Badania metatezy związków zawierających wiązanie potrójne C-C: nowe katalizatory i zastosowania

Transkrypt

1 ISTYTUT CHEMII RGAICZEJ PLSKA AKADEMIA AUK Volodymyr Sashuk Badania metatezy związków zawierających wiązanie potrójne C-C: nowe katalizatory i zastosowania Praca przedstawiona Radzie aukowej Instytutu Chemii rganicznej Polskiej Akademii auk w celu uzyskania stopnia doktora nauk chemicznych Promotor: Dr hab. Karol Grela Warszawa 2006

2 Serdeczne podziękowania składam Panu docentowi Karolowi Greli za wskazanie tematu oraz wszechstronną pomoc w trakcie wykonywania pracy

3 dr. R. Bujoku dziękuję za cenne uwagi i rozmowy w trakcie pisania niniejszej pracy

4 Pragnę podziękować swojej żonie ksanie i córeczce Sofiji za cierpliwość i wyrozumiałość w trakcie pisania pracy

5 Special thanks to Volkswagen Foundation for financial support (grant 1/77592 Dziękuję Ministerstwu Edukacji i auki za udziełony grant promotorski 3T09A026028

6 Większość materiału przedstawionego w niniejszej dysertacji została opublikowana w następujących pracach: 1) V. Sashuk, B. Koszarna, P. Winiarek, D. T. Gryko, K. Grela. Inorg. Chem. Commun., 2004, (7), ) A. Michrowska, R. Bujok, S. Harutyunyan, V. Sashuk, G. Dolgonos, K. Grela. J. Am. Chem. Soc., 2004, (126), ) V. Sashuk, J. Ignatowska, K. Grela. J. rg. Chem., 2004, (69), ) A. Mikus, V. Sashuk, M. Kędziorek, C. Samojłowicz, S. strowski, K. Grela. Synlett, 2005, ) V. Sashuk, K. Grela. J. Mol. Cat. A: Chem., 2006, (257), 59-66

7 Wykaz skrótów Ac acetyl acac acetyloaceton Ad adamantyl Ar aryl Bn - benzyl Bz benzoil Cp cyklopentadienyl Cy cykloheksyl dba dibenzylidenoaceton DCE 1,2-dichloroetan DCM dichlorometan DFT Discrete Fourier Transform (metoda obliczeń matematycznych) DHP 3,4-dihydro-2H-piran dme 1,2-dimetoksyetan DMF,-dimetyloformamid DMS sulfotlenek dimetylu equiv. równoważnik Et etyl i-pr izopropyl h godzina Hex heksyl L ligand LDA diizopropyloamidek litu M metal Me metyl Mez mezytyl MM metoksymetyl Ms metanosulfonyl (mesyl)

8 HC ligand heterocykliczny zawierający atom(y) azotu fenyl Pr propyl py pirydyna R podstawnik organiczny rt temperatura pokojowa TBS tert-butylodimetylosilyl t-am tert-amyl t-bu tert-butyl Tf trifluorometanosulfonyl (triflan) THF tetrahydrofuran THP tetrahydropiranyl TIPS triizopropylsilyl TMEDA,,, -tetrametyloetylenodiamina TMS trimetylosilyl Ts 4-toluenosulfonyl (tosyl) tw temperatura wrzenia rozpuszczalnika

9 1. Wstęp Część literaturowa Metateza alkinów Katalizatory metatezy alkinów mechanizm działania i zastosowanie w syntezie Katalizatory będące kompleksami trisamidowymi molibdenu Kompleksy alkilidynowe wolframu oraz molibdenu Wprowadzenie Kompleksy karbinowe wolframu. gólna charakterystyka i zastosowanie w metatezie Kompleksy alkilidynowe molibdenu. Perspektywy rozwoju Czy heterogeniczna kataliza z zastosowaniem kompleksów alkilidynowych jest możliwa? Układ na oparty o Mo(C) 6 /fenol gólna charakterystyka Co jest aktywną cząsteczką w układzie Mo(C) 6 /fenol i według którego mechanizmu przebiega reakcja? Podsumowanie Praktyczne zastosowanie metatezy alkinów Synteza związków naturalnych Synteza polimerów zawierających wiązanie potrójne Synteza związków makrocyklicznych Metateza enyn. Aspekty mechanistyczne Wprowadzenie Reakcja metatezy enyn z zamknięciem pierścienia (RCEM) Mechanizm typu alken-alkin gólna charakterystyka i dowody Rola etylenu w reakcjach RCEM Wpływ katalizatora oraz budowy substratu na przebieg reakcji Regio- i stereoselektywność procesu Mechanizm typu alkin-alken Reakcji krzyżowej metatezy enyn (CEM) gólna charakterystyka Stereoselektywność w procesie metatezy CEM Tandemowe reakcje metatezy enyn Badania własne Metateza alkinów. Poszukiwanie nowych katalizatorów Badanie układu Mortreux Wybór 2-fluorofenolu jako aktywatora heksakarbonylku molibdenu Homo-metateza alkinów Krzyżowa metateza alkinów... 49

10 bniżenie temperatury reakcji w układzie Mortreux czy jest to możliwe? Dodatek alkinu Dodatek eteru Czy jest możliwy synergizm 3-heksynu i 1,2-difenoksyetanu? Badania układu katalitycznego Fürstnera Próby modyfikowania ligandu Przekształcenie kompleksu F w kompleksy alkilidynowe Molibdenowe kompleksy koroli Terminalne alkiny a układ Mortreux Zastosowanie metatezy alkinów w syntezie kombretastatyny A Metateza alkeninów badania nad wybranymi problemami syntetycznymi Selektywność reakcji metatezy RCEM Wstępne próby zbadania przyczyny nieselektywności procesu metatezy enyn Kontrola selektywności reakcji wpływ podstawników i użytego katalizatora Problem metatezy alkeninów sfunkcjolizowanych halogenem przy wiązaniu podwójnym lub potrójnym Wstępne badania nad możliwością metatezy chlorków winylowych Zachowanie alkeninów zawierających halogenek w otoczeniu wiązania nienasyconego w reakcji metatezy Metateza azulenów, zawierających potrójne lub podwójne wiązanie Podsumowanie Część eksperymentalna Uwagi ogólne Rozpuszczalniki oraz niektóre związki organiczne Aparatura Metateza alkinów Substraty do metatezy Produkty metatezy Modyfikacji ligandów. Synteza katalizatorów Kompleksy molibdenu z korolami Synteza kombretastatyny A Metateza enyn Katalizatory Substraty Produkty metatezy enyn Halogenki winylowe i alkilidynowe. Substraty i produkty Metateza azulenów Literatura

11 1. Wstęp 1 1. Wstęp W ostatniej dekadzie reakcja metatezy stała się ważnym narzędziem syntetycznym w tworzeniu nowych nienasyconych wiązań węgiel-węgiel. 1,2 Reakcję metatezy w pierwotnym i najprostszym wariancie można rozpatrywać jako reakcję dysmutacji alkenów (1) i alkinów (2); wyodrębnionym przypadkiem jest metateza pomiędzy wiązaniami potrójnym i podwójnym (metateza enyn ) (3) (Schemat 1). R 1 R 2 R 1 R 1 R 2 R 2 (1) R 1 R 2 R 1 R 1 R 2 R 2 (2) R 1 R 2 R 1 R 2 (3) Schemat 1 Historia metatezy zaczyna się w latach 60. wraz z odkryciem heterogenicznych katalizatorów na bazie tlenków wolframu, molibdenu oraz renu. 3,4,5,6 Stosowane w reakcji wysokie temperatury rzędu 400 C ograniczały tę reakcję wyłącznie do prostych związków (na przykład w przemyśle petrochemicznym) i nie uniemożliwiały zastosowanie tej transformacji w złożonej syntezie organicznej. owa era metatezy zaczyna się na początku lat 90. od odkrycia homogenicznych katalizatorów do metatezy olefin o ogólnym wzorze L n M=CHR. 7,8 ajbardziej użytecznymi okazały się katalizatory na bazie rutenu ze względu na ich stosunkowo wysoką trwałość wobec tlenu i wilgoci oraz wysoką aktywność w metatezie różnorodnych substratów, zawierających podwójne wiązanie. dkrycie katalizatorów rutenowych przyczyniło się w ostatnich latach do eksplozji publikacji, monografii oraz książek poświęconych metatezie olefin. Swoistym ukoronowaniem rozwoju metatezy stało się przyznanie nagrody obla w 2005 roku z dziedziny chemii ojcom teorii i syntezy homogenicznych katalizatorów Chauwinowi, Schrockowi oraz Grubbsowi. ieco w cieniu metatezy olefin pozostaje metateza pochodnych acetylenu. Pierwszy homogeniczny katalizator metatezy oparty o Mo(C) 6 zastosowano w 1974 roku. 9

