Введение
Химическая реакция
Реакция Паусона — Кханда (PK) — это химическая реакция, описываемая как [2+2+1] циклоприсоединение. В ходе этой реакции алкин, алкен и монооксид углерода объединяются в α,β-циклопентенон в присутствии металлического карбонильного катализатора. Ихсан Уллах Кханд (1935–1980) открыл эту реакцию около 1970 года, работая постдоком под руководством Питера Людвига Паусона (1925–2013) в Университете Стратклайда в Глазго. Первоначальные результаты Паусона и Кханда носили межмолекулярный характер, однако реакция обладает низкой селективностью. В большинстве современных применений реакция используется для внутримолекулярных превращений. Традиционный катализатор — стехиометрические количества дикобальта октакарбонила, стабилизированные атмосферой монооксида углерода. Использование каталитических количеств металла, повышение реакционной способности и выхода продукта, а также стереоиндукция возможны при правильном выборе хиральных вспомогательных веществ, переходного металла (Ti, Mo, W, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Ir и Pd) и добавок.
Механизм
Хотя механизм ещё не был полностью выяснен, объяснение Магнуса 1985 года широко принято как для моно-, так и для диядерных катализаторов и было подтверждено вычислительными исследованиями, опубликованными Накамурой и Яманакой в 2001 году. Реакция начинается с дикобальтового гексакарбонилового комплекса ацетилена. Присоединение алкена приводит к образованию металлациклопентенного комплекса. Затем CO миграционно внедряется в связь M–C. Редуктивная элиминация приводит к образованию циклопентенона. Как правило, диссоциация монооксида углерода из органометаллического комплекса является лимитирующей стадией скорости.
Выборочность
Реакция протекает как с концевыми, так и с внутренними алкинами, хотя внутренние алкины, как правило, дают более низкие выходы. Ряд реакционной способности алкена следующий: (напряженные циклические) > (концевые) > (дизамещенные) > (тризамещенные). Тетразамещенные алкены и алкены, содержащие сильные электроноакцепторные группы, не подходят. В случае несимметричных алкенов или алкинов реакция редко является региоселективной, хотя некоторые закономерности могут наблюдаться. Для монозамещенных алкенов алкиновые заместители обычно направляют реакцию: более крупные группы предпочитают положение C2, а электроноакцепторные группы – положение C3. Однако сам алкен испытывает трудности с разграничением положений C4 и C5, если только положение C2 не стерически затруднено или алкен не содержит хелатирующий гетероатом. Низкая селективность реакции улучшается в внутримолекулярных реакциях. По этой причине внутримолекулярная реакция Паусона-Кханда широко используется в тотальном синтезе, особенно для образования конденсированных бициклов с 5,5- и 6,5-членными циклами. Как правило, реакция обладает высокой син-селективностью в отношении мостового атома водорода и заместителей в циклопентане. Использование соответствующих хиральных лигандов или вспомогательных веществ может сделать реакцию энантиоселективной (см.). BINAP обычно применяется.
Добавки
Типичные условия Паусона-Кханда – это повышенные температуры и давления в ароматических углеводородах (бензол, толуол) или эфирных (тетрагидрофуран, 1,2-дихлорэтан) растворителях. Эти жесткие условия можно смягчить добавлением различных добавок.
Поверхности, поглощающие
Адсорбция металлического комплекса на силикагель или оксид алюминия может увеличить скорость декарбонилирующего обмена лигандами, как показано на изображении ниже. Это происходит потому, что донорный атом располагается на твердой поверхности (то есть на силикагеле). Кроме того, использование твердого носителя ограничивает конформационную подвижность (ротамерный эффект).
Основы Льюиса
Традиционные каталитические вспомогательные вещества, такие как лиганды фосфина, делают кобальтовый комплекс слишком стабильным, но громоздкие лиганды фосфита применимы. Считается, что основные добавки Льюиса, такие как n BuSMe, также ускоряют процесс декарбонилирования и обмена лигандов. Однако, существует альтернативное мнение, согласно которому добавки делают внедрение олефинов необратимым. Серосодержащие соединения обычно сложны в обращении и имеют неприятный запах, но n-додецилметилсульфид и тетраметилтиомочевина лишены этих недостатков и могут повысить эффективность реакции.
N-оксиды аминов
Два наиболее распространенных N-оксидов аминов – это N-метилморфолин-N-оксид (NMO) и триметиламин-N-оксид (TMANO). Считается, что эти добавки удаляют лиганды монооксида углерода посредством нуклеофильной атаки N-оксида на карбонильную группу CO, окисляя CO до CO2 и образуя ненасыщенный органометаллический комплекс. Это делает первый этап механизма необратимым и позволяет использовать более мягкие условия. Гидраты вышеупомянутых N-оксидов аминов оказывают аналогичное действие. Добавки N-оксидов также могут улучшить энантио- и диастереоселективность, хотя механизм этого неясен. [[Файл:Screiber example. png|center|thumb|430x430px|(NMO = N-метилморфолин-N-оксид, DCM = дихлорметан)]
Один из этапов полного синтеза эпоксидиктимена: температура и ультразвук не позволили улучшить диастереоселективность (д.р.) для желаемого диастереомера (обозначен красным водородом). Однако добавка N-оксида, хотя и дала более низкий выход, обеспечила диастереоселективность 11:1. В то время как Такаяма и др. описали реакцию, катализируемую дикобальтом октакарбонилом. [[Файл:Syn ex. png|center|thumb|736x736px|Ключевой этап асимметричного полного синтеза алкалоида ликоподия гуперзина Q, выполненного Такаямой и др.: Co2(CO)8 катализирует энинную циклизацию, приводящую к образованию только одного энантиомера продукта.]
Производство монооксида углерода на месте
Недавно несколько групп опубликовали работы, в которых избегается использование токсичного монооксида углерода, а циклопентеноновый карбонильный фрагмент генерируется из альдегидов, карбоновых кислот и форматов. В этих примерах обычно используется родий как органометаллический переходный металл, поскольку он широко применяется в реакциях декарбонилирования. Реакции декарбонилирования и реакции присоединения-карбонилирования (PK) протекают в одном реакционном сосуде.