Phản ứng metathesis chéo (Cross-metathesis (CM))

Phản ứng metathesis chéo (CM) là một loại phản ứng metathesis trong đó hai anken khác nhau phản ứng với nhau để tạo ra hai anken mới. Phản ứng này được xúc tác bởi các phức chất kim loại chuyển tiếp, thường là các phức chất của rutheni, molypden hoặc vonfram. Phản ứng CM có tính ứng dụng cao trong tổng hợp hữu cơ, cho phép tạo liên kết đôi C=C một cách chọn lọc và hiệu quả.

Cơ chế phản ứng

Phản ứng CM được cho là diễn ra theo cơ chế [2+2] cycloaddition và cycloreversion, liên quan đến sự hình thành và phá vỡ các metallacyclobutane trung gian. Cụ thể, cơ chế này gồm các bước sau:

Phối trí: Anken đầu tiên phối trí với kim loại xúc tác, tạo thành phức chất $\pi$.
Cycloaddition [2+2]: Anken thứ hai phản ứng với phức chất $\pi$ thông qua phản ứng cycloaddition [2+2], tạo thành vòng metallacyclobutane trung gian.
Cycloreversion: Vòng metallacyclobutane bị phá vỡ (cycloreversion) để tạo thành một anken mới và một alkylidene kim loại mới.
Phối trí và Cycloaddition tiếp theo: Alkylidene kim loại mới có thể phản ứng với anken ban đầu hoặc anken thứ hai thông qua các bước phối trí và cycloaddition tương tự, dẫn đến sự hình thành các sản phẩm CM khác nhau. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi hình thành sản phẩm cuối cùng hoặc xúc tác bị bất hoạt.

Phương trình phản ứng tổng quát

Phương trình phản ứng tổng quát của phản ứng metathesis chéo (CM) có thể được biểu diễn như sau:

$R_1CH=CHR_2 + R_3CH=CHR_4 \rightleftharpoons R_1CH=CHR_3 + R_1CH=CHR_4 + R_2CH=CHR_3 + R_2CH=CHR_4$

Trong đó $R_1, R_2, R_3, R_4$ là các nhóm alkyl hoặc aryl. Cần lưu ý rằng phản ứng CM thường tạo ra hỗn hợp các sản phẩm, bao gồm cả sản phẩm tự metathesis của các anken ban đầu.

Ứng dụng

Phản ứng CM có nhiều ứng dụng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, khoa học vật liệu và các lĩnh vực khác:

Tổng hợp các anken có cấu trúc phức tạp: CM cho phép tổng hợp các anken với các nhóm thế khác nhau và cấu trúc phức tạp, khó tổng hợp bằng các phương pháp khác. Điều này đặc biệt hữu ích trong tổng hợp các phân tử có hoạt tính sinh học và các vật liệu mới.
Tổng hợp polyme: CM được sử dụng rộng rãi trong trùng hợp metathesis mở vòng (ROMP) và trùng hợp metathesis acyclic diene (ADMET) để tổng hợp các polyme với cấu trúc và tính chất đa dạng.
Tổng hợp các sản phẩm tự nhiên: CM là một công cụ hữu ích trong tổng hợp toàn phần các sản phẩm tự nhiên phức tạp, bao gồm các terpenoid, alkaloid và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác.
Chuyển đổi dầu thực vật thành nhiên liệu sinh học: CM có thể được sử dụng để chuyển đổi dầu thực vật thành nhiên liệu sinh học bằng cách chuyển đổi các este không no thành anken.

Ưu điểm

Một số ưu điểm của phản ứng CM bao gồm:

Điều kiện phản ứng nhẹ: Phản ứng CM thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ hơi cao, giảm thiểu sự phân hủy các chất phản ứng nhạy cảm với nhiệt.
Dung sai nhóm chức: Phản ứng CM dung nạp nhiều loại nhóm chức, bao gồm este, ete, amit, alcohol, và halogen, mở rộng phạm vi ứng dụng của phản ứng.
Tính chọn lọc cao: Bằng cách lựa chọn xúc tác và điều kiện phản ứng thích hợp, có thể đạt được tính chọn lọc cao trong phản ứng CM, cho phép tổng hợp các sản phẩm mong muốn với hiệu suất cao.

