Homogénea Oro Catalizadores y alquinos: Un enlace con éxito

Resumen: El uso de la combinación de oro-catalizadores homogéneos y alquinos en síntesis orgánica se revisa desde sus inicios en la formación de CN-bond a los últimos desarrollos en la formación de CC-bono.

Se discute el principio básico común de estas reacciones. Se presta especial atención a la cuestión de dónde los catalizadores de oro son superiores a cualquiera de los demás catalizadores o sintética más tradicional se acerca a las moléculas de producto.

Catálisis con metales de transición se ha convertido en una de las herramientas más importantes en la síntesis orgánica. Permitió totalmente nuevas transformaciones que no eran posibles anteriormente por reacciones orgánicas "tradicionales" y por lo tanto aumentan significativamente la eficiencia de la síntesis. También hizo análisis retrosintético más exigente como muchas de las transformaciones van junto con un notable incremento en complejidad molecular (1) que hace que la relación entre el producto y el material de partida más difícil de reconocer. En muchas de estas reacciones, especialmente en el caso de metales de transición finales, CC enlaces múltiples, ya sea en alquenos o alquinos, son el sitio de reacción.

Antecedentes teóricos

En el campo de la catálisis homogénea de oro los alquinos 1, que tienen el motivo estructural de un enlace CC-triple, pertenecen a los sustratos más populares. La razón de que la popularidad es la alta reactividad de los alquinos que se origina a partir de su estructura electrónica (2). A menudo, los alquenos correspondientes con su vínculo-CC doble son menos reactivos.

Por un lado, los alquinos poseen dos orbitales π ortogonales con alto contenido de energía ocupado por dos electrones cada uno.

Estos reaccionan con reactivos electrófilos (E) como halógenos en síntesis orgánica o centros metálicos electrófilos como el oro (en los estados de oxidación I o III) en el campo de la catálisis con metales de transición (3,4). En la interacción con un centro de metal tanto el π orbital en el plano del metal de coordinación y el orbital perpendicular a ella son capaces de interactuar con los dorbitals del metal.

Por otro lado, el desocupado más bajo orbital de los alquinos es bajo en energía y por lo tanto con impaciencia reaccionan con nucleófilos fuertes como por ejemplo etino 2 con cantidades catalíticas de alkoholates en la síntesis de Reppe de éteres de vinilo 3 (5).

Lo más lamentable, nucleófilos débiles (Nu) no reaccionan directamente con los alquinos, aunque esto a menudo se desea en la síntesis orgánica. Pero el alquino puede ser activado por la coordinación de los complejos de oro electrófilos como se mencionó anteriormente. Esta coordinación se retira densidad electrónica del alquino y por lo tanto hace que el alquino más electrofílico, ahora el ataque deseado de nucleófilos débiles es posible, también.

Varios ejemplos para este _ modo de coordinación tanto de oro (I) y oro (III) son conocidos en la literatura (6,7,8), algunos ejemplos incluso se han caracterizado por la estructura de cristal de rayos X de análisis (9 , 10). Aquí las CC-bonos aumenta la longitud de 1,19 Å, un valor normal para un alquino, a 1,26 Å. Esto es exactamente lo que uno esperaría cuando la densidad de electrones se retira de un orbital enlazante del alquino por el oro electrofílico. Al mismo tiempo la longitud Au-C-enlace entre 2,05 y 2,10 Å es bastante corta y por lo tanto refleja un lazo muy fuerte de que electrófilo con el alquino. Por otra parte, incluso una π quelante coordinación a los bis-alquinos se ha demostrado (11,12).

Sólo para alquinos terminales 4 y etino en sí, que tanto OSO un átomo de hidrógeno en un extremo de la unión-CC triple, un segundo modo de interacción, especialmente con oro (I) - complejos, es bien conocido. El oro sustituye a este átomo de hidrógeno en la presencia de una base que ocupa el átomo de hidrógeno como un protón y forma complejos de oro (I),-alquinilo 5. Este último son estables, puede ser aislado y las unidades alquinilo no reaccionan fácilmente con nucleófilos (13).

En ocasiones ambos motivos estructurales, la _-coordinación y un oro-alquinilo-_-bono como en 6 se pueden encontrar en algunas estructuras (14,15).

