Telomerisatsioon

Telomerisatsioon on keemiline ahelreaktsioon, mille tulemusena moodustub segu erineva liitumisastmega produktidest, milles mitme monomeeri (M) molekuli kohta ühineb reeglina üks reaktsiooniahela kasvu piiramiseks lisatud komponendi (A-B) molekul.

A-B + n M → A-Mn-B, kus n = 1, 2, 3 ... 10 ...

Telomerisatsiooni eristab polümerisatsioonist just ühendi A-B lisamine, mis etendab reaktsiooniahela ülekandja (transfer) rolli, põhjustades madala polümerisatsiooniastmega produktide tekke, ning annab produktidele "algus-" ja "lõpprühma".
Monomeeri M on nimetatud ka taksogeeniks ja teist komponenti A-B telogeeniks ning produkti telomeeriks.

Tavaliselt toimub telomerisatsioon katalüsaatori toimel. Reaktsiooni mehhanismi järgi on need protsessid analoogsed polümerisatsiooniprotsessidega. Telomerisatsioon võib realiseeruda katioonsete, anioonsete või radikaalsete aktiivsete intermediaatide vahendusel andes ahela kasvu (chain-growth) analoogselt ahelpolümerisatsiooniga; teatud juhtudel võib esineda astmeline (step-wise) protsess.

Telomerisatsiooni piirjuhud oleksid lihtne 1:1 liitumine (n = 1) väga reaktsioonivõimelise A-B korral ja polümerisatsioon ( n = ... 1000 ... 10000 ...) väga vähe aktiivse A-B korral.

Telomerisatsiooni protsessi kasutamine keemilises sünteesis on tihti komplitseeritud erineva liitumisastmega (n = 1, 2, 3 ...) produktide segu moodustumise tõttu. Lisaks, kui produktid sisaldavad reaktsioonivõimelisi keemilisi sidemeid (rühmi), siis lisandub ahela kasvule veel teisene liitumine. Väiksema reaktsioonivõimega lähteühendite korral on võimalikud reaktsiooni intermediaadi struktuurist tulenevad kõrvalreaktsioonid. Siiski paljudel juhtudel on reaktsioonitingimuste valikuga võimalik saavutada 1:1 (või ka 1:2) liitumisproduktide head saagised üheetapilises telomerisatsiooniprotsessis.

Kõige rohkem on uuritud ja paljudel juhtudel ka rakendust leidnud alifaatsete küllastumata ühendite (monomeeride) katioonne telomerisatsioon orgaaniliste kloriididega.

Katioonne telomerisatsioon 

Alkeenide ja alküünide reaktsioon mitmesuguste orgaaniliste ühenditega, millel on polaarne C–Y σ-side (R–Y on halogeniid, atsetaal jm) Lewisi happe (BF3, AlCl3, ZnCl2 jt) kui katalüsaatori juuresolekul kulgeb katioonse mehhanismi järgi, analoogselt katioonse polümerisatsiooniga. 

R–Y + BF3 → R+ + YBF3- (initsieerimine)

R+ + n C=CR’ → R–(C–CR’)n+ (ahela kasv)

R–(C–CR’)n+ + R–Y → R–(C–CR’) nY + R+ (ahela ülekanne)

R–(C–CR’)n+ + YBF3- → R–(C–CR’) nY + BF3 (ahela lõpetamine)
kus n = 1, 2, 3, ...

Liitumine toimub regioselektiivselt rangelt vastavuses Markovnikovi reegliga. Madalamate produktide saamiseks on määrava tähtsusega lähteühendite keemiline ehitus, täpsemini moodustuvate karbokatioonide R+ ja R–(C–CR’)n+ suhteline stabiilsus, seega konjugatsioon ja hüperkonjugatsioon naaberrühmadega.

Produktide edasist reaktsiooni astumist saab maha suruda lähteainete moolsuhte muutmise ja konversiooniastme vähendamise teel. Ka Lewise happe olemus võib olla olulise tähtsusega.

