Метатезис алкинов: катализаторы, механизмы и применение.
Alkyne metathesis
Алкино́вый метате́зис: о́рганическая реакция перераспределения тройны́х связе́й с испо́льзованием мета́ллических катализа́торов. История и механизмы реакции.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Алкиновый метатез — это органическая реакция, включающая перераспределение химических связей в алкинах. Для протекания реакции необходимы металлические катализаторы. Механистические исследования показывают, что превращение происходит посредством образования металлоалкилидиновых комплексов. Эта реакция связана с метатезисом олефинов.
Alkyne metathesis is an organic reaction that entails the redistribution of alkyne chemical bonds. The reaction requires metal catalysts. Mechanistic studies show that the conversion proceeds via the intermediacy of metal alkylidyne complexes. The reaction is related to olefin metathesis.
История
Металлокатализованный метатез алкинов был впервые описан в 1968 году Бейли и соавторами. Система Бейли использовала смесь оксидов вольфрама и кремния при температурах до 450 °C. В 1974 году Мортрё сообщил об использовании гомогенного катализатора – гексакарбонила молибдена при 160 °C – для наблюдения явления перераспределения алкинов, при котором несимметричный алкин находится в равновесии со своими двумя симметричными производными. Система Мортрё состоит из прекатализатора – гексакарбонила молибдена Mo(CO)6 – и кокатализатора – резорцинола. В 1975 году Т. Дж. Кац предположил, что в качестве промежуточных соединений образуются металлкарбин (то есть алкилидин) и металлациклобутадиен. В 1981 году Р. Р. Шрок охарактеризовал несколько каталитически активных комплексов металлациклобутадиена. Молибденовые катализаторы с лигандами, производными от анилина, являются высокоэффективными катализаторами. Так называемые "катализаторы с зонтичными лигандами", содержащие триподальные лиганды, особенно активны и просты в приготовлении. Тщательные экспериментальные и вычислительные исследования показали, что металлатетраэдры являются изолируемыми, но динамичными частицами в каталитическом цикле. Катализаторы метатеза алкинов также были разработаны на основе комплексов рения(V). Такие катализаторы стабильны на воздухе и толерантны к различным функциональным группам, включая карбоновые кислоты.
Metal catalyzed alkyne metathesis was first described in 1968 by Bailey, et al. The Bailey system utilized a mixture of tungsten and silicon oxides at temperatures as high as 450 °C. In 1974 Mortreux reported the use of a homogeneous catalyst—molybdenum hexacarbonyl at 160 °C—to observe an alkyne scrambling phenomenon, in which an unsymmetrical alkyne equilibrates with its two symmetrical derivatives. The Mortreux system consists of the molybdenum precatalyst molybdenum hexacarbonyl Mo(CO)6 and resorcinol cocatalyst. In 1975, T. J. Katz proposed a metal carbyne (i. e. alkylidyne) and a metallacyclobutadiene as intermediates. In 1981, R. R. Schrock characterized several metallacyclobutadiene complexes that were catalytically active. Molybdenum catalyst with aniline derived ligands are highly effective catalysts. The so called "canopy catalysts" containing tripodal ligands are particularly active and easy to prepare. Thorough experimental and computational studies showed that metallatetrahedranes were isolable but dynamic species within the catalytic cycle. Alkyne metathesis catalyst have also been developed using rhenium(V) complexes. Such catalysts are air stable and tolerant of diverse functional groups, including carboxylic acids.
Деградация катализатора
Типичные пути деградации этих катализаторов включают гидролиз и окисление. Димеризация алкилидиновых фрагментов остаётся возможной, что видно на примере комплекса 28, который был выделен в небольших количествах. Помимо путей разложения посредством бимолекулярных столкновений или гидролиза, комплексы алкилидинов Шрока разлагаются при попытке метатезиса концевых алкинов. Критическая стадия происходит после образования металлацикла и заключается в трансаннулярной активации C-H связи с образованием депротиометаллациклобутадиена и одновременной потерей одного алкоксидного лиганда. Этот механизм реакции остаётся актуальным и для новых алкилидинов с силанолатными лигандами. В частности, соединение 29 можно выделить при добавлении 1,10-фенантролина. В результате, концевые алкины не могут быть метатезированы в данной каталитической системе с сопоставимой эффективностью. На практике 5 Å MS используется в качестве поглотителя бутина для смещения равновесия в сторону продуктов.
