Кіріспе

Сақина жабылу метатезі (RCM) – органикалық химияда әртүрлі қанықпаған сақиналарды синтездеу үшін кеңінен қолданылатын олефин метатезінің бір түрі. Ол екі терминалдық алкеннің ішкі молекулалық метатезі арқылы жүзеге асырылады, нәтижесінде циклоалкен E немесе Z изомерлері түзіледі және ұшқыш этилен бөлінеді. Көбінесе 5-7 атомнан тұратын сақиналар синтезделеді, бірақ 45-тен 90 мүшелі макрогетероциклдердің синтезі туралы да хабарламалар бар. Бұл реакциялар металл катализаторлардың қатысуымен өтеді және металлациклобутан аралық қосылысы арқылы жүзеге асырылады. Оны алғаш 1980 жылы Дидер Вильмен экзальтолид алдындысының синтезін сипаттап жариялаған, ал кейін Роберт Г. Граббс және Ричард Р. Шрок кеңінен танымал етті. Олар 2005 жылы Ив Шовенмен бірге олефин метатезіндегі бірлескен жұмыстары үшін Химия бойынша Нобель сыйлығын бөлісті. RCM органикалық химиктердің арасында бұрын тиімді синтездеуге қиын болған сақиналарды жасау мүмкіндігі және кең субстраттар спектріне байланысты танымал. Реакцияның негізгі қосалқы өнімі этилен болғандықтан, бұл реакциялар атомдық үнемділік деп есептелуі мүмкін, бұл жасыл химияны дамытудағы маңызды фактор.

