Łukasz Gułajski Próby opracowania syntezy

Wydział Chemiczny · Politechnika Warszawska
Kierunek: Technologia Chemiczna
Specjalność: Technologia Tworzyw Sztucznych
Łukasz Gułajski
Próby opracowania syntezy wybranych
katalizatorów typu Hoveydy-Grubbsa
potencjalnie użytecznych w reakcji
polimeryzacji
Praca dyplomowa
na stopień magistra inżyniera
Praca została wykonana w
Instytucie Chemii Organicznej
w Warszawie pod kierunkiem
Prof. dr. hab. Gabriela Rokickiego
i doc. dr. hab. Karola Greli
Warszawa, 2006
P
ragnę
bardzo
serdecznie
podziękować Panu prof. dr
hab.
Gabrielowi
Rokickiemu,
Panu Doc. Karolowi Greli za
nieocenioną pomoc w wykonaniu
i napisaniu tej pracy oraz Pani dr
Annie Aleksandrze Michrowskiej
i Panu mgr. inż. Michałowi
Bieńkowi za opiekę i pomoc
w czasie wykonywania wielu
eksperymentów.
Człowiek uczony ma zawsze przy sobie swe bogactwo
Rodzicom
Złożono w systemie LATEX2 (Linux) dnia 26 czerwca 2006 rokuz zastosowaniem klas mwcls zgodnych z polską tradycja typograficzną, autorstwa Marcina Wolińskiego.
Do numerowania związków zastosowano program Konwerter-0.2.1 Piotra Wawrzyniaka ([email protected]).
Spis treści
I.
Cel i założenia pracy
Rozdział 1. Cel i założenia pracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II.
3
Przegląd literatury
Rozdział 2. Przegląd literatury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
Rozdział 3. Znane rodzaje metatezy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
Rozdział 4. Katalizatory stosowane w metatezie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.1. Pierwsze efektywne katalizatory w reakcji metatezy . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.2. Katalizatory rutenowe II generacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.3. Katalizatory Hoveydy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.3.1.
Aktywacja katalizatora Hovedy czynnikami sterycznymi . . . . . . . . . . .
14
4.3.2.
Aktywacja katalizatora Hoveydy czynnikami elektronowymi . . . . . . . .
15
III.
Wyniki własne
Rozdział 5. Synteza katalizatora zawierającego podstawnik 1-hydroksy1,1-difenylometylowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
5.1. Synteza katalizatora zawierającego podstawnik 1-hydroksy-1,1-difenylometylowy
23
5.2. Aktywacja kwasami katalizatora 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
Rozdział 6. Poszukiwanie praktycznej metody otrzymywania katalizatorów 15
i 17, z katalizatora Hoveydy I generacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
6.1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
6.2. Otrzymywanie katalizatora 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
6.3. Otrzymywanie katalizatora 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
10
IV.
Streszczenie i wnioski
Rozdział 7. Streszczenie i wnioski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V.
35
Część eksperymentalna
Rozdział 8. Uwagi ogólne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
8.1. Aparatura i metody analityczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
8.2. Katalizatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
8.3. Ogólna procedura modelowej reakcji RCM (Schemat 5.6) . . . . . . . . . . . . . .
44
8.4. Ogólna procedura modelowych reakcji RCM i En-yn (Schemat 5.8) . . . . . . . . .
44
8.5. Produkty otrzymane w modelowych reakcjach RCM i En-yn (Schemat 5.8) . . . .
45
VI.
Bibliografia
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
Rozdział 9. Wykaz stosowanych skrótów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
Część I
Cel i założenia pracy
Rozdział 1
Cel i założenia pracy
M
etateza olefin została odkryta w drugiej połowie ubiegłego wieku, ale dopiero
w ostatnich latach stała się ważnym narzędziem w syntezie związków organicznych. Znalazła ona zastosowanie w szeregu syntez związków naturalnych, a także związków wielkocząsteczkowych. Wielkie znaczenie metatezy zostało zauważone i docenione
przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk, która przyznała w ubiegłym roku Nagrodę Nobla trzem naukowcom, którzy w największy sposób przyczynili się do jej rozpowszechnienia. Nagrodę Nobla otrzymali Dr Yves Chauvain, Prof. Robert H. Grubbs i
Prof. Richard R. Schrock.1
R2
R1
katalizator
+
R3
R4
R1
R2
+
R3
R4
Schemat 1.1: Mechanizm ogólny reakcji metatezy
Bardzo szybki rozwój metatezy możliwy był dzięki opracowaniu trwałych katalizatorów tej transformacji. Jednym z pierwszych katalizatorów, które znalazły praktyczne
zastosowanie w reakcji metatezy jest katalizator Schrocka 1. Kolejnym jest kompleks
2 otrzymany przez Grubbsa i współpracowników, który jest katalizatorem stosunkowo trwałym i kompatybilnym z wieloma grupami funkcyjnymi. Kilka lat temu Hoveyda
otrzymał bardzo stabilny na powietrzu kompleks 4, który w łatwy sposób można oddzielić od produktu i odzyskać po reakcji dzięki chromatografi kolumnowej. W literaturze
można znaleść wiele różnych katalizatorów zarówno tych bardzo aktywnych (1, 2, 3,
4) używanych w syntezie organicznej jak i mniej reaktywnych (5, 6) stosowanych w
reakcjach polimeryzacji.
4
Część I. Cel i założenia pracy
F3C
Ph
CF3
O
Mo O
N
CF3
CF3
PCy3
Ru
PCy3Ph
Cl
Cl
1
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
4
Cl
2
MesN
Cl
O
Mes
Cl
Ru
Cl
N
N Mes
Ru
PCy3Ph
3
NMes
O
5
R
MesN
NMes
Cl
Cl Ru
Ph N
6
Szczególnie w zastosowaniach w polimeryzacji interesująca jest możliwość kontroli aktywności katalizatora. W niektórych rodzajach reakcji polimeryzacji korzystnie jest
stosować katalizator w formie ”uśpionej”, który można zmieszać z monomerem i przechowywać przez określony czas. Pod wpływem czynnika inicjującego (kwas, światło,
temperatura) katalizator przechodzi w formę aktywną i rozpoczyna proces polimeryzacji.2 W grupie Greli trwają poszukiwania takich katalizatorów aktywowanych kwasami
Brønsteda3 lub termicznie.4 Celem mojej pracy była synteza nowego katalizatora, którego aktywność może być zwiększana przez dodanie kwasu Lewisa. Dodatkowo miałem
opracować ulepszoną metodę syntezy wybranych katalizatorów typu Hoveydy-Grubbsa
potencjalnie użytecznych w niektórych rodzajach polimeryzacji. 5
Część II
Przegląd literatury
Rozdział 2
Przegląd literatury
2.1. Wstęp
P
oczątki metatezy sięgają roku 1931 kiedy to zaobserwowano metatezę propenu w
wysokich temperaturach. Jednym z pierwszych opisanych przykładów metatezy olefin była polimeryzacja norbornenu w obecności TiCl4 , przeprowadzona w 1954 roku
przez Andersa i Mercklinga w laboratorium firmu Du Pont. W tym samym koncernie
w roku 1956 Eleuterio zaobserwował konwersję propylenu do etylenu i butenu z katalizatorem MoO3 /Al2 O3 . W 1970 roku Herisson i Chauvin zaproponowali mechanizm
karbenowy, który w sposób najbardziej dokładny wyjaśnia przebieg tej reakcji. Poniższy mechanizm został zaproponowany na podstawie reakcji metatezy cyklopentenu i
2-pentenu. Zgodnie z tym mechanizmem w środowisku reakcji obecne sa kompleksy
[M]=CHR, które tworzą z olefiną produkt pośredni — metalacyklobutan, ulegający rozpadowi z wytworzeniem produktu.6 Przykładowy mechanizm przedstawia Schemat 2.1.
R1
M
+
R3
R2
R1
R2
M
R3
R1
R2
R1
+
R3
M
R2
R3
Schemat 2.1: Mechanizm metatezy zaproponowany przez Chauvina i Herissona
W pierwszej kolejności tworzy się związek typu π-kompleksu, a dopiero później
powstaje związek cykliczny. Po każdym etapie reakcji następuje odtwarzanie aktywnego
kompleksu alkilidenowego, który może następnie przyłączać kolejną cząsteczkę olefiny.
