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Organic Chemistry Portal: Enyne Metathesis
Enin-Metathese
Die Enin-Metathese ist eine rutheniumkatalysierte Neuordnung von Bindungen zwischen Alkinen und Alkenen, die 1,3-Diene ergibt. Der intermolekulare Prozess wird Kreuz-Enin-Metathese genannt, wohingegen intramolekulare Reaktionen als Ringschluss-Enin-Metathesen bekannt sind [Ring-Closing Enyne Metathesis (RCEYM)].
Mechanismus
Enin-Metathese oder die sogenannten Cycloisomerisierungsreaktionen wurden zuerst mit Hilfe von Palladium(II)- und Platin(II)-Katalysatoren durchgeführt. Diese Umsetzungen unterscheiden sich mechanistisch von den gegenwärtig bevorzugten Enin-Metathesen unter Katalyse von Ruthenium-Carbenen. Da Ruthenium-Carbene Katalysatoren der Wahl für Alken-Metathese und zur Zeit auch für die Enin-Metathese sind, beschränken wir uns auf einer genauere Betrachtung dieser Familie an Katalysatoren. Ruthenium-Carbene sind kommerziell erhältlich, tolerieren viele funktionelle Gruppen und werden kontinuierlich weiterentwickelt.
In der Initiierung wird der stabile Katalysator in einer Cycloaddition mit dem Edukt zu einem Ruthenacyclobutan umgesetzt. Nachfolgende Cycloeliminierung setzt ein stabiles Styrol-Derivat frei, das in der Reaktion keine Rolle mehr spielt. Der Katalysator ist nun als Carben an das Substrat gebunden, das intramolekular mit der Dreifachbindung zu einem Vinylcarben abreagiert. Weitere Einzelheiten werden im Katalysezyklus gezeigt.
Im Katalysezyklus (oben links) addiert das Vinylcarben zuerst an die Doppelbindung des Eduktes unter Ausbildung eines Ruthenacyclobutanes. Cycloeliminierung führt zu einem Ruthenium-Carben und dem Produkt (unten links). Intramoleculare Cycloaddition an der Dreifachbindung ergibt ein Ruthenacyclobuten. Nach einer weiteren Cycloeliminierung wird das Vinyl-Carben regeneriert, der Katalysezyklus ist hiermit geschlossen. Die nachfolgende Reaktion zwischen Vinylcarben und Edukt kann übrigens als Methylentransfer angesehen werden.
Die Triebkraft für die Reaktion ist die Bildung eines stabilen, konjugierten 1,3-Dienes.
Da solche Reaktionen unter starker Verdünnung durchgeführt werden, um die RCEYM gegenüber Kreuz-Alken- oder Kreuz-Enin-Metathese zu bevorzugen, wird das Angebot an Methylen-Gruppen geschwindigkeitsbestimmend. Zusätzlich ist das Vinylcarben relativ stabil. Mit unreaktiveren Katalysatoren ist es Mori gelungen, durch Verwendung einer Atmosphäre aus Ethylen die Katalysator-Regenierung zu beschleunigen:
Ethylen hält eine höhere Konzentration an aktivem Katalysator vorrätig und reduziert dessen Anteil in "Ruhezuständen":
Bestechend ist, dass Prozesse mit Ethylen (z.B. Eigenmetathese) neutral verlaufen und den Fortschritt der Reaktion nicht behindern.
Wir haben einen Mechanismus diskutiert, in denen das Alken vor dem Alkin angegriffen wird. Der Weg über eine bevorzugte Reaktion mit der Dreifachbindung würde zu einer Mischung an Regioisomeren führen, die allerdings nur für wenige Edukte erhalten werden:
NMR-Beobachtungen deuten eher auf einen "En-zuerst"-Mechanismus, da neue Carben-Protonen als Resonanz auftreten. Aber es kann nicht ausgeschlossen werden, dass der "In-zuerst"-Mechanismus zumindest einen konkurrierenden Weg anbietet, denn hier lassen sich keine Protonen messen.
Unter Verwendung eines Alkins und lediglich 2-3-fachem Überschusses eines Alkens kann mittels Enin-Metathese das gekuppelte Produkt hergestellt werden. Höhere Alken-Konzentration beschleunigt die Reaktion und hält die reaktiven Zwischenstufen im Enyne-Metathese-Katalysezyklus. Meistens werden aber nur schlechte E:Z-Werte erhalten, wie sie auch bei der Kreuzmetathese von Alkenen auftreten.
Unter Verwendung des Grubbs-Katalysatoren der zweiten Generation wurde ermittelt, dass solche Reaktionen bevorzugt zuerst am Alken starten (Eine kinetische Studie: J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5762. DOI).
Gute Ausbeuten von Kreuz-Enin-Metathese-Produkten können z.B. mit folgender Reaktion erhalten werden:
Für eine detaillerte mechanistische Diskussion und eine Vielzahl an weiteren Beispielen beachten Sie bitte ein Review von Steven T. Diver und Anthony J. Giessert (Chem. Rev. 2004, 104, 1317. DOI). Beispiele für aktuelle Katalysatorentwicklungen finden Sie auch in der Literatursektion.