Кросс-сочетание

Кросс-сочетанием в общем смысле называют реакции

$RX + R'Y RR' + XY$,

где $R$ - органические группы, спаривающиеся в результате реакции.

Реакции кросс-сочетания для образования углерод-углеродных связей

Замещение алкил-, арил, винилгалогенидов или их аналогов $C$-нуклеофилами, которые катализируют комплексы переходных металлов, называют реакцией кросс-сочетания. Как правило, она происходит по механизму окислительного присоединения, переметаллирования, восстановительного элиминирования. В последнее время реакциями кросс-сочетания стали называть и процессы с участием гетероатомных нуклеофилов.

Принцип палладий-катализируемых реакций кросс-сочетания предусматривает координацию молекул двух реагентов на металле благодаря образованию связей углерод-палладий, с дальнейшим их сочетанием, которое приводит к образованию простой углерод-углеродной связи.

Реакции кросс-сочетания условно разделяют на два типа, каждый из которых катализирует нульвалентный палладий. При этом в роли электрофильных компонентов используется органилгалогениды или их аналоги (трифталаты, тозилат).

В первом типе реакций нуклеофильным компонентом выступает металлоорганическое соединение, во втором - олефин. Таким образом, эти типы реакций дополняют друг друга. Общее для обоих типов реакций является использование палладия, на котором и происходит процесс сопряжения реагентов.

Как правило, к первой группе относятся реакции, где используют $C$-нуклеофилы на основе магния (реакция $Kumada-Corriu$), бора ($Suzuki-Miyaura$), олова ($Stille-Migita$), цинка ($Negishi$), кремния ($Hiyama$).

Вторую группу составляют реакции с участием терминальных алкинов в присутствии медного сокатализатора (реакция $Sonogashira$) или, в другом случае, алкены (реакция $Heck$).

Заметим, что среди широкого круга процессов кросс-сочетания реакции, которые нашли наибольшее практическое применение отмечены Нобелевской премией.

Пионерские работы Р. Хека по кросс-сочетанию с участием олефинов

В 1968 году Р. Хек опубликовал серию работ, посвященных реакциям с участием палладия.

Рисунок 1. Р. Хек. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В первом эксперименте растворенный в ацетонитриле дихлорид палладия взаимодействовал с хлоридом фенилртути при комнатной температуре в атмосфере этилена при давлении 1 атм. Результатом стало создание стирола с высоким выходом, показало протекание реакции арилирование олефинов. Интенсивные исследования паладийорганических соединений, синтезированных с использованием хлорида фенилртути, показали, что реакции с угарным газом и алкенами также происходят при мягких условиях, в том числе при наличии в реагентах различных функциональных групп. Было совершенно очевидно, что появилась редкая возможность для образования новых углерод-углеродных связей. Особенно значимым был факт приемлемости реакционных условий практически для всех обычных функциональных групп. Однако при этом обнаружились две проблемы:

• Ртутьорганические соединения, как правило, токсичны и дороги;
• Необходимость использования стехиометрических количеств дорогого палладия.

Вскоре вышла работа, посвященная успешному образованию арилпаладийгалогенофосфинового комплекса из палладий (0) фосфинового комплекса и арилгалогенида, что позволило отказаться от применения ртутьорганических соединений. Также удалось сделать эту реакцию каталитической по палладию с использованием оснований, которые связывали галогеноводороды которые выделялись в ходе реакций. Благодаря этому реакция стала одной из важнейших при образовании простой углерод-углеродной связи.

Механизм реакции Хека

Р. Хек предложил достоверный механизм этой реакции, который позволил объяснить ее стереохимические особенности. В новой версии органопаладиевый комплекс $RPdX$ образуется из органилгалогенида и палладия в процессе окислительного присоединения. Арилювание олефинов по стандартной методике происходит в случае взаимодействия арилгалогенида с олефином в присутствии палладиевого катализатора.

Рисунок 2. Механизм реакции Хека. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На первой стадии реакции окислительное состояние палладия формально меняется с $Pd$ (0) к $Pd$ (II) с образованием новой связи углерод-палладий. На следующем этапе олефин координируется с палладии таким образом, что органическая группа и олефин располагаются на палладии и могут реагировать друг с другом. В дальнейшем заместитель $R$ мигрирует из палладия в один из углеродных атомов олефина, а палладий образует связь с другим атомом углерода. Такой процесс называется миграционным включением. На завершающей стадии происходит высвобождение органической группы через гидридное элиминирование и образование нового олефина и нестабильного $HPdX$, который теряет $HX$ и высвобождает $Pd$ (0), который начинает новый цикл.

Кросс-сочетание Негиси при мягких условиях

Е. Негиси в 1976 начал изучение хемоселективних металлоорганических соединений для палладий-катализируемого кросс-сочетания с органическими галогенидами. В первых работах он использовал высокореакционные цирконий- и алюминийорганические соединения. Однако важнейшие результаты им были получены в 1977 году, когда в роли нуклеофильных реагентов для палладий-катализируемых реакций кросс-сочетания применили цинкоорганические соединения. Это существенно повысило выходы и селективность. Кроме этого, условия реакции были очень мягкими, что позволило использовать реагенты с широким кругом функциональных заместителей, что и стало ощутимым преимуществом по сравнению с реактивами Гриньяра и литийорганическими соединениями. Эта новая реакция кросс-сочетания стала важным методом создания углерод-углеродной связи и получила название реакции Негиси.

Рисунок 3. Е. Негиси. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В 1978 г. ученый выяснил, что алкинилбороновые соединения также испытывают кросс-сочетание с органическими галогенидами в присутствии палладиевого катализатора. Это был первый пример такого преобразования, а использование борорганические соединений в реакции кросс-сочетания основательно исследовал А. Сузуки.