Реакция Паусона –Кханда (ПК) — это химическая реакция , описываемая как [2+2+1] циклоприсоединение . В ней алкин , алкен и оксид углерода объединяются в α,β- циклопентенон в присутствии металл-карбонильного катализатора [1] [2] Ихсан Улла Кханд (1935–1980) открыл эту реакцию около 1970 года, работая в качестве постдокторанта с Питером Людвигом Паусоном (1925–2013) в Университете Стратклайда в Глазго. [3] [4] [5] Первоначальные открытия Паусона и Кханда были межмолекулярными по своей природе, но реакция имеет плохую селективность. Некоторые современные приложения вместо этого применяют реакцию для внутримолекулярных концов. [6]
Хотя механизм еще не полностью выяснен, объяснение Магнуса 1985 года [12] широко принято как для моно-, так и для двухъядерных катализаторов и подтверждено вычислительными исследованиями, опубликованными Накамурой и Яманакой в 2001 году. [13] Реакция начинается с дикобальтового гексакарбонилацетиленового комплекса . Связывание алкена дает металлациклопентеновый комплекс. Затем CO миграционно встраивается в связь MC. Восстановительное устранение дает циклопентенон . Обычно диссоциация оксида углерода из металлоорганического комплекса является лимитирующей по скорости. [8]
Избирательность
Реакция работает как с терминальными, так и с внутренними алкинами, хотя внутренние алкины, как правило, дают более низкие выходы. Порядок реакционной способности для алкена:
В случае несимметричных алкенов или алкинов реакция редко бывает региоселективной , хотя некоторые закономерности можно наблюдать.
Для монозамещенных алкенов алкиновые заместители обычно направляют: более крупные группы предпочитают положение C2 , а электроноакцепторные группы предпочитают положение C3 .
Однако сам алкен с трудом различает положения C4 и C5 , если только положение C2 не является стерически перегруженным или алкен не имеет хелатирующего гетероатома.
Низкая селективность реакции улучшается во внутримолекулярных реакциях . По этой причине внутримолекулярная реакция Паусона-Кханда распространена в общем синтезе, особенно при образовании 5,5- и 6,5-членных конденсированных бициклов .
Как правило, реакция является высокосин - селективной по отношению к атому водорода в головной части молекулы и заместителям в циклопентане.
Соответствующие хиральные лиганды или вспомогательные вещества могут сделать реакцию энантиоселективной (см. § N-оксиды аминов). Обычно используется BINAP .
Добавки
Типичные условия Паусона-Кханда — это повышенные температуры и давления в ароматических углеводородных (бензол, толуол) или эфирных (тетрагидрофуран, 1,2-дихлорэтан) растворителях. Эти жесткие условия могут быть смягчены добавлением различных добавок.
Впитывающие поверхности
Адсорбция металлического комплекса на кремнеземе или оксиде алюминия может повысить скорость декарбонилирующего обмена лигандов, как показано на рисунке ниже. [15] [16] Это происходит потому, что донор располагается на твердой поверхности (например, кремнеземе). [ необходимо разъяснение ] Кроме того, использование твердой подложки ограничивает конформационное движение ( эффект ротамера ). [17] [18] [19]
Базы Льюиса
Традиционные каталитические добавки, такие как фосфиновые лиганды, делают кобальтовый комплекс слишком стабильным, но объемные фосфитные лиганды работоспособны.
Также считается, что основные добавки Льюиса, такие как n-BuSMe, ускоряют процесс обмена декарбонилирующим лигандом. Однако альтернативная точка зрения гласит, что добавки вместо этого делают вставку олефина необратимой. [20] Соединения серы обычно сложны в обращении и имеют неприятный запах, но n-додецилметилсульфид [21] и тетраметилтиомочевина [22] не страдают от этих проблем и могут улучшить производительность реакции.
