CC BY
19пространяется и на водные гидробионты и следует предотвращать попадание их в пищевые цепи, используемые человеком.
Результаты исследований показали, что донные отложения старицы р. Клязьма содержат значительные количества тяжелых металлов в подвижной (051н, азотнокислая вытяжка) форме. При изменении кислотности среды в сторону ее увеличения значительная часть тяжелых металлов может перейти в растворимые формы и вызвать серьезные экологические последствия. В связи с этим необходим мониторинг рН вод и иловых растворов и контроль кислотности сточных вод, сбрасываемых в водоем.
Для уменьшения загрязнения грунтовых и подземных вод тяжелыми металлами необходимо способствовать хорошей аэрации вод старицы и повышению рН среды, т.к. в этих условиях подвижность большинства тяжелых металлов резко снижается [5,6]. Кроме того, при высоких значениях рН растворимые соединения марганца переходят в оксид Мп02> который является активным сорбентом токсичных металлов. Сорбция способствует снижению миграционной способности ТМ в щелочной среде. Однако в этих условиях может
увеличиться миграционная подвижность хрома (III) из-за образования аниона H2CrGj\ поэтому необходим контроль его содержания в воде.
Повышение рН среды может быть достигнуто путем внесения СаСОэ или Са(ОН)2, что приведет к возникновению искусственного геохимического щелочного барьера и резкому снижению концентрации марганца и большинства тяжелых металлов в растворе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глухов В„8*, Лнеочкииа Некрасова Т.П. Экономические основы экологии СПб.: Специальная литература. 1995. 280 с.
2. Перельмаи А.И. Геохимия ландшафтов М.: Высшая школа, 1975.
3. Ннканоров A.M. Гидрохимия Л.: Гндрометсоиздат.
1989,
4. Сает КХЕ, и др» Геохимия окружающей среды М.гНелра. 1990. 335 с,
5. Линник ГШ.* Нзбшшнец Б,И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах Л,: Гидрометеоиз-дат. 1986. 284 с.
6. Лозаповская HHL, Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. ML: Высшая школа, 1998. 287 с.
Кафедра БЖД, кафедра химии почв, кафедра гидрохимии
УДК 544.473-039.63
A.B. Быков, В+Г* Матвеева, Э.М* Сульмап
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К АСИММЕТРИЧЕСКОМУ КАТАЛИТИЧЕСКОМУ
ГИДРИРОВАНИЮ
(Тверской государственный технический университет)
Энантиоселективный катализ является одной из наиболее быстро развивающихся областей химищ а накошенные теоретические знания уже сейчас реализуются в промышленностщ позволяя синтезировать необходимые оптически активные вещества, в том числе лекарственные препараты и др.
В данной статье представлены некоторые подходы к асимметрическому гомогенному каталитическому гидрированию С-С и С=0 связей органических соединений. Рассмотрено кат ал um и чес кое действие родий, рутений, кобальт и т um ан содержащих кат ализат оров■
ВВЕДЕНИЕ низмов. Многие биологически активные добавки к
Оптически активные соединения играют пище> витамины, лекарственные препараты пред-исключительно важную роль в процессах жизне- ставляют собой оптически активные соединения, деятельности всех без исключения живых орга- И зачастую только один из энантиомеров обладает
необходимой активностью, в то время как другой, обладает меньшей активностью или не обладает ею вовсе, а в худшем случае может проявлять нежелательную активность и приводить, например, к побочным эффектам действия лекарственного препарата [1], В настоящее время известны преимущества оптически активных лекарств, поэтому их производство и продажа значительно выросли [2]. К тому же оптически активные эфи-ры гидроксикарбоновых кислот привлекают внимание как перспективные хиральные мономеры для получения биоразлагаемых полимеров, характеристики которых, такие как кристалличность, температура плавления, растворимость, существенно превосходят аналогичные характеристики соответствующих полимеров, полученных на основе рацемата [3], что, в свою очередь, повышает спрос на оптически активные эфиры гидроксикис-лот.