12 1. Wstęp 2 Dwoma głównymi powodami ograniczającymi stosowanie metatezy alkinów są: konieczność używania alkinów, zawierających wyłącznie wewnętrzne wiązanie potrójne; brak katalizatora, który łączyłby w sobie trwałość i wysoką aktywność katalityczną. Kwestia katalizatora jest bardzo ważna. a przykład ilość publikacji poświęconych metatezie enyn, odkrytej w latach 80. (Schemat 1, równanie 3), jest kilkakroć większa niż w przypadku metatezy alkinów. 10,11,12 Katalizatorami stosowanymi w metatezie enyn są, te same co i w przypadku metatezy olefin, trwałe i łatwe w użyciu kompleksy rutenowe. Wydaje się, po obszernym zbadaniu metatezy olefin, że metateza alkinów dopiero stoi przed etapem burzliwego rozwoju. Metateza pochodnych acetylenu ma wielkie perspektywy w chemii związków wielkocząsteczkowych: jest już wykorzystywana w skali laboratoryjnej w syntezie przewodzących światło i prąd polimerów 13 oraz w konstrukcji na ich podstawie nanomateriałów. 14 Paradoksalnie, może ona być także alternatywą dla metatezy olefin w wielu przypadkach w wyniku metatezy alkenów powstaja zarówno E- i Z-alkeny, co nie zawsze jest pożądane. Stereoselektywna redukcja wiązania potrójnego usuwa ten problem i pozwala na otrzymanie jednego bądź drugiego izomeru (Schemat 2). 15,16 R 1 R 2 R 1 R 2 [H] H 3 C R 1 R 2 -C 2 H 4 -C 4 H 6 [H] H 3 C R 1 R 2 Schemat 2 Punktem zwrotnym w rozwoju tej metodologii mogłoby być odkrycie trwałych katalizatorów, które charakteryzują się wysoka aktywnością oraz kompatybilnością wobec jak największej liczby grup funkcyjnych. R 1 R 2

13 1. Wstęp 3 becnie znane i stosowane w metatezie alkinów są trzy układy katalityczne: a) Heksakarbonylek molibdenu, aktywowany przez fenole. Układ ten jest prosty w użyciu wytwarza się go in situ z bardzo tanich i handlowo dostępnych odczynników. Dodatkowo, nie wymaga on przestrzegania ściśle bezwodnych warunków reakcji. Wadą tego układu jest konieczność stosowania wysokiej temperatury ( C) i niekompatybilność z niektórymi grupami funkcyjnymi; b) Karbinowe kompleksy wolframu i molibdenu o wzorze (R') 3 M CR. Związki te są bardzo wrażliwe na tlen i wilgoć, szybko rozkładają się podczas przechowywania, ich synteza nastręcza trudności. Katalizatory te generalnie są bardzo aktywne, nawet w temperaturze pokojowej i kompatybilne z wieloma grupami funkcyjnymi; c) Kompleksy amidowe molibdenu o wzorze [Ar(t-Bu)] 3 Mo, aktywowane przez niektóre czynniki chlorujące. Są to związki termodynamicznie nietrwałe, bardzo wrażliwe na tlen, wilgoć (i nawet azot), co powoduje trudności w ich syntezie i zastosowaniu. 17,18 Kompleksy te wykazują aktywność katalityczną w temperaturze około 80 C i są bardzo aktywne i kompatybilne z prawie wszystkimi grupami funkcyjnymi, za wyjątkiem pierścienia tiofenowego oraz grup CH i CHR. Mechanizm metatezy i wpływ podstawników w cząsteczce katalizatora na przebieg reakcji jest wszechstronnie opisany dla kompleksów karbinowych molibdenu, wolframu oraz renu typu (b). 2 Mniej zbadane są dwa pozostałe układy katalityczne (a,c). W szczególności zostaje otwartą do dyskusji kwestia mechanizmu reakcji w tych przypadkach. ba układy wydają się mi bardzo atrakcyjne i możliwe do udoskonalenia. Dlatego planuje badania w kierunku obniżenia temperatury reakcji metatezy z katalizatorem (a) oraz zwiększenia trwałości katalizatora (c). Metateza typu enyn (Schemat 1, równanie 3) jest atrakcyjną, z punktu widzenia ekonomii atomów, metodą syntezy pochodnych 1,3-butadienu. 19

14 1. Wstęp 4 Można rozróżnić, według mechanizmu ich działania, dwie grupy katalizatorów stosowanych w tej reakcji: a) Sole palladu, rodu, rutenu, platyny, złota, srebra, galu, niezawierające fragmentu metalokarbenowego. Reakcje w obecności tych katalizatorów biegną według różnych (nie zawsze znanych) mechanizmów i prowadzą do powstawania całej gamy produktów. Działanie każdego katalizatora trzeba rozpatrywać indywidualnie, co wiąże się z ogromnymi trudnościami w przewidywaniu produktów reakcji; b) Kompleksy karbenowe rutenu (karbeny Schrocka) oraz chromu i wolframu (karbeny Fischera). Mechanizm ich działania jest dość dobrze zbadany, dlatego to one są ogólnie wykorzystywane do przeprowadzenia tego typu reakcji. becnie badania nad metatezą enyn skierowane są w stronę rozwiązania problemów stereo- i regioselektywności, funkcjonalizacji pochodnych 1,3-dienu oraz roli etylenu w tej reakcji. W związku z obszernością tematu, planuję skupić się w mojej pracy nad udoskonaleniem katalizatorów na bazie molibdenu i ich stosowaniem w reakcji metatezy alkinów oraz nad problemami regioselektywności i możliwości funkcjonalizacji substratów w reakcji metatezy enyn.

15 2. Część literaturowa Metateza alkinów 2. Część literaturowa Katalizatory metatezy alkinów mechanizm działania i zastosowanie w syntezie Katalizatory będące kompleksami trisamidowymi molibdenu Zainspirowany niezwykłymi właściwościami chemicznymi nowo odkrytego kompleksu o budowie [(Ar)(t-Bu)] 3 Mo 18 (F) (Schemat 3) A. Fürstner odkrył, że w obecności nadmiaru chlorku metylenu związek ten katalizuje reakcję metatezy alkinów. 20 Dalsze badania wykazały, że kompleks ten może być aktywowany przez związki, zawierające aktywny atom halogenu, a mianowicie chloroform, C 4, bromek i jodek metylenu, C 6 H 5 CH 2, C 6 H 5 CH 2, Me 3 Si, podczas gdy bez aktywacji kompleks F nie jest aktywny. 20 Próbując dowiedzieć się, co jest aktywną cząsteczką katalizatora, zmieszano kompleks F z CH 2 2 i odparowano rozpuszczalnik; bardzo wrażliwa na tlen i wilgoć pozostałość okazała się mieszaniną dwóch związków, które później udało się rozdzielić za pomocą krystalizacji frakcyjnej (Schemat 3). 21 t-bu Ar Bu-t Mo Ar Bu-t Ar F Ar = 3,5-dimetylofenyl CH 2 2 t-bu Ar Schemat 3 Bu-t Mo Ar Bu-t Ar t-bu Ar 1 2 CH Bu-t Mo Ar Bu-t Ar Spodziewano się, że za aktywność katalityczną odpowiada alkilidynowy kompleks 2, przez analogię do karbinowych katalizatorów typu Schrocka (str. 7), ale wydzielony kompleks 2 po 1-2 cyklach katalitycznych tracił swoją aktywność, podczas gdy kompleks 1 wykazuje się dużą aktywnością katalityczną. 21 Alternatywną metodą syntezy katalizatora 1 może być reakcja kompleksu F z cząsteczkowym chlorem. Strukturę kompleksu 1 potwierdzono za pomocą analizy rentgenostrukturalnej. kazało się, że centralny atom molibdenu o kwasowym charakterze jest skutecznie osłonięty dużymi ligandami, i dlatego kompleks 1 jest kompatybilny z większością grup fukcyjnych. 20 Wprowadzenie podstawników do pierścienia benzenowego kompleksu F (Ar = 4-

