Organokatalýza - Organocatalysis

Justus von Liebig syntéza oxamid z dicyan a voda představuje první organokatalytická reakce, s acetaldehyd dále identifikován jako první objevený čistý „organokatalyzátor“, který působí podobně jako tehdy pojmenované „fermenty“, nyní známé jako enzymy.[1][2]

v organická chemie, termín organokatalýza (A portmanteau Termín „organický“ a „katalyzátor“) označuje formu katalýza, přičemž sazba a chemická reakce se zvyšuje o organický katalyzátor označovaný jako "organokatalyzátor" sestávající z uhlík, vodík, síra a další nekovové prvky nacházející se v organických sloučeninách.[3][4][5][6][7][8] Kvůli jejich podobnosti ve složení a popisu se často mýlí jako nesprávné pojmenování pro enzymy vzhledem k jejich srovnatelným účinkům na reakční rychlosti a zúčastněné formy katalýzy.

Organokatalyzátory, které se zobrazují sekundárně amin lze popsat jako provedení buď enamin katalýza (tvorbou katalytického množství aktivního enaminu nukleofil ) nebo iminium katalýza (tvorbou katalytického množství aktivovaného iminiového elektrofilu). Tento mechanismus je typický pro kovalentní organokatalýzu. Kovalentní vazba na substrát obvykle vyžaduje vysoké zatížení katalyzátorem (pro prolinovou katalýzu typicky 20 - 30 mol%). Nekovalentní interakce, jako je vodíková vazba, usnadňují nízké zatížení katalyzátorem (až 0,001 mol%).

Organokatalýza nabízí několik výhod. Není tedy zapotřebí katalýzy na kovech, což přispívá k zelená chemie. V této souvislosti byly použity jednoduché organické kyseliny jako katalyzátor pro modifikaci celulózy ve vodě v mnohotonovém měřítku.[9] Když je organokatalyzátor chirální je otevřena avenue asymetrická katalýza, například použití prolin v aldolové reakce je příkladem chirality a zelené chemie.[10]

Úvod

Pravidelné achirální organokatalyzátory jsou založeny na dusíku, jako je piperidin použitý v Knoevenagelova kondenzace.[11] DMAP použito v esterifikace[12] a DABCO použitý v Baylis-Hillmanova reakce.[13] Thiazoliové soli jsou zaměstnáni v Stetterova reakce. Tyto katalyzátory a reakce mají dlouhou historii, ale zaměřuje se na současný zájem o organokatalýzu asymetrická katalýza s chirálními katalyzátory, tzv asymetrická organokatalýza nebo enantioselektivní organokatalýza. Průkopnická reakce vyvinutá v 70. letech se nazývá Hajos – Parrish – Eder – Sauer – Wiechertova reakce. V letech 1968 až 1997 existovalo jen několik zpráv o použití malých organických molekul jako katalyzátorů pro asymetrické reakce (Hajos-Parrishova reakce je pravděpodobně nejznámější), ale tyto chemické studie byly považovány spíše za jedinečné chemické reakce než za integrální části většího propojeného pole.[14]

Původní reakce

V této reakci přirozeně se vyskytující chirál prolin je chirální katalyzátor v Aldolová reakce. Výchozím materiálem je achirál triketon a k získání reakčního produktu je zapotřebí pouze 3% prolin, což je ketol v 93% enantiomerní přebytek. Toto je první příklad aminokyselinové katalyzované asymetrické aldolové reakce.[15][16]

Asymetrická syntéza Wieland-Miescher keton (1985) je také založen na prolině a další raná aplikace byla jednou z transformací v celková syntéza z Erytromycin podle Robert B.Woodward (1981).[17] Mini-review digesční článek se zaměřuje na vybrané nedávné příklady úplné syntézy přírodních a farmaceutických produktů za použití organokatalytických reakcí.[18]

Mnoho chirálních organokatalyzátorů je adaptací chirální ligandy (které spolu s kovovým centrem také katalyzují asymetrické reakce) a oba pojmy se do určité míry překrývají.

