CC BY
15
УДК 542.943.3 + 542.943.6 + 541.569
СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОЕ ОКИСЛЕНИЕ СУЛЬФИДОВ В ПРИСУТСТВИИ ХИРАЛЬНЫХ ПЕРОКСОКОМПЛЕКСОВ ВАНАДИЯ
A.B. Анисимов, Е.В. Федорова, П.Н. Нестеренко, В.М. Сенявин, A.B. Тараканова
(кафедра химии нефти и органического катализа, кафедра аналитической химии, кафедра физической химии; e-mail: anis@petrol.chem.ru)
Синтезированы оксо- и дипероксокомплексы ванадия с хиральными лигандами - L-проли-ном и основаниями Шиффа - и с их помощью осуществлено стереоселективное окисление прохиральных алкиларилсульфидов до оптически активных сульфоксидов с энантиоселек-тивностью до 85%.
Оптически активные сульфоксиды - важный класс соединений, которые находят широкое применение в асимметрическом синтезе. Наиболее распространенный метод синтеза оптически активных сульфоксидов - это энантиоселективное окисление легко доступных прохиральных сульфидов [1].
Перспективными окислителями для стереоселек-тивного превращения сульфидов в сульфоксиды являются пероксокомплексы переходных металлов, в том числе ванадия, содержащие в качестве лигандов пространственно затрудненные тридентантные лиганды -оптически активные основания Шиффа [2, 3]. С помощью таких окислительных систем удается окислять прохиральные сульфиды до хиральных сульфоксидов с высокой энантиоселективностью, эффективность окисления зависит от строения лиганда и исходного основания Шиффа [1, 4].
В настоящей работе для стереоселективного окисления сульфидов были использованы хиральные комплексы: дипероксокомплекс ванадия 1, содержащий в качестве лиганда Ь-пролин, и оксокомплексы (2-5), в которых лигандами служили оптически активные основания Шиффа (схема 1).
Лиганды для комплексов 2 и 3, были полученны in situ и отдельно не выделялись [5], лиганды для комплексов 4 и 5 были синтезированы предварительно.
Получение пероксокомплекса ванадия 1 проводили по методике, описанной в работе [6]. В результате реакции из раствора выпадали желто-оранжевые кристаллы, устойчивые в твердом состоянии при низких температурах (до 0°С) в течение нескольких часов, растворимые в хлористом метилене, ацетоне, этилаце-тате и других веществах средней полярности, мало растворимые в воде. По данным элементного анализа комплекс 1 содержит пять молекул воды, т.е. представляет собой пентагидрат.
В ПК-спектре полученного комплекса наиболее интенсивные полосы отвечают колебаниям кристаллизационной воды (3450-3200 см-1), а также валентным колебаниям оксодипероксованадиевого фрагмента: полоса 968 см-1 - колебанию связи V=O, линии 879 и
858 см-1 - растяжению связей О-О. Отметим, что
-1
указанные максимумы полос в пределах 4 см совпадают с литературными данными [7]. К колебаниям лиганда в спектре комплекса 1 можно отнести прежде всего полосу 1766 см 1, практически не сме-
2 R=CH3
3 R=CH2Ph
4 R=i-Pr
5 R=CH2P h
щенную от своего положения в спектре кристаллического пролила, а также ряд слабых полос в области 950-1200 см-1. Положение и интенсивность большинства полос в ИК-спектре комплекса, особенно в области 1700-1300 см-1, практически не отличаются от спектров лиганда. В спектре комплекса 1 наблюдается картина, характерная для семикоординацион-ных дипероксокомплексов, это широкая полоса при 575 см-1 и полоса средней интенсивности при 625 см 1 соответственно, отвечающие симметричным и асимметричным колебаниям фрагмента У-0 .