Получение оптически чистых веществ, помимо выделения из природных продуктов, осуществляется с применением различных технологических методов, в том числе; синтез, спонтанная кристаллизация, разрушение одного из энантиомеров в рацемате и асимметрический катализ.
Ввиду невозможности охвата всех процессов в данной статье акцент будет сделан на рассмотрение асимметрического гидрирования С-С и С-О связей в присутствии гомогенных катализаторов.
1 РОДИЕВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ В АСИММЕТРИЧЕСКОМ ГМДРИРОВАННИ С-С И 0=0 СВЯЗЕЙ
В 1966 г, Уилкинсон и сотр. [4] обнаружили, что комплекс - родийтрифенилфосфинхлорид, растворимый в неполярных растворителях (например, в бензоле), представляет собой эффективный катализатор гидрирования. Ноулес и Сз-бэки [5] и независимо Хорнер и сотр. [6] предложили заменить трифенмлфосфин в катализаторе Уилкинсона на хиральный фосфин - метилпро-пилфенилфосфин. Энантиоселективность при использовании в качестве субстрата 2-фенил-1-лропена оказалась низкой, знантиомерный избыток (ее) составил 8%, Эбли и Мак-Кьюли [7] увеличили энантиоселективность при использовании родиевого катализатора до 50% ее и более, за счет восстановления Ш1(П)-комплекса в хиральном амидном растворителе.
Каган и сотр. обнаружили, что дифосфины в качестве лигандов придают катализаторам лучшие свойства, чем монофосфины [8, 9], а сами ли-ганды играют определяющую роль в гомогенном асимметрическом катализе.
1.1 ХИРАЛЬНЫЕ ЛИГАНДЫ ГОМОГЕННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Первым хиральиым дифосфином, используемым в качестве лиганда металлорганического комплекса катализатора, синтезированного в 1971 г. Каганом из винной кислоты, был DlOP, содержащий, как и большинство других лигандов, асимметрический атом углерода. Родиевый комплекс с этим лягандом был использован для асимметрического гидрирования дегидроамино-кислот до фенилалашша с ее около 80% [8],
Затем группой Нойори был впервые синтезирован новый полностью ароматический аксиально диссимметричяый Сз хиральный дифосфин BIN АР (2,2*-бис(дифенилфосфино)-1 Д 5-бина-фтил) [10, 13]. Этот хиральный лиганд способен образовывать комплексы с рядом переходных металлов через атомы фосфора и оказывать сильное стерическое и электронное влияние на комплексы этих металлов,
Недавно научные группы Гриднева и Имамото применили электрононейтральный бис-фосфиновый лиганд *Ви-В1зР (рис. 1), Этот лиганд относится к немногим бисфосфиновым лигандам с хиральиым атомом фосфора, в то время как обычно PPh2-rpynbi соединены с хиральной основой [14, 15], Авторы показали, что комплекс родия с этим лигандом хорошо восстанавливает как эфиры а-ацетамидоакриловых кислот, так и ена-мины, эфиры (Е)-р-(ациламино)ариловых кислот и защищенные а?|3-ненасыщенные а-ацилоксифосфонаты [15-19]. Таким образом, этот катализатор открывает новый подход к синтезу а-аминокислот, аминов, |3-аминокислот и а-ацилоксифосфонатов.
В настоящее время для энантиоселектив-ного гомогенного гидрирования применяются следующие лиганды: BINAP, DuPhos, CAMP, PPFA, DIP AMP, CHIRAPHOS, NORPHOS, PHEPHOS, DIOP, DIOXOP, некоторые представители ряда PPM (например, PFFM, PPPM, BZPPM, BPPM), а наиболее распространенными являются комплексы таких лигандов с родием из-за их высокой активности и энантиоселективности. Структурные формулы некоторых лигандов представлены на рис.2.
Однако такие комплексы очень чувствительны к действию воздуха, и поэтому после реакции их практически невозможно выделить из раствора в неизменном виде.
nCSsh
Fii-bihh
PibP.
