Alkén metatézis

Az alkén metatézis, mint alapvető szerves kémiai reakció, jelentős hatással van mind az akadémiai jellegű kutatásokra, mind az ipari alkalmazásokra. Az 1950-es évek végén felfedezett és az 1960-as évektől kezdve részletesen tanulmányozott olefin metatézis forradalmasította az olefinek (alkének) közötti kötések variálhatóságát. A reakció során az olefinek kettős kötései átrendeződnek, ami új szén-szén kettős kötéseket hoz létre, és ezzel lehetőséget ad a komplex molekuláris szerkezetek kialakítására.

Az olefin metatézishez az idők során számos katalizátort dolgoztak ki: különösen a molibdén, volfrám és ruténium alapú rendszerek területén. A Grubbs és Schrock által kifejlesztett katalizátorok különösen jelentősek, és hozzájárultak az olefin metatézis széles körű elfogadottságához és alkalmazhatóságához. Az egyszerű, de sokoldalú reakció lehetőséget nyújt új polimerek, természetes termékek és gyógyszerhatóanyagok előállítására.

Az olefin metatézis különféle változatai, mint például a gyűrűzáró metatézis (RCM), a gyűrűnyitó metatézis (ROM), a gyűrűnyitó metatézis polimerizáció (ROMP) és a kereszt-metatézis (CM) mind egyedi előnyöket kínálnak a szintetikus kémia számára. Ezen technikák alkalmazása lehetővé teszi a bonyolult molekuláris szerkezetek gazdaságos és hatékony szintézisét, gyakran a zöld kémiai elvekkel összhangban, mivel a reakciók általában kevés mellékterméket termelnek és enyhe reakciókörülmények között zajlanak. Az olefin metatézis tehát kulcsfontosságú eszköz a modern szerves kémiai szintézisekben.

A metatézis általános egyenlete a 14.1 ábrán látható. Triviálisan megfogalmazva (de szemléletesen), úgy lehet elképzelni a folyamatot, hogy a reagáló olefinek szén-szén kettőskötéseit képzeletben középen elvágjuk, és a “fél-olefineket” megcseréljük egymás között. A reakció akármelyik válfajáról is van szó, a katalizátor egy átmenetifém-karbén (szokták karbenoidnak is hívni).

**14.1. Ábra:** A metatézis általános egyenlete
$\includegraphics[width=0.45\textwidth]{metatezis/scheme_metathesis}$

A két különböző alkén molekula 14.1 ábrán látható változatát kereszt-metatézisnek szokták nevezni (CM). A metatézis egyéb típusait a 14.2 ábra illusztrálja. A kereszt-metatézis egy speciális esete, amikor csak egyféle alkén szubsztrátum van a rendszerben, ami mindkét reagáló olefin szerepét betölti. Az ilyen esetet ön-metatézisnek (“self-metathesis”, SM) szokták hívni.

**14.2. Ábra:** A metatézis főbb típusai
$\includegraphics[width=0.58\textwidth]{metatezis/metatezisek}$

Az ön-metatézisnek is egy különleges válfaja az $\alpha$ , $\omega$ izolált diénekból kiinduló reakció, aminek során gyűrűs termék keletkezik. Ezt a reakciót gyűrűzáró metatézisnek (“ring closing metathesis”, RCM) nevezik. Ennek reakciónak a fordítottja is ismert, amikor a gyűrűs olefinből lesz $\alpha$ , $\omega$ -dién; ezt gyűrűnyitó metatézisnek nevezzük (ROM).

Szintén egyfajta szubsztrátumból indul ki az ROMP betűszóval jelölt gyűrűnyitó metatézis polimerizáció, amikor gyűrűs alkének polimerekké alakulnak át. Ez a folyamat jelentős szerepet játszik a polimerkémiában, különösen az egyedi tulajdonságokkal rendelkező, speciális anyagok előállításában.

A kereszt-metatézis egy külön kategóriájának szokták tekinteni azt az esetet, amikor egy gyűrűs és egy nyíltláncú alkén regál egymással és értelemszerűen az előbbinél sor kerül a gyűrű felnyílására is (ROCM).

Az átmenetifém-alkilidén komplexek (karbenoidok) jelentőségét Chauvin és Hérisson ismerte fel és az ő nevükhöz fűződik a katalitikus ciklus leírása is. A mechanizmus a 14.3 ábrán látható, a példában a kereszt-metatézis szerepel.Hérisson and Chauvin [1971]

**14.3. Ábra:** A metatézis mechanizmusa Chauvin és Hérisson szerint
$\includegraphics[width=0.62\textwidth]{metatezis/metatezis_mech}$

Az induló lépésben a fém-alkilidén komplex reagál az első alkénnel. A karbenoidok specialitása a szén-szén kettőskötésre történő [2+2] cikloaddíció, ami egyébként két olefin között szimmetriatiltott folyamat. A cikloaddíció során négytagú metallaciklus (metallaciklobután) keletkezik (1).

A négytagú metallaciklusok a gyűrűfeszültség miatt meglehetősen reakcióképesek. A gyűrű felbomlása ([2+2] cikloreverzió) vezethet a kiindulási anyagokhoz (elvileg a reakció összes elemi lépése reverzibilis), de a cikloreverzió létrejöhet etilén kiválásával és új karbenoid létrejöttével, ami már az első olefinből származó R¹ szubsztituenst tartalmazza (2).

A (2) lépésben keletkező karbenoid reagál a második (R² szubsztituenst tartalmazó) alkénnel és ismételten négytagú metallaciklus jon létre (3), immáron mindkét fajta szubsztituenssel. Ez a metallaciklobután származék aztán egy ismételt cikloreverzióval a termék belső alként eredményezi és visszakapjuk a kiindulási karbenoidunkat (4).