Mamy więc doczynienia z łańcuchową katalityczną reakcją transalkilidenowania.
Rozdział 3
Znane rodzaje metatezy
Z
nanych jest kilka rodzajów reakcji metatezy, które przedstawione są na Schemacie
3.1.
+
R
R'
CM
-C2H4
R
R'
RCM, -C2H4
ROM, +C2H4
[M]
ADMET
-nC2H4
n
[M]
ROMP
n
En-yn
Schemat 3.1: Znane rodzaje metatezy : CM – metateza krzyżowa, RCM – metateza z zamknięciem pierścienia, ROM – metateza z otwarciem pierścienia, ADMET – metateza liniowych dienów
prowadząca do produktów wielkocząsteczkowych, ROMP – metatetyczna polimeryzacja cykloolefin
z otwarciem pierścienia, En-yn – metateza wiązania podwójnego z potrójnym.
Schematy 3.2–3.7 przedstawiają przykłady poszczególnych reakcji metatezy:
HO
9
HO
9
Schemat 3.2: CM (ang. Cross Metathesis) – metateza krzyżowa
10
Część II. Przegląd literatury
TsN
TsN
Schemat 3.3: RCM (ang. Ring-Closing Metathesis) – metateza z zamknięciem pierścienia
2
CHO
CHO
CHO
Schemat 3.4: ROM (ang. Ring-Opening Metathesis) – metateza z otwarciem pierścienia
R
[M]
n
n
Schemat 3.5: ROMP (ang. Ring-Opening Metathesis Polymerization) – metatyczna polimeryzacja
cykloolefin z otwarciem pierścienia
n
n
Schemat 3.6: ADMET (ang. Acyclidiene Metathesis Polymerization) – metateza liniowych dienów,
w wyniku której powstają produkty wielkocząsteczkowe
O
Ph
Ph
O
Ph
Ph
Schemat 3.7: En-yn – metateza wiązania podwójnego z potrójnym
Rozdział 4
Katalizatory stosowane w metatezie
4.1. Pierwsze efektywne katalizatory w reakcji metatezy
B
urzliwy rozwój metatezy jako metody w syntezie organicznej datuje się na początek
lat 1980 kiedy to zsyntezowano pierwsze katalizatory o zdefiniowanej budowie. Jednym z nich był kompleks (CO)5 W=CPh2 , jednak pierwszym katalizatorem o szerokim
zastosowaniu w reakcji metatezy homogenicznej był katalizator molibdenowy Schrocka
1.6 Katalizatory typu Schrocka rozpoczęły gwałtowny rozwój metatezy. Są to kompleksy alkilidenowe metali przejściowych, najczęściej molibdenu i wolframu (np. Schemat
4.1).
F3C
Ph
CF3
O
Mo O
N
CF3
CF3
1
Schemat 4.1: Katalizator Schrocka
Katalizatory tego typu są bardzo wrażliwe na tlen i wilgoć, co zmusza do pracy w bezwodnym rozpuszczalniku w atmosferze gazu obojętnego przy użyciu techniki Schlenka. 7
Wadą tych katalizatorów jest także niekompatybilność z wieloma grupami funkcyjnymi
między innymi z wolną -OH, -CHO, i innymi. Katalizatory te pozwalają na przeprowadzenie metatezy prowadzącej do powstania związku w którym atomy węgla tworzące
wiązanie podwójne zawierają dodatkowe podstawniki, co nie zawsze jest możliwe przy
użyciu innych katalizatorów. Dużą zaletą tego typu katalizatorów jest możliwość łatwego wprowadzenia ligandów zawierających fragmenty chiralne w sferę koordynacyjną
metalu, co pozwala prowadzić reakcje asymetrycznej metatezy. 8 Ponadto katalizatory te
używane są w reakcji polimeryzacji (Schemat 4.2).9
12
Część II. Przegląd literatury
O
O
n
O
O
O
O
Schemat 4.2: Reakcja polimeryzacji z użyciem katalizatora 1
Cl
Cl
PCy3
Ru
PCy3Ph
2
Schemat 4.3: Katalizator Grubbsa Cy=grupa cykloheksylowa
Kolejnym krokiem w rozwoju metatezy okazało się zsyntezowanie katalizatora rutenowego przez Grubbsa. Jest to karbenowy kompleks rutenu o budowie przedstawionej
na Schemacie 4.3). Katalizator ten wykazuje dużą reaktywność wobec olefin przy jednoczesnej względnej stabilności na powietrzu i wobec wilgoci. To spowodowało, że
znalazł on bardzo dużą liczbę zastosowań w syntezie organicznej. Do ograniczeń tego katalizatora należy zaliczyć niewielką stabilność termiczną oraz niską reaktywność
względem podstawionych wiązań podwójnych oraz trudności w metatezie olefin zawierających grupę elektronoakceptorową przy wiązaniu podwójnym np. z α,β-nienasyconymi związkami karbonylowymi.10
4.2. Katalizatory rutenowe II generacji
S
ąto kompleksy rutenu w których zastąpiono jeden ligand fosfinowy cząsteczką nukleofilowego heterocyklicznego karbenu. Ligand NHC (ang. N-heterocyclic carbene)
może zawierać w pierścieniu heterocyklicznym wiązanie nienasycone (tzw. katalizator
Nolana 7) lub nasycone (katalizator Grubbsa II generacji 3).
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
PCy3Ph
3
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
PCy3Ph
7
Schemat 4.4: Katalizatory II generacji typu Grubbsa
Powszechnie przyjmuje się, że katalizator Grubbsa jest bardziej reaktywny niż katalizator Nolana.8 Można wytłumaczyć ten fakt wzrostem zasadowości i mniejszą stabilizacją
centrum karbenowego przy nasyconym ligandzie NHC. Kompleksy te charakteryzują się
13
4. Katalizatory stosowane w metatezie
w stanie stałym znaczną trwałością, odpornością na tlen i wilgoć oraz wysoką aktywnością i tolerancją wobec wielu grup funkcyjnych. Reakcje metatezy z tego typu katalizatorami są proste do przeprowadzenia, a powstające produkty mogą zawierać dodatkowe
podstawniki przy atomach węgla tworzących wiązanie podwójne. 11 Katalizatory te są
też skuteczne w reakcji niektórych olefin zawierających grupy elektronoakceptorowe
przy wiązaniu podwójnym np. α,β-nienasyconych związków karbonylowych. 12 Katalizator ten może być stosowany w reakcji polimeryzacji (Schemat 4.5). 9
n
Schemat 4.5: Reakcja polimeryzacji z użyciem katalizatora 2
4.3. Katalizatory Hoveydy
S
a to rutenowe kompleksy, w których atom metalu chelatowany jest atomem tlenu
pochodzącym z fragmentu 2-izopropoksybenzylidenu.
Cl
Cl
PCy
Ru
O
8
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
O
4
Schemat 4.6: Katalizatory Hoveydy
Kompleksy te są aktywnymi katalizatorami metetezy olefin.7 Doskonała stabilność na
powietrzu i wobec wilgoci pozwoliła na zastosowanie ich w syntezie różnych związków
organicznych, bez konieczności zastosownia rygorystycznie bezwodnych i beztlenowych
warunków. Kompleksy te mają zdolność do samoregeneracji po wyczerpaniu substratu
(Schemat 4.7). Można je łatwo odzyskać po reakcji stosując chromatografię kolumnową.
Takiej zalety nie posiada katalizator Grubbsa, którego nie można było odzyskać po
reakcji. Katalizator Hoveydy II generacji 4 jest niezwykle skuteczny w reakcji krzyżowej
metatezy (także z nienasyconymi nitrylami). Są także użyteczne w reakcji metatezy z
zamknięciem pierścienia dwu- i trójpodstawionych olefin. Po reakcji katalizator można
wydzielić z wydajnością powyżej 95% i ponownie użyć do reakcji. 7
Mimo wielu zlet, katalizator Hoveydy posiada również pewne wady. Reaguje on
wolniej niż katalizator Grubasa. Ponadto w literaturze nie spotkałem przykładu tworzenia związku, w którym atomy węgla tworzące wiązanie podwójne zawierają cztery
14
Część II. Przegląd literatury
podstawniki, z udziałem katalizatora 4.
