Согласованное депротонирование металлирования

Согласованное металлирование-депротонирование (CMD) , катализируемые переходными металлами активации C – H представляет собой механический путь, по которому могут происходить реакции . В пути CMD связь C–H субстрата расщепляется, и новая связь C–металл образуется через одно переходное состояние . ^{[ 1 ]} Этот процесс не происходит через гидриды металлов, связанные с отщепленным атомом водорода. Вместо этого карбоксилатное или карбонатное основание депротонирует субстрат. ^{[ 2 ]} Первое предложение согласованного пути депротонирования металлирования было сделано С. Уинштейном и Т.Г. Трейлором в 1955 году для ацетолиза дифенилртути. ^{[ 3 ]} В ряде компьютерных исследований было обнаружено, что это переходное состояние с наименьшей энергией. ^{[ 4 ]} было экспериментально подтверждено экспериментами ЯМР , ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} и было высказано предположение, что это происходит в механистических исследованиях. ^{[ 7 ]}

Хотя существует ряд различных возможных механизмов активации CH, путь CMD является общим для высоковалентных поздних переходных металлов, таких как Pd. ^II, ^{[ 8 ]} резус ^III, и ^IIIи Ру ^II. ^{[ 9 ]} Было обнаружено, что связи C–H подвергаются активации CH через CMD, включая арильные, ^{[ 1 ]} алкил, ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} и алкенил. ^{[ 2 ]} Исследования ЦМД открыли путь к разработке многих новых реакций функционализации C–H, особенно в области прямого арилирования и алкилирования палладием и рутением. ^{[ 2 ]}

Механизм

CMD начинается с высоковалентного металла позднего перехода, такого как Pd. ^II который может быть связан или не связан с карбоксилат-анионом. ^{[ 1 ]} На начальных стадиях обычно происходит координация связи C–H с металлом с образованием сигма-комплекса металл–углеводород . ^{[ 12 ]} Рассчитанное переходное состояние включает согласованное частичное образование связи углерод-металл и частичное протонирование карбоксилата. При этом начинает разрываться любая анионная связь металл-карбоксилат, а также активируемая связь углерод-водород. По сравнению с другими возможными процессами, такими как окислительное присоединение связи C–H к металлу, CMD во многих случаях имеет меньшую энергию. ^{[ 13 ]} Переходное состояние, в котором карбоксилат связан с металлом, можно назвать либо CMD, либо AMLA, что означает «амбифильная помощь металл-лиганд», но последнее подчеркивает, что карбоксилат действует как лиганд во время переходного состояния. ^{[ 4 ]}

История

В 1955 г. С. Уинштейн и Т. Т. Трейлор опубликовали исследование механизма ацетолиза ртутьорганических соединений. Они предлагают ряд возможных механизмов этого процесса, которые исключают на основе своих кинетических данных. Предполагается согласованное депротонирование металлирования, и они не могут исключить его на основании собранных данных.

Металлирование органических связей C–H было распространено с ртути на палладий в 1968 году Дж. М. Дэвидсоном и К. Триггсом, которые определили, что ацетат палладия реагирует с бензолом в хлорной кислоте и уксусной кислоте с образованием дифенила , палладия (0) и 2 эквивалентов уксусную кислоту через палладийорганическое промежуточное соединение. ^{[ 14 ]} Ранние механистические исследования показали, что ацетат палладия был лучшим прекатализатором палладия из-за присутствия ацетатного лиганда. ^{[ 1 ]} Механические исследования продолжаются с момента этих первоначальных открытий, а в 2021 году инфракрасная спектроскопия во временном масштабе пикосекунда-миллисекунда была использована для наблюдения состояний, участвующих в переносе протона от уксусной кислоты к металлированному лиганду, что является микроскопической противоположностью согласованного депротонирования металлирования. процесс. ^{[ 15 ]}

