TIỂU LUẬN môn xúc tác ĐỒNG THỂ xúc tác RHODIUM TRONG PHẢN ỨNG tạo LIÊN kết CARBON CARBON

Nhiều phản ứng mới được xúc tác bởi phức chất rhodi cho thấy nhiều hứa hẹn từ góc độ môi trường vì nước có thể được sử dụng như một dung môi hoặc dung môi duy nhất trong nhiều trường hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -ĐẶNG ĐÌNH MINH HUY

TIỂU LUẬN MÔN XÚC TÁC ĐỒNG THỂ

XÚC TÁC RHODIUM TRONG PHẢN ỨNG TẠO LIÊN KẾT

CARBON-CARBON

CHUYÊN NGÀNH: HÓA HỌC HỮU CƠ

MSHV: 19C51001 GVHD: PGS TS TRẦN HOÀNG PHƯƠNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2021

Nô ̣i dung

1 Giới thiệu 1

2 Sự tạo thành phức chất Rh hữu cơ 2

2.1 Phản ứng giữa phức Rh với hợp chất cơ kim 2

2.2 Phản ứng của phức aryl rhodium (I) 4

2.2.1 Phản ứng phân cắt proton của nối Rh-C 4

2.2.2 Phản ứng chuyển vị nội phân tử của phức aryl-rhodium 5

2.2.3 Phản ứng tạo nối C-C nhờ vào sự thay đổi số oxi hóa của Rh 6

3 Khả năng xúc tác của phức rhodium 6

3.1 Phản ứng cộng 1,4 vào alkene hoạt động 6

3.2 Phản ứng cộng vào carbonyl 9

3.3 Phản ứng cộng vào alkene không hoạt động và alkyne 11

3.4 Phản ứng tạo thành hợp chất carbonyl 14

4 Kết luận 15

Tài liệu tham khảo 17

1 Giới thiệu

Xúc tác kim loại chuyển tiếp đã có sự phát triển mạnh mẽ từ những năm thập niên

80 của thế kỷ 20 trong các quá trình chuyển hóa của tổng hợp hữu cơ Trong số đó, rhodium nổi lên như một loại xúc tác quan trọng trong việc tạo nối carbon-carbon (C-C) Ngoài ra, nó còn được biết là một trong những xúc tác thân thiện với môi trường do trong một số trường hợp nó có thể phản ứng trong điều kiện có mặt của nước hoặc dung môi là nước

Liên kết carbon-carbon được xem như là “trái tim” của hóa học hữu cơ bởi tầm quan trọng của nó trong việc tổng hợp ra những phân tử hữu cơ mới và thú vị Có nhiều phương pháp để hình thành nên nối C-C sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp Nổi tiếng nhất phải nhắc đến kim loại palladium với các phản ứng mang tên người tìm ra chúng như Kumada-Corriu,1 Mirozoki-Heck,2 Stille,3 Suzuki-Miyaura,4 Sonogashira,5 … (sơ đồ 1) cho phép kết hợp chéo các chất nền theo những cách mà trước đây được cho là không thể Càng ngày, việc áp dụng các phản ứng này càng trở thành nền tảng trong việc xây dựng hiệu quả các phân tử hữu cơ phức tạp

B(OH)2 + X

Pd cat.

Base Suzuki reaction

X: Halides

X: Halides

Pd cat.

Base Heck reaction

X: Halides

Pd cat.

