Metathesis đóng vòng (Ring-Closing Metathesis – RCM)

Metathesis đóng vòng (Ring-Closing Metathesis – RCM) là một biến thể quan trọng của phản ứng metathesis olefin, trong đó hai liên kết đôi đầu mạch của một phân tử acyclic (mạch hở) phản ứng với nhau để tạo thành một hợp chất mạch vòng. Quá trình này đồng thời giải phóng một phân tử olefin nhỏ, thường là etylen ($C_2H_4$). Phản ứng RCM được xúc tác bởi các phức chất kim loại chuyển tiếp, đặc biệt là các phức chất của rutheni (Ru), molybden (Mo), và tungsten (W).

Cơ chế phản ứng

RCM diễn ra thông qua một loạt các phản ứng [2+2] cycloaddition và cycloreversion liên quan đến các chất trung gian metallacyclobutane. Cơ chế chung có thể được tóm tắt như sau:

Phối hợp: Chất xúc tác kim loại phối hợp với một trong các liên kết đôi của phân tử diene mạch hở.
Cycloaddition: Liên kết đôi thứ hai của diene phản ứng với phức kim loại tạo thành một metallacyclobutane trung gian.
Cycloreversion: Metallacyclobutane phân hủy để tạo thành một liên kết đôi mới trong vòng và một phức alkylidene mới chứa phân tử olefin nhỏ (ví dụ: etylen).
Giải phóng: Phân tử olefin nhỏ được giải phóng, để lại một phức kim loại gắn với liên kết đôi mạch vòng mới hình thành.
Tái tạo catalyst: Chất xúc tác được tái tạo và sẵn sàng cho chu kỳ xúc tác tiếp theo.

Ví dụ:

Một ví dụ điển hình của RCM là phản ứng của diene $CH_2=CH(CH_2)_4CH=CH_2$ để tạo thành cyclohexen và etylen:

$CH_2=CH(CH_2)_4CH=CH_2 \xrightarrow{catalyst} \text{cyclohexen} + C_2H_4$

Ứng dụng

RCM có nhiều ứng dụng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, bao gồm:

Tổng hợp các hợp chất mạch vòng: RCM là một phương pháp mạnh mẽ để tạo ra các vòng có kích thước khác nhau, từ các vòng nhỏ đến các vòng lớn (macrocycle).
Tổng hợp các sản phẩm tự nhiên: RCM đã được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp toàn phần của các sản phẩm tự nhiên phức tạp có chứa các vòng.
Tổng hợp polymer: RCM có thể được sử dụng để tổng hợp các polymer mạch vòng.
Khoa học vật liệu: RCM được sử dụng trong việc chế tạo các vật liệu mới, ví dụ như trong tổng hợp các macrocycle có cấu trúc đặc biệt.

Ưu điểm của RCM:

Điều kiện phản ứng nhẹ: RCM thường có thể được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn.
Chọn lọc cao: RCM thường cho thấy tính chọn lọc cao đối với việc hình thành sản phẩm mong muốn.
Khả năng tương thích với nhóm chức: RCM tương thích với nhiều nhóm chức khác nhau, làm tăng tính ứng dụng của nó trong tổng hợp các phân tử phức tạp.

Nhược điểm:

Giá thành của catalyst: Một số catalyst RCM có thể đắt tiền, đặc biệt là các catalyst thế hệ mới.
Sự hình thành sản phẩm phụ: Trong một số trường hợp, RCM có thể dẫn đến sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn, chẳng hạn như các dimer hoặc oligomer, do phản ứng metathesis giữa các phân tử (intermolecular metathesis) thay vì metathesis nội phân tử (intramolecular metathesis).

Kết luận:

RCM là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt trong tổng hợp hữu cơ, cho phép tổng hợp hiệu quả các hợp chất mạch vòng. Sự phát triển của các catalyst hiệu quả và chọn lọc cao đã biến RCM thành một phản ứng thiết yếu trong hóa học hữu cơ hiện đại.