16 2. Część literaturowa 6 fluorofenyl oraz 3,5-dimetoksyfenyl) nie ma znacznego wpływu na aktywność katalityczną. 21 Żeby sprawdzić, w jaki sposób kompleks 1 katalizuje reakcję metatezy, mieszaninę F, alkinu i CH 2 2 gwałtownie schłodzono tuż po rozpoczęciu reakcji. W ten sposób wydzielono dwa nowe metaloorganiczne związki 3 i 4 (Schemat 4). 21 (t-bu)(ar) (t-bu)(ar) Mo (t-bu)(ar) Mo (Ar)(t-Bu) Mo Ar (Ar)(t-Bu) (t-bu)(ar) 3 4 Schemat 4 Jednak nie dało powodu to do spekulacji nad mechanizmem reakcji, ponieważ żaden z tych związków nie zawiera fragmentu pochodzącego z alkinu. Co ciekawe kompleks 3 jest kompletnie nieaktywny w metatezie (chociaż jest podobny do prekursorów karbinowych katalizatorów, str.8), a związek 4 jest najaktywniejszym ze wszystkich opisanych wyżej pochodnych F. d tego czasu nie uczyniono dalszych postępów w badaniu mechanizmu metatezy w układzie F/CH 2 2. Grupa A. Fürstnera szczegółowo zbadała aktywność tego układu katalitycznego w różnych typach reakcji metatezy, takich jak: metateza zamknięcia pierścienia (RCAM, 1), homo-metateza (HD, 2) oraz krzyżowa metateza (CM, 3) (Schemat 5). CH 3 X X (1) CH 3 X CH 3 X X (2) R CH 3 Y Y R Y (3) X, Y - fragmenty organiczne Schemat 5 a ogół produkty otrzymywane były z wysokimi wydajnościami w stosunkowo krótkim czasie. 21,22

17 2. Część literaturowa 7 Bazując na tych wynikach można scharakteryzować układ Fürstnera: Użycie 10% molowych F aktywowanego przez 5 równoważników CH 2 2 ; Przeprowadzenie reakcji w temperaturze 80 C; Konieczność użycia wysuszonych i przedestylowanych rozpuszczalników (najczęściej używanym jest toluen) oraz gazu ochronnego (argon); Wysoka kompatybilność z większością grup funkcyjnych, oprócz grup amidowej i karboksylowej oraz fragmentu tiofenowego; Możliwość stosowania w syntezie złożonych związków organicznych. Jednak kłopotliwa synteza oraz handlowa niedostępność kompleksu F ograniczyją stosowanie tego układu w syntezie organicznej Kompleksy alkilidynowe wolframu oraz molibdenu Wprowadzenie Mechanizm dla reakcji metatezy alkinów został zaproponowany w 1975 roku 23 i, podobnie jak w przypadku metatezy olefin, 24 polega na przyłączeniu metalokarbinu do wiązania potrójnego substratu z następną izomeryzacją i otwarciem pierścienia metalocyklobutadienowego (Schemat 6). R' R R R' R R' R R' M R' M R' M R' M R' Mechanizm metalokarbinowy Schemat 6 Mechanizm typu metalokarbinowego, czyli reakcja biegnąca przez tworzenie się pierścienia metalocyklobutadienowego, był potwierdzony niedawno obliczeniami teoretycznymi. 25,26 Jednak okazało się, że ani 18-elektronowe karbinowe kompleksy ([Br(C) 4 W CMe]), odkryte przez Fischera w 1973 roku, 27 ani 12-elektronowe kompleksy ([t-buch 2 ] 3 W CCH 2 t-bu) zsyntezowane przez Schrocka w 1978 roku 28 nie są katalizatorami reakcji metatezy. 29 Dopiero odpowiedni dobór ligandów w kompleksach karbinowych, gdzie metal jest na najwyższym stopniu utlenienia, pozwała na syntezę aktywnych w metatezie kompleksów. 7,30,31,32

18 2. Część literaturowa 8 ajbardziej zbadanymi i użytecznymi okazały się kompleksy karbinowe wolframu oraz molibdenu, chociaż są znane katalizatory na bazie innych metali takich jak ren 33 lub tantal. 34, Kompleksy karbinowe wolframu. gólna charakterystyka i zastosowanie w metatezie Pierwszym aktywnym katalizatorem reakcji metatezy alkinów okazał się kompleks S (katalizator Schrocka); jego synteza składała się z trzech etapów (Schemat 7). 36 [Et 4 ] + [W(C-t-Bu) 4 ] - Me W Me Me 6 MgCH 2 (t-bu) t-bu Et Bu-t 3 H W Bu-t Bu-t H 5 dme [dme][w(c-t-bu) 3 ] t-buli t-bu Bu-t W S Bu-t Bu-t Schemat 7 Kluczowym i zarazem najtrudniejszym etapem jest utworzenie kompleksu 5 w wyniku reakcji Grignarda z następczą reakcją α,α -dehydrowania. 37 Kompleksy 5 oraz S są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych oraz charakteryzują się niską temperaturą topnienia, w skutek czego są łatwe do oczyszczenia przez sublimację lub krystalizację. Jednak kilka lat później zaproponowano prostszą metodę syntezy kompleksów alkilidynowych wolframu (Schemat 8). 38 R R R (Me 2 ) 3 WW(Me 2 ) 3 t-buh (t-bu) 3 WW(t-Bu) 3 6 R t-bu W Bu-t Bu-t Schemat 8 (t-bu) 3 W 7 Dinuklearny kompleks 6 39,40 łatwo reaguje z alkinami (2-butyn, 3-heksyn, t-buc CH) lub nitrylami (w tym przypadku jako drugi produkt powstaje nierozpuszczalny polimer nitrydu wolframu (t-bu) 3 W ), dając alkilidynowe kompleksy 7, odpowiedniki S.