(R) U1NAP ¡^ p^h^
PPh2 pph3 pph,
IS-SHTHIRAPHOS <2R..mbNORPHOS
MeO
Cr 0J Bu »ГШ
H
HZPPM
-l Л _^ 45
О
ОМй (ЙДЬШРЛМР
н
<5,5И>ЮР
8и
WlifsP
Рис. I. Лиганды гомогенных катализаторов Fig. I. Ligands of homogeneous catalysts
CL ^P*
RhC + 2P*
P*
RhC |
So!
Рис, 2, Механизм действия родий-фосфинового катализатора,
(Р* - хиральный фосфии) Fig.2.The mechanism of action of rodium-phosphine catalyst
(P* -chiral phosphine)
1.2 РОДИЙ-ФОСФИНОВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ
Классический катализатор Уилкинсона [КЬ(РЬ3Р)зС1], используемый в гидрировании, имеет плоскую квадратную структуру. По аналогии, для родий-фосфиновых катализаторов предложена структура изображенная на рис, 2. Этот комплекс может находиться в равновесии с диме-ром, в котором соотношение РгКЬ составляет 2:1, Предполагается, что при присоединении водорода к катализатору, последний превращается в координационно-насыщенный октаэдрический комплекс, который, в свою очередь, находится в равновесии со своей сольватированной формой и комплексом субстрат-катализатор [20].
Одним из первых примеров использования гомогенных родийсодержащих хиральных катализаторов в промышленности было знантиоселек-тивное гидрирование олефинов, Ноулз (фирма Монсанто) в 1968 г. разработал синтез 3-(3,4~ дигидроксифенил)-Ь-аланин (Ь-ООРА) с выходом целевого продукта 97,5%. Этот процесс нашел промышленное применение с 1974 г, а препа-
раты на основе L-DGPA эффективно используются в лечении болезни Паркинсона [21].
На практике комплексные родий-фосфи-новые катализаторы применяются в двух формах. Катализатор либо получают in situ в растворителе, в котором проводят гидрирование, либо используют выделяемую ионную форму.
Нейтральные in situ катализаторы получают смешиванием в атмосфере инертного газа ро-дий-олефинового комплекса, такого» как [Ш1С1(циклооктен)2]2, [КЬС1(циююоктадиен)]2 и
др., с избытком дифосфина. Оптимальное соотношение Rh:P обычно составляет 1:3. При гидрировании олефиновые связи становятся насыщенными и, теряя свое сродство к металлу, замещаются молекулами растворителя и/или дифосфи-ном.
Выделяемые катионные катализаторы, например Rh-( 1,5-циклогексадиен)~(-)-ОЮР-тетра-фторборат [22], получают, смешивая нейтральные диеновые комплексы с небольшим избытком фосфина и добавляя эквивалентное количество NaBF4.
Часто указывается [23, 24] на различия в скорости и энантиоселективности между ионным и нейтральным комплексом с одним и тем же ли-гандом. Кроме того, активность и селективность комплексов зависят от строения лиганда.
Катионные комплексы BINAP-Rh катализируют гидрирование а-(ациламино)акриловых кислот или эфиров до получения соответствующих производных аминокислот с высоким энан-тиомерным избытком [26, 28, 29], Однако реакция является относительно медленной, и высокая энантаосеяективность достигается только в специальных условиях, вероятно, веледствии действия механизма ненасыщения (дигидридный механизм), Халперн [30] и Браун [31] показали, что гидрирование енаминов в присутствии Сг-хираль-ного комплекса дифосфин-Шз происходит через окислительное присоединение водорода к диасте-реомерным Rh-субстрат-хе латным комплексам, с последующим переносом двух гидридов к координированному олефину.
