2. Eredmények és értékelésük
2.1. A ligandumok szintézise ,
2.1.2. Foszfin-foszfit ligandumok előállítása karbonilvegyületek nukleofil
A difenil-foszfin – kitűnő nukleofil reaktáns lévén – közvetlenül reagál a karbonilcsoporttal, α-hidroxialkil-foszfinok képződése mellett (56. ábra). A reakcióban keletkező termék stabilitása azonban nagymértékben függ a karbonilvegyület szerkezetétől, illetve az alkalmazott oldószer minőségétől. Az α-hidroxialkil-foszfinok bizonyos szerves oldószerekben gyorsan, reverzibilisen bomlanak a kiindulási szekunder foszfinra és karbonilvegyületre (56. ábra).
56. ábra Aldehidek és difenil-foszfin reakciója
Helyettesített benzaldehid származékokkal képzett α-hidroxialkil-foszfinok stabilitása csökken a helyettesítés elektronküldő karakterének növekedésével (57.
ábra).110
57. ábra Aromás α-hidroxialkil-foszfinok stabilitása
Jóllehet számottevő szerkezeti hasonlóság nem figyelhető meg bizonyos aldehid-hidrát típusú vegyületek és α-hidroxialkil-foszfinok között, azonban a stabilitásukra vonatkozó elektronikus szabályszerűségek sokban megegyeznek. Az
acetaldehid hidrátja például tisztán nem elkülöníthető vegyület, ahhoz túlzottan instabil, azonban az 1,1,1-triklóracetaldehid-hidrát (klorál-hidrát) egy, a kereskedelemben is könnyen hozzáférhető, stabilis anyag. A jelenség magyarázata egyszerű: az elektronszívó szubsztituensek növelik a karbonil szénatom elektrofil karakterét, melynek így megnő a reaktivitása a nukleofil reaktánsok irányában. A megfelelő helyzetű elektronszívó csoportok tehát a kialakult termék stabilitását mind az aldehid-hidrátok, mind pedig az α-hidroxialkil-foszfinok esetében nagymértékben növelhetik. A pentafluor-benzaldehid vagy a hexafluor-aceton és difenil-foszfin reakciójában keletkező vegyületek például olyannyira stabilisak, hogy maga a reakció sem igényel oldószermentes körülményeket, sőt a vegyület a kis donorszámú toluolban illetve hexánban is előállítható, kvantitatív hozammal.111
Rendkívül fontos tényező az egyes α-hidroxialkil-foszfinok stabilitásának jellemzésekor a felhasznált oldószer anyagi minősége. James és munkatársai megállapították,110,112 hogy nagyobb donorszámú113 (DN; donor number) oldószerek (pl. dimetil-szulfoxid, N,N-dimetil-formamid, piridin) növelik az α-hidroxialkil-foszfinok stabilitását, ezzel szemben a kisebb donorszámú oldószerekben (pl.
diklórmetán, kloroform, toluol) bomlásuk jelentősen felgyorsul (58. ábra). A jobb donor sajátságú oldószerek az OH-proton szolvatációja révén meggátolják az OH,P-kölcsönhatás kialakulását, így növelik az adduktum stabilitását.
58. ábraα-Hidroxialkil-foszfinok intramolekuláris bomlásának mechanizmusa
Érdekes, hogy az igen nagy donorszámú metanolban (DN = 30) a bomlás rendkívül erőteljes. Mindez annak köszönhető, hogy a karbonilvegyület metanollal könnyen képez félacetálos szerkezetű mellékterméket, így a Le Chatelier-Braun-elv értelmében a karbonilvegyület mennyiségének csökkenésével a bomlás válik kedvezményezetté.
Az α-hidroxialkil-foszfinok stabilitására vonatkozó megfontolások nélkülözhetetlenek szintézisük és reakcióik körültekintő megvalósításához.