АминН-оксиды
Два наиболее распространенных амина N -оксида - это N -метилморфолин N -оксид (NMO) и триметиламин N -оксид (TMANO) . Считается, что эти добавки удаляют лиганды оксида углерода посредством нуклеофильной атаки N -оксида на карбонил CO, окисляя CO до CO 2 и генерируя ненасыщенный металлоорганический комплекс. [23] [24] Это делает первый шаг механизма необратимым и допускает более мягкие условия. Гидраты вышеупомянутых аминов N -оксидов имеют аналогичный эффект. [25] [26] [27]
Добавки N -оксида также могут улучшить энантио- и диастереоселективность, хотя механизм этого не ясен. [28] [29] [30]
Гексакарбонил молибдена является донором оксида углерода в реакциях типа ПК между алленами и алкинами с диметилсульфоксидом в толуоле. [37] Комплексы титана, никеля [38] и циркония [39] допускают реакцию. Другие металлы также могут быть использованы в этих превращениях. [40] [9]
Устойчивость к субстрату
В общем случае аллены поддерживают реакцию Паусона-Ханда; региоселективность определяется выбором металлического катализатора. Исследования функционала плотности показывают, что вариация возникает из-за различных геометрий переходного состояния металла. [41]
Гетероатомы также приемлемы: полный синтез физостигмина Мукаи и др. применил реакцию Паусона-Кханда к карбодиимиду . [42]
Примером более новой версии является использование димера хлордикарбонилродия(I) , [(CO) 2RhCl ] 2 , в синтезе (+)-форбола Филом Бараном . Помимо использования родиевого катализатора, этот синтез характеризуется внутримолекулярной циклизацией, которая приводит к нормальному 5-членному α,β- циклопентенону , а также 7-членному кольцу. [43]
Генерация оксида углеродана месте
Мотив циклопентенона может быть получен из альдегидов, карбоновых кислот и формиатов. В этих примерах в качестве катализатора обычно используется родий, поскольку он широко применяется в реакциях декарбонилирования . Декарбонилирование и реакция ПК происходят в одном и том же реакционном сосуде. [44] [45]
Что касается точки зрения Кханда и Посона на эту реакцию:
Khand, Ihsan U.; Knox, Graham R.; Pauson, Peter L .; Watts, William E. (1973a). «Комплексы органокобальта, часть I: комплексы аренов, полученные из додекакарбонилтетракобальта». Журнал химического общества, Perkin Transactions (1): 975–977. doi :10.1039/p19730000975. ISSN 0300-922X.
Khand, Ihsan U.; Knox, Graham R.; Pauson, Peter L .; Watts, William E.; Foreman, Michael I. (1973b). «Комплексы органокобальта, часть II: Реакция комплексов ацетиленгексакарбонилдикобальта, (R 1 C 2 R 2 )Co 2 (CO) 6 , с норборненом и его производными». Журнал химического общества, Perkin Transactions (1): 977–981. doi :10.1039/p19730000977. ISSN 0300-922X.
Pauson, P. L. ; Khand, IU (1977). «Использование комплексов кобальт-карбонилацетилен в органическом синтезе». Ann. NY Acad. Sci. 295 (1): 2–14. Bibcode :1977NYASA.295....2P. doi :10.1111/j.1749-6632.1977.tb41819.x. S2CID 84203764.
Для современной перспективы:
Хартвиг, Джон Ф. (2010). Органопереходная металлическая химия: от связывания до катализа . Милл-Вэлли, Калифорния: University Science Books. ISBN 978-1-891389-53-5. OCLC 310401036 – через Knovel.
Риос Торрес, Рамон (2012). Риос Торрес, Рамон (ред.). Реакция Паусона-Кханда: область применения, вариации и приложения . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. doi : 10.1002/9781119941934. ISBN 978-1-118-30863-9. OCLC 774982574.
Гибсон, Сьюзан Э.; Стивенацци, Андреа (2003). «Реакция Паусона–Кханда: каталитический век уже здесь!». Angew. Chem. Int. Ed. 42 (16): 1800–1810. doi :10.1002/anie.200200547. PMID 12722067.
Бухвальд, Стивен Л.; Хикс, Фредерик А. (1999). «Реакции типа Паусона–Ханда». В Якобсене, Эрике Н.; Пфальце, Андреасе; Ямамото Хисаши (ред.). Всесторонний асимметричный катализ . Т. II. Берлин: Springer. стр. 491–513.
Ссылки
^ Ханд, И.У.; Нокс, ГР; Паусон, ПЛ; Уоттс, У.Е. (1971). «Реакция расщепления, вызванная кобальтом, и новая серия карбонильных комплексов аренокобальта». Журнал химического общества D: Chemical Communications : 36a. doi :10.1039/C2971000036A.
^ Вернер, Хельмут (2014). «Некролог: Питер Людвиг Паусон (1925–2013)». Энджью. хим. Межд. Эд. 53 (13): 3309. doi :10.1002/anie.201400432.
^ Кханд и др. 1973a.
^ Кханд и др. 1973б.
