CC BY
28
И. З. Илалдинов, С. В. Бухаров, Р. А. Кадыров
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА НОВОГО ДИФОСФИНОВОГО ХИРАЛЬНОГО ЛИГАНДА НА ОСНОВЕ КАМФОРЫ
Новый класс хиральных дифосфиновых лигандов был синтезирован на основе природной камфоры, родиевые комплексы которых показали высокую энантиоселективность в реакциях асимметрического гидрирования. Ключевой стадией в синтезе является катализируемое комплексом палладия кросссочетание енолтрифлата 3-бромкамфоры с реактивом Гриньяра приготовленным из 3,4-дибром-2,5-диметилтиофена. На основе модельных вычислений, подтвержденных многомерными ЯМР экспериментами, была выявлена пространственная структура преимущественно образующегося изомера, а также конечного дифосфина и его родиевого комплекса.
Поиск новых хиральных дифосфиновых лигандов интенсивно ведется с того момента, когда впервые было показано эффективность асимметрического катализа при получении энантиомерно чистых соединений. Эти соединения находят широкое применение в фармацевтике, агрохимии, производстве душистых веществ и вкусовых приправ, а также как промежуточные продукты в химии тонкого органического синтеза [1, 2].
Несмотря на то, что на сегодняшний день только для каталитических реакций асимметрического гидрирования синтезировано более 2 000 тысяч различных лигандов, коммерчески доступных, универсальных и высоко эффективных лигандов, которые находят применение в промышленном производстве энантиомерно чистых соединений считанное количество. Это связано с трудностями крупномасштабного производства дешевых, универсальных и высокоэффективных лигандов. Поэтому синтез легко доступных, и в тоже время высокомодулярных хиральных лигандов, является актуальной задачей асимметрического катализа. Недавно мы впервые описали новый класс модулярных дифосфиновых хиральных лигандов на основе природной камфоры [3, 4].
Общая схема синтеза представлена на схеме. 1. На первом этапе из коммерчески доступной 3-бромкамфоры был получен соответствующий енолтрифлат (1). Последующая реакция кросс-сочетания соединения (1) с реактивом Гриньяра приготовленным из 3,4-дибром-2,5-диметилтиофена привела к ключевому для дальнейшего синтеза промежуточному продукту - дибромиду (2).
Образование новой С-С связи сопровождается в данном случае возникновением атропоизомерии, в силу стерических препятствий для свободного вращения вокруг этой связи. Происходит преимущественное образование одного из атропоизомеров в соотношении 9:1 к другому. Рацемизация не наблюдается даже в кипящем ДМСО, что говорит о высоком активационном барьере между двумя изомерами.
В настоящей работе проведены модельные вычисления структуры дифосфинового лиганда (4) и его родиевого комплекса, результаты которых подтверждены методами ЯМР-спектроскопии. На первом этапе, используя модель MMFF 94 (Merck molecular force field) [5,6], были проведены расчеты зависимости энергии модельной системы MMFF от угла вращения вокруг связи тиофеновой группы с борненовым фрагментом дибромида (2).
Br
1.LDA *O 2.o-PyNTf2
Схема 1 - Основные этапы синтеза дифосфинового хирального лиганда на основе камфоры
Результаты этих расчетов, представленные на рисунке 1, показали наличие двух стабильных конфигураций (Ra и Sa) разделенных активационным барьером величиной в 36 ккал/моль. Кроме того, оптимизация геометрии с помощью метода функционала плотности (ББТ) с использованием модели рВР (реЛиЬайуе Веске-Регёе’^ и базисных функций БК в двух минимумах функции энергии от угла вращения позволили вычислить энергетические уровни двух конфигураций в этих точках и показать, что Ra-конфигурация дибромида более стабильна, чем Sa-конфигурация. Разница в уровне энергии между этими двумя конфигурациями составила 1,8 ккал/моль.
4G
- 3G
Ю m
- 5
торсионный угол, град
35
25
І5
G
Рис. 1 - Зависимость энергии модельной системы MMFF от угла вращения вокруг простой связи тиенил-борнен дибромида (2)
Эти вычисления позволили далее провести оптимизацию структуры дифосфина (4), используя уже упомянутый DFT метод pBN/DN* для трехмерной модели. Такие же вычисления были проведены и для родиевого комплекса [Rh(COD)(4)]+. Пространственные
структуры лиганда 4 и комплекса [Rh(COD)(4)]+, построенные на основе этих вычислений, показаны на рисунках 2 и 3 соответственно.
