Grubbsi katalüsaatorid

keemiline ühend
(Ümber suunatud leheküljelt Grubbsi katalüsaator)

Grubbsi katalüsaatoriteks kutsutakse seeriat üleminekumetallide karbeeni komplekse, mida kasutatakse katalüsaatoritena alkeenide metateesis.

Nimetuse on need saanud keemik Robert H. Grubbsi järgi, kelle juhendamisel neid esimest korda sünteesiti. Välja on töötatud mitu põlvkonda Grubbsi katalüsaatoreid.[1][2]

Seda tüüpi katalüsaatorid taluvad mitmesuguseid funktsionaalrühmi alkeeni substraatides, on õhule vastupidavad ja sobivad kokku paljude lahustitega.[3][4] Seepärast on Grubbsi katalüsaatorid saanud populaarseks orgaanilise keemia sünteesis.[5]

Grubbs sai koos Richard R. Schrocki ja Yves Chauviniga Nobeli keemiaauhinna panuse eest alkeenide metateesi valdkonnas.[6]

Esimese põlvkonna katalüsaatorRedigeeri

1960. aastatel avastati, et ruteeniumtrikloriid katalüüsib alkeenide metateesi reaktsioone. Nende avastuste põhjal loodi kommertsiaalse kasutusega protsesse. Need kindla struktuurita, kuid suure aktiivsusega homogeensed katalüsaatorid on jätkuvalt kasutuses tööstuses.[7] Esimest kindla struktuuriga ruteenium katalüsaatorit esitleti 1992. aastal. See valmistati RuCl2(PPh3)4-st ja difenüültsüklopropeenist.[8]

Sellele esimesele ruteeniumist katalüsaatorile järgnes 1995. aastal esimese põlvkonna Grubbsi katalüsaator. See sünteesiti diklorotris(drifenüülfosfiin)ruteenium(II)-st, fenüüldiasometaanist ja tritsükloheksüülfosfiinist ühenõusünteesiga.[9][10]

Esimese põlvkonna Grubbsi katalüsaator on oluline prekursor teistele Grubbsi-tüüpi katalüsaatoritele.[11]

Teise põlvkonna Grubbsi katalüsaatorRedigeeri

Teise põlvkonna katalüsaator kasutab samu sünteesimeetodeid kui esimese põlvkonna katalüsaator, aga on üldiselt suurema aktiivsusega. See katalüsaator on ka stabiilne õhu ja niiskuse suhtes ja seda on seepärast lihtsam laboris kasutada.

Varsti pärast Grubbsi teise põlvkonna katalüsaatori avastamist esitlesid 1999. aasta märtsis Nolan[12] ja Grubbs[13] väga sarnast küllastamata heterotsüklilise lämmastikkarbeen (1,3-bis(2,4,6-trimetüülfenüül)imidasool)i põhjal töötavat katalüsaatorit ning sama aasta juunis avaldas Fürtstner artikli sama katalüsaatori kohta.[14] Varsti pärast seda, 1999. aasta augustis esitles Grubbs küllastatud N-heterütsüklilise karbeen 1,3-bis(2,4,6-trimetüülfenüül)dihüdroimidasool)-i põhist teise põlvkonna katalüsaatorit.[15]

Nii küllastatud kui ka küllastamata juhtudel on fosfiini ligand vahetatud N-heterütsüklilise karbeeniga, mis on tüüpiline kõigile teise põlvkonna liiki katalüsaatoritele.[3]

Kaubanduslikult on saadaval nii esimese kui teise põlvkonna Grubbsi katalüsaatorid ning sealhulgas ka palju teise põlvkonna katalüsaatori derivaate.[16]

Hoveyda-Grubbsi katalüsaatoridRedigeeri

Hoveyda-Grubbsi katalüsaatorite puhul on bensülideeni benseeni rõngastele lisatud kelaatumust soodustavad orto-isopropoksü rühmad. Molekuli orto-isopropoksübensülidiini osa kutsutakse mõnikord Hoveyda kelaadiks. Kelaatumist soodustav hapniku aatom vahetab välja ühe fosfiini ligandi, mis teise põlvkonna katalüsaatori puhul tekitab täiesti fosfiinivaba struktuuri. Esimese põlkonna Hoveyda-Grubbsi katalüsaatori pakkus välja 1999. aastal Amir H. Hoveyda grupp[17] ja juba järgmisel aastal kirjeldati peaaegu samaaegsetes väljaannetes teise põlvkonna Hoveyda-Grubbsi tüüpi katalüsaatorit Blecherti[18] ja Hoveyda[19] laboratooriumites. Sellegipoolest Siegfried Blecherti nime tavaliselt ei kasutata, et kirjeldada Grubbs-Hoveyda tüüpi katalüsaatoritele nime andmisel. Hoveyda-Grubbsi katalüsaatorid, mis on kallimad ja alustavad reaktsiooni aeglasemalt kui Grubbsi katalüsaatorid, millest neid on sünteesitud, on populaarsed oma parema stabiilsuse tõttu.[3] Reaktsiooni alguse kiirust saab kontrollida sarnaselt ka ruteeniumil põhinevate Zhani katalüsaatoritega kelaatühendi steerilisi ja elektroonilisi omadusi muutes.[20] Hoveyda-Grubbsi katalüsaatoreid saab lihtsalt sünteesida vastavatest Grubbsi katalüsaatoritest kelaatuvate ligandite lisamisega ning siis lisades fosfiinipüüdjaid aineid nagu näiteks vask(I)kloriid.[19]