W literaturze opisanych jest kilka sposobów modyfikacji katalizatora Hoveydy które służą otrzymaniu katalizatora o określonej reaktywności. Odpowiednią reaktywność
można uzyskać modyfikująć część benzylidenowąna dwa sposoby:
— sterycznie
— elektronowo
X
Uwolnienie
Powrót
X
Cl
Cl
L
X
Ru
Cl Cl
Ru
L
L
Ru
Cl
Cl
O
Cl
Cl
L
Ru
O
O
O
X
L=PCy3 lub L=
Mes
N
N
Mes
Schemat 4.7: Mechanizm reakcji metatezy z użyciem katalizatora Hoveydy
4.3.1. Aktywacja katalizatora Hovedy czynnikami sterycznymi
W celu uzyskania katalizatora chiralnego Blechert zsyntezowal katalizator zawierający binaftyl w części benzylidenowej 9.13
Po przeprowadzeniu modelowych reakcji, okazało się że przy użyciu tego typu związków nie otrzymano czynnych optycznie związków. Zauważono jednak, że tak zmodyfikowany katalizator w niektórych przypadkach przewyższa reaktywnością katalizator
Grubbsa II generacji 3.
Idąc tym tropem Blechert wykazał, że fragment binaftylowy nie jest konieczny do
zachowania wysokiej reaktywności katalizatora. Okazało się, że wystarczy dowolny duży podstawnik w pozycji orto do grupy izopropoksylowej. Związki, które opisano w
kolejnych publikacjach z tej serii miały w tej pozycji podstawnik fenylowy 10 14 lub
metoksylowy 11.15
15
4. Katalizatory stosowane w metatezie
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Mes
Cl
Ru
Cl
i-PrO
i-PrO
N
N Mes
Mes
Cl
Ru
Cl
N
N Mes
Ru
i-PrO
i-PrO
O
11
10
9
Schemat 4.8: Sterycznie modyfikowane katalizatory Blecherta
TsN
kat. 1%mol
DCM, 25oC
TsN
Schemat 4.9:
Schemat 4.10: Porównanie szybkości modelowej reakcji RCM (patrz Schemat 4.9) w temp. 0
dla katalizatorów Grubbs – 3, Blechert-1 – 9 i Blechert-2 – 10)
◦C
4.3.2. Aktywacja katalizatora Hoveydy czynnikami elektronowymi
Niezależnie próby zmodyfikowania katalizatora Hoveydy podjęto w zespole III ICHO
PAN. Badania te polegały na sprawdzeniu czy zmiana sytuacji elektronowej w pierścieniu benzylidenowym będzie miała podobnie jak zmiana wielkości podstawnika w pozycji orto, jakiś istotny wpływ na reaktywność uzyskanych kompleksów. Szczególnie
korzystne okazało się wprowadzenie w pozycję 5 grupy nitrowej 12. 16 Katalizator ten
opisany w pracy doktorskiej Dr Anny Michrowskiej wykazuje bardzo wysoką reaktywność (Schemat 4.13).
16
Część II. Przegląd literatury
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
NO2
O
12
Schemat 4.11:
COOEt
COOEt
katalizator
COOEt
DCM, 25oC
COOEt
13
14
Schemat 4.12:
Grubbs II
Nitrowy
Hoveyda II
Schemat 4.13: Porównanie szybkości reakcji RCM Schemat 4.12 w temp. pokojowej dla katalizatorów
GrubbsII – 2, HoveydaII – 4 i Nitrowy – 12
Struktura katalizatora 12 jest dowodem na to, że wprowadzenie do części benzylidenowej grupy elektronoakceptorowej wpływa korzystnie na reaktywność katalizatora.
17
4. Katalizatory stosowane w metatezie
Kolejnym katalizatorem otrzymanym w zespole Greli był katalizator w którym zastąpiono grupę 2-izopropoksybenzylidenową grupą 2,4,5-trimetoksybenzylidenową o właściwościach elektronodonorowych 15. Otrzymano związek z bardzo wysoką wydajnością (98%) jako oliwkowozielone kryształy.17
Mes
Cl
N
Cl
N Mes
Ru
O
O
O
15
Schemat 4.14:
Katalizator ten był bardzo stabilny na powietrzu i wilgoci. W wyniku szczegółowych
doświadczeń okazało się, żę ten kompleks dobrze katalizuje reakcje metatezy CM, RCM
oraz innych. Stwierdzono, że związek ten wykazuje aktywnośść zbliżoną do katalizatora
Hoveydy 4.
Należy tutaj wspomnieć, że katalizator ten wykazuje bardzo dobre właściwości regeneracyjne. Można go w bardzo łatwy sposób wydzielić po reakcji przy zachowaniu
bardzo małej zawartości rutenu w produkcie.18 W tym celu surową mieszaninę poreakcyjną nanosi sie na zwykłą kolumnę chromatograficzną. Produkt reakcji wymywa
się DCM (katalizator zostaje na górze kolumny Rf = 0,00). Po oddzieleniu produktu
katalizator wymywa się z kolumny za pomocą AcOEt (Rf = 0,66). Katalizator ten jest
kolejnym przykładem na to, że zmiana gęstości elektronowej w pierścieniu benzylidenowym oraz modyfikacja grupy alkoksylowej (chelatującej ruten) może mieć wpływ na
reaktywność kompleksów rutenowych. Sukces ten spowodował, że w grupie Buchmeisera kontynuowano prace nad tym katalizatorem. Pochodna tego katalizatora 16 znalazła
zastosowanie miedzy innymi w reakcji polimeryzacji 1,2-heksadiynów (Schemat 4.16). 5
N
Mes
CF3OO
CF3OO
N Mes
Ru
O
O
O
16
Schemat 4.15:
Innym katalizatorem otrzymanym w zespole Greli był katalizator zawierający podstawnik dietyloaminowy.19
18
Część II. Przegląd literatury
X
X
X= C
n
CO2Et
CO2Et
X= C
CO2
CO2Et
Schemat 4.16: Przykład polimeryzacj z katalizatorem 16
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
O
NEt2
17
Schemat 4.17:
Katalizator ten jako wolna amina jest praktycznie nieaktywny, natomiast dodanie
równoważnika kwasu do mieszaniny reakcyjnej lub podwyższenie temperatury (także
działanie mikrofal) powodują aktywację katalizatora.19 Aktywacja przez kwas ma prawdopodobnie związek ze zmianą grupy elektronodonorowej (grupa dietyloaminowa) na
grupę elektronoakceptorową (kation amoniowy).3
Możliwość aktywacji ”na życzenie” może być szczególnie przydatna w niektórych rodzajach reakcji polimeryzacji gdzie korzystnie jest stosować katalizator w formie ”uśpionej”,2,20 który można zmieszać z monomerem i przechowywać określony czas. Pod wpływem czynnika aktywującego (kwas, temperatura) katalizator przechodzi w formę aktywną i rozpoczyna proces polimeryzacji.
Jak wynika z przedstawionych powyżej prac istnieje wiele rodzajów modyfikacji
katalizatora Hoveydy 4. Poszukiwanie nowych katalizatorów o ulepszonych właściwościach to temat, który nadal zwraca uwagę wielu badaczy na całym świecie. Wszyscy
dążą do otrzymania katalizatora, który byłby ekonomiczny w zastosowaniu w przemyśle (wytwarzany z tanich substratów, łatwa i krótka synteza, trwaly i jeśli to możliwe,
zawracalny).
