양이온성 치환기를 함유하는 올레핀 복분해 반응의촉매로서의 전이 금속 카르벤 착물 document_id A220623050689

올레핀 복분해 촉매 작용은 강력한 기술이며, 이는 최근 탄소-탄소 결합의 형성을 위한 다용도의 방법으로서 큰 주목을 받아왔으며 유기 합성 및 고분자 화학에 매우 많이 응용되어 왔다(문헌[R.H. Grubbs, Handbook of Metathesis, Vol. 2 and 3; Wiley VCH, Weinheim, 2003]). 올레핀 복분해 반응은 폐환 복분해(RCM), 교차 복분해(CM 또는 XMET), 개환 복분해 중합반응(ROMP), 및 비환식 디엔 복분해 중합반응(ADMET)을 포함한다. 올레핀 복분해의 성공은 몇몇 양호하게 형성된 전이 금속 착물, 예컨대 슈록(Schrock) 몰리브덴 촉매 및 그럽스(Grubbs) 루테늄 및 오스뮴 촉매의 개발에서 유래한다(예를 들면, 문헌[Schrock (1999) Tetrahedron 55, 8141-8153]; [Schrock (1990) Acc. Chem. Res. 23, 158-165]; [Grubbs et al. (1998) Tetrahedron 54, 4413-4450]; [Trnka et al. (2001) Acc. Chem. Res. 34, 18-29]; [Grubbs, Handbook of Metathesis, Vol. 1; Wiley VCH, Weinheim, 2003] 참조). 이들 착물들의 발견에 이어, 촉매의 활성, 선택성 및/또는 안정성을 증가시키기 위해, 현저한 수의 올레핀 복분해 연구는 루테늄 및 오스뮴 카르벤 촉매의 조정에 초점이 맞춰졌다. 가장 통상적인 방법은 한자리 리간드를 다른 한자리 리간드로 대체하여 새롭고 유용한 성질을 가지는 촉매성 착물을 제공하는 것에 관한 것이다. 원래의 크게 발전된 루테늄 촉매는 주로 화학식 (PR3)2(X)2M=CHR'(식 중, M은 루테늄 (Ru) 또는 오스뮴 (Os)이고, X는 할로겐(예를 들면, Cl, Br, 또는 I)를 나타내고, R은 알킬, 시클로알킬, 또는 아릴 기(예를 들면, 부틸, 시클로헥실, 또는 페닐)을 나타내고, R'는 알킬, 알케닐, 또는 아릴 기(예를 들면, 메틸, CH=C(CH3)2, 페닐 등)을 나타낸다)의 비스포스핀 착물이었다(문헌[Nguyen et al. (1992) J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 3974-3975]; [Schwab et al. (1995) Angew. Chem., Int. Ed. 34, 2039-2041]; [Schwab et al. (1996) J. Am. Chem. Soc. 118, 100-110] 참조). 이들 유형의 촉매들의 예들은 그럽스(Grubbs) 등의 미국 특허 제5,312,940호, 제5,969,170호 및 제6,111,121호에 기술되어 있다. 상기 착물들은 현저한 수의 올레핀 복분해 전환 반응을 촉진할 수 있지만, 이들 비스포스핀 착물들은 원하는 것보다 낮은 활성을 보일 수 있으며, 특정 조건 하에서는 제한된 수명을 가질 수 있다. 보다 최근의 산업 분야에 있어서의 발전은, 포스핀 리간드 중 하나를 벌키한 N-헤테로시클릭 카르벤(NHC) 리간드(문헌[Scholl et al. (1999) Organic Letters 1, 953-956])로 대체하여 화학식 (L)(PR3)(X)2Ru=CHR'(식 중, L은 NHC 리간드, 예컨대 1,3-디메시틸이미다졸-2-일리덴(IMes) 및 1,3-디메시틸-4,5-디히드로이미다졸-2-일리덴(sIMes)을 나타내고, X는 할로겐(예를 들면, Cl, Br, 또는 I)을 나타내고, R은 알킬, 시클로알킬, 또는 아릴 기(예를 들면, 부틸, 시클로헥실, 또는 페닐)를 나타내고, R'은 알킬, 알케닐, 또는 아릴 기(예를 들면, 메틸, CH=C(CH3)2, 페닐 등)을 나타낸다)의 착물을 제공하는 것에 의해, 증가된 활성 및 안정성을 초래하였다. 