^ Schore, NE; Croudace, MC (1981-12-01). «Получение бицикло[3.3.0]окт-1-ен-3-она и бицикло[4.3.0]нон-1(9)-ен-8-она посредством внутримолекулярной циклизации .альфа.,.омега.-енинов». Журнал органической химии . 46 (26): 5436–5438. doi :10.1021/jo00339a046. ISSN 0022-3263.
^ Бухвальд и Хикс 1999.
^ ab Hartwig 2010.
^ от Риоса Торреса 2012.
^ Schore, Neil E. (1991). «Реакция циклоприсоединения Паусона–Ханда для синтеза циклопентенонов». Org. React. 40 : 1–90. doi :10.1002/0471264180.or040.01. ISBN0471264180.
^ Гибсон и Стивенацци 2003.
^ Магнус, Филипп; Принсип, Лоуренс М. (январь 1985 г.). «Истоки 1,2- и 1,3-стереоселективности в циклизациях дикобальтоктакарбонил алкен-алкин для синтеза замещенных бицикло[3.3.0]октенонов». Tetrahedron Letters . 26 (40): 4851–4854. doi :10.1016/s0040-4039(00)94968-2. ISSN 0040-4039., позднее расширенный до Magnus, Philip; Exon, Christopher; Albaugh-Robertson, Pamela (1985-01-01). "Комплексы дикобальтоктакарбонил-алкин как промежуточные продукты в синтезе бицикло[3.3.0]октенонов для синтеза кориолина и гирсутовой кислоты". Tetrahedron . 41 (24): 5861–5869. doi :10.1016/S0040-4020(01)91425-5. ISSN 0040-4020.
^ Яманака, Масахиро; Накамура, Эйити (2001-02-01). «Исследования функциональной плотности реакции Паусона-Кханда». Журнал Американского химического общества . 123 (8): 1703–1708. doi :10.1021/ja005565+. ISSN 0002-7863. PMID 11456770.
^ Курти Ласло; Чако Барбара (2005). Стратегическое применение названных реакций в органическом синтезе: предпосылки и подробные механизмы . Амстердам: Elsevier Academic Press. ISBN978-0-12-429785-2. OCLC 60792519.
^ Моримото, Такаши; Хирано, Масао; Этигоя, Коки; Сато, Такафуми (1986). «Окисление ацетатом кобальта(III). Часть 10. Влияние кольцевых заместителей на распределение продуктов окисления β-метилстиролов ацетатом кобальта(III) в уксусной кислоте». Дж. Хим. Soc., Перкин Транс. 2 (8): 1205–1209. дои : 10.1039/p29860001205. ISSN 0300-9580.
^ Браун, Скотт В.; Паусон, Питер Л. (1990). «Синтез азотных гетероциклов через внутримолекулярную реакцию Ханда: образование тетра- и гексагидроциклопента[c]пиррол-5(1H)-онов и гексагидро-6H-2-пиридин-6-онов». Журнал химического общества, Perkin Transactions 1 (4): 1205–1209. doi :10.1039/p19900001205. ISSN 0300-922X.
^ Шилов, Александр Е; Шульпин, Георгий Б (1987-05-31). "Активация и каталитические реакции алканов в растворах металлокомплексов". Журнал химической науки . 56 (5): 442–464. Bibcode :1987RuCRv..56..442S. doi :10.1070/rc1987v056n05abeh003282. ISSN 0036-021X. S2CID 250841849.
^ Смит, WA; Киреев, SL; Нефедов, OM; Тарасов, VA (1989-01-01). "Метиленциклопропан как компонент алкена в реакции Ханда-Паусона". Tetrahedron Letters . 30 (30): 4021–4024. doi :10.1016/S0040-4039(00)99313-4. ISSN 0040-4039.
^ Валле, Карлос Перес дель; Милет, Энн; Джимберт, Ив; Грин, Эндрю Э. (2005). «Промоторы оснований Льюиса в реакции Посона–Кханда: другой сценарий». Angewandte Chemie International Edition . 44 (35): 5717–5719. doi :10.1002/anie.200500955. ISSN 1521-3773. PMID 16078280.
^ Кокрейн, Элисон Р.; Керр, Уильям Дж.; Патерсон, Лора К.; Пирсон, Колин М.; Шоу, Пол (2021-01-08). «Достижения в катализируемой кобальтом реакции Посона-Ханда: разработка протокола, продвигаемого сульфидом и поддерживаемого микроволнами». Тетраэдр . 78 : 131805. doi : 10.1016/j.tet.2020.131805. ISSN 0040-4020. S2CID 229387356.
