Комплексные соединения палладия как катализаторы для реакций кросс-сочетания для получения функциональных материалов

Введение

Синтез углерод-углеродных связей посредством реакций кросс-сочетания, таких как реакции Соногаширы, Мизороки–Хека и Сузуки–Мияуры (рис. 1), представляет собой один из фундаментальных инструментов современной органической химии [1, 2]. Основное значение для этих процессов традиционно имеют катализаторы на основе переходных металлов, в частности палладий. В ходе реакций из так называемых прекатализаторов в реакционную смесь выделяются «безлигандные» частицы палладия, которые являются активными. Свободный палладий в виде частиц Pd⁰ позволяет получать целевые продукты реакций, однако при этом необратимое высвобождение палладия и его осаждение в виде палладиевой черни приводят к снижению каталитической активности, загрязнению конечного продукта и даже потере катализатора в реакционной среде. Для решения этой проблемы предложена новая концепция: контролируемое и обратимое высвобождение палладия из макроциклических комплексов, что обеспечивает невысокую концентрацию металлических частиц, приводящих к образованию новых связей [3].

В связи с этим актуальной задачей является разработка новых каталитических систем, обеспечивающих контролируемое высвобождение активных частиц палладия, высокую стабильность и возможность многократного использования. Современные исследования в этой области сосредоточены на двух основных стратегиях: создание высокостабильных гомогенных комплексов с прочной координацией металла и разработка эффективных гетерогенных катализаторов путем иммобилизации активных центров на различные носители.

В данном обзоре систематизированы и проанализированы последние достижения в области катализа реакций Сузуки–Мияуры, Мизороки–Хека и Соногаширы. Рассматриваются хелатные, пинцерные, N-гетероциклические карбеновые, порфириновые и фталоцианиновые комплексы палладия, анализируется влияние структуры лиганда и координационной сферы на каталитическую активность и стабильность. Оценивается влияние иммобилизации на активность, селективность, возможность регенерации и минимизацию выщелачивания металла и проводится сопоставление эффективности гомогенных и гетерогенных катализаторов в разных типах реакций кросс-сочетания.

Цель обзора – выявление наиболее перспективных направлений в разработке эффективных и устойчивых палладиевых катализаторов, обеспечивающих проведение ключевых реакций образования углерод-углеродных связей в «мягких» условиях с высокими выходами продуктов и минимальным воздействием на окружающую среду.

Первая часть обзора посвящена реакции Соногаширы, открытой в 1975 г. [4], которая в общем случае при взаимодействии терминального алкина с арилгалогенидом в присутствии источника палладия как катализатора и, в отличие от реакций Сузуки–Мияуры и Мизороки–Хека, при наличии сокатализатора йодида меди (I) позволяет получить соединения, содержащие тройную углерод-углеродную связь. Арил- и винилацетилены являются структурными фрагментами многих природных веществ и биологически активных соединений [5, 6], а также ряда оптических и полупроводниковых материалов [7, 8]. Функциональные полимеры на их основе благодаря таким уникальным свойствам, как высокая оптическая активность и электропроводность, находят широкое применение в качестве «умных» материалов, химических датчиков, катализаторов различных процессов [9, 10]. Их используют для создания флуоресцентных узоров и функциональных покрытий [11–13], биовизуализации и в терапии [14].

Катализаторы реакции Соногаширы

Пинцерные комплексы

Пинцерные палладациклы, содержащие халькогены [15], изучены для реакции кросс-сочетания – реакции Соногаширы арилгалогенидов, содержащих заместители различной природы, с фенилацетиленом. Палладациклы с тридентатными CNX-лигандами оказались более эффективными катализаторами, чем комплексы с бидентатными NX-лигандами (X = S, Se). Снижение каталитической активности не наблюдали вплоть до восьмого цикла реакции сочетания. Отмечено образование наночастиц палладия in situ в процессе катализа, что свидетельствует о низкой стабильности комплексов в отсутствие сокатализатора йодида меди и инертной атмосферы при следующих условиях реакции: наличие диметилформамида (ДМФА) и карбоната калия, температура 90 °C.