19
4. Katalizatory stosowane w metatezie
100
Konwersja (%)
80
60
40
aminowy
aminowy×CSA
aminowy×C8F17CO2H
20
0
0
2
Czas (h)
4
6
Schemat 4.18: Wpływ dodanych kwasów na przebieg modelowej reakcji RCM pokazanej na Schemacie 4.12 (aminowy = katalizator 17)
Część III
Wyniki własne
Rozdział 5
Synteza katalizatora zawierającego podstawnik
1-hydroksy-1,1-difenylometylowy w części
benzylidenowej i jego aktywacja za pomocą kwasów
Lewisa
5.1. Synteza katalizatora zawierającego podstawnik
1-hydroksy-1,1-difenylometylowy
P
racując w zespole III IChO byłem świadkiem prac nad katalizatorem 17, w tym
prób jego aktywacji kwasami Brønsteda i poprzez podwyższenie temperatury. 19 Katalizator ten posiada grupę elektronodonorową, co może wyjaśśniać jego bardzo małą
reaktywność. Postanowiłem zsyntezować katalizator zawierający podstawnik -C(OH)Ph 2
(24) i analogicznie do katalizatora 17 poddać go próbom aktywacji kwasami. Dodatkowym powodem takiego pomysłu była dostępność związku 19 zsyntezowanego wcześniej
przez Pana mgr. inż. Mariusza Tryznowskiego podczas jego pracy dyplomowej. 22
Prace rozpocząłem od syntezy ligandu 20. Samodzielnie też otrzymałem kompleks
Grubbsa II generacji 3 oraz prekursor ligandu NHC (z ang. N-heterocyclic carbene)
(Schemat 5.2), które użyłem jako substraty w planowanej syntezie.
Wyjściowym etapem mojej pracy było otrzymanie preursora ligandu 20 do syntezy
katalizatora. Zgodnie z danymi literaturowymi otrzymywanie związków arylolitowych
często wiąże się ze znacznymi trudnośściami i wymaga starannego dobrania warunków.
Ja wykorzystałem warunki opisane w literaturze.21
Pierwszym etapem była reakcja butylolitu z 2-izopropoksy-5-bromostyrenem w suchym Et2 O w temperaturze −78 ◦ C przez 15 minut a następnie dodanie roztworu Ph2 CO
w THF w tej samej temperaturze i powolne ogrzanie do temperatury pokojowej. Czysty związek wydzielilem na kolumnie chromatograficznej. Otrzymałem związek 20 z
wydajnością 64%.
Dysponując prekursorem ligandu przystąpiłem do syntezy drugiego prekursora ligandu: soli NHC, według przepisu dostępnego w literaturze.23
24
Część III. Wyniki własne
O
O
NaH, i-PrI, DMF, rt, 24h
HO
Br
O
Lit.
Br
18
Ph3P=CH2, THF,
od-78oC do rt, 1h
O
Lit. 69%
Br
19
1.t-BuLi, Et2O -78oC,15min
2.Ph2CO,THF,-78oC,1h
64%
OH
Ph
Ph
O
20
Schemat 5.1: Synteza ligandu zawierającego podstawnik 1-hydroksy-1,1-difenylometylowy w części
benzylidenowej
O
O
+
N
izopropanol, 25oC, 16h
N
NH2
21
NaBH4
THF/MeOH, 25oC, 24h
NH HN
22
O
O
O
NH4BF4
120oC, 3h
N+
N
F
F B- F
F
23
Schemat 5.2: Synteza ligandu NHC
Pierwszym etapem była reakcja trimetyloaniliny i glioksalu w izopropanolu. Następnie redukcja borowodorkiem sodu w mieszaninie THF/MeOH doprowadziła do po-
5. Synteza katalizatora zawierającego podstawnik 1-hydroksy-1,1-difenylometylowy
25
wstania pochodnej 1,2-etylenodiaminy, ktorą poddałem reakcji z ortomrówczanem etylu
i tetrafluoroboranem amonu. Po odparowaniu ortomrówczanu sól krystalizowałem na
gorąco z EtOH. Otrzymałem białe ciało stałe z wydajnośścią po 3 etapach 45 %.
1.
PCy3
Cl
Ru
Cl
PCy3Ph
Mes
BF4N
N+
Mes
n-heksan,
K
O
25oC,
1h
2. temp. wrzenia, 40min
Mes
Cl
N
Cl
N Mes
Ru
PCy3Ph
2
3
Schemat 5.3: Synteza katalizatora Grubbsa II generacji
Kiedy zsyntezowałem sól NHC rozpocząłem syntezę katalizatora Grubbsa II generacji. Reakcję rozpocząłem od wygenerowania in-situ ligandu NHC przy użyciu tert-amylanu
potasu w temperaturze pokojowej przez 1h, a następnie dodałem katalizator Grubbsa
I generacji 2 i mieszałem w temperaturze wrzenia przez 20 min. Reakcję prowadziłem w n-heksanie. Po odparowaniu do sucha rozpuszczalnika katalizator wydzieliłem
za pomocą chromatografii kolumnowej. Otrzymany produkt nadal zawierał zanieczyszczenia, a jego wydajność wynosiła powyżej 100%. Postanowiłem opracować metodę
oczyszczania katalizatora przez krystalizację. Po sprawdzeniu wielu układów rozpuszczalników udało mi się w końcu znaleźć odpowiedni jakim jest mieszanina DCM/MeOH.
Katalizator dobrze rozpuszcza się w DCM natomiast w MeOH (w którym rozpuszczają
się wszelkie zanieczyszczenia) nie. Procedura polegała na rozpuszczeniu zanieczyszczonej frakcji katalizatora w DCM i dodaniu 20 krotnego nadmiaru MeOH a następnie
odparowaniu DCM i wytrąceniu katalizatora z MeOH. Otrzymałem katalizator w postaci czerwono-brązowych kryształów z wydajnością 67%. Metoda ta pozwala otrzymać
katalizator bez zanieczyszczeń na co nie pozwalały wczesniejsze metody 24 w których
zanieczyszczenie było na poziomie 15–20%. Po otrzymaniu katalizatora Grubbsa II generacji i prekursora ligandu benzylidenowego przystąpiłem do syntezy katalizatora 24. W
ochronnej atmosferze argonu w naczyniu Schlenka zawierającego katalizator 3 i CuCl
w DCM dodałem rozpuszczony związek 20 w DCM. Rekcję prowadziłem przez 1 godzinę. Po oczyszczaniu za pomocą kolumny chromatograficznej a następnie wytrąceniu z
n-pentanu otrzymałem 24 jako zielone kryształy z wydajnością 99%.
OH
O
Ph
Ph
kat.3,DCM,40oC,1h
99%
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
OH
Ph
Ph
O
20
24
Schemat 5.4: Synteza katalizatora 24
26
Część III. Wyniki własne
5.2. Aktywacja kwasami katalizatora 24
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
Mes
Cl
OH
Ph
Ph
O
Cl
N
N Mes
Ru
Ph
O
24
Ph
25
Schemat 5.5: Idea aktywacji katalizatora 24 kwasami
Katalizator wykazał średnią reaktywność (Schemat 5.7). Postanowiłem więc dodać
do reakcji równomolową ilość kwasu Brønsteda, podobnie jak opisano w literaturze 3
dla katalizatora 17. Kwas nieorganiczny taki jak HBF4 okazał się zbyt mocny gdyż nie
zaobserwowałem w ogóle przebiegu reakcji (zmiana koloru mieszaniny reakcyjnej z
zielonego na ciemny fiolet wskazywala prawdopodobnie na rozkład katalizatora). Postanowiłem więc użyć zamiast HBF4 kwasów Lewisa takich jak ZnCl2 , co przyniosło
oczekiwany skutek, wzrost reaktywności katalizatora (Schemat 5.7).
COOEt
COOEt
13
katalizator
COOEt
DCM, 25oC
COOEt
14
Schemat 5.6: Modelowa reakcja RCM
Wprowadzenie do mieszaniny reakcyjnej jednego równoważnika kwasów Lewisa
Ph2 SnCl2 i ZnCl2 ×HCl spowodowło zwiększenie aktywności katalizatora. Prawdopodobne wyjaśśnienie tej obserwacji zakłada tworzenie się (nawet w małej ilości) karbokationu
typu 25 (Schemat 5.5). Związek 24 potencjalnie może być bardzo dobrym katalizatorem
reakcji polimeryzacj trudniej powstających polimerów ze względu na możliwość kontroli
aktywności katalizatora tak jak w przypadku katalizatora 17 (patrz strona 18).
Dodatkowo przeprowadziłem 2 reakcje modelowe RCM i En-yn z udziałem katlizatora 24 z dodatkiem Ph2 SnCl2 (Schemat 5.8).