Base Sonogashira reaction

R

R

R

R

Sơ đồ 1 Phản ứng ghép cặp với xúc tác palladium

Gần đây, các nhà hóa học phát hiện kim loại rhodium xúc tác cho các phản ứng hình thành liên kết C-C mới Từ quan điểm tổng hợp, những phản ứng này có thể kết hợp các thuốc thử thông thường theo những cách chưa được chứng minh với các chất xúc tác kim loại khác Nhiều phản ứng mới được xúc tác bởi phức chất rhodi cho thấy nhiều hứa hẹn

từ góc độ môi trường vì nước có thể được sử dụng như một dung môi hoặc dung môi duy nhất trong nhiều trường hợp Rhodium cũng được sử dụng trong các phản ứng tạo liên kết C-C mà không sử dụng tác nhân cơ kim Tìm hiểu về khả năng xúc tác của rhodium cho phản ứng tạo nối C-C là một trong những công việc quan trọng của các nhà tổng hợp hữu

cơ để từ đó có thể đề ra những phản ứng mới để tạo thành những chất mới có những tính chất đặc trưng phục vụ đời sống con người

2 Sự tạo thành phức chất Rh hữu cơ

2.1 Phản ứng giữa phức Rh với hợp chất cơ kim

Các hợp chất cơ kim sẽ phản ứng với các rhodium (I) halide để tạo thành phức Rh hữu cơ mới Năm 1968, Keim đã báo cáo phản ứng giữa phức [RhCl(PPh3)3] với phenylmagnesium bromide thu được chất rắn màu vàng với hiệu suất 90% (sơ đồ 2, phương trình 1).6 Tương tự, phức trimethylphosphine cũng được điều chế bằng cách thêm phenyllithium vào dung dịch [Rh(PMe3)4]Cl trong toluen ở -40 °C (sơ đồ 2, phương trình 2)

[RhCl(PPh 3 ) 3 ] PhMgBr

Et 2 O, rt, 24h Ph3P Rh Ph

Ph3P PPh3

[Rh(PMe3)4]Cl PhLi

PhMe, -40 oC to rt Me3P Rh Ph

Me 3 P PMe 3

(1)

(2)

Sơ đồ 2 Phản ứng giữa phức Rh với tác nhân cơ Mg (1) và cơ Li (2)

Việc lựa chọn dung môi có thể rất quan trọng trong các phản ứng này, được minh họa bằng phản ứng hoàn lưu trong toluene giữa [RhCl(PMe3)3] và methyllithium Thay vì tạo thành phức methyl rhodium như mong đợi, phức tolyl được tạo ra dưới dạng hỗn hợp

của các chất đồng phân ortho-, meta- và para- (sơ đồ 3).7

PhMe, reflux Me3P Rh Me

Me3P PMe3

Me3P PMe3

m-Sơ đồ 3 Phản ứng của phức [RhCl(PMe3)3] và MeLi trong dung môi toluene

Các tác giả đã đề xuất rằng, quá trình kim loại hóa dung môi diễn ra nhanh hơn phản ứng giữa hợp chất cơ kim với rhodium Sau đó, lithiotoluene tạo thành có thể tiếp tục phản ứng với phức rhodium chloride Một lời giải thích khác sau đó đã được Andersen và cộng sự đưa ra.8 Họ cho rằng có sự tạo thành nối C-H và là nguyên nhân dẫn đến kết quả này Để củng cố cho tuyên bố này, [RhMe(PMe3)3] đã được đun nóng ở 70 °C trong toluene, phức tolyl được tạo ra cùng với khí methane Khi phản ứng được chạy trong

toluen-d 8, CH3D được tạo ra Những kết quả này phù hợp với cơ chế liên quan đến sự

hình thành phức ŋ 2-arene Sau đó xảy ra sự chèn oxi hóa vào liên kết C-H của aryl Sự tách loại methyl sẽ tạo ra phức arylrhodium quan sát được (sơ đồ 4) Mặt khác, đun nóng phức rhodium-aryl trong dung môi thơm không tạo ra phức arene mới chứng tỏ rằng các phức rhodium-arene ít phản ứng với quá trình chèn oxi hóa

