В органической химии аминирование Бухвальда -Хартвига представляет собой химическую реакцию синтеза связей углерод-азот посредством катализируемых палладием реакций сочетания аминов с арилгалогенидами . [1] Хотя катализируемые палладием сочетания C-N были описаны еще в 1983 году, Стивен Л. Бухвальд и Джон Ф. Хартвиг были признаны авторами, чьи публикации в период с 1994 года по конец 2000 - х годов установили область применения трансформации. Синтетическая полезность реакции обусловлена в первую очередь недостатками типичных методов ( нуклеофильное замещение , восстановительное аминирование и т. д.) синтеза ароматических связей C-N , при этом большинство методов страдают от ограниченного охвата субстрата и толерантности к функциональным группам . [2] Развитие реакции Бухвальда-Хартвига позволило осуществить простой синтез ариламинов, заменив в некоторой степени более жесткие методы ( реакцию Гольдберга , нуклеофильное ароматическое замещение и т. д.), при этом значительно расширив репертуар возможных образований связей C−N . [ необходима ссылка ]
В ходе ее разработки было разработано несколько «поколений» каталитических систем, каждая из которых обеспечивала больший диапазон с точки зрения партнеров по связыванию и более мягких условий, позволяя практически любому амину сочетаться с широким спектром арильных партнеров по связыванию. [ необходима ссылка ] Из-за повсеместного распространения арильных связей C–N в фармацевтических препаратах и природных продуктах реакция получила широкое применение в синтетической органической химии с применением во многих полных синтезах и промышленном производстве многочисленных фармацевтических препаратов.
Первый пример реакции кросс-сочетания C–N, катализируемой палладием, был опубликован в 1983 году Мигитой и его коллегами и описал реакцию между несколькими арилбромидами и N,N-диэтиламино-трибутилоловом с использованием 1 мол.% PdCl2 [ P(o-толил) 3 ] 2 . Хотя было испытано несколько арилбромидов, только электронно-нейтральные , стерически необремененные субстраты давали хорошие или отличные выходы. [3]
В 1984 году Дейл Л. Богер и Джеймс С. Панек сообщили о примере образования связи C–N с участием Pd(0) в контексте их работы по синтезу лавендамицина, в котором использовался стехиометрический Pd(PPh 3 ) 4 . Попытки сделать реакцию каталитической не увенчались успехом. [4]
Эти отчеты фактически не цитировались в течение десятилетия. В феврале 1994 года Хартвиг сообщил о систематическом исследовании соединений палладия, включенных в оригинальную статью Мигиты, заключив, что комплекс d 10 Pd[P(o-Tolyl) 3 ] 2 был активным катализатором. Предложен каталитический цикл, включающий окислительное присоединение арилбромида. [5]
В мае 1994 года Бухвальд опубликовал расширение статьи Мигиты, предлагая два основных улучшения по сравнению с оригинальной статьей. Во-первых, трансаминирование Bu 3 SnNEt 2 с последующей продувкой аргоном для удаления летучего диэтиламина позволило расширить методологию на множество вторичных аминов (как циклических, так и ациклических) и первичных анилинов . Во-вторых, выход аренов с высоким и низким содержанием электронов был улучшен за счет небольших изменений в процедуре реакции (более высокая загрузка катализатора, более высокая температура, более длительное время реакции), хотя в этой публикации не были включены орто -замещенные арильные группы. [6]
В 1995 году параллельные исследования из каждой лаборатории показали, что связывание может быть проведено со свободными аминами в присутствии объемного основания ( NaOtBu в публикации Бухвальда, LiHMDS в публикации Хартвига), что позволяет проводить связывание без органотиновых соединений . Хотя эти улучшенные условия протекали с большей скоростью, область применения субстрата была ограничена почти полностью вторичными аминами из-за конкурентного гидродегалогенирования бромаренов. [7] [8] (См. Механизм ниже)
Эти результаты установили так называемое «первое поколение» каталитических систем Бухвальда-Хартвига. В последующие годы были разработаны более сложные фосфиновые лиганды , которые позволили расширить их на большее разнообразие 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, а расширение на более сложные системы остается активной областью исследований.