5. Synteza katalizatora zawierającego podstawnik 1-hydroksy-1,1-difenylometylowy
27
Schemat 5.7: Porównanie aktywności katalizatora 12 (I) oraz 24 (II) aktywowanego Ph 2 SnCl2 (III)
i ZnCl2 xHCl (IV) w modelowej reakcji RCM (patrz Schemat 5.6)
kat. 2,5%mol
TsN
DCM, 25oC
30 min., 99 %
26
27
kat. 2,5%mol
TsN
DCM, 25oC
30min., 99%
28
TsN
TsN
29
Schemat 5.8: Reakcje modelowe RCM i En-yn z użyciem katalizatora 24 aktywowanego Ph 2 SnCl2
Rozdział 6
Poszukiwanie praktycznej metody otrzymywania
katalizatorów 15 i 17, z katalizatora Hoveydy I generacji
6.1. Wstęp
P
oszukiwanie nowej metody otrzymywania katalizatorów Hoveydy-Grubbsa spowodowane było zleceniem partnera z zagranicy. Próbom tym poddałem dwa katalizatory 17 i 15 bardzo użyteczne w lekkiej syntezie organicznej jak również potencjalnie w
otrzymywaniu związków wielkocząsteczkowych (patrz strona 17 i 18).
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Mes
Cl
Ru
N
Cl
N Mes
Ru
O
O
O
O
NEt2
17
15
Schemat 6.1:
W literaturze znana jest powszechnie reakcja katalizatora Grubasa II generacji z odpowiednim 2-alkoksystyrenem, w wyniku której otrzymujemy odpowiedni katalizator
typu Hoveydy-Grubbsa (Schemat 6.2b). Ja postanowiłem wykorzystać opracowaną w
naszym zespole metodę, opisaną w pracy Doktorskiej Anny Michrowskiej. W metodzie
tej katalizator Hoveydy II generacji (otrzymany nową metodą z Hoveydy I generacji)
poddaje się reakcji z odpowiednim podstawionym styrenem. W wyniku sekwencji reakcji metatezy i wymiany ligandów tworzy się nowy katalizator typu Hoveydy. Jeśli
ligand benzylidenowy w nowopowstałym katalizatorze gorzej kompleksuje ruten niż
ligand 2-izopropoksybenzylidenowy w 4, w celu otrzymania dobrych wydajności konieczne jest użycie znacznego nadmiaru podstawionego styrenu (np. X = NO 2 Schemat
6.2a). Metodą tą otrzymano dotychczas wyłącznie katalizator 12 (X= NO 2 , Schemat
6.2a). Zachęciło mnie to do podjęcia próby zaadoptowania tej metody, szczególnie, że w
moim przypadku reakcja ta powinna prowadzić do powstania katalizatora zawierającego
30
Część III. Wyniki własne
ligand lepiej chelatujący niż ligand w katalizatorze Hoveydy II 30.
a)
Cl
Cl
BF4-
1.
PCy
Mes
Ru
N
N+
Mes
K
Mes
Cl
O
n-heksan, r.t., 1h
2. temp. wrzenia, 2h
3. CuCl, temp. wrzenia, 1.5h
O
N
N Mes
Ru
Cl
O
O
8
X
Toluen, temp. wrzenia
4
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
O
b)
1.
PCy3
Ru
Cl
PCy3Ph
Cl
Mes
O
BF4N
N+
Mes
n-heksan,
K
O
25oC,
1h
2. temp.wrzenia, 40min
2
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
PCy3Ph
3
X
X
DCM, CuCl, temp. wrzenia
np. X = NO2
Schemat 6.2: Metody otrzymywania katalizatorów typu Hoveydy–Grubbsa II generacji 19
6.2. Otrzymywanie katalizatora 17
Pierwszym katalizatorem, którego syntezą zająłem się był katalizator zawierający
grupę dietyloaminową w części benzylidenowej 17. W tym celu konieczne było otrzymanie katalizatora Hoveydy II generacji 4. Drugim etapem jest reakcja tego katalizatora
Hoveydy z odpowiedniego prekursora ligandu benzylidenowego (X = NEt 2 , Schemat
6.2a).
Na początku postanowiłem wykonać eksperyment badający równowagę tej reakcji
wymiany ”ligandów”. Do probówki NMR odważyłem równomolowe ilości katalizatora
17 i podstawionego styrenu Hoveydy 30 i badałem równowagę reakcji za pomocą 1 H
NMR.
Po 9 dniach równowaga była nadal przesunięta w stronę katalizatora 17. Wynik
ten spowodował, że postanowiłem rozpocząć optymalizację stosując jedynie niewielki
nadmiar prekursora ligandu, co czyniłoby tę metodę bardziej korzystną ze względów
ekonomicnych.
Zmieniając kolejno proporcje badałem równowagę reakcji oraz wydajność wydzielonego katalizatora 17 (Schemat 6.5). W wydzielonym katalizatorze brak było zanieczyszczeń w tym produktu metatezy substratu (ligandu) 33. Jak można zauważyć, różnica
pomiędzy 3 krotnym i 10 krotnym nadmiarem jest bardzo mała. Udało się dostosować i
6. Poszukiwanie praktycznej metody otrzymywania katalizatorów 15 i 17, z katalizatora Hoveydy I gen
Mes
Cl
N
Cl
N Mes
Ru
+
O
Mes
Cl
CD2Cl2,22oC
O
N
Cl
9 dni
N Mes
Ru
O
+
O
NEt2
NEt2
17
31
4
30
76%
24%
Schemat 6.3: Badanie równowagi reakcji za pomocą 1 H NMR
Et2N
O
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
32
Ru
Mes
Cl
NEt2
Cl
Toluen, temp. wrzenia
O
N
N Mes
O
Ru
+
O
O
NEt2
4
17
NEt2
33
Schemat 6.4:
Nadmiar 32
Konwersja NMR(%) Wydzielono % (mg)
1.1
57
28 (19)
1.5
2
3
70
76
91
51 (37)
59 (41)
70 (49)
10
-
79 (139)
Schemat 6.5:
zoptymalizować opisaną metodę do otrzymywania katalizatora 17. Do synezy katalizatora wystarcza tylko 3 krotny nadmiar 32 aby otrzymać bardzo dobrą wydajność (porównywalną z katalizatorem 12 otrzymanym tą metodą przy użyciu 10 krotnego nadmiaru
prekursora ligandu).19
6.3. Otrzymywanie katalizatora 15
Drugim katalizatorem, który próbowałem otrzymać za pomocą opisanej metody był
katalizator 15.
32
Część III. Wyniki własne
O
O
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
34
Ru
O
Toluen, temp., t(h)
O
O
Mes
Cl
N
Cl
N Mes
Ru
O
O
+
O
4
O
O
O
O
O
15
35
Schemat 6.6:
Nadmiar 34
Temperatura oC
Wydzielono % (mg)a
1.1
110
42 (43)
1.1
70
38 (40)
5
110
110 (99)
[a] Katalizator zanieczyszczony dimerem asaronu (20 - 25%)
Schemat 6.7:
Przeprowadziłem kilka eksperymentów i na ich podstawie stwierdziłem, że reakcja
ta jest nieselektywna. W tym przypadku metoda wymiany ligandów nie może być zastosowana. W reakcji powstają duże ilości stilbenu (diasaronu) 35 i pomimo licznych prób
oczyszczania za pomocą krystalizacji i chromatografii kolumnowej katalizator nadal był
zanieczyszczony.
Część IV
Streszczenie i wnioski
Rozdział 7
Streszczenie i wnioski
W
trakcie mojej pracy dyplomowej zsyntezowałem kompleks karbenowy będący
modyfikacją katalizatora Hoveydy-Grubbsa drugiej generacji 4. Z bardzo dobrą
wydajnością otrzymałem stabilny na powietrzu i wobec wilgoci katalizator zawierający
podstawnik -C(OH)Ph2 w części benzylidenowej. Wprowadzenie do mieszaniny reakcyjnej kwasów Lewisa powodowało zwiększenie reaktywności tego katalizatora. Udało się
również w jednym przypadku (katalizator 17) dostosować opisaną19 metodę otrzymywania katalizatorów II generacji wychodząc z katalizatora Hoveydy I generacji. W drugim
przypadku (katalizator 15) optymalizacja zakończyła sie niepowodzeniem ze względu na
nieselektywny przebieg reakcji.
