Kumadovo párování

Kumadovo párování je druh křížové párovací reakce používaný na tvorbu nových vazeb uhlík–uhlík reakcí Grignardova činidla s organohalogenidem. Jako katalyzátory se používají přechodné kovy, většinou nikl nebo palladium, přičemž spolu mohou reagovat alkylové, arylové nebo vinylové skupiny. Reakci popsali v roce 1972 skupiny výzkumníků, které vedli Robert Corriu a Makoto Kumada.^[1][2]

Tato reakce je jedním z prvních vyvinutých katalytických křížových párování. I přes rozvoj dalších reakcí (Suzukiovy, Sonogaširovy, Stilleovy, Hijamovy, Negišiovy) je Kumadova reakce stále zapojována do řady syntetických postupů, jako je například výroba aliskirenu, léku proti zvýšenému krevnímu tlaku, a polythiofenů, používaných v organické elektronice.

Historie

První výzkum katalytického párování Grignardových činidel s organohalogenidy provedli Morris S. Kharasch a E. K. Fields v roce 1941; použili při tom katalyzátory obsahující kobalt.^[3]

V roce 1971 Masuhiko Tamura a Jay K. Kochi vydali několik článků ukazujících na použitelnost katalyzátorů založených na stříbru,^[4] mědi^[5] a železu.^[6]

Tyto reakce měly ovšem nízké výtěžnosti, protože se pokaždé vytvářelo homopárováním významné množství vedlejších produktů, pokud byly k párování použity molekuly stejné sloučeniny.

V roce 1972 bylo popsáno využití niklových katalyzátorů. Po zavedení palladiových katalyzátorů v roce 1975 byla využitelnost reakce dále rozšířena.^[7]

Poté se objevila řada dalších párovacích reakcí a v roce 2010 získali Eiči Negiši, Akira Suzuki a Richard F. Heck Nobelovu cenu za chemii.

Mechanismus

Při katalýze palladiem

V souladu s obecně přijímaným mechanismem se předpokládá, že u Kumadových párování katalyzovaných palladiem je význam palladia obdobný jako u jiných křížových párování. Navržený katalytický cyklus obsahuje palladium v oxidačních číslech 0 i II. Na začátku se na elektrony bohatý Pd⁰ katalyzátor (1) naváže na vazbu R–X v molekule organohalogenidu. Touto oxidační adicí se utvoří organopalladnatý komplex (2). Poté proběhne transmetalační reakce s Grignardovým činidlem za vzniku heteroorganokovového komplexu (3). Před následujícím krokem musí proběhnout izomerizace, aby byly sousední ligandy vzájemně v poloze cis. Nakonec se redukční eliminací meziproduktu (4) vytvoří vazba uhlík–uhlík, uvolní výsledný produkt a obnoví Pd⁰ katalyzátor (1).^[8] U palladiových katalyzátorů rychlost reakce určuje oxidační adice, která probíhá pomaleji než u katalýzy niklem.^[8]

Při katalýze niklem

Mechanismus párování katalyzovaných niklem není zcela znám. Předpokládá se, že za různých reakčních podmínek a při použití odlišných ligandů probíhá rozdílně.^[9] Obvykle se přesto popisuje jako podobný mechanismu u palladia. Za určitých podmínek ovšem takový mechanismus nedokáže vysvětlit všechny pozorované jevy. Při zkoumání reakcí tridentátních terpyridinových ligandů byly zjištěny meziprodukty vykazující katalytické cykly typu Ni^II-Ni^I-Ni^III,^[10] což naznačuje složitější průběh. Při přidání butadienu se nejspíše tvořil meziprodukt obsahující Ni^IV.^[11]

Možnosti

Organické halogenidy a pseudohalogenidy

Kumadovo párování bylo úspěšně použito na velký počet aryl- i vinylhalogenidů. Místo halogenidů lze také použít pseudohalogenidy, například tosyláty^[12] a trifláty,^[13] a to za mnoha různých podmínek.

I přes úspěšná použití aryl- a vinylhalogenidů se alkylhalogenidy tolik neosvědčily. Protože nemají π-elektrony, tak alkylhalogenbidy vyžadují odlišné mechanismy oxidační adice než arylové a vinylové skupiny, tyto procesy nejsou dobře popsané.^[9] Kvůli přítomnosti β-vodíků jsou také alkylhalogenidy náchylné k beta-hydridovým eliminacím.^[14]

Tyto potíže byly překonány přidáním aktivujících skupin, například karbonylů v podobě α-bromketonů, které reakci usnadňují. Kumadova párování byla také provedena u neaktivovaných alkylů, často přidáním dalšího katalyzátoru nebo reaktantu; například za přítomnosti buta-1,3-dienů bylo možné uskutečnit niklem katalyzované alkyl–alkylové párovací reakce, které by jinak neprobíhaly.^[15]

Předpokládá se, že mechanismus těchto reakcí zahrnuje tvorbu oktadienylového komplexu niklu. Tento katalyzátor by měl vstupovat do transmetalací s Grignardovými činidly a poté se předpokládá redukční eliminace halogenidu, čímž se omezuje nebezpečí β-hydridové eliminace. U párování arylů a vinylů byly zaznamenány produkty obsahující Ni^IV, který není v souladu s mechanismy navrženými pro párování arylových a vinylových halogenidů.^[11]