Примеры

Реакционные системы, которые менее эффективны или полностью неактивны в отсутствие карбоксилатных кислот и оснований, вероятно, протекают по согласованному пути реакции протонирования металлирования. ^{[ 15 ]} Пример такой реакции с sp ³ Связь C–H, о которой сообщили в 2007 году Кейт Фагноу и его коллеги, представляет собой внутримолекулярную циклизацию, в которой используется палладиевый катализатор. ^{[ 16 ]}

sp3 C–H activation by CMD mechanism from Keith Fagnou and co-workers in 2007

Яркий пример катализируемой рутением реакции, в которой происходит направленное металлирование посредством CMD, был описан Игорем Лароссой и его коллегами в 2018 году. Рутениевый катализатор толерантен к функциональным группам и позволяет на поздней стадии синтезировать фармацевтически значимые биарилы. ^{[ 17 ]}

Пример направленного арилирования, происходящего в результате согласованного депротонирования металлов, сделанного Игорем Лароссой и его коллегами в 2018 году. — Example of directed arylation that occurs through concerted metalation deprotonation by Igor Larossa and coworkers in 2018

Важность карбоксилата

Многие реакции активации C–H, особенно с участием поздних переходных металлов, требуют карбоксилатных или карбонатных оснований. ^{[ 11 ]} Необходимость этого компонента реакции часто предполагает наличие пути CMD. ^{[ 2 ]} Однако для того, чтобы его можно было классифицировать как CMD, переходное состояние не обязательно должно включать карбоксилат в качестве лиганда металла. ^{[ 4 ]} Общие источники карбоксилата включают пивалат , ацетат и бензоат . ^{[ 1 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лапойнт, Дэвид; Фаньу, Кейт (18 сентября 2010 г.). «Обзор механистической работы на согласованном пути металлирования-депротонации» . Химические письма . 39 (11): 1118–1126. дои : 10.1246/кл.2010.1118 . ISSN 0366-7022 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Акерманн, Лутц (9 марта 2011 г.). «Функционализация связи C-H, катализируемая карбоксилатом переходного металла: механизм и сфера применения» . Химические обзоры . 111 (3): 1315–1345. дои : 10.1021/cr100412j . ISSN 0009-2665 . ПМИД 21391562 .
^ Уинштейн, С.; Трейлор, Т.Г. (1 июля 1955 г.). «Механизмы реакции ртутьорганических соединений. II. Электрофильное замещение на насыщенном углероде. Ацетолиз диалкилртутных соединений» . Журнал Американского химического общества . 77 (14): 3747–3752. дои : 10.1021/ja01619a021 . ISSN 0002-7863 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Дэвис, Дэвид Л.; Макгрегор, Стюарт А.; Макмаллин, Клэр Л. (12 июля 2017 г.). «Вычислительные исследования карбоксилат-активации и функционализации C – H в центрах переходных металлов групп 8–10» . Химические обзоры . 117 (13): 8649–8709. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00839 . hdl : 2381/40233 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 28530807 .
^ Капди, Анант Р. (29 января 2014 г.). «Металлоорганические аспекты региоселективной функционализации связей C–H аренов и гетероаренов, катализируемых переходными металлами» . Транзакции Далтона . 43 (8): 3021–3034. дои : 10.1039/C3DT52737A . ISSN 1477-9234 . ПМИД 24419051 .
^ Ола, Джордж А.; Ю, Саймон Х.; Паркер, Дэвид Г. (1 мая 1976 г.). «Металлоорганическая химия. XII. Протонное и углерод-13-ядерное магнитно-резонансное исследование ионов арен-меркуриния, промежуточных комплексов ароматической ртути» . Журнал органической химии . 41 (11): 1983–1986. дои : 10.1021/jo00873a020 . ISSN 0022-3263 .
^ Фунг, Чунг В.; Хоррамдель-Вахед, Мехди; Рэнсон, Ричард Дж.; Робертс, Роджер М.Г. (1 января 1980 г.). «Кинетика и механизм меркурирования ароматических соединений трифторацетатом ртути в трифторуксусной кислоте» . Журнал Химического общества, Perkin Transactions 2 (2): 267–272. дои : 10.1039/P29800000267 . ISSN 1364-5471 .