Część V
Część eksperymentalna
Rozdział 8
Uwagi ogólne
8.1. Aparatura i metody analityczne
P
rzebieg reakcji monitorowałem za pomocą chromatografii cienkowarstwowej (TLC),
do której używałem płytek firmy Merck (Kieselgel 60 F254). Substancje niewidoczne w świetle lampy UV 254 nm uwidaczniałem za pomocą wywoływacza Anispray
(aldehyd anyżowy - etanol - stężony kwas siarkowy). Analizę mieszanin reakcyjnych
wykonywałem metodą GC na aparacie GC HP 6890 z kolumną HP 5 (5 % fenylometylosiloksanu) lub też za pomocą GC/MS przy użyciu aparatu HP 5890 z tą samą kolumną.
Wydzielone produkty analizowałem za pomocą IR, NMR i MS. Widma NMR rejestrowano spektrometrem Varian Gemini 400 i 200 MHz oraz Bruker 500 MHz. Przesunięcia
chemiczne podałem w ppm, jako wzorca używałem sygnału rozpuszczalnika (CH Cl 3
δ = 7,26 ppm) lub DMSO (δ = 2,60 ppm). W opisie widm 1 H NMR użyłem następujących skrótów: s–singlet, d–dublet, t–tryplet, q–kwartet, m–multiplet, dd–dublet dubletów
i tak dalej. Analizy MS wykonano techniką jonizacji elektronami (EI) oraz jonizacji z ciekłej matrycy (LSIMS) na spektrometrze AMD-604. Analizy ESI wykonano za pomocą
spektrometru Mariner. Widma IR rejestrowano na aparacie Perkin Elmer 2000. Opisując je podawałem charakterystyczne i ważniejsze pasma. Jeżeli nie podano inaczej,
wszystkie reakcje w warunkach bezwodnych prowadzone były w atmosferze argonu
stosując technikę Schlencka. Rozpuszczalniki organiczne oczyszczałem według ogólnie
przyjętych metod. Techniczny chlorek metylenu, c-heksan i heksan (frakcja z nafty) były destylowane. Etanol, metanol, aceton, chlorek metylenu oraz octan etylu o czystości
cz. d. a. lub HPLC były używane bez oczyszczania. Następujące bezwodne rozpuszczalniki przygotowałem przez destylację w atmosferze argonu znad odpowiednich środków
suszących: DCM, heksan i pentan (znad CaH2 ), THF (znad K–benzofenon), toluen (znad
Na). Związek 19 otrzymano zgodnie z literaturą.21
40
Część V. Część eksperymentalna
8.2. Katalizatory
OH
Ph
Ph
O
N
N
1-izopopoksy-4-[(1-hydroksy-1,1-difenylo)metylo]-2-propenylobenzen (20)
Do roztworu t-BuLi (1,2 ml, 1,98 mmol, 1,20 equiv., 1.7 M w pentanie)
dodałem w temp. −78 ◦ C przy stałym mieszaniu roztwór 2-izopropoksy-5-bromostyrenu 19 (217 mg, 0.90 mmol) w suchym Et2 O (8 ml). Po
15 min. mieszania roztwór stał się klarowny, wtedy dodałem roztwór
Ph2 CO (197 mg, 1.08 mmol) w THF (2 ml) w temp −78 ◦ C. Mieszanina
reakcyjna była mieszana w tej temperaturze przez 1 godzinę a następnie
powoli ogrzana do temperatury pokojowej. Czysty produkt wydzieliłem na kolumnie chromatograficznej z żelem krzemionkowym (eluent:
AcOEt/c-heksan 2/8 v/v) jako bezbarwny olej (194 mg, 64%). MS (EI) m/z
344 (30, [M]+· ), 285 (7), 267 (20), 239 (5), 225 (83), 197 (10), 165 (8), 147
(20), 105 (100), 77 (83), 51 (20), 1 H NMR (400 MHz, CDCl3 ) δH /ppm:
1,35 (d, J = 6,0 Hz, 6H), 2,80 (1 H), 4,53 (s, J = 6,0 Hz, 1H), 5,17 (dd, J =
1,6, 11,3 Hz, 1H), 5,59 (dd, J = 1,6, 17,8 Hz, 1H), 6,75 (d, J = 8,6 Hz, 1H),
7.05 (dd, J = 17,9, 11,2 Hz, 1H), 7,28 (dd, J = 2,5, 8,6 Hz, 1H), 7,25-7,34
(m, 10H), 7,43 (d, J = 2,5 Hz, 1H), 13 C NMR (100 MHz, CDCl3 ) δC /ppm:
154,3, 147,0, 138,8, 131,9, 128,5, 127,9, 127,1, 126,9, 126,3, 114,3, 113,0, 81,8,
70,7, 22,2 .
Bis-(2,4,6-trimetylofenylo)imina glioksalu (21)
Do rozpuszczonej trietyloaniliny (84 ml, 0,3 mol) w 360 ml izopropanolu
dodałem mieszaninę składającą się z 40% wodnego roztwóru glioksalu
(34,4 ml 0,6 mol), 120 ml izopropanolu i 60 ml wody. Mieszanina reakcyjna byla mieszana w temperaturze 25 ◦ C przez 16 godzin i 4 godziny
w temperaturze 60 ◦ C. Następnie dodalem 1200 ml wody i wytrącił się
żółty osad, który odsączyłem na lejku Büchnera, przemyłem wodą i
wysuszyłem na pompie próżniowej. Otrzymałem 80,4 g produktu z wydajnością 89 % jako żółte ciało stałe. Analizy zgodne z danymi lit. a 1 H
NMR (400 MHz, CDCl3 ) δH /ppm: 2,19 (s, 12H), 2,32 (s, 6H), 6,93 (s, 4H),
8,13 (s, 2H), 13 C NMR (100 MHz, CDCl3 ) δC /ppm: 18,2, 20,7, 126,5, 128,9,
134,1, 147,4, 163,0 .
a
Arduengo, H. U.; Krafczyk, R.; Schmutzler, R.; Craig, H. A.; Goerlich, J. R.; Marshall, W. J.; Unverzagt, M. Tetrhedron 1999, 55, 14523.
41
8. Uwagi ogólne
N,N’-Bis-(2,4,6-trimetylofenyloamino)etan (22)
Do zawiesiny bis-(2,4,6-trimetylofenylo)iminy glioksalu (80,4 g, 0,275
mol) w mieszaninie 700 ml THF i 700 ml MeOH dodawalem porcjami
borowodorek sodu (43,5 g, 1,1 mol). Mieszanina reakcyjna byla mieszana w temperaturze 25 ◦ C przez 16 godzin. Następnie dodałem 300
ml wody i odparowalem rozpuszczalnik organiczny. Produkt wyekstrahowałem AcOEt (3 × 300 ml), wysuszyłem bezwodnym siarczanem
magnezu i odparowalem rozpuszczalnik. Otrzymałem 74,2 g produktu
z wydajnością 91%. Analizy zgodne z danymi lit.a 1 H NMR (400 MHz,
DMSO) δH /ppm: 2,22 (s, 6H), 2,44 (s, 12H), 3,67 (s, 4H), 6,96 (s, 4H), 13 C
NMR (100 MHz, DMSO) δC /ppm: 18,3, 20,9, 50,7, 129,4, 131,4, 132,3, 137,6 .
NH
NH
a
Arduengo, H. U.; Krafczyk, R.; Schmutzler, R.; Craig, H. A.; Goerlich, J. R.; Marshall, W. J.; Unverzagt, M. Tetrhedron 1999, 55, 14523.
F
B
F
F
F
N
N
Tetrafloroboran
1,3-bis-(2,4,6-trimetylofenylo)imidazolinowy
(23)
Mieszaninę N,N’-bis-(2,4,6-trimetylofenyloamino)etanu (74,2 g, 0,25 mol),
tetrafloroboranu amonu (26,2 g, 0.25 mol) oraz ortomrówczanu trietylu (833 ml, 5 mol) ogrzewałem w temperaturze 130 ◦ C przez 5 godzin.
