Каталитические системы для окислительной функционализации сложных органических субстратов: взаимосвязь между реакционной способностью активных частиц и хемо- и региоселективностью окисления

Активной частицей каталитической системы 2/H2O2/AcOH (2 = [(PDP*)Fe(III)(μ-OH)2Fe(III)(PDP*)](OTf)4, PDP* = N,N’-бис(3,5-диметил-4-метоксипиридил-2-метил)-(S,S)-2,2’-бипирролидин) является низкоспиновый (S = 1/2) оксокомплекс железа(V) [(PDP*)Fe(V)=O(OAc)]2+ (4), а активной частицей каталитической системы 2-NMe2/H2O2/AcOH (2-NMe2 = [(PDP-N)Fe(III)(μ-OH)2Fe(III)(PDP-N)](OTf)4, PDP-N = N,N’-бис(4-диметиламинопиридил-2-метил)-(S,S)-2,2’-бипирролидин) – высокоспиновый (S = 3/2) оксокомплекс железа(V) [(NMe2-PDP)Fe(V)=O(OAc)]2+ (4-NMe2). В ходе проекта изу-чено влияние добавок сильной кислоты Бренстеда на реакционную способность интерме-диатов 4 и 4-NMe2 в С=С и С–H окислении органических субстратов и на эффективность каталитических систем 2/H2O2/AcOH и 2-NMe2/H2O2/AcOH. Установлено, что добавка 5 экв. HClO4 (по отношению к Fe) в систему 2/AcOOH/AcOH/циклогексан (1:3:10:10) при −70 °C приводит к увеличению (в 3-5 раз) константы скорости k2 реакции 4 с такими субстратами, как циклогексан, адамантан, (3aR)-(+)-склареолид. Аналогичный результат был получен для высокоспинового интер-медиата 4-NMe2 при −40 °C. Эти данные согласуются с результатами каталитического окисления рассматриваемых субстратов системами 2/H2O2/AcOH и 2-NMe2/H2O2/AcOH. Добавки HClO4 увеличивают эффективность этих каталитических систем в процессах С–Н окисления адамантана и склареолида (число оборотов и выход продуктов) и в то же время увеличивают региоселективность С–Н окисления этих субстратов. В ходе работы над проектом впервые получены прямые экспериментальные данные о влиянии фторированных спиртов 2,2,2-трифторэтанола (TFE) и 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропанола (HFIP) на реакционную способность и стабильность оксоком-плексов железа(V) [(L)Fe(V)=O(OAc)]2+, ведущих селективное гидроксилирование алифа-тических С–Н групп органических субстратов в каталитических системах (L)Fe(II,III)/H2O2/AcOH. В качестве активных частиц окисления методом ЭПР исследова-лись низкоспиновый интермедиат 4 (S = 1/2) и высокоспиновый интермедиат 4-NMe2 (S = 3/2). Показано, что добавки фторированных спиртов увеличивают (в 3-7 раз) константы скорости второго порядка реакции 4 с метилциклопентаном (MCP) и 1,2-диметилциклогексаном (DMCH), причем это увеличение более значительно для HFIP, чем для TFE. В соответствии с этими результатами каталитическое окисление MCP и DMCH системами 2/H2O2/AcOH и 2-NMe2/H2O2/AcOH в TFE и HFIP характеризуется зна-чительно более высокой конверсией, чем в CH3CN. Выполнено квантовохимическое (DFT) моделирование сечения дублетной и квартет-ной поверхностей потенциальной энергии вдоль координаты реакции для гидроксилиро-вания метилциклопентана активной перферрильной частицей [(PDP-Me2OMe)Fe(V)O(OAc)]2+ (4) по третичному С–Н положению. Реакция переноса атома Н на квартетной ППЭ характеризуется значительно более низкой энергией активации (ΔG = 1.8 ккал/моль), нежели на дублетной (ΔG = 7.2 ккал/моль). В то же время, конечный продукт – координированный к Fe центру 1-метилциклопентанол – более стабилен на дублетной ППЭ. Таким образом, данные DFT предсказывают несовпадение кинетическо-го и термодинамического контроля для механизма данной реакции. Найдены условия для получения спироциклических соединений в ходе окисления циклоалкилароматических субстратов каталитическими системами на основе негемовых комплексов железа. Так, при окислении тетрагидронафтола ацетата (THNA) и эстрона ацетата (EA) каталитической системой 2/Н2О2/АcOH образуется четыре новых спиро-соединения. Установлено, что наиболее высокие выходы спиро-соединений (около 50%) наблюдаются в каталитических системах, генерирующих более активные в ароматиче-ском С–Н окислении интермедиаты – оксокомплексы железа(V) (L)Fe(V)=O(OAc). Выхо-ды спиро-соединений при использовании каталитических систем, генерирующих менее активные оксокомплексы железа(V), значительно меньше (не более 10%). Катализаторы на основе негемовых комплексов Ni обладают существенным преиму-ществом по сравнению с аналогичными комплексами Fe, а именно - способностью ката-лизировать окисление только алифатических (обычно, бензильных) С–Н групп в субстра-тах, содержащих одновременно алифатические и ароматические С–Н группы. До наших исследований, во всех опубликованных работах авторы использовали большой избыток субстратов по отношению к окислителю m-CPBA (минимально 7:1), что не позволяло го-ворить о возможности препаративного использования комплексов Ni. В данном проекте впервые найдены условия для использования соотношения субстрат/окислитель = 1:1, ко-торое является наиболее предпочтительным для препаративного применения. Найден оп-тимальный растворитель 2,2,2-трифторэтанол (TFE), с использованием которого удалось достичь высоких значений (до 97%) конверсии субстратов, содержащих бензильные С–Н группы – этилбензола, кумола, дифенилметана, тетралина в мягких условиях (при 20 °С). Основными продуктами являлись простые эфиры ROCH2CF3, которые ранее не удавалось получить с использованием каталитических систем на основе комплексов никеля. Селек-тивность образования эфиров ROCH2CF3 достигала 94%. Были выделены в чистом виде и ЯМР-спектроскопически охарактеризованы основ-ные продукты каталитического окисления этилбензола и кумола в TFE – 1-фенилэтил 2,2,2-трифторэтиловый эфир и кумил 2,2,2-трифторэтиловый эфир (изолированные вы-ходы составили 57% и 61%). Для этого была разработана методика синтеза, с использова-нием изученных никелевых катализаторов, и методика очистки данных продуктов с по-мощью препаративной тонкослойной хроматографии. Методом спектроскопии ЭПР in situ, впервые для систем на основе комплексов нике-ля обнаружен и охарактеризован активный интермедиат С–Н окисления, который непо-средственно окисляет субстрат при 20 °С. Построена корреляция Гаммета-Брауна для конкурентного бензильного окисления этилбензола и ряда пара-замещенных этилбензо-лов (NO2, Br, Me, OCH3) m-CPBA, а также измерен кинетический изотопный эффект для конкурентного окисления этилбензол/этилбензол-d10. Полученные значения ρ+ = −2.39 и kH/kD = 4.6 являются типичными для реакций С–Н окисления в присутствии электрофиль-ных комплексов переходных металлов в высокой степени окисления, протекающих через электронодефицитное переходное состояние. На основании данных о реакционной спо-собности и результатов квантовомеханического расчёта параметров ЭПР (g1 ≈ g2 ≈ 2.14, g3 = 2.02) сделан вывод, что активный интермедиат представляет собой ацилпероксоком-плекс никеля(III) [(BPMEN)Ni(III)(k2-OOC(O)R)]2+.