+

Rh

Me 3 P PMe 3 PhMe, 70 o C

Rh Me

PMe 3

Me 3 P

Me 3 P

R

H

Rh

Me

PMe 3

Rh

Me 3 P PMe 3

CH 4

Sơ đồ 4 Cơ chế tạo thành phức arene-rhodium từ [RhMe(PMe3)3] trong dung môi toluene Hầu hết các phức rhodium-aryl đã được điều chế bằng cách chuyển hóa với các tiền chất rhodium (I), thì các phức chất rhodium (II) cũng đã được sử dụng Phản ứng giữa [Rh2(CO2Me)4] với diphenylmagnesium và trimethylphosphine tạo ra phức [RhPh(PMe3)3] (sơ đồ 5) Có thể xảy ra sự khử một điện tử kèm theo việc tạo ra một gốc phenyl.9

Rh Rh O

O

O

O

O O O

O

Ph2Mg, PMe3

Me3P PMe3

Sơ đồ 5 Phản ứng tạo thành phức [RhPh(PMe3)3] từ phức Rh (II)

Phức aryl-rhodium (III) được điều chế theo cách tương tự như rhodium(I) halide Rhodium (III) chloride sẽ trải qua quá trình trao đổi ligand với nhiều tác nhân cơ kim khác nhau Ví dụ [RhCl3(tht)3] sẽ phản ứng với thuốc thử aryl Grignard để tạo phức trisaryl Phức hợp tris arene có thể bị khử khi có sự hiện diện của phối tử phosphine để tạo ra phức chất tris(phosphine)aryl rhodium(I) (sơ đồ 6).10

[RhCl 3 (tht) 3 ] ArMgBr, Et2O

- 78 o C to rt Rh

H

2 Ph

Rh PhMe 2 P Ar PhMe 2 P PMe 2 Ph

Ar: 2,6-dimethylbenzene

Sơ đồ 6 Phản ứng của phức Rh (III) 2.2 Phản ứng của phức aryl rhodium (I)

2.2.1 Phản ứng tách proton của nối Rh-C

Trong phản ứng tạo nối C-C, các xúc tác Rh dễ dàng xảy ra sự “demetalation” trong môi trường có proton Quá trình này xảy ra bởi vì nối aryl-rhodium nhạy cảm với các hydrogen linh động Phản ứng của [RhCOPh(PPh3)3] trong môi trường acid acetic tạo ra phức rhodium (I) acetate Tương tự, phức [RhCOPh(PPh3)3] tạo ra phức rhodium (I) chloride khi phản ứng với acid hydrochloric Cơ chế phản ứng trải qua sự tạo thành phức

Rh (III) bát diện trung gian từ phản ứng cộng oxi hóa của HCl vào phức (sơ đồ 7).11

3 COOH

Rh

O

H

O

Rh

Ph3P OCOMe

PhH

Rh

OC PPh3 HCl, THF

Rh

Cl

H

Rh

Ph3P Cl

PhH rt

Sơ đồ 7 Phản ứng tạo phức mới giữa [RhCOPh(PPh3)3] và acid Ngoài ra, khí hydrogen cũng đã được sử dụng để phân cắt liên kết rhodium-carbon trong các phức chất này Ví dụ: phức [RhPh(PPh3)3] phản ứng với hydrogen ở 650 psi để tạo ra phức rhodiumhydride và benzene (sơ đồ 8).6

Rh

Ph 3 P PPh 3 H 2 (650 psi)

Rh

PhH PhMe, 20h

Sơ đồ 8 Phản ứng tạo thành phức rhodiumhydride từ [RhPh(PPh3)3]

2.2.2 Phản ứng chuyển vị nội phân tử của phức aryl-rhodium

Năm 1969, Keim báo cáo rằng phản ứng của phức [RhPh(PPh3)3] trong môi trường khí carbon monoxide ở -40 ° C tạo ra phức cacbonyl [RhCOPh(PPh3)2].12 Theo dõi phản ứng bằng phổ hồng ngoại phát hiện có sự hiện diện của hợp chất carbonyl khác Ở -20 °C, người ta đã xác định được [RhPh(PPh3)3] phản ứng với 2 đương lượng CO để tạo thành phức 5 cấu tử Khi làm ấm mẫu đến nhiệt độ phòng, một phức mới có dải IR trong vùng cacbonyl có thể được phát hiện, cho thấy CO đó đã chèn vào liên kết Rh-C để tạo ra [RhCO(PhCO)(PPh3)2] (sơ đồ 9) Tuy nhiên phức trên không cô lập được