Odparowałem ortomrówczan trietylu i sól krystalizowałem na gorąco z
EtOH. Otrzymałem 54,9 g produktu z wydajnością 56 % jako białe ciało
stałe. Analizy zgodne z danymi lit.a 1 H NMR (400 MHz, DMSO) δH /ppm:
2,28 (s, 6H), 2,36 (s, 12H), 4,48 (s, 4H), 7,08 (s, 4H), 9,22 (s, 1H), 13 C NMR
(100 MHz, DMSO) δC /ppm: 17,2, 20,5, 50,9, 129,3, 130,8, 135,3, 139,5, 160,2 .
a
Arduengo, H. U.; Krafczyk, R.; Schmutzler, R.; Craig, H. A.; Goerlich, J. R.; Marshall, W. J.; Unverzagt, M. Tetrhedron 1999, 55, 14523.
42
Mes
Cl
Cl
N
Część V. Część eksperymentalna
N Mes
Ru
O
OH
Ph
Ph
Katalizator 24
W atmosferze argonu w naczyniu Schlenka umieściłem kompleks 3 (65
mg, 0,075 mmol), CuCl (8,9 mg, 0.09 mmol) i DCM (4 ml). Następnie dodałem roztwór 20 (31 mg, 0.09 mmol) w DCM (2 ml) i prowadziłem
reakcjie w temperaturze 40 ◦ C przez 1 godzinę. Następnie odparowałem rozpuszczalnik na wyparce i oczyściłem katalizator na kolumnie
chromatograficznej z żelem krzemionkowym (eluent AcOEt/c-heksan
1/3 v/v). Po odparowaniu zebranej zielonej frakcji powstał zielony film,
który poddałem wytrącaniu z n-pentanu i wysuszyłem na pompie próżniowej. Otrzymałem zielone krystaliczne cialo stałe (60mg, 99%). IR (KBr)
ν/cm−1 3437, 2924, 2850, 1590, 1485, 1447, 1260, 1132, 1103, 1033, 936, 850,
758, 702, 1 H NMR (200 MHz, CDCl3 ) δH /ppm: 1,31 (d, J = 6,1 Hz, 6H),
2,26 (s, 6H), 2,48 (s, 12H), 2,65 (s, 1H), 4,18 (s, 4H), 4,91 (sept, J = 6,1 Hz,
1H), 6,75 (d J = 8,7 Hz, 1H), 6,85 (d, J = 2,2 Hz, 1H), 7,28-7,37 (m, 10H),
7,51 (dd, J = 8,7, 2,2 Hz, 1H), 16,40 (s, 1H), 13 C NMR (100 MHz, CDCl3 )
δC /ppm: 296,9, 211,8, 151,6, 146,6, 144,6, 141,2, 138,9, 129,7, 129,3, 127,9,
127,8, 127,2, 122,5, 112,5, 81,2, 77,2, 75,3, 51,5, 26,9, 21,1, 21,0 .
43
8. Uwagi ogólne
Mes
Cl
Cl
N
N Mes
Ru
O
NEt2
Katalizator 17
W atmosferze argonu w naczyniu Schlenka umieściłem kompleks 4 (65,2
mg, 0,1 mmol) i toluen (3 ml). Następnie dodałem roztwór 32 (74,2 mg,
0.3 mmol) w toluenie (0,3 ml) i prowadziłem reakcjie w temperaturze 120
◦
C przez 1 godzinę. Następnie odparowałem rozpuszczalnik na wyparce
i oczyściłem katalizator na kolumnie chromatograficznej z żelem krzemionkowym (eluent AcOEt/c-heksan 1/3 v/v). Po odparowaniu zebranej
brązowej frakcji powstał brązowy film, który poddałem wytrącaniu z
n-pentanu i wysuszyłem pod zmniejszonym ciśnieniem. Otrzymałem
brązowe krystaliczne cialo stałe (49,1 mg, 70%). Analizy zgodne z danymi lit.a IR (film) ν/cm−1 3437, 2972, 2919, 1600, 1544, 1512, 1480, 1446,
1398, 1355, 1305, 1266, 1253, 1205, 1145, 1120, 1075, 976, MS (EI) m/z 696
(6), 582 (5), 556 (5), 554 (9), 438 (9), 372 (5), 307 (7), 305 (40), 304 (100), 303
(85), 301 (7), 290 (8,5), 289 (19), 274 (7), 259 (4), 235 (6), 233 (17), 221 (52),
220 (17), 218 (26), 207 (13), 206 (70), 198 (11,5), 178 (25), 176 (36), 165 (11),
164 (93), 158 (15), 148 (10), 145 (9), 136 (18), 134 (11), 117 (19), 107 (7), 91
(11), 77 (13), 55 (11), 44 (18), 43 (11), 41 (14), 36 (13), 1 H NMR (500 MHz,
CDCl3 ) δH /ppm: 1,14 (t, J = 7,1 Hz, 6H), 1,42 (d, J = 6,1 Hz, 6H), 2,38 (s,
6H), 2,49 (s, 12H), 3,31 (t, J = 7,1 Hz, 4H), 4,15 (s, 4H), 4,86 (heptet, J =
6,1 Hz, 1H), 6,00 (d, J = 1,6 Hz, 1H), 6,12 (dd, J = 8,8, 2,2 Hz, 1H), 6,68
(d, J = 8,8 Hz, 1H), 7,04 (s, 4H), 15,65 (s, 1H), 13 C NMR (125 MHz, CDCl3 )
δC /ppm: 12,8, 20, 21,5, 25,8, 45,5, 55, 74,4, 96,3, 104,3, 115, 125,6, 129,7,
130,5, 138,3, 138,3, 138,8, 150,8, 155,8, 216,2, 298 .
a
Michrowska, A. Praca Magisterska, Politechnika Warszawska, Warszawa, Wydział Chemiczny, 2003.
44
Mes
Cl
Cl
N
Część V. Część eksperymentalna
N Mes
Ru
O
O
O
Katalizator 15
W atmosferze argonu w naczyniu Schlenka umieściłem kompleks 4 (103
mg, 0,165 mmol) i toluen (4 ml). Następnie dodałem roztwór 34 (171
mg, 0.825 mmol) w toluenie (1,5 ml) i prowadziłem reakcjie w temperaturze 120 ◦ C przez 1 godzinę. Następnie odparowałem rozpuszczalnik
na wyparce i oczyściłem katalizator na kolumnie chromatograficznej z żelem krzemionkowym (eluent AcOEt i DCM). Po odparowaniu
zebranej brązowo-zielonej frakcji powstał film, który poddałem wytrącaniu z n-pentanu i wysuszyłem na pompie próżniowej. Otrzymałem
oliwkowo-zielone krystaliczne cialo stałe (108 mg, 99%) zanieczyszczone dimerem asaronu 35 w ilości 20%. Analizy zgodne z danymi lit.a 1 H
NMR (500 MHz, CDCl3 ) δH /ppm: 2,41 (s, 6H), 2,46 (s, 12H), 3,78 (s, 3H),
3,79 (s, 3H), 3,84 (s, 3H), 4,15 (s, 4H), 6,36 (s, 1H), 6,43 (s, 1H), 7,08 (s, 4H),
7,37 (s, 1H), 16.03 (s, 1H), 13 C NMR (125 MHz, CDCl3 ) δC /ppm: 19,2, 21,1,
51,6, 56,2, 56,3, 58,9, 96,9, 105,4, 128,3, 129,7, 137,7, 138,6, 138,8, 144,6,
149,3, 150,7, 211,9, 294 .
a
Grela, K.; Kim, M. Eur. J. Org. Chem. 2003, 963.
8.3. Ogólna procedura modelowej reakcji RCM (Schemat 5.6)
W
ochronnej atmosferze naczyniu Schlenka umieściłem katalizator (1–5% mol. oraz
bezwodny DCM (10ml) i dodałem roztworu odpowiedniego kwasu (1–5% mol.)
w DCM (3ml). Następnie dodałem roztwór dienu 13 (1.0 mmol) w DCM (3ml) i prowadziłem reakcję w temperaturze pokojowej przez 0,5–16 h. Postęp reakcji kontrolowałem
za pomocą TLC oraz chromatografi gazowej (GC). Konwersję wyliczyłem na podstawie
GC używając n-nonanu jako wzorca.
