2. Eredmények és értékelésük
2.1. A ligandumok szintézise ,
2.1.1. Foszfin-foszfit ligandumok előállítása ciklikus szulfát-észterek
Ciklikus szulfát-észterek egyszerűen előállíthatók a megfelelő diolokból tionil-klorid segítségével, majd a keletkező kénessav-észter oxidációjával (48.
ábra).105 A keletkező gyűrűs vegyület nukleofil reagensekkel könnyen felnyitható, hiszen a szulfát, erős sav konjugált bázisaként, jó távozócsoport. Érdekes megemlíteni, hogy bizonyos reakciókban a szulfit-észter gyűrűnyitása is célravezető lehet. Ezekben az esetekben azonban számolni kell a szulfit rosszabb távozócsoport karakterével, illetve azzal, hogy a kénatom magános elektronpárjának köszönhetően, a nukleofil reaktáns támadása a kénatomon is bekövetkezhet. A ciklikus szulfátok esetében ugyanis a kénatom és az endociklikus oxigénatomok között parciális kettőskötések jelenlétével számolhatunk, amely azonban a szulfitok esetében – nemkötő elektronjaik révén – nincs jelen. Tovább növelheti a kénatomon történő támadás valószínűségét az elektrofil C-atomokon elhelyezkedő nagy térkitöltésű csoportok által kifejtett sztérikus gátlás is.106
48. ábra Ciklikus szulfit- és szulfát-észterek előállítása (a zárójelben szereplő értékek izolált hozamokat jelentenek)
A nukleofil ágens polarizálhatósága ugyancsak lényeges szempont, hiszen a puha (soft) nukleofilek (pl. CN-, BnNH2, iPrNH2, N3
-, PhO- stb.) elsősorban szénatomon, míg a keményebbek (hard) (pl. PhNH-, BnNH-, BnO- stb.) főként a kénatomon támadnak, ahogy az a Pearson-féle sav-bázis definíció alapján is megjósolható.107
Munkám során a gyűrűnyitási reakcióhoz egy igen erős nukleofilt (PPh2
-) használtam, mely szükségessé tette a szulfátészterek előállítását és szintetikus alkalmazását a megfelelő szulfitok helyett.
Amennyiben valamilyen királis diolból (pl. (R,R)- vagy (S,S)-pentán-2,4-diol) indulunk ki, a szulfát-észter előállítása során nem változik meg az egyes aszimmetriacentrumok konfigurációja, a reakció sztereokémiai szempontból retencióval játszódik le.
Munkám során (R,R)- és (S,S)-pentán-2,4-diol, illetve etilén-glikol, propán-1,3-diol és bután-1,4-diol ciklikus szulfát-észtereit állítottam elő, melyeket később lítium-difenilfoszfid dioxános komplexének vérvörös színű tetrahidrofurános oldatához adagoltam. A lítium-difenil-foszfid rendkívül gyúlékony, levegőre és nedvességre érzékeny vegyület, azonban dioxános komplexe formájában – mely tiszta állapotban élénksárga színű – könnyen kezelhető. A foszfidot fémlítium és trifenil-foszfin reakciójában állítottam elő, oldószerként étert használtam (49. ábra).
A reakcióban melléktermékként fenil-lítium keletkezik. A reakcióelegyhez dioxánt adagolva sárga, porszerű csapadék válik ki, mely a lítium-difenil-foszfid dioxános komplexe. A fenil-lítium azonban továbbra is oldatban marad, így a foszfid egyszerű éteres mosással megtisztítható (49. ábra).
49. ábra Lítium-difenil-foszfid dioxános komplexének előállítása
Figyelembe véve a szulfát erős elektrofil, illetve a foszfid erős nukleofil karakterét, a gyűrűnyitási reakciót -5 és 0 °C között hajtottam végre. A reakció könnyen követhető az elegy színének változásával, hiszen a lítium-difenil-foszfid-dioxán-komplex eltűnésével az élénkvörös szín hirtelen világosbarnára változik. E reakció terméke a megfelelő szulfatált foszfin lítiumsója, melynek kénsavas hidrolízise adja a kívánt hidroxialkil-foszfint (50. ábra).
50. ábra Hidroxialkil-foszfinok előállítása ciklikus szulfát-észterek gyűrűnyitásával
Fontos megjegyeznünk, hogy a foszfid és az optikailag aktív (R,R)- és (S,S)-pentán-2,4-diol ciklikus szulfát-észterének (20(R,R) és 20(S,S)) reakciója aszimmetriacentrumot érint. Amennyiben a gyűrűnyitás SN1 mechanizmussal játszódik le, akkor a folyamat – figyelembe véve a másik aszimmetriacentrumot is – racém-mezo elegy kialakulásához vezetne. A hidroxialkil-foszfinok 31P{1H}-NMR spektruma azonban egyetlen rezonenciajelet tartalmazott csupán, azaz feltételezhetően a reakciók során csak egyetlen izomer képződött. Ebből arra következtethetünk, hogy a folyamat vagy retencióval vagy Walden-inverzióval hozható összefüggésbe. Mivel azonban a tisztán retencióval lejátszódó és aszimmetriacentrumot érintő folyamatok viszonylag ritkák, és rendkívül speciális körülményeket igényelnek, a folyamat minden valószínűség szerint inverzióval, SN2 mechanizmus szerint ment végbe (51. ábra).