Kurzy organokatalyzátorů

Organokatalyzátory pro asymetrickou syntézu lze rozdělit do několika tříd:

Příklady asymetrických reakcí zahrnujících organokatalyzátory jsou:

Prolin

Hlavní článek: Prolinová organokatalýza

Prolinová katalýza byla přezkoumána.[20][21]

Organokatalýza imidazolidinonem

Katalyzátory imidazolidinonu

Imidazolidinony jsou katalyzátory mnoha transformací, jako je asymetrické Diels-Alderovy reakce a Michaelovy dodatky. Chirální katalyzátory indukujíasymetrické reakce, často s vysokou enantioselektivitou. Tento katalyzátor pracuje vytvořením iminiový ion s karbonyl skupiny α, β-nenasycených aldehydů (enals ) a enones rychle chemická rovnováha. Tento aktivace iminia je podobná aktivaci karbonylových skupin a Lewisova kyselina a oba katalyzátory snižují hladinu substrátu LUMO:[22][23]

Aktivace iminiových iontů

Přechodný iminiový meziprodukt je chirální, který se přenáší na reakční produkt prostřednictvím chirální indukce. Katalyzátory byly použity v Diels-Alderovy reakce, Michaelovy dodatky, Friedel-Craftsovy alkylace, přenos hydrogenací a epoxidace.

Jedním z příkladů je asymetrická syntéza léčiva warfarin (v rovnováze s hemiketal ) v Michael navíc z 4-hydroxykumarin a benzylidenaceton:[24]

Asymetrická syntéza warfarinu Jørgensen 2003

Nedávným exploitem je vinyl alkylace krotonaldehyd s organotrifluorborátová sůl:[25]

Asymetrická vinylová alkylace Lee 2007

Další příklady jeho použití: viz organokatalytická přenosová hydrogenace a asymetrické Diels-Alderovy reakce.

Thiomočovinová organokatalýza

Hlavní článek: Thiomočovinová organokatalýza

Velká skupina organokatalyzátorů obsahuje močovina nebo thiomočovina skupina. Tyto katalyticky účinné (thio) močovinové deriváty nazývané (thio) močovinové organokatalyzátory poskytují explicitní dvojnásobek vodíkové vazby interakce ke koordinaci a aktivaci substrátů přijímajících H-vazby.[26]