^ Рейтер, Карин; Фёгтле, Фриц (март 2000 г.). «Ротаксаны через добавление Майкла†». Organic Letters . 2 (5): 593–595. doi :10.1021/ol990350u. ISSN 1523-7060. PMID 10814386.
^ Шамбаяни, Соруш; Кроу, Уильям Э.; Шрайбер, Стюарт Л. (1 января 1990 г.). «N-оксид способствует циклизации Паусон-Ханда при комнатной температуре». Буквы тетраэдра . 31 (37): 5289–5292. doi : 10.1016/S0040-4039(00)98052-3. ISSN 0040-4039.
^ Альпер, Ховард; Эдвард, Дж. Т. (2011-02-03). «Реакции пентакарбонила железа с соединениями, содержащими связь N—O». Канадский журнал химии . 48 (10): 1543–1549. doi : 10.1139/v70-251 .
^ Кроуфорд, Джеймс Дж.; Керр, Уильям Дж.; Маклафлин, Марк; Моррисон, Ангус Дж.; Паусон, Питер Л.; Терстон, Грэм Дж. (4 декабря 2006 г.). «Использование высокоэффективной внутримолекулярной циклизации Паусона-Кханда для формального полного синтеза (±)-α- и β-цедрена путем получения цедрона». Тетраэдр . 62 (49): 11360–11370. дои : 10.1016/j.tet.2006.05.044. ISSN 0040-4020.
^ Крафт, Мари Э.; Ромеро, Ромуло Х.; Скотт, Ян Л. (1992-09-01). «Реакция Паусона-Ханда с электронодефицитными алкинами». Журнал органической химии . 57 (20): 5277–5278. doi :10.1021/jo00046a001. ISSN 0022-3263.
^ Бернард, Ваня; Канн, Нина; Риера, Антони; Мояно, Альберт; Перикас, Микель А.; Грин, Эндрю Э. (1 октября 1995 г.). «Асимметричная циклизация Паусона-Ханда: формальный полный синтез природного брефельдина А». Журнал органической химии . 60 (21): 6670–6671. дои : 10.1021/jo00126a010. ISSN 0022-3263.
^ ab Jamison, Timothy F.; Shambayati, Soroosh; Crowe, William E.; Schreiber, Stuart L. (1997-05-01). "Тандемное использование реакций, опосредованных кобальтом, для синтеза (+)-эпоксидиктимена, дитерпена, содержащего трансконденсированную 5−5-кольцевую систему". Журнал Американского химического общества . 119 (19): 4353–4363. doi :10.1021/ja970022u. ISSN 0002-7863.
^ Carbery, David R.; Kerr, William J.; Lindsay, David M.; Scott, James S.; Watson, Stephen P. (2000-04-22). «Подготовка и реакция десимметризованных комплексов кобальта и алкинов». Tetrahedron Letters . 41 (17): 3235–3239. doi :10.1016/S0040-4039(00)00356-7. ISSN 0040-4039.
^ Йончик, Анджей; Конарска, Анна (июль 1999 г.). «Генерация и реакции аммоний-илидов в основных двухфазных системах: удобный синтез циклопропанов, оксиранов и алкенов, замещенных электроноакцепторными группами». Synlett . 1999 (7): 1085–1087. doi :10.1055/s-1999-2757. ISSN 0936-5214. S2CID 196781210.
^ Ким, Чон Вук; Чунг, Ён Кын (февраль 1998 г.). «Реакция Паусона-Кханда, катализируемая Co4(CO)12». Синтез . 1998 (2): 142–144. doi :10.1055/s-1998-2016. ISSN 0039-7881. S2CID 196736582.
^ Сугихара, Такумичи; Ямагучи, Масахико (1998-10-01). «Реакция Паусона-Кханда, катализируемая метилидинетрикобальтовым нонакарбонильным кластером». Журнал Американского химического общества . 120 (41): 10782–10783. doi :10.1021/ja982635s. ISSN 0002-7863.
^ Хо, Це-Лок (2016). «Дикобальт октакарбонил». Реагенты Физерса для органического синтеза . Том 28. John Wiley & Sons . С. 251–252. ISBN9781118942819.
^ Ли, Нам Янг; Чунг, Янг Кын (апрель 1996 г.). «Синтез циклопентенонов: новая каталитическая реакция коциклизации алкина, алкена и оксида углерода с использованием каталитических Co(acac)2 и NaBH4». Tetrahedron Letters . 37 (18): 3145–3148. doi :10.1016/0040-4039(96)00513-8. ISSN 0040-4039.
