакции было выбрано присоединение 2а к 1,6-гептадиину 6а с использованием Ni(acac)2 в качестве предшественника катализатора (схема 13).

Соотношение реагентов 2а и 6а (2:1) было выбрано изначально с целью селективного получения дивинилдифосфоната 7а в результате присоединения двух молекул Н-фосфоната 2а к обеим тройным связям диина 6а. В отсутствие фосфинового лиганда не наблюдалось образования продукта 7a, и в спектре ЯМР сигнал исходного Н-фосфоната 2а. Введение в систему бидентантных фосфиновых лигандов (dppm, dppe, dppb) также не привело к образованию 7а. Использование разработанной системы Ni(acac)2/DIBAL приводило к полной конверсии Н-фосфоната 2а за 24 часа при P{1H} ЯМР спектре после завершения реакции наблюдались два основных 120°С. В сигнала, а также сигналы побочных соединений неизвестной природы. Однако в спектре 1Н реакционной массы отсутствовали характерные для продукта 7а сигналы винильных протонов в области 4 - 6 м.д. Для установления количества продуктов в смеси на первом этапе реакционная масса была проанализирована при помощи спектроскопии 31Р DOSY.

Анализ спектра DOSY позволил разделить основные компоненты, присутствующие в спектре 31P{1H}, согласно их коэффициентам самодиффузии. Оказалось, что два дублета при 28.8 и 30.9 м.д. принадлежат одному и тому же соединению 8а, в то время как синглет при 26.1 м.д. соответствует другой молекуле 9а с более высокой подвижностью. Также в спектре DOSY были идентифицированы сигналы исходного 2а (1JPH 687 Гц) и побочного продукта – триизопропилфосфата (рисунок 5).

Благодаря комбинации методов 1H - 31P HMBC, 1H - 13C HSQC и 1H - 13С HMBC спектроскопии ЯМР нам удалось осуществить анализ полученной смеси без предварительного разделения. Оказалось, что соединению 9а соответствует продукт внутримолекулярной циклизации диина с двумя фосфорсодержащими заместителями (рисунок 6). Ключевые корреляции в спектре HMBC, на основании которых было проведено отнесение сигналов, обозначены стрелками на рисунке 6.

Рисунок 6. Структура продукта 9а, установленная по данным спектроскопии ЯМР.

Сильное перекрывание сигналов в спектрах 1H и полное отнесение для продукта 8а, однако характерный вид сигналов в спектре позволяет предположить образование 8а в результате присоединения четырех молекул 2а к молекуле 1,6-гептадиина 6а (рисунок 7).

Наблюдаемая константа спин-спинового взаимодействия в продукте 8а составила 73 Гц. Это соответствует типичным величинам КССВ 3JP-P для фосфонатных остатков в подобных фрагментах (75-83 Гц). В то же время, величины КССВ 2JP-P и 4JP-P обычно не превосходят по величине 10 Гц, что позволяет присвоить продукту 8а структуру, изображенную на рисунке 7. Данное предположение согласуется с результатами диффузионной спектроскопии ЯМР, приведенными выше – продукт тетрафосфорилирования за счет большей молекулярной массы и стерической нагруженности обладает меньшей подвижностью в растворе, что соответствует меньшему наблюдаемому коэффициенту самодиффузии.

Для независимого подтверждения предполагаемого строения 8а и 9а смесь продуктов была проанализирована при помощи ВЭЖХ-МС. Анализ реакционной массы модельной реакции подтвердил присутствие в смеси двух основных продуктов 8а и 9а со временами удерживания 1.2 мин. и 1 мин., соответственно, а также наличие ряда побочных соединений.

Зарегистрированные значения m/z для 8а и 9а составили 757.3743 (расчетное значение для С31H68О12P4, [M+H]+: 757.3734, = 1.2 м.д.) и 425.2222 (расчетное значение для С19H38О6P2, [M+H]+: 425.2216, = 1.4 м.д.) соответственно.