19 2. Część literaturowa 9 Kompleksy typu 7 okazały się bardzo skutecznymi katalizatorami metatezy dipodstawionych alkinów w wariantach stechiometrycznym oraz katalitycznym, przy czym wymiana ligandu tertbutoksylowego w 7 na ligandy alkoksylowe, zawierające podstawniki o charakterze elektronoakceptorowym (-CMe(CF 3 ) 2 ), lub aryloksylowe (- -2,6-i-Pr 2 C 6 H 3 ) prowadziła do zwiększenia aktywności katalitycznej kompleksów. 41,36 W niektórych przypadkach zostały wydzielone kompleksy typu 8 (Schemat 9). Wyniki te potwierdzają zaproponowany wcześniej mechanizm metatezy (Schemat 6). 42,43 R R W R Et Et Et Bu-t R R W Me R Me 8 R = CH(CF 3 ) 9 2 Schemat 9 Związki typu 9 (Schemat 9), skompleksowane przez etery (dme, THF) wykazują podobną aktywność katalityczną jak 7. Podsumowując, jedynie właściwe połączenie czynników elektronowych i przestrzennych, a mianowicie stosowania elektronoakceptorowych i rozgałęzionych ligandów, prowadzi do wzrostu aktywności katalitycznej karbinowych kompleksów typu Schrocka. iska selektywność reakcji metatezy terminalnych alkinów katalizowanej przez katalizatory typu 7, spowodowana jest prawdopodobnie przez (Schemat 10): 7 Wyłączne tworzenie kompleksów typu 10, co powoduje zdegenerowaną metatezę utrata protonu w kompleksie 10 z wytwarzaniem 11, który nie jest cząsteczką katalityczną 44,45 lub niestabilność kompleksów 10, które mogą się przekształcać w nieaktywne kompleksy 12; 38 Wytwarzany acetylen jest o wiele aktywniejszy od substratu (wytwarzanie nieaktywnego w metatezie kompleksu μ-c 2 H 2 [W(t-Bu) 3 ] 2 ); 46 Zachodząca reakcja polimeryzacji, w skutek łatwości addycji jednej lub więcej cząsteczek substratu do kompleksu ,47

20 2. Część literaturowa 10 R' R R W R R' H -RH R W R R' 11 R' 10 R' R W R Schemat 10 R R' 12 Kilkanaście lat później Fürstner jako pierwszy użył katalizatora S w reakcjach RCAM. 16 Stosując niewielkie podciśnienie dla łatwiejszego usunięcia wytwarzanego podczas reakcji 2-butynu, otrzymano sfunkcjonalizowane cykliczne alkiny z dobrymi wydajnościami. 48,49 Katalizator S znalazł zastosowanie także w syntezie związków makrocyklicznych, zawierających w pierścieniu metale przejściowe, w reakcji RCAM. 50 Podsumowując, katalizatory typu S oraz warunki reakcji metatezy z ich wykorzystaniem można scharakteryzować: Użycie 5-10% molowych katalizatora S; Przeprowadzenie reakcji w temperaturze C; Konieczność użycia wysuszonych i przedestylowanych rozpuszczalników (koniecznie niepolarnych) oraz przeprowadzenie reakcji w atmosferze gazu obojętnego (można stosować azot); iekompatybilność z grupami funkcyjnymi, wykazującymi wysokie powinowactwo do kwaśnego atomu wolframu o charakterze Lewisa, takimi jak: tiotery, polietery, pierścienie tiofenowy oraz pirydynowy, 16 grupy karbonylowe, nitrylowe, hydroksylowe oraz karboksylowe Kompleksy alkilidynowe molibdenu. Perspektywy rozwoju Metody syntezy karbinowych kompleksów molibdenu są podobne do tych stosowanych dla wolframu (Schemat 7, Schemat 8). 52,53 Jednak wydajności kompleksów są zazwyczaj niższe i niepowtarzalne w porównaniu do syntezy związku 7. kazało się, że wyłącznie kompleksy karbinowe molibdenu, posiadające bardziej

21 2. Część literaturowa 11 elektronoakceptorowe i rozbudowane ligandy, są aktywne w metatezie alkinów, na przykład kompleks molibdenowy typu S nie wykazuje aktywności katalitycznej. 52,54 Przyczyną odmiennej aktywności jest mniejsza elektrofilowość centrum metalicznego, co wynika z mniejszego rozmiaru atomu molibdenu w porównaniu do atomu wolframu. Tak na przykład katalizatory na bazie molibdenu typu F wykazują się wysoką kompatybilnością wobec większości grup funkcyjnych w reakcjach metatezy alkinów. 21 Pierwsze próby syntezy kompleksów karbinowych na bazie molibdenu były podjęte przez Cumminsa kilka lat temu (Schemat 11). 55,56 H TMS I [Li][BHEt 3 ] TMSC CH L Mo L L Me 2 C Ar I 2 H Mo L L R'C CR' MoL 3 I 2 H R' I Li(TMS) 2 L Mo L L = (i-pr)(3,5-dimetylofenyl) L Schemat 11 H TMS Δ L Mo L L AdH MoL 3 R' ArH R' C C L 3 Mo TMS Ad Ad Mo Ad Ar Ar Mo Ar Synteza jest dłuższa niż dotąd znane metody, ale z drugiej strony pozwala otrzymać alkilidynowe kompleksy na większą skalę i z dobrymi wydajnościami. Lecz gruntownych badań nad aktywnością katalityczną otrzymanych kompleksów nie przeprowadzono. W tym samym czasie, w oparciu o reakcję odkrytą przez Fürstnera (Schemat 3), J. Moore zaproponował prostszą metodę syntezy kompleksów alkilidynowych molibdenu 14 (Schemat 12). 57 Bu-t Et Bu-t Et t-bu EtCH Mo Ar 2 t-bu Ar'H 1 Mo Ar Ar' Ar Bu-t Mo Ar Bu-t Ar' Ar' Ar Ar F Mg Ligandy Ar' zawierają grupy o charakterze elektronoakceptorowym Schemat 12

22 2. Część literaturowa 12 Kluczowym etapem syntezy jest redukcja magnezem powstającego związku 1 do wyjściowego kompleksu F. Jednak związków typu 14 nigdy nie udało się wydzielić w postaci krystalicznej, i ich strukturę zaproponowano jedynie na podstawie analizy widm MR. Kompleksy typu 14, tworzone in situ, wykazują wysoką aktywność katalityczną i pozwalają na przeprowadzenie reakcji metatezy typu HD i CM w łagodnych warunkach. 58 ajwiększą zaletą tych nowych katalizatorów jest wysoka tolerancja wobec większości grup funkcyjnych, a w szczególności wobec pierścienia tiofenowego. Alternatywną metodą syntezy prekursora typu 13 może być reakcja podobnego typu (Schemat 13). 59 t-bu Ar F Bu-t Mo Ar [TiL 3 ] Bu-t -[TiL Ar 3 ] gdzie, L - (3,5-dimetylofenyl)(t-Bu) H t-bu Bu-t Mo Ar Ar Ar Bu-t -H Bu-t t-bu CH Mo Ar Ar Bu-t 2 Ar Schemat 13 Podsumowując, katalizatory na bazie molibdenu są mniej wrażliwe na obecność różnych grup funkcyjnych niż odpowiednie kompleksy wolframowe, ale nadal są niedostępne handlowo i pozostają przedmiotem zainteresowania stosunkowo niewielkiej grupy naukowców Czy heterogeniczna kataliza z zastosowaniem kompleksów alkilidynowych jest możliwa? sadzenie katalizatorów alkilidynowych na stałym nośniku pozwoliłoby na wielokrotne użycie katalizatora. iestety, wiązanie potrójne katalizatora S na powierzchni krzemionkowej reaguje z wolnymi grupami hydroksylowymi, dając immobilizowane alkilidenowe kompleksy, które katalizują wyłącznie reakcję metatezy olefin (Schemat 14). 60

23 2. Część literaturowa 13 t-bu Bu-t W Bu-t Bu-t H Si Bu-t t-bu W Bu-t Bu-t Si S Schemat 14 Jednak niedawno udało się przygotować pierwsze heterogeniczne katalizatory o określonej strukturze na podłożu krzemionkowym, stosując kompleks 13 i wykorzystując różnicę w kwasowościach pomiędzy grupami hydroksylowymi i aminowymi (Schemat 15). 61 t-bu Ar 13 Et Bu-t Mo Ar Bu-t Ar H Si Schemat 15 Et (t-bu)(ar) Mo (t-bu)(ar) Si Strukturę związku 14 udowodniono za pomocą spektroskopii MAS-MR, rentgenofotoelktronowej oraz na podstawie analizy elementarnej. Stosując zaledwie 0.8% molowych 14 można selektywnie przeprowadzić reakcje metatezy typu HD. Warto zauważyć, że 14 zachowuje podobną aktywność katalityczną przez 1-3 zwroty. Być może immobilizacja kompleksów karbinowych pozwoli na usunięcie ostatniej przeszkody w popularyzacji metatezy alkinów w chemii organicznej? iestety autorzy nie podali informacji co do stabilności kompleksu 14 wobec tlenu i wilgoci Układ na oparty o Mo(C) 6 /fenol gólna charakterystyka Mortreux i Blanchard w 1974 roku odkryli, że Mo(C) 6 w obecności rezorcyny katalizuje reakcję dysproporcji dipodstawionego acetylenu 15 (Schemat 16). 9

