Аннотация

DIOP, систематическое название (4R,5R)-2,2-диметил-1,3-диоксолан-4,5-диилбис(метилен)бис(дифенилфосфан), представляет собой исторически значимый C₂-симметричный хиральный дифосфиновый лиганд с молекулярной формулой C₃₁H₃₂O₂P₂. Это органофосфорное соединение представляет собой белое кристаллическое вещество с температурой плавления в диапазоне 86-89°C и нерастворимо в воде, но растворимо в обычных органических растворителях. DIOP имеет отчетливую семичленную хелатную кольцевую структуру при координации с переходными металлами, что позволяет использовать его в асимметричном катализе. Это соединение является основополагающим лигандом в энантиоселективных превращениях, особенно в реакциях гидрирования и гидроформилирования. Его структурная конфигурация, полученная из ацетонида L-винной кислоты, обеспечивает жесткую хиральную среду, которая влияет на стереохимические результаты в каталитических процессах.

Введение

DIOP (2,3-O-изопропилиден-2,3-дигидрокси-1,4-бис(дифенилфосфино)бутан) занимает важное место в историческом развитии асимметричного катализа как первый сообщенный C₂-симметричный дифосфиновый лиганд. Это хиральное органофосфорное соединение, обнаруженное в начале 1970-х годов, произвело революцию в подходах к энантиоселективному синтезу, предоставив шаблон для разработки последующих хиральных лигандов. Значение этого соединения заключается в его способности индуцировать высокую энантиомерную избыточность в различных каталитических превращениях, особенно в реакциях гидрирования. DIOP относится к классу бидентатных фосфиновых лигандов, характеризующихся их хелатными свойствами и конформационной гибкостью при координации с центрами переходных металлов. Его структурная архитектура, полученная из природной винной кислоты, обеспечивает хиральный остов, который был широко изучен и модифицирован для повышения каталитической эффективности.

Молекулярная структура и связи

Молекулярная геометрия и электронная структура

Молекулярная структура DIOP имеет центральную хиральную диоксолановую кольцевую систему с двумя дифенилфосфинометильными заместителями в положениях 4 и 5. Конфигурация (4R,5R) устанавливает C₂-симметрию вдоль оси, проходящей через угол O-C-O диоксоланового кольца. Атомы фосфора имеют тригональную пирамидальную геометрию с углами связи, приближающимися к 109,5° вокруг каждого атома фосфора. Фенильные кольца имеют скользящее расположение относительно диоксолановой кольцевой системы, создавая хиральный карман, подходящий для энантиоселективного распознавания. Молекулярный орбитальный анализ показывает, что самые высокие занятые молекулярные орбитали в основном находятся на атомах фосфора с вкладом от фенильных π-систем, в то время как самые низкие незанятые молекулярные орбитали связаны с диоксолановым кольцом и фенильными системами. Одиночные пары фосфора обладают значительным s-характером, с гибридизацией, приближающейся к sp³, на основе ³¹P ЯМР констант связи.

Химические связи и межмолекулярные силы

Ковалентные связи в DIOP состоят из одинарных углерод-углеродных связей с длиной связи, обычно в диапазоне от 1,52 до 1,54 Å, и углерод-фосфорных связей длиной примерно 1,85 Å. Диоксолановое кольцо имеет длину связи C-O от 1,41 до 1,43 Å и длину связи C-C от 1,50 до 1,52 Å. Межмолекулярные силы обусловлены в основном силами Ван-дер-Ваальса между фенильными кольцами, с типичными расстояниями между центроидами от 4,8 до 5,2 Å в кристаллическом состоянии. Молекулярный дипольный момент составляет примерно от 2,1 до 2,3 D, ориентированный в основном вдоль оси C₂-симметрии. Соединение демонстрирует ограниченную способность к образованию водородных связей из-за отсутствия сильных доноров водородных связей, хотя слабые взаимодействия C-H···O могут возникать между метильными группами и атомами кислорода диоксолана в твердом состоянии. Изопропилиденовая группа создает стерические препятствия, которые влияют как на внутримолекулярную конформацию, так и на межмолекулярное расположение.

Физические свойства

Фазовое поведение и термодинамические свойства

DIOP представляет собой белое кристаллическое вещество при комнатной температуре с характерным диапазоном температур плавления от 86 до 89°C. Соединение плавится без разложения в инертной атмосфере. Рентгеноструктурный анализ показывает орторомбическую кристаллическую симметрию с пространственной группой P2₁2₁2₁ и параметрами элементарной ячейки a = 10,52 Å, b = 12,38 Å, c = 18,74 Å. Плотность кристаллического DIOP составляет 1,21 г/см³ при 20°C. Соединение демонстрирует пренебрежимо малое давление паров при комнатной температуре, при этом сублимация начинается при температурах выше 150°C при пониженном давлении. DIOP растворим в обычных органических растворителях, включая толуол, дихлорметан и тетрагидрофуран, но нерастворим в воде и алифатических углеводородах. Теплота плавления составляет 28,5 кДж/моль, а энтропия плавления составляет 78,9 Дж/моль·К.