Ph 3 P PPh 3 - Ph 3 P

+ Ph 3 P

Rh

Ph3P

Ph 3 P

Ph + CO

- CO Ph3P Rh Ph

+ CO

- CO [Rh(PPh3)2(CO)2Ph]

(Ph 3 P) 2 (OC)Rh

Ph O

Sơ đồ 9 Sự chuyển vi nội phân tử của CO vào nhóm phenyl trong phức Rh

Năm 1974, Vol’pin báo cáo rằng phản ứng của phức [RhPh(PPh3)3] trong dung môi benzene với CO2 tạo thành phức hợp rhodium-benzoate.13 Sau đó cho phức benzoate phản ứng với BF3 trong methanol để tạo thành methyl ester hay với HCl để tạo thành acid acetic (sơ đồ 10)

Rh

Ph 3 P PPh 3 CO 2 (300 psi)

PhH, rt, 24h Ph3P Rh O

Ph 3 P PPh 3

MeOH, BF 3

HCl

PhCO 2 Me PhCO 2 H

Sơ đồ 10 Sự tạo thành phức rhodium-benzoate từ [RhPh(PPh3)3] và CO2 trong benzene

2.2.3 Phản ứng tạo nối C-C

Hegedus đã báo cáo phản ứng alkyl/aryl hóa các acyl chloride từ phức rhodium Phản ứng giữa phức aryl-rhodium và acetyl chloride trong THF ở -78 °C tạo ra benzophenone với hiệu suất tốt và tái tạo lại phức rhodium-chloride.14 Ngay cả các nhóm alkyl mạch thẳng cũng có thể được sử dụng theo quy trình này Cơ chế được đề xuất xảy

ra thông qua quá trình cộng oxi hóa để tạo ra phức chất rhodium (III) bát diện, tiếp theo là

sự khử loại của các phối tử acyl và aryl Phức rhodium-chloride tạo thành khá trơ trong điều kiện phản ứng

Rh

O Cl

(Ph 3 P) 2 (OC)PhRh Cl

COMe

O

Ph 3 P Cl

Sơ đồ 11 Phản ứng tạo thành acetophenone từ phức rhodium-chloride và acetyl chloride

3 Khả năng xúc tác của phức rhodium

3.1 Phản ứng cộng 1,4 vào alkene hoạt động

Sự cộng liên hợp 1,4 vào alkene hoạt động là một phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ Việc sử dụng chất xúc tác kim loại kết hợp với tác nhân cơ kim là đặc biệt hiệu quả và kim loại được sử dụng phổ biến nhất là đồng.15 Tuy nhiên phản ứng trên thường yêu cầu sử dụng nhiệt độ thấp và các điều kiện phản ứng khan nghiêm ngặt Xúc tác rhodium được xem như là một sự thay thế hấp dẫn thay cho xúc tác đồng truyền thống

vì chúng không nhạy với nước, xảy ra trong điều kiện êm dịu và có thể được thực hiện với nhiều loại chất nền

Năm 1997, Miyaura đã báo cáo phức rhodium (I) xúc tác cho phản ứng cộng 1,4 của aryl, alkenyl boronic acid vào carbonyl bất bão hòa với hiệu suất cao.16 Nhóm nghiên cứu