Teise põlvkonna Hoveyda-Grubbsi katalüsaatoreid saab valmistada ka esimese generatsiooni Hoveyda-Grubbsi katalüsaatoritest lämmastik heterotsüklilise karbeeni lisamisega.[18]

Ühes uuringus sünteesiti vees lahustuvat Grubbsi katalüsaatorit imidasolidiin rühmale polüetüleenglükooli rühma lisamisega. Seda katalüsaatorit kasutatakse tsükli sulgemise metateesi reaktsioonides, kus dieeni külge, mis kannab ammooniumi rühma, mis teeb ta vees lahustuvaks.[21]

Kiiresti initsieerivad katalüsaatorid (kolmanda põlvkonna Grubbsi katalüsaatorid)Redigeeri

Grubbsi katalüsaatori reaktsiooni initsieerumiskiirust saab muuta fosfiini ligandi muutmisega, kui selle asemele viiakse labiilsemaid püridiini ligandeid. 3-bromopüridiini sisse viimisega tõusis initsieerimiskiirus rohkem kui miljon korda.[22]

Põhirakendus kiiresti initsieerivatele Grubbsi liiki katalüsaatoritele on tsükli avamise metateesi polümerisatsiooni initsiaatoritena. Nende kasulikkuse tõttu selliste reaktsioonide läbiviimisel kutsutakse kiiresti initsieerivaid katalüsaatoreid vahel kolmanda põlvkonna Grubbsi katalüsaatoriteks.[23] Suure initsieerimiskiiruse ja propageerimiskiiruse suhe teeb need katalüsaatorid kasulikuks elava polümerisatsiooni reaktsioonides, tootes seeläbi madala dispersiooniastmega polümeere.[24] Lisaks võimaldavad need katalüsaatorid ka metateesi reaktsioone läbi viia madalate temperatuuride juures teostatavatel polümerisatsiooni reaktsioonidel.[25]

Grubbsi katalüsaatorite rakendusedRedigeeri

Esimese põlvkonna Grubbsi katalüsaatorid on jätkuvalt kasulikud, leides laialdast rakendust laboratooriumites alkeenide metateesi reaktsioone sisaldavate sünteeside katalüüsimises. Teise põlvkonna ja Grubbs-Hoyveda katalüsaatorid on lisanud ka võime katalüüsida triasendatud tsükloalkeenide tsükli sulgemise metateesi ja steeriliselt takistatud või elektroonselt deaktiveeritud alkeenide rist metateesi. Põhiliselt kasutatakse täpseteks keemilisteks sünteesideks. Alkeenide metateesi suuremahulistes kaubanduslikes protsessides kasutatakse peaaegu alati heterogeenseid katalüsaatoreid või defineerimata struktuuriga ruteeniumtrikloriidil põhinevaid katalüsaatori süsteeme.[25]

