Idrogenazione per trasferimento
L'idrogenazione per trasferimento è l'aggiunta di idrogeno (H2; diidrogeno in chimica inorganica e organometallica) a una molecola da una sorgente oltre H2 nella fase gassosa. Il composto reagente che ha l'atomo H-donore viene detto agente di trasferimento. La reazione avviene sulla superficie di un solido solitamente organometallico detto substrato. I composti gassosi reagenti si depositano sulla superficie del substrato dove vengono adsorbiti ed avviene il trasferimento protonico (idrogenazione).
Viene applicata nell'industria e nella sintesi organica, in parte a causa dell'inconveniente e della spesa dell'uso di gas H2.
Un'applicazione in grande scala è la liquefazione del carbone usando "solventi donori" come la tetralina.[1][2]
Catalizzatori organometallici modifica
Nell'area della sintesi organica, è stata sviluppata una famiglia di catalizzatori d'idrogenazione per trasferimento basata sui complessi del rutenio e del rodio, spesso con ligandi come le diammine o la fosfina.[3] Un precursore del catalizzatore rappresentativo è derivato dal (Cimene)rutenio dicloruro dimero e il composto derivato dal gruppo tosilato difeniletilenediammina. Queste catalisi sono sviluppate primariamente per la riduzione di chetoni e immine ad alcoli e ammine. L'atomo H-donore (agente trasferimento) è tipicamente alcol isopropilico, che si converte in acetone al momento della donazione dell'idrogeno. L'idrogenazione per trasferimento procede con alta enantioselettività quando il composto iniziale è prochirale:
- RR'C=O + Me2CHOH → RR'C*H-OH + Me2C=O
dove RR'C*H-OH è il prodotto chirale. Un tipico catalizzatore è (cimene)R,R-HN=CHPhCHPhNTs, dove Ts = SO2C6H4Me ed R,R si riferisce alla configurazione assoluta dei due centri di carbonio chirali. Questo lavoro è stato riconosciuto con il Premio Nobel 2001 in chimica a Ryōji Noyori.[4] Un'altra famiglia di agenti d'idrogenazione per trasferimento sono basati sugli alcossidi di alluminio, come l'isopropilossido di alluminio nella riduzione MPV; tuttavia le loro attività sono relativamente basse rispetto alle transizioni dei sistemi organometallici.
Catalizzatori senza metallo modifica
Prima dello sviluppo dell'idrogenazione catalitica, sono stati sviluppati molti metodi per l'idrogenazione di substrati insaturi. Molti di questi metodi sono solo di interesse storico e pedagogico.
Diazina modifica
Un importante agente di idrogenazione per trasferimento è la diimmide o (NH)2, anche detto diazina. Questo si ossida al composto molto stabile dell'azoto molecolare (N2):
La diimmide viene generata dall'idrazina.
Idrocarburi modifica
Due idrocarburi che possono servire da donori di idrogeno sono il cicloesene e il cicloesadiene. In questo caso, si forma un alcano, insieme al benzene. Il guadagno di energia di stabilizzazione aromatica quando si forma il benzene è la forza trainante della reazione. Come substrato catalizzatore si utilizza un composto con un metallo di transizione del gruppo 10B, come il Pd, sviluppando una temperatura di 100 °C. Molte idrogenazioni per trasferimento esotiche sono state studiate, inclusa questa intramolecolare che segue:
Alcoli e ammine modifica
Molte reazioni avvengono con alcoli o ammine come donori di protoni, e metalli alcalini come donori di elettroni. Di valore fondamentale è riduzione di Birth di areni (nome degli Idrocarburi aromatici) mediata dal metallo sodio. Meno importante al momento è la Riduzione di Bouveault-Blanc degli esteri. La combinazione di magnesio e metanolo viene usata nella riduzione degli alcheni, e.g. la sintesi dell'asenapina:[5]
Catalizzatori organici modifica
L'Idrogenazione per trasferimento organocatalitica è stata compiuta dal gruppo di Yang nel 2004 in un sistema con un estere di Hantzsch come idruro H-donore e un catalizzatore di ammina:[6]
L'Idrogenazione per trasferimento asimmetrica (ATH) è la riduzione di composti prochirali alla presenza di catalizzatori chirali. In questa particolare reazione studiata il substrato è un composto carbonilico α,β-insaturo. L'atomo donore del protone viene ossidato alla forma piridina e assomiglia al coenzima biochimicamente rilevante NADH. Nel ciclo catalitico della reazione l'ammina e l'aldeide formano inizialmente uno ione imminio, allora il trasferimento del protone avviene per idrolisi del legame imminio rigenerando la catalisi. Utilizzando un derivato dell'imidazolidinone chirale come organocatalizzatore di MacMillan è stata ottenuta una enantioselettività dell'81% di ee:
Idrogenazione per trasferimento organocatalitica asimmetrica, Yang 2004
Il gruppo di MacMillan ha pubblicato indipendentemente una reazione asimmetrica molto simile nel 2005:[7]
Idrogenazione per trasferimento organocatalitica asimmetrica (ATH), MacMillan 2005
In un caso interessante di stereoconvergenza, sia l'E-isomero e lo Z-isomero in questa reazione rende lo (S)-enantiomero.
