Реакция Сузуки или сочетание Сузуки — это органическая реакция , в которой для перекрестного связывания бороновой кислоты с органогалогенидом используется катализатор на основе палладиевого комплекса . [1] [2] [3] Впервые она была опубликована в 1979 году Акирой Судзуки , и он разделил Нобелевскую премию по химии 2010 года с Ричардом Ф. Хеком и Эйити Негиши за их вклад в открытие и развитие катализа благородных металлов в органическом синтезе . [4] Эту реакцию иногда объединяют с родственным борилированием Мияуры ; эта комбинация называется реакцией Сузуки–Мияуры . Она широко используется для синтеза полиолефинов , стиролов и замещенных бифенилов .
Общая схема реакции Сузуки показана ниже, где одинарная связь углерод-углерод образуется путем связывания галогенида (R 1 -X) с борорганическим соединением (R 2 -BY 2 ) с использованием палладиевого катализатора и основания . Борорганическое соединение обычно синтезируется путем гидроборирования или карбоборирования , что позволяет быстро генерировать молекулярное усложнение.
Было опубликовано несколько обзоров, описывающих достижения и развитие реакции Сузуки. [5] [6] [7]
Механизм реакции Сузуки лучше всего рассматривать с точки зрения палладиевого катализатора. Каталитический цикл инициируется образованием активного каталитического вида Pd0, A. Он участвует в окислительном присоединении палладия к галогенидному реагенту 1 с образованием органопалладиевого промежуточного продукта B. Реакция ( метатезис ) с основанием дает промежуточный продукт C , который посредством трансметаллирования [8] с боронатным комплексом D (полученным в результате реакции бороновой кислоты реагента 2 с основанием ) образует переходный органопалладиевый вид E. Стадия восстановительного элиминирования приводит к образованию желаемого продукта 3 и восстанавливает исходный палладиевый катализатор A, что завершает каталитический цикл .
Сочетание Сузуки происходит в присутствии основания, и долгое время роль основания не была полностью понята. Сначала считалось, что основание образует триалкилборат (R 3 B-OR) в случае реакции триалкилборана (BR 3 ) и алкоксида ( − OR); этот вид можно было бы считать более нуклеофильным , а затем более реакционноспособным по отношению к комплексу палладия, присутствующему на этапе трансметаллирования. [9] [10] [11] Дюк и его коллеги исследовали роль основания в механизме реакции сочетания Сузуки и обнаружили, что основание играет три роли: образование комплекса палладия [ArPd(OR)L 2 ], образование триалкилбората и ускорение этапа восстановительного элиминирования путем реакции алкоксида с комплексом палладия. [9]
В большинстве случаев окислительное присоединение является этапом, определяющим скорость каталитического цикла. [12] На этом этапе палладиевый катализатор окисляется из палладия(0) в палладий(II). Каталитически активный вид палладия A соединяется с арилгалогенидным субстратом 1, образуя органопалладиевый комплекс B. Как показано на схеме ниже, этап окислительного присоединения разрывает связь углерод - галоген , где палладий теперь связан как с галогеном (X), так и с группой R 1 .
Окислительное присоединение протекает с сохранением стереохимии с винилгалогенидами , в то время как с аллильными и бензильными галогенидами происходит инверсия стереохимии . [13] Окислительное присоединение первоначально образует цис -палладиевый комплекс, который быстро изомеризуется в транс-комплекс. [14]
Сочетание Сузуки происходит с сохранением конфигурации двойных связей как для борорганического реагента, так и для галогенида. [15] Однако конфигурация этой двойной связи, цис или транс, определяется цис -в- транс -изомеризацией палладиевого комплекса на этапе окислительного присоединения, где транс-палладиевый комплекс является преобладающей формой. Когда борорганическое соединение присоединено к двойной связи и связано с алкенилгалогенидом, продукт представляет собой диен, как показано ниже.