^ Горельский, Серж И.; Лапойнт, Дэвид; Фаньу, Кейт (29 июля 2008 г.). «Анализ согласованного механизма металлирования-депротонирования в катализируемом палладием прямом арилировании в широком диапазоне ароматических субстратов» . Журнал Американского химического общества . 130 (33): 10848–10849. дои : 10.1021/ja802533u . ISSN 0002-7863 . ПМИД 18661978 .
^ Генш, Т.; Хопкинсон, Миннесота; Глориус, Ф.; Венсель-Делорд, Дж. (17 мая 2016 г.). «Активация C – H, катализируемая мягкими металлами: примеры и концепции» . Обзоры химического общества . 45 (10): 2900–2936. дои : 10.1039/C6CS00075D . ISSN 1460-4744 . ПМИД 27072661 .
^ Он, Цзянь; Васа, Масаюки; Чан, Кельвин С.Л.; Шао, Цянь; Ю, Цзинь-Цюань (2 декабря 2016 г.). «Катализируемые палладием превращения алкильных связей C – H» . Химические обзоры . 117 (13): 8754–8786. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00622 . ISSN 0009-2665 . ПМК 5516964 . ПМИД 28697604 .
^ Jump up to: ^а ^б Хартвиг, Джон Ф. (13 января 2016 г.). «Эволюция функционализации связи C – H от метана к методологии» . Журнал Американского химического общества . 138 (1): 2–24. дои : 10.1021/jacs.5b08707 . ISSN 0002-7863 . ПМК 4809212 . ПМИД 26566092 .
^ Альтус, Кристоф М.; С любовью, Дженнифер А. (10 декабря 2021 г.). «Континуум механизмов активации углерод-водород (C – H) и терминология» . Химия связи . 4 (1): 1–11. дои : 10.1038/s42004-021-00611-1 . ISSN 2399-3669 . ПМЦ 9814233 .
^ Гарсиа-Куадрадо, Доминго; де Мендоса, Паула; Брага, Атауальпа; Масерас, Фелиу; Эчаваррен, Антонио М. (01 мая 2007 г.). «Механизм абстракции протонов во внутримолекулярном арилировании, катализируемом палладием: эффекты заместителя» . Журнал Американского химического общества . 129 (21): 6880–6886. дои : 10.1021/ja071034a . ISSN 0002-7863 . ПМИД 17461585 .
^ Дэвидсон, Дж. М.; Триггс, К. (1 января 1968 г.). «Реакция комплексов ионов металлов с углеводородами. Часть I. «Палладирование» и некоторые другие новые реакции электрофильного замещения. Получение палладия(I)» . Журнал Химического общества A: Неорганическое, физическое, теоретическое : 1324–1330. дои : 10.1039/J19680001324 . ISSN 0022-4944 .
^ Jump up to: ^а ^б Хаммарбак, Л. Андерс; Окотт, Бенджамин Дж.; Брэй, Джошуа Т.В.; Кларк, Ян П.; Таури, Майкл; Робинсон, Алан; Фэйрлэмб, Ян Дж.С.; Линам, Джейсон М. (27 января 2021 г.). «Прямое наблюдение микроскопической обратной стадии повсеместной согласованной стадии депротонирования металлирования в катализе активации связи C – H» . Журнал Американского химического общества . 143 (3): 1356–1364. дои : 10.1021/jacs.0c10409 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 33428402 . S2CID 231586154 .
^ Лафранс, Марк; Горельский, Серж И.; Фаньу, Кейт (28 ноября 2007 г.). «Высокопродуктивное внутримолекулярное арилирование алканов, катализируемое палладием: развитие реакций и механистические исследования» . Журнал Американского химического общества . 129 (47): 14570–14571. дои : 10.1021/ja076588s . ISSN 0002-7863 . ПМИД 17985911 .
^ Симонетти, Марко; Каннас, Диего М.; Джаст-Баринго, Ксавье; Виторика-Ирезабал, Иньиго Х.; Ларроса, Игорь (июль 2018 г.). «Циклометаллированный рутений катализатор обеспечивает направленное арилирование фармацевтических препаратов на поздней стадии» . Природная химия . 10 (7): 724–731. Бибкод : 2018НатЧ..10..724С . дои : 10.1038/s41557-018-0062-3 . ISSN 1755-4349 . ПМИД 29930274 . S2CID 49344878 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лапойнт, Дэвид; Фаньу, Кейт (18 сентября 2010 г.). «Обзор механистической работы на согласованном пути металлирования-депротонации» . Химические письма . 39 (11): 1118–1126. дои : 10.1246/кл.2010.1118 . ISSN 0366-7022 .

