Каталитическое аллилирование норборнадиена.

Использование в этой реакции норборнадиена (НБД) существенно расширяет ее синтетические возможности (реакция 5). Впервые возможность проведения реакции аллилирования НБД была показана У.М. Джемилевым и сотр. в статье 5. Реакция НБД с аллилацетатом (1: 1) в присутствии каталитической системы Ni – (acac) 2 –AlEt3 – P(Oi-C3H7) 3 (1: 3: 4) в отличее от норборнена протекает более сложно и сопровождается образованием трех изомерных продуктов (I – III).

Аллилирование НБД во многом напоминает аналогичную реакцию для НБН - производных. Существенное отличие заключается в способности молеулы НБД к хелатной координации на атоме катализатора. Следствием этого является разнообразное, чем для НБН, строение возможных продуктов. В ходе реакции, кроме уже известных продуктов, могут образовываться так же продукты двойного аллилирования 5.

Набор продуктов в реакции 5 для никелевого катализатора несколько иной, чем при стехиометрическом взаимодействии. Следует отметить отсутствие норборненовых продуктов эндо-строения и образование квадрацикленовых производных III.

Кинетика реакции качественно напоминает аллилирование НБН 10. Совокупность спектральных и кинетических исследований дает представление о механизме процесса.

Механизм реакции аллилирования НБД аллтлацетатом в присутствии комплексов никеля включает 24 стадии:

Схема 1.3. Механизм каталитического аллилирования НБД

1. NiP4↔NiP3 + P

2. NiP3↔NiP2 + P

3. NiP2↔NiP + P

4. NiP + НБД↔Ni(НБД) + P

5. NiP2 + НБД↔NiP(НБД) + P

6. NiP3 + НБД↔NiP2(НБД) + P

7. NiP4 + НБД↔NiP3(НБД) + P

8. NiP4 + AA↔NiP4(AA)

9. NiP3 + AA↔NiP3(AA)

10. NiP2 + AA↔NiP2(AA)

11. NiP + AA↔NiP(AA)

12. NiP3(AA) + НБД↔NiP3(AA) (НБД)

13. NiP2(AA) + НБД↔NiP2(AA) (НБД)

14. NiP(AA) + НБД↔NiP(AA) (НБД)

15. NiP3(AA) (НБД) ↔S1 + AcOH + NiP3

16. NiP3(AA) (НБД) ↔S2 + AcOH + NiP3

17. NiP3(AA) (НБД) ↔S3 + AcOH + NiP3

18. NiP2(AA) (НБД) ↔S1 + AcOH + NiP2

19. NiP2(AA) (НБД) ↔S2 + AcOH + NiP2

20. NiP2(AA) (НБД) ↔S3 + AcOH + NiP2

21. NiP(AA) (НБД) ↔S1 + AcOH + NiP

22. NiP(AA) (НБД) ↔S2 + AcOH + NiP

23. NiP(AA) (НБД) ↔S3 + AcOH + NiP

24. P(O-iC3H7) 3 + AcOH↔H(O) P(O-iC3H7) 3 + C3H7Oac

P ≡ P(O-iC3H7) 3; НБД ≡ норборнадиен; АА ≡ аллилацетат; S1, S2 и S3 ≡ продукты аллилирования НБД.

Ключевой стадией является формирование каталитически активного комплекса никеля, где образуется аллильный фрагмент. Формирование подобных комплексов описано в работах Ямамото и сотр 15. В процессе окислительного присоединения оргонических вществ, имеющих связь С-О, происходит встраивание металла с образованием аллильного комплекса:

Рисунок 1.3. Механизм образования аллильного комплекса никеля.

Далее молекула НБД координируется на атоме металла, вызывая η3 – η1 – изомеризацию аллилиьного лиганда, а затем внедряется по связи η1 – металл.

Анализ данных позволил авторам утверждать, что образование индивидуальных продуктов I – III связано с наличеем в каталитической системе комплексов никеля, содержащих различное число фосфитных лигандов 7 9 10.

В зависимости от количества фосфорорганических заместителей реализуются различные направления циклизации, которые завершаются β-гидридным переносом, образованием продуктов аллилирования и регенерацией NiPn:

Рисунок 1.4. Зависимость направления реакции аллилировани НБД от соотношения P(O-iC3H7) /Ni.

Совокупность литературных и экспериментальных данных 7 9 10 позволили авторам предложить механизм каталитического аллилирования НБД (рис 1.4) В соответствии с ним комплексы allNiPnOAc доминируют в реакционной среде. Молекула НБД, координируясь на атоме никеля вызывает η3 – η1 – изомеризацию аллилиьного лиганда, а затем внедряется по связи η1 – аллил – металл. Затем, в зависимости от колличества фосфорорганического заместителя, осуществляются различные направления циклизации, которые завершаются β – гидридным переносом, образованием продуктов и регенирацией NiPn, к которому быстро окислительно присоединяется молекула аллилацетата из раствора. При n=1 происходит хелатная координация НБД в комплексе, что вызывает образование продукта III, имеющего нортрициклическое строение 10.

Рисунок 1.5. Заключительная часть механизма каталитического аллилирования НБД аллилацетатом.

Стадия гидридного переноса, очевидно, лимитирует процесс. Протекание такой стадии с участием β – углеродного атома подтверждено при использовании модельной системы C3D5OCOCD3.

Рисунок 1.6. Фрагмент мехпнизма каталитического аллилрования НБД аллилацетатом для модельной системы C3D5OCOCD3 – НБД.

Малекулярные массы продуктов I и II различаются, что подтверждает возможность отрыва атома водорода как из НБД – кольца, так и аллильного фрагмента.

Уксусная кислота как и в случае НБН, дестабилизирует каталитическую систему. По этой причине в статическом реакторе количество оборотов катализатора, как правило, не превышает 150 – 200.

Применение цеалитов 11 12 позволяет существенно повысить время жизни катализатора и увеличить число каталитических циклов до 2000.

Влияние соотношения реагентов – НБД и аллилиацетата – на закономерности процесса.

Выше было показано, что максимальный выход продуктов аллилирования НБД I – III наблюдается при эквимолярном соотношении реагентов. При избытке НБД образуется незначительное количество его димеров и падает суммарная скорость процесса 5.

Если взаимодействие НБД проводить с двукратным мольным избытком аллилацетата (200С, НБД: Ni(acac) 2, 10-15: 1), то в реакционной смеси на ряду с продуктами I – III, появляется продукт IV, образование которого представлено авторами как присоединение к НБД 2 молей аллилацетата. Позднее было показано 9 10, что в этих условиях наблюдается вторичное аллилирование соединений с норборненовыми структурами I и II, приводящее к большому количеству изомерных продуктов (реакция 6):

(6)

Строение и соотношение продуктов двойного аллилирования НБД зависит от условий – температуры и соотношения P/Ni. Скорость аллилирования двойной связи НБД в несколько раз превышает скорость стадии повторного аллилирования.