De alkeenmetathese of transalkylidenatie is een organische reactie waarbij een herschikking optreedt van alkyleendelen van moleculen door splitsing van de dubbele binding in alkenen:
350px|center|Algemeen principe van de alkeenmetathese. Alkylidengroepen zijn gekleurd gemarkeerd.
Sinds de ontdekking van de reactie heeft alkeenmetathese een groot aantal toepassingen gevonden zowel in de academische research als in de industrie, waarbij de producten uiteenlopen van geneesmiddelen en polymeren tot verbeterde brandstoffen. Voordelen van de reactie zijn onder andere minder bijproducten en minder (schadelijk) afval. Yves Chauvin, Robert H. Grubbs en Richard R. Schrock deelden in 2005 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor "de ontwikkeling van de metathese in de organische synthese".
De reactie wordt gekatalyseerd door metalen als nikkel, wolfraam, renium, ruthenium en molybdeen.
Algemene beschrijving De eerste commerciële toepassing van alkeenmetathese vond plaats in de olie-industrie bij de synthese van hogere alkenen uit 1-alkenen onder hoge druk en temperatuur via het shell higher olefin process (SHOP). Traditioneel worden de katalysatoren voor de reactie bereid uit de metaalhalogeniden en alkylerende reagentia. WCl6-EtOH-EtAlCl2 is een voorbeeld van een dergelijke katalysator. Een metathesereactie is een kettingreactie, die start met de reactie van een metallocarbeen met een alkeen waarbij een metallacyclobutaan (een cyclobutaan waarin een van de koolstofatomen door een metaal vervangen is) ontstaat. Dit intermediair ontleed onder vorming van een alkeen (het product) en een nieuw metallocarbeen, dat via een aantal stappen wordt omgezet in het oorspronkelijke metallocarbeen, waarna de cyclus opnieuw start.
center|Mechanisme van de alkeenmetathese volgens Chauvin.
Als katalysator worden de door Grubbs ontwikkelde, op een ruthenium-carbenoïde gebaseerde verbindingIleana Dragutan, Valerian Dragutan, Petru Filip (2005). Recent developments in design and synthesis of well-defined ruthenium metathesis catalysts – a highly successful opening for intricate organic synthesis. 105. From Arkivoc of de door Richard Schrock ontwikkelde katalysatoren op basis van molybdeen(VI) en wolfraam(VI)R.R. Schrock (1986). High-oxidation-state molybdenum and tungsten alkylidene complexes. Acc. Chem Res. gebruikt. Verwante complexen zijn ook in staat tot alkynmetathese en daaraan gerelateerde polymerisatiereacties.
Reactiemechanisme De hierboven weergegeven reactievolgorde is voor het eerst door Hérisson en Chauvin voorgesteld en tegenwoordig algemeen geaccepteerd als het mechanisme voor de door overgangsmetalen-gekatalyseerde alkeenmetathese.Hérisson, J.-L.; Chauvin, Y. Macromol. Chem. 1971, 141, p. 161 De directe [2+2]-cycloadditie tussen twee alkenen is volgens de Woodward-Hoffmann-regels symmetrie-verboden; het gevolg daarvan is een hoge activeringsenergie. In het Chauvin-mechanisme treedt een [2+2]-cycloadditie op, waarbij een alkeen met een overgangsmetaal-alkylideen tot een intermediair gevormd metallocyclobutaan reageert. Deze laatste verbinding kan de [2+2]-cycloadditie in omgekeerde volgorde doorlopen, waarbij weer een alkeen en een metaal-alkylideen ontstaan. De retro-reactie kan of de uitgangsstoffen teruggeven, of een nieuw alkeen (en metaal-alkylideen) laten ontstaan. De interactie tussen de bij de cycloadditie betrokken orbitalen en de d-orbitalen van het metaal, verlagen de activeringsenergie voldoende om de reactie bij relatief lage temperaturen te laten verlopen. De opheldering van het reactiemechanisme vergde een uitgebreide discussie.
Experimentele onderbouwing van het reactiemechanisme In 1971 stelde Chauvin de vierring met een metaalatoom, een zogeheten metallacyclische verbinding, voor als centraal intermediair in het reactiemechanisme. Met dit intermediair waren de statische verdelingen die gevonden werden in de metathesereacties goed te verklaren.Catalyse de transformation des oléfines par les complexes du tungstène. II. Télomérisation des oléfines cycliques en présence d'oléfines acycliques Die Makromolekulare Chemie Volume 141, Issue 1, Date: 9 February 1971, Pages: 161-176 Par Jean-Louis Hérisson, Yves Chauvin Ook heden ten dage wordt dit mechanisme nog steeds als correct beschouwd.