^ Nakcheol Jeong, Byung Ki Sung, Jin Sung Kim, Soon Bong Park, Sung Deok Seo, Jin Young Shin, Kyu Yeol In, Yoon Kyung Choi Реакция типа Pauson–Khand, опосредованная катализаторами Rh(I) Pure Appl. Chem. , т. 74, № 1, стр. 85–91, 2002 г. (Статья в Интернете)
^ Кент, Дж. (1995). «Новое алленовое циклоприсоединение Паусона-Кханда для получения α-метиленциклопентенонов». Tetrahedron Letters . 36 (14): 2407–2410. doi :10.1016/0040-4039(95)00315-4.
^ Титан:
Хикс, Фредерик А.; Бухвальд, Стивен Л. (1996-01-01). "Высокоэнантиоселективное каталитическое образование бициклических циклопентенонов по типу Паусона-Ханда". Журнал Американского химического общества . 118 (46): 11688–11689. doi :10.1021/ja9630452. ISSN 0002-7863.
Хикс, Фредерик А.; Каблауи, Наташа М.; Бухвальд, Стивен Л. (январь 1996 г.). «Циклокарбонилирование энинов в циклопентеноны, катализируемое титаноценом». Журнал Американского химического общества . 118 (39): 9450–9451. doi :10.1021/ja9621509. ISSN 0002-7863.
Никель:
Чжан, Минхуэй; Бухвальд, Стивен Л. (январь 1996 г.). «Процесс превращения энинов в бициклические циклопентеноны, катализируемый никелем (0)». Журнал органической химии . 61 (14): 4498–4499. doi :10.1021/jo960410z. ISSN 0022-3263. PMID 11667365.
^
Negishi, Eiichi; Holmes, Steven J.; Tour, James M.; Miller, Joseph A. (1985-04-01). "Циклизация, стимулируемая металлом. 7. Бициклизация енинов, стимулируемая цирконием". Журнал Американского химического общества . 107 (8): 2568–2569. doi :10.1021/ja00294a071. ISSN 0002-7863.
Негиси, Эйичи; Холмс, Стивен Дж.; Тур, Джеймс М.; Миллер, Джозеф А.; Седербаум, Фредрик Э.; Суонсон, Дуглас Р.; Такахаси, Тамоцу (апрель 1989 г.). «Циклизация, стимулируемая металлами. 19. Новая бициклизация енинов и диинов, стимулируемая производными цирконоцена, и превращение цирконабициклов в бициклические еноны посредством карбонилирования». Журнал Американского химического общества . 111 (9): 3336–3346. дои : 10.1021/ja00191a035. ISSN 0002-7863.
^ Jeong, Nakcheol; Hwang, Sung Hee; Lee, Youngshin; Chung, Young Keun (апрель 1994 г.). «Каталитическая версия внутримолекулярной реакции Паусона-Кханда». Журнал Американского химического общества . 116 (7): 3159–3160. doi :10.1021/ja00086a070. ISSN 0002-7863.
^ Bayden, Alexander S.; Brummond, Kay M .; Jordan, Kenneth D. (2006-10-01). "Computational Insight Concerning Catalytic Decision Points of the Transition Metal Catalyzed [2 + 2 + 1] Cyclocarbonylation Reaction of Allenes". Organometallics . 25 (22): 5204–5206. doi :10.1021/om0607503. ISSN 0276-7333. PMC 4441411 . PMID 26005240.
^ Кавамура, Шухей; Чу, Ханг; Фелдинг, Якоб; Баран, Фил С. (2016). «Девятнадцатишаговый полный синтез (+)-форбола». Nature . 532 (7597): 90–93. Bibcode :2016Natur.532...90K. doi :10.1038/nature17153. PMC 4833603 . PMID 27007853.
^ Моримото, Цумору; Фудзи, Кодзи; Цуцуми, Кен; Какиучи, Киёми (2002). «Реакции карбонилирования с переносом CO. Каталитическая реакция типа Паусона-Кханда энинов с альдегидами как источником оксида углерода». Журнал Американского химического общества . 124 (15): 3806–3807. doi :10.1021/ja0126881. PMID 11942798.
^ Шибата, Таканори; Тосида, Нацуко; Такаги, Кентаро (2002). «Каталитическая реакция типа Паусона-Кханда с использованием альдегидов в качестве источника CO». Organic Letters . 4 (9): 1619–1621. doi :10.1021/ol025836g. PMID 11975643.