$RC \equiv CR’ + R”CH=CHR”’ \rightarrow RCH=CR’CH=CHR”’$
Cơ chế phản ứng
Mặc dù cơ chế chính xác có thể khác nhau tùy thuộc vào chất xúc tác được sử dụng, cơ chế chung được chấp nhận bao gồm việc hình thành metallacyclobutene trung gian. Quá trình này có thể được mô tả chi tiết như sau:
- Phối hợp: Đầu tiên, cả alkene và alkyne phối hợp với trung tâm kim loại của chất xúc tác, tạo thành một phức hợp kim loại-olefin-alkyne.
- [2+2] Cycloaddition: Tiếp theo, nhóm alkene và alkyne trải qua phản ứng [2+2] cycloaddition, tạo thành một vòng bốn cạnh chứa nguyên tử kim loại, được gọi là metallacyclobutene. Đây là bước then chốt trong cơ chế phản ứng.
- Cycloreversion: Metallacyclobutene sau đó trải qua phản ứng cycloreversion, mở vòng và tạo thành một diene mới (sản phẩm mong muốn) và một alkylidene kim loại.
- Tái tạo chất xúc tác và tiếp tục chu trình: Alkylidene kim loại vừa tạo ra lại có khả năng phản ứng với các alkene hoặc alkyne khác, tái tạo chất xúc tác và tiếp tục chu trình metathesis, cho phép phản ứng diễn ra liên tục.
Các loại Metathesis Enyne
Có hai loại metathesis enyne chính:
- Metathesis enyne liên phân tử: Phản ứng xảy ra giữa hai phân tử riêng biệt, một alkene và một alkyne. Loại phản ứng này thường dẫn đến hỗn hợp các sản phẩm, bao gồm cả sản phẩm mong muốn và các sản phẩm phụ không mong muốn do sự cạnh tranh giữa các phản ứng metathesis khác nhau.
- Metathesis enyne nội phân tử (RCM của enyne): Phản ứng xảy ra trong cùng một phân tử, trong đó cả alkene và alkyne đều có mặt trong cùng một phân tử. Loại phản ứng này thường được sử dụng để tổng hợp các hợp chất vòng, đặc biệt là các vòng năm và sáu cạnh, mang lại hiệu suất và độ chọn lọc cao hơn so với phản ứng liên phân tử. Phản ứng này còn được gọi là phản ứng đóng vòng metathesis (RCM) của enyne.
Ứng dụng
Metathesis enyne là một công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp hữu cơ, được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các sản phẩm tự nhiên, dược phẩm và các vật liệu tiên tiến. Một số ứng dụng cụ thể bao gồm:
- Tổng hợp các diene liên hợp: Phản ứng cung cấp một phương pháp hiệu quả để tổng hợp các diene liên hợp, là các khối xây dựng quan trọng trong nhiều phản ứng hữu cơ, chẳng hạn như phản ứng Diels-Alder.
- Xây dựng vòng: Metathesis enyne nội phân tử là một phương pháp hiệu quả để tổng hợp các hợp chất vòng có kích thước khác nhau, từ các vòng nhỏ đến các vòng lớn.
- Tổng hợp các polyme: Phản ứng có thể được sử dụng để tổng hợp các polyme có các đặc tính mong muốn, bao gồm cả các polyme có cấu trúc liên hợp.
Ưu điểm của Metathesis Enyne
- Điều kiện phản ứng nhẹ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn, làm cho nó phù hợp với các phân tử nhạy cảm với nhiệt.
- Tính chọn lọc cao: Bằng cách lựa chọn chất xúc tác phù hợp, có thể đạt được tính chọn lọc cao đối với sản phẩm mong muốn, giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ.
- Tính linh hoạt: Phản ứng có thể được áp dụng cho nhiều loại alkene và alkyne, với các nhóm thế khác nhau.
Hạn chế
- Giá thành xúc tác: Một số chất xúc tác metathesis, đặc biệt là các chất xúc tác chứa kim loại quý hiếm, có thể đắt tiền, gây khó khăn cho việc ứng dụng ở quy mô lớn.