Тарих

Сақина жабылатын метатездің алғашқы мысалын Дидер Вильмен 1980 жылы келтірді, ол Exaltolide прекурсорын WCl6 / Me4Sn катализделген метатез циклизациясы арқылы, сақина мөлшеріне байланысты 60-65% өнімділікпен синтездеді (A). Цуджи олефин метатез реакциясын "органикалық синтезде әлеуетті пайдалы" деп сипаттайды және әртүрлі функционалдық топтарға төзімді болатын әмбебап катализаторды жасау қажеттігін атап өтеді. 1987 жылы Зигфрид Варвел мен Ханс Кайткер циклоолефиндерді бастапқы материал ретінде пайдаланып, C14, C18 және C20 диендерін 58-74% өнімділікпен, ал C16-ны 30% өнімділікпен алуға мүмкіндік беретін симметриялық макроциклдердің синтезін жариялады, катализаторларды белсендіру үшін Re2O7-ді Al2O3 және Me4Sn қолданды. Оның бастапқы ашылуынан кейін он жыл өткен соң, 1992 жылы Граббс пен Фу Шроктың молибден алкилиден катализаторларын қолдана отырып, O және N гетероциклдерін синтездеуді егжей-тегжейлі баяндаған екі маңызды еңбек жариялады, бұл катализаторлар вольфрам хлориді катализаторларына қарағанда берік және функционалдық топтарға төзімді екенін көрсетті. Синтетикалық жол қолжетімді бастапқы материалдардан дигидропиранды жоғары өнімділікпен (89-93%) алуға мүмкіндік берді. Сондай-ақ, метатез реакциялары үшін рутений карбен кешенін алғаш рет қолдану туралы мәліметтер келтірді, ол кейіннен өзінің ерекше тиімділігіне байланысты танымал катализаторға айналды. Рутений катализаторлары, молибден катализаторларынан айырмашылығы, ауа мен ылғалға сезімтал емес. Рутений катализаторлары, Граббс катализаторлары ретінде жақсы танымал, сондай-ақ молибден катализаторлары немесе Шрок катализаторлары, бүгінгі күнге дейін көптеген метатез реакцияларында, соның ішінде RCM үшін қолданылады. Жалпы алғанда, металл катализделген RCM реакциялары C-C байланысын түзетін реакцияларда өте тиімді екені және органикалық синтезде, химиялық биологияда, материалдар ғылымында және басқа да салаларда қанықпаған және жоғары функционалды циклдік аналогтардың кең спектрін алу үшін маңызды екені көрсетілді. RCM басқа олефин метатез реакциялары сияқты ұқсас механизмдік жолдан өтеді, мысалы, кросс-метатез (CM), сақина ашылу метатез полимерлеуі (ROMP) және ациклді диен метатезі (ADMET). Каталитикалық циклдің барлық қадамдары кері болатындықтан, реакция жағдайлары мен субстраттарына байланысты осы басқа жолдардың кейбіреулері RCM-мен қиылысуы мүмкін, бұл циклоэлиминация арқылы бір алкенді және каталитикалық түрді (өнімсіз жол) немесе жаңа каталитикалық түрді және алкилиденді (өнімді жол) тудырады. Бұл механизм химиктер арасында кеңінен қабылданды және RCM механизмі үшін үлгі болып табылады. Іске қосу катализатордың алкен лиганын субстратпен алмастыру арқылы жүзеге асырылады. Бұл процесс [2+2] циклоаддиция мен циклоэлиминацияның бір циклы арқылы жаңа алкилиденнің пайда болуымен жүреді. Граббс катализаторларында фосфин лиганының бірігуі мен ажырауы да жүреді. RCM реакциясында алкилиден екінші реактивті терминалдық алкенмен бірдей молекулада [2+2] циклоаддицияға түседі, екінші бастапқы материал молекуласының молекулааралық қосылуы емес, полимерленуге әкелуі мүмкін бәсекелес қосымша реакция. Металлциклобутан аралық циклоэлиминациясы қажетті RCM өнімін [M]=CH2 немесе алкилиденмен бірге түзеді, ал алкилиден түрлері каталитикалық циклге қайта кіреді. Ұшпалы этиленнің жоғалуы RCM үшін қозғаушы күш болғанымен, кішігірім сақиналар (5-8 атомдар арасында) орташа және үлкен сақиналарға қарағанда термодинамикалық тұрғыдан артықшылыққа ие, себебі оларда сақиналық кернеуі аз. Сақиналық кернеу аномальды байланыс бұрыштарынан туындайды, бұл сызықтық аналогына қарағанда жоғары жану жылуына әкеледі. Орташа сақиналар, әсіресе, сақинаның қарама-қарсы жақтарындағы үлкен трансанаулярлық өзара әсерлесулерге және молекуланы осындай арақатынастарды болдырмау үшін бағдарлай алмауына байланысты үлкен сақиналық кернеуге ие. Егер өнімдер каталитикалық циклге қайта кіре алмаса немесе тепе-теңдік арқылы өзара айналып кете алмаса, RCM кинетикалық бұрылысқа ие деп есептелуі мүмкін. Кинетикалық өнімдердің таралуы негізінен RCM өнімдеріне немесе олигомерлер мен полимерлерге әкелуі мүмкін, олар көбінесе қолайсыз. Реакция әлі де термодинамикалық бақылауда болса да, бастапқы кинетикалық өнім, ол бастапқы материалдың димеризациясы немесе олигомеризациясы болуы мүмкін, реакция басталғанда катализатордың жоғары реакциялық қабілетінің нәтижесінде пайда болады. Катализатордың жоғары белсенділігі олефин өнімдерінің каталитикалық циклге қайта кіруіне, терминалдық емес алкеннің катализаторға қосылуы арқылы да мүмкіндік береді. Кернеулі олефиндердің қосымша реакциялық қабілетіне байланысты өнімдердің тепе-теңдік таралуы байқалады, бірақ бұл тепе-теңдік RCM өніміне қатысты өнімдер арақатынасын өзгерту үшін әртүрлі техникалар арқылы бұзылуы мүмкін. Бір молекуладағы реактивті топтардың бір-бірімен кездесу ықтималдығы сақина мөлшеріне кері пропорционалды болғандықтан, қажетті молекулаішілік циклоаддиция сақина мөлшері артқан сайын қиындап барады. Бұл қатынас үлкен сақиналардың RCM-ін жоғары сұйылуда (0,05-100 мМ) (A) жүргізуді талап етеді, бұл молекулааралық реакцияларды азайту үшін, ал жалпы сақиналардың RCM-ін жоғары концентрацияда, кейде тіпті таза күйде жүргізуге болады. Тепе-теңдік реакциясын қажетті термодинамикалық өнімдерге қарай жылдамдату үшін температураны арттыруға (B) болады, бұл реакциялық қоспаның тұтқырлығын төмендетіп, термиялық қозғалысты арттырады, сондай-ақ реакция уақытын арттыруға немесе азайтуға (C) болады. Катализатордың таңдалуы (D) өнімнің түзілуін бақылауда маңызды рөл атқаратыны көрсетілді. Сақина жабылатын метатез үшін қолданылатын катализаторлардың бірнеше мысалы төменде көрсетілген.