Стоит отметить, что метод ВЭЖХ-МС, в отличие от ВЭЖХ-УФ, позволяет независимо детектировать все компоненты одновременно благодаря изменению интенсивности каждого конкретного значения во времени. Эта особенность детектирования дает возможность избежать продолжительного подбора состава элюента, параметров хроматографической колонки и условий разделения, позволяя получить полную информацию о составе многокомпонентной смеси за один анализ (в данном случае время анализа не превысило 5 мин.).

По данным ВЭЖХ-МС было установлено, что продукты 8а и 9а являлись основными компонентами полученной смеси: одновременно в системе присутствовал целый ряд других примесных соединений, имеющих в своем составе атомы фосфора, которые были зарегистрированы как малоинтенсивные пики в Р DOSY спектре (рисунок 5). Таким образом, структуры продуктов 8а и 9а были подтверждены данными диффузионной и гетероядерной корреляционной спектроскопии ЯМР и ВЭЖХ-МС анализа.

Следует отметить, что примеры образования алкилтетрафосфонатов в каталитической реакции Н-фосфонатов 2 с диинами 6 до сегодняшнего дня не были известны. Разработанная гидрофосфорилирование диина 6а Н-фосфонатом 2а со 100% конверсией последнего и образованием преимущественно алкилтетрафосфоната 8а.

Использованная комбинация методов спектроскопии ЯМР и ВЭЖХ-МС позволила определить строение продуктов 8а и 9а непосредственным анализом реакционной массы без предварительного разделения. Анализ данных диффузионной спектроскопии Р ЯМР за короткое время дает принципиальную информацию о числе и типе компонентов в изученной смеси соединений. Наличие такой информации позволяет проводить дальнейший целенаправленный анализ интересующих компонентов смеси при помощи ВЭЖХ-МС и других аналитических методов. Стоит отметить, что подобный подход особенно полезен в изучении процессов синтеза фосфорсодержащих производных углеводородов, где нередко наблюдается образование большого количества продуктов.

Располагая оптимизированными условиями для модельной реакции, было проведено ароматическими и алифатическими заместителями (Ph, Et). Выполненные эксперименты подтвердили высокую эффективность каталитической системы Ni(acac) 2/DIBAL для синтеза алкилтетрафосфонатов. Разработанная система Ni(acac)2/DIBAL – первый пример катализатора на основе никеля для присоединения Н-фосфонатов к диинам.

Катализируемое комплексами никеля гидрофосфинилирование алкинов вторичными диалкилфосфиноксидами В качестве модельной реакции было выбрано присоединение дигексилфосфиноксида 10а к гептину-1 1a (схема 14).

Использование каталитической системы Ni(acac)2/DIBAL позволило осуществить реакцию присоединения с образованием алкилбисфосфиноксида с высоким выходом (95%) и селективностью (таблица 6, №1). Эффективность разработанной системы Ni(acac)2/DIBAL была показана на примере реакции терминальных и интернальных алкинов 1a,b,f,i с диалкилфосфиноксидами 10a,b. Алкины с CN- и Ph- группами показали одинаково хорошую реакционную способность в реакции присоединения, продукты бис-гидрофосфинилирования были получены с высокими выходами (таблица 6, №2, 3). В реакции присоединения 10a,b к интернальному алкину 1f наблюдалось образование Е-изомеров с хорошим выходом и стереоселективностью E/Z > 99/1 (таблица 6, №4, 5).

Таблица 6. Эффективность каталитической системы Ni(acac)2/DIBAL в реакции присоединения (R3)2P(O)H (10) к различным алкинам (1).[a] Условия реакции: 1 ммоль 1, 1 ммоль 10, 4.5 мол% Ni(acac)2, 9 мол% DIBAL, 120oC, 24ч. [b] Рассчитано по 31P{1H} ЯМР спектру, в скобках приведены выходы выделенных продуктов.

Структуры полученных соединений были установлены с помощью спектроскопии ЯМР (3JР-Hцис 18-19 Гц). Для соединения 12b было выполнено рентгеноструктурное исследование подтвердившее Е-конфигурацию двойной связи полученного продукта (рисунок 8). В результате было установлено, что каталитическая реакция протекает как син-присоединение.

Рисунок 8. Молекулярная структура 12b, определенная методом PCA.

Каталитическая система на основе Ni(acac)2/DIBAL оказалась эффективной в реакции гидрофосфинилирования алкинов и позволила получить как алкенилфосфиноксиды, так и алкилбисфосфиноксиды с высокими выходами и селективностью.

ВЫВОДЫ

1. Разработана новая каталитическая система, которая дает возможность контролировать региоселективность присоединения Н-фосфонатов к алкинам путем подбора соответствующего лиганда из ряда P[(MeO)nC6H5–n]3. Выполнен селективный синтез разветвленных и линейных алкенилфосфонатов с высокими выходами выделенных продуктов.

2. Реализован аналитический подход, основанный на совместном использовании массспектрометрии высокого разрешения и спектроскопии ЯМР. Данный подход позволил идентифицировать палладиевые интермедиаты реакции и установить причины, влияющие на соотношение активной и неактивной формы катализатора в растворе.

3. Обнаружена высокая эффективность системы Ni(acac)2/DIBAL в реакции гидрофосфорилирования и гидрофосфинилирования алкинов. Выявлена зависимость селективности каталитической реакции от количества используемого никелевого катализатора; проведен селективный синтез моно- и бисфосфонатов.

4. Использованная комбинация методов спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии для исследования гидрофосфорилирования алкинов позволила зарегистрировать промежуточные никелевые интермедиаты и предположить механизм реакции присоединения.

5. Комбинацией методов 31Р DOSY и ВЭЖХ-МС проведен анализ продуктов реакции присоединения Н-фосфонатов к диинам и исследована реакция гидрофосфорилирования диинов. Приведена простая синтетическая методика получения алкилтетрафосфонатов.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. V.P. Ananikov, I.J. Ivanova, L.L. Khemchyan, I.P. Beletskaya, "Unusual Control of Reaction Selectivity through a Subtle Change in the Ligand: Proof of Concept and Application in Pd-Catalyzed C–P Bond Formation" // Eur. J. Org. Chem. – 2012. – No. 20. – p. 3830-3840.

2. Ю.В. Иванова, Л.Л. Хемчян, С.С. Залесский, В.П. Анаников, И.П. Белецкая, "Синтез алкилтетерафосфонатов: первый пример никелевого катализатора присоединения Н-фосфонатов к диинам" // ЖОрХ. – 2013. – T. 49. – Вып. 8. – стр. 1119-1127.

3. I.J. Ivanova, V.P. Ananikov, "The Study of Intermediates of Pd-Catalyzed Reactions by ESI-MS and NMR Methods" // International Congress on Organic Chemistry dedicated to Alexander Butlerov (the Butlerov's Congress), 18-23 September 2011, Kazan. Сб. тез. докл. с. (oral talk).

4. I.J. Ivanova, L.L. Khemchyan, V.P. Ananikov, "New Ni Catalytic System for TransitionMetal-Catalyzed C-P Bond Formation" // International Conference on Organometallic Chemistry (XXV ICOMC), 2-7 September 2012, Portugal, Lisbon. Сб. тез. докл. p. 68 (poster presentation).

5. I.J. Ivanova, L.L. Khemchyan, V.P. Ananikov, "New Synthetic Approach for TransitionMetal-Catalyzed C-P Bond Construction" // International Conference Catalysis in Organic Synthesis (ICCOS-2012), 15-20 September 2012, Moscow. Сб. тез. докл. с. 205 (poster presentation).

6. I.J. Ivanova, L.L. Khemchyan, V.P. Ananikov, "A Novel Catalytic System for Selective Hydrophosphinylation of Alkynes" // Modern trends in organometallic chemistry and catalysis, 3- June 2013, Moscow. Сб. тез. докл. с. 103 (poster presentation).

7. Ю.В. Иванова, Л.Л. Хемчян, В.П. Анаников, "Катализатор на основе Ni(acac)2:

первый пример катализируемого комплексами никеля присоединения диалкилфосфиноксидов к алкинам" // Кластер конференций по органической химии (ОргХим-2013), 17–21 июня 2013, Санкт-Петербург, Репино. Сб. тез. докл. с. 342 (устный доклад).