О стереоселективности хиральных палладийсодержащих макромолекулярных катализаторов Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Том (А) 34

1992

№ 8

ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

УДК 541 (128+64) :539.199

© 1992 г. Л. Б. Кренцель, А. Д. Литманович, Н. А. Платэ, Е. И. Карпейская, Л. Ф. Годунова, Е. И. Клабуновский

О СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОСТИ ХИРАЛЬНЫХ ПАЛЛАДИЙСОДЕРЖАЩИХ МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ

На основе линейных и сшитых сополимеров и 11-1-[4-винилфенил]эти-ламина (мономер А) со стиролом (мономер В) и дивинилбензолом получены однородные по составу хиральные палладийполимерные катализаторы, содержащие 25—26 мол.% звеньев мономера А. Определены константы сополимеризации га - 0,11 и гв - 0,69. Как следует из расчетов, при взаимодействии Р<1С12 с сополимерами в основном могут образовываться межцепные билигандные комплексы Р<1 с аминогруппами. Полимерная матрица стабилизирует низковалентное (после восстановления) состояние палладия в этих комплексах. Применение полимерных катализаторов позволило установить, что в реакции восстановительного аминолиза азлактонов под действием хиральных аминов определяющий вклад в стереоселективносгь вносит хиральный нуклеофил, а не хиральный лиганд каталитического комплекса. Хиральный полимерный катализатор проявляет эффект двойной асимметрической индукции в реакции гидрирования Б- и 5-1-фе-нилэтиламидов ацетаминокоричной кислоты.

Макромолекулярные катализаторы органических реакций представляют собой объекты интенсивного исследования [1, 2] ввиду их повышенной селективности и стабильности — в сравнении с химически аналогичными низкомолекулярными каталитическими системами.

Ранее было показано [3], что нульвалентный комплекс паладия с хи-ральным 1-фенилэтиламином (ФЭА), стабилизированный координационно связанным субстратом — азлактоном ацетаминокоричной кислоты (ААК), катализирует энантиоселективный восстановительный аминолиз ААК. Однако такой катализатор нестоек в условиях реакции, и его повторное использование практически невозможно.

Цель настоящей работы — синтезировать хиральные палладиевые катализаторы на полимерном ароматическом носителе и исследовать их поведение в реакции восстановления ААК, в частности оценить возможное влияние полимерного окружения на стереоселективносгь. Помимо известных преимуществ полимерных катализаторов [1 ], можно было рассчитывать и на стабилизацию нестойкого нульвалентного состояния палладия в комплексе с тг-акцепторным полимерным лигандом [4]. Кроме того, передача стабилизирующей роли субстрата полимерному лиганду позволила бы расширить

круг исследуемых реакций, включив в него асимметрическое гидрирование продуктов сольволиза ААК. В качестве хиральных полимерных носителей в данной работе использовали линейный и сшитый сополимеры R- и S-1 - (4-винилфенил) этиламина (ВФЭА) со стиролом, а доступность и реакционную способность аминогрупп носителей оценивали по кинетике их ацилирования ААК.

Спектры ПМР снимали на спектрометре «Bruker WP-250», ИК-спектры — на спектрометре «Perkin — Elmer» (модель М-577), Уф-спектры — на спектрометре «Specord М-40». Оптическое вращение измеряли на фотоэлектронном поляриметре «А1 ЕПО».

Использовали PdCh (ч.); S-a-ФЭА [я]д--39а; R-a-ФЭА [а]Ь° -+38,5'. ААК, Т„л - 150° (из ацетона); ацетаминокоричную кислоту, ГПл-192°; S- и R-фенилэтиламиды ацетамино-коричной кислоты получали по методике [5], Гпл-195—197° (из абсолютного спирта), Н о-+43° и -36° (С 1,4 ЕЮН) соответственно.

Синтез ВФЭА детально описан в работе [6]. Расщепление рацемического ВФЭА на R-и S-стереоизомеры проводили согласно работам [7, 8], оптическая чистота составляла 89 и 55% соответственно.

Линейные сополимеры (ЛП) ВФЭА со стиролом получали радикальной сополимеризацией в растворе в толуоле в запаянных ампулах при 70°, инициатор — ДАК. Сополимеры выделяли осаждением в метанол с последующей лиофильной сушкой из раствора в бензоле.