Трансметаллирование — это металлоорганическая реакция, в которой лиганды переносятся из одного вида в другой. В случае сочетания Сузуки лиганды переносятся из борорганического вида D в комплекс палладия(II) C , где основание, добавленное на предыдущем этапе, обменивается с заместителем R 2 в борорганическом виде, давая новый комплекс палладия(II) E. Точный механизм трансметаллирования для сочетания Сузуки еще предстоит открыть. Борорганические соединения не подвергаются трансметаллированию в отсутствие основания, и поэтому широко распространено мнение, что роль основания заключается в активации борорганического соединения, а также в содействии образованию промежуточного соединения R 1 -Pd ll -O t Bu ( C ) из продукта окислительного присоединения R 1 -Pd ll -X ( B ). [12]
Последний шаг — это шаг восстановительного элиминирования, где комплекс палладия(II) ( E ) элиминирует продукт ( 3 ) и регенерирует катализатор палладия(0) ( A ). Используя дейтериевую маркировку , Риджуэй и др. показали, что восстановительное элиминирование протекает с сохранением стереохимии. [16]
Лиганд играет важную роль в реакции Сузуки. Обычно в реакции Сузуки используется фосфиновый лиганд. Фосфиновый лиганд увеличивает электронную плотность в металлическом центре комплекса и, следовательно, помогает на этапе окислительного присоединения. Кроме того, объемность замещения фосфинового лиганда помогает на этапе восстановительного элиминирования. Однако в последнее время в этой кросс-связке используются N -гетероциклические карбеновые лиганды из-за нестабильности фосфинового лиганда в условиях реакции Сузуки. [17] N -гетероциклические карбены более богаты электронами и объемны, чем фосфиновый лиганд. Поэтому как стерические, так и электронные факторы N -гетероциклического карбенового лиганда помогают стабилизировать активный катализатор Pd(0). [18]
Преимущества реакции Сузуки по сравнению с другими подобными реакциями включают доступность обычных бороновых кислот, мягкие условия реакции и ее менее токсичную природу. Бороновые кислоты менее токсичны и более безопасны для окружающей среды, чем оловоорганические и цинкорганические соединения . Неорганические побочные продукты легко удалить из реакционной смеси. Кроме того, эта реакция предпочтительна, поскольку в ней используются относительно дешевые и легко приготовляемые реагенты. Возможность использования воды в качестве растворителя [19] делает эту реакцию более экономичной, экологичной и практичной для использования с различными водорастворимыми реагентами. Для реакции Сузуки можно использовать широкий спектр реагентов, например, арил- или винилбороновые кислоты и арил- или винилгалогениды . Работа также расширила область действия реакции, включив алкилбромиды. [20] В дополнение к множеству различных типов галогенидов, возможных для реакции реакции Сузуки, реакция также работает с псевдогалогенидами , такими как трифлаты (OTf), в качестве замены галогенидам . Относительная реакционная способность партнера по связыванию с галогенидом или псевдогалогенидом составляет: R 2 –I > R 2 –OTf > R 2 –Br >> R 2 –Cl. Вместо бороновых кислот можно использовать эфиры борной кислоты и органотрифторборатные соли . Катализатором также может быть катализатор на основе палладиевого наноматериала . [21] С новым органофосфиновым лигандом ( SPhos ) сообщалось о загрузке катализатора до 0,001 мол.%. [22] Эти достижения и общая гибкость процесса сделали связывание Сузуки широко принятым для химического синтеза.
Реакция сочетания Сузуки масштабируема и экономически эффективна для использования в синтезе промежуточных продуктов для фармацевтических препаратов или тонких химикатов . [23] Реакция Сузуки когда-то была ограничена высоким уровнем катализатора и ограниченной доступностью бороновых кислот . Также были найдены замены галогенидам, что увеличило число партнеров сочетания для галогенида или псевдогалогенида. Масштабированные реакции были проведены в синтезе ряда важных биологических соединений, таких как CI-1034, который использовал трифлат и партнеров сочетания бороновой кислоты , который был запущен в масштабе 80 килограмм с выходом 95%. [24]
Другим примером является соединение 3-пиридилборана и 1-бром-3-(метилсульфонил)бензола, которое образовало промежуточное вещество, которое использовалось в синтезе потенциального агента центральной нервной системы. Реакция соединения для образования промежуточного вещества дала 278 килограммов с выходом 92,5%. [15] [23]
Значительные усилия были вложены в разработку гетерогенных катализаторов для реакции Сузуки CC, мотивированные повышением производительности промышленного процесса (устранением отделения катализатора от субстрата), и недавно было показано, что гетерогенный катализатор на основе одного атома Pd превосходит используемый в промышленности гомогенный катализатор Pd(PPh 3 ) 4 . [25]
Сочетание Сузуки часто использовалось в синтезах сложных соединений. [26] [27] Сочетание Сузуки использовалось на производном цитронеллаля для синтеза капарратриена, природного продукта, который очень активен против лейкемии: [28]
