A mai bejegyzésben az egyik legelterjedtebb réz-katalizált reakcióról, az 1,3-dipoláris azid-alkin cikloaddíciókról lesz szó. Az elmúlt évek során kutatócsoportunk meglehetősen sokat foglalkozott e reakció folyamatos áramú megvalósításán és szintetikus alkalmazásain, és az ide kapcsolódó eredményeink egy részéről a www.nemzetikivalosag.hu hasábjain található Kutatói blogomban már részletesen beszámoltam.
Szerves azidok alkinekre történő 1,3-dipoláris
cikloaddíciója (Huisgen-reakció) egy dipolarofil alkin és egy 1,3-dipól
tulajdonságú szerves azid között játszódik le, amely eredményeképp egy öttagú,
három nitrogént tartalmazó heterociklusos vegyület jön létre. A reakció az
1,2,3-triazolgyűrű kialakításának legelterjedtebb módja. Az átalakulás termikusan 1,4-, illetve 1,5-diszubsztituált
termékek közel 1:1 arányú elegyét eredményezi, azonban réz(I) katalizátor
alkalmazásával 1,4-regioszelektívvé tehető (1. ábra). A réz(I)-katalizált
reakciót 2002-ben két kutató csoport (Karl Barry Sharpless és Morten Meldal az említett csoportok vezetői) egymástól függetlenül fedezték fel.
1. Ábra. Termikus és réz(I)-katalizált cikloaddíciók.
A réz(I)-katalizált 1,3-dipoláris azid-alkin cikloaddíció egy [2+3] típusú cikloaddíció, melynek mechanizmusa egy négylépéses katalizált körfolyamatra vezethető vissza (2. ábra). Az első lépésben az alkin deprotonálódik, és az így kialakult alkinid ion Cu(I)-acetilidet képez, majd a π-elektronok átrendeződése következményeként az aziddal lejátszódik a cikloaddíció. Egy hattagú intermedier alakul ki, amelyet az alkinil csoport két szénatomja, az azid nitrogénjei és a rézatom alkotnak. Ezután a réz kilép a gyűrűből, 1,2,3-triazol gyűrű keletkezik. Az utolsó lépésben a C-Cu kötés protonálódik, a katalizátor ismét aktívvá válik, kialakul az 1,4-diszubsztituált 1,2,3-triazol gyűrű, és a ciklus újrakezdődik. A 2. ábrán felvázolt körfolyamatban az alkin aktív hidrogénje jelentős szerepet játszik, ami azt jelenti, hogy a mechanizmus csak láncvégi hármas kötés megléte esetén érvényes maradéktalanul (terminális alkinek). Meg kell említeni, hogy bizonyos internális alkinek (nem láncvégi hármas kötés) esetén is végbemegy a reakció. Feltételezhetően a réz az alkin π-elektronjaival alakít ki egy komplexet, ezzel iniciálva a reakciót. Internális alkin esetén egyrészt magasabb hőmérséklet szükséges, másrészt pedig megfelelő szubsztituenssel ellátott kiindulási anyagként például elektronhiányos haloalkin vagy nagy feszülési energiájú, például gyűrűs molekula (ciklooktin).
2. Ábra. A réz(I)-katalizált azid-alkin cikloaddíció mechanizmusa.
Réz(I) forrásként alkalmazhatók tipikusan réztartalmú redoxi rendszerek (pl.: réz(II)-szulfát/nátrium-aszkorbát), melyek esetén a katalitikusan aktív réz(I) helyben lejátszódó redoxi folyamatok révén alakul ki. Továbbá nagyon elterjedt katalizátorok még az egyszerű réz(I) sók (pl.: CuI, CuBr, réz(I)-acetát, stb.) és réz-komplexek is. Mivel a réz(I) ion termodinamikus stabiltása nem túl nagy (pl.: tovább oxidálódhat réz(II)-vé), illetve a különböző réz(I) sók előszeretettel vesznek fel előnytelen polimer szerkezetet oldatban, ezért a réz sókat legtöbbször különböző bázisok és vagy stabilizáló ligandumokkal kombinálva használják, ezáltal fokozva a reaktivitást. E népszerű és olcsó lehetőségek legnagyobb
hátránya, hogy a katalizátor termékből való gondos eltávolítása komoly
tisztítási munkálatokat igényel, sőt bizonyos szerves oldószerek alkalmazásakor még oldhatósági problémákkal is számolnunk kell. Továbbá a réz sók mellett alkalmazott bázisok bizonyos melléktermékek képződését katalizálhatják is. Az említett hátrányok nagy részére megoldást jelent a heterogén réz katalizátorok alkalmazása, és ezért nem meglepő, hogy az elmúlt évek során különböző hordozós rendszerek jelentek meg. A legnépszerűbbek a polimer mátrixhoz kötött réz katalizátorok, de a különböző zeolitok, az aktívszén és mágneses nanorészecskék is elterjedt hordozók. A heterogén katalizátorok térnyerése ellenére az egyszerű réz sók és redoxi rendszerek valószínűleg sokáig nem fognak teljesen kiszorulni, köszönhetően rendkívül alacsony áruknak.
Érdekességként megemlítendő, hogy az 1,3-dipoláris azid-alkin cikloaddíció katalizátoraként
alkalmazhatóak különböző ruténium-komplexek is, valamint a legfrissebb
eredmények közé tartozik a folyamat irídium-katalízise. A ruténium amellett,
hogy sikeresen alkalmazható internális alkinek cikloaddíciós reakcióiban,
elérhetővé tette 1,5-diszubsztituált 1,2,3-triazol termékek szelektív
előállítását is. Az irídium-komplex alkalmazása során internális tioalkinek
reaktivitását tanulmányozták, amely szobahőmérsékleten is kiváló konverziót
eredményezett. Meg kell azonban említeni, hogy mind a ruténium-, mind pedig az
irídium-komplexek előállítása rendkívül drága és bonyolult folyamat, amely az
eljárás széles körű alkalmazhatóságának jelentős korlátja.
A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:
- Barry M. Trost és Chao-Jun Li: Modern Alkyne Chemistry;. Wiley-VCH Verlag GmbH
& Co. KGaA, 2014.
- Georgiádes Ádám, 1,2,3-Triazolok hatékony és szelektív szintézise folyamatos áramú technikával, diplomamunka, 2014 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)
ö.s.
A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése