Chất xúc tác Grubbs (Grubbs catalyst)

Các thế hệ chất xúc tác Grubbs

Có nhiều thế hệ chất xúc tác Grubbs, mỗi thế hệ lại có những ưu điểm và nhược điểm riêng:

• Chất xúc tác Grubbs thế hệ thứ nhất: Công thức chung là $RuCl_2(PCy_3)_2(=CHPh)$, trong đó Cy là cyclohexyl và Ph là phenyl. Cấu trúc bao gồm một nguyên tử rutheni trung tâm liên kết với hai phối tử tricyclohexylphosphine ($PCy_3$), hai nguyên tử clo và một nhóm carbene benzylidene (=CHPh). Chất xúc tác này tương đối ổn định trong không khí và dung môi, nhưng kém hoạt tính hơn so với các thế hệ sau. Nó thường được sử dụng cho các phản ứng metathesis đóng vòng (RCM) và metathesis mạch vòng mở (ROMP) đơn giản.
• Chất xúc tác Grubbs thế hệ thứ hai: Được phát triển để tăng hoạt tính xúc tác, thế hệ thứ hai thay thế một phối tử $PCy_3$ bằng phối tử N-heterocyclic carbene (NHC), thường là 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)imidazol-2-ylidene (IMes hay SIMes). Công thức chung là $RuCl_2(\text{NHC})(PCy_3)(=CHPh)$. Sự hiện diện của phối tử NHC làm tăng mật độ electron tại trung tâm rutheni, gia tăng khả năng cho điện tử của Ru vào liên kết đôi của olefin, giúp xúc tác phản ứng tốt hơn, đặc biệt là với các olefin kém phản ứng.
• Chất xúc tác Grubbs thế hệ thứ ba: Được thiết kế để tăng cường hơn nữa hoạt tính và phạm vi chất nền, thế hệ thứ ba thay thế phối tử $PCy_3$ còn lại bằng một phối tử pyridine. Một ví dụ phổ biến là $RuCl_2(\text{NHC})(\text{3-BrPy})_2(=CHPh)$, trong đó 3-BrPy là 3-bromopyridine. Các phối tử pyridine dễ bị phân ly hơn, tạo ra các vị trí phối trí trống cho olefin, do đó tăng tốc độ phản ứng. Tuy nhiên, chất xúc tác thế hệ ba nhạy cảm hơn với không khí và độ ẩm.
• Các biến thể khác: Ngoài ba thế hệ chính, còn có nhiều biến thể khác của chất xúc tác Grubbs, được thiết kế cho các ứng dụng cụ thể. Ví dụ bao gồm chất xúc tác Hoveyda-Grubbs, có chứa phối tử chelat isopropoxybenzylidene, mang lại độ ổn định và hoạt tính cao hơn. Chất xúc tác Hoveyda-Grubbs cũng có các thế hệ tương tự như chất xúc tác Grubbs.

Ứng dụng

Chất xúc tác Grubbs được sử dụng rộng rãi trong nhiều phản ứng trao đổi olefin, bao gồm:

• Đóng vòng trao đổi olefin (RCM): Tạo liên kết đôi C=C nội phân tử để hình thành các vòng. Phản ứng này đặc biệt hữu ích trong việc tổng hợp các hợp chất dị vòng và các vòng có kích thước trung bình và lớn.
• Trao đổi olefin mở vòng (ROMP): Polime hóa các cycloalkene mạch vòng. Phản ứng này cho phép tổng hợp các polyme với cấu trúc được kiểm soát tốt.
• Trao đổi olefin chéo (CM): Tạo liên kết đôi C=C mới từ hai olefin khác nhau. Phản ứng CM có thể được chia thành CM đồng phân (homo-CM, giữa hai olefin giống nhau) và CM không đồng phân (cross-CM, giữa hai olefin khác nhau). Phản ứng cross-CM thường tạo ra hỗn hợp sản phẩm và đòi hỏi sự kiểm soát cẩn thận về điều kiện phản ứng.
• Polime hóa trao đổi olefin vô trùng (ADMET): Tổng hợp các polyme tuyến tính từ dienes. Phản ứng này hữu ích cho việc tổng hợp các polyme với các nhóm chức cụ thể.