Авторы работы [16] синтезировали палладиевые комплексы с несимметричными N, S/Se-пинцерными лигандами на основе 8-гидроксихинолина. Данные соединения проявили высокую каталитическую активность в реакции Соногаширы бромбензальдегида с фенилацетиленом в отсутствие йодида меди с загрузкой катализатора 0,5–1,0 % (мольн.) при 90 °C в ДМФА с карбонатом калия в качестве основания. Выходы целевых продуктов составили до 98 % для активированных арилбромидов и йодидов (4-бромбензонитрил, 4-бромнитробензол), а также до 72 % – для дезактивированных субстратов (4-броманизол). Комплекс с селеновым лигандом показал более высокую активность по сравнению с аналогом, содержащим атом серы, что подтверждено теорией функционала плотности (Density Functional Theory – DFT). Эксперименты с ртутной деактивацией и двухфазный тест подтвердили гомогенный механизм катализа через образование Pd⁰. Остальные два комплекса, содержащие серу, из-за низкой растворимости оказались неэффективными. Предложенный протокол отличается простотой, отсутствием токсичных сокатализаторов и материалов, возможностью проведения реакции на воздухе.

В работе [17] разработаны палладий-фосфин-илидные палладациклы в качестве высокоэффективных прекатализаторов для реакции кросс-сочетания арилгалогенидов с фенилацетиленом. Катализаторы демонстрируют высокие выходы продуктов при экстремально низкой загрузке (0,001 % (мольн.)) и работают в отсутствие сокатализатора (CuI), на воздухе, при 130 °C в ДМФА с карбонатом калия в качестве основания. Выходы целевых диарилацетиленов составили до 95 % для активированных арилйодидов и бромидов, 70–76 % – для электронодефицитных арилхлоридов (4-хлорбензальдегид, 4-хлорацетофенон), 58–73 % – для дезактивированных хлоридов при загрузке катализатора 0,01 % (мольн.). Комплекс с объемным симметричным илидным лигандом проявил более высокую активность, чем с менее объемным лигандом. Циклическая вольтамперометрия подтвердила восстановление Pd (II) до Pd (0) в каталитическом цикле, причем ртутный тест указал на гомогенный характер катализа. Среди очевидных преимуществ разработанной каталитической системы можно отметить: сверхнизкое содержание палладия, отсутствие продуктов гомосочетания, устойчивость к воздуху и влаге, а также простоту использования.

Палладацикл, иммобилизованный на наночастицы магнетита, модифицированные олеиновой кислотой, использовали в качестве магнитного гетерогенного катализатора для реакции кросс-сочетания Соногаширы [18]. Применение данного материала позволило исключить соли меди (I) из каталитической системы и добиться оптимального количества катализатора 0,0005 ммоль (в пересчете на палладий), за счет чего снижается негативное влияние на окружающую среду. Кроме того, в ходе оптимизации параметров модельной реакции стало возможным проведение кросс-сочетания йодбензола с фенилацетиленом в этаноле и смесях воды с органическими растворителями. Установлено, что катализатор можно извлечь и повторно использовать без потери активности или выщелачивания палладия в реакционную среду.

Авторы работы [19] изготовили магнитный катализатор, представляющий собой имидазол-фосфиновый пинцерный лиганд, стабилизирующий палладий, закрепленный на частицах магнетита типа «ядро–оболочка» с помощью сшивки полиэтиленгликоля PEG 600 и модификанта поверхности частиц 3-(триэтоксисилил)пропилизоцианата (рис. 2). Катализатор продемонстрировал высокую активность при проведении реакции кросс-сочетания в водной среде, а также при каталитическом восстановлении 4-нитрофенола. Применение воды в качестве единственного растворителя позволило провести реакции в соответствии с принципами зеленой химии при 80–100 °C с выходами до 99 % и значениями частоты оборотов (Turnover Frequency – TOF) до 430 ч^–1. Катализатор сохранял активность в течение 8–10 циклов, обеспечивая высокие выходы целевых продуктов, а по окончании реакции легко выделялся с помощью магнита.