Гридне в и сотр. смогли показать, что гидрирование, катализируемое родием при применении {Bu-BisP-лиганда в этой богатой электронами системе, протекает по абсолютно другому механизму (рис. 3) [14]. Предполагалось, что катализатор связывается с субстратом, но авторы экспериментально показали, что ожидаемое окислительное присоединение водорода к этому субстрат-катализаторному комплексу не является предпочтительным путем реакции в каталитическом цикле. Фактически происходит начальное образование Rh-гидридного вида катализатора через окис-
лительное присоединение водорода к катализатору. Энантиоселективнос гидрирование проходит за счет комплексообразования субстрата с КЬ-гидридной формой катализатора [15-19].
Рис. 3, Катализатор Гриднева-Ишмото и механизм его действия
Fig>3. Gridnev-imamoto catalyst arid the mechanism of its action
Примечательно, что замена традиционно применяемых биефосфин-лигандов с РРЬг-группами на триалкилфосфин» как показано выше, вызывает коренное изменение механизма гидрирования [14]. В то же время, замена комплексооб-разующего металла родия на рутений оказывает влияние на каталитическую активность вновь образующихся комплексов.
2 РУТЕНИЕВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ
Клл-бисфосфиновые катализаторы применимы для большого числа субстратов, и это их достоинство, наряду со значительно более низкой ценой рутения по сравнению с родием делает процессы с их применением очень привлекательными.
В случае олефиновых субстратов рутений-фосфиновые комплексы обычно работают хуже, чем их родиевые аналоги. При использовании в качестве предшественников катализаторов
НаиС1[(+)-ОЮР]2, КиС12[(+)-ОЮР]2 И КиСЦ[(+)»
ОЮР]з а?р-ненасыщенные карбоновые кислоты восстанавливались в (К)-изомеры с ее 40%, а 2-ацетамидоакриловая кислота - в 5-изомер с ее 59% [32]. Изучались также кластерные комплексы Н4аи4(СО)8[(-)-ОЮР]2 и аи6(СО)|8[(-)-ОЮР]3. Последний дал немного лучшие результаты (до 61% ее (З)-изомера) при восстановлении а, (3-ненасы-щенных карбоновых кислот [33].
Особенность рутения состоит в том, что он может образовывать хиральные катализаторы с сульфоксидами, рацемическими по атому серы, которая связана с нерацемическими хиральными группами,
Рутений-фосфиновые комплексы катализируют также реакции переноса водорода от вторичного спирта (донора) к кетону или олефину (акцептору). Если фосфиновый лиганд хирален, перенос водорода может быть энантиоселектив-ньш по нескольким направлениям: * кинетическое расщепление хирального раце-
мического донора - спирта;
• энантиоселективнос восстановление прохя-рального кетона или олефина;
• сочетание 1 и 2 процессов;
• использование хирального донора (двойная индукция).
Превращения протекают при высоких температурах, и знантиоселективность процессов не высока (не превышает 20% ее) [34].
Группа Нортона применила бисфосфин-Ru-гидрид для гидрирования иминий-нона и показала, что реакция протекает по ионному механизму.
Введенные Нортоном и Маги каталитические системы принадлежат к немногим структурно определенным бисфосфин-Ки-каталитическим системам [35, 14]. Заинтересованность, проявляемая коммерческими фирмами к этим катализаторам, показывает, что рутениевые комплексы имеют не только чисто академический интерес [36-39]. Эта исследования открыли гибкий подход к созданию ряда очень активных катализаторов типа [Ки(бисфосфин)(Н)(раствор1ггель)з](ВР4). К тому же, реакция [Яо(1,2:5?6-т|-(циклоокта-1,5-диен)(т16--1щклоокта-1 Д5-триен)] с солью Me-DuPHOS приводит к образованию предшественника катализатора [Ru-(Me-DuPFroS)(PI)(r|6-4Hicn:ooKTa-l,355-TpH-ен)]+. Последующее гидрирование ведет к образованию активного катализатора. Этот Ru-гидрид-ный комплекс был синтезирован для ряда бис-фосфиновых лигандов и показал высокую активность, Его высокая эффективность была продемонстрирована в энантиоселективном гидрировании р-оксозфиров [14].
