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 | modifica wikitesto]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 | modifica wikitesto]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 | modifica wikitesto]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 | modifica wikitesto]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 | modifica wikitesto]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 | modifica wikitesto]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 | modifica wikitesto]- ^ (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.
