Synthesis of Alkynes

CHAPTER ~ 1

SYNTHESIS OF ALKYNES

SINTESIS ALKUNA

            Dalam bagian ini akan dipelajari mengenai suatu hidrokarbon rangkap tiga atau yang biasa disebut alkuna “ alkynes “ disintesis. Sintesis alkuna yang akan dibahas melalui 3 cara yakni : alkilasi, menggunakan katalis Palladium, dan secara metathesis.

A.    Melalui alkilasi

Alkilasi sesuai namanya merupakan reaksi yang mana terjadinya penambahan suatu gugus alkil pada suatu kerangka molekul. Cara paling umum dalam mensintesis atau membuat suatu alkuna adalah melalui jalur alkilasi.

Berdasarkan McMurry (....), muatan negatif dan pasangan elektron bebas pada karbon menyebabkan anion acetylide menjadi sangat nukleofilik. Oleh karenanya, anion ini akan mampu bereaksi dengan suatu elektrofil (mis : alkil halida), menggantikan halida dan menghasilkan produk berupa produk alkuna yang baru.

Alkilasi alkuna tidak hanya terbatas pada asetilen saja. Terminal alkuna manapun dapat diubah menjadi bentuk anionnya dan dialkilasi menggunakan suatu alkil halida yang akan menhasilkan produk.         

            Dikarenakan keumumannya, alkilasi acetylide merupakan metode yang baik untuk menyiapkan alkuna tersubstitusi dari prekursor sederhana. Suatu terminal alkuna bisa disiapkan melalui alkilasi dari asetilen itu sendiri dan sebuah alkuna internal bisa diperoleh dari alkilasi lebih lanjut dari suatu terminal alkuna.

Reaksi alkilasi ini terbatas pada penggunaan alkil bromida primer dan alkiliodida dikarenakan ion – ion acetylide merupakan basa yang cukup kuat untuk menyebabkan eliminasi daripada substitusi ketika mereka berinteraksi dengan alkil halida sekunder maupun tersier. Sebagai contoh, pada reaksi bromosikloheksana dengan anion propuna (propyne) menghasilkan produk eliminasi sikloheksena daripada produk substitusi 1-propinilsikloheksana.

Adapun mekanisme reaksi alkilasi dalam sintesis alkuna adalah sebagai berikut :

B.    Melalui reaksi yang dikatalisis oleh Palladium

Beberapa reaksi dalam mensintesis alkuna melalui bantuan katalis Pd salah satunya menggunakan sonogashira protocol yang melibatkan reaksi terminal alkuna dengan organik halida dan suatu basa amina, contohnya Et₂NH, dengan adanya sejumlah katalis kompleks Pd-phosphine dan CuI.

Dalam kimia organik dikenal reaksi cross-coupling. Reaksi ini merupakan reaksi dimana dua starting material berbeda, yang mana salah satunya biasanya memiliki activatig group , yang akan bereaksi bersama dengan bantuan katalis logam. Hasilnya adalah hilangnya dua activating group dan pembentukan ikatan kovalen yang baru diantara fragmen yang tersisa. Melalui perkembangan metode sintesis, reaksi substitusi ke karbon sp2 dan sp lebih mudah diperoleh yang mana sebelumnya lebih sulit melakukannya menggunakan metode sintesis klasik tanpa penggunaan katalis logam. Katalis logam yang biasa dipakai adalah Nikel dan Palladium. Nikel memiliki sifat reaktifitas yang tinggi tetapi kestabilannya rendah namun nikel tidak mahal dan mudah untuk dihilangkan. Sedangkan Pd, stabil secara kimia dan mudah dikondisikan dan memiliki hasil samping atau by product yang sedikit namun Pd cukup mahal dan sulit dihilangkan. Salah satu bagian dari reaksi cross-coupling adalah rreaksi Sonogashira-Hagiwara cross coupling. Jenis katalis palladium yang sering digunakan yaitu Pd(PPh₃)₄, atau PdCl₂(PPh₃)₂ karena sifatnya yang stabil.

Contoh sintesis terbaru pada gambar di bawah merupakan sintesis di-tert-butil-tersubstitusi fenilena etinilena dimer, trimer, tetramer, dan pentamer. Reaksi di-tert-butil iodobenzene 182 dengan TMSA terjadi dibawah kondisi sonogashira yang dikatalisis oleh PdCl₂(PPh₃)₂ (0,4 mol%)/CuI (0,4 mol%) dengan adanya triethylamine/THF sebagai pelarut pada suhu kamar.

C.    Melalui metathesis

Catalytic alkene metathesis merupakan metode sintesis yang sangat baik dengan aplikasi yang sangat berguna dalam sintesis organik dan pembuatan polimer. Metathesis adalah reaksi dimana dua senyawa saling bertukar ion, biasanya dengan presipitasi dari sebuah produk insoluble. Atau didefinisikan sebagai suatu reaksi kimia dimana dua hidrokarbon ( alkana, alkena, atau alkuna ) dikonversi menjadi dua hdirokarbon baru melalui pertukaran karbon – karbon tunggal, rangkap 2 ataupun tiga. Pada reaksi ini biasanya dikatalisis oleh katalis logam.

Dalam metathesis alkuna ada banyak jenisnya, diantaranya ring-closing alkyne metathesis (RCAM), Nitrile alkyne cross metathesis (NACM), dsb. 

Adapun mekanisme dari reaksi metathesis alkuna adalah sebagai berikut :

Reaksi metathesis yang sudah ada dan kebanyakan digunakan adalah metathesis dari alkena. Oleh karenanya sedang dikembangkan lebih lanjut mengenai metathesis dari alkuna terutama dari segi katalis reaksi. Berdasarkan paper dari Karol Grela (2004), penulis menyediakan beberapa opsi mengenai pemilihan katalis. Pilihannya adalah :

1.  Sensitive preformed catalysts yang mana menyediakan pergantian yang tinggi tetapi membutuhkan teknik organologam yang lebih tepat, atau

2. In situ catalyst yang membutuhkan temperatur lebih tinggi dan waktu reaksi yang lebih lama, tetapi lebih murah dan secara teknis lebih mudah untuk dipersiapkan.

Untuk katalis yang sering sekarang ini digunakan adalah Mo(CO)₆ , dengan tambahan ligan fenol.
Metathesis alkuna tak hanya melibatkan ikatan rangkap 3 karbon – karbon namun juga rangkap tiga antara karbon dan nitrogen. Ikatan rangkap tiga ini lebih mudah dipasangkan dalam molekul dibandingkan ikatan rangkap tiga karbon – karbon. Selain itu, banyak senyawa tersubstitusi nitril tersedia secara komersial, meningkatkan daya tarik prekursor nitril.

Pertanyaan :

1. Apa saja dapat yang menyebabkan anion acetylide menjasi sangat nukleofilik pada reaksi alkilasi asetilen ?

2. Sebutkan sifat kimia dari katalis Palladium yang membuatnya digunakan sebagai katalis dalam reaksi cross-coupling ?

Sumber :
Cossy, J et al. 2011. Metathesis in Natural Product Synthesis. Germany : John Wiley & Sons.
Grela et al. 2004. " A Fine-Tuned Molybdenum Hexacarbonyl/Phenol Initiation for Alkynes Metathesis ". J. Org. Chem. 69 : 7748. 
McMurry, J. 2010. Organic Chemistry Eight Edition. USA : Cengage Learning.
The McGraw-Hill Companies, Inc. Catalysts Transformation of Alkenes and Alkynes.