[:1-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Акерманн, Лутц (9 марта 2011 г.). «Функционализация связи C-H, катализируемая карбоксилатом переходного металла: механизм и сфера применения» . Химические обзоры . 111 (3): 1315–1345. дои : 10.1021/cr100412j . ISSN 0009-2665 . ПМИД 21391562 .

[3] Уинштейн, С.; Трейлор, Т.Г. (1 июля 1955 г.). «Механизмы реакции ртутьорганических соединений. II. Электрофильное замещение на насыщенном углероде. Ацетолиз диалкилртутных соединений» . Журнал Американского химического общества . 77 (14): 3747–3752. дои : 10.1021/ja01619a021 . ISSN 0002-7863 .

[:2-4] Jump up to: ^а ^б ^с Дэвис, Дэвид Л.; Макгрегор, Стюарт А.; Макмаллин, Клэр Л. (12 июля 2017 г.). «Вычислительные исследования карбоксилат-активации и функционализации C – H в центрах переходных металлов групп 8–10» . Химические обзоры . 117 (13): 8649–8709. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00839 . hdl : 2381/40233 . ISSN 0009-2665 . ПМИД 28530807 .

[5] Капди, Анант Р. (29 января 2014 г.). «Металлоорганические аспекты региоселективной функционализации связей C–H аренов и гетероаренов, катализируемых переходными металлами» . Транзакции Далтона . 43 (8): 3021–3034. дои : 10.1039/C3DT52737A . ISSN 1477-9234 . ПМИД 24419051 .

[6] Ола, Джордж А.; Ю, Саймон Х.; Паркер, Дэвид Г. (1 мая 1976 г.). «Металлоорганическая химия. XII. Протонное и углерод-13-ядерное магнитно-резонансное исследование ионов арен-меркуриния, промежуточных комплексов ароматической ртути» . Журнал органической химии . 41 (11): 1983–1986. дои : 10.1021/jo00873a020 . ISSN 0022-3263 .

[7] Фунг, Чунг В.; Хоррамдель-Вахед, Мехди; Рэнсон, Ричард Дж.; Робертс, Роджер М.Г. (1 января 1980 г.). «Кинетика и механизм меркурирования ароматических соединений трифторацетатом ртути в трифторуксусной кислоте» . Журнал Химического общества, Perkin Transactions 2 (2): 267–272. дои : 10.1039/P29800000267 . ISSN 1364-5471 .

[8] Горельский, Серж И.; Лапойнт, Дэвид; Фаньу, Кейт (29 июля 2008 г.). «Анализ согласованного механизма металлирования-депротонирования в катализируемом палладием прямом арилировании в широком диапазоне ароматических субстратов» . Журнал Американского химического общества . 130 (33): 10848–10849. дои : 10.1021/ja802533u . ISSN 0002-7863 . ПМИД 18661978 .

