Реакции окислительного С-О сочетания

Реакции окислительного С-О сочетания

ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН; РХТУ им. Д.И. Менделеева

Терентьев Александр Олегович

Москва, 2014

(лекции для студентов и аспирантов университетов, обучающихся по специальности «Органическая химия»)

Реакции сочетания - надежные инструменты органического синтеза

2

С-С сочетание

С-O, C-N, C-P, C-S сочетание

Реакции Сузуки, Стилле, Хияма, Негиши, Кумада и др.

Реакция Хека

Реакция Чана-Лэма

Реакции Ульмана, Бухвальда-Хартвига и др.

Нуклеофильное замещение

Направление реакции определяется специально введенными функциональными группами

Дополнительные стадии синтеза (введение групп) Образование отходов

X = Hal, OTf .... ; M = B(OH)2, SnR3, SiR3, ZnHal, MgHal

Окислительное кросс-сочетание

Повышение атомной эффективности Минимизация отходов Минимизация количества стадий синтеза Сложно обеспечить селективность Сложно прогнозировать результат реакции На данный момент ограничен ряд исходных реагентов

3

Реакции окислительного сочетания

Проблемы окислительного C-O сочетания: один из реагентов в большом избытке в то время, когда О-реагент только начинает окисляться, С-реагент претерпевает глубокое окисление

4

С-С (наиболее изучено)

C-O

С-n

C-P

C-S

Окислительное C-O сочетание остается одним из наименее изученных

Реакции окислительного C-O сочетания

5

Примеры реакций окислительного C-O сочетания с направляющими группами

6

Org. Lett. – 2006. – V. 8. – Issue 6. – P. 1141-1144. DOI: 10.1021/ol0530272

Tetrahedron Lett. – 2011. – V. 52. – Issue 45. – P. 5926-5929. DOI: 10.1016/j.tetlet.2011.08.098

Примеры реакций окислительного C-O сочетания с направляющими группами

7

Org. Lett. – 2010. – V. 12. – Issue 3. – P. 532-535. DOI: 10.1021/ol902720d

Примеры реакций окислительного C-O сочетания с участием альдегидов и

спиртов

8

Angew. Chem. Int. Ed. – 2012. – V. 51. – Issue 50. – P. 12538-12541. DOI: 10.1002/anie.201205921

Chem. Commun. – 2014. – V. 50. – Issue 47. – P. 6240-6242. DOI: 10.1039/C4CC01652A

Примеры реакций окислительного C-O сочетания с участием эфиров, кислот

и пероксидов

9

Adv. Synth. Catal. – 2012. – V. 354. – Issue 18. – P. 3480-3484. DOI: 10.1002/adsc.201200410

J. Org. Chem. – 2014. – V. 79. – Issue 9. – 3847-3855. DOI: 10.1021/jo500192h

Принципы C-O сочетания

10

Нуклеофильное замещение Большинство реакций окислительного C-O сочетания

Ограничен круг O-электрофилов: Ацилпероксиды Нитрозокарбонильные интермедиаты

Аналоги реакций Ульмана и Бухвальда-Хартвига Реакция Чана-Лэма Окислительное C-O сочетание с применением направляющих групп

Реакции селективного C-O сочетания с участием нестабильных O-радикалов редки

Обнаружен общий класс реакций окислительного C-O сочетания с

использованием дикарбонильных соединений и их гетероаналогов

EWG1, EWG2 = COOEt, COMe, CN

Обнаружен общий класс реакций окислительного C-O сочетания с

использованием дикарбонильных соединений и их гетероаналогов

EWG1, EWG2 = COOEt, COMe, CN

Катализированное переходными металлами (Cu, Fe, Mn, Co)

пероксидирование ?-дикарбонильных соединений

13

Terent'ev A.; Borisov D.; Yaremenko I.; Chernyshev V.; Nikishin G. // J. Org. Chem. 2010, 75, 5065. A. O. Terent’ev, D. A. Borisov, V. V. Semenov, V. V. Chernyshev, V. M. Dembitsky, G. I. Nikishin // Synthesis 2011, 2091.

Катализированное переходными металлами (Cu, Fe, Mn, Co)

пероксидирование ?-дикарбонильных соединений трет-бутилгидропероксидом

14

16 примеров Выход 37-90 %

Terent'ev A.; Borisov D.; Yaremenko I.; Chernyshev V.; Nikishin G. // J. Org. Chem. 2010, 75, 5065-5071.