пероксо 51
В спектре ЯМР У, зарегистрированного для комплекса 1 в органической фазе (СН2С12), наблюдается один синглет с химическим сдвигом -642.345 м.д., характерный для оксодипероксокомплексов ванадия. Сигнал ванадия в комплексе 1 смещен в сторону слабого поля относительно сигналов ванадия в его пероксокомплексах с пиридиновыми лигандами [8], что подтверждает установленную нами ранее зависимость химического сдвига от электронодонорных свойств лигандов.
Получение оксокомплексов ванадия 2 и 3 проводили по методике [5] взаимодействием ванадилсуль-фата У0 804 с салициловым альдегидом и а-амино-кислотами Ь-аланином (2) и Ь-фенилаланином (3). Лигандом в комплексах 2 и 3 является двухвалентное тридентатное основание Шиффа.
Получение оксокомплексов ванадия 4 и 5 проводили взаимодействием ацетилацетатного комплекса ванадия У0(асас)2 с оптически активными лигандами 10 и 11 согласно [9,10]. В каждом случае в результате реакции из раствора выпадали вязкие осадки темно-зеленого цвета, не растворимые в воде, ацетоне, бензоле, растворимые в метаноле, хлороформе и хлористом метилене.
В ПК-спектрах комплексов 2-5 наиболее интенсивные полосы отвечают колебаниям кристаллизационной
воды (3450-3200 см 2), а также валентным колебаниям связи У=0, линии 980, 975, 970 и 975 см-1 соответственно. К колебаниям лигандов в спектре комплексов 2-5 можно отнести полосу 1625 см 1, отвечающую валентным колебаниям связи СН=№
Структура комплекса 2 - моногидрата (2-(К-сали-цилиденамино)-пропановой кислоты)оксованадия -С10Н9И105У1, была исследована нами ранее методом монокристальной дифракции [11].
В спектрах ЯМР У комплексов 2-5, наблюдаются парные сигналы в области от -530 до -575 м.д., принадлежащие оксокомплексам ванадия. Значения химических сдвигов атомов ванадия в оксокомплек-сах 2-5, как и в случае с оксодипероксокомплексами, определяются электронодонорными свойствами лигандов, входящих в координационную сферу данных соединений: при увеличении электронодонорных свойств лиганда возрастает электронное экранирование и соответственно сигналы смещаются в сторону более слабого поля (табл. 1)
Парность сигналов ванадия в комплексах 2-5 может указывать на существование двух диастереомер-ных эндо- и экзо-форм каждого из этих комплексов (схема 2).
Исследования каталитической активности полученных хиральных комплексов в асимметрическом окислении прохиральных сульфидов проводили на примере этилфенилсульфида (11) и фенилбензилсульфида (12). Результаты опытов по окислению представлены в табл. 2 (схема 3).
При окислении этилфенил- и фенилбензилсульфида пероксидом водорода в условиях асимметрического катализа в присутствии комплексов ванадия основными продуктами реакции являются этилфенил- и фе-нилбензилсульфоксиды. Ни в одном из случаев не было замечено образования примесей сульфонов. Химические выходы полученных сульфоксидов достаточно высоки (табл. 2). Оптическое вращение, абсо-
Таблица 1
Данные ЯМР V спектроскопии: химические сдвиги комплексов 2-5
Комплекс 2 3 4 5
8 (ррт)* -554,446 (I) -553,621 (I) -536,915 (I) -547,023 (I)
-569,124 (II) -572,253 (II) -554,789 (II) -560,107 (II)
Из У0С13.
