Получение N-гетероциклических карбенов из

Получение N-гетероциклических карбенов из дегидроабиетиновой
кислоты и применение их в катализе
М.С. Денисов, B.А. Глушков
ФГБУН Институт технической химии УрО РАН,
614013, Россия, Пермь, ул. Академика Королева, 3
E-mail: [email protected]
Разработанные нами ранее хиральные соли имидазолия на основе абиетана [1,2]
представляют собой новый структурный тип N-гетероциклических карбеновых лигандов
(NHC). Аналогов в мире нет, что странно, так как хиральные NHC-катализаторы славятся
своей энантиоселективностью, например, в меднокомплексом катализе [3,4], а терпены относительный дешевый источник оптически чистых веществ. Однако, существуют работы
других авторов по включению имидазола в тритерпеноиды [5]. В настоящей работе мы в
качестве исходного дитерпена использовали метиловый эфир дегидроабиетиновой кислоты.
Из него получены имидазолия, имидазолиния и бензимидазолия (1-9), представленные на
схеме 1.
Схема 1
R N+
X-
N
O
n
N
R'
X-
O
N+
R
R N+
O
N
BF4-
O
O
1:
2:
3:
4:
O
n
n= 1, R=Ad, R'=H, X=Br
n= 1, R=H R'=Ad, X=Br
n=0, R=Ad, R'=H, X=Cl
n=0, R=H, R'=Ad, X=I
O
O
O
5: n= 0, X=Br, R=Bn(a), X=Cl, R=2,3,5,6-MeC 6HCH 2 (b)
7: R=Me(a), Bn(b), iPr(c), Ph(d)
6: n= 1, X= Br, R=Me(a), iPr(b), Bn(c),
MesCH2 (d), 1,2,5,6-MeC6 HCH 2(e), Ph2 CH(f)
O
N
N
Br N+
N+
Bn
O
O
O
Cl-
O
8
O
O
9
Соединения (1-9) получены тремя разными путями. На первой стадии первого способа было
осуществлено
ацилирование
по
Фриделю-Крафтсу
хлорангидридом
уксусной
или
изомасляной кислоты метилового эфира дегидроабиетиновой кислоты [6]. Бромирование
полученных кетонов бромом в уксусной кислоте [7] дало альфа-бромкетоны. Из них
кватернизацией 1-адамантилимидазолом и 4-адамантилимидазолом в растворе ацетонитрила
получены соединения 1 и 2, соответственно. Для получения веществ 6(a-f) и 9 потребовалась
конденсация, полученных ранее, бромидов с бензимидазолом в условиях межфазного
катализа в среде толуол-вода с последующей кватернизацией различными алкил
галогенидами в растворе ацетонитрила. Вещества же 7(a-d) получали кватернизацией в
расплаве с N-замещенными имидазолами с последующей заменой противоиона на
тетрафторборат для лучшей кристаллизации. Второй путь получения веществ 3 и 4
заключается в хлорметилировании метилового эфира дегидроабиетиновой кислоты с
последующей
реакцией
соответственно
с
1-адамантилимидазолом
или
4-
адамантилимидазолом в ацетонитриле. При получении вещества 4 потребовалась замена
хлора на иодид, для повышения алкилирующей способности реагента. Вещества 5(a-b)
получены
конденсацией
хлорметильного
производного
метил
дегидроабиетата
с
бензимидазолом межфазным катализом в среде толуол-вода с последующей кватернизацией
различными алкилгалогенидами в растворе ацетонитрила. Первая стадия третьего способа
заключается в получении диимина из метилового эфира 12-аминодегидроабиетиновой
кислоты реакцией с глиоксалем обычным методом. Затем диимин восстанавливали NaBH4 в
растворе изопропанола и обрабатывали соляной кислотой до дигидрохлорида диамина. Из
него получили соединение 9 циклизацией с ортомуравьиным эфиром.
Соединения (1-9) протестированы в качестве источника N-гетероциклического
карбена в палладий-катализируемых реакциях: (5,6) в реакции Хека [8, 9] (схема 2) , а (1-4) в
реакции Соногаширы [10] (схема 3); соединение (8) протестировано в органокаталитической
этерификации [11] (схема 4). Каталитические свойства были сравнены с другими
потенциально каталитически активными веществами на примере реакции Сонагоширы [12]:
трифенилфосфин, IPr·HCl [13], IMes·HCl [13], бензимидазол, и другими производными
имидазола и бензимидазола. Наши катализаторы оказались на уровне лучших известных
катализаторов: (4) дал 71% выход дифенилацетилена, а IMes•HCl 85 % выход, конверсия
йодбензола в обоих примерах 100%. Сравнение каталитической активности было
осуществлено и на примере NHC-катализируемой этерификации [11]. К сожалению, тут наш
катализатор отстаёт от N,N-димезитилимидазолиния хлорида [13] по каталитической
активности.
Например,
N,N-димезитилимидазолиния
хлорида
дал
крезолникотината, в то время как 8 не позволил получить это вещество.