Катализаторы RnCl2(R)-BINAP и RuC12(S)-BINAP, разработанные Нойори, позволяют проводить высокоэнантиоселективное гидрирование ненасыщенных карбоновых кислот, в том числе, для получения препарата напроксен. Кроме того, фирма Takasago International использует их для синтеза ментола с производительностью около 1000 тонн в год [41]*
3 КОБАЛЬТОВЫЕ И ТИТАНОВЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ
Кобаламин, Со(1) »содержащий порфирино-
вый комплекс, входящий в состав витамина Bi2, способен быть посредником при энантиоселективном гидрировании двойной связи, Показано, что восстановительное расщепление алкилкобальтового интермедиата протекает с 97%-ным сохранением конфигурации; таким образом, стереоселективность контролируется на стадии координации [40, 42],
Циклопентадиенильиые комплексы титана катализируют гидрирование олефинов [43]. Бис[1]5-(-)-метилциклопентадненил]титандихлорид - уникальный катализатор по двум причинам: 1) роль хирального лиганда в нем играет углеводо-
род и 2) в отличие от других катализаторов, он только переносит водород к углеводородам [15% ее (З)-изомера в случае 2-этилстирола]. Интересно, что если одним из лигандов является цикло-нентадиен, то меняется предпочтительная конфигурация [10% ее (К)-изомера], и, наконец, восстановление этого комплекса действием 1лА1(0-трет-Ви)Д4 приводит к лучшему катализатору в этой серии, дающему 23% ее (З)-изомера [43],
В настоящее время комплексы на основе кобальта и титана находят меньшее применение в асимметрическом гидрировании, чем комплексы на основе родия и рутения. В тоже время они широко применяются в других процессах асимметрического катализа. Например, гомогенные комплексы титана катализируют реакции окисления, в частности, зпоксидирования,
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Энантиоселективный катализ является одной из наиболее быстро развивающихся областей химии, а накопленные теоретические знания уже сейчас реализуются в промышленности, позволяя синтезировать необходимые оптически активные лекарственные препараты, душистые вещества и др. Так широко известно, что с 80-х годов Така-sago International применяет комплексы на основе BINAP для синтеза ментола [33], кроме того, подобные каталитические системы используются для гидрирования ненасыщенных карбоновых кислот, в том числе, для получения противовоспалительного препарата напроксеиа [41]. Однако наиболее эффективными в промышленности всегда считались гетерогенные катализаторы, которые сейчас начинают находить широкое применение в асимметрическом гидрировании [44]. В частности каталитические системы на основе платины модифицированной хинными алкалоидами применяются в асимметрическом гидрировании кетонов [45-47],
ЛИТЕРАТУРА
1. Patrik G.L. An Introduction to Medicinal Chemistry. Oxford University Press. 1995.
2. Stinson S.C. // Chem. Eng, News. 2000. Vol, 78, 55.
3. Клабуновский E. ИМ Успехи химии. 1996. Vol. 65 (4). P. 350.
4. Osborne J, A, et aL// J. Chem, Sec, (A), 1966. P. 1711.
5. Knowles W,SM Sabacky MJM J.C.S. Chem. Comm. 1968, P. 1445,
6. Horner LM Siegel JHL, Büthe H J! Angew.Chem. 1968. Vol. 1034, P. 80.
7. Abley P., McQuillm F JM J.C.S. Chem, Comm. 1969, P. 477.
8. Kagan H. BM Dang Т.-РУ/ J.C.S. Chem. Comm. 1971. P. 481.
9. Kagan H* В.,Dang T.-PM J. Am. Chem. Soc. 1972. Vol. 94. P. 6429.
] 0. Noyori KM Chem. Soc. Rev. 1989. Vol. 18. P. 187.