Сшитые сополимеры (СП) ВФЭА со стиролом и дивинилбензолом (2%) получали суспензионной радикальной сополимеризацией согласно работе [9]. В специальном реакторе [1] с обратным холодильником и механической мешалкой перемешивали в токе азота с линейной скоростью 42—45 м/мин 2,09 г ВФЭА, 4 г стирола, 0,28 г технического ДВБ и 9 мл толуола в 90 мл деаэрированной воды, содержащей 0,9 г поливинилпирролидона и 0,2 г Тритона-100. Затем прибавляли 0,095 г ДАК и проводили сополимеризацию при 70° в течение 26 ч. Сополимер промывали последовательно водой, ацетоном и метанолом, затем сушили в вакууме при комнатной температуре. Состав сополимеров определяли по данным элементного анализа, ЛП также по ЯМР-спектрам.

Приготовление катализаторов. R-Кт-С получали на основе R-СП. 0,5 г R-СП и 0,1 г PdCfc энергично встряхивали, добавляли 25 мл ДМЭ, перемешивали 15—20 ч и фильтровали. Полимерный комплекс Pd2+ (ПК-Pd) сушили на воздухе и восстанавливали водородом «in situ».

S-Кт-Л получали на основе S-ЛП. 50 мг S-ЛП, 10 мл PdCh и небольшое количество стекловолокна в 5 мл ДМЭ перемешивали 1 ч и восстанавливали водородом «in situ». При взаимодействии растворимого ЛП с PdCh образуется нерастворимый комплекс, и после восстановления водородом катализатор осаждался на стенке стеклянного реактора в виде плотного кольца выше уровня раствора. Добавление стекловолокна, на котором и осаждался восстановленный комплекс, позволило получить катализатор в удобной для использования форме.

Рацемические катализаторы R, S-Кт-С и R, S-Кт-Л получали по аналогичным методикам.

АцилйрйЭ?ние ЛП к СП азлактоном ацетаминокоричной кислоты проводили в среде диметоксиэтана^ДМЭ) при комнатной температуре. Для ацилирования использовали рацемические R, S-ЛП и R, ,?-СП. Скорость реакции измеряли по расходу ААК; контроль по УФ-спектру, А-328 нм, коэффициент экстинкции е-(2,47±0,01) -104.

Восстановительный аминолиз г^?0воДили следующим образом. В реактор для гидрирования помещали 100 мг ПК-Pd и 5 мл ДМЭ7^$тавляли для набухания на 30—60 мин, добавляли 0,1 мл ФЭА, продували систему водородо^" включали перемешивание. По окончании восстановления (15—30 мин) вводили в реакторр^™°Р 0,1 г ААК в 2,5 ДМЭ Скорость реакции измеряли по поглощению Н2. По окончании катализатор отфильтровывали,

фильтрат пропускали через колонку с DOWEX 50><8 (Н^фо^-2*' упаривали досуха. Продукт анализировали методом ПМР в CDCb или CD3OD. В другом вар^?нтс проведения аминолиза вначале восстанавливали ПК-Pd в ДМЭ, как описано выше, а затем п<^едоватеЛь;'° вводили ААК и ФЭА.

Синтез ВФЭА. ВФЭА получали по следующей схеме: вгсн2сн2сбн5 + Аса А1С|}>- Вгсн2сн2сбн4с0сн3 КНгОН—»

- ВГСН2СН2С4Н4ССНЗ вгсн2сн2с6н4сн (КН2) снз дКо°6

дан

ВгСН2СН2СбН4СН (NHBoc) СНз с^о^Т СН2 = СНС«Н4СН (ЫНВос) СНз

^^ашГ СНг = СНСбН4СН (КНг> СНз (ДО - диоксан)

Сополимеризация ВФЭА со стиролом. Сополимеризацию проводили до конверсий 40—60% и константы сополимеризации рассчитывали методом Келена — Тюдеша для глубоких конверсий [10 ]. Найденные значения констант (А —ВФЭА, В —стирол) составляли: гА=0,10±0,02; гв=0,69±0,07. Этим величинам соответствует азеотропный состав мономерной смеси 25—26 мол.% ВФЭА. Именно при таких составах синтезировали линейные и сшитые сополимеры, используемые в настоящей работе как полимерные реагенты и лиганды Р<1-полимерных катализаторов. Состав сополимеров практически не отличался от состава мономерной смеси, что свидетельствует о композиционной однородности синтезированных образцов.