A legtöbb aldehid és difenil-foszfin nukleofil-addíciós reakciója tehát oldószermentes körülmények között valósítható meg. Munkám során (rac)-1-difenilfoszfino-1-fenilmetanolt (31) benzaldehid és difenil-foszfin reakciójával állítottam elő oldószermentes körülmények között (56. ábra). A keletkező racém hidroxialkil-foszfin rezolválását két ok miatt nem valósítottam meg. Egyrészt a vegyület bomlékonysága és oxidációérzékenysége nagyban megnehezítette volna e műveletet, másrészt a racém elegy optikailag aktív klór-foszfittal történő reakciója során diasztereomerek keletkeznek, ily módon elméletileg „önrezolváló” vegyület állítható elő. A 31 és a megfelelő klór-foszfit (14) 1:1 mólarányú reakciójában előállított ligandum (9) tehát diasztereomerek elegye. Ezt bizonyítja 9 31P{1H} NMR spektruma is, melyben négy dublett jel található. (A dublett jelalak a három kötésen át ható foszfor-foszfor csatolás következménye.) A jelek a két diasztereomer
„foszfinos” illetve „foszfitos” foszforatomjához rendelhetők. A csúcsok integrálja alapján megállapítható, hogy a vegyületek nem azonos mennyiségben vannak jelen, arányuk megközelítőleg 60/40%. A kapott eredmény nem meglepő. A reakciót ugyanis szerves oldószerben, éterben végeztem. Ahogy azt korábban már kifejtettem, szerves oldószerekben számolnunk kell a hidroxialkil-foszfin reverzibilis bomlásával (még nagyobb donorszámú oldószerekben is), mely folyamat eredményeként a királis molekulákból felépülő 31 benzaldehiddé és difenil-foszfinná alakul. Amennyiben azonban 31 az ugyancsak királis molekulákból felépülő, de optikailag tiszta 14 jelű vegyülettel reagál, elméletileg lehetségessé válik a dinamikus kinetikai rezolválás, melynek eredményeként 9 az egyik diasztereomerben feldúsulhat (59. ábra). A reakció diasztereoszelektivitása az alkalmazott körülmények között azonban igen csekélynek bizonyult.
59. ábra A dinamikus kinetikai rezolválás elvi sémája 31 előállításának példáján
A munkám során ugyancsak előállított difenilfoszfino-metanol (30) szintézisét paraformaldehid és difenil-foszfin reakciójával valósítottam meg (56.
ábra).114 A gáz halmazállapotú formaldehid helyett szilárd paraformaldehidet alkalmazva a reakció kényelmesen kivitelezhető.
2.1.3. Foszfin-foszfit ligandumok előállítása ω-halogénalkoholok nukleofil szubsztitúciós reakciójával
Lítium-difenil-foszfid és halogénalkoholok reakciójával elvben tetszőleges szerkezetű hidroxialkil-foszfinok állíthatók elő (60. ábra).115
A módszer első lépésében a lítium-difenil-foszfid lép reakcióba a halogénalkohollal. Ekkor azonban két ekvivalens lítium-difenil-foszfid fogy, hiszen a halogénalkohol egyrészt elektrofil reaktánsként, másrészt protondonorként vesz részt a reakcióban. E lépésben tehát a felhasznált halogénalkoholtól függően, valamilyen ω-difenilfoszfino-alkohol lítiumsó keletkezik, melléktermékként pedig LiCl és difenil-foszfin. A lítium-alkoholát hidrolízise szolgáltatja a megfelelő hidroxialkil-foszfint, melyből klór-foszfit hozzáadásával juthatunk el a kívánt szerkezetű foszfin-foszfit ligandumhoz. A melléktermékként keletkező difenil-foszfin desztillációval egyszerűen elválasztható a termék hidroxialkil-foszfintól, ugyanakkor értékes
reagensként felhasználható például a korábban bemutatott nukleofil addíciós reakciókban.
Munkám során a 32 és 33 jelű vegyületek szintézisét – melyeket korábban rossz hozammal ciklikus szulfátok gyűrűnyitásával állítottam elő – halogénalkoholok felhasználásával is megvalósítottam, így összehasonlíthattam a két szintetikus eljárást. A két módszer hatékonysága jelentős mértékben eltér: a halogénalkoholokból kiinduló szintézissel a 32 és 33 vegyületek rendre 52 és 72%-os hozammal állíthatók elő a korábbi 7 és 18% helyett. (Ha a megfelelő diolból kiinduló háromlépéses szintézis bruttó hozamát tekintjük, ez utóbbi két érték 2 illetve 9%-ra csökken.) Az egyes szintézismódszerek hozamait a Kísérleti rész 24. táblázata foglalja össze. A ciklikus szulfátok gyűrűnyitásának atomhatékonysága azonban nagyobb, hiszen abban az estben a foszfid teljes mennyisége a hidroxialkil-foszfin képződésére fordítódik. A halogénalkoholokból kiinduló szintézis során ezzel szemben a nukleofil 50%-a „elvész” a hidroxilcsoporttal történő reakcióban.
