1.1. Phản ứng khử trong tổng hợp hữu cơ
1.1.2.1. Khử hóa hydro xúc tác các alkene
Sự hydro hóa xúc tác các alkene diễn ra trên bề mặt của xúc tác kim loại dị thể, như được trình bày trong hình 1.26. Đầu tiên là phản ứng của phân tử hydro với kim loại chuyển tiếp để hình thành một phần tử mới với các nguyên tử hydro gắn lên bề mặt kim loại. Các phần tử kim loại chứa hydro này sau đó phản ứng với alkene hình thành một phức η2. Kí hiệu η tượng trưng cho độ phối trí của phối tử tới kim loại
trung tâm. Chỉ số “2” chỉ rằng phối tử gắn với kim loại bằng 2 electron, một phối tử cho 2 electron.
Sự di chuyển một nguyên tử hydro tới carbon của alkene thu được phức η1, di chuyển nguyên tử hydro thứ hai từ kim loại tới carbon cịn gắn trên bề mặt giải phóng sản phẩm alkan và khôi phục lại kim loại với bề mặt sạch để tiếp tục phản ứng.
Hình 1.26. Cơ chế giả định cho sự khử hydro hóa xúc tác sử dụng xúc tác dị thể
Cơ chế chung trên chỉ mang tính giả định, vì bề mặt kim loại rỗng, xốp và có thể chứa các nguyên tử kim loại với nhiều hơn một trạng thái phối trí đối với xúc tác dị thể. Cơ chế chính xác cho sự hoạt động của các xúc tác dị thể vẫn chưa được tìm hiểu hồn tồn do đây là các q trình bề mặt. Chỉ có một điều rõ ràng rằng xúc tác kim loại đã phá hủy liên kết H-H để hình thành các phần tử M-H, tại đó hydro được hấp phụ trên vùng hoạt động trên bề mặt của xúc tác. Khả năng khác biệt của mỗi kim loại khi liên kết hydro và vận chuyển hydro đó tới phân tử hữu cơ là đặc điểm quyết định dẫn tới sự khác biệt khi khử hóa của các kim loại xúc tác khác nhau.
Với sự lựa chọn xúc tác phù hợp, có thể đạt được sự chọn lọc hóa học cao. Ví dụ như trong tổng hợp (R)-(+)-muscopyridine của Hagiwara và cộng sự, sự hydro hóa của 55 với xúc tác Pd/C thu được diketone 56 mà khơng khử hóa đơn vị ketone [39].
Hình 1.27. Khử hóa 55 sử dụng xúc tác Pd/C của Hagiwara và cộng sự
Một ví dụ về sự chọn lọc hóa học khác là sự khử hóa 57 với palladi và stroti carbonat (SrCO3), cho sự khử hóa chọn lọc một đơn vị alkene để thu được 58 mà khơng khử hóa carbonyl liên hợp hay cả hợp phần cyclopentanon. Chuyển sang sử dụng xúc tác Pd/C dẫn tới sự khử hóa chọn lọc liên kết đôi liên hợp để thu được 59 với hiệu suất 87% [28].
Hình 1.28. Sự khử hóa chọn lọc alkene liên hợp 57
Về mặt lập thể, một trong những yếu tố để dự đốn hóa lập thể của sự hydro hóa xúc tác là sự cản trở khơng gian. Sự hydro hóa thường diễn ra ở mặt ít bị cản trở khơng gian hơn, như trong ví dụ về sự tổng hợp γ-lycorane liên quan tới sự khử hóa
60 thành 61 bởi Banwell và các cộng sự [2]. Trong đó, vịng giáp 6-5 có quan hệ cis,
dẫn tới sự vận chuyển hydro chọn lọc từ phía dưới phân tử 60 (hướng exo) ít bị cản trở khơng gian hơn để thu được hóa lập thể trong 61 (hình 1.29).
Tuy nhiên, việc dự đốn hóa lập thể của sự hydro hóa hầu hết thường rất khó khăn, và sự xác định các mặt ít bị cản trở không gian cũng gặp nhiều trở ngại. Sự kiểm sốt hóa lập thể có thể thay đổi với xúc tác, các điều kiện phản ứng hay độ tinh khiết của alkene.
Một yếu tố khác ảnh hưởng tới sự khử hóa alkene là tính haptophilic, một hiệu ứng liên kết trong đó nhóm chức gắn vào bề mặt xúc tác và vận chuyển hydro trực tiếp từ mặt đó của phân tử. Sự khử hóa hợp phần exocyclic alkene trong amine 62 mơ tả cho tính haptophilic. Khả năng cho electron của nhóm amino khiến nó trở thành một phối từ tốt cho các kim loại chuyển tiếp và vì vậy nó phối trí với Ir. Nhóm aminomethyl được liên kết với xúc tác. Sự phối trí này định hướng hydro tới cùng mặt so với nhóm aminomethyl để thu được 63 với sự hình thành chỉ 10% đồng phân syn-diastereomer 64 [91].
Hình 1.30. Chọn lọc lập thể trong khử hóa hydro xúc tác do hiệu ứng haptophilic