Kõige rohkem on rakendust leidnud orgaaniliste kloriidide (RCl) telomerisatsioon alkeenide, stüreenide, dieenide jt monomeeridega. Häid tulemusi saadakse aktiivsete kloriididega nagu AlkOCH2Cl, ArCH2Cl, ArCH=CHCH2Cl, MeCH=CHCHMeCl jmt. Madalamad (n=1) produktid moodustuvad kui lähtekloriid RCl dissotsieerub (ioniseerub) kiiremini kui tekkivad produktid. Vastupidisel juhul saadakse kõrgemad (oligomeersed) produktid. Näiteks alkoksüklorometaanide reaktsioon isopreeniga (katalüsaator ZnCl2) annab 80–85 % 1,2- ja 1,4-liitumisprodukte:

AlkOCH2Cl + CH2=CMe-CH=CH2 → AlkOCH2CH2CMe=CHCH2Cl + AlkOCH2CH2C(Me)ClCH=CH2 

Madalama aktiivsusega RCl korral nagu tertsiaalsed kloriidid, allüülkloriid, atsüülkloriid jmt korral saadakse reeglina isomeersete ja/või oligomeersete produktide segu. Mitteaktiivsed on näiteks ClCH2CH2Cl, CHCl3 jmt, mida saab kasutada solvendina.

Paljudel juhtudel on soovitud süsinikskeleti sünteesis osutunud viljakaks vinüüleetrite CH2=CHOR reaktsioon atsetaalidega (R’O)2CHR" või ortoestritega CH(OR)3 katalüsaatori ZnCl2 või BF3 juuresolekul.

Küllastumata ühendite reaktsioonil alkoholidega ROH või karboksüülhapetega RCOOH tugevate prootonhapete toimel on reeglina saadud komplitseeritud produktide segud.

1. Mayr H., Striepe W. Scope and Limitations of Aliphatic Friedel-Crafts Alkylations. Lewis Acid Catalyzed Addition Reactions of Alkyl Chlorides to Carbon-Carbon Double Bonds. J. Org. Chem. 1983, 48 (8), 1159–1165.

2. von der Brüggen U., Lammers R., Mayr H. Relative Reactivities of Acetals and Orthoesters in Lewis Acid Catalyzed Reactions with Vinyl Ethers. A Systematic Investigation of the Synthetic potential of Acetals and Orthoesters in Electrophilic Alkoxyalkylations of Enol Ethers. J. Org. Chem. 1988, 53 (13), 2920–2925.

3. А. А. Петров, Μ. Л. Генусов. Ионная теломеризация. Изд. Химия, Ленинград, 1968, 295 сс.

Piirjuhud
 Ka katioonse polümerisatsiooni korral on kasutatud reaktsioonivõimelist lisandit R-Y, kuid väga väikeses (katalüütilises) kontsentratsioonis, selleks et saada polümeeri molekulile soovitud funktsionaliseeritud algus- ja lõpprühmad.
 Saksa koolkonna huviväljas oli reeglina lai spekter aktiivseid kloriide või atsetaale, seega piirkond, kus moodustuvad põhiliselt madalamad (n=1) produktid. Sellest tulenevalt kasutavad nad termineid "alifaatne Friedeli-Craftsi alküülimine" või "enooleetrite elektrofiilne alkoksüalküleerimine". Vene ja Jaapani koolkonnad kasutasid üldisemat terminit "telomerisatsioon".
Friedeli-Craftsi alküülimine on protsess, milles happelise katalüsaatori osalusel viiakse substraadi aromaatsesse tuuma vesiniku aatomi asemele alküülrühm. Realiseerub see elektrofiilse aromaatse asendusreaktsiooni mehhanismiga, katioonne intermediaat deprotoneerub ja moodustuvad asendusproduktid.

Katioonsest telomerisatsioonist Eestis 
 

Katioonse telomerisatsiooni protsesside uurimine ja rakenduste väljatöötamine sai Eestis alguse 1960. aastal, kui ENSV TA Keemia Instituuti asus tööle Koit Lääts, kes oli selle valdkonnaga tegelenud Leningradis. Tema poolt esitatud terpenoidsete produktide sünteesiskeemi aluseks oli odav naftasaadus isopreen.  