Для этих образцов была рассчитана величина ()(А2) — доля звеньев ВФЭА, входящих в последовательности, содержащие два и более таких звеньев. Согласно Рингу [11]

С (А „) = ЯРХА1 - (к- 1)РХА,

где Ркк — вероятность найти в цепи сополимера А справа от А, равная НИ

_ (I - 2гАг„ -<?)+[(!- 2ув - ду + 4гАг„ (1 - гАгв) ]»

2(1 -гАгв)

= (1 — тА) /отА, а тк — молярная доля ВФЭА в сополимере). Расчет дал значение Q(A.г) - 0,07, т. е. не более 7% звеньев ВФЭА могут входить в последовательности, содержащие два и более звеньев ВФЭА, соседние аминогруппы которых могли бы образовывать внутрицепные билигандные комплексы с Р<1.

Ацилирование функциональных групп линейных Б-ЛП и сшитых К, 8-СП сополимеров азлактоном ацетаминокоричной кислоты

РЬСН О

V ^ с—с

I I

р—С Н СН(СН )КН +>Г О—Р-С Н СНЫНСОС=СНРЬ ,

6 4 з' 2 <41 |

I

СН КНСОМс 3

Ме

где Р — полимерная цепь, изучали спектральными методами. Кинетические данные обрабатывали по уравнен*™* реакции второго порядка согласно работе [12]. Найдены cлeдv.-JЩиe величины констант скорости ацилирования:

Субстрат !{, з-СП ^-ЛП Н, Б-ФЭА [12]

*Ю2, л/моль мин 10 12 14

По завершении реакции полимеры не содержали свободных аминогрупп. ЭтоМ^акт, а *акже сравнение констант скорости ацилирования полимеров

Сравнительная активность металлополимерных катализаторов в реакции восстановительного амннолиза

РЬСН .О ♦ 4

С—С Н2/катализатор

V. + ГШ2СН(Ме)РЬ ' , ч

^ ^О ' ДМЭ, 20° РНСН2СНСОМНСН(Ме)РЬ

т \

Л гшсоме

(ААК/Ра = 4,5 — 5,0)

Опыт, № Катализатор Конфор-мация ФЭА Порядок введения ФЭА* *102, мин"' ка л/г-атом - мин Избыток диасте-реомера в продукте, %

1 Й-Кт-С К а 1,5 1,0 31 юг

2 Я-Кт-С а 1,0 0,8 27 ЭЗ

3 Н-Кт-С К б 0,6 0,6 18 юг

4 Э-Кт-Л Э б 3,8 5,4 28 ЭЗ

5 5-Кт-Л Н 6 • 1,6 2,3 33

6 Э-Кт-Л 5 а 1,6 2,3 30

7 Б-Кт-Л й а 1,2 1,7 28 №

8 Рс1С12 + ФЭА [13] 5 а 1,8 1.4 40 ЗБ

* ФЭА вводили в количестве 1,5 моля на 1 моль ААК до (а) или после (б) восстановления Р<1С1г.

и ФЭА позволяют заключить, что доступность для низкомолекулярного реагента (в данном случае ААК) и реакционная способность аминогрупп в линейных и сшитых сополимерах близки к таковым у ФЭА.

Палладийполимерные катализаторы. Рс1 наносили на полимер из суспензии Р<ЗС12 в ДМЭ (см. выше). Оба типа хиральных катализаторов (К-Кт-С и Б-Кт-Л) содержали одинаковое количество металла (1^/Р<1 = 2). Приведенный выше расчет величины б(А2) для синтезированных полимерных носителей показал, что вероятность образования внутрицепных били-гандных комплексов Р<1 очень мала. Следовательно, полученные в работе полимерные катализаторы содержали, как правило, межцепные билигандные комплексы Р<1. Отметим, что после нанесения палладия и восстановления металл прочно связывается с полимером и не уходит в раствор.