El principio

Informes singulares y dispersos en la activación de enlaces CC-terna (16) demostraron que el oro (III) puede ser superior a la de mercurio (II) en la activación de alquinos para la adición de nucleófilos como H2O o Cl-. En ese momento de mercurio (II) en medio ácido se considera que el catalizador mucho más activo para la adición de H2O para alquinos (17). El primero en reconocer realmente las ventajas de los catalizadores de oro por un enfoque lógico era Hutchings en 1985 (18). Se aplica con éxito este principio para la catálisis heterogénea del hidrocloración del etino 2 al cloruro de vinilo 7, un elemento importante para los polímeros de vinilo; esto ha beenreviewed recientemente (19,20).

La reacción con nitrógeno nucleófilos

En 1987 Utimoto et al. buscaron un catalizador eficaz para la adición nucleófila intramolecular del grupo amino en 8 a la alquino, un ciclación a la tetrahidropiridina heterociclo de seis miembros 10. Las dos etapas implicadas son la adición de la amina a la alquino seguido por la tautomerización de la ENAMIN intermedio 9 al imin en el producto 10. en ese momento paladio (II) y el mercurio (II) fueron las especies conocidas para activar enlaces-CC múltiple para la adición de

nucleófilos, pero dieron malos resultados con los sustratos de tipo 8. grupo Utimotos descubrió que mientras que el 5% en moles de paladio (II)-complejos a 97 º C dio un rendimiento del 70% después de 20 horas, 5% en moles de Na [AuCl4] • H2O dio un rendimiento cuantitativo después de sólo 12 horas a temperatura ambiente (21,22).

Los correspondientes 4-alquilaminas 11 y 3 - alquilaminas 12 ciclados selectivamente a la relacionada dihidropirrol 15. En 11 el nucleófilo todavía puede alcanzar el extremo interno de la unión-CC triple y formar el ENAMIN 13, 12 en sólo el átomo de carbono exterior del alquino puede ser atacada y el ENAMIN 14 es el intermedio. Ambos tipos de heterociclos se encuentran con frecuencia en los productos naturales, y Utimoto también utilizan esta metodología para la síntesis de algunos productos naturales. Complejos de oro todavía oscilan entre los catalizadores más efectivos para la aminación intramolecular de enlaces triples (23), sobre todo porque a diferencia de los catalizadores de lantánidos más nuevos (donde a menudo se tiene que trabajar en una caja de guantes!) (24,25), es no es necesario excluir completamente la humedad y el oxígeno, los de oro-catalizadores son bastante robusto.

En 1996 Lok et al. utilizado el catiónico [Au (S (CH2) 5)] + BF4 - para la ciclación intramolecular para dihidropirimidina heterociclos 16 (26). Aquí la velocidad de reacción es la misma que en la catálisis por AgBF4.

T. E. Müller et al. investigado varios complejos de metales de transición diferentes y se encontró que un complejo de oro (III)-fosfina con débilmente coordinante contador de iones nitrato fue el complejo de oro más activo, aunque por su sustrato de prueba de cobre catiónico (I)-catalizador poseía la mayor actividad

(27,28). Mientras que él primero fue incapaz de repetir resultados Utimotos (27), que más tarde obtuvo un rendimiento cuantitativo con un catalizador modificado, también (28).

Muy recientemente Arcadi et al. informó de que el heterociclo aromático de pirrol 18 puede formarse a partir de los eninos 17. Incluso la condensación de aminas primarias con cetonas se acelera por A [CuCl4] • 2 H2O (29). Por lo tanto ambas etapas, la unión del grupo amino nucleofílico de 20 y la ciclación intramolecular con el alquino de 19 puede llevarse a cabo en un procedimiento eficiente en un solo recipiente entrega 21.

El catalizador de paladio relacionada sólo conduce a la-furano derivado de 22, no se observó condensación del grupo carbonilo con la amina.

La reacción con el oxígeno-nucleófilos

Utimoto et al. reconocido inmediatamente que sí, más débil nucleófilos también deben añadir a alquinos en presencia de oro-catalizadores. Por lo tanto, se investigó la adición de agua para los alquinos 1 (30). Sintéticamente, esta es una interesante y equivalente atractivo de la oxidación de Wacker de olefinas para producir cetonas (31), porque carece de la necesidad de un in situ reoxidación del catalizador. Con 2% en moles de Na [AuCl4] en una mezcla de metanol / agua después de una hora, la cetona fue obtenida, se aislaron con dimethylketals metanol puro. Akynes internos (R y? H R2) reaccionaron lentamente y se entregan mezclas de los dos isómeros imaginables 23/24 o 25/26.