8.4. Ogólna procedura modelowych reakcji RCM i En-yn (Schemat 5.8)
W
ochronnej atmosferze w naczyniu Schlenka umieściłem katalizator (2,5% mol.)
oraz bezwodny DCM (10ml) i dodałem roztwór dienu 13 (1.0 mmol) w DCM (3ml)
i prowadziłem reakcję w temperaturze pokojowej przez 0,5 h. Postęp reakcji kontrolowałem za pomocą TLC. Produkty wydzieliłem za pomocą chromatografii kolumnowej.
45
8. Uwagi ogólne
8.5. Produkty otrzymane w modelowych reakcjach RCM i En-yn (Schemat
5.8)
O S O
N
2,5-Dihydro-1-[(4-metylofenylo)sulfonylo]-1H -pirol (27)
Bezbarwne kryształy, analizy zgodne z danymi lit.,a IR (film) ν/cm−1
3048, 2910, 2854, 1928, 1595, 1492, 1476, 1450, 1336, 1305, 1288, 1161, 1103,
1070, 1017, 1001, 947, 819, MS (EI) m/z 223 (20, [M]+· ), 155 (25), 91 (100),
68 (80), 65 (52), 51 (12), 41 (44), 39 (52), 1 H NMR (200 MHz, CDCl3 )
δH /ppm: 2,42 (s, 3H), 4,12 (d, J = 4,5 Hz, 4H), 5,65 (d, J = 4,5 Hz, 2H), 7,32
(d, J = 8,3 Hz, 2H), 7,72 (d, J = 8,3 Hz, 2H), 13 C NMR (50 MHz, CDCl3 )
δC /ppm: 21,8 55,1, 125,7, 127,7, 130,0, 134,6, 143,7 .
a
Fürstner, A.; Liebl, M.; Lehmann, C.; Piquet, M.; Kunz, R.; Bruneau, C.; Touchard,
D.; Dixneuf, P. H. Chem. Eur. J. 2000, 6, 1847.
TsN
1-[(metylofenyl)sulfonyl]-3-winylo-2,5-dihydro-1H -pirol (29)
Bezbarwny olej, analizy zgodne z danymi lit.,a IR (film) ν/cm−1 2918,
2851, 1597, 1493, 1450, 1342, 1305, 1162, 1100, 1017, 814, 669, 588, 548„ 1 H
NMR (200 MHz, CDCl3 ) δH /ppm: 2,43 (s, 3H), 4,15-4,23 (m, 4H), 5,04 (d,
J = 17,7 Hz, 1H), 5,15 (d,J = 10,2 Hz, 1H), 5,64 (1H,), 6,35 (dd, J = 17,7 ,
10,2 Hz, 1H), 7,32 (d, J = 8,0 Hz, 2H), 7,73 (d, J = 8,2 Hz, 2H), 13 C NMR
(50 MHz, CDCl3 ) δC /ppm: 21,9, 53,8, 55,4, 117,1, 123,7, 127,9, 130,2, 130,3,
134,6, 137,9, 143,9 .
a
Fürstner, A.; Ackermann, L.; Gabor, B.; Goddard, R.; Lehmann, C.; Mynott, R.;
Stelzer, F.; Thiel, O. R. Chem. Eur. J. 2001, 7, 3236.
Część VI
Bibliografia
Bibliografia
[1] Uzasadnienie Szwedzkiej Królewskiej Akademii Nauk przyznania Nagrody Nobla w dziedzinie Chemii w roku 2005 http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2005/chemadv05.pdf
[2] Slugovc, C.; Burtscher, D.; Stelzer, F. Mereiter, K. Organometallic 2005, 24, 2255
[3] Gułajski, Ł.; Michrowska, A.; Bujak, R.; Grela, K. J. Mol. Catal. A: Chem. w druku
[4] Barbasiewicz, M.; Szadkowska, A.; Bujok, R.; Grela, K. Organometallic 2006, w druku
[5] Krause, I. O.; Zarka, M. T.; Anders, U.; Weberskirch, R.; Nuyken, O.; Buchmeiser, M. R.
Angew. Chem. Int. Ed. 2003,42 , 5965
[6] Astruc, D. New J. Chem. 2005, 29, 42
[7] Kingsbury, J. S.; Harrity, J. P. A.; Bonitatebus, P. J.; Hoveyda, A. H.; J. Am. Chem. Soc.
1999, 121, 791
[8] (a) Tranka, Grubbs, R. H. Acc. Chem. Res. 2001, 34, 18-29; (b) Fürstner, A. Angew. Chem.
2000, 112, 3140
[9] Buchmeiser, M. R. J. Chromatogr. A 2004, 1060, 43
[10] Grubbs, R. H.; Chang, S. Tetrahedron 1998, 54, 4413
[11] Ackerman, L.; Furstner, A.; Weskamp, T.; Kohl, J.; Herrmann, W. A.Tetrahedron Lett. 1999,
40, 4787
[12] Connon, S. J.; Blechert, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 43, 1900
[13] (a) Wakamatsu, H.; Blechert, S. Angew. Chem. 2002, 114, 832; (b) Angew. Chem. Int. Ed.
2002, 41, 794
[14] (a) Wakamatsu, H.; Blechert, S. Angew. Chem. 2002, 114, 2509; (b) Angew. Chem. Int. Ed.
2002, 41, 2403
[15] Buchman, N.; Wakamatsu, H.; Blechert, S. Synlett 2004, 4, 667
[16] (a) Grela, K.; Harutyunyan, S.; Michrowska, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 4038; (b)
Angew. Chem. 2002, 114, 4210
[17] Grela K., Kim, M. Eur. J. Org. Chem., 2003, 963
[18] Michrowska, A.; Gułajski, Ł; Grela, K. Chem. Commun., 2005, 841
[19] Michrowska, A. Rozprawa Doktorska, Instut Chemii Organicznej, PAN Warszawa 2006
[20] Ung, T.; Hejl, A.; Grubbs, R. H.; Schrodi, Y. Organometallic 2004, 23, 5399
[21] (a) Grela, K.; Tryznowski, M,; Bieniek, M. Tetrahedron Lett. 2002, 43, 6425; (b) Andrushko,
V.; Schwainn, D.; Tzschucke, C. Ch.; Michałek, F.; Horn, J.; Mossner, Ch.; Bannwarth, W.
Helvetica Chimica Acta 2005, 88, 936
[22] Tryznowski, M. Praca Magisterska, Wydział Chemiczny, Politechnika Warszawska, Warszawa 2003
[23] Arduengo, H. U.; Krafczyk, R.; Schmutzler, R.; Craig, H. A.; Goerlich, J. R.; Marshall, W. J.;
Unverzagt, M. Tetrahedron 1999, 55, 14523
[24] Jafarpour, L.; Hillier, A. C.; Nolan, S. P.; Organometalic 2002, 21, 442 i odn. tam cytowane
Rozdział 9
Wykaz stosowanych skrótów
AcOEt - octan etylu
DCM - 1,2-dichlorometan
MeOH - alkohol metylowy
EtOH - alkohol etylowy
Et2 O - eter dietylowy
Cy - grupa cykloheksylowa
t-Bu - grupa tert-butylowa
Me - grupa metylowa
Mes - grupa 2,4,6-trimetylofenylowa
Ph - grupa fenylowa
i-Pr - grupa izopropylowa
THF - tetrahydrofuran
TLC - chromatografia cienkowarstwowa
Ts - grupa p-toluenosulfonowa
v/v - stosunek objętości użytych rozpuszczalników
CM - (ang. Cross Metathesis) – metateza krzyżowa
RCM - (ang. Ring-Closing Metathesis) – metateza z zamknięciem pierścienia
ROM - (ang. Ring-Opening Metathesis) – metateza z otwarciem pierścienia
ROMP - (ang. Ring-Opening Metathesis Polymerization) – metatyczna polimeryzacja
cykloolefin z otwarciem pierścienia
ADMET - (ang. Acyclidiene Metathesis Polymerization) – metateza liniowych dienów,
w wyniku której powstają produkty wielkocząsteczkowe
En-yn - metateza wiązania podwójnego z potrójnym