Механизм реакции для этой реакции, как было показано, проходит через этапы, аналогичные тем, которые известны для реакций сочетания CC, катализируемых палладием. Этапы включают окислительное присоединение арилгалогенида к виду Pd(0), присоединение амина к комплексу окислительного присоединения, депротонирование с последующим восстановительным устранением . Непродуктивная побочная реакция может конкурировать с восстановительным устранением, в котором амид подвергается бета-гидридному устранению с получением гидродегалогенированного арена и иминного продукта. [9]
На протяжении всей разработки реакции группа стремилась идентифицировать промежуточные продукты реакции посредством фундаментальных механистических исследований. Эти исследования выявили расходящиеся пути реакции в зависимости от того, используются ли в реакции монодентатные или хелатирующие фосфиновые лиганды, и был выявлен ряд нюансных влияний (особенно в отношении диалкилбиарилфосфиновых лигандов, разработанных Бухвальдом).
Каталитический цикл протекает следующим образом: [10] [11] [12] [13]
Для систем монодентатных лигандов считается, что монофосфиновый палладий (0) образует палладий (II), который находится в равновесии с димером μ-галогена. Стабильность этого димера уменьшается 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 два этапа в обратном порядке, причем комплексообразование основания предшествует образованию амида.) Этот ключевой промежуточный продукт восстановительно элиминируется, производя продукт и регенерируя катализатор. Однако может происходить побочная реакция, в которой элиминирование β-гидрида с последующим восстановительным элиминированием дает гидродегалогенированный арен и соответствующий имин. Не показаны дополнительные равновесия, в которых различные промежуточные продукты координируются с дополнительными фосфиновыми лигандами на различных стадиях каталитического цикла.
Для хелатирующих лигандов монофосфиновые палладиевые виды не образуются; окислительное присоединение, образование амида и восстановительное устранение происходят из комплексов L 2 Pd. Группа Хартвига обнаружила, что «восстановительное устранение может происходить либо из четырехкоординированного бисфосфинового, либо из трехкоординированного монофосфинового арилпалладиевого амидного комплекса. Устранения из трехкоординированных соединений происходят быстрее. Во-вторых, устранение β-водорода происходит из трехкоординированного промежуточного соединения. Поэтому устранение β-водорода происходит медленно из арилпалладиевых комплексов, содержащих хелатирующие фосфины, в то время как восстановительное устранение все еще может происходить из этих четырехкоординированных видов». [14]
Из-за повсеместного распространения арильных связей C–N в фармацевтических препаратах и натуральных продуктах реакция получила широкое применение в синтетической органической химии с применением во многих полных синтезах и промышленном получении многочисленных фармацевтических препаратов. [22] Промышленные применения включают α-арилирование карбонильных соединений (таких как кетоны, сложные эфиры, амиды, альдегиды) и нитрилы. [23]
Хотя область применения аминирования Бухвальда-Хартвига была расширена и теперь включает широкий спектр арильных и аминных партнеров по связыванию, условия, требуемые 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, а выбор условий требует учета стерических и электронных свойств обоих партнеров. Ниже подробно описаны субстраты и условия для основных поколений систем лигандов. (Сюда не включены N-гетероциклические карбеновые лиганды и лиганды с широкими углами захвата , такие как Xantphos и Spanphos, которые также были значительно разработаны.) [9]
Было обнаружено, что каталитическая система первого поколения (Pd[P(o-Tolyl) 3 ] 2 ) эффективна для связывания как циклических, так и ациклических вторичных аминов, содержащих как алкильную, так и арильную функциональность (но не диариламинов) с различными арилбромидами. В целом, эти условия не позволяли связывать 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 быть связаны межмолекулярно только в том случае, если вместо толуола в качестве растворителя используется диоксан, хотя и со скромными выходами. [24]