Восстановительный аминолиз ААК. Эта реакция при использовании катализатора на основе Рс1С12 и ФЭА сочетает насыщение двойной связи С = С и расщепление цикла под действием хирального амина [3]. При проведении реакции в ДМЭ оба процесса протекают синхронно без выхода возможных промежуточных продуктов в объем.

В таблице представлены результаты опытов по восстановительному ами-нолизу ААК на хиральных полимерных катализаторах, а также (для сравнения) на Р<1—ФЭА. В качестве меры активности катализатора приведена константа скорости первого порядка по субстрату & и ее отношение к г-атому Рё в единице реакционного объема — ка.

Как видно из таблицы, катализатор на основе линейного сополимера обладает максимальной активностью при введении ФЭА после восстановления Рс12+, при этом порядок введения ФЭА практически не сказывается на стереоселективности реакции (опыты 4—7). Напротив, в случае сшитого сополимера важно наличие нуклеофила ФЭА в процессе восстановления

Р(12+: введение его ъ реакционную среду после восстановления приводет к снижению стереоселективности (опыты 1—3). Очевидно, при взаимодействии Р<ЗС1, со сшитым носителем образование межцепных билигандных комплексов затруднено (по сравкеншо с линейным носителем) вследствие топологических ограничений. В результате часть Р<1 связывается лишь с одной аминогруппой и после восстановления не образует активного центра, подобного системе Р<1—ФЭА. При восстановлении в присутствии ФЭА последний «достраивает» комплекс и количество таких активных центров на сшитом носителе увеличивается.

Отметим, что все полимерные катализаторы близки по стереоселективности и несколько уступают низкомолекулярному аналогу; ожидаемого положительного эффекта полимерной матрицы не обнаружено.

Анализ данных таблицы позволяет интерпретировать этот результат и сделать существенные выводы о механизме стереорегулирования в указанной реакции.

Действительно, в случае системы Р<1 — ФЭА амин играет двойственную роль — хирального лиганда катализатора и хирального реагента [3 ]. Использование полимерного катализатора позволило разделить эти функции и оценить отдельно вклады в асимметрическую индукцию хирального катализатора и хирального нуклеофила. Как видно из таблицы, независимо от конфигурации катализатора под действием Я-ФЭА образуется избыток

Л-диастереомера (опыты 1, 5, 7), а в случае Б-ФЭА — Б, Б-диастереомера (опыты 2, б), причем избыток диастереомера практически одинаков для обоих нуклеофилов. Следовательно, энантиоселективные свойства катализатора не проявляются в этой реакции и она протекает под стерическим контролем нуклеофила. Можно полагать, что и в случае системы Р<1 — ФЭА основной вклад в стереоселективность процесса вносит хиральный нуклеофил, по-видимому, на стадии протонирования полугидрированного интермедиата [14]. Поэтому в условиях, когда реализуется одностадийный механизм реакции, не имеет смысла пытаться повысить стереоселективность за счет модификации хиральных свойств катализатора.

Заметим, что в отличие от Р<1 — ФЭА после реакции полимерный катализатор может быть использован повторно, хотя его активность при этом заметно снижается.

Гидрирование а-фенилэтиламидов ацетаминокоричной кислоты. Тот факт, что в реакции восстановительного аминолиза полимерные катализаторы не влияют на селективность, не исключает наличия у них энантио-селективных свойств в других реакциях. Действительно, при гидрировании продуктов сольволиза ААК — 8- и И-а-фенилэтиламидов ацетаминокоричной кислоты на катализаторе И-Кт-С избыток диастереомера составлял 45% ИБ и 31% БЯ соответственно. Как видим, стереоселективность выше в случае Б-амида, т. е. катализатор проявляет эффект двойной асимметрической индукции. Заметим, что на катализаторе Б-Кт-Л такой эффект не обнаружен: избыток диастереомера составлял в этом случае 30% ЙБ и 32% БЯ соответственно; возможно, это связано с невысокой оптической чистотой лиганда.