Sustratos con un grupo alkohol al lado del alquino reaccionado con lentitud, la protección con un éster o un grupo éter eliminado ese problema. Además, estos grupos de protección resuelto el problema de la selectividad. El éter 27 dirigida al nucleófilo al átomo de carbono a distancia y después de la cetona 28 8 se forma, el alcohol se elimina para proporcionar un cetona insaturada 29 mientras que el éster 30 dirigió la nucleófilo al átomo de carbono adyacente del triple enlace (a 31). Para la síntesis orgánica de la formación 29 mientras que el éster 30 dirigió la nucleófilo al átomo de carbono adyacente del triple enlace (a 31). Para la síntesis orgánica de la formación de un equivalente no ácida de la reordenación Meyer-Schuster (33) de alcoholes propargílicos.

En 1992 una patente japonesa tomó esta idea, se informó la síntesis de acetales de alquinos y alcoholes de distinta catalizadores de oro (34).

Utimoto et al. También afirmaron que de oro (I)-complejos fueron ineficaz para estas conversiones, pero sólo trataron

K [Au (CN) 2], un oro co-ordinatively saturado (I) del complejo con dos fuertes ligandos de cianuro que se apenas sustituidos por el alquino en el sustrato. Lok et al. fueron los primeros en aplicar un oro catiónico (I) de catalizador, pero el último era todavía co-ordinatively saturado con dos ligandos fuertes. También declararon que ni K [Au (CN) 2] ni de Au (PPh3) Cl estaban activos (26). En 1998

Teles et al. BASF AG volvió a investigar la adición de agua y alcoholes a los alquinos y descubrieron que una , oro catiónico co-ordinatively insaturado (I)-especies [Lau] + era un catalizador muy eficaz. Los factores de frecuencia de hasta 105 y las frecuencias de rotación de hasta 5400 h-1 fue posible contactar (35,36).

Una otra notable hallazgo de Teles 'se deriva de cálculos de la ruta de reacción. Estos sugieren que, diferente de la habitual ataque del nucleófilo (Nu) desde el lado opuesto al metal coordinado (32 → 33) como asumido para otros metales electrófilos (Met) (37), oro (I) dirige el nucleófilo alcohol para el lado de la coordinada de metal (34 6 35).

Recientemente Tanaka et al. reactivos similares usados para el generación de la oro especies catalíticamente activo (I) a catalizar la adición de agua a alquinos. Informaron que en metanol acuoso un disolvente con tan poco como 0,005% en moles catalizadores excelentes rendimientos de las cetonas deseadas podrían ser obtenida y las frecuencias de rotación de hasta 14.000 h-1, con 1 atmósfera de monóxido de carbono como aditivo incluso 15.600 h-1, se han alcanzado (38).

Formación de C-C-bond

El primer ejemplo de una formación de CC-bono fue reportado por Gasparini et al. (39). Es muy difícil reconocer cómo dos de los alquinos 36 y algo de nitrógeno y de oxígeno que contiene moléculas, más probablemente, óxidos de nitrilo, se ensamblan a la oxazoles 37

En 2000 mi grupo de investigación descubrió el oro catalizada isomerización de furanos 38 que poseen grupos alquinilo a los correspondientes arenos altamente sustituidos y anellated 39 (40). Alquilo, arilo (41) y alquinilo sustituyentes son tolerados.

En esta reacción de catálisis de oro (III) era claramente el más catalizador activo (42), de hecho, con otros catalizadores de metales de transición de la reacción es tan lenta que probablemente nunca haría se han detectado (y por lo tanto descubierto). Los datos de

cinética para los diferentes metales se comparan en la Figura 1, por favor cuenta de que el oro era demasiado activo para medir la cinética anteriores 10 ° C, mientras que los otros metales necesarios 50 ° C para dar tasas detectable. La ventaja de esta ruta a arenos es la selectividad. lo

No es trivial para construir arenos altamente sustituidos en un de manera selectiva, a menudo grandes cantidades de productos secundarios se forman. Aquí este problema se desplaza a un selectiva la síntesis de un heterociclo furano, que es mucho más fácil. algunos furanos son aún accesibles a partir de los hidratos de carbono (43) y por lo tanto son materias primas renovables (se produce de furfural por ejemplo partir de residuos agrícolas). En este notable reacción de cuatro o incluso cinco bonos nuevos (42) se forman.