Cх ема 2
R R"
м
/=N\\\/°
H
X
\
эндо- I
R- H
t-R
\
H
\
y^J-X
LX
экзо- II
2 X = Н, R = О, R = CH3; 3 X = Н, R = О, R = CH2Ph; 4 X = í-Bu, R ' = Н, R = CH(CH3)2; 5 X = í-Bu, R ' = H, R = CH2Ph
C x ема 3
V-complex, 1 mol % ^ R'""®^'—R' H2O2 (30%), CH2Cl2 O
11, 12 (S)-13, (5)-14
11, 13 R = Ph, R ' = Et; 12,14 R = Ph, R ' = CH2Ph
лютная конфигурация и энантиоселективный выход сульфоксидов вычисляли, исходя из абсолютных углов вращения энантиомерно чистых сульфоксидов, известных из литературы. Для некоторых сульфоксидов данные по энантиоселективному выходу были подтверждены методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на хиральном сорбенте, представляющем собой силикагель с привитым (К)-М-(3,5-динит-робензоил)фенилглицином. Ранее этот сорбент показал свою эффективность при хроматографическом разделении рацемических сульфоксидов [16].
При использовании для окисления сульфидов ванадиевых комплексов с лигандами 1-5 (^-конфигурации в каждом случае образуются соответствующие (5)-сульфоксиды. Наибольшие энантиоселективные выходы сульфоксидов были получены при использовании комплексов 2 и 3, а наименьшая энантиоселек-тивность наблюдалась в случае комплекса 1 с проли-ном в качестве лиганда. Последнее обстоятельство связано с тем, что данный комплекс является оксо-дипероксокомплексом, в котором, как и в других ок-содипероксокомплексах, нуклеофильная атака сульфида происходит по пероксидному кислороду, в этом случае лиганд пролин не экранирует подступы к пе-роксидным кислородам, и атака по кислороду может происходить с нескольких сторон. Этот фактор и яв-
ляется определяющим низкой энантиоселективности полученных сульфоксидов (схема 4).
В случае монопероксокомплексов с тридентатными лигандами количество вакантных мест внедрения субстрата в комплекс резко ограничено по сравнению с дипероксокомплексом. Энантиоселективность процесса при этом возрастает, а выход сульфоксида ввиду возрастающих стерических затруднений больше при наличии в лиганде mpern-бутильной группы (схема 5).
Таким образом, пероксокомплексы и оксокомплек-сы ванадия обладают специфическими свойствами, позволяющими использовать их для регио- и стерео-селективного окисления органических сульфидов в водных и органических средах.
Cх ема 4
R
Таблица 2
Асимметрическое окисление прохиральных сульфидов 11 и 12
Сульфид Катализатор Выход сульфоксида, % e.e.*, % [a]25D, град Концентрация, моль/л, СНС13
Этилфенил-сульфид 11 1 96 276 -98,4 0,13
2 98 75 -273,2 0,13
3 97 78 -280,3 0,10
4 95 65 -235,9 0,13
5 95 596 -214,8 0,13
Фенилбензил-сульфид 12 1 98 296 -30,2 0,50
2 97 856 -88,5 0,50
3 98 83 -86,4 0,50
4 92 706 -72,9 0,50
5 98 676 -69,8 0,50
* Энантиомерный избыток (е.е.) был вычислен с использованием данных по оптическому вращению энантиомер-ночистых сульфоксидов 13,14 [12-15]. Подтверждено данными ВЭЖХ.
Экспериментальная часть
Масс-спектрометрический анализ проводили на приборе "Finnigan МАТ 112S" (США) в режиме электронного удара при энергии ионизирующего излучения 70 эВ, хроматомасс-спектрометрический анализ проводили на приборе "Хьюлетт-Паккард 5972MSD" (США) в хроматографическом режиме при программировании температуры от 110 до 290°С, скорость программирования 10 град/мин, газ-
носи- тель - гелии, энергия ионизирующего излучения 70 эВ.
Спектры ЯМР 51У (52,6 МГц) регистрировали на приборе "ТвяМ Втыквт АС-200" (Германия) по одно-ипульсной программе с длительностью импульсов возбуждения 4 мкс, периодом следования 1 си числом накоплений 460. В качестве внешнего стандарта использовали УОС13 (8 = 0 м.д.), растворитель СНС13.