Разработка дифенилфосфинобинафтила (BINAP) и дифенилфосфиноферроцена (DPPF) в качестве лигандов для аминирования Бухвальда-Хартвига обеспечила первое надежное расширение для первичных аминов и позволила эффективно связывать арилиодиды и трифлаты. (Считается, что бидентатные лиганды предотвращают образование димера палладиевого иодида после окислительного присоединения, ускоряя реакцию.) Эти лиганды обычно производят связанные продукты с более высокой скоростью и лучшими выходами, чем первое поколение катализаторов. Первоначальные сообщения об этих лигандах как катализаторах были несколько неожиданными, учитывая механистические доказательства того, что монолигированные комплексы служат активными катализаторами в системе первого поколения. Фактически, первые примеры из обеих лабораторий были опубликованы в одном и том же выпуске JACS . [25] [26] [27]
Хелатирование от этих лигандов , как полагают, подавляет элиминацию β-гидрида, предотвращая открытый координационный сайт. Фактически, было обнаружено, что α-хиральные амины не рацемизируются при использовании хелатирующих лигандов, в отличие от каталитической системы первого поколения. [28]
Было показано, что объемные три- и диалкилфосфиновые лиганды являются исключительно активными катализаторами, позволяя связывать широкий спектр аминов (первичных, вторичных, оттянутых электронов, гетероциклических и т. д.) с арилхлоридами, бромидами, иодидами и трифлатами. Кроме того, были разработаны реакции, использующие гидроксидные , карбонатные и фосфатные основания вместо традиционных алкоксидных и силиламидных оснований. Группа Бухвальда разработала широкий спектр диалкилбиарилфосфиновых лигандов , в то время как группа Хартвига сосредоточилась на лигандах, полученных из ферроцена , и триалкилфосфиновых лигандах. [29] [30] [31] [32] [33] [34]
Резкое увеличение активности, наблюдаемое с этими лигандами, объясняется их склонностью стерически благоприятствовать монолигированным видам палладия на всех стадиях каталитического цикла, резко увеличивая скорость окислительного присоединения, образования амида и восстановительного устранения. Некоторые из этих лигандов также, по-видимому, увеличивают скорость восстановительного устранения относительно устранения β-гидрида через электронодонорное взаимодействие арена и палладия. [19] [20]
Даже амины с отнятыми электронами и гетероциклические субстраты могут быть связаны в этих условиях, несмотря на их тенденцию дезактивировать палладиевый катализатор. [35] [36]
Аммиак остается одним из самых сложных партнеров для реакций аминирования Бухвальда-Хартвига, проблема, приписываемая его прочному связыванию с комплексами палладия. Было разработано несколько стратегий для преодоления этого на основе реагентов, которые служат эквивалентами аммиака. Использование бензофенонимина или силиламида может преодолеть это ограничение, с последующим гидролизом, дающим первичный анилин . [37] [38] [39]
Каталитическая система, которая может напрямую связывать аммиак с использованием лиганда типа Josiphos. [40]
В условиях, аналогичных тем, которые используются для аминирования, спирты могут быть соединены с арилгалогенидами для получения соответствующих ариловых эфиров . Это служит удобной заменой для более жестких аналогов этого процесса, таких как конденсация Ульмана . [41] [42]
Тиолы и тиофенолы могут быть соединены с арилгалогенидами в условиях типа Бухвальда-Хартвига для получения 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 для получения α-арилкетонов, малонатов, нитрилов и т. д. Масштаб этого преобразования также зависит от лиганда, и было разработано несколько систем. [44] Было разработано несколько энантиоселективных методов для этого процесса. [45] [46]
Было также разработано несколько версий реакции с использованием комплексов меди и никеля вместо палладия. [18]