Пероксидирование кетоэфира

15

2

Cu(ClO4)2?6H2O

CH3CN

100

90

5

Cu(BF4)2?6H2O

CH3CN

100

79

1

Cu(OAc)2?H2O

CH3CN

71

60

3

Cu(ClO4)2?6H2O

EtOH

Следы

0

4

Cu(ClO4)2?6H2O

CH3COOH

Следы

0

6

Cu(acac)2

CH3CN

60

40

7

CuCl

CH3CN

Следы

Следы

8

CuCl2?2H2O

CH3CN

16

Следы

9

Mn(OAc)2?4H2O

CH3CN

33

21

10

FeCl3

CH3CN

50

24

11

Co(ClO4)2?6H2O

CH3CN

0

0

2 Моль ButOOH / моль 1, 0.1 моль катализатора / моль 1, время реакции 1 ч

№ Опыта

Катализатор

Растворитель

Конверсия 1, %

Выход 2, %

Пероксидирование дикетона

16

4

3

Cu(ClO4)2?6H2O

0.25

100

73

5

3

Cu(BF4)2?6H2O

0.5

100

69

№ Опыта

Моль t-BuOOH / моль 1

Катализатор

?, ч

Конверсия 1, %

Выход 2, %

1

2

Cu(OAc)2?H2O

1

87

34

2

2

Cu(ClO4)2?6H2O

0.5

100

64

3

3

Cu(ClO4)2?6H2O

0.5

100

71

6

3

Cu(acac)2

1

38

29

7

3

CoCl2?6H2O

1

100

34

8

3

Co(acac)2

1

98

24

9

3

Fe(acac)3

1

45

23

0.05 моль катализатора / моль 1

Пероксидирование диэфира

17

4

5

0.4

1

98

67

№ Опыта

Моль t-BuOOH / моль 1

Моль катализатора / моль 1

Время реакции, ч

Конверсия 1, %

Выход 2, %

1

2

0.2

2

62

41

2

5

0.3

1

87

65

3

5

0.3

1.5

98

42

5

5

0.5

0.5

98

59

>

>

Сравнение реакционной способности дикарбонильных соединений

18

Реакционная способность снижается

5 % 10 % 40 %

15 мин 1 ч 1 ч

Оптимальный мольный % катализатора (Cu(ClO4)2?6H2O)

Время необходимое для полной конверсии

Примеры полученных соединений

19

Структура, выход, %

Структура, выход, %

Структура, выход, %

Структура, выход, %

90

53

78

45

58

66

72

46

61

51

75

57

67

37

51

52

Катализированное переходными металлами (Cu, Fe, Mn, Co) окисление

малононитрилов и циануксусных эфиров трет-бутилгидропероксидом в ?-положение

20

A. O. Terent’ev, D. A. Borisov, V. V. Semenov, V. V. Chernyshev, V. M. Dembitsky, G. I. Nikishin // Synthesis 2011, 2091.

Структура и выход пероксидов, полученных из производных малононитрила

и циануксусного эфира

21

94%

89%

68%

78%

81%

69%

73%

71%

63%

64%

83%

64%

Возможные маршруты пероксидирования

22

Исследование механизма пероксидирования

-дикарбонильных соединений

23

1

2

2

3

5

4

Продукты присоединения дикарбонильного соединения к аллилацетату отсутствуют

Предполагаемый механизм пероксидирования

24

Terent'ev A.; Borisov D.; Yaremenko I.; Chernyshev V.; Nikishin G. // J. Org. Chem. 2010, 75, 5065

Окислительное C-O сочетание алкиларенов,

-дикарбонильных соединений и их аналогов с оксимами, N-гидроксиимидами и N-гидроксиамидами

25

Terent’ev A.O., Krylov I.B., Timofeev V.P., Starikova Z.A., Merkulova V.M., Ilovaisky A.I., Nikishin G.I., Adv. Synth. Catal. 2013, 355, 2375-2390. Krylov I.B., Terent’ev A.O., Timofeev V.P., Shelimov B.N., Novikov R.A., Merkulova V.M., Nikishin G.I., Adv. Synth. Catal. 2014, 356, 2266-2280.

Окислительное C-O сочетание

-дикарбонильных соединений с оксимами

26

Krylov I.B., Terent’ev A.O., Timofeev V.P., Shelimov B.N., Novikov R.A., Merkulova V.M., Nikishin G.I., Adv. Synth. Catal. 2014, 356, 2266-2280.