Các yếu tố ảnh hưởng đến RCM:

Hiệu quả của phản ứng RCM phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm:

Lựa chọn catalyst: Loại catalyst được sử dụng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng. Các catalyst Grubbs thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba là những lựa chọn phổ biến. Catalyst Grubbs thế hệ hai thường hoạt động hơn thế hệ thứ nhất, đặc biệt là với các olefin cản trở lập thể. Catalyst thế hệ ba thậm chí còn hoạt động mạnh hơn và có thể xúc tác RCM của các chất nền khó.
Nồng độ: Nồng độ của chất nền có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc của phản ứng. Nồng độ thấp hơn thường được ưa chuộng để giảm thiểu sự hình thành dimer và oligomer (sản phẩm phụ của phản ứng liên phân tử).
Dung môi: Dung môi có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc của phản ứng. Dichloromethane ($CH_2Cl_2$) và toluene thường được sử dụng làm dung môi cho RCM.
Nhiệt độ: Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Trong một số trường hợp, cần nhiệt độ cao hơn để thúc đẩy phản ứng, trong khi ở những trường hợp khác, nhiệt độ thấp hơn có thể cần thiết để tránh sự phân hủy của catalyst hoặc sản phẩm.

Các biến thể của RCM:

Một số biến thể của RCM đã được phát triển để giải quyết các hạn chế cụ thể hoặc mở rộng phạm vi ứng dụng của phản ứng, bao gồm:

Metathesis đóng vòng relay (Relay Ring-Closing Metathesis – RRCM): Kỹ thuật này được sử dụng để đóng các vòng lớn hoặc các vòng khó hình thành bằng RCM thông thường. Trong RRCM, một nhóm chức “relay” tạm thời được đưa vào phân tử để hỗ trợ quá trình đóng vòng, sau đó được loại bỏ sau khi vòng đã hình thành.
Metathesis đóng vòng liên phân tử (Ring-Closing EnYne Metathesis – RCEYM): Phản ứng này liên quan đến phản ứng metathesis giữa một alkene và một alkyne để tạo thành một 1,3-diene mạch vòng.
Metathesis mở vòng (Ring-Opening Metathesis Polymerization – ROMP): Đây là một loại phản ứng metathesis olefin được sử dụng để tổng hợp polymer từ các monomer mạch vòng căng.

Ví dụ về catalyst Grubbs:

Grubbs thế hệ thứ nhất: $RuCl_2(PCy_3)_2(=CHPh)$ (Ph = phenyl, Cy = cyclohexyl)
Grubbs thế hệ thứ hai: $RuCl_2(H_2IMes)(PCy_3)(=CHPh)$ (H₂IMes = 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)imidazol-2-ylidene)

Tóm tắt về Metathesis đóng vòng

Metathesis đóng vòng (RCM) là một phản ứng mạnh mẽ trong tổng hợp hữu cơ, cho phép tạo ra các hợp chất mạch vòng từ các diene mạch hở. Cơ chế phản ứng liên quan đến một chuỗi các phản ứng cycloaddition [2+2] và cycloreversion thông qua các chất trung gian metallacyclobutane, với sự xúc tác của các phức chất kim loại chuyển tiếp như rutheni. Sản phẩm cuối cùng là một phân tử mạch vòng và một olefin nhỏ, thường là etylen ($C_2H_4$).

Lựa chọn catalyst là yếu tố then chốt trong RCM. Các catalyst Grubbs, đặc biệt là thế hệ thứ hai và thứ ba, thường được sử dụng do hoạt tính cao và tính chọn lọc. Các yếu tố khác như nồng độ, dung môi và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến hiệu quả của phản ứng. Nồng độ thấp thường được ưu tiên để giảm thiểu sự hình thành dimer.

RCM có nhiều ứng dụng rộng rãi, từ tổng hợp các sản phẩm tự nhiên phức tạp đến khoa học vật liệu. Khả năng tạo ra các vòng có kích thước khác nhau và tính tương thích với nhiều nhóm chức làm cho RCM trở thành một công cụ linh hoạt trong hộp công cụ của các nhà hóa học hữu cơ. Các biến thể như RRCM và RCEYM mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng của RCM. Tuy nhiên, cần lưu ý về giá thành của catalyst và khả năng hình thành sản phẩm phụ. Việc hiểu rõ cơ chế phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng sẽ giúp tối ưu hóa điều kiện phản ứng và đạt được hiệu suất mong muốn.

Tài liệu tham khảo:

Grubbs, R. H. (ed.). Handbook of Metathesis. Wiley-VCH, 2003.
Astruc, D. The Metathesis Reaction: From a Chemical Curiosity to an Industrial Process. Springer, 2010.
Grela, K. (ed.). Olefin Metathesis: Theory and Practice. Wiley, 2014.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao việc lựa chọn catalyst lại quan trọng trong phản ứng RCM?

