Аминирование Бухвальда-Хартвига | |
---|---|
Названный в честь | Стивен Л. Бухвальд Джон Ф. Хартвиг |
Тип реакции | Реакция сочетания |
Идентификаторы | |
Портал органической химии | Бухвальд-Хартвиг-реакция |
Идентификатор онтологии RSC | RXNO:0000192 |
Аминирование Бухвальда-Хартвига представляет собой химическую реакцию , используемую в органической химии для синтеза связей углерод-азот посредством катализируемых палладием реакций сочетания аминов с арилгалогенидами . [1] Хотя о CN-сочетаниях, катализируемых палладием, сообщалось еще в 1983 г., Стивен Л. Бухвальд и Джон Ф. Хартвиг получили признание, чьи публикации в период с 1994 г. по конец 2000-х годов установили масштаб трансформации. Синтетическая полезность реакции проистекает прежде всего из недостатков типичных методов ( нуклеофильное замещение , восстановительное аминирование ).и т. д.) для синтеза ароматических связей C-N, при этом большинство методов страдают от ограниченного диапазона субстратов и толерантности к функциональным группам. [2] Развитие реакции Бухвальда-Хартвига позволило легко синтезировать ариламины, заменив в какой-то степени более жесткие методы ( реакция Гольдберга , нуклеофильное ароматическое замещение и т. д.), при этом значительно расширив репертуар возможного образования связи C-N. . [ нужна ссылка ]
| ( Уравнение 1 ) |
В ходе ее разработки было разработано несколько «поколений» каталитических систем, каждая из которых допускает больший диапазон с точки зрения партнеров сочетания и более мягких условий, позволяя сочетать практически любой амин с широким спектром арильных партнеров сочетания. [ Править ] Из-за повсеместного распространения арильных CN-связей в фармацевтических препаратах и натуральных продуктах реакция получила широкое применение в синтетической органической химии, с применением во многих полных синтезах и промышленном приготовлении многочисленных фармацевтических препаратов.
Первый пример реакции кросс-сочетания C-N, катализируемой палладием, был опубликован в 1983 году Мигитой и сотрудниками и описал реакцию между несколькими арилбромидами и N,N-диэтиламинотрибутилоловом с использованием 1 мол.% PdCl 2 [ P(o- толил) 3 ] 2 . Хотя было протестировано несколько арилбромидов, только электронно-нейтральные , стерически не загроможденные субстраты давали хорошие или превосходные выходы. [3]
| ( Уравнение 2 ) |
В 1984 году Дейл Л. Богер и Джеймс С. Панек сообщили о примере опосредованного Pd(0) образования связи C-N в контексте своей работы по синтезу лавендамицина, в котором использовался стехиометрический Pd(PPh 3 ) 4 . Попытки сделать реакцию каталитической не увенчались успехом. [4]
| ( Уравнение 3 ) |
Эти отчеты практически не цитировались в течение десятилетия. В феврале 1994 года Хартвиг сообщил о систематическом исследовании соединений палладия, включенных в исходную статью Мигиты, и пришел к выводу, что активным катализатором является комплекс d 10 Pd[P(o-Tolyl) 3 ] 2 . Предложен каталитический цикл, включающий окислительное присоединение арилбромида. [5]
| ( Уравнение 4 ) |
В мае 1994 года Бухвальд опубликовал расширение статьи Migita, предлагающее два основных улучшения по сравнению с исходной статьей. Во- первых, трансаминирование Bu 3 SnNEt 2 с последующей продувкой аргоном для удаления летучего диэтиламина позволило распространить методологию на ряд вторичных аминов (как циклических, так и ациклических) и первичных анилинов . Во-вторых, выход аренов, богатых и бедных электронами, был улучшен за счет незначительных модификаций процедуры реакции (более высокая загрузка катализатора, более высокая температура, более длительное время реакции), хотя в эту публикацию не были включены орто -замещенные арильные группы. [6]
| ( Уравнение 5 ) |
В 1995 году последовательные исследования в каждой лаборатории показали, что сочетания можно проводить со свободными аминами в присутствии объемного основания ( NaOtBu в публикации Бухвальда, LiHMDS в публикации Хартвига), что позволяет проводить сочетание без оловоорганических соединений. Хотя эти улучшенные условия протекали быстрее, количество субстратов было почти полностью ограничено вторичными аминами из-за конкурентного гидродегалогенирования бромоаренов. [7] [8] (см. Механизм ниже)
| ( Уравнение 6 ) |
Эти результаты установили так называемое «первое поколение» каталитических систем Бухвальда-Хартвига. В последующие годы были разработаны более сложные фосфиновые лиганды , которые позволили использовать большее количество аминов и арильных групп. Арилиодиды , хлориды и трифлаты в конечном итоге стали подходящими субстратами, и были разработаны реакции, протекающие с более слабыми основаниями при комнатной температуре. Эти достижения подробно описаны в разделе « Область применения » ниже, и расширение на более сложные системы остается активной областью исследований.