С хема 5
X = Н или t-Bu; R = Alk; R'= Н или О, (S) = меньший заместитель; (L) = больший заместитель
ИК-спектры были зарегистрированы на приборе "Specord M80" ("Carl Zeiss", Германия) в интервале 400-4000 см-1 при разрешении 2,5-4 см-1 в тонкой пленке и растворах CH2Cl2 или CHCl3.
Анализ методом ВЭЖХ проводили на жидкостном хроматографе, состоящем из насоса высокого давления мод. 114 M ("Beckman", США), петлевого дозатора мод. 112S ("Rheodyne", США) и спектрофото-метрического детектора "Micro UV-Vis 20" ("Carlo Erba Instr. ", Италия). Разделение проводили на хро-матографической колонке "PIRKLE-DNBPG" (250x4,6 мм), заполненной Si02 (5 мкм) с ковалентно закрепленным (К)^-(3,5-динитробензоил)фенилглици-ном. В качестве подвижной фазы использовали смесь С Н202:гексан (1:1). Детектирование хроматографи-ческих пиков проводили при 254 нм.
Контроль за ходом реакции и чистотой продуктов осуществляли методом ТСХ на пластинках "Sulufol UV-254". В зависимости от качественного состава реакционной смеси использовали системы элюентов с разной полярностью. Измерение удельного вращения плоскости поляризации света проводили на поляриметре "Rudolf Researh", Великобритания, (а = 0,0001°), элементный анализ - на микроанализаторе "Carlo Erba" (Италия).
Получение ванадиевых комплексов
Пероксокомплекс 1, содержащий L-пролин в качестве комплексообразующего лиганда, получали по методике [6]. 10 ммолей NaV03x2H20 растворяли в 20 мл воды, раствор охлаждали до 5°С и добавляли 0,1 моля 50%-го Н202. Образовавшийся раствор перемешивали в течение 2 мин. Затем добавляли 15 ммолей L-пролина, растворенного в небольшом количестве воды. Перемешивание проводили в течение 15 мин, одновременно понижая температуру до 0°С, и при этой температуре оставляли раствор кристаллизоваться. Выпавшие кристаллы желто-оранжевого цвета отделяли от раствора декантацией. Найдено (%): C 16,86; H 4,65; N 3,90. C5H17NNa012V. Вычислено (%): C 16,82; H 4,80; N 3,92. ПК-спектр (v/см-1) : 1166, 968, 819, 858, 625, 515. ЯМР 51V (8, м.д.): -642,345.
Оксокомплексы 2 и 3 синтезировали по методике [5], лиганды - основания Шиффа, полученные in situ при взаимодействии салицилового альдегида с а-ами-нокислотой (L-anaHHH, L-фенилаланин). Выход продуктов 2 и 3 -80% (по отношению к V0S04x2Н20), Гпл = 250°С (из МеОН).
Оксокомплекс 2. ПК-спектр (v/cm-î): 3500, 1625, 980. ЯМР 51V (8, м.д. ): -554,446; -569,124.
Оксокомплекс 3. ПК-спектр (v/cm-1): 3500, 1625, 915, 912. ЯМР 51V (Ъ, м.д.): -553,621; -512,253.
Комплексы 4 и 5, содержащие в качестве ли-гандов основания Шиффа 9 и 10. Лиганды 9 и 10 получены при взаимодействии 3,5-ди-треш-бутил-салицилового альдегида с (^J-2-аминоспиртами, которые, в свою очередь, были синтезированы из соответствующих а-аминокислот.
3,5-Ди-шреш-бутилсалициловый альдегид (6) получен по методике [17]. Очистку альдегида 6 от примесей и следовых количеств 5-трет-бутилсалици-лового альдегида проводили методом колоночной хроматографии на Si02, в качестве элюента использовали СН2С12:гексан (1:1). Выход 62%, Тш = 53-56°С (из МеОН) (ср. лит. [17]: Гпл = 53-56°С). Масс-спектр, m/z (10ТЯ (%)): 234(22), 219(100), 163(10), 135(8), 51(30), 41(14).