51. ábra Az (S,S)-pentán-2,4-diol ciklikus szulfát-észterének SN2 mechanizmus szerint lejátszódó gyűrűnyitási reakciója
Ahogy az az 50. ábra adatai alapján is kiderül a 25 és 26 jelű vegyületek igen alacsony hozammal állíthatók elő ciklikus szulfátok gyűrűnyitásával. Az alacsony hozamot reprodukciós kísérletek is bizonyítják. A rossz hozam okaként említhető a kétszeres szubsztitúció, melynek eredményeként α,ω-bisz(difenilfoszfino)-alkánok keletkeznek. Az -OSO3
--csoport szubsztitúciója – anion lévén – ugyan jóval nehezebben játszódik le, mint a szulfátcsoport helyettesítése, azonban az alkalmazott reakciókörülmények között, nagy foszfidfelesleg hatására számolnunk kell a második szubsztitúcióval. Érdekes azonban, hogy a 24 és 27 vegyületek meglehetősen jó hozammal állíthatók elő. Ezekben az esetekben a második szubsztitúció energiagátja feltehetően nagyobb, hiszen az elágazás (23), illetve a hosszabb szénlánc (26) következtében, hiperkonjugációs effektusok révén nagyobb lehet a kérdéses szénatom elektronsűrűsége, így annak nukleofil ágensekkel szembeni reaktivitása kisebb.
Céljaim közt szerepelt diciklohexil-foszfino-csoportot tartalmazó foszfin-foszfit ligandum előállítása. A trialkil-foszfino-csoport jelenléte miatt azonban a vegyület feltehetően rendkívül oxigénérzékeny. A gyűrűnyitási reakciót így diciklohexil-foszfid helyett borán védőcsoportot tartalmazó diciklohexil-foszfid-borán komplexszel hajtottam végre. A foszfin-diciklohexil-foszfid-boránok egyik igen értékes tulajdonsága, hogy szobahőmérsékleten stabilisak és levegőn, inert atmoszféra nélkül szabadon kezelhetők, kromatografálhatók. A foszfin-borán adduktumok számos módszerrel szintetizálhatók.108 Munkám során THF-ban NaBH4 segítségével ecetsavas közegben állítottam elő a diciklohexil-foszfin borán-származékát (52.
ábra).109 A módszer nagy előnye, hogy olcsó kiindulási vegyületekkel egyszerűen és biztonságosan megvalósítható.
52. ábra Diciklohexil-foszfin-borán előállítása
Tekintettel a borán-adduktum rendkívül gyenge nukleofil jellegére (a foszforatom nemkötő elektronpárját a boráncsoport blokkolja), a vegyületet in situ deprotonáltam BuLi segítségével a gyűrűnyitási reakció megvalósítása érdekében. A képződött félésztert ezután kénsavval hidrolizálva eljutottam a megfelelő hidroxialkil-foszfin borán-komplexéhez. A vegyület NMR adatai alapján megállapítottam, hogy a gyűrűnyitási reakció sztereoszelektíven, inverzióval játszódott le (53. ábra).
53. ábra Diciklohexil-foszfino-csoporttal rendelkező hidroxialkil-foszfin előállítása
A 28 vegyület 31P{1H} NMR spektrumában szingulett jel helyett egy multiplett található a 1J(31P-11B) és 1J(31P-10B) csatolásoknak köszönhetően. A bór természetes izotópjainak (10B és 11B) relatív gyakorisága rendre 19,9 és 80,1%. A 10B mag magspin-kvantumszáma 3, míg a 11B magé 3/2, így a kapott multiplett jel meglehetősen bonyolult jelalakkal rendelkezik (54. ábra). A 28 1H NMR felvételén a BH3 protonok rendkívül széles, nehezen értékelhető jelet adnak, integráljuk nem adható meg kellő pontossággal.
A borán-védőcsoport eltávolítására számos módszer ismeretes.108 Erősen bázikus aminokkal, egyensúlyi folyamatban, oldószer alkalmazása nélkül megoldható a védőcsoport eltávolítása. Az adduktumot különböző aminokkal (pl. pirrolidin, morfolin, dietilamin, trietilamin), oldószermentes körülmények között forraltam. A rendkívül bázikus diciklohexil-foszfino-csoportot tartalmazó borán-adduktum
azonban még ilyen erélyes reakciókörülmények között is csak igen lassan bomlott. A bomlás során keletkező szabad foszfin, feltehetően a magas hőmérsékletnek, illetve a nyomnyi mennyiségű oxigénnek köszönhetően oxidálódott, izolálását nem sikerült megvalósítani.
54. ábra A 28 jelű vegyület 31P{1H} NMR spektruma: multiplett jel a 1J(31P-11B) és
1J(31P-10B) csatolásoknak köszönhetően
A módszer sikertelensége folytán először 28 és 14 reakcióját hajtottam végre (55. ábra), majd ezután terveztem megvalósítani a borán-védőcsoport eltávolítását morfolin és dietil-amin segítségével. A reakciót szobahőmérsékleten végezve nem történt változás, magasabb hőmérsékleten azonban az adott körülmények között a vegyület (29) elbomlott. A kívánt ligandumot nem sikerült előállítani.
55. ábra Ligandum-elővegyület szintézise
2.1.2. Foszfin-foszfit ligandumok előállítása karbonilvegyületek nukleofil