Было продемонстрировано, что механизм реакции для этой реакции протекает через стадии, аналогичные тем, которые известны для катализируемых палладием реакций сочетания CC. Стадии включают окислительное присоединение арилгалогенида к частицам Pd(0), добавление амина к комплексу окислительного присоединения, депротонирование с последующим восстановительным удалением . Непродуктивная побочная реакция может конкурировать с восстановительным отщеплением, при котором амид подвергается отщеплению бета-гидридом с образованием гидродегалогенированного арена и иминового продукта . [9]
На протяжении всей разработки реакции группа стремилась идентифицировать промежуточные продукты реакции с помощью фундаментальных механистических исследований. Эти исследования выявили различные пути реакции в зависимости от того, используются ли в реакции монодентатные или хелатирующие фосфиновые лиганды, и был выявлен ряд нюансов влияния (особенно в отношении диалкилбиарилфосфиновых лигандов , разработанных Бухвальдом).
Каталитический цикл протекает следующим образом: [10] [11] [12] [13]
| ( Уравнение 7 ) |
Считается, что для монодентатных лигандных систем частицы монофосфина палладия (0) образуют частицы палладия (II), которые находятся в равновесии .с димером μ-галогена. Стабильность этого димера снижается в порядке X = I> Br> Cl, и считается, что он отвечает за медленную реакцию арилиодидов с каталитической системой первого поколения. Лигирование амина с последующим депротонированием основанием дает амид палладия. (Было показано, что хелатирующие системы проходят эти две стадии в обратном порядке, при этом образование комплекса с основанием предшествует образованию амида.) Этот ключевой промежуточный продукт восстановительно удаляется с образованием продукта и регенерацией катализатора. Однако может происходить побочная реакция, при которой отщепление β-гидрида с последующим восстановительным отщеплением дает гидродегалогенированный арен и соответствующий имин. Не показаны дополнительные равновесия, в которых различные промежуточные соединения координируются с дополнительными фосфиновыми лигандами на различных стадиях каталитического цикла.
Для хелатирующих лигандов монофосфиновые формы палладия не образуются; окислительное присоединение, образование амида и восстановительное отщепление происходят из комплексов L 2 Pd. Группа Хартвига обнаружила, что «восстановительное отщепление может происходить либо из четырехкоординированного бисфосфинового, либо из трехкоординированного монофосфинового амидокомплекса арилпалладия. Отщепление от трехкоординированных соединений происходит быстрее. Во-вторых, отщепление β-водорода происходит из трехкоординированного промежуточного соединения. Таким образом, элиминация β-водорода происходит медленно из комплексов арилпалладия, содержащих хелатирующие фосфины, в то время как редуктивная элиминация все еще может происходить из этих четырехкоординатных соединений». [14]
Из-за повсеместного распространения арильных CN-связей в фармацевтических препаратах и натуральных продуктах реакция получила широкое распространение в синтетической органической химии, с применением во многих полных синтезах и промышленном получении многочисленных фармацевтических препаратов. [22] Промышленное применение включает α-арилирование карбонильных соединений (таких как кетоны, сложные эфиры, амиды, альдегиды) и нитрилов. [23]
Хотя объем аминирования Бухвальда-Хартвига был расширен, чтобы включить широкий спектр партнеров сочетания арила и амина, условия, необходимые для любых конкретных реагентов, по-прежнему в значительной степени зависят от субстрата. Были разработаны различные системы лигандов, каждая из которых имеет различные возможности и ограничения, и выбор условий требует учета стерических и электронных свойств обоих партнеров. Ниже подробно описаны субстраты и условия для основных поколений лигандных систем. (Сюда не включены N-гетероциклические карбеновые лиганды и лиганды с широкими углами укуса , такие как Xantphos и Spanphos , которые также были значительно усовершенствованы.) [9]
Было обнаружено, что каталитическая система первого поколения (Pd[P(o-Tolyl) 3 ] 2 ) эффективна для сочетания как циклических, так и ациклических вторичных аминов, несущих как алкильные, так и арильные функциональные группы (но не диариламинов), с различными арилбромидами. . Как правило, эти условия не позволяли сочетать первичные амины из-за конкурентного гидродегалогенирования арена. [7] [8]