Таким образом, использование хиральных полимерных катализаторов позволило установить, что в реакции восстановительного аминолиза азлак-тонов под действием хиральных аминов определяющий вклад в стереоселективность вносит хиральный нуклеофил. Ароматический полимерный носитель в значительной степени стабилизирует низковалентное состояние палладия в полученных катализаторах. Хиральный полимерный катализатор проявляет эффект двойной асимметрической индукции в реакции гидрирования К- и Б-1-фенилэтиламидов ацетаминокоричной кислоты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Polymer-supported Reactions In Organic Synthesis/Ed. by Hodge P., Sherrington D. C. N. Y.: Wiley Interscience, 1980. Ch. 1; Suppl.

2. Polymer Reagents and Catalysts/Ed. by Ford W. T. Washington, 1986. 250 p.

3. Karpeiskaya E. I.. Levitina E. S., Godunova L. F, Klabunovskii E. /.//J. Moiec. Cat. 1986. V. 34. № 2. P. 129.

4. Kaneda K, Imanaka Т., Teranishi SA.//History of Polyolefins. The World's Most Widely Used Polymers/Ed. by Seymour R. В., Chang T. N. Y., 1986. P. 208.

5. Карпейская E. И., Годунова Л. Ф., Неупокоева Е. С., Клабуновский Е. И.//Шв. АН СССР. Сер. хим. 1978. № 5. С. 1104.

6. Карпейская Е. И., Годунова Л. Ф., Левитина Е. С., Любезнова М. Р., Клабуновский Е. И., Шпиро Е. С., Баева Г. Н., Лубуж Е. Д., Коенцель Л. Б., Литманович А. Д., Пла-тэ Н. А//Изв. АН СССР. Сер. хим. 1992. № 0,

7. Wulff G„ Gimpel Yu., Feld J., Hufnagel /.//Makromol. Chem. 1982. B. 183. № 10. S. 2459. «. Kaschig Ju. Eur. Pat. Appl. 251994 7.01.1988//Chem. Abstrs. 1988. V. 109. 55454.

9. Frechet J. M. /., Halgas /.//React. Polymers. 1983. V. 1. № 3. P. 227.

10. Kelen Т., Tudos F., Turcsanyi В., Kennedy J. P.lli. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. 1977. V. 15. № 12. P. 3047.

11. Ring W.//J. Polym. Sci., B. 1963. V. 1. № 6. P. 323.

12. Левитина E. С., Лубуж E. Д., Годунова Л. Ф., Карпейская Е, И., Клабуновский Е. И.//Изв. АН СССР. Сер. хим. 1989. № 5. С. 1115.

13. Левитина Е. С., Годунова Л. Ф., Карпейская Е. И., Клабуновский Е. И.ПИзв. АН СССР. Сер. хим. 1983. № 8. С. 1740.

14. Karpeiskaya Е. /., Godunova L. F., Levitina Е. S., Cheltsova G. V., Lutsenko M. R., Kaigorodova L. N.. Klabunovskii E. /.//Proc. 9th Congress Catal. Calgary, Canada, 1988. V. 1. P. 300.

Институт нефтехимического синтеза Поступила в редакцию

им. А. В. Топчиева Российской 03.01.92

академии наук, Москва

Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского Российской академии наук, Москва

L. B. Krentsel', A. D. Litmanovich, N. A. Plate, E. I. Karpeiskaya, L. F. Godunova, E. I. Klabunovskii

ON STEREOSELECTIVITY OF CHIRAL PALLADIUM-CONTAINING MACROMOLECULAR CATALYSTS

Summary

On the base of linear and crossiinked copolymers of S- and R-l-[4-vinyIphenyl]ethylamine (monomer A) with styrene (monomer B) and divinylbenzene the compositionaily homogeneous chiral palladium-polymer catalysts containing 25-26 mol % of monomer A unites have been synthesized. The constants of copolymerization rx-O.lO and rB-0.69 are determined. The interaction of PdCh with copolymers is shown to result mainly in the formation of interchain biligand complexes of Pc< with amine groups. A polymer matrix stabilizes the low-valent (after reduction) state of palladium in these complexes. Application of polymer catalysts permitted to establish the main contribution into the stereoselectivity of the chiral nucleophyl, but not of chiral ligand of the catalytic complex in the reaction of reductive amlnolysis of azlactones under the action of chiral amines. Chiral polymer catalyst manifests the double asymmetric induction effect in the reaction of hydration of R- and S-l-phenylethylamides of acetaminocinnamic acid.