24 2. Część literaturowa Mo(C) 6 (10% mol) rezorcyna (60% mol) dekalina, 160 C Schemat 16 kazało się, że zwiększenie ilości rezorcyny prowadzi do przyspieszenia ustalenia się równowagi tej reakcji. Zjawisko to także zaobserwowano w innych reakcjach tego typu, stosując α-naftol lub fenol zamiast rezorcyny. 62 d momentu odkrycia układu na bazie Mo(C) 6 podjęto wiele prób udoskonalenie katalizatora oraz optymalizacji warunków reakcji. Badania pokazały, że układ zaczyna być aktywny w temperaturach powyżej 110 C. 62,63 Próby zastąpienia fenolu innymi dodatkami takimi jak: alkohole, 64 chinony, 65 etery fenoli, 65 kwasy organiczne, 65 nadtlenek wodoru 63, jod 65 prowadziły do zmniejszenia lub całkowitego zaniku aktywności katalitycznej. Ciekawym przykładem jest reakcja metatezy pochodnych fenoli posiadających wiązania potrójne (Schemat 17). 66 Mo(C) 6 (5% mol) H CH 3 H H toluen, 110 C, 5h 78% Schemat 17 W tym przypadku substrat spełnia także rolę aktywatora Mo(C) 6 i użycie fenolu nie jest konieczne. prócz tego zbadano szereg innych karbonylków metali przejściowych. Ciekawym wydaje się fakt, że W(C) 6, [Rh(C) 2 ] 2, Ru 3 (C) 12, Re 2 (C) 10, Cr(C) 6 są kompletnie nieaktywne w metatezie. 63,67,68 Karbonylowe związki molibdenu typu [Mo(C) x (L) y ] wykazują podobną lub niższą aktywność katalityczną w porównaniu do Mo(C) Kompleksy [Mo(C) 3 (H 3 ) 3 ] i [Mo(C) 3 (MeC) 3 ] są aktywne w metatezie bez konieczności użycia fenolu, chociaż wynik reakcji w ich obecności nie był później potwierdzony przez innych badaczy. 63 Również związki Mo 2 (Ac) 67 4 i Mo 2 (acac) 2 (w połączeniu z AlEt 3 ) 69 katalizują reakcję metatezy alkinów. Pierwszą reakcję metatezy-dysproporcjacji sfunkcjonalizowanych pochodnych acetylenu przeprowadzono wprawie 10 lat po okryciu tej reakcji (Schemat 18). 70

25 2. Część literaturowa 15 2 (CH 2 ) 2 Y Mo(C) 6 (5% mol) 4-chlorofenol (100% mol) oktan, tw Y = Ac, CMe, Br, C, H, CH Schemat 18 Y(H 2 C) 2 (CH 2 ) 2 Y W tym przypadku równowaga reakcji ustalała się po 5-16 godzinach. Warto zauważyć, że dla pochodnych alkoholu i kwasu karboksylowego otrzymano niskie konwersję lub obserwowano brak reakcji. Mori wykazała, że istnieje możliwość przesunięcia równowagi w stronę tworzenia się pożądanych produktów używając nadmiaru jednego z substratów (reakcja krzyżowej metatezy alkinów, CM) (Schemat 19). 71 Mo(C) 6 (5% mol) R R R' R' R R' 4-chlorofenol (100% mol) 11 equiv. toluen, 110 C, 20h R = (CH 2 ) 4 Ac, (CH 2 ) 4 Bn, (CH 2 ) 4 MM, (CH 2 ) 3 R' = lub Pr Schemat 19 Produkty reakcji CM były otrzymane z dobrymi wydajnościami rzędu %. Dalsze badania, prowadzone przez Bunza, pokazały, że podniesienie temperatury oraz usuwanie lotnych produktów metatezy (2-butynu) za pomocą przepływu azotu ma korzystny wpływ na przebieg reakcji. 72 Zaobserwowano także, że 4-trifluorometylofenol wykazuje aktywność podobną do 4-chlorofenolu. 72 Udoskonalenia te wypróbowano na przykładzie reakcji homo-metatezy (HD) (Schemat 20). 73 Bunz bardzo dokładnie zbadał wpływ efektów elektronicznych i sterycznych podstawników w substracie na przebieg reakcji metatezy (Tabela 1). ajlepsze wydajności otrzymano z podstawnikami alkilowymi w pierścieniu benzenowym. Substraty zawierające podstawniki CH 3, CEt i H w pozycji para dają odpowiednie produkty metatezy z umiarkowanymi wydajnościami. Te same podstawniki w pozycji orto do grupy propynylowej całkowicie dezaktywują katalizator. Analogiczne zjawisko zaobserwowano dla grupy H w pozycji orto do propynylu, wówczas otrzymano produkt [2+2+2] cykloaddycji alkinu (cyklotrimeryzacji). 66

26 2. Część literaturowa 16 X CH 3 Mo(C) 6 (5% mol) 4-chlorofenol (30% mol) 1,2-dichlorobenzen, 150 C 12-16h Schemat 20 Tabela 1. Metateza homodimeryzacji alkinów X X H 3 C CH 3 X 4-CH 3 3-CH 3 2-CH 3 4-CH 3 3-CH 3 2-CH 3 4-H 4-H 2 Wydaj ność, (68) 69 6 % X 4-CF 3 3-CF 3 2-CF 3 4-C 2 Et 3-C 2 Et 2-C 2 Et 4-C 4-Br Wydaj ność, (76) (59) (58) % W nawiasach podano wydajności produktu dla układu F/CH 2 2 W przypadku podstawników elektronoakceptorowych wydajnośći produktów metatezy są niskie (grupy CF 3, C, Br) lub reakcja w ogóle nie przebiega (grupy 2, CH, CH oraz 2-propynylotiofen i 2-propynylopirydyna). kazało się, że układ Mo(C) 6 /fenol jest całkowicie chemoselektywny wobec wiązania potrójnego w obecności wiązania podwójnego w substracie (Schemat 21). 74 Mo(C) 6 (5% mol) 4-chlorofenol (30% mol) CH 3 R 1,2-dichlorobenzen, 150 C R R 16-24h R = H,, CH=CH, (Cp) 2 Fe, tiofenyl, furanyl Schemat 21 Produkty otrzymano z wydajnościami 45-99%. Układ Mo(C) 6 /fenol jest także aktywny w reakcjach RCAM (Schemat 22). 16 H 3 C CH 3 Schemat 22 Mo(C) 6 (5% mol) 4-chlorofenol (100% mol) chlorobenzen, 140 C 16 (64%) Dla przykładu wydajność produktu 16 wynosi 91% przy zastosowaniu F/CH i 73% dla katalizatora S. 16 prócz tego, otrzymano szereg innych cyklicznych alkinów z