Reference

  1. ^ Justus von Liebig, Justus (1860). „Ueber die Bildung des Oxamids aus Cyan“. Annalen der Chemie und Pharmacie. 113 (2): 246–247. doi:10,1002 / jlac.18601130213.
  2. ^ W. Langenbeck (1929). „Über organische Katalysatoren. III. Die Bildung von Oxamid aus Dicyan bei Gegenwart von Aldehyden“. Liebigs Ann. 469: 16–25. doi:10,1002 / jlac.19294690103.
  3. ^ Berkessel, A., Groeger, H. (2005). Asymetrická organokatalýza. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-30517-9.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  4. ^ Speciální problém: List, Benjamin (2007). "Organokatalýza". Chem. Rev. 107 (12): 5413–5883. doi:10.1021 / cr078412e.
  5. ^ Peter I. Dalko; Lionel Moisan (2004). „Ve zlatém věku organokatalýzy“. Angew. Chem. Int. Vyd. 43 (39): 5138–5175. doi:10.1002 / anie.200400650. PMID  15455437.
  6. ^ Matthew J. Gaunt; Carin C.C. Johansson; Andy McNally; Ngoc T. Vo (2007). "Enantioselektivní organokatalýza". Objev drog dnes. 12 (1/2): 8–27. doi:10.1016 / j.drudis.2006.11.004. PMID  17198969.
  7. ^ Dieter Enders; Christoph Grondal; Matthias R. M. Hüttl (2007). "Asymetrické organokatalytické domino reakce". Angew. Chem. Int. Vyd. 46 (10): 1570–1581. doi:10.1002 / anie.200603129. PMID  17225236.
  8. ^ Peter I. Dalko; Lionel Moisan (2001). "Enantioselektivní organokatalýza". Angew. Chem. Int. Vyd. 40 (20): 3726–3748. doi:10.1002 / 1521-3773 (20011015) 40:20 <3726 :: AID-ANIE3726> 3.0.CO; 2-D.
  9. ^ Mezinárodní patent WO 2006068611 AI 20060629 „Přímá homogenní a heterogenní organická kyselina a modifikace aminů a alkoholů katalyzovaná aminokyselinami“ Vynálezci: Armando Córdova, Stockholm, Švédsko; Jonas Hafrén, Stockholm, Švédsko.
  10. ^ Příklad 4 v patentu USA 3 975 440, 17. srpna 1976, podáno 9. prosince 1970, Zoltan G. Hajos a David R. Parrish.
  11. ^ List, B. (2010). „Emil Knoevenagel a kořeny aminokatalýzy“. Angewandte Chemie International Edition v angličtině. 49 (10): 1730–1734. doi:10.1002 / anie.200906900. PMID  20175175.
  12. ^ Neises, Bernhard; Steglich, Wolfgang (červenec 1978). "Jednoduchá metoda pro esterifikaci karboxylových kyselin". Angewandte Chemie International Edition v angličtině. 17 (7): 522–524. doi:10,1002 / anie.197805221.
  13. ^ Basavaiah, Deevi; Rao, Anumolu Jaganmohan; Satyanarayana, Tummanapalli (březen 2003). "Nedávné pokroky v Baylis-Hillmanově reakci a aplikacích". Chemické recenze. 103 (3): 811–892. doi:10.1021 / cr010043d. PMID  12630854.
  14. ^ „Příchod a vývoj organokatalýzy“ David C. MacMillan, PŘÍRODA Svazek 455 | 18. září 2008| doi: 10.1038 / nature07367
  15. ^ Z. G. Hajos, D. R. Parrish, německý patent DE 2102623 1971
  16. ^ Zoltan G. Hajos; David R. Parrish (1974). "Asymetrická syntéza bicyklických meziproduktů chemie přírodních produktů". J. Org. Chem. 39 (12): 1615–1621. doi:10.1021 / jo00925a003.
  17. ^ R. B. Woodward; E. Logusch; K. P. Nambiar; K. Sakan; D. E. Ward; B. W. Au-Yeung; P. Balaram; L. J. Browne; et al. (1981). „Asymetrická celková syntéza erythromcinu. 1. Syntéza derivátu secokyseliny erythronolidu A prostřednictvím asymetrické indukce“. J. Am. Chem. Soc. 103 (11): 3210–3213. doi:10.1021 / ja00401a049.
  18. ^ B. -F. Sun (2015). „Celková syntéza přírodních a farmaceutických produktů poháněných organokatalytickými reakcemi“. Tetrahedron Lett. 56 (17): 2133–2140. doi:10.1016 / j.tetlet.2015.03.046.
  19. ^ Bertelsen, Søren (2009). „Organokatalýza - po zlaté horečce“. Recenze chemické společnosti. 38 (8): 2178–89. doi:10,1039 / b903816g. PMID  19623342.
  20. ^ Gaunt, M. J .; Johansson, C. C. C .; McNally, A .; Vo, N. T. (2007). "Enantioselektivní organokatalýza". Objev drog dnes. 12 (1–2): 8–27. doi:10.1016 / j.drudis.2006.11.004. PMID  17198969.
  21. ^ Kucherenko, A. S .; Siyutkin, D. E .; Maltsev, O. V .; Kočetkov, S. V .; Zlotin, S. G. (2013). „Asymetrická organokatalýza: Od prolinů po vysoce účinné imobilizované organokatalyzátory“. Ruský chemický bulletin. 61 (7): 1313. doi:10.1007 / s11172-012-0177-4. S2CID  93168492.
  22. ^ Gérald Lelais; David W. C. MacMillan (2006). „Modern Strategies in Organic Catalysis: The Advent and Development of Iminium Activation“ (PDF). Aldrichimica Acta. 39 (3): 79.
  23. ^ Erkkilä, Anniinä; Majander, Inkeri; Pihko, Petri M. (2007). "Iminium Catalysis". Chem. Rev. 107 (12): 5416–5470. doi:10.1021 / cr068388p. PMID  18072802.
  24. ^ Nis Halland; Tore Hansen; Karl Anker Jørgensen (2003). „Organocatalytic Asymetric Michael Reaction of Cyclic 1,3-Dicarbonyl Compounds and α, β-Nenaturated Ketones - a Highly Atom-Economic Catalytic One-Step formation of Optically Active Warfarin Anticoagulant“. Angew. Chem. Int. Vyd. 42 (40): 4955–4957. doi:10.1002 / anie.200352136. PMID  14579449.
  25. ^ Sandra Lee; David W. C. MacMillan (2007). „Alkylace organokatalytických vinylových a Friedel-Craftsových solí s trifluorborátem“ (PDF). J. Am. Chem. Soc. 129 (50): 15438–15439. doi:10.1021 / ja0767480. PMID  18031044.
  26. ^ Madarász, Ádám; Dósa, Zsolt; Varga, Szilárd; Soós, Tibor; Csámpai, Antal; Pápai, Imre (červenec 2016). „Thiomočovinové deriváty jako organokatalyzátory kyseliny Brønstedové“ (PDF). ACS katalýza. 6 (7): 4379–4387. doi:10.1021 / acscatal.6b00618.