Διεθνές Έτος Χημείας 2011

Tο παλλάδιο είναι ένα ακριβό μέταλλο και είναι γνωστό στο ευρύ κοινό από τη χρήση του στους καταλύτες των αυτοκινήτων. Εκεί χρησιμοποιείται για την εξάλειψη των επιβλαβών εκπομπών που παράγονται από τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Κάτι όμως που δεν ξέρουν οι περισσότεροι είναι ότι το παλλάδιο χρησιμοποιείται στη σύγχρονη οργανική χημεία καθώς αποτελεί ένα εξαιρετικό καταλύτη, κάτι που πλέον έχει αναγνωριστεί με το βραβείο Nobel Χημείας 2010 [DOI: 10.1002/anie.201006374].

Αντιδράσεις καταλυόμενες από παλλάδιο συναντούμε σε πάρα πολλές πορείες οργανικής σύνθεσης. Μεταξύ των διαφόρων αντιδράσεων ιδιαίτερη σπουδαιότητα παρουσιάζουν οι αντιδράσεις διασταυρούμενης σύζευξης (cross-coupling reactions) που αποτελούν μία πολύ καλή μέθοδο για τη δημιουργία δεσμού C-C. Σε γενικές γραμμές η αντίδραση πραγματοποιείται μεταξύ ενός λιγότερο δραστικού ηλεκτρονιόφιλου, όπως τα αρυλαλογονίδια, και ενός διαφορετικού πυρηνόφιλου άνθρακα με τη βοήθεια καταλύτη παλλαδίου.

Το παλλάδιο άρχισε να εισάγεται στην οργανική σύνθεση πριν από 50 χρόνια. Μέχρι τότε ο σχηματισμός C-C επιτυγχάνονταν με στοιχειομετρικές αντιδράσεις μεταξύ πολύ δραστικών πυρηνόφιλων και ηλεκτρονιόφιλων ή με περικυκλικές αντιδράσεις. Πηγή έμπνευσης για τη χρήση παλλαδίου στο σχηματισμό δεσμού C-C αποτέλεσε η καταλυτική οξείδωση με παλλάδιο των ολεφινών προς καρβονυλικές ενώσεις και συγκεκριμένα η σύνθεση της ακεταλδεΰδης από αιθυλένιο (αντίδραση Wacker).

Ο Richard Heck στα τέλη της δεκαετίας του 1960 ανέπτυξε αρκετές αντιδράσεις σύζευξης αρυλοϋδραργυρικών ενώσεων παρουσία στοιχειομετρικής ή καταλυτικής ποσότητας παλλαδίου. Μερικές από αυτές τις εργασίες δημοσιεύτηκαν το 1968 με μοναδικό συγγραφέα τον Heck! Το 1972 περιέγραψε ένα πρωτόκολλο για τη σύζευξη του ιωδοβενζολίου με το στυρένιο που σήμερα είναι γνωστό ως αντίδραση Heck [DOI: 10.1021/jo00979a024].

Μια πολύ παρόμοια αντίδραση είχε δημοσιευτεί από τον Tsutomo Mizoroki το 1971. Ωστόσο ο Mizoroki δεν μπόρεσε να συνεχίσει την έρευνα του διότι πέθανε πολύ νέος από καρκίνο. Το πρωτόκολλο σύζευξης αρυλαλογονιδίων με ολεφίνες μπορεί να θεωρηθεί ως ορόσημο για την ανάπτυξη και εφαρμογή της οργανομεταλλικής κατάλυσης στην οργανική χημεία. Έτσι τη δεκαετία του 1970 δημοσιεύτηκαν διάφορες αντιδράσεις σύζευξης καταλυόμενες με παλλάδιο.

Στο παρακάτω σχήμα δίνονται διάφορα επιλεγμένα παραδείγματα αντιδράσεων που καταλύονται από παλλάδιο.

Την τελευταία εικοσαετία η κατάλυση με παλλάδιο είναι η οργανομεταλλική μέθοδος που έχει μεταφερθεί με τη μεγαλύτερη επιτυχία από τη σύνθεση σε κλίμακα γραμμαρίων στο εργαστήριο στη σύνθεση σε κλίμακα τόνων στη βιομηχανία φαρμάκων, αγροχημικών και ειδικών χημικών ενώσεων [DOI: 10.1002/adsc.200900587]. Η σπουδαιότητα των αντιδράσεων αυτών είχε σαν αποτέλεσμα το Nobel του 2010 να απονεμηθεί για τρεις από αυτές τις αντιδράσεις, που φέρουν και τα ονόματα των αντίστοιχων ερευνητών, Heck, Negishi και Suzuki.

Στην αντίδραση Heck (ή καλύτερα αντίδραση Mizoroki–Heck) τα (ετερο)αρυλο-, αλκενυλο- η βενζυλο- αλογονίδια αντιδρούν με διάφορα αλκένια παρουσία καταλύτη παλλαδίου προς το σχηματισμό των αντίστοιχων υποκατεστημένων αλκενίων. Η αντίδραση είναι υψηλής στερεο- και regio-εκλεκτικότητας.

Γενικό σχήμα της αντίδρασης Heck.

Οπως ήδη αναφέρθηκε ανακαλύφθηκε από τους Heck και Mizoroki στις αρχές του 1970. Στα 1980 και 1990 με την αντίδραση Heck συντέθηκαν διάφορα φαρμακευτικά καθώς και αγροχημικά προϊόντα. Αξίζει να σημειωθεί ότι χρειάστηκαν περίπου 15 χρόνια από τη βασική ανακάλυψη της μεθόδου για την πρώτη πρακτική εφαρμογή, η οποία πραγματοποιήθηκε από τον Hans-Ulrich Blaser και την ερευνητική του ομάδα στην Ciba-Geigy [DOI:10.1016/S0926-860X(99)00276-8].

