Введение
Метатез с замыканием кольца (RCM) – широко используемая разновидность метатезиса олефинов в органической химии для синтеза различных ненасыщенных циклов посредством внутримолекулярного метатезиса двух терминальных алкенов, в результате которого образуется циклоалкен в виде E- или Z-изомеров и летучего этилена. Наиболее часто синтезируемые размеры циклов варьируются от 5 до 7 атомов; однако, сообщалось о синтезе циклов от 45 до 90-членных макрогетероциклов. Эти реакции катализируются металлами и протекают через промежуточный металлациклобутановый комплекс. Впервые этот метод был опубликован Дидером Вильемином в 1980 году при описании синтеза предшественника Экзальтолида, а позднее получил широкое распространение благодаря работам Роберта Г. Граббса и Ричарда Р. Шрока, которые разделили Нобелевскую премию по химии с Ивом Шовеном в 2005 году за их совместные исследования в области метатезиса олефинов. RCM пользуется популярностью у органических химиков благодаря своей синтетической ценности в формировании циклов, доступ к которым ранее был затруднен, и широкому спектру применимых субстратов. Поскольку единственным основным побочным продуктом является этилен, эти реакции также можно считать атомарно-экономичными, что является все более важным фактором в развитии зеленой химии.
История
Первый пример метатеза с замыканием кольца был сообщен Дидером Вильменем в 1980 году, когда он синтезировал предшественник Экзальтолида, используя катализируемую WCl6/Me4Sn циклизацию метатеза с выходом 60–65% в зависимости от размера кольца (A). Тсудзи описывает реакцию метатеза олефинов как «потенциально полезную в органическом синтезе» и указывает на необходимость разработки более универсального катализатора, устойчивого к различным функциональным группам. В 1987 году Зигфрид Варвель и Ханс Кайткер опубликовали синтез симметричных макроциклов посредством перекрестного метатезного димеризации исходных циклоолефинов с образованием диенов C14, C18 и C20 с выходом 58–74%, а также C16 с выходом 30%, используя Re2O7 на Al2O3 и Me4Sn для активации катализатора. Спустя десятилетие после первоначального открытия, Граббс и Фу опубликовали два влиятельных сообщения в 1992 году, в которых подробно описан синтез O- и N-гетероциклов посредством RCM с использованием катализаторов молибден-алкилидена Шрока, которые оказались более устойчивыми и функционально толерантными, чем катализаторы хлорида вольфрама. Синтетический путь позволил получить дигидропираны с высоким выходом (89–93%) из легкодоступных исходных материалов, а также подробно описал первоначальное использование нового комплекса карбена рутения для реакций метатеза, который впоследствии стал популярным катализатором благодаря своей исключительной эффективности. Катализаторы рутения нечувствительны к воздуху и влаге, в отличие от катализаторов молибдена. Катализаторы рутения, известные как катализаторы Граббса, а также катализаторы молибдена или катализаторы Шрока, до сих пор используются во многих реакциях метатеза, включая RCM. В целом было показано, что металл-катализируемые реакции RCM очень эффективны в реакциях образования C-C связи и окажутся важными в органическом синтезе, химической биологии, материаловедении и различных других областях для получения широкого спектра ненасыщенных и высокофункционализированных циклических аналогов. RCM протекает по аналогичному механистическому пути, как и другие реакции метатеза олефинов, такие как перекрестный метатез (CM), полимеризация метатеза с раскрытием кольца (ROMP) и метатез ациклического диена (ADMET). Поскольку все стадии каталитического цикла считаются обратимыми, возможно, что некоторые из этих других путей пересекаются с RCM в зависимости от условий реакции и субстратов, что затем приводит к циклоэлиминированию с образованием либо того же алкена и каталитического вида (непродуктивный путь), либо нового каталитического вида и алкилидена (продуктивный путь). Этот механизм широко признан химиками и служит моделью для механизма RCM. Инициация происходит путем замещения алкенового лиганда катализатора субстратом. Этот процесс происходит через образование нового алкилидена в результате одного раунда [2+2] циклоприсоединения и циклоэлиминирования. Ассоциация и диссоциация фосфинового лиганда также происходят в случае катализаторов Граббса. В реакции RCM алкилиден подвергается внутримолекулярному [2+2] циклоприсоединению со вторым реакционноспособным терминальным алкеном на той же молекуле, а не межмолекулярному присоединению второй молекулы исходного материала, обычной конкурирующей побочной реакции, которая может привести к полимеризации. Циклоэлиминирование металлациклобутанового промежуточного продукта образует желаемый продукт RCM вместе с [M]=CH2, или алкилиденом, который возвращается в каталитический цикл. Хотя потеря летучего этилена является движущей силой RCM, меньшие кольца, содержащие от 5 до 8 атомов, термодинамически более благоприятны, чем средние и большие кольца из-за