Алкен субстраттары

Сақинаны жабу метатезі N, O, S, P, тіпті Si сияқты атомдарды қамтитын 5-30 мүшелі сақиналарды, полициклдерді және гетероциклдерді синтездеуде өте тиімді екенін көрсетті. Қазіргі заманғы RCM реакцияларының функционалдық топтарға төзімділігінің арқасында, эпоксидтер, кетондар, спирттер, эфирлер, аминдер, амидтер және тағы да басқалары сияқты әртүрлі функционалдық топтарды қамтитын күрделі құрылымды қосылыстарды бұрынғы әдістерге қарағанда әлдеқайда оңай синтездеуге болады. Табиғи заттар мен фармацевтикалық препараттарда кең таралғандықтан, оттегі және азот гетероциклдері басым. Кейбір мысалдар төменде көрсетілген (қызыл алкен RCM арқылы түзілген C-C байланысын көрсетеді).

Е/Е селективтілігі

RCM реакцияларында екі мүмкін геометриялық изомер – E немесе Z изомері түзілуі мүмкін. Стереоселективтілік катализаторға, сақиналық кернеуге және бастапқы диенге байланысты. Кішкентай сақиналарда Z изомерлері сақиналық кернеуді азайту арқасында тұрақты өнім ретінде басымдық танытады. Макроциклдерде E изомері көбінесе RCM реакцияларындағы термодинамикалық бейімділіктің нәтижесінде алынады, себебі E изомерлері Z изомерлерімен салыстырғанда тұрақтырақ болады. Жалпы тенденция бойынша, рутений NHC (N гетероциклді карбен) катализаторлары транс-изомерді түзету үшін E селективтілігін қолдайды. Бұл, ішінара, металлациклобутан аралық құрылымындағы ең тұрақты конформация ретінде транс-конфигурацияны қабылдайтын және E изомерін түзетін топтар арасындағы кеңістіктік кедергіге байланысты.

Кокатализатор

Қосымшалар конформациялық басымдықтарды өзгерту, реакция концентрациясын арттыру және катализатормен байланыса алатын эфирлер немесе амидтер сияқты жоғары полярлы топтарды хелаттау үшін де қолданылады. Тағы бір классикалық мысал – орта сақиналарды циклолактонизациялау үшін артықшылықты Z изомерінің орнына эфирдің E изомерін түзету үшін көлемді Льюис қышқылын пайдалану. Бір зерттеуде алюминий трис(2,6-дифенилфеноксид) (ATPH) қосылып, 7 мүшелі лактон пайда болды. Алюминий карбонил оттегімен байланысып, эфирлік қосылысқа жақын орналасқан көлемді дифенилфеноксид топтарын жақындастырады. Нәтижесінде, эфир кеңістіктік кедергіні азайту үшін E изомерін қабылдайды. Льюис қышқылы болмағанда, тек 14 мүшелі димерлік сақина байқалды. Молекуланы екі реактивті алкендер жақын орналасуы үшін бағыттап, молекулааралық кросс-метатез қаупі ең төменге дейін төмендетіледі.

Шектеулер

Рутений катализаторларымен жүзеге асырылатын көптеген метатез реакциялары, жаңа түзілген қос байланыстың қажетсіз изомеризациясына байланысты қиындықтарға тап болады, және мұның себебі, жанама реакция ретінде түзілетін рутений гидридтері деп есептеледі. Бір зерттеуде, диаллил эфирінің RCM реакциясында, осы гидридтерді жоя алатын белгілі бір қоспалар изомеризацияны басатыны анықталды. Қоспасыз жағдайда, реакция нәтижесінде 2,3 дигидрофуран түзіледі, ал күтілген 2,5 дигидрофуран емес (этилен газының пайда болуымен бірге). ТЕМПО немесе фенол сияқты радикалдарды жойғыштар изомеризацияны тоқтатпайды; бірақ, 1,4 бензохинон немесе сірке қышқылы сияқты қоспалар, қажетсіз изомеризацияны сәтті болдырмайды. Екі қоспа да рутений гидридтерін тотықтандыруға қабілетті, бұл олардың осылай әрекет етуін түсіндіруге болады. RCM-мен байланысты тағы бір жиі кездесетін мәселе – кейбір циклдеулер үшін қажетті жоғары сұйыту, катализатордың ыдырауына әкелуі мүмкін. Жоғары сұйыту, өндірістік қолдануда да шектеуші фактор болып табылады, себебі төмен концентрациядағы үлкен көлемді реакциялардан көп мөлшерде қалдықтар пайда болады.