Η αντίδραση Heck έχει χρησιμοποιηθεί σε πάρα πολλές διαφορετικές συνθέσεις φυσικών προϊόντων και βιολογικά δραστικών ενώσεων [DOI: 10.1002/anie.200500368]. Δύο αντιπροσωπευτικά παραδείγματα φαρμάκων που συντέθηκαν με την αντίδραση Heck είναι οι ενώσεις Μontelukast και Taxol. Οι δημιουργούμενοι δεσμοί oπως εμφανίζονται με κόκκινο χρώμα γίνονται με διαμοριακή αντίδραση Ηeck ή με ενδομοριακή, όπως στην περίπτωση της ταξόλης.

Μontelukast

Taxol

O Ei-ichi Negishi και η ομάδα του μελέτησαν θεμελιώδες αρχές της σύζευξης διαφόρων οργανομεταλλικών παραγώγων συμπεριλαμβανομένων ενώσεων αργιλίου, μαγνησίου, ψευδαργύρου και ζιρκονίου με αρυλαλογονίδια παρουσία καταλύτη παλλαδίου [Negishi, 2005]. Ωστόσο σήμερα σύζευξη Negishi ονομάζεται η αντίδραση της διασταυρούμενης σύζευξης μεταξύ οργανοψευδαργυρικών ενώσεων και αλογονιδίων παρουσία καταλύτη παλλαδίου ή νικελίου.

Γενικό σχήμα της αντίδρασης Negishi.

΄Ενα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα εφαρμογής της αντίδρασης Negishi είναι η σύνθεση του β-καροτενίου, το οποίο παρασκευάζεται σε τρία στάδια εκ των οποίων τα δύο είναι σύζευξη Negishi με σχηματισμό των δεσμών που απεικονίζονται με κόκκινο.

β-Καροτένιο

Άλλο ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα της χρησιμότητας αυτής της μεθόδου είναι η εναντιοεκλεκτική σύνθεση του φυσικού προϊόντος discodermolide, που απομονώθηκε από θαλάσσια σφουγγάρια και είναι ισχυρός αναστολέας της ανάπτυξης των καρκινικών κυττάρων. Η αντίδραση σύζευξης Negishi είναι ένα βασικό βήμα για τη σύνθεση των δύο τμημάτων του μορίου και το σχηματισμό του δεσμού όπως απεικονίζεται με κόκκινο χρώμα στο σχήμα.

Επίσης με την αντίδραση σύζευξης Negishi έγινε δυνατή η σύνθεση του εξαφερροκενυλοβενζολίου, ενός μορίου με πολλές δυνατές εφαρμογές στον τομέα της χημείας των υλικών [DOI: 10.1039/B604844G].

Σύνθεση του εξαφεροκενυλοβενζολίου

H αντίδραση Suzuki είναι μια αντίδραση διασταυρούμενης σύζευξης όπως και η Negishi αλλά με την διαφορά ότι στην Suzuki χρησιμοποιούνται οργανοβορικά παράγωγα ως πυρηνόφιλα [DOI: 10.1021/ar00078a003].

Γενικό σχήμα της αντίδρασης Suzuki.

Στις μέρες μας η αντίδραση Suzuki είναι πιθανόν η σημαντικότερη μέθοδος για τη σύνθεση πολλών παραγώγων διαρυλίων και αυτό επειδή τα αρυλοβορονικά παράγωγα συντίθενται εύκολα από τριαλκυλοβορονικούς εστέρες με μια αντίδραση Grignard.

Μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές της αντιδρασης Suzuki είναι η σύνθεση μεσόμορφων πολυαρυλίων που χρησιμοποιούνται στην τεχνολογία των οθονών υγρών κρυστάλλων (LCD) [DOI: 10.1080/00397910701397292].

Σύνθεση μεσόμορφων διαρυλίων.

Ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα των δυνατοτήτων των αντιδράσεων Suzuki στη σύνθεση πολύπλοκων μορίων αποτελεί η σύνθεση της βανκομυκίνης (Vancomycin) ενός γλυκοπεπτιδικού αντιβιοτικού, που χρησιμοποιείται ως φάρμακο έκτακτης ανάγκης σε περιπτώσεις που τα άλλα αντιβιοτικά αποτυγχάνουν. Η αντίδραση σύζευξης Suzuki χρησιμοποιήθηκε ως ένα βασικό βήμα για το σχηματισμό του δεσμού μεταξύ των δύο αρυλίων όπως απεικονίζεται με κόκκινο χρώμα παρακάτω [DOI: 10.1002/(SICI)1521-3773(19981016)].

Βανκομυκίνη

Οι πρωτοποριακές εργασίες στα 1960 και 1970 των τριών νικητών του βραβείου Nobel Χημείας 2010, είχαν ως αποτέλεσμα στις μέρες μας τη χρήση των αντιδράσεων διασταυρούμενης σύζευξης ως ένα εξαιρετικά πολύτιμο και αξιόπιστο εργαλείο στη σύνθεση φυσικών προϊόντων, φαρμάκων, προϊόντων που απασχολούν την αγροχημεία καθώς και στην παραγωγή νέων υλικών. Σήμερα οι βιομηχανίες χρησιμοποιούν κατά κόρον τις αντιδράσεις αυτές για την παραγωγή διαφόρων προϊόντων σε τεράστιες ποσότητες. Η απονομή του βραβείου Nobel 2010 επισφράγισε τη σπουδαιότητα του έργου των ανθρώπων που εργάστηκαν για την ανάπτυξη αυτών των αντιδράσεων.