đã sử dụng phức [Rh(acac)(CO)2] như làm nguồn cung cấp Rh (I), một loạt các ligand đã được khảo sát Các ligand bis(phosphine) với góc nối lớn cho kết quả tốt nhất Tác giả cũng lưu ý rằng sự hiện diện của nước là cần thiết để phản ứng xảy ra tốt (sơ đồ 12) Điều kiện êm dịu là cần thiết để trả xảy ra sự ngưng tụ aldol Phản ứng cho độ chọn lọc hóa học cao

O

+ R3B(OH) 2

[Rh(acac)(CO) 2 ] / ligand aqueous solvent, 50 oC R

O

R3 R1 = H, Me, Ph

R2 = H, Me, Bu, Ph

R3 = aryl, alkenyl Ligand effect: dppb > dppp > TFP > PPh 3

Sơ đồ 12 Phản ứng cộng 1,4 giữa aryl, alkenyl boronic acid và carbonyl bất bão hòa với

xúc tác Rh (I) Năm 1998, Hayashi đã báo cáo về phản ứng chọn lọc lập thể đầu tiên của quá trình chuyển hóa này.17 Để thu được hiệu quả và chọn lọc lập thể cao, dung môi sử dụng là hỗn hợp 10/1 của dioxan và nước, nhiệt độ được tăng lên 100 ° C, và nguồn rhodium sử dụng chuyển từ [Rh(acac)(CO)2] thành [Rh(acac)(C2H4)2] Việc thay đổi nguồn rhodium được

để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra phức rhodium-BINAP Lợi ích của việc sử dụng [Rh(acac)(C2H4)2] được minh họa ở sơ đồ 13

O + PhB(OH)2

[Rh(I)] / (S)-BINAP

dioxane/H 2 O (10/1), 100 oC

O

Ph

O

O

4

96% ee

Sơ đồ 13 Phản ứng chọn lọc lập thể giữa carbonyl bất bão hòa và phenyl boronic acid với

xúc tác [Rh (I)] / (S)-BINAP

Cơ chế phản ứng được đề nghị bởi Hayashi bao gồm một chu trình trải qua nhiều gian đoạn Chu trình xúc tác cho phản ứng cộng 1,4 giữa aryl, alkenylboronic acid vào carbonyl bất bão hòa được thể hiện trong sơ đồ 14 (minh họa cho phản ứng với cyclohexenone).18 Chất tiền xúc tác thường là phức bis(phosphine)rhodium-(I) A Phức A được chuyển đổi thành phức rhodium-hydroxide B phản ứng mạnh hơn đối với sự

chuyển hóa kim loại vớiphản ứng mạnh hơn đối với sự chuyển hóa kim loại với acid

boronic hữu cơ Sụ chuyển hóa phức kim loại sẽ chuyển đổi phức B thành phức rhodium-aryl C Phức rhodium-aryl-rhodium C có thể phản ứng theo hai cách trong môi trường phản ứng.

Một là phản ứng phụ không mong muốn của sự thủy phân của liên kết arylrhodium để tạo

thành phức rhodium-hydroxide B và sản phẩm bị bị proton hóa Ar-H Hai là phản ứng

phối trí của phức Rh vào alkene dẫn đến sự chèn xen kẽ và chọn lọc đối phân của alkene vào liên kết Rh-C Quá trình này sẽ tạo ra liên kết carbon-carbon mới và phức

rhodiumoxa-π-allyl D Sự proton hóa phức D sẽ giải phóng sản phẩm và tái tạo chất xúc tác rhodium-hydroxide B.