(£)-(+)-2-Амино-3-метил-1-бутанол (L-валинол) (7) и (25)-2-амино-3-фенилпропанол (L-фенилала-нинол) (8) получали восстановлением L-валина и L-фенилаланинина LiA1H4. Спирт 7: выход 80%, Тш = 55-56°С. Спирт 8: выход 80%, Тш = 89-90°С (из Pr-0Н) (ср. лит. [18]: Тш = 91-92°С).
(5)-2-(^-3,5-Ди-трет-бутилсалицилиден)ами-но-3-метил-1-бутанол (9) и (S)-2-(N-3,5-^n-mpem-бутилсалицилиден)амино-3-фенил-1-пропанол (10) получали по методике [10]. Выход продуктов 9
1 13
и 10 ~80%, спектры ЯМР Н и С идентичны приведенным в [9, 10].
Комплексы 4 и 5, содержащие в качестве ли-гандов 9 и 10. К раствору 0,05 ммоля комплекса [V0(acac)2] в 10 мл СН2С12 добавляли 0,015 ммоля соответствующих лигандов. Полученный раствор выдерживали в течение 3 ч при 0°С. Образующийся вязкий темно-зеленый осадок отфильтровывали, промывали дистиллированной водой, 50%-м EtOH, эфиром и сушили в вакуумном эксикаторе при 40°С. Комплекс 4: выход 81%, ПК-спектр (v/cm-1): 34503200, 1625, 910. ЯМР 51V (Ъ, м.д.): -536,915; -554,189. Комплекс 5: выход 18%, ИК-спектр (v/cm-1): 3450-3200, 1625, 915, ЯМР 51V (Ъ, м.д.): -541,023; -560,101.
Асимметрическое окисление прохиральных сульфидов
В качестве окислителя использовали 30%-й водный раствор Н202, концентрацию которого контролировали титрованием перманганатом калия [19]. Исходный фенилбензилсульфид использовался в готовом виде, перед опытами его подвергали дополнительной очистке перегонкой в вакууме, этилфе-
нилсульфид синтезировали, согласно [20], по следующим схемам.
A. Окисление оксодипероксокомплексом 1.
Реакционную смесь, содержащую 10 ммолей сульфида, растворенного в 10 мл СИ2С12, 31 ммоль 30%-й И2О2, 0,03 ммоля ШУО3х2И2О, 0,02 ммоля Ви4И+Вг- в 20 мл СИ2С12 и 0,06 ммолей лиганда (Ь-пролина), растворенного в небольшом количестве воды, перемешивали в течение 4 ч при 30°С в термо-статируемом реакторе в атмосфере аргона. Водный слой экстрагировали эфиром (2x25 мл), объединенные органические слои промывали водой и сушили MgSО4. После удаления растворителя органическую фазу (для освобождения от избытка воды) пропускали через фильтр-колонку с SiО2, в качестве элюента использовали ацетон:гексан (4:1).
B. Окисление пероксокомплексами ванадия (2, 3/Н202) [9]. К 10 ммолям сульфида, растворенного в 10 мл СН2С12, добавляли 0,03 ммоля комплекса ванадия 2 (или 3), растворенного в небольшом количестве СН2С12. К полученному раствору при перемеши-
Работа выполена при финансовой пс
вании (12 ч, 30°С) осторожно прибавляли 31 ммоль 30%-й Н202. Дальнейшую обработку реакционной смеси проводили согласно пункту А.