Спектроскопические характеристики

ИК-спектроскопия DIOP показывает характерные колебания, включая растяжения C-H при 3055 см^-1 (ароматические), 2960 см^-1 (асимметричные метильные) и 2875 см^-1 (симметричные метильные). Диоксолановое кольцо показывает сильное асимметричное растяжение C-O-C при 1215 см^-1 и симметричное растяжение при 1060 см^-1. ³¹P ЯМР-спектроскопия показывает один резонанс при -15,2 ppm относительно 85% H₃PO₄, что соответствует эквивалентным окружениям фосфора из-за молекулярной C₂-симметрии. ¹H ЯМР показывает характерные сигналы, включая метильные синглеты при 1,35 ppm и 1,40 ppm, протоны метиленовой группы при 4,05 ppm (мультиплет), протоны метиленовой группы при 2,65 ppm (двойной дублет, J_PH = 12,5 Гц, J_HH = 7,2 Гц) и ароматические протоны в диапазоне от 7,25 до 7,45 ppm. ¹³C ЯМР показывает сигналы четвертичных атомов углерода при 112,5 ppm (ацетальный атом углерода) и 26,8/27,2 ppm (метильные атомы углерода), при этом фенильные атомы углерода находятся в диапазоне от 128 до 135 ppm.

Химические свойства и реакционная способность

Механизмы и кинетика реакций

DIOP демонстрирует реакционную способность, типичную для третичных фосфинов, окисляясь до оксидов фосфинов при воздействии воздуха или окислителей. Окисление протекает с кинетикой второго порядка и энергией активации 65,8 кДж/моль. Соединение образует стабильные комплексы с различными переходными металлами, включая родий(I), платину(II) и палладий(0), с константами образования в диапазоне от 10⁸ до 10¹² M^-1 в зависимости от металла и степени окисления. Координация происходит через оба атома фосфора, образуя семичленное хелатное кольцо, которое обладает конформационной гибкостью. Угол укуса DIOP в комплексах с металлами составляет от 92 до 95°, что определяется рентгеноструктурными исследованиями комплексов с родием. Лиганд демонстрирует умеренный π-акцепторный характер и сильную σ-донорные способности, влияя на плотность электронов в центре металла в каталитических приложениях.

Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства

DIOP демонстрирует основные свойства на атомах фосфора с расчетными значениями pK_a от 6,8 до 7,2 для протонированных фосфониевых видов. Соединение стабильно в диапазоне pH от 4 до 10 в водно-органических смесях, при этом разложение происходит в сильно кислых условиях в результате гидролиза ацетальной функциональности. Потенциал окисления для пары фосфин/оксид фосфина составляет +0,87 В относительно стандартного водородного электрода в ацетонитриле. Восстановление протонированного DIOP происходит при -1,25 В, что соответствует образованию фосфиновых радикальных видов. Соединение остается стабильным в восстановительных условиях, типичных для каталитического гидрирования, без разложения в течение 24 часов при 50°C под давлением 50 бар водорода в этанольном растворе.

Методы синтеза и приготовления

Лабораторные методы синтеза

Синтез энантиомерно чистого (4R,5R)-DIOP начинается с L-винной кислоты, которая подвергается образованию ацетонида с использованием 2,2-диметоксипропана в ацетоне с каталитическим количеством п-толуолсульфоновой кислоты, в результате чего получается (2R,3R)-2,3-O-изопропилиден-L-треитол. Этот промежуточный продукт превращается в дитозилатный производный с использованием хлорида тозила в пиридине при 0°C, с выходами от 85 до 90%. Последующая реакция замещения тозилатных групп происходит в результате реакции с дифенилфосфидом натрия в тетрагидрофуране при -78°C, в результате чего получается DIOP после водной обработки и очистки путем перекристаллизации из этанола. Общий выход этой четырехстадийной последовательности обычно составляет от 45 до 55%. Альтернативные методы синтеза используют образование фосфида из хлордифенилфосфина путем восстановления с использованием гидрида лития-алюминия или натрия.

Аналитические методы и характеристика

Идентификация и количественное определение

Идентификация DIOP в основном основана на ³¹P ЯМР-спектроскопии, которая дает характерный синглет между -15,5 и -15,0 ppm. Оценка хиральной чистоты проводится с использованием ВЭЖХ с использованием хиральных стационарных фаз, таких как Chiralpak AD-H с подвижными фазами гексан-изопропанол, с временами удерживания 12,3 минуты для (R,R)-энантиомера и 14,7 минуты для (S,S)-энантиомера. Количественный анализ проводится с использованием УФ-спектрофотометрии при 258 нм (ε = 1450 M^-1см^-1) в метанольном растворе. Масс-спектрометрический анализ показывает пик молекулярного иона при m/z 498,2 с характерными фрагментами, включая потерю фенильных групп (m/z 421,1, 344,1) и расщепление диоксоланового кольца (m/z 261,1). Элементный анализ подтверждает состав: рассчитано C 74,69%, H 6,47%, P 12,43%; найдено C 74,62%, H 6,51%, P 12,38%.

