Введение
Реакция перекрестного сочетания, используемая в органическом синтезе
Реакция Соногашира – это реакция перекрестного сочетания, используемая в органическом синтезе для формирования углерод-углеродных связей. Она использует палладиевый катализатор, а также медный сокатализатор для образования углерод-углеродной связи между терминальным алкином и арильным или виниловым галогенидом. Реакция Соногашира
R1: арил или винил
R2: любое
X: I, Br, Cl или OTf
Реакция перекрестного сочетания Соногашира нашла применение в самых разных областях благодаря своей полезности в формировании углерод-углеродных связей. Реакцию можно проводить в мягких условиях, таких как комнатная температура, в водной среде и со слабым основанием, что позволило использовать реакцию перекрестного сочетания Соногашира в синтезе сложных молекул. Области ее применения включают фармацевтические препараты, природные соединения, органические материалы и наноматериалы, в том числе при создании препарата, используемого для лечения псориаза и акне, а также при получении SIB 1508Y, также известного как Altinicline, агониста никотиновых рецепторов.
R2: arbitrary
X: I, Br, Cl or OTf
The Sonogashira cross coupling reaction has been employed in a wide variety of areas, due to its usefulness in the formation of carbon–carbon bonds. The reaction can be carried out under mild conditions, such as at room temperature, in aqueous media, and with a mild base, which has allowed for the use of the Sonogashira cross coupling reaction in the synthesis of complex molecules. Its applications include pharmaceuticals, natural products, organic materials, and nanomaterials. which is a treatment for psoriasis and acne, and in the preparation of SIB 1508Y, also known as Altinicline, a nicotinic receptor agonist.
История
В 1975 году в трех независимых работах Кассара, Дика и Хек, а также Соногаширы, Тоды и Хагихары была описана реакция алкинилирования арилгалогенидов с использованием ароматических ацетиленов. Во всех реакциях используются палладиевые катализаторы, приводящие к образованию одних и тех же продуктов. Однако, протоколы Кассара и Хек реализуются исключительно с применением палладия и требуют жестких условий реакции (то есть высоких температур). Использование медного сокатализатора в сочетании с палладиевыми комплексами в методике Соногаширы позволило проводить реакции в мягких условиях с высоким выходом. После этого последовало быстрое развитие Pd/Cu систем, что открыло множество синтетических возможностей, в то время как условия Кассара-Хек, возможно, незаслуженно, были практически забыты. О выдающейся практической ценности реакции свидетельствует продолжающееся количество исследований, направленных на понимание и оптимизацию ее синтетических возможностей, а также на использование этих методик для получения различных соединений, представляющих интерес для синтеза, медицины или материаловедения/промышленности. Поиск термина "Sonogashira" в SciFinder выдает более 1500 ссылок на публикации в научных журналах за период с 2007 по 2010 год.
Цикл палладия
Палладиевые прекатализаторы активируются в условиях реакции с образованием реакционноспособного соединения Pd0, А. Точная природа каталитически активного вида сильно зависит от условий реакции. Для простых фосфинов, таких как PPh3 (n=2), и в случае объемных фосфинов (т.е.) было показано, что формируются монолигандные комплексы (n=1). Кроме того, некоторые результаты указывают на образование анионных комплексов палладия, [L2Pd0Cl]−, которые могут являться истинными катализаторами в присутствии анионов и галогенидов. Активный катализатор Pd0 вовлечен в стадию окислительного присоединения к арил- или винилгалогениду, образуя комплекс PdII, B. Подобно вышесказанному, его структура зависит от используемых лигандов. Считается, что данная стадия является лимитирующей стадией реакции. Комплекс B реагирует с ацетилидом меди, комплексом F, в реакции трансметаллирования, образуя комплекс C и регенерируя катализатор меди. Структура комплекса C зависит от свойств лигандов. Для облегчения редуктивной элиминации фрагменты субстрата должны находиться в непосредственной близости друг от друга, то есть в цис-конфигурации, что может включать транс-цис изомеризацию. В ходе редуктивной элиминации продукт – толан – отщепляется от комплекса, и активный каталитический вид Pd регенерируется.
Цикл меди
Цикл меди описан не полностью. Предполагается, что присутствие основания приводит к образованию π-алкинового комплекса E. Это повышает кислотность терминального протона и способствует образованию ацетилида меди, комплекса F, в результате депротонирования. Ацетилид F затем участвует в реакции трансметаллирования с палладиевым интермедиатом B.