Гетерогенный катализатор на основе пинцерного комплекса палладия со связующим лигандом SeCSe, иммобилизованного на полистирольную матрицу, продемонстрировал высокую активность в реакции Соногаширы различных арилгалогенидов с терминальными алкинами в условиях, не требующих добавления меди [20]. Реакции проведены в среде N-метилпирролидона при 70 °C с использованием фторида тетрабутиламмония в качестве основания и 0,3 % (мольн.) катализатора, что позволило получить 1,2-дизамещенные алкины с выходами до 95 % для арилйодидов, до 91 % – для арилбромидов, до 56 % – для активированных арилхлоридов. Катализатор также успешно применялся для стереоселективного синтеза 1,3-енинов из β-бромстирола с преобладанием транс-изомера (рис. 3). Важным преимуществом является возможность легкого отделения катализатора и его повторного использования без значительной потери активности в течение не менее 6 циклов.

Синтезированы три серии пинцерных комплексов палладия (II) на основе NCN-дииминных лигандов с различными заместителями в четвертом положении ароматического кольца: трет-бутилом (^tBu), водородом и нитрогруппой [21]. Каталитическая активность комплексов исследована в реакции Соногаширы на примере модельной реакции 3-нитробромбензола и фенилацетилена. Установлено, что каталитическая активность комплексов снижается в ряду NO₂ > H > ^tBu, причем комплекс с нитрогруппой в четвертом положении и метильными группами в анилиновых фрагментах проявил максимальную активность, обеспечив выход продукта 92 %. Рентгеноструктурный анализ нитро- и трет-бутилзамещенных комплексов выявил, что электроноакцепторная NO₂-группа приводит к укорочению связи Pd–C и усилению координации азота с палладием, что, по мнению авторов, облегчает стадию окислительного присоединения арилгалогенида в каталитическом цикле и объясняет более высокую активность нитрозамещенных комплексов. Наиболее оптимальные условия реакции, позволившие добиться наибольшего выхода, включали использование 1 % (мольн.) катализатора, ацетата калия в качестве основания, CuI в качестве сокатализатора и N, N-диметилацетамида в качестве растворителя при 90 °C.

Карбеновые комплексы

В работе [22] показана высокая активность N-гетероциклического карбенового комплекса палладия (II) на основе тетрадентатного лиганда с бензимидазольными и пиридиновыми фрагментами в реакции Соногаширы в среде, содержащей диоксан и воду, при 100 °C на воздухе. Использование низкой загрузки катализатора (0,1 % (мольн.)) в сочетании с основанием K₃PO₄·3H₂O позволило достичь высоких выходов диарилацетиленов – до 96 и 83 % для арилбромидов и активированных арилхлоридов соответственно. Вместо стандартного сокатализатора в виде соли меди (I) использован тетрабутиламмоний бромид, что делает синтез экологически чище. Сочетание низкой загрузки катализатора, «мягких» условий, возможности работы на воздухе и использования водосодержащего растворителя делает данный комплекс перспективным и практичным для применения в каталитических системах.

Поли(N-гетероциклический карбеновый Pd (II) комплекс), иммобилизованный на наночастицы диоксида кремния (рис. 4), исследовали в трех реакциях кросс-сочетания – Сузуки–Мияуры, Мизороки–Хека и Соногаширы [23]. Выходы реакции сочетания арилгалогенидов с фенилацетиленом без йодида меди в присутствии основания триэтиламина в водной среде при 90 °C достигли 83–92 %, более того, продолжительность реакций составила 9–22 мин. Полученный материал удалось использовать в реакции йодбензола с фенилацетиленом до 8 раз без существенной потери каталитической активности. Вещество извлекали из реакционной среды и промывали перед последующим использованием, причем вымывание палладия суммарно составило 4,5 % за все 8 циклов использования.