대표적인 구조는 하기의 착물 A (문헌[Scholl et al. (1999) Organic Letters 1, 953-956]), 착물 B (문헌[Garber et al. (2000) J. Am. Chem. Soc. 122, 8168-8179]), 및 착물 C (문헌[Sanford et al. (2001) Organometallics 20, 5314-5318]; [Love et al. (2002) Angew. Chem., Int. Ed. 41, 4035-4037])를 포함한다. 선행 기술의 비스포스핀 착물과 달리, 다양한 이미다졸일리딘 촉매가 촉매성 복분해를 통한 삼치환 및 사치환 올레핀의 효율적인 형성을 수행한다. 이들 유형의 촉매들의 예들은 PCT 공개공보 WO 99/51344 및 WO 00/71554에 기술되어 있다. 이들 활성 루테늄 착물들 중 일부의 합성 및 반응성의 추가의 예들은 문헌[Fuerstner et al. (2001) Chem. Eur. J. 7, No. 15, 3236-3253]; [Blackwell et al. (2000) J. Am. Chem. Soc. 122, 58-71]; [Chatterjee et al. (2000) J Am. Chem. Soc. 122, 3783-3784]; [Chatterjee et al. (2000) Angew. Chem. Int. Ed. 41, 3171-3174]; [Chatterjee et al. (2003) J. Am. Chem. Soc. 125, 11360-11370]에 의해 보고된다. 이들 촉매들의 추가의 조정은 보다 벌키한 이미다졸일리딘 리간드, 예컨대 1,3-비스(2,6-디이소프로필페닐)-4,5-디히드로이미다졸-2-일리덴(문헌[Dinger et al. (2002) Adv. Synth. Catal. 344, 671-677]) 또는 전자 결핍 포스핀 리간드, 예컨대 플루오르화 아릴 포스핀(문헌[Love et al. (2003) J. Am. Chem. Soc. 125, 10103-10109])의 사용에 의해 더욱 더 높은 활성을 초래하였다. 증강된 촉매 활성을 초래한 리간드 치환의 또다른 예는 (L)(PR3)(X)2M=CHR' 착물 내의 포스핀 리간드를 1개 또는 2개의 피리딘-유형의 리간드로 대체하여 화학식 (L)(L')n(X)2M=CHR'(식 중, n은 1 또는 2이고, L은 이미다졸일리딘 리간드를 나타내고, L'은 피리딘(Py) 또는 치환된 피리딘 리간드를 나타내고, X는 할로겐(예를 들면, Cl, Br, 또는 I)을 나타내고, R'은 알킬, 알케닐, 또는 아릴 기(예를 들면, 메틸, CH=C(CH3)2, 페닐 등)를 나타낸다)의 화합물을 제공하는 것이다. 이들 피리딘 착물들은 활발한 개환 복분해 중합반응을 극히 빠르게 개시하거나 촉진하며(문헌[Choi et al. (2003) Chem. Int. Ed. 42, 1743-1746]) 아크릴로니트릴을 사용한 올레핀 교차 복분해 같은 공정을 고도로 자극한다(문헌[Love et al. (2002) Angew. Chem. Int. Ed. 41, 4035-4037]). 한자리 리간드 치환의 또다른 예는 할로겐 리간드를 아릴-옥소 리간드로 대체하는 것이며, 하나의 예는 증강된 활성을 가지는 촉매: (L)(L')n(RO)2Ru=CHR'(식 중, n은 1이고, L은 이미다졸일리딘 리간드를 나타내고, L'은 피리딘 리간드를 나타내고, R은 플루오르화 아릴 기를 나타내고, R'은 알킬, 알케닐, 또는 아릴 기를 나타낸다)를 초래한다(문헌[Conrad et al. (2003) Organometallics 22, 3634- 3636]). 올레핀 복분해 촉매를 조정하는 다른 방법은 금속 중심에 부착된 두 개의 리간드를 연결시키는 것을 포함한다. 