- Độ độc của xúc tác: Một số chất xúc tác metathesis có thể độc hại, đòi hỏi phải xử lý cẩn thận và tuân thủ các quy định về an toàn.
- Phản ứng phụ: Trong một số trường hợp, các phản ứng phụ như phản ứng metathesis alkene (tự metathesis của alkene) có thể xảy ra, làm giảm hiệu suất của sản phẩm mong muốn, đặc biệt trong các phản ứng metathesis enyne liên phân tử.
Chất xúc tác
Phản ứng metathesis enyne thường được xúc tác bởi các phức kim loại chuyển tiếp của rutheni, molypden hoặc tungsten. Các chất xúc tác Grubbs dựa trên rutheni, đặc biệt là xúc tác Grubbs thế hệ thứ hai, được sử dụng rộng rãi do tính hoạt động cao, tính ổn định trong không khí và khả năng chịu đựng nhóm chức tốt. Ví dụ về chất xúc tác Grubbs thế hệ thứ hai là $RuCl_2(PCy_3)_2(=CHPh)$, trong đó Cy là cyclohexyl và Ph là phenyl. Ngoài ra, các chất xúc tác Hoveyda-Grubbs, với khả năng giải phóng phối tử isopropoxybenzylidene dễ dàng hơn, cũng được sử dụng phổ biến.
Ảnh hưởng của các yếu tố phản ứng
Hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng metathesis enyne có thể bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm:
- Loại chất xúc tác: Sự lựa chọn chất xúc tác có thể ảnh hưởng đáng kể đến kết quả của phản ứng. Ví dụ, một số chất xúc tác có thể ưu tiên cho metathesis enyne liên phân tử, trong khi những chất xúc tác khác có thể ưu tiên cho metathesis enyne nội phân tử (RCM). Hơn nữa, cấu trúc của phối tử xung quanh kim loại trung tâm cũng ảnh hưởng lớn đến hoạt tính và độ chọn lọc của chất xúc tác.
- Nồng độ: Nồng độ của các chất phản ứng có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc của phản ứng. Nồng độ cao thường thúc đẩy phản ứng liên phân tử, trong khi nồng độ thấp có lợi cho phản ứng nội phân tử.
- Nhiệt độ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng, nhưng trong một số trường hợp, nhiệt độ cao hơn có thể cần thiết để đạt được hiệu suất mong muốn, tuy nhiên cần lưu ý đến độ bền nhiệt của chất xúc tác và các chất tham gia phản ứng.
- Dung môi: Sự lựa chọn dung môi có thể ảnh hưởng đến độ hòa tan của chất xúc tác và chất phản ứng, do đó ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc của phản ứng. Các dung môi thường được sử dụng bao gồm dichloromethane, toluene và tetrahydrofuran. Việc lựa chọn dung môi cũng cần xem xét đến khả năng phối trí của dung môi với kim loại trung tâm, vì điều này có thể ảnh hưởng đến hoạt tính của chất xúc tác.
Ví dụ về phản ứng
Một ví dụ điển hình của phản ứng metathesis enyne nội phân tử là việc tổng hợp các dẫn xuất methylenecyclopentene từ 1,6-enyne:
$CH_2=CH(CH_2)_3C \equiv CH \xrightarrow{chất \ xúc \ tác} methylenecyclopentene + CH_2=CH_2$
(Lưu ý: phương trình này đã được chỉnh sửa để thể hiện đúng sản phẩm methylenecyclopentene). Phản ứng này tạo ra sản phẩm vòng 5 cạnh cùng với ethylene.
So sánh với các phản ứng khác
So với các phương pháp truyền thống để tổng hợp 1,3-dienes, chẳng hạn như phản ứng Wittig hoặc phản ứng Horner-Wadsworth-Emmons, metathesis enyne cung cấp một số lợi thế, bao gồm điều kiện phản ứng nhẹ hơn, tính chọn lọc cao hơn và tính linh hoạt hơn. Đặc biệt, metathesis enyne cho phép tổng hợp các diene có cấu trúc phức tạp mà các phương pháp khác khó có thể thực hiện được.