С. Окисление пероксокомплексами ванадия (4, 5/Н2О2). К 4,2 ммолям соответствующего сульфида при перемешивании добавляли раствор 0,042 ммоля VO(acac)2 и 0,06 ммоля основания Шиффа с 2-аминоспиртом (9 или 10) в 10 мл CH2C\2. Полученный раствор термостатировали при 1°С, а затем осторожно прибавляли 4,1 ммоля 30%-й H202. Температуру реакционной смеси повышали до 30°С в течение 1 ч и продолжали перемешивание при этой температуре еще 12 ч. Дальнейшую обработку реакционной смеси смеси проводили согласно пункту А. Структура полученных сульфоксидов (этилфенилсуль-фоксида и фенилбензилсульфоксида) подтверждена сравнением данных ПК-, ЯМР JH- и масс-спектров с известными по литературе [8, 12, 15]. Выходы, абсолютная конфигурация, значения энантиомерного избытка, определенные для выделенных сульфоксидов, представлены в табл. 2. зержке РФФИ (проект № 06-03-32361).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bolm C. //Coordination Chemistry. 2003. 237. P. 245.
2. LiuZ., AnsonF.C. // J.Inorg.Chem.2001.40. P. 1329.
3. Brinksma J., Crois R., Feringa B., Donnoli M., Rosini C. //
Tetrahedron Lett.2001.42. P. 4049.
4. Legros J., Bolm C. //Angew. Chem. 2003. 42. P. 5487.
5. Theriot L.J., Carlisle G.O., Hu H.J. // J. Inorg. Nucl. Chem.
1969. 31. P. 2841.
6. Anisimov A. V., Fedorova E. V., Lesnugin A. V., Senyavin V.M.,
Aslanov L.A., Rybakov V.B., Tarakanova A.V. // Catalysis Today. 2003.78. P. 319.
7. Вольное И.И. Пероксокомплексы ванадия, ниобия, тантала.
М, 1987.
8. АнисимовА.В., ЛеснугинА.З., СенявинВ.М., ФедороваЕ.В.
// Нефтехимия. 2002. 42. С. 139.
9. Karpyshev N.N., Yakovleva O.D., TalsiE.P., Bryliakov K.P.,
Tolstikova O. V., Tolstikov A.G. // J. Mol. Catal., A: Chemical. 2000.157. P. 91.
10. Bryliakov K.P., Karpyshev N.N., Fominsky S.A., Tolstikov A.G, Talsi E.P. // J. Mo1. Catal A: Chemica1. 2001. 171. P. 13.
11. Федорова E.В., Рыбаков В.Б., Сенявин В.М., Анисимов A.B., Асланов Л. А. // Кристаллография. 2005. S0. С. 256.
12. Kokubo C., Katsuki T. //Tetrahedron.1996. 44. P. 13895.
13. Yamana Y., Imamoto T. // J.Org.Chem. 1991. 62.P. 8560.
14. Di Furia F., Lucini G., Modena G., Motterle R., Nugent W.A. // J.Org.Chem. 1996. 61. P. 5115.
15.Auret B.J., BoydD.R., Henbest H.B., Ross S. // J. Chem. Soc. (C). 1968. P. 2311.
16. Нестеренко П.H., Федоров H.В., АнисимовА.В. // 5естн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия.1990.31. С. 93.
11. Larrow J.F., JacobsenE.N. // J. Org. Chem. 1994. 59. P. 1939.
18. McKennon M.J., Meyers A.I. // J. Org. Chem. 1993. 58. P. 3568.
19. Белявская Т.А Практическое руководство по титриметрии и гравиметрии. М., 1986.
20. Hard C.D.,Greengard H. // J. Am. Chem. Soc.1930. 52. P. 3356.
Поступила в редакцию 13.11.06
STEREOSELECTIVE SULFIDES OXIDATION IN THE PRESENCE OF CHIRAL VANADIUM PEROXOCOMPLEXES
A.V. Anisimov, Ye.V. Fedorova, P.N. Nesterenko, V.M. Senyavin, A.V. Tarakanova
(Division of Petroleum and Organic Catalysis, Division of Physical Chemistry, Division of Analytical Chemistry)
Vanadium monooxo- and diperoxocomplexes were obtained and stereoselective sulfides oxidation to optic active sulfoxides has been studied.