меньшего напряжения кольца. Напряжение кольца возникает из-за аномальных углов связи, что приводит к более высокой теплоте сгорания по сравнению с линейным аналогом. Средние кольца, в частности, имеют большее напряжение кольца, частично из-за больших трансаннулярных взаимодействий с противоположных сторон кольца, но также из-за неспособности ориентировать молекулу таким образом, чтобы предотвратить неблагоприятные взаимодействия с полой. RCM можно считать имеющим кинетический уклон, если продукты не могут повторно войти в каталитический цикл или превращаться друг в друга посредством равновесия. Кинетическое распределение продукта может привести в основном к продуктам RCM или к олигомерам и полимерам, которые чаще всего нежелательны. Хотя реакция все еще находится под термодинамическим контролем, первоначальный кинетический продукт, который может быть димеризацией или олигомеризацией исходного материала, образуется в начале реакции в результате более высокой активности катализатора. Повышенная активность катализатора также позволяет олефиновым продуктам повторно входить в каталитический цикл посредством присоединения нетерминального алкена к катализатору. Из-за дополнительной реакционной способности в напряженных олефинах наблюдается равновесное распределение продуктов; однако это равновесие можно нарушить с помощью различных методов, чтобы сместить соотношение продуктов в пользу желаемого продукта RCM. Поскольку вероятность встречи реакционноспособных групп на одной и той же молекуле обратно пропорциональна размеру кольца, необходимое внутримолекулярное циклоприсоединение становится все более трудным с увеличением размера кольца. Эта зависимость означает, что RCM больших колец часто проводят при высокой дилюции (0,05–100 мМ) (A), чтобы уменьшить межмолекулярные реакции; в то время как RCM обычных колец можно проводить при более высоких концентрациях, даже в чистом виде в редких случаях. Реакцию равновесия можно сместить в сторону желаемых термодинамических продуктов путем повышения температуры (B), чтобы уменьшить вязкость реакционной смеси и, следовательно, увеличить тепловое движение, а также путем увеличения или уменьшения времени реакции (C). Также было показано, что выбор катализатора (D) имеет решающее значение для контроля образования продукта. Ниже приведены некоторые из катализаторов, обычно используемых в метатезе с замыканием кольца.
Алкенная субстрата
Закрытие кольца метатезисом оказалось полезным в синтезе 5-30-членных колец, полициклов и гетероциклов, содержащих атомы, такие как N, O, S, P и даже Si. Благодаря высокой функциональной толерантности современных реакций RCM, синтез структурно сложных соединений, содержащих широкий спектр функциональных групп, таких как эпоксиды, кетоны, спирты, эфиры, амины, амиды и многие другие, может быть осуществлен легче, чем с использованием предыдущих методов. Гетероциклы, содержащие кислород и азот, преобладают благодаря их распространенности в природных соединениях и фармацевтических препаратах. Некоторые примеры приведены ниже (красный алкен указывает на связь C-C, образованную в результате RCM).
Выборочность в/из
В реакциях RCM могут образовываться два возможных геометрических изомера – E или Z. Стереоселективность зависит от катализатора, кольцевого напряжения и исходного диена. В небольших циклах преобладают Z-изомеры как более стабильный продукт, что отражает минимизацию деформации кольца. В макроциклах часто образуется E-изомер в результате термодинамического контроля в реакциях RCM, поскольку E-изомеры более стабильны, чем Z-изомеры. В целом, катализаторы рутения на основе NHC (N-гетероциклических карбенов) способствуют E-селективности, приводя к образованию транс-изомера. Это частично обусловлено стерическим затруднением между заместителями, которые принимают транс-конфигурацию как наиболее стабильную конформацию в интермедиате металлациклобутана, что приводит к образованию E-изомера.
Кокатализатор
Добавки также используются для изменения конформационных предпочтений, повышения концентрации реакции и хелатирования высокополярных групп, таких как сложные эфиры или амиды, которые могут связываться с катализатором. Другой классический пример – использование объемной кислоты Льюиса для формирования E-изомера сложного эфира вместо предпочтительного Z-изомера при циклолактонизации средних циклов. В одном исследовании добавление трис(2,6-дифенилфеноксида) алюминия (ATPH) позволило получить 7-членный лактон. Алюминий связывается с карбонильным кислородом, заставляя объемные дифенилфеноксидные группы оказаться в непосредственной близости от сложного эфира. В результате сложный эфир принимает E-изомерную форму, чтобы минимизировать неблагоприятные стерические взаимодействия. Без кислоты Льюиса наблюдалось образование только 14-членного димерного кольца. Ориентируя молекулу таким образом, чтобы два реакционноспособных алкена находились в непосредственной близости, снижается риск межмолекулярного кросс-метатезиса.