Было обнаружено, что арилиодиды являются подходящими субстратами для внутримолекулярного варианта этой реакции [8] и, что важно, могут вступать в межмолекулярное взаимодействие только при использовании диоксана вместо толуола в качестве растворителя, хотя и с умеренными выходами. [24]
Разработка дифенилфосфинобинаптила (БИНАП) и дифенилфосфиноферроцена(DPPF) в качестве лигандов для аминирования Бухвальда-Хартвига обеспечило первое надежное расширение до первичных аминов и позволило эффективно сочетать арилиодиды и трифлаты. (Считается, что бидентатные лиганды предотвращают образование димера йодида палладия после окислительного добавления, ускоряя реакцию.) Эти лиганды обычно дают продукты сочетания с более высокими скоростями и лучшими выходами, чем катализаторы первого поколения. Первоначальные сообщения об этих лигандах в качестве катализаторов были несколько неожиданными, учитывая механистические доказательства монолигированных комплексов, служащих активными катализаторами в системе первого поколения. Фактически, первые примеры из обеих лабораторий были опубликованы в одном и том же номере JACS . [25] [26] [27]
| ( Уравнение 8 ) |
Считается , что хелатирование этих лигандов подавляет элиминацию β-гидрида, предотвращая появление открытого координационного центра. Фактически было обнаружено, что α-хиральные амины не рацемизируются при использовании хелатирующих лигандов, в отличие от каталитической системы первого поколения. [28]
| ( Уравнение 9 ) |
Было показано, что объемные три- и диалкилфосфиновые лиганды являются чрезвычайно активными катализаторами, позволяющими сочетать широкий спектр аминов (первичных, вторичных, электронно-акцепторных, гетероциклических и т. Д.) С арилхлоридами, бромидами, йодидами и трифлатами. . Кроме того, были разработаны реакции с использованием гидроксидных , карбонатных и фосфатных оснований вместо традиционных алкоксидных и силиламидных оснований. Группа Бухвальда разработала широкий спектр диалкилбиарилфосфиновых лигандов , в то время как группа Хартвиг сосредоточилась на производных ферроцена и триалкилфосфиновых лигандах. [29] [30] [31] [32] [33] [34]
| ( Уравнение 10 ) |
Резкое увеличение активности, наблюдаемое с этими лигандами, связано с их склонностью стерически благоприятствовать монолигированным формам палладия на всех стадиях каталитического цикла, резко увеличивая скорость окислительного присоединения, образования амида и восстановительного отщепления. Некоторые из этих лигандов также, по-видимому, увеличивают скорость восстановительного отщепления по сравнению с отщеплением β-гидрида за счет взаимодействия арен-палладий, являющегося донором электронов. [19] [20]
Даже электронно-акцепторные амины и гетероциклические субстраты могут быть соединены в этих условиях, несмотря на их склонность дезактивировать палладиевый катализатор. [35] [36]
| ( Уравнение 11 ) |
Аммиак остается одним из наиболее сложных партнеров для реакций аминирования Бухвальда-Хартвига, проблема связана с его прочным связыванием с комплексами палладия. Для решения этой проблемы было разработано несколько стратегий на основе реагентов, которые служат эквивалентами аммиака. Использование бензофенонимина или силиламида может преодолеть это ограничение с последующим гидролизом, дающим первичный анилин . [37] [38] [39]
| ( Уравнение 12 ) |
Каталитическая система, которая может напрямую связывать аммиак с использованием лиганда типа Josiphos. [40]
В условиях, подобных тем, которые используются для аминирования, спирты и могут быть соединены с арилгалогенидами с образованием соответствующих ариловых эфиров . Это служит удобной заменой более жестким аналогам этого процесса, таким как конденсация Ульмана . [41] [42]
| ( Уравнение 13 ) |
Тиолы и тиофенолы могут быть соединены с арилгалогенидами в условиях типа Бухвальда-Хартвига с получением соответствующих арилтиоэфиров. Кроме того, меркаптоэфиры использовались в качестве эквивалентов H 2 S для получения тиофенола из соответствующего арилгалогенида. [43]
Еноляты и другие подобные углеродные нуклеофилы также могут быть связаны с образованием α-арилкетонов, малонатов, нитрилов и т. Д. Масштабы этого преобразования также зависят от лиганда, и был разработан ряд систем. [44] Несколько энантиоселективных методов для этого процесса были разработаны. [45] [46]
| ( Уравнение 14 ) |
Также было разработано несколько вариантов реакции с использованием комплексов меди и никеля , а не палладия. [18]