Рис. 2 - Пространственная структура дифосфина (4) с преимущественной пространственной ориентацией обоих диарилфосфиногрупп
Рис. 3 - Пространственная структура комплекса [РИ(СОй)(4)]+. Три фенильные группы и циклооктадиеновый фрагменты не показаны
Пространственная структура синтезированных соединений установленная на основании модельных расчетов была подтверждена с помощью спектроскопии ЯМР. Отнесение сигналов в спектрах ЯМР для обоих атропоизомеров дибромида (2) было произведено на основании анализа двумерных спектров COSY и NOESY и корреляционного спектра HMQC (V(C-H) корреляция). Анализ двумерного спектра HMBC с дальней C-H корреляцией (2J (C-H) и 3J(C-H) корреляция) позволил однозначно отнести метиль-ные группы тиофенового фрагмента 6‘-H и 7‘-H. Пространственная близость протонов наиболее ясно видна в экспериментах со стационарным эффектом Оверхаузера (NOE).
1
Рис. 4 - Н ЯМР (а) и разностные спектры стационарного эффекта Оверхаузера (NOE) с селективной инверсией протонов метильных групп 9-Н (б), 10-Н (в), 8-Н (г) и 6‘-H (д) дибромида (2)
На рисунке 4а изображен Н ЯМР спектр дибромида (2) и ряд разностных NOE спектров с селективной инверсией протонов метильных групп 9-Н (4б), 10-Н (4в), 8-Н (4 г) и 6‘-H (4д). Совершенно четко видны NOE эффекты между метильными группами 8-CH3, 10- CH3 и 6‘-CH3. Это однозначно указывает на Ra-конфигурацию преимущественного
изомера, как это показано на рисунке 3 пространственной структуры комплекса. Наличие переноса поляризации между протонами метильной группы 9-CH3 и экваториальными
протонами 5-Heq и 6- Heq, а также между метильной группой 10- CH3 и метиленовыми протонами 6- CH2 свидетельствует в пользу правильности отнесения метильных групп борненового фрагмента. Полученные на основании модельных расчетов структуры ди-фосфина (4) и его родиевого комплекса были также подтверждены с помощью 2М-спектроскопии NOE (NOESY).
ЯМР эксперименты проведены на спектрометре Bruker AMX 500 МГц. Стационарные NOE и все двумерные спектры сняты с использованием градиентов (gradient selected COSY, gsNOESY, gsHMQC и gsHMBC).
Литература
1. Noyori R., Hashiguchi S. Asymmetric syntheses// Applied homogeneous catalysis with organometallic compounds. Vol.1: Applications. Eds. Cornils B., Herrmann A. VCH Publishers, NY (USA). 1996. P.552-571.
2. Tombo G.M.R., Blaser H.U. in Pesticide Chemistry and Bioscience, Eds. Brooks G.T., Roberts T.R. Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1999. P. 33.
3. Ilaldinov I.Z., Buharov S.V., Kadyrov R. Chiral diphosphine ligands based on camphor as the example of the new class highly modular diphosphine ligands for asymmetric catalysis// Тез. докл. XIV Conference on the chemistry of phosphorus compounds. Kazan, 2005. P. 63.
4. Kadyrov R., Ilaldinov I. Z., Almena J., Monsees A., Riermeier T.H. Chiral diphosphine ligands based on camphor: synthesis and applications in asymmetric hydrogenations// Tetrahedron Letters. 2005. Vol. 46. P. 7397-7400.
5. Halgren T. A. Merck molecular force field. I. Basis, form, scope, parameterization, and performance of MMFF 94// J. Comp. Chem. 1996. Vol. 17. №. 5-6. P. 490-519.
6. Halgren T. A., Nachbar R. B. Merck molecular force field. IV. conformational energies and geometries for MMFF 94// J. Comp. Chem. 1996. Vol. 17. №. 5-6. P. 587-615.
© И. З. Илалдинов - сотр. ООО ТатКемикалс; С. В. Бухаров - д-р хим. наук, проф. каф. технологии основного органического и нефтехимического синтезаКГТУ; Р. А. Кадыров -канд. хим. наук, рук. группы в Degussa AG, Германия.
