Catalitzadors de metàtes

A partir del coneixement del mecanisme es van poder desenvolupar tota una sèrie de complexes metall-alquilidè32 _{actius en la metàtesi, que permetien treballar en}

condicions de reacció més suaus i que eren compatibles amb la presència de grups funcionals.

El primer d’ells que va ser utilitzat d’una forma general és el complex de molibdè

1 (Figura 9), introduït per Schrock.33 Però la seva gran afinitat per l’oxigen el fa molt sensible a l’aire i a l’aigua i, per tant, el seu ús requereix d’una gran precaució. A més és incompatible amb la presència de grups hidroxil i carbonil. Tot i això, ha estat força utilitzat, ja que fins fa poc era el catalitzador més actiu que es coneixia i l’únic que permetia la formació d’olefines tri- i tetrasubstituïdes per metàtesi.

  Figura 9. Catalitzadors d’Schrock i de Grubbs

L’avenç més important va arribar amb la introducció per part de Grubbs34 _dels

alquilidens de ruteni de tipus 2. Aquests catalitzadors (el terme precatalitzador o iniciador és més rigorós) són menys actius i molt sensibles als impediments estèrics, però més senzills de preparar i estables a l’aire a temps curts, malgrat que cal treballar-hi en atmosfera inert. A més són compatibles amb una gran quantitat de grups funcionals (alcohols, carbonils), i per tant s’han convertit en els més utilitzats. El complex 2b (Figura 9) ha estat comercialitzat i es coneix com a catalitzador de Grubbs de primera generació, tot i que presenta com a principals desavantatges la seva limitada estabilitat i baixa activitat envers olefines substituïdes.

32_{.- Bieniek, M.; Michrowska, A.; Usanov, D.L.; Grela, K. Chem. Eur. J. 2008, 14, 806.}

33_{.- Schrock, R.R.; Murdzek, J.S.; Bazan, G.C.; Robbins, J.; DiMare, M.; O’Reagan, M; J. Am. Chem.} Soc. 1990, 112, 3875.

34_{.- a) Nguyen, S.T.; Grubbs, R.H.; Ziller, J.W.; J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 9858, b) Schwab, P.;} France, M.B.; Ziller, J.W.; Grubbs, R.H.; Angew. Chem. Int. Ed. Eng., 1995, 34, 2039. 

Posteriorment, Grubbs35 _{ha descrit modificacions d’aquests alquilidens de ruteni}

incorporant diverses bases de Schiff derivades de salicilaldehids com a lligands quelatants, amb el que s’aconsegueix una major estabilitat del complex (vegeu 3 a Figura 10). Una altra variació descrita per Hoveyda36 _{incorpora un lligand quelatant}

derivat d’orto-isopropoxiestirè i també augmenta l’estabilitat del complex, permetent que el catalitzador fins i tot pugui ser recuperat per cromatografia (vegeu 4 a Figura 10, catalitzador de Grubbs-Hoveyda de primera generació que ha esdevingut comercial).

Figura 10. Altres alquilidens de ruteni emprats com a catalitzadors de metàtesi

Per una altra banda, una segona generació de catalitzadors de ruteni, 5a i 5b (Figura 11) incorporen carbens N-heterocíclics (NHC) d’Arduengo com a lligands substitutius d’una fosfina. Es coneixen com a catalitzadors de Grubbs de segona generació37 _{(Figura 11).}

Figura 11. Catalitzadors de Grubbs de segona generació

El mecanisme generalment acceptat es dissociatiu, amb una primera etapa de dissociació de la fosfina (k1) i una segona etapa de coordinació de l’olefina (k2)

(esquema 21). L’augment de l’activitat catalítica dels catalitzadors de Grubbs de segona generació respecte del de primera generació es va atribuir inicialment a una       

35_{.- Chang, S.; Jones II, L.; Wang, C.; Henling, L.H.; Grubbs, R.H. Organometallics 1998, 17, 3460.} 36_{.- Kingsbury, J.S.; Harrity, J.P.A.; Bonitatebus, P.J.; Hoveyda, A.H. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121,}

791.

37_{.- Weskamp, T.; Schattenmann, W.C.; Spiegler, M.; Herrmann, W.A.; Angew. Chem. Int. Ed. Engl.}

1998, 37, 2490, b) Huang, J.; Stevens, E.D.; Nolan, S.P.; Petersen, J.L.; J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 2647, c) Scholl, M.; Trnka, T.M.; Morgan, J.P; Grubbs, R.H.; Tetrahedron Lett. 1999,

40, 2247, d) Ackermann, L.; Fürstner, A.; Weskamp, T.; Kohl, F.J; Herrmann, W.A.; Tetrahedron Lett. 1999, 40, 4787. 