Sünteesi võtmeprotsessiks oli isopreeni ja tema hüdrokloriidide telomerisatsioon katalüsaatori SnCl4 juuresolekul. Reaktsiooni tulemusel moodustub ühinemisproduktide komplitseeritud segu isomeersetest C10-, C15-, C20- jne kloriididest (seega n = 1, 2, 3, jne). 
Üheetapilises telomerisatsiooni protsessis soovitud lõpp-produktide saamise lihtsustatud skeem (isomeerseid produkte näitamata, aga neid on mitmeid) võiks olla järgmine:

СН2=С(СН3)–СН=СН2 + CH3–С(СН3)=СН–СH2–Cl → СН3–С(СН3)=СН–СH2[–CH2–С(СН3)=СН–СH2]n–Cl, 
kus n = 1, 2, 3, jne

See on äärmiselt komplitseeritud protsess. Siin mõlemad lähteühendid ja produktid sisaldavad reaktsioonivõimelisi C=C kaksiksidemeid ja ka allüülseid C-Cl sidemeid. Seetõttu on oluline lõpetada protsess madalal konversiooniastmel ja eesmärkühendite saagised on väikesed. Reageerimata lähteaineid on võimalik regenereerida ja uuesti kasutada.

Edasi laiendati K. Läätse juhitud sektoris lähteühendite skaalat. Monomeeridena kasutati erinevaid 1,3-dieene, alkeene ja stüreene. Aktiivse C-Cl sidemega ühenditena kasutati erinevaid allüülseid kloriide (RMeC=CRCHR-Cl) või alkoksüklorometaane (ROCH2–Cl). Katalüsaatoriteks olid Lewisi happed, enamasti ZnCl2 või SnCl4. Välja selgitati katioonse telomerisatsiooni üldised seaduspärasused.

Madalamatest telomerisatsiooniproduktidest sünteesiti edasi väärtuslikke lõhnaaineid ja taimekaitsevahendeid. Selleks konverteeriti esmased primaarsed allüülsed kloriidid selektiivselt soovitud hapnikderivaatideks kasutades modifitseeritud Sommelet' reaktsiooni N,N-dimetüülaniliiniga.
Telomerisatsiooni produktide baasil töötati välja tootmistehnoloogiad mitmetele väärtuslikele terpenoidsetele produktidele või nende analoogühenditele, mida ka väikeses mastaabis või katsepartiidena toodeti TA Tehnilises Katsebaasis.
Need tööd lõppesid 1992. aastal seoses Keemia Instituudi orgaanilise sünteesi sektori tegevuse lõpetamisega.

Vaata ka
Terpenoidid
Isopreen
Polümerisatsioon
Ahelpolümerisatsioon
Oligomerisatsioon
Elektrofiilne liitumine
Karbokatioonid

Viited

Kirjandus
 К.В. Лээтс, А.К. Шумейко, А.А. Розеноер, Н.В. Кудряшева, А.И. Пилявская. Новый синтез цитраля из изопрена. – Ж. Общей Химии 1957, 27, 1510–1512.
 К.В. Лээтс. Синтез терпеновых производных из изопрена методом теломеризации. – Изв. АН ЭССР. Хим. Геол. 1968, 17(4), 355–360.
 К.В. Лээтс, Т.А. Каал, И.А. Калья, И.Б. Кудрявцев, Э.А. Мукс, М.А.Тали, С.Э. Тенг. К изучению ионно-каталитической теломеризации. 5. Определение изомерного состава фракции С10 теломера изопрена. – Ж. Орг. Химии 1974, 10(2), 159–161.
 А.Ю. Эрм, К.Э. Сийрде, Т.И. Пехк, К.В. Лээтс. К изучению ионно-каталитической теломеризации. 7. О составе синтетического цитраля. – Ж. Орг. Химии 1979, 15(8), 1593.
 К.Э. Сийрде, А.Ю. Эрм, Э.А. Мукс, Т.К. Вялимяэ, Л.Л. Крумм, К.В. Лээтс. К изучению ионно-каталитической теломеризации. 24. О составе сесквитерпеновых хлоридов–диаддуктов изопрена с его монодигидрохлоридами. – Ж. Орг. Химии 1987, 23(5), 922–926.
 M. Schmidt, T. Kaal, L. Bitter, L. Tammeraid, I. Kirjanen, K. Lääts. Cationic Telomerization of 2-Methyl-1,3-butadiene with Isoprpoxymethyl Chloride. A Model of Kinetics. – Proc. Estonian Acad. Sci. Chem. 1990, 39(2), 78–83.
 E. Muks. Pathways to the Higher Products in Lewis Acid Catalysed Additions of Allylic Chlorides to Isoalkenes and Isoprene. – J. Chem. Research (S) 1995, 496–497.

Välislingid
Terpenoidide süntees TA Keemia Instituudis

Orgaaniline keemia
Keemilised reaktsioonid