500px|center|Algemeen reactieverloop van de alkeenmetathese.
De eigenlijke katalysator, een metallocarbeen, werd door E.O. Fischer in 1964 geïdentificeerd. Het werk van Chauvin was gebaseerd op de reactie van cyclopenteen en 2-penteen onder invloed van de homogene katalysator wolfraam(VI)oxytetrachloride en tetrabutyltin of di-ethylaluminiumchloride:
700px|center|Metathesereactie van Chauvin.
De voornaamste drie producten C9, C10 en C11 (verwijzend naar het aantal koolstofatomen in iedere structuur) worden in de verhouding 1:2:1 gevormd, onafhankelijk van de omzettingsgraad. Ook met hogere alkenen worden overeenkomstige resultaten verkregen. Chauvin was ook in staat aan te geven hoe het actieve deeltje gevormd wordt: α-hydride-eliminatie van een enkelvoudige koolstof-metaalbinding leidt tot het carbeen.
In hetzelfde jaar werd door Pettit, bekend geworden van de synthese van cyclobutadieen enkele jaren eerder, onafhankelijk een alternatief reactiemechanisme voorgesteld. - A proposed mechanism for the metal-catalysed disproportionation reaction of olefins, Tetrahedron Letters, Volume 12, Issue 11, 1971, pp. 789-793 De kern van het mechanisme werd gevormd door een intermediair met sp3-gehybridiseerde koolstofatomen die aan het centrale metaalatoom gekoppeld waren via meerdere 3-center-2-elektronbindingen in een fenestraanachtige molecule:
400px|center|Mechanisme volgens Pettit.
De experimentele basis voor dit mechanisme ontleende Pettit aan het feit dat de metathesereactie van 4-noneen met wolfraamcarbonylverbindingen als katalysator onder invloed van koolmonoxide stopte. - Mechanism of the metal-catalyzed disproportionation of olefins, J. Am. Chem. Soc., 1971; 93(25); 7087-7088.
In 1972 raakte Robert H. Grubbs betrokken bij de discussie rond het reactiemechanisme van de metathesereactie. Hij stelde ook een metallocyclische verbinding voor, maar dit keer een met vier koolstofatomen (en het metaalatoom dus in totaal een vijfring). - Possible intermediate in the tungsten-catalyzed olefin metathesis reaction, J. Am. Chem. Soc., 1972; 94(7); pp. 2538-2540 Zijn onderzoeksgroep werkte met 1,4-dilithiumbutaan en wolfraam(IV)chloride in een poging het veronderstelde intermediair direct te synthetiseren. Als dezelfde reactieproducten zouden ontstaan als in de metathesereacties, was dat bewijs voor het vijfringintermediar. De eerste reactiestap betreft twee alkeenmoleculen:
600px|center|Mechanisme volgens Grubbs.
In 1973 vond Grubbs experimenteel bewijs voor het mechanisme toen zijn groep in staat was een, weliswaar niet met wolfraam maar met platina, metallovijfring te isoleren uit de reactie van dilithiumbutaan met cis-bis(trifenylfosfine)dichloorplatina(II). - Crystal structure of bis(triphenylphosphine)tetramethyleneplatinum(II), Inorg. Chem.; 1973; 12(9); pp. 2166-2170
In 1975 kon Thomas Katz, - Mechanism of the olefin metathesis reaction, J. Am. Chem. Soc.; 1975; 97(6); pp. 1592-1594 in lijn met Chauvin, een metallacyclobutaan-intermediar aantonen op basis van de reactie van cyclo-octeen, 2-buteen en 4-octeen met een molybdeenkatalysator. Het product met 14 koolstofatomen was direct vanaf het begin, ook bij een lage conversiegraad, aanwezig en was dus geen product aanwezig van volgreactie(s):
600px|center|Reactie volgens Katz.
In het door Grubbs voorgestelde mechanisme met twee alkeenmoleculen in de snelheidsbepalende stap, zou het C14-dieen een secundair product zijn van C12 met C6, en dus pas later in de reactie gevormd worden.
In 1974 was Charles Casey de eerste die gebruik maakte van carbenen om het reactiemechanisme van de metathese te beschrijven: - Reactions of (diphenylcarbene)pentacarbonyltungsten(0) with alkenes. Role of metal-carbene complexes in cyclopropanation and olefin metathesis reactions, J. Am. Chem. Soc.; 1974; 96(25); pp. 7808-7809
600px|center|Reactie volgens Casey.