Катализаторы
Обычно для этой реакции требуются два катализатора: комплекс палладия в нулевой степени окисления и соль меди(I) галогенида. Распространенными примерами катализаторов палладия являются комплексы, содержащие лиганды фосфина, такие как [Pd(PPh3)4]. Другим часто используемым источником палладия является [Pd(PPh3)2Cl2], но также используются комплексы, содержащие бидентатные лиганды фосфина, такие как [Pd(dppe)Cl2], [Pd(dppp)Cl2] и [Pd(dppf)Cl2]. Катализаторы PdII восстанавливаются до Pd0 в реакционной смеси амином, лигандом фосфина или другим реагентом в смеси, что позволяет реакции протекать. Например, окисление трифенилфосфина до трифенилфосфиноксида может привести к образованию Pd0 in situ при использовании [Pd(PPh3)2Cl2]. Соли меди(I), такие как CuI, реагируют с концевым алкином и образуют ацетилид меди(I), который выступает в качестве активированного вида для реакций кросс-сочетания. Cu(I) является сокатализатором в реакции и используется для увеличения скорости реакции. Это кросс-сочетание может быть проведено, начиная с анилинов, путем образования соли диазония с последующим внутриреакционным сочетанием Соногаширы, где анилины превращаются в соль диазония и затем в алкин путем сочетания с фенилацетиленом.
Sonogashira coupling, where anilines are transformed into diazonium salt and furtherly converted into alkyne by coupling with phenylacetylene.
Алкины
Различные ароматические алкины могут быть использованы для получения целевых ди-замещенных продуктов с удовлетворительным выходом. Алифатические алкины обычно менее реакционноспособны.
Основания
Из-за ключевой роли основания, для протекания реакции необходимо добавлять специфические амины в избытке или использовать их в качестве растворителя. Установлено, что вторичные амины, такие как пиперидин, морфолин или диизопропиламин, в частности, способны эффективно и обратимо взаимодействовать с транс-RPdX(PPh3)2 комплексами, замещая один лиганд PPh3. Константа равновесия этой реакции зависит от R, X, показателя основности и стерических затруднений амина. Это приводит к конкуренции между амином и алкиновой группой за обмен лигандами, поэтому амин обычно добавляют в избытке для стимулирования преимущественной замены.
Группы защиты
Триметилсиллилацетилен — широко используемый реагент в реакциях кросс-сочетания Соногаширы. В жидком состоянии он более удобен в использовании, чем газообразный ацетилен, а триметилсилильная группа предотвращает присоединение к другому концу тройной связи ацетилена. Триметилсилильную группу можно удалить с помощью TBAF, получая монозамещенный ацетилен. Также возможно её удаление с использованием DBU непосредственно в реакционной смеси, что позволяет монозамещенному ацетилену далее реагировать с другим арилгалогенидом с образованием дифенилацетилена и его производных.
Соногасира без меди
В то время как в реакцию добавляется медный кокатализатор для повышения реакционной способности, присутствие меди может приводить к образованию димеров алкинов. Это приводит к так называемой реакции Глазера, представляющей собой нежелательное образование продуктов гомосочетания производных ацетилена при окислении. Следовательно, при проведении реакции Соногашира с медным кокатализатором необходимо проводить реакцию в инертной атмосфере, чтобы избежать нежелательной димеризации. Для предотвращения образования продуктов гомосочетания были разработаны варианты реакции Соногашира, не использующие медь. Существуют и другие случаи, когда следует избегать использования меди, например, в реакциях сочетания с субстратами, содержащими потенциальные лиганды для меди, такими как свободные порфирины.
Сокатализ золота и палладия
Была разработана высокоэффективная комбинированная методология с использованием золота и палладия для реакции Соногаширы широкого спектра электронно и структурно разнообразных арил- и гетероарилгалогенидов. Ортогональная реакционная способность двух металлов обеспечивает высокую селективность и исключительную толерантность к функциональным группам в реакции Соногаширы. Краткое механистическое исследование показало, что золотой ацетилид включается в каталитический цикл палладия на стадии трансметаллирования.
Дендримерные комплексы палладия
Вопросы, связанные с регенерацией часто дорогостоящего катализатора после образования продукта, являются серьезным недостатком для крупномасштабного применения гомогенного катализа. Некоторые недавние примеры касаются использования дендритных комплексов палладия в качестве катализаторов для реакции Соногашира без меди. Так, несколько поколений бидентатных фосфинопалладиевых(II) полиаминодендритных катализаторов, растворенных в триэтиламине, были использованы для сочетания арилиодидов и арилбромидов при 25–120 °C, а также арилхлоридов, но с очень низким выходом. [[Файл:Полимерный фосфиновый лиганд.png|thumb|Перерабатываемый полимерный лиганд фосфина. Несмотря на регенерацию путем фильтрации, каталитическая активность полимера снижалась примерно на 4–8% в каждом цикле переработки.