Estendere l'ambito di questa reazione verso i chetoni o piuttosto gli enoni richiede una regolazione fine del catalizzatore (aggiunta di un gruppo benzile e sostituzione del gruppo t-butile con un furano) e dell'estere di Hantzsch (aggiunta di gruppi massicci t-butile):[8]
Idrogenazione per trasferimento organocatalitica, Tuttle 2006
Con un differente organocatalizzatore, l'idrogenazione può effettuarsi per le immine. In una reazione studiata da Rueping (2006) il catalizzatore è il BINOL derivato dall'acido fosforico, il substrato la chinolina e il prodotto un tetradeidrochinolina chirale in una reazione a cascata con 1,4-addizione, isomerizzazione e 1,2-addizione:[9]
Riduzione immina con idrogenazione per trasferimento, Rueping 2006
Il primo passo è la protonazione dell'atomo di azoto della chinolina tramite acido fosforico formando un transiente ione imminio chirale.
Si è notato che con catalizzatori tradizionali basati su metalli, tende a formarsi l'idrogenazione di substrati aromatici o eteroaromatici.
Note modifica
- ^ (EN) Speight, J. G., The Chemistry and Technology of Coal, New York, MD, 1983, p. 226, ISBN 0-8247-1915-8.
- ^ (EN) Muñiz Kilian Dr., Bifunctional Metal-Ligand Catalysis: Hydrogenations and New Reactions within the Metal-(Di)amine Scaffold, in Angew. Chem. Int. Ed., vol. 44, n. 41, 2005, pp. 6622-6627, DOI:10.1002/anie.200501787, PMID 16187395.
- ^ (EN) T. Ikariya; K. Murata; R. Noyori, Bifunctional Transition Metal-Based Molecular Catalysts for Asymmetric Syntheses, in Org. Biomol. Chem, vol. 4, n. 3, 2006, pp. 393-406, DOI:10.1039/B513564H.
- ^ (EN) Shimizu, H.; Nagasaki, I.; Matsumura, K.; Sayo, N., Saito, T., Developments in Asymmetric Hydrogenation from an Industrial Perspective, in Acc. Chem. Res., vol. 40, n. 12, 2007, pp. 1385-1393, DOI:10.1021/ar700101x.
- ^ (EN) M. V. D. Linden; T. Roeters; R. Harting; E. Stokkingreef; A. S. Gelpke; G. Kemperman, Debottlenecking the Synthesis Route of Asenapine, in Org. Process Res. Dev., vol. 12, n. 2, 2008, pp. 196-201, DOI:10.1021/op700240c.
- ^ (EN) Yang J.W.; Hechavarria Fonseca M.T e Benjamin List Prof. Dr., A metal-free transfer hydrogenation: organocatalytic conjugate reduction of alpha,beta-unsaturated aldehydes, in Angew. Chem. Int. Ed., vol. 43, n. 48, 2004, pp. 6660-6662, DOI:10.1002/anie.200461816, PMID 15540245.
- ^ (EN) Stéphane G. Ouellet; Jamison B. Tuttle; David W. C. MacMillan, Enantioselective organocatalytic hydride reduction, in J. Am. Chem. Soc., vol. 127, n. 1, 2005, pp. 32-33, DOI:10.1021/ja043834g, PMID 15631434.
- ^ (EN) Jamison B. Tuttle; Stéphane G. Ouellet; David W. C. MacMillan, Organocatalytic transfer hydrogenation of cyclic enones, in J. Am. Chem. Soc., vol. 128, n. 39, 2006, pp. 12662-12663, DOI:10.1021/ja0653066, PMID 17002356.
- ^ (EN) Magnus Rueping Prof.; Andrey P. Antonchick Dr.; Thomas Theissmann, A highly enantioselective Brønsted acid catalyzed cascade reaction: organocatalytic transfer hydrogenation of quinolines and their application in the synthesis of alkaloids, in Angew. Chem. Int. Ed. En., vol. 45, n. 22, 2006, pp. 3683-3686, DOI:10.1002/anie.200600191, PMID 16639754.
