Bu bölüm, organik sentezde önemli bir yere sahip olan Kumada Cross-Coupling reaksiyonunu kapsar. Bu reaksiyon, 1972 yılında Jiro Kumada ve arkadaşları tarafından tanıtılmıştır ve bir organoalüminyum bileşiği ile bir organik halojenür’ün, nikel katalizörü varlığında eşleşerek yeni bir C–C bağı oluşturması prensibine dayanır. Bu yöntem, organometalik bileşiklerin kullanımıyla yüksek verimli ve seçici sentezlere olanak tanır.
Yuzo Kumada, Japon organik kimyager ve Kyoto Üniversitesi’nde görev yapan araştırmacıdır. 1972 yılında, hocası Prof. Dr. Tamejiro Hiyama ile birlikte, Grignard reaktiflerinin nikel veya palladyum katalizörlüğünde organik halojenürlerle doğrudan eşleşebildiğini keşfetti. Bu keşif, organomagnezyum bileşiklerinin (Grignard reaktifleri) daha önce düşünülenin aksine, metal katalizörlüğünde seçici çapraz eşleşmelere girebileceğini gösterdi. Kumada, bu yöntemin pratikliğini ve geniş uygulanabilirliğini deneysel olarak kanıtladı. Reaksiyon, onun adıyla “Kumada Kupleşmesi” olarak literatüre geçti ve organik sentezde ilk kez kullanılan çapraz eşleşme reaksiyonlarından biri oldu.
Tamejiro Hiyama, Kyoto Üniversitesi’nde uzun yıllar öğretim üyesi olarak görev yaptı ve Japonya’nın en önde gelen organometalik kimyagerlerinden biridir. Kumada ile birlikte 1972’de gerçekleştirdiği bu çalışma, modern çapraz eşleşme kimyasının temel taşlarından birini oluşturdu. Hiyama ayrıca, daha sonra kendi adıyla anılan “Hiyama Coupling” (organosilikon bileşikleriyle yapılan eşleşme) reaksiyonunu da geliştirdi. Bilim dünyası, Kumada reaksiyonunun keşfinde Hiyama’nın rehberlik ve teorik katkısını da büyük ölçüde takdir etmektedir. Bazı akademik çevreler, adil tanınma için bu yönteme “Hiyama-Kumada Coupling” demeyi önermektedir.
Kumada reaksiyonu, ilk olarak 1972 yılında Journal of Organometallic Chemistry dergisinde yayımlanan bir makaleyle duyuruldu. Başlangıçta sadece nikel katalizörlüğünde ve aril Grignard reaktifleriyle çalışan bu yöntem, kısa sürede palladyum katalizörlüğüne ve alkil/vinil Grignard reaktiflerine de uyarlandı. 1980’lerde, özellikle Robert H. Grubbs ve John F. Hartwig gibi araştırmacılar tarafından ligand mühendisliği sayesinde reaksiyonun verimi ve seçiciliği artırıldı. Kumada kupleşmesi, özellikle endüstriyel ölçekte ve polimer kimyasında (örneğin, iletken polimerlerin sentezi) yaygın olarak kullanıldı. 2010 Nobel Kimya Ödülü, bu yöntemin de dahil olduğu “palladyum katalizörlü çapraz eşleşme reaksiyonları” sınıfını onurlandırmıştır. Günümüzde, Grignard reaktiflerinin hava ve neme karşı duyarlılığı nedeniyle laboratuvarlarda daha az tercih edilse de, endüstride hâlâ aktif olarak kullanılmaktadır.
Kumada reaksiyonu, genel olarak aşağıdaki gibi gösterilir:
R¹–AlR₂ + R²–X → R¹–R² + AlR₂X
Burada R¹, genellikle alkil veya aril; R², organik grup; X, halojen (I, Br, Cl); ve AlR₂, alüminyum organik grubudur (genellikle AlEt₂ veya AlMe₂).
Mekanizma, Ni(0)/Ni(II) katalitik döngüsüne dayanır:
Alüminyum, yüksek Lewis asitliği ve düşük elektronegatifliği sayesinde, organik grubu nikel merkezine kolayca aktarabilir. Bu, transmetalasyon adımını hızlandırır ve reaksiyonun verimini artırır.
Kumada reaksiyonunun başarısı, aşağıdaki faktörlere bağlıdır:
| Reaktifler | Tipik Ürün | Notlar |
|---|---|---|
| Fenilalüminyum + Bromobenzen | Bifenil | Yüksek verimle gerçekleşir |
| Metilalüminyum + 1-Bromobütan | Pentan | Alkil-alkil eşleşmesi mümkündür |
| Vinilalüminyum + İyodobenzen | Stiren | Alkenil halojenürlerle de çalışır |
| Alkilalüminyum + Aril triflat | Alkil aromatik | Triflatlar da uygun substratlardır |
Kumada reaksiyonu genellikle nikel katalizörü ile gerçekleştirilir, çünkü:
Yine de, bazı modifikasyonlarda Pd katalizörü de kullanılmıştır.
Ar–AlEt₂ + R–Br → Ar–R
Katalizör: NiCl₂(PPh₃)₂ (5 mol%)
Çözücü: Et-eter
Sıcaklık: 0°C
Not: Reaksiyon, inert atmosfer altında (N₂ veya Ar) yapılmalıdır. Alüminyum bileşikleri hava ve neme karşı çok duyarlıdır.
Kumada reaksiyonu, özellikle doğal ürün sentezinde ve karmaşık moleküllerin inşasında kullanılır:
Soru 1: Kumada reaksiyonunda transmetalasyon adımının kolaylaşmasının nedeni nedir?
Soru 2: Aşağıdakilerden hangisi Kumada reaksiyonu için uygun bir katalizör DEĞİLDİR?
a) NiCl₂(PPh₃)₂
b) Pd(OAc)₂
c) Ni(acac)₂
d) AlEt₃
Soru 3: Kumada reaksiyonunda kullanılan tipik bir çözücü hangisidir?
a) Su
b) Aseton
c) Et-eter
d) Asit
Kumada reaksiyonunu anlamak için:
Kumada reaksiyonu tipik olarak inert atmosfer (N₂ veya Ar) altında Schlenk tüpünde gerçekleştirilir. Öncelikle katalizör çözücüde süspansiyon haline getirilir. Soğutulduktan sonra, organoalüminyum reaktifi damla damla eklenir. Son olarak, organik halojenür eklenir ve karışım belirli sıcaklıkta karıştırılır. Reaksiyon tamamlandıktan sonra, işlenerek (örneğin, asitli suyla söndürme, ekstraksiyon, kolon kromatografisi) ürün saflaştırılır.