Условия образования продуктов окислительного C-O сочетания

27

Влияние окислителя и растворителя

28

№

Окислитель

Р-ль

Выход 3, %

№

Окислитель

Р-ль

Выход 3, %

1

MnO2

AcOH

79

14

Cu(ClO4)2•6H2O

MeCN

45

2

KMnO4

AcOH

90

15

Cu(NO3)2•2.5H2O

MeCN

49

3

Mn(OAc)3•2H2O

AcOH

92

16

Cu(OAc)2•H2O

MeCN

<5

4

Mn(OAc)2/KMnO4

AcOH

92

17

(NH4)2Ce(NO3)6

AcOH

55

6

Mn(OAc)3•2H2O

MeCN

78

9

Fe(ClO4)3•nH2O

MeCN

84

7

Mn(OAc)3•2H2O

MeOH

85

10

Fe(NO3)3•9H2O

MeCN

25

8

Mn(acac)3

AcOH

74

13

Fe(ClO4)3•nH2O

CHCl3

55

Krylov I.B., Terent’ev A.O., Timofeev V.P., Shelimov B.N., Novikov R.A., Merkulova V.M., Nikishin G.I., Adv. Synth. Catal. 2014, 356, 2266-2280.

Продукты сочетания с оксимами

29

Окислитель: a) KMnO4 b) Mn(OAc)3•2H2O c) Mn(OAc)2•4H2O / KMnO4

Продукты сочетания с оксимами (с донорными заместителями)

30

Окислитель: a) KMnO4 b) Mn(OAc)3•2H2O c) Mn(OAc)2•4H2O/KMnO4

Окислительное C-O сочетание

-дикарбонильных соединений и их гетероаналогов с N-гидроксиамидами и N-гидроксиимидами

31

Terent’ev A.O., Krylov I.B., Timofeev V.P., Starikova Z.A., Merkulova V.M., Ilovaisky A.I., Nikishin G.I., Adv. Synth. Catal. 2013, 355, 2375-2390.

Влияние окислителя

32

№

Окислитель

Выход 3, %

№

Окислитель

Выход 3, %

1

KMnO4

39

9

Cu(OAc)2

<5

2

MnO2

46

10

Mn(OAc)2cat. / (NH4)2S2O8

<5

3

Mn(OAc)3

87

11

Co(OAc)2cat. / O2

41

4

Co(OAc)2cat. / KMnO4

80

12

Co(OAc)2cat. / (NH4)2S2O8

37

5

(NH4)2Ce(NO3)6

74

13

Co(OAc)2cat. / H2O2 34%aq.

35

6

Fe(ClO4)3 (MeCN, 80 °C)

73

14

MCPBA

<5

7

Pb(OAc)4

12

15

BzOOBz

<5

8

Co(OAc)2cat. / Pb(OAc)4

61

16

(NH4)2S2O8

<5

Продукты сочетания из

-дикетонов и кетоэфиров

33

a Окислитель Mn(OAc)3•2H2O; b Окислитель Co(OAc)2cat./KMnO4

Малоновые эфиры, малононитрилы и циануксусные эфиры в реакции

сочетания

34

Вероятный механизм окислительного C-O сочетания

35

Окислительное сочетание N-гидроксифталимида с алкиларенами и

родственными соединениями

36

Terent’ev A.O., Krylov I.B., Sharipov M.Y., Kazanskaya Z.M., Nikishin G.I. Tetrahedron. 2012, 68, 10263-10271. А. О. Терентьев, И. Б. Крылов, А. Д. Липатников. ЖОХ, 2014, Т. 84, Вып. 11, 1786–1789.

Окислительное сочетание N-гидроксифталимида с толуолом под действием

различных окислителей

37

Опыт

Окислитель

Растворитель

Температура, °С

Выход 2, %

1

(NH4)2Ce(NO3)6

Ацетон, AcOH

20-25

65-80

2

(NH4)2Ce(NO3)6

AcOH

60

40

3

Pb(OAc)4

Acoh или chcl3

20-60

36-40

4

PhI(OAc)2

Mecn или acoh

20-60

45-62

5

Mn(OAc)3•2H2O

AcOH

60

45

6

KMnO4

AcOH

60

54

O-замещенные производные n-гидроксифталимида из алкиларенов и

родственных соединений

38

80%

75%

76%

70%

63%

52%

35%

65%

50%

51%

Механизм окислительного сочетания алкиларенов с N-гидроксифталимидом

CAN = (NH4)2Ce(NO3)6

39

Terent’ev A.O., Krylov I.B., Sharipov M.Y., Kazanskaya Z.M., Nikishin G.I. Tetrahedron. 2012, 68, 10263-10271

Новые реакции окислительного С-О сочетания

40