11. Noyori R., Takaya HM Aec. Chem. Res, 1990. Vol 23. P. 345.
12. Noyori R, Stereoeonirolled Organic Synthesis, ed. Trost B.M. Oxford; Blackwell Scientific Publications, 1994.
13. Noyori KM Acta Chem, Scand. 1996. Vol, 50, P. 380.
14. Rossen K.//Angew, Chem, 2001, Vol. 24(113). P. 4747.
15. Gridnev LD., Higashi N., Imamoto TJf J. Am. Chem. Soc.
2000. Vol. 122. P. 10486.
16. Gridnev LD., Higashi N,* Imamoto TV/ J, Am. Chem. Soc.
2001. Vol. 123. P. 4631.
17. Gridnev LD«., Higashi N^ I mamoto TM J. Am. Chem. Soc. 2000. VoL 122. P. 7183.
18. Gridnev 1. D. et ah //J. Amer. Chem. Soc. 200 L Vol. 123. P. 5268.
19. Yasutake M, et aL //Ore. Lett. 2001. VoL 3. P. 1701.
20. Ногради M, Стереоселективный синтез. М.: Мир. 1989.
21. Мурзин Д.// Химическая промышленность. 2001. Vol. 11.
22. Glaser R., Geresh S., Biumenfeld J.// J. Organomet. Chern. 1976. Vol. 112. P. 355.
23. King R. B. et at. //1 Org. Chem. 1979. Vol. 44. P. 1729.
24. Oginia I„ Kogure T./7 Chem. Lett. 1978. Vol. 567.
25. Brown J.M. et al. // A.C.S. Symposium Ser. 1980. Vol. 119. P. 1731.
26. Miyashita A. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 1980. Vol. 102. P. 7932.
27. Toriumi K. et al. // Acta Crystallogr. Sect. В. 1982. Vol. 38. P. 807.
28. Miyashita A. et al. // Tetrahedron. 1984. Vol. 40. P. 1245.
29. Brown K, J. et al. //J. Amer. Chem. Soc. 1984. Vol. 106.
P. 4717.
30. Landis СЖ, Haipern J.// J. Amer. Chem. Soc. 1987. Vol. 109. P. 1746.
31. Brown J.M., Chaioner P.A.// I. Amer. Chem. Soc. 1980. VoL 102. P. 3040.
32. James B.R., Wang D. K.W., Voigt R.F.// J.C.S. Chem. Comm. 1975. P. 574.
33. Bottegh! C. et aL // J. Organomet. Chem. 1977. Vol. 140. P. 22 i.
34. Matteoli U. et a!. //j. Mo). Catal. 1981. Vol. 12. P. 265.
35. Ma gee M.P., Norton J.R.// J. Amer. Chem. Soc. 2001. Vol. 123. P. 1778.
36. Dobbs D. A. et aL // Angew.Chem. 2000. Vol. 112. P. 2080.
37. Dobbs D, A. et aL // Angew.Chem. Int. Ed. 2000. Vol. 39. P. 1992.
38. Wiles J. et al. // Angew.Chem. 2001. Vol. 113. P. 937.
39. Wiles J. et aL // Angew.Chem. Int. Ed. 2001. Vol. 40. P. 914.
40. Fischli A., Siiss D.// Helv. Chim. Acta. 1979. Vol. 62. P. 2361.
41. Noyori R.// Angew.Chem. 2002. Vol. 114. P. 2108.
42. Fischli A., Daly J J JI Helv. Chim. Acta. 1980. Vol. 63. P. 1628.
43. Cesarotti E„ Ugo R., Vitiello Ri/ J. Mol. Catal. 198). Vol 12. P. 63.
44. Клабуновский EМЛ Успехи химии. 1991. Vol. 60 (9). P. 1920.
45. Izumi Y.// Adv. Catal. 1983. Vol. 32. P. 215.
46. Tai A., Sugimura T, Chiral Catalyst Immobilization and Recycling. Eds. De Vos D.E., Vankelecom, I.F.J., Jacobs P.A. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH. 2000. P. 173.
47. Blaser H. If. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2000. Vol. 122. P. 12675.
Кафедра биотехнологии и химии