més ràpida dissociació del lligand fosfina (etapa d’iniciació, k1). Es creia també que els

lligands NHC presentaven un caràcter σ-donador més pronunciat que les fosfines. Però estudis posteriors38 més aprofundits demostren que aquestes dues suposicions no són certes. Així, tot i que els catalitzadors de segona generació són molt més actius, el procés d’iniciació per dissociació de la fosfina és més lent (menor k1). Però la

propagació del cicle catalític és més ràpida i eficient, donat que els catalitzadors de Grubbs de segona generació presenten una major preferència per la coordinació de l’olefina respecte a la re-associació de la fosfina (k-1/k2 menor) (esquema 21). Malgrat

el fort caràcter σ-donador dels lligands NHC, s’ha trobat que aquests donen menys densitat electrònica al metall que les fosfines. Són menys làbils que les fosfines i confereixen més estabilitat als complexos metàl·lics, donat que l’enllaç Ru-NHC és més fort que l’enllaç Ru-PR3.

  Esquema 21. Mecanisme dissociatiu

Els complexos de segona generació 5 són molt més actius que els de primera generació 2, i en alguns casos fins i tot que el catalitzador de Schrock. Són més estables tèrmicament i més resistents a l’aigua i a l’oxigen. També són compatibles amb la majoria de grups funcionals, i poden formar olefines tri- i tetrasubstituïdes, reaccions que no eren possibles amb el catalitzador de primera generació. El complex

5a és comercial, però de preu elevat.

Grubbs va trobar que el catalitzador 5a, el qual conté el carbè N-heterocíclic saturat (SIMes) presenta una major activitat catalítica que el que conté el carbè N- heterocíclic insaturat (IMes), 5b.39

38_{.- a) Sandford, M. S.; Love, J. A.; Grubbs, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 6543. b) Getty, K.;} Ulises, M. D-J.; Kennepohl, P. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 15774. c) Torker, S., Merki, D.; Chen, P. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4808.

Si es substitueix la fosfina restant pel lligand quelatant de Hoveyda s’obté un catalitzador que ofereix una millor activitat enfront de certs tipus de substrats (olefines electro-deficients). A més, és molt robust i estable i, ofereix avantatges pel que fa a la reciclabilitat40 _{(vegeu 6a, Figura 12). Grela}41 _{i Blechert,}42 _{entre d’altres, han descrit}

noves modificacions, introduint grups que fan més fàcil la dissociació del lligand de Hoveyda (vegeu 6b i 6c, figura 12), ja sigui per efectes electrònics o per efectes estèrics. Aquesta família de complexos es coneix amb el nom de catalitzadors de Grubbs-Hoveyda de segona generació, i el 6a també ha esdevingut comercial.

  Figura 12. Catalitzadors de tipus Grubbs-Hoveyda II ó de segona generació

També s’han descrit modificacions dels catalitzadors alquilidènics de ruteni que permeten realitzar reaccions de metàtesi en medi aquós,43 _{en líquids iònics,}44 _{així com}

versions asimètriques dels catalitzadors de segona generació.45

Molt recentment, Grubbs ha descrit l’ús de lligands bidentats basats en L- prolina per a la preparació de catalitzadors de metàtesi46 _{(complexos 7a i 7b, Figura}

13). El mecanisme d’iniciació del catalitzador 7a no es coneix encara i s’està investigant, atès que tant la prolina com la triciclohexilfosfina es poden dissociar del ruteni per formar un intermedi actiu de 14 e- _{en el primer pas del cicle catalític.}

40_{.- Garber, S.B.; Kingsbury, J.S.; Gray, B.L.; Hoveyda, A.H. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 8168.} 41_{.- a) Grela, K.; Harutyunyan, S.; Michrowska, A.; Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 4038. b)}

Michrowska, A.; Bujok, R.; Harutyunyan, S.; Sashuk, V.; Dolgonos, G; Grela, K. J. Am. Chem.

Soc. 2004, 126, 9318.

42_{.- Wakamatsu, H.; Blechert, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2403.}

43_{.- a) Hong, S. H.; Grubbs, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3508. b) Burtscher, D.; Grela, K.} Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 442. 

44_{.- Kim, J.H.; Park, B.Y.; Chen, S-W.; Lee, S. Eur. J. Org. Chem. 2009, 2239.}

45_{.- a) Seiders, T. J.; Ward, D.W.; Grubbs, R.H. Organic Letters 2001, 3, 3225. b) Van Veldhuizen,} J.J.; Kingsbury, J.S.; Hoveyda, A.H. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4954. c) Vehlow, K.; Maechling, S.; Blechert, S. Organometallics. 2006, 25, 25. d) Vougioukalakis, G. C.; Grubbs, R. H. Chem. Eur. J. 2008, 14, 7545.  

46_{.- a) Samec, J. S. M.; Grubbs, R. H. Chem. Commun. 2007, 2826. b) Samec, J. S. M.; Grubbs, R.} H. Chem. Eur. J. 2008, 14, 2686. 

Figura 13. Catalitzadors basats en lligands L-prolina