Grignardova činidla

Byla popsána párování aryl- a vinylGrignardových činidel.^[2] Rovněž je možné bez větších obtíží použít alkylová Grignardova činidla, protože u nich neprobíhají β-hydridové eliminace. Přestože je za běžných podmínek možné s Grignardovými činidly použít jen omezené spektrum funkčních skupin, tak byly provedeny i reakce, do kterých lze zapojit větší počet různých substituentů, za nízkých teplot byly provedeny i reakce substrátů s vysoce funkcionalizovanými arylovými skupinami.^[16]

Katalyzátory

Kumadovy párovací reakce může katalyzovat velký počet nikelnatých i palladnatých katalyzátorů. Struktury prekurzorů lze obecně popsat vzorcem ML₂X₂, kde L je fosfinový ligand.^[17] Jako L₂ se často používají bidentátní difosfiny, jako jsou dppe a dppp.

Alois Fürstner se svými spolupracovníky provedl reakce katalyzované komplexy železa, výtěžnosti. Pravděpodobnými aktivními katalyzátory jsou zde „anorganická Grignardova činidla“ se strukturou typu Fe(MgX)₂.^[18]

Reakční podmínky

Tyto reakce nejčastěji probíhají v tetrahydrofuranu nebo diethyletheru. Etherové roztoky jsou výhodné, protože jde o obvyklé prostředí, ve kterém se připravují Grignardova činidla.^[2] Vzhledem k vysoké reaktivitě Grignardových činidel je spektrum funkčních skupin použitelných v Kumadových reakcích omezené, což může komplikovat větší syntézy. Grignardova činidla snadno podléhají protonolýzám za přítomnosti i mírně kyselých skupin, jako jsou například alkoholy. Také se mohou adovat na karbonylové i jiné oxidující skupiny.

Podobně jako u řady dalších párovacích reakcí jsou palladiové katalyzátory citlivé na přítomnost vzduchu, reakce se tak provádějí v inertních atmosférách tvořených argonem nebo dusíkem.

Selektivita

Stereoselektivita

Jak cis-, tak i trans-alkenylhalogenidy mohou vstupovat do reakcí s Grignardovými činidly zachovávajících výchozí geometrické konfigurace. Toto není závislé na ostatních faktorech, jako jsou ligandy u katalyzátoru a vinylové substituenty.^[17]

Kumadova párování využívající vinylová Grignardova činidla nemají žádnou stereospecificitu a vytváří směsi cis- and trans-alkenů. Míra izomerizace závisí na mnoha různých faktorech, jako jsou vlastnosti reaktantů a druh halogenidové skupiny. Tuto ztrátu stereospecifity způsobují vedlejší reakce mezi dvěma ekvivalenty allylových Grignardových činidel.^[17]

Enantioselektivita

Asymetrické Kumadaovy párovací reakce lze uskutečnit při použití chirálních ligandů. U rovinně chirálních ferrocenových ligandů byly dosaženy enantiomerní přebytky i nad 95 %, pokud reagovaly aryly.^[19]

Gregory Fu předvedl enantiokonvergentní párování α-bromketonů s katalyzátory obsahujícími bisoxazolinové ligandy, kde chirální katalyzátor přeměňuje výchozí racemickou směs na jediný enantiomer s enantiomerním přebytkem 95 %.^[20]

Tato reakce je významná tím, že se při ní používá jinak většinou neproveditelné párování alkylhalogenidů.

Chemoselektivita

Grignardova činidla obvykle nereagují s chlorareny. Tato nízká reaktivita vytváří chemoselektivitu pro navazování niklu na vazbu C–Br u bromchlorobenzenu pomocí katalyzátoru založeného na NiCl₂.^[21]

Použití

Syntéza aliskirenu

Kumadovy párovací reakce se používají i v průmyslovém měřítku, například při výrobě léčiv. Slouží mimo jiné k tvorbě uhlíkové kostry aliskirenu, léku proti vysokému krevnímu tlaku.^[22]

Syntéza polythiofenů

Kumadovo párování je také využitelné při tvorbě konjugovaných polymerů, jako jsou například polyalkylthiofeny (PAT), které mohou být použity v organických fotovoltaických článcích a světelných diodách.^[23]

V roce 1992 byla uskutečněna první syntéza regiopravidelných polyalkylthiofenů, s využitím níže znázorněné Kumadovy reakce, která vyžadovala teploty pod 0 °C.^[24]

Tato syntéza byla následně vylepšena, za dosažení vyšší výtěžnosti a proveditelnosti při pokojové teplotě.

^[25]

Odkazy

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Kumadovo párování na Wikimedia Commons
• Příklad reakce

Související články

• Heckova reakce
• Hijamovo párování
• Suzukiova reakce
• Negišiovo párování
• Petasisova reakce
• Stilleova reakce
• Sonogaširova reakce

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Kumada coupling na anglické Wikipedii.