Katalizatory palladowe na bazie NHC

We współpracy z Umicore AG and Co,¹ oferujemy serię solidnych kompleksów Pd(II) i Pd(0) stosowanych jako łącznik w reakcjach tworzenia wiązań C-C. Wysokowydajne katalizatory Pd mogą skutecznie sprzęgać chlorki alkilowe i arylowe ze związkami organoboronowymi na dużą skalę (100 g-100 t).² Wysokie TON, łagodne warunki reakcji i ekonomiczna opłacalność/dostępność chlorków arylowych sprawiają, że ta metodologia jest atrakcyjna dla zastosowań na skalę przemysłową. Katalizatory 1 i 2 wykazują doskonałą aktywność w reakcjach sprzęgania C-C. Są one formalnie Pd(0) i są rzadkimi przykładami dobrze scharakteryzowanych monokarbenowych prekursorów palladu do kompleksów 12-elektronowych. System Umicore NHC-Pd przeprowadza sprzężenia Suzuki i Kumada, jak również reakcje α-arylacji w rozsądnych temperaturach.

W tym ostatnim przypadku [(NHC)Pd(allil)Cl],² reaktywny, formalnie 16-elektronowy kompleks, pośredniczy w α-arylacji szeregu ketonów arylowych (Schemat 1).³ Stabilny w powietrzu katalizator, krótkie czasy reakcji i wysokie konwersje dowodzą przydatności tej technologii NHC w porównaniu z poprzednimi α-arylacjami katalizowanymi Pd. Reaktywność ketonów alkiloalkilowych i alkiloarylowych została zbadana w tym wczesnym artykule NHC-Pd autorstwa Nolana i współpracowników.

Schemat 1. α-arylowanie szeregu ketonów arylowych

[{Pd(IMes)(NQ)}₂] wykazał wysoką reaktywność i selektywność w sprzężeniach sp₃-sp₂ Kumada (Schemat 2).⁴ Ogólność tej metodologii rozciąga się zarówno na bogate w elektrony, jak i ubogie w elektrony odczynniki arylomagnezowe. Co więcej, szerokie spektrum funkcjonalizowanych chlorków alkilowych zostało wykorzystane do uzyskania złożonych organicznych bloków budulcowych. Wysoka wydajność produktu w temperaturze pokojowej potwierdza solidność systemu katalitycznego w porównaniu z dobrze znanymi katalizatorami Pd-fosfinowymi (Pd(PPh₃)₄, Pd₂dba₃) w funkcji warunków reakcji.

Schemat 2. Sprzęgła Kumada

Powiązany katalizator [{Pd(IPr)(NQ)}₂] 1 wykazał imponującą aktywność w sprzęganiu Suzuki-Miyaura chlorków arylowych z kwasami fenyloboronowymi (Schemat 3). W temperaturze 50 °C, reakcja o wysokiej wydajności (88%) została zakończona w ciągu jednej godziny przy obciążeniu katalizatora 0,5% mol.⁵ Co ciekawe, katalizator Pd(0) 1 dawał niższe wydajności sprzężonego produktu biarylowego w temperaturze pokojowej, podczas gdy analogiczny katalizator 2 dawał 86% wydajności 4-Cl-bifenylu zarówno w temperaturze pokojowej jak i 50 °C w identycznych warunkach. Przypuszczalnie katalizator 1 potrzebuje dodatkowej energii, aby przekroczyć barierę aktywacji i wejść w cykl katalityczny jako nagi gatunek Pd-NHC. Należy zauważyć, że reaktywność [{Pd(IPr)(NQ)}₂] była również wysoka w sprzęganiu sterycznie obciążonego chlorku 2,6-difenylu i kwasu 1-naftalenoboronowego.

Schemat 3. Sprzęganie Suzuki-Miyaura chlorków arylowych

Beller i współpracownicy  ustalili profil reaktywności dla katalizatorów naftochinonowych NHC-Pd w reakcjach Hecka (Tabela 1).⁶ Wyjątkową wydajność tego systemu ilustruje poniższy schemat, w którym najlepsze wydajności stilbenu uzyskano w temperaturze 140 °C w środowisku cieczy jonowej. Niskie obciążenie katalizatora (0,5% mol), tanie odczynniki chlorku arylu i ustabilizowane środowisko cieczy jonowej przyczyniają się do potencjalnego rozwoju tej chemii na arenie przemysłowych chemikaliów.

Tabela 1. Katalizatory naftochinonowe NHC-Pd

R1	R2	Pd. Cat.	Temp (°C)	Konwersja (%)	Wydajność (%)
H	H	2	140	69	62
H	H	2	140	71	62
H	Ac	2	140	100	96
H	C0Me	(NHC)Pd(allil)CI	140	100	97
H	CF3	2	1	88	86
H	Me	(NHC)Pd(allil)CI	160	65	62

Referencje

1. Sold under a licensing agreement with Umicore AG, Co. .

2. Viciu MS, Germaneau RF, Navarro-Fernandez O, Stevens ED, Nolan SP. 2002. Activation and Reactivity of (NHC)Pd(allyl)Cl (NHC = N-Heterocyclic Carbene) Complexes in Cross-Coupling Reactions. Organometallics. 21(25):5470-5472. https://doi.org/10.1021/om020804i

3. Viciu MS, Germaneau RF, Nolan SP. 2002. Well-Defined, Air-Stable (NHC)Pd(Allyl)Cl (NHC = N-Heterocyclic Carbene) Catalysts for the Arylation of Ketones. Org. Lett.. 4(23):4053-4056. https://doi.org/10.1021/ol026745m

4. Frisch AC, Beller M. 2005. Catalysts for Cross-Coupling Reactions with Non-activated Alkyl Halides. Angew. Chem. Int. Ed.. 44(5):674-688. https://doi.org/10.1002/anie.200461432

5. Nolan SP. 2004. J. Organomet. Chem..3722.

6. Selvakumar K, Zapf A, Beller M. 2002. New Palladium Carbene Catalysts for the Heck Reaction of Aryl Chlorides in Ionic Liquids. Org. Lett.. 4(18):3031-3033. https://doi.org/10.1021/ol020103h