27 2. Część literaturowa 17 umiarkowanymi lub dobrymi wydajnościami. 75 Badając metatezę typu RCAM okazało się, że drugorzędowe amidy są nie kompatybilne z katalizatorem, zaś etery sililowe rozkładają się w warunkach reakcji. 76 Także związki zawierające wrażliwe na wysokie temperatury ugrupowania rozkładają się przy użyciu tego układu. 76 Wówczas wybór fenoli miał charakter dość przypadkowy, i wpływu podstawników przy pierścieniu fenolowym na jego właściwości aktywujące nie zbadano systematycznie. Sugerowano, że aktywność katalityczna układu wzrasta wraz z zwiększeniem kwasowości odpowiedniego fenolu. 67 Jednak ta hipoteza nie potwierdziła się, gdyż, jak wykazano najwyższą aktywność posiadają fenoli o pk a w granicach ajaktywniejszymi się okazały 2-fluorofenol oraz 2-fluoro-5-metylofenol, przy czym wybrano jako aktywator pierwszy z nich ze względu na cenę. 77 W typowych reakcjach RCAM, użycie 2-fluorofenolu pozwala na skrócenie czasu reakcji, dając wyższe wydajności produktów oraz katalizuje reakcję metatezy sterycznie napiętych substratów do produktów 17 i 18, 77 co nie było możliwe dla układu Mo(C) 6 /4-chlorofenol 16 (Schemat 23). 50% 56% Schemat 23 Sugerowano, że podwyższona aktywność układu Mo(C) 6 /2-fluorofenol może być związana ze specyficzną interakcją atomu fluoru z centrum katalitycznym. 79 Inną drogę do udoskonalenia układu stanowią metody preaktywacji termicznej. W próbach przeprowadzenia reakcji metatezy (Schemat 16) w niższych temperaturach (~80 C) otrzymywano niskie konwersji substratu. Jednak, okazało się, że termicznie preaktywowana (~110 C) mieszanina Mo(C) 6 z fenolem pozwała na przeprowadzenei reakcji metatezy w temperaturze 80 C. 63 Ideę tą rozwinął wiele lat później Bunz preaktywacja polegała na ogrzewaniu mieszaniny Mo(C) 6 i 4-chlorofenolu w 1,2- dichlorobenzenie z nadmiarem 3-heksynu w wysokociśnieniowej ampułce w temperaturze 130 C. Powstała po usunięciu nadmiaru 3-heksynu mieszanina katalityczna

28 2. Część literaturowa 18 pozwala na skrócenie czasu reakcji i zwiększenie wydajności trudniej reagujących substratów. 78 Jednakże, tak przygotowany układ jest mało aktywny w niższych temperaturach. 78 Rok później pokazano, że ogrzewanie Mo(C) 6 i 4-chlorofenolu w temperaturze 130 C z dodatkiem katalitycznej ilości dwókleszczowych eterów oraz sit molekularnych przez 10 godzin wytwarza mieszaninę katalityczną, która pozwała na przeprowadzenie reakcji metatezy HD 1-fenylo-2-propynu nawet w 50 C; przy czym pełna konwersja substratu następuje po 3 dobach, co robię całą procedurę bardzo czasochłonną. 79 prócz termicznej aktywacji układu badano także inne metody wytwarzania cząsteczek katalitycznych w środowisku reakcji. Fotochemiczna indukcja Mo(C) 6 /3- chlorofenol pozwala na przeprowadzenie reakcji w temperaturze pokojowej i krótkim czasie. Jednak mieszanina jest aktywna tylko pod czas ciągłego naświetlania składników reakcji. 80 Możliwa jest także aktywacja układu za pomocą mikrofalowego promieniowania, używając pochodnych silanolu jako aktywatorów Mo(C) 6 (Schemat 24) R Mo(C) 6 (5% mol) () 3 SiH (10% mol) oktan, mikrofale 15 min. R R R = (CH 2 ) 2 CCH 3, (CH 2 ) 2 Ac, (CH 2 ) 2 H, (CH 2 ) 2 Br, (CH 2 ) 2 CH, Si(Me) 3 oraz Me H Me Schemat 24 W tym przypadku równowaga ustala się bardzo szybko z wysokimi konwersjami substratów. Metoda ta jest bardzo ważna, ponieważ pozwala na przeprowadzenie reakcji metatezy związków zawierających grupę karboksylową oraz wrażliwe ugrupowanie enynowe. a podstawie eksperymentu, gdzie 3 SiH zastąpiono 3-chlorofenolem, autorzy twierdzili, że układ Mo(C) 6 /fenol w tych warunkach nie wykazuje aktywności katalitycznej. Jednak wykorzystując mikrofale jako metodę aktywacji układu Mo(C) 6 /4-trifluorometylofenol, Fürstner otrzymał produkty RCAM z wysokimi

29 2. Część literaturowa 19 wydajnościami i w krótkim czasie. 81 Ta sprzeczność może być związana z różnicą polarności rozpuszczalników stosowanych w obu przypadkach (ε dla oktanu i chlorobenzenu 2 i 6 odpowiednio). Także według innych doniesień, różna aktywność katalityczna układu Mo(C) 6 /fenol może być związana także z rodzajem używanego rozpuszczalnika. 82 prócz oczekiwanej reakcji metatezy, w kilku przypadkach zaobserwowano reakcje uboczne: polimeryzację alkinu do polialkenu 65 oraz cyklotrimeryzację alkinu do pochodnych benzenu. 66,83 Jednak, obserwacje te nie nosiły charakteru ogólnego i dotyczyły niestandardowych warunków reakcji (użycie 1% 64 lub 30-40% mol 83 Mo(C) 6 ) oraz specyficznych substratów. 83 Podsumowując, układ katalityczny Mo(C) 6 /fenol charakteryzuje się: Użycie w ilości 5-10% molowych Mo(C) 6, aktywowanego przez fenole (>30% molowych); Przeprowadzenie reakcji w temperaturze powyżej 110 C; Możliwość użycia niedestylowanych rozpuszczalników i prowadzenie reakcji bez stosowania gazu obojętnego; ie kompatybilny z: a) Związkami, zawierającymi grupę aminową, karbonylową, nitrową, karboksylową oraz pierścień tiofenu lub pirydyny w pobliżu wiązania potrójnego (reakcja typu Wittiga lub zatrucia centrum katalitycznego przez wolną parę elektronową) 51 ; b) Eterami sililowymi (reakcja transeteryfikacji); c) Związkami złożonymi (termiczny rozkład substratu) Co jest aktywną cząsteczką w układzie Mo(C) 6 /fenol i według którego mechanizmu przebiega reakcja? d razu po odkryciu katalizatora na bazie Mo(C) 6, postawiono pytanie: co spełnia rolę katalitycznej cząsteczki w tym układzie. Ponieważ sam Mo(C) 6 nie katalizuje reakcji metatezy, próbowano wytłumaczyć rolę fenolu w aktywacji układu. ajpierw sądzono, że za katalizę reakcji odpowiadają nienasycone koordynacyjnie cząsteczki typu Mo(C) 3, tworzone w wyniku dekarbonylowania heksakarbonylku

30 2. Część literaturowa 20 molibdenu w obecności fenolu. 63 Powstawania związków typu (aryl)mo(c) 3 w rozpuszczalnikach aromatycznych jest znanym procesem, ale okazało się, że związki tego typu nie katalizują reakcji metatezy. Udowodniono, że cząsteczki katalizatora nie zawierają C-ligandy. 79 Częściowo z tym twierdzeniem zgadzają się eksperymenty przepuszczania tlenku węgla (II) przez mieszaninę reakcyjną, co powodowało zanik metatezy. 63 Później, za pomocą IR, udowodniono, że w mieszaninie katalitycznej, utworzonej po kilku godzinach ogrzewania wszystkich składników układu, nie obserwuje się sygnałów, charakterystycznych dla grupy karbonylowej. 79 Wiadomo, że w roztworze fenole tworzą wiązanie wodorowe z wiązaniami nienasyconymi, szczególnie mocne z wiązaniem potrójnym. 84 W oparciu o ten fakt i o eksperymenty ze znakowanymi alkinami R- 13 C C-R, 85 z których wynika, że nie następuje rozerwanie wiązania R- 13 C, zaproponowano mechanizm metalokarbinowy (Schemat 25). 86 R 1 R 2 ArH X Y Mo R 2 R 1 R 1 H Ar Ar R 1 H Ar Mo R 1 lub Mo R 2 R 1 Ar Mo R 1 R 2 Mo R 1 R 1 R 2 R 1 Schemat 25 Według tej hipotezy fenol tworzy wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe z wiązaniem potrójnym, czyniąc substrat X bardziej reaktywnym na podobieństwo do alkenu również sprzyja izomeryzacji przejściowego kompleksu Y (Schemat 25). Alternatywą do wyżej wspomnianego mechanizmu może być mechanizm metalokarbenowy (Schemat 26). 87