In 1976 leverde Grubbs bewijs tegen het door hemzelf voorgestelde vijfring-mechanisme: - Mechanism of the olefin metathesis reaction, J. Am. Chem. Soc.; 1975; 97(11); pp. 3265-3267 - Consideration of the mechanism of the metal catalyzed olefin metathesis reaction, J. Am. Chem. Soc.; 1976; 98(12); pp. 3478-3483
600px|center|Nieuw reactiemechanisme volgens Grubbs.
In deze reactie is de verdeling van het met deuterium gelabelde etheen ook bij lage omzetting al in overeenstemming met het Chauvin-mechanisme. Grubbs wilde (toen) niet uitsluiten dat de vijfring voorafgaand aan de vorming van het metaalcarbeen optrad.
In 1980 kon de researchgroep rond Robert Grubbs de isolatie van het metallocyclobutaan melden uit de reactie van het Tebbe-reagens en 3-methyl-1-buteen. - Titanium metallacarbene-metallacyclobutane reactions: stepwise metathesis, J. Am. Chem. Soc.; 1980; 102(22); pp. 6876-6878
400px|center|Metathesemechanisme volgens Grubbs met een metallocyclobutaan.
Een vergelijkbare verbinding werd in 1986 geïsoleerd tijdens een totaalsynthese: - Synthesis of (+-)Δ9,12-capnellene using titanium reagents, J. Am. Chem. Soc.; 1986; 108(4); pp. 855-856
600px|center|Totaalsynthese van Grubbs.
In hetzelfde jaar toonde Grubbs aan dat de metathesepolymerisatie van norborneen met behulp van het Tebbe-reagens een levende polymerisatie is. - Titanacyclobutanes derived from strained, cyclic olefins: the living polymerization of norbornene, J. Am. Chem. Soc.; 1986; 108(4); pp. 733-742 en een jaar later publiceerden Grubbs en Schrock samen een artikel waarin de levende polymerisatie op basis van een wolfraamcomplex werd beschreven. - Ring-opening polymerization of norbornene by a living tungsten alkylidene complex, Macromolecules; 1987; 20(5); pp. 1169-1172 Schrock richtte zijn aandacht vervolgens vooral op de wolfraam- en molybdeenkatalysatoren, Grubbs begon aan de ontwikkeling van op ruthenium gebaseerde katalysatoren. Van deze laatste hoopte Grubbs dat ze minder zuurstofgevoelig zouden zijn, en daardoor met meer functionele groepen toepasbaar zouden zijn.
Grubbs' katalysatoren Voortbordurend op eerder werk van Michelotti en Keaveney die de polymerisatie van norborneen onder invloed van ruthenium(III)chloride, osmium(III)chloride en iridium(III)chloride in alcoholische oplossingen - Coordinated polymerization of the bicyclo-[2.2.1]-heptene-2 ring system (norbornene) in polar media, Journal of Polymer Science, Part A: General Papers Vol. 3 (3), maart 1965, pp. 895-905 kon de researchgroep rond Grubbs derivaten van 7-oxonorborneen polymeriseren met behulp van ruthenium(III)chloride, osmium(III)chloride of wolfraamalkylidenen. - The ring opening metathesis polymerization of 7-oxabicyclo[2.2.1]hept-5-ene derivatives: a new acyclic polymeric ionophore, J. Am. Chem. Soc.; 1988; 110(3); pp. 960-961 Verder onderzoek liet zien dat een ruthenium(II)carbeen onder de vorm van (PPh3)2Cl2Ru=CHCH=CPh2 een effectieve katalysator was: - Ring-opening metathesis polymerization (ROMP) of norbornene by a Group VIII carbene complex in protic media, J. Am. Chem. Soc., 1992; 114(10); pp. 3974-3975
400px|center|Metathesereactie volgens Grubbs.
De ontwikkeling van (PCy3)2Cl2Ru=CHCH=CPh2 (waarin tricyclohexylfosfine het trifenylfosfine als ligand vervangen heeft) - Syntheses and activities of new single-component, ruthenium-based olefin metathesis catalysts, J. Am. Chem. Soc.; 1993; 115(21); pp. 9858-9859 leidde uiteindelijk tot de nu commercieel verkrijgbare Grubbs' katalysator - A Series of Well-Defined Metathesis Catalysts-Synthesis of [RuCl2(CHR)(PR3)2] and Its Reactions, Angewandte Chemie, Vol. 34 (18), 2 oktober 1995, pp. 2039-2041 - Synthesis and Applications of RuCl2(=CHR')(PR3)2: The Influence of the Alkylidene Moiety on Metathesis Activity, J. Am. Chem. Soc.; 1996, pp. 100-110
Schrock-katalysator