Оценка чистоты и контроль качества

DIOP высокой чистоты для каталитических применений требует отсутствия примесей оксидов фосфинов, которые можно обнаружить с помощью ³¹P ЯМР при 25-30 ppm с пределом обнаружения 0,5%. Допустимые уровни примесей включают менее 0,1% оксида фосфина, менее 0,5% монозамещенных видов и менее 0,2% остаточных растворителей с помощью газохроматографического анализа. Соединение остается стабильным в течение не менее 24 месяцев при хранении в атмосфере аргона при -20°C в янтарных стеклянных контейнерах. Разложение происходит при длительном воздействии воздуха, скорость окисления составляет 0,015 ч^-1 при 25°C в толуольном растворе, насыщенном воздухом. Спецификации контроля качества для материала, пригодного для катализа, требуют энантиомерной избыточности, превышающей 99,5%, и содержания оксида фосфина ниже 0,3%.

Применение и использование

Промышленное и коммерческое применение

DIOP находит применение в качестве хирального лиганда в асимметричном гидрировании, особенно для α-дегидроаминокислот и энамидов, достигая энантиомерной избыточности от 80 до 90% в промышленных условиях. Соединение служит компонентом катализатора в родиево-катализируемом асимметричном гидроформилировании стирола и ацетата винила, производя хиральные альдегиды с региоселективностью до 95% для разветвленных продуктов и энантиомерной избыточностью от 60 до 75%. В коммерческом производстве специальных химических веществ используются катализаторы на основе DIOP для синтеза хиральных фармацевтических промежуточных продуктов, включая предшественники аминокислот и β-гидроксикарбонильные соединения. Лиганд эффективен в реакциях асимметричного гидросилирования, особенно для восстановления кетонов с энантиомерной избыточностью до 85% для арил-алкил-кетонов. В промышленных процессах DIOP используется в качестве катализатора в концентрациях от 0,1 до 1,0 моль%, при соотношении субстрат/катализатор обычно от 100:1 до 1000:1.

Научные приложения и новые области применения

Научные приложения DIOP сосредоточены на фундаментальных исследованиях механизмов асимметричной индукции и разработке улучшенных хиральных лигандов. Соединение служит эталонным стандартом для оценки новых хиральных дифосфиновых лигандов в реакциях гидрирования и гидроформилирования. Недавние исследования посвящены производным DIOP с модифицированными заместителями на атомах фосфора или измененной структурой остова для повышения энантиоселективности и скорости реакций. Появляются новые области применения, включая реакции асимметричного образования углерод-углеродных связей, такие как гидровиниляция и циклопропанирование, в которых катализаторы, содержащие DIOP, демонстрируют умеренную или хорошую энантиоселективность. Лиганд показывает многообещающие результаты в реакциях асимметричного гидроборирования производных стирола, достигая энантиомерной избыточности до 82% для определенных субстратов. Исследования продолжаются в отношении поддерживаемых катализаторов DIOP для гетерогенного асимметричного катализа, при этом иммобилизация на носителях из диоксида кремния и полимеров сохраняет активность и селективность в течение нескольких циклов.

Историческое развитие и открытие

Открытие DIOP в 1971 году Каганом и его коллегами стало важным моментом в области асимметричного катализа, представляя собой первый успешный пример использования C₂-симметричных хиральных дифосфиновых лигандов. Это открытие стало результатом систематических исследований производных винной кислоты в качестве хиральных вспомогательных веществ и лигандов. В первоначальном отчете было показано, что комплексы родия с DIOP могут достигать энантиомерной избыточности до 72% в гидрировании α-дегидроаминокислот, что было беспрецедентным в то время. Это открытие стимулировало обширные исследования хиральных дифосфиновых лигандов в 1970-х и 1980-х годах, что привело к разработке превосходящих лигандов, таких как DIPAMP, BINAP и DuPhos. Концепция использования хирального диольного остова с фосфиновыми заместителями, впервые разработанная с DIOP, остается влиятельной в дизайне лигандов. Историческое значение также связано с DIOP как с лигандом, используемым в первом промышленном процессе асимметричного гидрирования, хотя впоследствии он был заменен более селективными лигандами.

Заключение

DIOP является основополагающим соединением в области асимметричного катализа, представляя собой прототип C₂-симметричных дифосфиновых лигандов. Его структурная архитектура, полученная из винной кислоты, обеспечивает хиральную среду, которая эффективно влияет на стереохимические результаты в различных каталитических превращениях. Соединение обладает благоприятными координационными свойствами с переходными металлами, образуя стабильные комплексы, которые облегчают энантиоселективное гидрирование, гидроформилирование и связанные с этим процессы. Хотя для многих применений он был превзойден более эффективными лигандами, DIOP сохраняет историческое значение и продолжает служить ценным эталонным соединением и отправной точкой для дизайна лигандов. Продолжаются исследования по структурным модификациям для повышения каталитической эффективности и расширения области применения субстратов. Разработка производных DIOP с улучшенной стабильностью, селективностью и функциональной совместимостью является активной областью исследований в асимметричном катализе.