31 2. Część literaturowa 21 Mo R 1 R 1 R 2 Mo ArH R 1 R 2 ArH R 1 R 2 R 1 Mo R 2 n R 1 R 2 R 1 R 1 * R R polimeryzacja R 1 H * R 1 R 1 Mo lub Mo R 2 Ar Ar H Ar metateza Mo R 2 R 1 R 1 Ar n ArH Schemat 26 R 1 R 1 Mechanizm ten tłumaczy (Schemat 26), dlaczego zachodzi uboczna reakcja polimeryzacji alkinów. Dowodem możliwości przebiegu reakcji według obu mechanizmów może być fakt wydzielenia adduktu fenolu z terminalnym alkinem CH=CH(3-). Ale kwestia natury ligandu w cząsteczkach typu L n Mo CR i L n Mo=CHR pozostaje sprawą otwartą. R 3 R 3 R 1 R 1 R 2 Mo R 2 R 2 R 1 R 2 R 1 R 1 Mo R 2 R 3 R 3 MoL n R 1 R 1 MoL n R 2 R 2 R 2 Mo R 1 R 1 R 1 R 1 R 2 R 1 R 2 R 3 R 3 R 1 R 2 R 1 R 1 R 2 R Mo 2 R2 Mo R 2 Schemat 27

32 2. Część literaturowa 22 Uboczna reakcja cyklotrimeryzacji alkinu biegnąca w niektórych przypadkach, skłoniła Mori do zaproponowania kolejnego mechanizmu, który zakłada tworzenie się metalacyklopentadienu (Schemat 27). 66 Drugim powodem wysunięcia tej hipotezy były dane literaturowe tworzenia się w podobnych warunkach kompleksów cyklobutadienowych molibdenu i wolframu oraz wolframacyklopentatriienowych struktur (Schemat 28). Mo C C C C C W C C W Et Et Et Et Schemat 28 Jednak, jak się okazało, związki cyklobutadienowe, metalacyklopentadienowe oraz kompleksy acetylenowe molibdenu, analogiczne do tych przedstawionych na schemacie 28, nie wykazują aktywności katalitycznej w reakcji metatezy. 63 Wiadomo, że związki metali przejściowych na niższych stopniach utleniania katalizują reakcję cyklotrimeryzacji alkinów. 91,92,93 Również, heksakarbonylek molibdenu może być inicjatorem tej reakcji. 94,95 Z drugiej strony, jak wiadomo, Mo(C) 6 użyty bez dodatków nie jest aktywny w metatezie, 83 dlatego nasuwa się wniosek, że reakcja uboczna w tym przypadku jest spowodowana dużym nadmiarem Mo(C) 6, który się nie zdążył przekształcić w katalizator metatezy. ajbardziej prawdopodobną jest hipoteza, że cząsteczką katalityczną w tym układzie jest katalizator typu Schrocka (Ar) 3 Mo CR. 96 W tym przypadku reakcja przebiega według hipotetycznego mechanizmu metalokarbinowego (Schemat 6). Rolę ligandu spełnia fenol użyty w nadmiarze a część alkilidynowa pochodzi od substratu (Schemat 29). 79 Mo(C) 6 ArH (Ar) 3 Mo Mo(Ar) 3 Schemat 29 RC CR 2 (Ar) 3 Mo CR

33 2. Część literaturowa 23 Wiązania potrójne Mo C może pochodzić także z cząsteczki tlenku węgla(ii). Znany jest przypadek tworzenia się anionu o wzorze (ArR) 3 Mo C- w reakcji (ArR) 3 Mo z C. 97,98 wa hipoteza może także tłumaczyć przypadki tworzenia się produktów polimeryzacji oraz cyklotrimeryzacji alkinów. Ponieważ, jak wiadomo, dinuklearne alkilidynowe kompleksy molibdenu w niektórych przypadkach mogą kompleksować więcej niż jedną cząsteczkę alkinu, co może prowadzić do reakcji następczych (Schemat 30). 99,100 R' R' R R'C CR' Mo Mo (R) 3 Mo Mo(R) 3 R R py py py R R R R'C CR' py R R R' Mo R' R' Mo R' R py R R R' = H lub Me nr'c CR' Schemat 30 cyklotrimeryzacja lub polimeryzacja Kompleksowanie trzech lub więcej alkinów z następną reduktywną eliminacją kompleksu molibdenu, prowadziłaby do powstawania odpowiednio pochodnych benzenu lub polimerów. 101 Jeszcze jednym potwierdzeniem może być fakt, że oryginalne karbinowe kompleksy molibdenu są katalizatorami tylko wtedy (w przeciwieństwie do wolframu), kiedy zawierają aryloksowe (rzadziej elektronoakceptorowe alkoksylowe) ligandy. 54 Tak i w tym przypadku, układ nie jest aktywny przy zastosowaniu niepodstawionych alkoholi alifatycznych Podsumowanie Gruntowna analiza wszystkich znanych na dziś katalizatorów metatezy alkinów i sposobu ich działania, pozwala przypuścić, że metalokarbinowy mechanizm 23 reakcji ma charakter uniwersalny. dkrycie możliwości osadzenia kompleksów alkilidynowych na Si 2 61 było brakującym ogniwem między heterogenicznym oraz homogenicznym procesem metatezy (na przykład podobieństwo układów [Mo(C) 6 +Si 2 ] 6 i

34 2. Część literaturowa 24 [Mo(C) 6 +() 3 SiH] 67 ). Można z wysokim prawdopodobieństwem twierdzić, że we wszystkich układach katalitycznych rolę katalizatora pełni cząsteczka typu [M] R: M 3 + Si 2 + alkin: {(Si) 3 M CR}, gdzie M = W, Mo; Mo(C) 6 + ArH + alkin: {(Ar) 3 Mo CR}; Mo(R) 3 + CH alkin: {(R) x () y Mo CR}. Pozostaje tylko odnaleźć więzi pomiędzy prekursorami niezidentyfikowanych cząsteczek katalitycznych a zdefiniowanymi katalizatorami typu Schrocka. Poza tym, głównym celem w rozwoju metatezy alkinów jest odkrycie katalizatorów, które połączą w sposób efektywny stabilność, aktywność oraz selektywność Praktyczne zastosowanie metatezy alkinów Synteza związków naturalnych Pionierem użycia metatezy alkinów w syntezie związków biologicznie czynnych był Fürstner. 16 Generalnie metodę tę można zastosować do tworzenia wiązań podwójnych o konfiguracji Z w wyniku stereoselektywnej redukcji wiązania potrójnego wodorem za pomocą katalizatora Lindlara (Schemat 31). 102 X X Schemat 31 X CH 3 CH 3 Satosowanie metatezy olefin w syntezie związków biologicznie czynnych często prowadziło do powstawania dwóch izomerów względem wiązania podwójnego. Częściowo udało się rozwiązać ten problem, stosując metodę Fürstnera. Dzięki wysokiej kompatybilności układu F/CH 2 2 wobec grup funkcyjnych udało się skutecznie zastosować tę metodę w syntezie wielu związków naturalnych. Między innymi, Fürstner otrzymał związki (stosowane w perfumerii) takie jak: lakton Yuzu 22 (zapach mięty), Ambrettolid 23 oraz ciweton 24 (oba mają zapach piżma) (Schemat 32).