ViitedRedigeeri

  1. Grubbs, Robert H. (2003). Handbook of Metathesis (1st ed.).. Weinheim: Wiley-VCH.. 
  2. Grubbs, R. H.; Trnka, T. M. (2004). Ruthenium in Organic Synthesis.. Weinheim: Wiley-VCH. 
  3. 3,0 3,1 3,2 Vougioukalakis, G. C.; Grubbs, R. H. (2010). "Ruthenium-Based Heterocyclic Carbene-Coordinated Olefin Metathesis Catalysts"
  4. Trnka, T. M.; Grubbs, R. H. (2001). "The Development of L2X2Ru=CHR Olefin Metathesis Catalysts: An Organometallic Success Story"
  5. Cossy, Janine; Arseniyadis, Stellios; Meyer, Christophe (2010). Metathesis in Natural Product Synthesis: Strategies, Substrates and Catalysts (1st ed.).. Weinheim: Wiley-VCH. 
  6. "The Nobel Prize in Chemistry 2005". 15 Dec 2017. Vaadatud 15.12.2017.
  7. Lionel Delaude, Alfred F. Noels (2005). "Metathesis". Weinheim: Wiley-VCH. 
  8. Nguyen, S. T.; Johnson, L. K.; Grubbs, R. H.; Ziller, J. W. "Ring-opening metathesis polymerization (ROMP) of norbornene by a Group VIII carbene complex in protic media". (1992). . J. Am. Chem. Soc.. Lk 3974–3975. 
  9. Schwab, P.; France, M. B.; Ziller, J. W.; Grubbs, R. H. "A Series of Well-Defined Metathesis Catalysts – Synthesis of [RuCl2(=CHR′)(PR3)2] and Its Reactions".. Angew. Chem. Int. Ed.. Lk 2039–2041. 
  10. Schwab, P.; Grubbs, R. H.; Ziller, J. W. "Synthesis and Applications of RuCl2(=CHR′)(PR3)2: The Influence of the Alkylidene Moiety on Metathesis Activity".. (1996). J. Am. Chem. Soc.. Lk 118 (1): 100–110.. 
  11. Tim Champagne. "Convenient Route to Metal Alkylidenes: Grubbs 1st Gen Catalyst". 07.02.2010. Vaadatud 15.12.2017.
  12. Huang, J.-K.; Stevens, E. D.; Nolan, S. P.; Petersen, J. L. "Olefin Metathesis-Active Ruthenium Complexes Bearing a Nucleophilic Carbene Ligand". (1999). J. Am. Chem. Soc.. Lk 121 (12): 2674–2678. 
  13. Scholl, M.; Trnka, T. M.; Morgan, J. P.; Grubbs, R. H. "Increased Ring Closing Metathesis Activity of Ruthenium-Based Olefin Metathesis Catalysts Coordinated with Imidazolin-2-ylidene Ligands". (1999). Tetrahedron Lett. Lk 40 (12): 2247–2250.. 
  14. Ackermann, L.; Fürstner, A.; Weskamp, T.; Kohl, F. J.; Herrmann, W. A. "Ruthenium Carbene Complexes with Imidazolin-2-ylidene Ligands Allow the Formation of Tetrasubstituted Cycloalkenes by RCM". (1999). Tetrahedron Lett.
  15. Scholl, M.; Ding, S.; Lee, C. W.; Grubbs, R. H. "Synthesis and Activity of a New Generation of Ruthenium-Based Olefin Metathesis Catalysts Coordinated with 1,3-Dimesityl-4,5-dihydroimidazol-2-ylidene Ligands". (1999). Org. Lett.. Lk 953–956.. 
  16. "Ruthenium-Based Metathesis Catalysts". Vaadatud 15.12.2017.
  17. Kingsbury, Jason S.; Harrity, Joseph P. A.; Bonitatebus, Peter J.; Hoveyda, Amir H. "A Recyclable Ru-Based Metathesis Catalyst". (1999). J. Am. Chem. Soc.. Lk 791–799.. 
  18. 18,0 18,1 Gessler, S.; Randl, S.; Blechert, S. "Synthesis and metathesis reactions of phosphine-free dihydroimidazole carbene ruthenium complex". (2000). Tetrahedron Letters.. Lk 9973–9976. 
  19. 19,0 19,1 Garber, S. B.; Kingsbury, J. S.; Gray, B. L.; Hoveyda, A. H. "Efficient and Recyclable Monomeric and Dendritic Ru-Based Metathesis Catalysts". (2000). J. Am. Chem. Soc.. Lk 8168–8179. 
  20. Engle, Keary M.; Lu, Gang; Luo, Shao-Xiong; Henling, Lawrence M.; Takase, Michael K.; Liu, Peng; Houk, K. N.; Grubbs, Robert H. "Origins of Initiation Rate Differences in Ruthenium Olefin Metathesis Catalysts Containing Chelating Benzylidenes". (2015). Journal of the American Chemical Society. Lk 5782–5792. 
  21. Hong, Soon Hyeok; Grubbs, Robert H. "Highly Active Water-Soluble Olefin Metathesis Catalyst". (2006). J. Am. Chem. Soc.. Lk 3508–3509. 
  22. Love, J. A.; Morgan, J. P.; Trnka, T. M.; Grubbs, R. H. "A Practical and Highly Active Ruthenium-Based Catalyst that Effects the Cross Metathesis of Acrylonitrile".. (2002). Angew. Chem. Int. Ed. Engl.. Lk 4035–4037.. 
  23. Leitgeb, Anita; Wappel, Julia; Slugovc, Christian "The ROMP toolbox upgraded". Polymer. Lk 2927–2946. 
  24. Choi, T.-L.; Grubbs, R. H. "Controlled Living Ring-Opening-Metathesis Polymerization by a Fast-Initiating Ruthenium Catalyst". (2003). Angewandte Chemie International Edition.. Lk 1743–1746.. 
  25. 25,0 25,1 Schrodi, Yann; Pederson, Richard L. Evolution and Applications of Second-Generation Ruthenium Olefin Metathesis Catalysts. (2007). Aldrichimica ACTA