Posteriormente Dankwardt demostró que, aparte de los ricos furano electrón como una pareja de reacción nucleofílica, también silil enol éteres, como en el 40 se pueden ofrecer intramolecularmente (44). En este caso los productos están funcionalizados naftalenos 41. Mientras que aquí los rendimientos obtenidos con la oro-catalizador fueron bajos e inferiores a los rendimientos de algunos rodio-catalizadores, cuando se utilizó el pirrol en 42 como nucleófilo, el mejor rendimiento se obtuvo con oro (III) - catalizadores; Ahora el alquino ataca a la posición 3 de dicho heterociclo y produce el benzoindole 43.

El último hallazgo fue verdaderamente notable de Yamamoto síntesis de naphthylketones de fácil acceso o-alquinilo benzaldehídos 44 (45).

Aquí una vez más el alquino es activado por el ataque intramolecular de un nucleófilo débil, el átomo de oxígeno del grupo carbonilo, el compuesto intermedio a continuación, se somete a una cicloadición intermolecular con la segundo alquino 1. Finalmente un 1,4-eliminación conduce a la producto 45

Las reacciones de los alenos isoméricas

Alenos son isómeros de los alquinos que poseen un acumulado sistema de dos enlaces-CC doble en vez de la CC de triple de bonos, por lo tanto uno esperaría su química para reflejar el activación de C-C-enlaces múltiples por el oro también. Muy útil en este contexto es la presión adicional que va junto con el átomo de carbono sp-hibridado en el centro de la aleno y que, además, activa la olefina. Mi grupo encontró que cetonas alenilo 46 de manera eficiente podrían cycloisomerized con AuCl3 en acetonitrilo (46). Además de la correspondiente furanos 48, las cuales fueron conocidas para ser formado en la Ag (I) reacción catalizada Marshall (47) y (pero con un máximo de 30 % en moles de AgNO3), con el catalizador de oro un dímero inesperado 49 se formó. Este dímero es un isómero constitucional de la dímero 47 de paladio (II) reacciones catalizadas por (48).

Por otra parte, y de forma sintética más relevante, una dimerización transversal del alenilo cetonas 46 y vinilo cetonas 50 a 51, que nunca trabajó con los catalizadores de paladio, fue posible con el catalizador de oro (46).

Krause et al. tomó este principio para la ciclación de alenilo enantioméricamente puro carbinoles 52 a dihidrofuranos 53 de una manera perfectamente estereocontroladas (49). especialmente con sustratos sensibles al ácido de oro fue superior a la otra métodos

como la resina ácida Amberlyst 15. Por otra parte, incluso en comparación con bien establecido-Ag de Marshall (I) catalizada ciclación de alenilo carbinoles (50,47,51), AuCl3 aumenta la tasa y por lo tanto permite la ciclación de notoriamente diferente sustratos como éteres de sililo.

Conclusión

Catalizadores de oro ya han demostrado sus beneficios en el catálisis homogénea de reacciones orgánicas que implican los bonos-CC triples de alquinos como grupos funcionales. Isómeros de los alquinos, los alenos reaccionan de una manera similar. El común principio de todas estas reacciones es la activación electrófila de la unión-CC múltiple por una coordinación con el oro. A menudo la actividad de los catalizadores de oro es mayor que la actividad de otros catalizadores conocidos o que forman selectivamente otra productos. Especialmente las nuevas reacciones de formación de enlaces CC-va probablemente iniciar más intensos esfuerzos en la utilización de los catalizadores de oro en reacciones orgánicas, que abarcan tanto catálisis homogénea y la catálisis heterogénea.

Una cuestión abierta es aún el estado de oxidación de la catalizador. Hutchings encontrado oro (III) a ser más activo. la estructura cristalina analiza también proporcionan evidencia de un fuerte back-donación en los complejos (I) D10-oro. Esto significa que el activación electophilic debe ser disminuida por un backdonation tales. Por otro lado, el catalizador de oro con el actividad más alta conocida hasta el momento es de oro (I) catalizador Teles. Aún estamos deben recordar que lo que ponemos en el matraz puede ser sólo un pre-catalizador; oro (III) puede ser reducido in situ por el sustrato orgánico insaturado, de oro (I) podría desproporcionada en relación con el oro (0) y oro (III). Se hace evidente que todavía queda mucho por hacer para lograr una plena comprensión