Были разработаны различные каталитические применения металлов, отличных от палладия (особенно никеля). [29] Первая реакция кросс-сочетания, катализируемая никелем, была описана Перцеком и его коллегами в 1995 году с использованием арилмезилатов и бороновых кислот. [30] Несмотря на то, что для реакции требовалось большее количество никелевого катализатора , около 5 мол. %, никель не такой дорогой и не такой драгоценный металл, как палладий . Реакция сочетания Сузуки, катализируемая никелем, также позволила получить ряд соединений, которые не работали или работали хуже для системы, катализируемой палладием, чем для системы, катализируемой никелем. [29] Использование никелевых катализаторов позволило использовать электрофилы, которые оказались сложными для исходного сочетания Сузуки с использованием палладия, включая такие субстраты, как фенолы, арильные эфиры, сложные эфиры, фосфаты и фториды. [29]
Исследования катализируемого никелем кросс-сочетания продолжались и увеличили масштаб реакции после того, как были показаны эти первые примеры, и исследовательский интерес вырос. Мияура и Инада сообщили в 2000 году, что более дешевый никелевый катализатор может быть использован для кросс-сочетания , используя трифенилфосфин (PPh 3 ) вместо более дорогих лигандов, которые использовались ранее. [31] Однако кросс-сочетание, катализируемое никелем, по-прежнему требовало высоких загрузок катализатора (3-10%), требовало избыточного лиганда (1-5 эквивалентов) и оставалось чувствительным к воздуху и влаге. [29] Достижения Хана и его коллег пытались решить эту проблему путем разработки метода с использованием малых количеств никелевого катализатора (<1 мол.%) и без дополнительных эквивалентов лиганда. [32]
В 2011 году Ву и его коллеги также сообщили, что можно использовать высокоактивный никелевый катализатор для кросс-сочетания арилхлоридов, для которого требуется всего 0,01-0,1 мол.% никелевого катализатора. Они также показали, что катализатор можно перерабатывать до шести раз практически без потери каталитической активности. [33] Катализатор можно было перерабатывать, поскольку он представлял собой катализатор на основе наночастиц фосфинового никеля (G 3 DenP-Ni), изготовленный из дендримеров .
Преимущества и недостатки применимы как к палладиевым, так и к никелево-катализируемым реакциям сочетания Сузуки. Помимо каталитической системы Pd и Ni, в реакции сочетания Сузуки использовались дешевые и нетоксичные источники металлов, такие как железо и медь [34] . Исследовательская группа Бедфорда [35] и исследовательская группа Накамуры [36] активно работали над разработкой методологии реакции сочетания Сузуки, катализируемой железом. Рутений является еще одним источником металла, который использовался в реакции сочетания Сузуки. [37]
Никелевый катализ может создавать связи CC из амидов. Несмотря на изначально инертную природу амидов как синтонов, для получения связей CC можно использовать следующую методологию. Процедура связывания мягкая и толерантна к множеству функциональных групп, включая: амины, кетоны, гетероциклы, группы с кислотными протонами. Эту технику также можно использовать для получения биоактивных молекул и для объединения гетероциклов контролируемыми способами посредством хитрых последовательных перекрестных связей. Общий обзор схемы реакции приведен ниже. [38]
Синтез тубулин -связывающего соединения ( антипролиферативного агента) был проведен с использованием триметоксибензамида и индолилпинаколатоборонового партнера в граммовом масштабе. [ 38]
Арилбороновые кислоты сравнительно дешевле других органоборанов, и широкий спектр арилбороновых кислот коммерчески доступен. Следовательно, он широко используется в реакции Сузуки в качестве партнера органоборана. Арилтрифторборатные соли являются другим классом органоборанов, которые часто используются, поскольку они менее склонны к протодеборированию по сравнению с арилбороновыми кислотами . Их легко синтезировать и легко очищать. [39] Арилтрифторборатные соли могут быть образованы из бороновых кислот путем обработки гидрофторидом калия , который затем может быть использован в реакции сочетания Сузуки. [40]
Реакция сочетания Сузуки отличается от других реакций сочетания тем, что ее можно проводить в двухфазной органической воде, [41] только в воде [19] или без растворителя. [42] Это увеличило область применения реакций сочетания, поскольку можно было использовать различные водорастворимые основания, каталитические системы и реагенты, не беспокоясь об их растворимости в органическом растворителе. Использование воды в качестве системы растворителя также привлекательно из-за экономических и безопасных преимуществ. Часто используемыми в системах растворителей для сочетания Сузуки являются толуол , [ 43 ] ТГФ , [ 44 ] диоксан , [44] и ДМФА . [ 45] Наиболее часто используемыми основаниями являются K2CO3 , [ 41] KOtBu , [46] Cs2CO3 , [ 47 ] K3PO4 , [ 48 ] NaOH , [49] и NEt3 . [50 ]