Фталоцианиновые комплексы

Впервые в качестве гомогенных катализаторов реакции Соногаширы применены палладиевые комплексы фталоцианинов [24]. Изучены четыре октаалкокси- и октафеноксизамещенных фталоцианиновых комплекса, а также тетрафенилпорфирин. Наибольшую активность проявил палладиевый комплекс октафеноксифталоцианина, который в сочетании с CuI в качестве сокатализатора и триэтиламином в качестве основания в среде тетрагидрофурана при комнатной температуре обеспечивал кросс-сочетание различных пара-замещенных арилбромидов с фенилацетиленом с выходами до 72 % всего за 8 ч. Ключевым преимуществом данной каталитической системы является реализация процесса в исключительно «мягких» условиях (25 °C) без использования трифенилфосфина или высоких температур. Авторы объясняют высокую эффективность макроциклических комплексов фталоцианинов новой концепцией «медленного высвобождения» палладия из координационно-насыщенного макроцикла, что предотвращает агломерацию металла в неактивные частицы палладия и обеспечивает постоянное присутствие в растворе низких концентраций высокоактивных видов палладия.

Та же группа авторов получила и предложила в качестве высокоэффективных катализаторов реакции Соногаширы палладиевые комплексы тетракис-трет-бутил- и несимметричных A₃B-фталоцианинов [25]. Наибольшую активность проявил палладиевый комплекс нитро-три-трет-бутилзамещенного фталоцианина (рис. 5), который при комнатной температуре обеспечил кросс-сочетание различных пара-замещенных арилбромидов с фенилацетиленом с выходами до 98 % всего за 6 ч. Примечательно, что высокая активность катализаторов сохранялась и для менее активных арилхлоридов, что ранее не демонстрировалось для аналогичных систем.

Известен пример использования фталоцианиновых комплексов палладия (II) для получения биологически активных веществ [26]. Новые 5-алкинилзамещенные производные уридина проявляют высокую антимикобактериальную активность. Тетракис-трет-бутилзамещенный фталоцианин палладия (0,5 % (мольн.)) позволил получить серию соединений с выходами 71–80 % при комнатной температуре. Данная работа демонстрирует перспективы для эффективного синтеза биологически активных соединений в «мягких» условиях за счет применения фталоцианинов в качестве катализаторов реакций кросс-сочетания.

Заключения

Проведенный анализ научно-технической литературы позволяет сделать ряд обобщающих выводов и выявить современные тренды применения палладиевых комплексов различной природы в реакции кросс-сочетания Соногаширы. За последние 10 лет произошла эволюция каталитических систем в сторону зеленой химии. Современные исследования демонстрируют устойчивую тенденцию к отказу от токсичных сокатализаторов (солей меди), использованию экологически безопасных растворителей (вода, этанол, смеси с водой) и проведению реакций на воздухе.

Важно отметить, что на каталитическую активность влияет структура лиганда. Введение электроноакцепторных заместителей (например, нитрогруппы) облегчает стадию окислительного присоединения за счет усиления координации металла с лигандом, что закономерно повышает выход целевых продуктов.

Существуют проблемы со стабильностью и рециклизацией катализаторов, которые решаются гетерогенизацией комплексов, причем подложка также может иметь функциональные особенности, например обладать магнитными свойствами. Иммобилизация палладиевых пинцерных и карбеновых комплексов на магнитные наночастицы (образование структур «ядро–оболочка» с магнетитом) или полистирольную матрицу обеспечивает легкое отделение катализатора от реакционной смеси с помощью магнита или фильтрации, а также его многократное использование (до 8–10 циклов) без существенной потери активности.

Показана уникальность фталоцианиновых комплексов палладия (II), которые впервые применены в качестве гомогенных катализаторов реакции Соногаширы, что позволило провести процесс в исключительно «мягких» условиях (25 °C, без фосфиновых лигандов). Высокая эффективность этих систем объясняется концепцией «медленного высвобождения» палладия из координационно-насыщенного макроцикла, что предотвращает агломерацию металла.

Направленное варьирование структуры лиганда (пинцерные, карбеновые, фталоцианиновые), а также выбор подходящей стратегии иммобилизации позволяют гибко настраивать каталитическую систему реакции Соногаширы, достигая высокой активности, стабильности и соответствия требованиям зеленой химии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (Проект № 24-73-00147).