Ưu điểm

• Hoạt tính xúc tác cao: Cho phép phản ứng diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.
• Dung sai với nhiều nhóm chức: Chất xúc tác Grubbs có thể được sử dụng với nhiều loại chất nền khác nhau, bao gồm cả những chất nền có chứa các nhóm chức phân cực.
• Điều kiện phản ứng tương đối nhẹ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn, trong dung môi hữu cơ thông thường.
• Khả năng tổng hợp nhiều loại sản phẩm: Phản ứng trao đổi olefin có thể được sử dụng để tổng hợp nhiều loại sản phẩm khác nhau, bao gồm các vòng, polyme và các phân tử nhỏ.

Nhược điểm

• Một số chất xúc tác nhạy cảm với không khí và độ ẩm: Đặc biệt là các chất xúc tác thế hệ thứ ba, cần được bảo quản và sử dụng trong môi trường trơ.
• Giá thành tương đối cao: Hạn chế việc sử dụng chất xúc tác Grubbs trong sản xuất quy mô lớn.
• Có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn trong một số trường hợp: Ví dụ như phản ứng đồng phân hóa olefin hoặc phản ứng tạo vòng không mong muốn.

Tóm lại, chất xúc tác Grubbs là một công cụ quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, cho phép các nhà hóa học thực hiện các biến đổi olefin một cách hiệu quả và chọn lọc. Sự phát triển liên tục của các chất xúc tác Grubbs mới đã mở rộng phạm vi ứng dụng của phản ứng trao đổi olefin và tiếp tục thúc đẩy sự tiến bộ trong nhiều lĩnh vực hóa học, khoa học vật liệu và y học.

Cơ chế phản ứng

Mặc dù chi tiết có thể khác nhau giữa các thế hệ chất xúc tác và loại phản ứng, cơ chế chung của phản ứng trao đổi olefin xúc tác bởi chất xúc tác Grubbs liên quan đến một chu trình xúc tác gồm các bước sau:

1. Phân ly phối tử: Một phối tử (thường là phosphine hoặc pyridine) phân ly khỏi trung tâm rutheni, tạo ra một vị trí phối trí trống.
2. Phối trí olefin: Một phân tử olefin phối trí vào vị trí trống trên kim loại.
3. [2+2] Cycloaddition: Phản ứng cộng vòng [2+2] xảy ra giữa olefin phối trí và nhóm carbene kim loại, tạo thành một metallacyclobutane trung gian bốn cạnh.
4. Cycloreversion: Metallacyclobutane trải qua phản ứng tách vòng [2+2], tạo thành một olefin mới và một alkylidene kim loại mới.
5. Phân ly olefin: Olefin mới được giải phóng khỏi trung tâm kim loại.
6. Phối trí olefin tiếp theo: Một phân tử olefin khác phối trí vào kim loại, và chu trình lặp lại.

Lựa chọn chất xúc tác

Việc lựa chọn chất xúc tác Grubbs thích hợp phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm loại phản ứng, chất nền và điều kiện phản ứng. Nói chung:

• Chất xúc tác thế hệ thứ nhất: Ổn định trong không khí, hoạt tính vừa phải, thích hợp cho các phản ứng RCM và ROMP đơn giản.
• Chất xúc tác thế hệ thứ hai: Hoạt động mạnh hơn thế hệ thứ nhất, dung sai với nhiều nhóm chức hơn, nhưng có thể kém ổn định hơn trong không khí. Thích hợp cho các phản ứng với các olefin kém phản ứng.
• Chất xúc tác thế hệ thứ ba: Hoạt động mạnh nhất, nhưng nhạy cảm nhất với không khí và độ ẩm. Thích hợp cho các phản ứng đòi hỏi hoạt tính cao.
• Chất xúc tác Hoveyda-Grubbs: Ổn định và hoạt tính cao, thường được lựa chọn cho các phản ứng RCM. Cũng có các thế hệ tương tự như chất xúc tác Grubbs.

Ví dụ phản ứng

• RCM: $CH_2=CH(CH_2)_4CH=CH_2 \xrightarrow{\text{Chất xúc tác Grubbs}} \text{cyclohexene} + CH_2=CH_2$
• CM: $CH_2=CH_2 + CH_3CH=CHCH_3 \xrightarrow{\text{Chất xúc tác Grubbs}} 2 CH_2=CHCH_3$

Lưu trữ và xử lý

Chất xúc tác Grubbs thường nhạy cảm với không khí và độ ẩm, đặc biệt là chất xúc tác thế hệ thứ ba. Chúng nên được bảo quản trong môi trường trơ, chẳng hạn như nitơ hoặc argon, và xử lý trong hộp găng tay.