60. ábra Hidroxialkil-foszfinok előállítása ω-halogénalkoholok elektrofil szubsztitúciós reakciójával
2.1.4. Foszfin-foszfit ligandumok előállítása ciklikus éterek gyűrűnyitásával
Hidroxialkil-foszfinok előállíthatók ciklikus éterek nukleofil gyűrűnyitási reakciójával (61. ábra).116 Az alkoxicsoport ugyan meglehetősen rossz távozócsoport, azonban erős nukleofilekkel, mint amilyen a difenil-foszfid anion, erélyes reakciókörülmények között (pl. forralás) megvalósítható a helyettesítése. Az alkoxicsoport távozócsoport karaktere növelhető az oxigénatom protonálásával (pl.
hidrogén-jodiddal történő éterhasítás), azonban esetünkben a difenil-foszfid erős
bázikus tulajdonsága miatt ez az út nem járható. THF nukleofil gyűrűnyitási reakciójával sikerült előállítani a megfelelő hidroxialkil-foszfint (34, 61. ábra).
61. ábra Hidroxialkil-foszfin előállítása tetrahidrofurán nukleofil gyűrűnyitásával
Ki kell emelnünk a módszer korlátait. A megfelelő éter gyűrűtagszámának növelésével ugyanis rohamosan csökken a vegyület reaktivitása, hiszen a gyűrűtagszám növelése a gyűrű Baeyer-féle feszültségének csökkenését és így reaktivitásának visszaesését eredményezi. Célom volt az 5-difenilfoszfino-pentán-1-ol előállítása tetrahidropirán gyűrűnyitási reakciójával. A reakció több mint 196 órán át történő forralás után sem játszódott le értékelhető hozammal. Az igen erélyes reakciókörülmények és a hosszú reakcióidő következtében a képződött kevés termék valószínűleg oxidálódott, izolálására nem került sor. A gyűrűméret növelése tehát drasztikusan csökkentette a vegyület reaktivitását.
2.1.5. Foszfin-foszfit ligandumok előállítása természetes, optikailag aktív vegyületek felhasználásával
Munkám során célom volt foszfin-foszfit ligandumok előállítása természetes, optikailag aktív vegyületek felhasználásával. Az olcsó, optikailag tiszta kiindulási anyagok alkalmazása mellett a módszer jelentőségét tovább növelte volna az a tény, hogy zöld kémiai szempontból előnyös reakcióval – fázistranszfer katalízissel – állítottam volna elő a kívánt vegyületet. Etil-(S)-laktátból kiindulva, 35 tozilát (62.
ábra) felhasználásával, fázistranszfer körülmények között állítottam elő a 36 borán-komplexet. A vegyület észter-csoportját LiAlH4-del redukálva (37), majd a borán-védőcsoportot alkoholos forralással eltávolítva a 38 hidroxialkil-foszfinhoz jutottam
(62. ábra). A módszer segítségével tehát elvben optikailag aktív vegyület állítható elő.
A 38 és 14 reakciójában képződő foszfin-foszfit (13) 31P{1H} NMR spektrumában azonban a megfelelő foszforatomokra jellemző két jel helyett négy csúcs volt jelen.
Mindezek alapján arra következtethetünk, hogy a vegyület diasztereomerek elegye, vagyis 38 nem optikailag tiszta. A vegyület szintézisének egyetlen enantiodiszkriminatív lépése a fázistranszfer körülmények között megvalósított folyamat. Mivel a nukleofil szubsztitúciós lépés a szerves fázisban, az apoláros toluolban játszódik le, így joggal feltételezhető, hogy SN2 mechanizmus szerint megy végbe. Az NMR spektroszkópiai vizsgálatok azonban másra utalnak, feltehetően SN1 mechanizmus jelenlétével is számolni kell. A 13 jelű vegyület 31P{1H} NMR spektrumának megfelelő csúcsai azonban nem azonos intenzitásúak, a két diasztereomer nem azonos arányban van jelen. Mindez azt bizonyítja, hogy 38 nukleofil szubsztitúciós reakciója nem tisztán SN1 mechanizmussal játszódott le.
62. ábra Tervezett szintézisút optikailag tiszta hidroxialkil-foszfin előállítására etil-(S)-laktátból