35 2. Część literaturowa Schemat 32 Stosując, układ Mo(C) 6 /fenol otrzymano odpowiednie cykloalkiny, prekursorzy związków 22, 23 i 24 z dobrymi wydajnościami odpowiednio 79%, 77 69% 16 oraz 59% (stosując S 65%). 103 Eleganckim przykładem zastosowania reakcji RCAM w stereoselektywnym tworzeniu wiązania podwójnego o konfiguracji Z jest opisana synteza środka przeciwnowotworowego Epotelonu C oraz jednego z wtórnych metabolitów prostoglandyny PGE z zastosowaniem układu F/CH 2 2 (Schemat 33). S H H H Schemat 33 prócz tego zsyntezowało inne biologicznie aktywne związki takie jak: Soforolipid, 106 (S)-(+)-Citreofuran, 107 Motuporaminę C 108 oraz Turrian; 81 repelenty owadów: (S,S)-(+)- Dehydrohomoancepsenolid 109 oraz epilachnea i jego homolog homoepilachnea; 16 jak również wiele innych związków naturalnych Synteza polimerów zawierających wiązanie potrójne Katalizatory typu S zostały zastosowane do kontrolowanej polimeryzacji terminalnych alkinów z utworzeniem polienów, chociaż metoda syntezy tych związków nie jest dogodna z ekonomicznego punktu widzenia. 110

36 2. Część literaturowa 26 Jednym ze sposobów otrzymania polimerów, zawierających wiązania potrójne, jest reakcja metatezy z otwarciem pierścienia (RMP) oraz reakcja metatezy acyklicznych diinów (ADIMET). Pierwsza reakcja typu RMP cyklooktynu była przeprowadzona 1994 roku, z zastosowaniem katalizatora 6 (Schemat 34). 111 n 6 * * n Schemat 34 Jednak otrzymany polimer nie miał ciekawych właściwości fizykochemicznych. Późniejsze próby syntezy polimerów w reakcji RMP polegały na wprowadzeniu fragmentu krzemowego w wysoko naprężone cykliczne substraty (Schemat 35). 112 Me Me Me Si Si Me S Me Me Me Me n * Si Si Si Si * Me Si Si Me Me Me Me Me Me Me n Schemat 35 iestety, polimery otrzymane tą metodą, posiadają gorsze charakterystyki niż w przypadku stosowania innych metod polimeryzacji (na przykład anionowej kondensacji). Ciekawą cechą owych polimerów jest właściwość przewodzenia prądu po potraktowaniu materialu związkiem fluorującym (SbF 5 ). 112 W chwili obecnej reakcja RMP alkinów pozostaje mało skuteczną metodą tworzenia polimerów. kazało się, jednak, że reakcja metatezy ADIMET może być lepszą metodą w syntezie polimerów. Sprzężone poly(p-fenylenetynyleny) 27 (PPE) (Schemat 36) są atrakcyjnymi materiałami: posiadają wysoką stabilność termiczną (do 200 C), są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych i ze względu na właściwości fluoroscencyjne wykorzystywane są w optyce (ciekłokrystaliczne monitory) oraz urządzeniach elektroluminescencyjnych ( plastyczne lasery). 113,114 Dotychczas PPE były syntezowane w wyniku reakcji polikondensacji (typu Sonogashira) z zastosowaniem katalizatorów palladowych. Typowe problemy w tego typu przekształceniach są to: zanieczyszczenie trudno usuwalnymi związkami Pd i ligandami fosforowymi, uboczne

37 2. Część literaturowa 27 reakcji dehalogenacji, niski stopień polimeryzacji (P n <50), defekty w strukturze krystalicznej polimeru. 113,115 Problemy tę mogą być rozwiązane przez zastosowanie reakcji metatezy ADIMET pod zmniejszonym ciśnieniem (Schemat 36). Hex kat. n H 3 C CH 3 Hex H 3 C CH 3 Hex Schemat 36 Tabela 2. Polimeryzacja prekursora PPE 27 Katalizator Temperatura, Czas, Wydajność, [ C] [h] [%] P n Mo(C) 6 /4-CF 3 -fenol [5% mol] S [2% mol] [4% mol] ajciekawszym faktem jest to, że najlepszą wydajność i wartości P n otrzymano, stosując układ Mo(C) 6 /fenol. 72,118 kazało się, że nawet układ W(C) 6 /fenol może być katalizatorem polimeryzacji 68 (co prawda stabilność da dając mniejsze P n ) (Tabela 2). Za pomocą reakcji ADIMET zsyntezowano szereg innych polimerów PPE, stosując między innymi następujące monomery (Schemat 37): 116,119 R H 3 C Hex 27 H 3 C n Hex H 3 C S Hex CH 3 Schemat 37 CH 3 CH 3 Warto zauważyć, że stosując katalizator 14 udało się zsyntezować polimery zawierające fragment tiofenu. 117

38 2. Część literaturowa Synteza związków makrocyklicznych Częstym problemem w syntezie związków makrocyklicznych są małe wydajności pożądanych produktów. 120 Spowodowane jest to zachodzącymi konkurencyjnie reakcjami oligo- i polimeryzacji. Związki makrocykliczne otrzymywano zwykle w reakcjach katalitycznego sprzęgania. Wadą tej reakcji jest to, że proporcja produktów jest procesem kontrolowanym kinetycznie. Pierwsze próby użycia reakcji metatezy alkinów w makrocyklizacji prowadziły do tworzenia odpowiednich produktów z małymi wydajnościami 28. Jako katalizatory stosowano układ Mo(C) 6 /fenol) 121 i 29 (stosując [20% mol] katalizatora S) 122 (Schemat 38). i-pr i-pr Si i-pr Si i-pr Si i-pr i-pr 28 (14%) 29 (19%) Schemat 38 Ponieważ reakcja metatezy jest odwracalnym procesem, to w jej przypadku jest możliwa kontrola termodynamiczna, co daje możliwości zwiększenia chemoselektywności reakcji. Podejście to było wykorzystane całkiem niedawno i pozwoliło w warunkach metatezy otrzymać związki makrocykliczne z wysokimi wydajnościami. 120,123 Dobrze widać przewagi tej metody na przykładzie syntezy podstawionych benzanulenów (Schemat 39). 124 Wykorzystując małą rozpuszczalność półproduktu diaryloacetylenowego w warunkach reakcji, można skutecznie przesunąć równowagę reakcji w stronę tworzenia pożądanego makrocyklu. Podejście to może być alternatywną metodą w syntezie makrocykli, zawierających wiązanie potrójne.

39 2. Część literaturowa 29 Hex Hex Hex Hex 14 R R R R Hex Hex Hex Hex R = C 86% Schemat Metateza enyn. Aspekty mechanistyczne Wprowadzenie Metateza enyn była odkryta w 1985 roku przez Katza. 12 kazało się, że w obecności karbenowych kompleksów Fischera (karben elektronodonorowy), możliwa jest reakcja pomiędzy podwójnym i potrójnym wiązaniem substratu z utworzeniem dwóch sprzężonych wiązań podwójnych. a przykład użycie katalitycznych ilości kompleksu K w obecności 30 prowadziło do wytwarzania nowego pierścienia, dając pochodną fenantrenu 31 (Schemat 40). 12 (C) 5 W K (1% mol) Me (26%) Schemat 40 Wydajności tych reakcji były z reguły niski i dalsze badania nad nowoodkrytym przekształceniem nie przyniosły znaczącego udoskonalenia tej reakcji. Dla otrzymania dobrych wydajności pochodnych 1,3-dienów potrzebne było użycie wprawie stechiometrycznych ilości kompleksów typu K. 125 Wadą tych katalizatorów jest także ich niekompatybilność z wieloma grupami funkcyjnymi oraz nietrwałość wobec wilgoci i tlenu.