• Grubbs, R. H. (ed.). Handbook of Metathesis. Wiley-VCH, Weinheim, 2003.
• Vougioukalakis, G. C., Grubbs, R. H. Ruthenium-Catalyzed Olefin Metathesis: Mechanisms and Applications. Chem. Rev. 2010, 110, 1746-1787.
• Grela, K. (ed.). Olefin Metathesis: Theory and Practice. Wiley, Hoboken, NJ, 2014.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài phối tử NHC (N-heterocyclic carbene) và phosphine, còn có những loại phối tử nào khác có thể được sử dụng trong chất xúc tác Grubbs và chúng ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác như thế nào?

Trả lời: Ngoài NHC và phosphine, các phối tử khác như pyridine, isopropoxybenzylidene (trong chất xúc tác Hoveyda-Grubbs), và các phối tử phosphite cũng có thể được sử dụng. Các phối tử khác nhau ảnh hưởng đến tính giàu electron của trung tâm rutheni, khả năng phân ly phối tử, và do đó ảnh hưởng đến hoạt tính và độ chọn lọc của chất xúc tác. Ví dụ, phối tử pyridine phân ly dễ dàng hơn phosphine, tạo điều kiện cho olefin phối trí và tăng tốc độ phản ứng. Các phối tử cồng kềnh có thể tăng độ chọn lọc lập thể của phản ứng.

Tại sao metallacyclobutane là một trung gian quan trọng trong cơ chế phản ứng trao đổi olefin xúc tác Grubbs? Điều gì sẽ xảy ra nếu vòng này không được hình thành?

Trả lời: Metallacyclobutane là trung gian quan trọng vì nó cho phép sự sắp xếp lại các liên kết đôi C=C. Vòng này được hình thành từ phản ứng cycloaddition [2+2] giữa olefin và carbene kim loại, và sau đó trải qua phản ứng cycloreversion để tạo ra olefin mới và alkylidene kim loại. Nếu vòng metallacyclobutane không được hình thành, phản ứng trao đổi olefin sẽ không xảy ra.

Làm thế nào để kiểm soát tính chọn lọc (chemoselectivity, regioselectivity, stereoselectivity) trong phản ứng trao đổi olefin xúc tác Grubbs?

Trả lời: Tính chọn lọc có thể được kiểm soát bằng cách lựa chọn chất xúc tác phù hợp, điều chỉnh điều kiện phản ứng (nhiệt độ, dung môi, nồng độ), và thiết kế chất nền. Ví dụ, việc sử dụng các chất xúc tác Grubbs thế hệ thứ hai hoặc thứ ba với phối tử NHC cồng kềnh có thể tăng độ chọn lọc lập thể. Việc kiểm soát nồng độ chất nền có thể ảnh hưởng đến tính chọn lọc chemoselectivity trong phản ứng CM.

Phản ứng trao đổi olefin có những hạn chế nào?

Trả lời: Mặc dù rất hữu ích, phản ứng trao đổi olefin cũng có một số hạn chế. Phản ứng có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các nhóm chức nhất định, ví dụ như các nhóm chức có tính axit hoặc bazơ mạnh. Sự đồng phân hóa olefin và phản ứng trùng hợp không mong muốn cũng có thể xảy ra. Ngoài ra, giá thành của chất xúc tác Grubbs tương đối cao.

Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực chất xúc tác Grubbs là gì và hướng phát triển trong tương lai là gì?

Trả lời: Những tiến bộ gần đây bao gồm việc phát triển các chất xúc tác có hoạt tính cao hơn, chọn lọc hơn, và ổn định hơn, cũng như các chất xúc tác được thiết kế cho các ứng dụng cụ thể, như phản ứng trao đổi olefin trong nước hoặc phản ứng xúc tác bất đối xứng. Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc thiết kế các chất xúc tác mới dựa trên các kim loại rẻ hơn và có khả năng xúc tác các phản ứng khó hơn, cũng như mở rộng ứng dụng của phản ứng trao đổi olefin trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm khoa học vật liệu và y học.