Синтетикалық қолдану

Сақина жабылатын метатез тарихи түрде көптеген органикалық синтездерде қолданылған және бүгінде әртүрлі қосылыстарды синтездеуде жиі пайдаланылады. Төмендегі мысалдар RCM-нің кең мүмкіндіктерін көрсетеді, себебі оның қолданылуы сан алуан. Толық мысалдар үшін көптеген шолу мақалаларын қараңыз. 1995 жылы Роберт Граббс және әріптестері RCM арқылы қол жеткізуге болатын стереоселективтілікті көрсетті. Олар β-бұрылыс құрайтын ішкі сутекті байланысы бар диенді синтездеді. Сутекті байланыс макроциклдің алдын ала сатысын тұрақтандырып, екі диенді метатез реакциясына дайындады. Диастереомерлер қоспасын реакция жағдайларына ұшыратқанда, олефиннің β-бұрылысының тек бір диастереомері алынды. Эксперимент (S,S,S) және (R,S,R) пептидтерімен қайталанды. Тек (S,S,S) диастереомері ғана реакцияға түсті, бұл сақина жабылуы үшін қажетті конфигурацияны көрсетті. Олефин өнімінің абсолютті конфигурациясы Баларамның дисульфид пептидіне ұқсас. 8-11 атомды сақиналардағы сақиналық кернеу RCM үшін қиындық тудырады; алайда, мұндай циклдік жүйелерді синтездеудің көптеген мысалдары бар. 2000 жылы Алоис Фюрстнер RCM арқылы 7 мүшелі гетероцикл аралық қосылысын құру үшін (−) баланолдың 8 қадамдық синтезі туралы хабарлады. Баланол – *Erticiullium balanoides*-тен бөлініп алынған метаболит, ол протеинкиназа C (PKC) ферментіне қатысты тежеуші әрекет көрсетеді. Сақина жабылатын метатез кезеңінде рутений индилилиден кешені 87% өніммен қажетті 7 мүшелі сақинаны алу үшін прекатализатор ретінде қолданылды. 2002 жылы Стивен Ф. Мартин және әріптестері манзамин А-ның 24 қадамдық синтезі туралы хабарлады, онда полициклді алкалоидты алу үшін екі сақина жабылатын метатез кезеңі қолданылды. Бұл табиғи қосылыс Окинава аймағының жағалауынан теңіз шұңғырларынан бөлініп алынған. Манзамин ісікке қарсы әсеріне байланысты зерттеу үшін маңызды нысана болып табылады. RCM-нің алғашқы кезеңінде 13 мүшелі D сақинасы 67% өніммен тек Z изомері түрінде қалыптасты, бұл метатез реакциясында әдетте басымдыққа ие E изомерінен ерекшеленеді. Келесі өзгерістерден кейін екінші RCM 8 мүшелі E сақинасын 26% өніммен түзді, бұл үшін стехиометриялық мөлшерде 1-ші буын Grubbs катализаторы қолданылды. Бұл синтез функционалдық топтарға төзімді метатез реакцияларының және әртүрлі сақина мөлшерлері бар күрделі молекулаларды алу мүмкіндігін көрсетеді. Макролидте RCM арқылы құрылған 14 мүшелі гетероцикл бар. Метатез реакциясы қорғалған миграстатиннің 70% өніммен тек (E,E,Z) изомерін берді. Бұл селективтілік рутений катализаторының ең аз кедергісі бар олефинге бірінші болып қосылуына және содан кейін ең қолжетімді олефинге айналуына байланысты деп хабарланады. Силил эфирін соңғы депротекциялау (+) миграстатинге әкелді. Қорытындылай келе, сақина жабылатын метатез – әртүрлі мөлшердегі және химиялық құрамындағы циклдік қосылыстарды алуға мүмкіндік беретін өте пайдалы реакция; алайда, оның жоғары сұйыту, селективтілік және қажетсіз изомерлендіру сияқты кейбір шектеулері бар.