65%
выход
п-
Схема 2
Ph
O
I
O
Bu
5-6 4 моль %
Pd(OAc)2 2 моль%
Et3N экв 2
ДМФА
85-90 0C 1,5-2ч
Ph
O
Bu
O
Схема 3
Ph
I
Ph
1-4 5 моль %
Pd(OAc)2 2,5 моль%
CuCl моль10 %
Cs2CO 3 экв 4
ДМФА-H2O 4:1
1000C 1ч
Ph
Ph
Схема 4
O
Ar'
HO
B Ar
H
HO
10 моль% 8
Cs2CO 3 1,5 эквивалент
воздух
толуол 5 мл
50-70 0С
3-6 ч
O
Ar'
O
Ar
При проведении реакций Хека и Соногаширы комплекс палладия образовывался in
situ. Наши дитерпенсодеращие соли (1-6) несомненно, образовывали соответствующие
палладокомплексы. К сожалению, они плохо кристаллизуются. Поэтому получен ряд
комплексов палладия PEPPSI [14] типа (pyridine-enhanced precatalyst preparation stabilization
and initiation), где адамантил выступает в качестве изостера дитерпенсодержащего радикала.
(Схема 5) До нас еще никто не получал палладокомплексы PEPPSI типа с адамантильными
радикалами. Эти комплексы были использованы как катализаторы в реакции Судзуки.
(Схема 6)
Схема 5
N
N
R
N
N
X
PdCl2
X
CH3CN
(толуол для 15)
R
5 часов кипячение
пиридин
5 часов 800С
K2CO3 1,5 экв
N
N
X
10:
11:
N
12:
Cl
13:
Pd
Cl
R'
14:
N
15:
R'' 16:
17:
R'''
18:
19:
R
N
R NH4BF4
EtOH-H2O
R
N
N
BF4
X=BF 4 R=Mes R'=H R''=H R'''=H
X=Cl R=Ph R'=H R''=H R'''=H
X=Cl R=2,3,5,6-тетраметилфенил R'=H R''=H R'''=H
X=Br R=3,5-диметилфенил R'=H R''=H R'''=H
X=Cl R=1-нафтил R'=H R''=H R'''=H
X=I R=H R'=H R''=H R'''=H
X=BF 4 R=Mes R'=Me R''=H R'''=H
X=BF 4 R=Mes R'=H R''=Cl R'''=H
X=BF 4 R=Mes R'=H R''=H R'''=Me
X=Cl R=1-нафтил R'=H R''=H R'''=Me
Схема 6
Me
B(OH)2 + Cl
Me
Pd комплекс 5 моль%
tBuOK 2 eэквивалент
Me
H2O, 80o C, 12 ч
Me
Наиболее значимыми результатами настоявшей работы является: демонстрация
возможностей производных дитерпенов в металлокомплексном катализе и органокатализе.
Были разработаны методы получения и получены ряды солей имидазолия, бензимидазолия и
имидазолиния из метилового эфира дегидроабиентиновой кислоты. Разработан метод
смнтеза эфиров фенолов NHC катализируемой окислительной этерификацией. Полученная
линейка адамантил замещенных палладокомплексов PEPPSI-типа с большой долей
вероятности найдет свое особое практическое применение.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 12-03-00276-а, № 14-0331168-мол_а)
Литература
[1] В.А. Глушков, М С. Валиева, О.А. Майорова, Е.В. Байгачева, А.А. Горбунов, Журнал органической химии,
2011, 47, 2, 238-243
[2] Л.В. Аникина, Д.А. Шемякина, Л.В. Павлоградская, А.Н. Недугов, В.А. Глушков, Журнал Органической
Химии, 2014, 50, 8, 1197-1200
[3] В.А. Глушков, М.С. Денисов, Вестник Пермского университета, серия «химия», 2013, 1(9), 55-68
[4] В.А. Глушков, М.С. Денисов, Вестник Пермского университета, серия «химия». 2013, 4(12) 4-26
[5] А.Н. Волкова, диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук, Новосибирск, 2015.
[6] L.F. Fieser, W.P. Campbell, J. Am. Chem. Soc, 1983, 61, 2525-2534
[7] М.П. Ирисметов, Г.А. Толстиков, М.И. Горяев, Г.П. Вон. Каз ССР Гылым Акад. Хабарлары, Изв. Акад. Наук
Каз. сер. хим.1968, 5, 85. РЖХимия, 1969: 13Ж581
[8] В.А. Глушков, Е.Н. Теплых, М.С. Денисов, А.А. Горбунов, Журнал органической химии. 2012, 48, 6, 818-822
[9] М.С. Денисов, И.С Усатых, А.А. Горбунов, О.А. Майорова, В.А. Глушков, Журнал органической химии.
2014, 50, 5, 716-721.
[10] В.А. Глушков, А.А. Горбунов, М.С. Денисов, В.И. Карманов, Журнал органической химии. 2013, 49, 7,
1077-1081
[11] М.С. Денисов, А.А. Горбунов, В.А. Глушков, Журнал органической химии. 2015, 51, принято к печати.
[12] М.С. Денисов, III Международная конференция «Техническая химия. От теории к практике» г. Пермь, 1519 октября. 2012, 1, 86-91
[13] A.J. Arduengo III, R. Krafczyk, R. Schmutzler, H.A .Craig, J.R. Goerlich, W.J. Marshall, M. Unverzagt,
Tetrahedron. 1999, 55, 14523- 14534
[14] J. Nasielski, N. Hadei, G. achonduh, E.A.B. Kantchev, C.J. O’Brien, A. Lough, M.G. Organ, Chem. Eur. J. 2010,
16, 10844-10853