[Rh(acac)(C 2 H 4 ) 2 ] + BINAP

[Rh(acac)(P) 2 ]

P 2 Rh-OH acac H2O

H 2 O

ArB(OH) 2

P 2 Rh-Ar H2O Ar-H + P 2 Rh-OH

O O

Rh P Ar P Ar

O Rh

P P

H 2 O Ar

(B)

(B) (C)

(D)

P 2 = BINAP

Sơ đồ 14 Chu trình xúc tác của phản ứng cộng 1,4 vào alkene hoạt động của acid boronic

hữu cơ

3.2 Phản ứng cộng vào carbonyl

Phản ứng cộng carbon thân hạch vào các hợp chất cacbonyl là một chiến lược thường được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ để hình thành các liên kết cacbon-cacbon Sự thành công của các phản ứng này phụ thuộc vào việc bảo vệ các nhóm chức nhạy cảm và loại bỏ các proton có tính axit khỏi chất nền Do đó, một chiến lược mới sử dụng các chất thân hạch không nhạy cảm để giảm thiểu quá trình bảo vệ là hấp dẫn Tương tự phản ứng cộng 1,4, xúc tác rhodium đã cung cấp cho các nhà hóa học những lựa chọn thay thế hấp dẫn cho tác chất tựa Grignard đã trở nên phổ biến trong hóa học hữu cơ

Năm 1998, Miyaura đã báo cáo rhodium xúc tác cho phản ứng cộng của aryl và alkenyl boronic acid vào aldehyde để tạo thành alcohol bậc 2 với hiệu suất cao (sơ đồ 15).19 Các phản ứng xảy ra thuận lợi bởi sự hiện diện của một nhóm rút electron trên aldehyde và một nhóm cho electron trên aryboronic acid, cho thấy rằng cơ chế liên quan đến sự tấn công thân hạch của nhóm aryl vào aldehyde

H O + PhB(OH)2

[Rh(acac)(COE) 2] / t-Bu3 P DME or dioxane / H 2 O

OH

Sơ đồ 15 Phản ứng tạo thành alcohol bậc hai từ aldehyde và phenyl boronic acid với xúc

tác [Rh(acac)(COE)2] Việc lựa chọn thích hợp nguồn rhodium, ligand thêm vào, dung môi và nhiệt độ phản ứng cho phép phản ứng hướng đến việc cộng 1,2 hoặc 1,4 (minh họa ở sơ đồ 16).20

Sử dụng xúc tác được điều chế từ [Rh(acac)(COE)2] và t-Bu3P (tỷ lệ 1:1) trong hỗn hợp DME / H2O (3/2) ở nhiệt độ phòng tạo ra sản phẩm cộng 1,2 với hiệu suất lên đến 90% Khi thay đổi phức rhodium thành [Rh(COD)(MeCN)2]BF4 và không thêm ligand vào trong hỗn hợp metanol / nước (6/1) ở nhiệt độ phòng sẽ tạo ra sản phẩm cộng 1,4 Nếu tăng nhiệt độ lên 50 ° C thì tạo ra hỗn hợp hai sản phẩm

O

PhB(OH) 2

[Rh(COD)(MeCN) 2 ]BF 4

MeOH/H 2 O (6/1), 25 oC

O Ph

PhB(OH) 2

[Rh(acac)(COE) 2]/t-Bu3 P DME/H 2 O (3/2), 25 oC

OH

Sơ đồ 16 Điều kiện phản ứng ảnh hưởng đến quá trình cộng vào hợp chất carbonyl của

phenyl boronic acid

Cơ chế của những phản ứng này trải qua nhiều quá trình cơ bản giống như phản ứng cộng 1,4 với xúc tác rhodium (sơ đồ 17) Bắt đầu với phức rhodium (I), quá trình chuyển hóa kim loại sẽ tạo ra phức aryl hoặc alkenylrhodium Sau đó, aldehyde phối trí vào phức bằng cách chèn liên kết C=O vào nối carbon tạo thành liên kết rhodium-alkoxide Sau đó, liên kết này sẽ bị thủy phân trước khi xảy ra quá trình chuyển hóa kim loại tiếp theo với một aryl boronic acid khác Khi các ester arylboronic hoặc tetraphenylborate được sử dụng trong điều kiện khan, quá trình chuyển hóa có thể xảy ra trực tiếp với rhodium alkoxide để tạo ra phức aryl rhodium mới và không tái tạo lại phức Rh-OH