Ограничения
Многим реакциям метатеза с рутениевыми катализаторами препятствует нежелательная изомеризация вновь образовавшейся двойной связи, и считается, что рутениевые гидриды, образующиеся как побочный продукт, являются причиной этого. В одном исследовании было обнаружено, что изомеризация подавляется в реакции RCM диаллилового эфира при использовании специфических добавок, способных связывать эти гидриды. Без добавки продукт реакции – 2,3-дигидрофуран, а не ожидаемый 2,5-дигидрофуран (наряду с образованием этилена). Радикальные ловушки, такие как TEMPO или фенол, не подавляют изомеризацию; однако добавки, такие как 1,4-бензохинон или уксусная кислота, успешно предотвращают нежелательную изомеризацию. Обе добавки способны окислять рутениевые гидриды, что может объяснять их эффективность. Другая распространенная проблема, связанная с RCM, – это риск деградации катализатора из-за высокой степени разбавления, необходимой для некоторых циклизаций. Высокая степень разбавления также является ограничивающим фактором в промышленных применениях из-за большого количества отходов, образующихся при проведении крупномасштабных реакций при низкой концентрации.
Синтетические применения
Метатез с замыканием кольца исторически использовался в многочисленных органических синтезах и продолжает применяться сегодня в синтезе разнообразных соединений. Приведенные примеры лишь иллюстрируют широкую применимость RCM, поскольку существует множество возможностей. Дополнительные примеры можно найти в многочисленных обзорных статьях. В 1995 году Роберт Граббс и другие отметили возможную стереоселективность, достигаемую с помощью RCM. Группа синтезировала диен с внутренней водородной связью, формирующей β-поворот. Водородная связь стабилизировала предшественник макроцикла, располагая оба диена в непосредственной близости, что способствовало метатезису. После обработки смеси диастереомеров в реакционных условиях был получен только один диастереомер олефинового β-поворота. Затем эксперимент повторили с (S,S,S) и (R,S,R) пептидами. Реактивным оказался только (S,S,S) диастереомер, что демонстрирует необходимую конфигурацию для возможности замыкания кольца. Абсолютная конфигурация олефинового продукта имитирует конфигурацию дисульфидного пептида Баларама. Напряжение кольца в 8-11-членных кольцах оказалось сложной задачей для RCM; однако, существует множество случаев успешного синтеза таких циклических систем. В 2000 году Алоис Фюрстнер сообщил о восьмистадийном синтезе (−) баланола с использованием RCM для формирования 7-членного гетероциклического промежуточного продукта. Баланол является метаболитом, выделенным из *Erticiullium balanoides*, и проявляет ингибирующее действие на протеинкиназу С (PKC). На стадии метатеза с замыканием кольца комплекс рутения инделидена был использован в качестве прекатализатора для получения целевого 7-членного кольца с выходом 87%. В 2002 году Стивен Ф. Мартин и другие сообщили о 24-стадийном синтезе манзамина А, включающем две стадии метатеза с замыканием кольца для получения полициклического алкалоида. Этот природный продукт был выделен из морских губок у побережья Окинавы. Манзамин является перспективной мишенью благодаря своему потенциалу в качестве противоопухолевого соединения. Первая стадия RCM привела к образованию 13-членного кольца D исключительно в виде Z-изомера с выходом 67%, что является уникальным контрастом с обычно предпочтительным E-изомером метатезиса. После дальнейших превращений второй RCM был использован для формирования 8-членного кольца E с выходом 26% с использованием стехиометрического катализатора Grubbs первого поколения. Синтез демонстрирует возможность проведения метатезирующих реакций, толерантных к функциональным группам, а также способность получать доступ к сложным молекулам с различными размерами колец. Макролид содержит 14-членный гетероцикл, образованный с помощью RCM. Реакция метатезиса дала защищенный миграстатин с выходом 70% исключительно в виде (E,E,Z) изомера. Сообщается, что такая селективность обусловлена предпочтением катализатора рутения сначала присоединяться к менее затрудненному олефину, а затем циклизоваться к наиболее доступному олефину. Окончательная депротекция силилэфира дала (+) миграстатин. В целом, метатез с замыканием кольца является высокоэффективной реакцией для получения циклических соединений различного размера и химического состава; однако, он имеет некоторые ограничения, такие как необходимость высокой степени разбавления, селективность и нежелательная изомеризация.