특히 주목받는 것은 호베이다(Hoveyda) 및 다른 이들(문헌[Gaber et al. (2000) J Am. Chem. Soc. 122, 8168-8179]; [Kingsbury et al. (1999) J Am. Chem. Soc. 121, 791-799]; [Harrity et al. (1997) J. Am. Chem. Soc. 119, 1488-1489]; [Harrity et al. (1998) J Am. Chem. Soc. 120, 2343- 2351])에 의해 보고된 킬레이트 카르벤 종이다. 이 촉매는 매우 안정하며 컬럼 크로마토그래피에 의해 공기 중에서 정제될 수 있다. 촉매 성능을 구별하고 올레핀 복분해 반응을 조절하기 위한 노력은 대전된 루테늄 금속 착물의 개발에는 별로 초점을 두지 않았었다. 몇몇 집단이 화학식 [(L)(L')(X)Ru=(C)n=CRR']+(L 및 L'은 임의의 다양한 중성 전자 공여체이고, X는 전형적으로 할로겐화물이고, n은 0,1,2...이다)의 양이온성 화합물을 설명하였다. 미국 특허 제6,590,048호에서, 퓌르스트너(Fuerstner)는 양이온성 비닐리덴, 알릴리덴 및 보다 높은 쿠물렌 착물을 다양한 올레핀 복분해 반응에 사용하는 것을 교시한다. 미국 특허 제6,500,975호에서, 슈왑(Schwab) 및 동료들은 양이온성 루테늄 알킬리다인 착물의 용도 및 그의 전자 결핍 올레핀의 복분해에서의 사용을 기술한다. 미국 특허 제6,225,488호에서, 무커지(Mukerjee) 등은 루테늄 또는 오스뮴의 양이온성 (비스알릴)비닐리덴 착물을 노르보르넨 유도체의 개환 복분해 중합반응에 사용하는 것을 교시한다. 다른 양이온성 8족 복분해 촉매는 문헌[Jung et al. (2001) Organometallics 20:2121]; [Cadierno et al. (2001) Organometallics 200:3175]; [De Clereq et al. (2002) Macromolecules 35:8943]; [Bassetti et al. (2003) 22:4459]; [Pruehs et al. (2004) Organometallics 23:280]; 및 [Volland et al. (2004) Organometallics 23:800]에 의해 기술된다. 이들은 전형적으로 중성 금속 전구체의 배위권으로부터의 음이온성 리간드의 추출에서 유래한다. 다르게는, 중성 착물 내의 양이온성 리간드는 중성 리간드로 대체되어 양이온성 중성 착물을 초래할 수 있다. 상기한 착물과는 다르게, 문헌[Audic et al. (2003) J. Am. Chem. Soc. 125:9248]는 올레핀 교차 복분해를 사용하여 이미다졸륨 염을 그럽스 또는 그럽스-호베이다 촉매 전구체의 카르벤 잔기에 연결시킨다. 생성되는 착물의 인접 배위권은 의도적으로 대전되지 않은 채 유지되지만, 말단 이미다졸륨 염은 촉매 전구체에 특정 이온성 액체에 대한 가용성을 부여한다. 이들 노력들은 촉매 재활용을 촉진하기 위한 이온성 액체 "지지된" 촉매의 개발에 관한 것이었다. 이하 보다 자세히 논의되는 바와 같이, X2(L)(L')Ru=C(H)R로 일반적으로 나타내지는 그럽스 촉매 중 일부의 보다 낮은 활성의 근원은 그의 개시 방식 및 반응성 종, 즉 L'의 가역적 해리에 의해 형성된 14-전자 알킬리덴 X2(L)Ru=C(H)R의 접근 가능성에 있다. 그럽스 "제1 세대" 촉매, 예를 들면, Cl2(PCy3)2Ru=C(H)Ph(Cy는 시클로헥실임)에 대한 개선의 대부분은 L'의 손실을 촉진하거나(문헌[Love et al. (2003) J. Am. Chem. Soc. 125:10103]) 또는 Cl2(L)Ru=C(H)R이 유리된 L'을 다시 포획하려는 경향을 감소시키는(문헌[Sanford et al. (2001) J. Am. Chem. Soc. 123:6543]) 변형이며, 이때 L'는 Cl2(L)Ru=C(H)R 내의 불포화 금속 중심에 대한 올레핀 기질과 경합한다. 