Лиганды азота
Пиридины и пиримидины продемонстрировали хорошие комплексообразующие свойства по отношению к палладию и были использованы для создания катализаторов, подходящих для реакций Соногаширы. Дипиримидиловый комплекс палладия, представленный ниже, был использован в медь-свободном соединении йодо-, бромо- и хлорбензола с фенилацетиленом с использованием N-бутиламина в качестве основания в растворителе THF при 65 °C. Кроме того, все структурные особенности этого комплекса были охарактеризованы с помощью обширного рентгеноструктурного анализа, подтверждающего наблюдаемую реакционную способность. В последнее время был получен дипиридиловый комплекс палладия и использован в медь-свободной реакции Соногаширы арилйодидов и бромидов в N-метилпирролидоне (NMP) с использованием тетра-н-бутиламмонийацетата (TBAA) в качестве основания при комнатной температуре. Этот комплекс также использовался для соединения арилйодидов и бромидов в кипящей воде в качестве растворителя и в присутствии воздуха, используя пирролидин в качестве основания и TBAB в качестве добавки, хотя его эффективность была выше в N-метилпирролидоне (NMP) в качестве растворителя.
Алкинильные реакции
Соединение терминального алкина и ароматического кольца является ключевой реакцией, когда речь идет о применении реакции Соногаширы, катализируемой медью или протекающей без ее участия. Список случаев, когда типичная реакция Соногаширы с использованием арилгалогенидов была применена, огромен, и выбор иллюстративных примеров затруднителен. Недавний пример использования этой методологии приведен ниже для соединения йодированного фенилаланина с терминальным алкином, полученным из d-биотина, с использованием in situ генерируемого Pd0 в качестве катализатора, что позволило получить производное фенилаланина, связанное алкином, для биоаналитических применений. Также имеются примеры, когда оба партнера по соединению присоединены к аллильным смолам, при этом катализатор Pd0 вызывает расщепление субстратов и последующую реакцию Соногаширы в растворе. [[Файл:Алкинилирование.svg|thumb|center|800px|Алкинилирование фенилаланина.] Некоторые из последних и наиболее перспективных применений этой методологии соединения для полного синтеза природных продуктов исключительно использовали типичную реакцию, кокатализируемую медью. Пример соединения арилйодида с арилацетиленом можно увидеть в реакции йодированного спирта и трис(изопропил)силилацетилена, в результате чего образуется алкин – промежуточный продукт в общем синтезе бензинденоазепинового алкалоида булгарамина. [[Файл:Булгарамина.png|thumb|center|800px|Реакция Соногаширы в общем синтезе булгарамина.] Примером является синтез бензилизохинолиновых алкалоидов (+) (S)-лауданозина и (–) (S)-ксилопинина. Синтез этих природных продуктов включал использование кросс-сочетания Соногаширы для построения углеродного скелета каждой молекулы. [[Файл:Природные продукты (+) (S)-лауданозин и (–) (S)-ксилопинин.svg|thumb|center|800px|Природные продукты (+) (S)-лауданозин и (–) (S)-ксилопинин, синтезированные с использованием реакции кросс-сочетания Соногаширы.] Получение алк-2-инилбута-1,3-диена из кросс-сочетания дийодида и фенилацетилена, как показано ниже. [[Файл:Shao J Org Chem 2005.png|thumb|center|560px|Синтез алк-2-инилбута-1,3-диена, осуществленный с помощью реакции Соногаширы.] По состоянию на 2008 год Альтиниклин прошел клинические испытания Фазы II. [[Файл:Применение Соногаширы.svg|thumb|center|800px|Использование реакции кросс-сочетания Соногаширы в синтезе SIB 1508Y.] thumb|center|1000px|Синтез производных имидазопиридина.
coupling in solution. [[File:Alkynylation. svg|thumb|center|800px|Alkynylation of phenylalanine. Several of the most recent and promising applications of this coupling methodology toward the total synthesis of natural products exclusively employed the typical copper cocatalyzed reaction. An example of the coupling of an aryl iodide to an aryl acetylene can be seen in the reaction of an iodinated alcohol and tris(isopropyl)silylacetylene, which gave an alkyne, an intermediate in the total synthesis of the benzindenoazepine alkaloid bulgaramine. [[File:Bulgaramine. png|thumb|center|800px|Sonogashira reaction in the total synthesis of bulgaramine. An example is the synthesis of the benzylisoquinoline alkaloids (+) (S) laudanosine and (–) (S) xylopinine. The synthesis of these natural products involved the use of Sonogashira cross coupling to build the carbon backbone of each molecule. [[File:Natural Products (+) (S) laudanosine and (–) (S) xylopinine. svg|thumb|center|800px|Natural products (+) (S) laudanosine and (–) (S) xylopinine synthesized using the Sonogashira cross coupling reaction. The preparation of alk 2 ynylbuta 1,3 dienes from the cross coupling of a diiodide and phenylacetylene, as shown below. [[File:Shao J Org Chem 2005. png|thumb|center|560px|Synthesis of an alk 2 ynylbuta 1,3 diene accomplished by Sonogashira coupling. As of 2008, Altinicline has undergone Phase II clinical trials. [[File:Application of Sonogashira. svg|thumb|center|800px|Use of the Sonogashira cross coupling reaction in the synthesis of SIB 1508Y. thumb|center|1000px|Synthesis of imidazopyridine derivatives.