Trả lời: Lựa chọn catalyst ảnh hưởng đến hoạt tính, tính chọn lọc và điều kiện phản ứng của RCM. Các catalyst khác nhau, ví dụ như Grubbs thế hệ 1, 2 và 3, có hoạt tính và độ bền khác nhau. Ví dụ, catalyst thế hệ 2 thường hiệu quả hơn thế hệ 1 đối với các olefin cản trở lập thể. Lựa chọn catalyst phù hợp tối ưu hóa hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng.

Làm thế nào để giảm thiểu sự hình thành sản phẩm phụ dimer và oligomer trong RCM?

Trả lời: Sự hình thành dimer và oligomer có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng nồng độ chất nền thấp, tối ưu hóa nhiệt độ phản ứng và lựa chọn catalyst phù hợp. Nồng độ thấp làm giảm khả năng hai phân tử diene phản ứng với nhau thay vì đóng vòng.

Ngoài $C_2H_4$, những olefin nhỏ nào khác có thể được tạo ra trong RCM?

Trả lời: Tùy thuộc vào cấu trúc của diene ban đầu, các olefin nhỏ khác như propylene ($C_3H_6$), butylene ($C_4H_8$) hoặc các olefin cao hơn cũng có thể được tạo ra trong RCM.

RRCM (Relay Ring-Closing Metathesis) được sử dụng khi nào và tại sao?

Trả lời: RRCM được sử dụng khi RCM thông thường không hiệu quả, đặc biệt là trong việc hình thành các vòng lớn hoặc vòng có sự cản trở lập thể cao. Trong RRCM, một olefin trung gian được gắn vào diene ban đầu để tạo điều kiện cho phản ứng đóng vòng, sau đó olefin trung gian này được loại bỏ trong một bước metathesis tiếp theo.

So sánh và đối chiếu RCM với ROMP (Ring-Opening Metathesis Polymerization)?

Trả lời: Cả RCM và ROMP đều sử dụng catalyst metathesis. Tuy nhiên, RCM tạo ra các phân tử mạch vòng từ các diene mạch hở, trong khi ROMP tạo ra polymer từ các monomer mạch vòng. Trong RCM, phản ứng kết thúc khi vòng được hình thành, trong khi ROMP tiếp tục cho đến khi tất cả các monomer được polymer hóa. Cả hai phản ứng đều có ứng dụng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ và khoa học vật liệu.

Một số điều thú vị về Metathesis đóng vòng

Nobel Hóa học 2005: Phản ứng metathesis, bao gồm cả RCM, đã được trao giải Nobel Hóa học năm 2005 cho Yves Chauvin, Robert H. Grubbs và Richard R. Schrock vì những đóng góp của họ trong việc phát triển phương pháp này. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng và ảnh hưởng của phản ứng này đối với hóa học.
Từ “metathesis” có nghĩa là “trao đổi vị trí”: Tên gọi này phản ánh chính xác bản chất của phản ứng, trong đó các phần của các liên kết đôi “trao đổi vị trí” với nhau. Trong RCM, sự trao đổi này dẫn đến việc hình thành một liên kết đôi mới trong vòng và một liên kết đôi trong phân tử olefin nhỏ được giải phóng.
RCM có thể tạo ra các vòng lớn: Mặc dù thường được sử dụng để tạo ra các vòng 5-7 cạnh, RCM cũng có thể được sử dụng để tạo ra các vòng lớn hơn, thậm chí lên đến hàng trăm nguyên tử. Điều này mở ra khả năng tổng hợp các phân tử macrocyclic phức tạp.
Catalyst Grubbs được đặt theo tên nhà khoa học Robert H. Grubbs: Ông là người tiên phong trong việc phát triển các catalyst rutheni hiệu quả cho metathesis olefin, bao gồm cả RCM. Các catalyst Grubbs thế hệ thứ hai và thứ ba là những công cụ thiết yếu trong hóa học hữu cơ hiện đại.
RCM có ứng dụng trong “hóa học xanh”: Do RCM thường có thể được thực hiện trong điều kiện nhẹ và tạo ra ít sản phẩm phụ, nó được coi là một phản ứng “xanh” và thân thiện với môi trường hơn so với một số phương pháp tổng hợp truyền thống.
RCM được sử dụng trong công nghiệp: Không chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm, RCM đã được áp dụng trong sản xuất công nghiệp của một số hợp chất, bao gồm dược phẩm và vật liệu.
RCM là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển: Các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển các catalyst và phương pháp RCM mới để mở rộng phạm vi ứng dụng và cải thiện hiệu quả của phản ứng. Ví dụ, các nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các catalyst hoạt động trong nước hoặc các dung môi xanh khác.