Nhược điểm

Mặc dù có nhiều ưu điểm, phản ứng CM cũng có một số nhược điểm cần lưu ý:

Phản ứng phụ: Phản ứng CM có thể bị cạnh tranh bởi các phản ứng phụ như đồng phân hóa, phản ứng metathesis đóng vòng (RCM) và phản ứng metathesis trùng hợp. Điều này có thể làm giảm hiệu suất của sản phẩm mong muốn và gây khó khăn trong việc tinh chế sản phẩm.
Chi phí xúc tác: Một số xúc tác metathesis, đặc biệt là các xúc tác Grubbs thế hệ 2 và Hoveyda-Grubbs thế hệ 2, có thể đắt tiền, hạn chế khả năng ứng dụng trong sản xuất quy mô lớn.

Các loại Phản ứng Metathesis Chéo

Ngoài phản ứng CM chung đã được đề cập, có một số biến thể của phản ứng CM, bao gồm:

Phản ứng Metathesis Chéo Chọn lọc: Loại phản ứng này tập trung vào việc tạo ra một sản phẩm chéo cụ thể với độ chọn lọc cao, hạn chế sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn. Điều này thường đạt được bằng cách điều chỉnh cấu trúc steric của các anken phản ứng hoặc bằng cách sử dụng các xúc tác được thiết kế đặc biệt.
Phản ứng Metathesis Chéo Enyne: Đây là một loại phản ứng CM đặc biệt liên quan đến phản ứng giữa một anken và một alkyn. Phản ứng này tạo ra 1,3-diene, là một khối xây dựng hữu ích trong tổng hợp hữu cơ.

$R_1CH=CHR_2 + R_3C \equiv CH \rightarrow R_1CH=CH-CH=CHR_3$

Phản ứng Metathesis Đóng Vòng (RCM): Mặc dù không phải là một phản ứng CM theo nghĩa chặt chẽ, RCM thường được kết hợp với CM trong các chuỗi phản ứng đa bước. RCM liên quan đến phản ứng phân tử nội của một diene để tạo thành một vòng tuần hoàn và một anken nhỏ, thường là ethylene.

Ví dụ về xúc tác

Một số xúc tác metathesis thường được sử dụng bao gồm:

Xúc tác Grubbs thế hệ 1: $RuCl_2(PCy_3)_2(=CHPh)$
Xúc tác Grubbs thế hệ 2: $RuCl_2(H_2IMes)(PCy_3)(=CHPh)$ (H₂IMes = 1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)imidazol-2-ylidene)
Xúc tác Hoveyda-Grubbs thế hệ 2: $RuCl_2(H_2IMes)(=CH-o-O^iPrC_6H_4)$

Lựa chọn xúc tác và điều kiện phản ứng

Việc lựa chọn xúc tác và điều kiện phản ứng thích hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất và độ chọn lọc cao trong phản ứng CM. Các yếu tố cần xem xét bao gồm:

Bản chất của các anken phản ứng: Cấu trúc steric và điện tử của các anken có thể ảnh hưởng đến tốc độ và độ chọn lọc của phản ứng.
Loại xúc tác: Các xúc tác khác nhau có hoạt tính và độ chọn lọc khác nhau.
Dung môi: Lựa chọn dung môi có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và độ ổn định của xúc tác.
Nhiệt độ: Nhiệt độ phản ứng có thể ảnh hưởng đến tốc độ và độ chọn lọc của phản ứng. Ngoài ra, nồng độ xúc tác và thời gian phản ứng cũng là các yếu tố quan trọng cần được tối ưu hóa.