[9] Генш, Т.; Хопкинсон, Миннесота; Глориус, Ф.; Венсель-Делорд, Дж. (17 мая 2016 г.). «Активация C – H, катализируемая мягкими металлами: примеры и концепции» . Обзоры химического общества . 45 (10): 2900–2936. дои : 10.1039/C6CS00075D . ISSN 1460-4744 . ПМИД 27072661 .

[10] Он, Цзянь; Васа, Масаюки; Чан, Кельвин С.Л.; Шао, Цянь; Ю, Цзинь-Цюань (2 декабря 2016 г.). «Катализируемые палладием превращения алкильных связей C – H» . Химические обзоры . 117 (13): 8754–8786. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00622 . ISSN 0009-2665 . ПМК 5516964 . ПМИД 28697604 .

[:3-11] Jump up to: ^а ^б Хартвиг, Джон Ф. (13 января 2016 г.). «Эволюция функционализации связи C – H от метана к методологии» . Журнал Американского химического общества . 138 (1): 2–24. дои : 10.1021/jacs.5b08707 . ISSN 0002-7863 . ПМК 4809212 . ПМИД 26566092 .

[12] Альтус, Кристоф М.; С любовью, Дженнифер А. (10 декабря 2021 г.). «Континуум механизмов активации углерод-водород (C – H) и терминология» . Химия связи . 4 (1): 1–11. дои : 10.1038/s42004-021-00611-1 . ISSN 2399-3669 . ПМЦ 9814233 .

[13] Гарсиа-Куадрадо, Доминго; де Мендоса, Паула; Брага, Атауальпа; Масерас, Фелиу; Эчаваррен, Антонио М. (01 мая 2007 г.). «Механизм абстракции протонов во внутримолекулярном арилировании, катализируемом палладием: эффекты заместителя» . Журнал Американского химического общества . 129 (21): 6880–6886. дои : 10.1021/ja071034a . ISSN 0002-7863 . ПМИД 17461585 .

[14] Дэвидсон, Дж. М.; Триггс, К. (1 января 1968 г.). «Реакция комплексов ионов металлов с углеводородами. Часть I. «Палладирование» и некоторые другие новые реакции электрофильного замещения. Получение палладия(I)» . Журнал Химического общества A: Неорганическое, физическое, теоретическое : 1324–1330. дои : 10.1039/J19680001324 . ISSN 0022-4944 .

[:4-15] Jump up to: ^а ^б Хаммарбак, Л. Андерс; Окотт, Бенджамин Дж.; Брэй, Джошуа Т.В.; Кларк, Ян П.; Таури, Майкл; Робинсон, Алан; Фэйрлэмб, Ян Дж.С.; Линам, Джейсон М. (27 января 2021 г.). «Прямое наблюдение микроскопической обратной стадии повсеместной согласованной стадии депротонирования металлирования в катализе активации связи C – H» . Журнал Американского химического общества . 143 (3): 1356–1364. дои : 10.1021/jacs.0c10409 . ISSN 0002-7863 . ПМИД 33428402 . S2CID 231586154 .

[16] Лафранс, Марк; Горельский, Серж И.; Фаньу, Кейт (28 ноября 2007 г.). «Высокопродуктивное внутримолекулярное арилирование алканов, катализируемое палладием: развитие реакций и механистические исследования» . Журнал Американского химического общества . 129 (47): 14570–14571. дои : 10.1021/ja076588s . ISSN 0002-7863 . ПМИД 17985911 .

[17] Симонетти, Марко; Каннас, Диего М.; Джаст-Баринго, Ксавье; Виторика-Ирезабал, Иньиго Х.; Ларроса, Игорь (июль 2018 г.). «Циклометаллированный рутений катализатор обеспечивает направленное арилирование фармацевтических препаратов на поздней стадии» . Природная химия . 10 (7): 724–731. Бибкод : 2018НатЧ..10..724С . дои : 10.1038/s41557-018-0062-3 . ISSN 1755-4349 . ПМИД 29930274 . S2CID 49344878 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]