Az alkén metatézisre alkalmas katalizátorokat két alapvető csoportba szokták osztani: a 6-7 főcsoportbeli fémeket tartalmazó alkilidén komplexek, amiket Schrock-katalizátoroknak szoktunk hívni, és a ruténium-alapú rendszerek, melyek Grubbs vagy Grubbs-Hoveyda-katalizátor névre hallgatnak.

A Schrock-katalizátorok közül néhányat a 14.4 ábra mutat be.Zhu et al. [2020] Ezek között megtaláljuk a korai Ta(=CH $t$ Bu)(O $t$ Bu)₂Cl(PMe₃) tantál-komplexet, melyet Schrock és munkatársai 1980-ban tettek közzé. A tipikusabb Schrock-katalizátorok molibdén, vagy wolfram fémre épülnek, és alkilidén mellett imido csoportokat is tartalmaznak, O-donor ligandumok mellett, melyek nagymértékben csökkentik a komplexek bomlásra való hajlandóságát. Ezek között megtaláljuk az axiális kiralitással rendelkező o- $t$ Bu-BINOL származékot is.

**14.4. Ábra:** A metatézis Schrock-katalizátorai
$\includegraphics[width=1.0\textwidth]{metatezis/Schrock_cat}$

A ruténium polimerizációra való hajlama régóta ismeretes. Natta már 1965-ben leírta a ciklobutén és 3-Me-ciklobután gyűrűnyitó polimerizációját, melyet ruténium-klorid katalizált, protikus közegben. Az első ruténium alkilidén komplexet difenilciklopropán segítségével állították elő, mely karbén prekurzorként szolgált (14.5 ábra). A hasonló jellegű fenilkarbén származékhoz fenil-diazometánt használtak karbén-forrásként.

**14.5. Ábra:** Az első izolált Ru-karbén metatézis katalizátor
$\includegraphics[width=0.7\textwidth]{metatezis/rualkiliden1}$

Az első generációs Grubbs-katalizátorok triciklohexilfoszfin ligandumot tartalmaztak, és változatos szerkezetű alkilidén ligandumokat. Néhány közülük a 14.6 ábrán látható.

**14.6. Ábra:** Első generációs Grubbs katalizátorok
$\includegraphics[width=0.9\textwidth]{metatezis/grubbs_1gen}$

A második generációs Grubbs-katalizátorok (14.7 elődjeikhez képest nagyobb aktivitást mutattak, valamint levegővel és nedvességgel szemben nagyobb ellenállóképességgel rendelkeznek. Fő jellegzetességük, hogy az egyik triciklohexilfoszfin foszfin helyett N-heterociklusos karbént (NHC) tartalmaznak ligandumként.

**14.7. Ábra:** Második generációs Grubbs katalizátorok
$\includegraphics[width=0.95\textwidth]{metatezis/grubbs_2gen}$

Már az első generációs katalizátorok között is megjelentek a Hoveyda-keláttal rendelkező komplexek: ezek olyan karbenoidok, ahol a benzilidén csoport o-izopropoxi szubsztituenst tartalmaz, mely az oxigénen keresztül kelátot képez a ruténiummal. A katalizátorok ezen csoportját Hoveyda-Grubbs-katalizátoroknak nevezik.

A harmadik generációs Grubbs-katalizátoroknál a foszfin ligandumot piridinre cserélték, ezáltal további sebességnövekedést és az indukciós periódus csökkenését tapasztalták. A negyedik generációs rendszerek Bertrand nevéhez fűződnek, aki munkatársaival NHC helyett ugyancsak stabilis gyűrűs alkil-amino karbéneket (CAAC) koordinált a ruténiumhoz. Az 5. generációs katalizátorok klorido ligandumok helyett például karboxilátot, vagy nitrátot tartalmaznak. A 6. generációs katalizátorokra az S,S-kelátgyűrű jellemző. Az újabb generációs Grubbs katalizátorok a 14.8 ábrán láthatók.Zhu et al. [2020]

**14.8. Ábra:** Későbbi generációs Grubbs katalizátorok
$\includegraphics[width=1.0\textwidth]{metatezis/grubbs_36gen}$

A Z-szelektivitás biztosítása olefinek előállítása és funkcionalizálása során gyakran kihívást jelent a szintetikus vegyészek számára. A 14.9 ábrán látható Schrock-katalizátorral Schrock és Hoveyda nagy hozamot és teljes Z-szelektivitást kaptak 1,2-diszubsztituált Z-alkenil-halogenidek metatézise során.Koh et al. [2016]

**14.9. Ábra:** 1,2-diszubsztituált Z-alkenil-halogenidek Z-szelektív reakciója
$\includegraphics[width=1.0\textwidth]{metatezis/metat_zselect}$

Az ipari alkalmazások közül megemlítjük a növényi olajok feldolgozásánál használt egyik olyan eljárást, melynek az alapja a kereszt-metatézis. A biofinomítóknál is használatos módszer a telítetlen zsírsav-észterekből (mint amilyeneket a növényi olajokból metanollal történő átészterezéssel elő lehet állítani) nagy hozzáadott értékű termékeket nyerjenek.Anderson et al. [2008] A 14.10 ábra a metil-oleát feldolgozását mutatja be, ahol különféle terminális alkének segítségével végrehajtott alkenolízissel olefineket és telítetlen metilésztereket állítanak elő második generációs Grubbs-Hoveyda katalizátorral.

**14.10. Ábra:** Metil-oleát alkenolízise
$\includegraphics[width=1.0\textwidth]{metatezis/metat_metiloleat}$