다르게는, 호베이다는 L'가 제1 복분해 동안 제거되는 카르벤 리간드와 결합된 느슨하게 킬레이트화시키는 기인 일련의 촉매를 개발하였다. 문헌[Kingsbury et al. (1999) J. Am. Chem. Soc. 121:791]; [Hoveyda (1999) J. Am. Chem. Soc. 121:791]; 및 [Garber et al. (2000) J. Am. Chem. Soc. 122:8168]을 참조한다. 이들 진보들에도 불구하고, 고도로 활성이며 공기 및 습기에 대해 안정하며, 열적으로 안정하며, 올레핀 기질 상의 관능기에 대해 내성이 있는 올레핀 복분해 착물이 요구된다. 이상적인 촉매는 또한 개시 시간 및 기질 전환률을 포함하여 활성에 대해 "조정가능"할 것이다. 발명의 요약 본 발명은 당업계의 상기 요구를 해결하며, 올레핀 복분해 반응의 촉매로 유용한 새로운 유기금속 착물을 제공한다. 공지된 올레핀 복분해 촉매와 비교하여, 새로운 촉매는 복분해 반응의 잠복 기간을 극적으로 단축시키며, 반응이 일어나는 속도를 현저하게 증가시키며 반응 완료까지의 시간을 실질적으로 단축시킨다. 이와 같이, 본 발명의 착물은 고도로 활성인 복분해 촉매이다. 하나의 실시태양에 있어서, 올레핀 복분해 촉매로 유용한, 하기 화학식 I의 구조를 가지는 유기금속 착물이 제공된다. 식 중, M은 8족 전이 금속이고; L1 및 L2는 중성 전자 공여체 리간드이고; X1 및 X2는 음이온성 리간드이고; R1은 수소, C1-C12 히드로카르빌, 또는 치환된 C1-C12 히드로카르빌이고; W는 임의로 치환되고/치환되거나 이종원자를 함유하는 C1-C20 히드로카르빌렌 결합이고; Y는 수소, C1-C12 히드로카르빌, 치환된 C1-C12 히드로카르빌, 이종원자를 함유하는 C1-C12 히드로카르빌, 또는 이종원자를 함유하는 치환된 C1-C12 히드로카르빌로 치환된 양으로 대전된 15족 또는 16족 원소이고; Z-는 음으로 대전된 반대 이온이고; m은 0 또는 1이고; n은 0 또는 1이며; 상기 L1, L2, X1, X2, R1, W, 및 Y 중 임의의 둘 이상은 함께 환식 기를 형성할 수 있다. 예시적인 촉매는 m 및 n이 둘 다 0인 것이다. 또다른 실시태양에 있어서, 본 발명의 유기금속 착물의 합성 방법들이 제공된다. 한 가지 상기 방법은 하기 화학식 XIII의 구조를 가지는 8족 전이 금속 카바이드와 화학식 [R1]+[Z]-의 이온성 시약을 접촉시키는 단계를 포함하는 하기 화학식 XI의 구조를 가지는 유기금속 착물의 합성 방법에 관한 것이다. 식 중, M은 8족 전이 금속이고; L1은 중성 전자 공여체 리간드이고; X1 및 X2는 음이온성 리간드이고; R1은 수소, C1-C12 히드로카르빌, 또는 치환된 C1-C12 히드로카르빌이고; Y는 수소, C1-C12 히드로카르빌, 치환된 C1-C12 히드로카르빌, 이종원자를 함유하는 C1-C12 히드로카르빌, 또는 이종원자를 함유하는 치환된 히드로카르빌로 치환된 양으로 대전된 15족 또는 16족 원소이고; Z-는 음으로 대전된 이온이다. 이온성 시약 내의 [R1]+ 잔기는 전형적으로 수소이며, 극성 용매와 결합될 수 있다("저씨 산(Jutzi's acid)"이라고도 언급되는 [H(Et2O)2][B(C6F5)4]-에서 처럼, 문헌[Jutzi et al. (2000) Organometallics 19:1442] 참조). 본 발명은 또한 (a) (i) 하기 화학식 XIV의 구조를 가지는 루테늄 착물과 (ii) 루테늄 착물을 하기 화학식 XV의 루테늄 카바이드로 전환시키는데 효과적인 시약을 접촉시키는 단계; 및 (b) 루테늄 카바이드와 화학식 [H(OR2)2]+[B(R15)4]-(R15는 플루오로, 아릴, 또는 퍼플루오르화 아릴이고, R은 C1-C6 히드로카르빌임)의 양성자 첨가 시약을 접촉시키는 단계 를 포함하는 하기 화학식 II의 구조를 가지는 유기금속 착물의 합성 방법을 제공한다. 