Typical degradation pathways for these catalysts include hydrolysis and oxidation. Dimerization of the alkylidyne units remains possible, as can be seen from complex 28, which was isolated in small amounts. In addition to the decomposition pathways by bimolecular collision or hydrolysis, Schrock alkylidyne complexes degrade upon attempted metathesis of terminal alkynes. The critical step occurs after formation of the metallacycle and consists of a transannular C H activation with formation of a deprotio metallacyclobutadiene and concomitant loss of one alkoxide ligand. This reaction course remains viable for the new alkylidynes with silanolate ligands. Specifically, compound 29 could be isolated upon addition of 1,10 phenanthroline. As a result, terminal alkynes can not be metathesized under existing catalysis system with similar efficiency. In practice, 5 Å MS is used as butyne scavenger to shift the equilibrium to products.
Общий
Алкиновый метатез может использоваться в реакциях замыкания цикла, а RCAM расшифровывается как метатез алкинов с замыканием цикла. Обонятельная молекула циветон может быть синтезирована из диалкина. После замыкания цикла новая тройная связь стереоселективно восстанавливается водородом в присутствии катализатора Линдлара для получения Z-алкена (циклические E-алкены могут быть получены с помощью восстановления Бирча). Важным фактором, способствующим протеканию этого типа реакций, является отщепление небольших газообразных молекул, таких как ацетилен или бут-2-ин. Такая же двухстадийная процедура была использована в синтезе природного циклофана турриана. Трисамидокомплексы молибдена(VI) с алкилидиновыми лигандами катализируют алкиновый метатез.
Alkyne metathesis can be used in ring closing operations and RCAM stands for ring closing alkyne metathesis. The olfactory molecule civetone can be synthesised from a di alkyne. After ring closure the new triple bond is stereoselectively reduced with hydrogen and the Lindlar catalyst in order to obtain the Z alkene (cyclic E alkenes are available through the Birch reduction). An important driving force for this type of reaction is the expulsion of small gaseous molecules such as acetylene or but 2 yne. The same two step procedure was used in the synthesis of the naturally occurring cyclophane turriane. Trisamidomolybdenum(VI) alkylidyne complexes catalyze alkyne metathesis.
Синтез натуральных продуктов
RCAM также может быть использован в качестве стратегического этапа в полном синтезе природных соединений. Некоторые примеры демонстрируют возможности этих катализаторов. Например, RCAM может служить ключевым этапом в полном синтезе морского простаноида гибридлактона, при котором толерантны эпоксидная группа, внутренний олефин и эфир. Другой пример показывает, что высокофункционализированный энин, содержащий редкий тиазолидиноновый фрагмент, может быть подвергнут метатезису под действием катализатора Mo(III), причем ни этот необычный гетероцикл, содержащий серу, ни третичный гликозид, склонный к элиминированию, не представляли проблем на этапе замыкания цикла. Полный синтез спирастреллида F включает метатезис алкина в одну стадию. Молекулярный каркас этого мощного ингибитора фосфатазы содержит не менее 21 стереогенного центра и характеризуется лабильным фрагментом пропущенного диена в боковой цепи. Его макроциклическое ядро включает тетрагидропирановое кольцо, спирокетальный фрагмент, а также весьма необычный хлорированный бис-спирокетальный мотив. В частности, последовательность реакций RCAM в сочетании с золотом-катализируемой ацетализацией успешно позволяет построить полициклическую систему на поздней стадии синтеза.
RCAM can also be used as strategic step in natural product total synthesis. Some examples show the power of these catalysts. For example, RCAM can serve as key step in total synthesis of marine prostanoid hybridalactone, where epoxide, internal olefin and ester are tolerated. Another example shows a highly functionalized enyne, which displays a rare thiazolidinone unit, can be metathesized under Mo(III) catalyst, neither this unusual sulfur containing heterocycle nor the elimination prone tertiary glycoside posed any problem in the ring closing step. The total synthesis of spirastrellolide F employs alkyne metathesis in one step. The molecular frame of this potent phosphatase inhibitor is decorated with no less than 21 stereogenic centers and features a labile skipped diene in the side chain. Its macrocyclic core incorporates a tetrahydropyran ring, a spiroketal unit, as well as a highly unusual chlorinated bis spiroketal motif. Specifically, a sequence of RCAM coupled with a gold catalyzed acetalization successfully build the polycyclic system at the late stage of the synthesis.
Кроссовый метатез нитрил-алкина
Заменяя алкилидиновый фрагмент вольфрама на нитрид вольфрама и вводя нитрил, нитрил-алкиновый кросс-метатезис (NACM) соединяет две нитрильные группы, образуя новый алкин. Азот захватывается с использованием жертвенного алкина (элементарный N2 не выделяется).
By replacing a tungsten alkylidyne by a tungsten nitride and introducing a nitrile Nitrile Alkyne Cross Metathesis or NACM couples two nitrile groups together to a new alkyne. Nitrogen is collected by use of a sacrificial alkyne (elemental N2 is not formed):