식 중, L1, X1, X2, R1, Y는 앞서 정의한 바와 같고, Y는 바람직하게는 C1-C12 히드로카르빌로 치환된 양으로 대전된 15족 또는 16족 원소이고; Z-는 화학식 B(R15)4-를 가진다. 식 중, R16은 C1-C20 히드로카르빌이다. 추가의 실시태양에 있어서, 하기 화학식 XVI의 구조를 가지는 유기금속 착물과 H2C=CR1-W-Y+Z-의 구조를 가지는 이온성 시약을 착물 내의 전이 금속 알킬리덴 기와 시약 내의 올레핀성 잔기 사이의 교차 복분해 반응을 일으키기에 효과적인 조건하에 접촉시키는 단계를 포함하는 하기 화학식 XII의 구조를 가지는 유기금속 착물의 합성 방법이 제공된다. 식 중, M, L1, X1, X2, R1 및 Y는 앞서 정의한 바와 같고; W는 임의로 치환되고/치환되거나 이종원자를 함유하는 C1-C20 히드로카르빌렌 결합이고; Y는 수소, C1-C12 히드로카르빌, 치환된 C1-C12 히드로카르빌, 이종원자를 함유하는 C1-C12 히드로카르빌, 또는 이종원자를 함유하는 치환된 히드로카르빌로 치환된 양으로 대전된 15족 또는 16족 원소이고; Z-는 음으로 대전된 이온이다. 식 중, R16은 C1-C20 히드로카르빌이다. 또한, 하기 화학식 XVII의 구조를 가지는 루테늄 착물과 H2C=CR1-W-Y+Z-의 구조를 가지는 이온성 시약을 착물 내의 루테늄 알킬리덴 기와 시약 내의 올레핀성 잔기 사이의 교차 복분해 반응을 일으키기에 효과적인 조건하에 접촉시키는 단계를 포함하는 하기 화학식 VII의 구조를 가지는 본 발명의 유기금속 착물의 합성 방법이 제공된다. 식 중, L1, L2, X1, X2, R1, W 및 Y는 앞서 정의한 바와 같고, W는 바람직하게는 임의로 치환된 C1-C12 알킬렌 결합이고; Y는 바람직하게는 C1-C12 히드로카르빌로 치환된 양으로 대전된 15족 또는 16족 원소이고; Z-는 화학식 B(R15)4-(R15는 플루오로, 아릴, 또는 퍼플루오르화 아릴임)를 가진다. 식 중, R16은 상기 정의한 바와 같다. 또다른 실시태양에 있어서, 1종 이상의 올레핀성 시약과 촉매적 유효량의 본 발명의 유기금속 착물을 올레핀 복분해를 일으키기에 효과적인 반응 조건하에 접촉시키는 단계를 포함하는 올레핀 복분해 반응의 촉진 방법이 제공된다. 복분해 반응은 폐환 복분해, 교차 복분해, 개환 복분해 중합반응, 또는 비환식 디엔 복분해 중합반응일 수 있다. 본 발명은 올레핀 복분해 촉매로서 사용된 선행 기술의 8족 전이 금속 착물에 비해 실질적인 개선을 나타낸다. 문헌[Schrock et al. (1990) J Am. Chem. Soc. 112:3875], [Schrock et al. (2003) Angew. Chem. 115:4740], [Schrock et al. (2003) Angew. Chem. Int. Ed. 42:4592], 및 [Trnka et al. (2001) Acc. Chem. Res. 34:18]에 기술된 것들을 포함하는 선행 기술의 촉매들은 고도로 활성이지만 습기에 민감하며 극성 관능기에 대해 내성이 없는 것(예를 들면, 슈록 등에 기술된 것)이거나 습기에 민감하지 않고 극성 관응기에 대해 내성이 있지만 활성이 높지 않은 것(예를 들면, 트른카(Trnka) 등에 의해 기술된 것)이다. 반대로, 본 발명의 착물 및 방법은 높은 활성, 습기에 민감하지 않음, 및 극성 관능기에 대한 내성을 포함하여 앞서 말한 모든 장점들을 제공한다. 또한, 개시 시간 및 기질(즉, 올레핀성 반응물) 전환률이 양이온성 종 [Y]+를 금속 중심으로부터 적절한 거리로 떨어뜨리는 것에 의해 원하는바 대로 조정될 수 있다.