Baeyerova–Villigerova oxidace

Baeyerova-Villigerova oxidace je organická reakce, při níž vzniká ester z acyklického nebo lakton z cyklického ketonu při použití peroxykyseliny nebo peroxidu jako oxidačního činidla. Je pojmenována po Adolfu von Baeyerovi a Victoru Villigerovi, německých chemicích, kteří ji roku 1899 objevili.

Baeyerova-Villigerova oxidace

Mechanismus

U Baeyerovy-Villigerovy oxidace nejprve peroxykyselina protonuje kyslíkový atom karbonylové skupiny, karbonyl je tak mnohem náchylnější k ataku peroxykyselinou. Následně peroxykyselina atakuje uhlík tohoto karbonylu za vzniku meziproduktu nazývaného Criegeeův meziprodukt. +more Poté se jeden ze substituentů ketonové skupiny přesune na kyslíkový atom peroxidové skupiny a uvolní se karboxylová kyselina; právě tento krok ovlivňuje rychlost reakce. Nakonec dojde k deprotonaci oxokarbeniového iontu a vzniku konečného esteru.

Mechanismus Baeyerovy-Villigerovy oxidace

Tvorba konkrétních produktů je pravděpodobně řízena primárními i sekundárními stereoelektronovými jevy. Primární souvisejí s nutností, aby byla vazba mezi atomy kyslíku v peroxidu v opačné rovině než skupina, která se přesunuje; takováto orientace umožňuje ideální překryv orbitalů σ přesunující se skupiny s orbitaly σ* peroxidové skupiny. +more Sekundární stereoelektronové jevy souvisejí s potřebou, aby byl volný elektronový pár kyslíku v hydroxylové skupině v opačné rovině než skupina, která se přesunuje, což umožňuje ideální překryv nevazebných orbitalů kyslíkového atomu hydroxylu s orbitaly σ* této skupiny. Při tomto kroku dvě nebo tři molekuly peroxykyseliny pomáhají hydroxylovému protonu přesunout se do nové pozice.

Stereoelektronové jevy při Baeyerově-Villigerově oxidaci

Schopnost přesunu klesá v této řadě: terciární skupina > sekundární skupina > aryl > primární skupina. Allylové skupiny migrují lépe než primární alkyly, ovšem hůře než sekundární alkyly. +more Pokud se na substituentu nachází skupina snižující elektronovou hustotu, pak se rychlost migrace snižuje, pro což existují dvě možná vysvětlení. Jedno z nich spočívá v tvorbě kladného náboje u přechodného stavu, což má za následek rozpad Criegeeova meziproduktu (jehož rezonanční struktury jsou zobrazeny na následujícím obrázku). Vzhledem ke struktuře tohoto meziproduktu bude mít nejvyšší migrační schopnost meziprodukt s kladným nábojem. Čím větší je úroveň substituce, tím je vzniklý karbokation obecně stabilnější a proto se terciární skupiny přesunují lépe než sekundární a sekundární lépe než primární.

Rezonanční struktury Criegeeova meziproduktu

Při druhém možném vysvětlení se využívají stereoelektronové a sterické efekty. Jak již bylo vysvětleno dříve, tak se přesouvá ten substituent, který je v přechodném stavu v antiperiplanární poloze vůči peroxidové skupině. +more U tohoto přechodného stavu se objevují interakce mezi peroxykyselinou a skupinou, která se nepřesunuje, jež souvisejí s konformací přechodného stavu. Pokud se objemnější skupina nachází vzhledem k peroxidové skupině v antiperiplanární poloze, tak dojde k omezení interakcí mezi vznikajícím esterem a karbonylem peroxykyseliny. Objemnější skupina tedy bude „upřednostňovat“ peroxidovou skupinu, čímž se zvýší její náchylnost k přesunu.

Ovlivnění náchylnosti k přesunu skupiny sterickými efekty

Historie

V roce 1899 Adolf Baeyer a Victor Villiger poprvé popsali reakci dnes známou pod názvem Baeyerova-Villigerova oxidace. K tvorbě odpovídajících laktonů z kafru, menthonu a tetrahydrokarvonu použili kyselinu peroxosírovou.

Původní reakce popsaná Baeyerem a Villigerem

Byly navrženy tři mechanismy Baeyerovy-Villigerovy oxidace, které se zdály být v souladu s pozorováními. Tyto mechanismy lze rozdělit na dva různé druhy peroxidového ataku podle toho, jestli k nim dochází na kyslíkovém či vodíkovém atomu karbonylové skupiny. +more U ataku na kyslíkovém atomu mohou existovat dva různé meziprodukty; Baeyer a Villiger navrhli dioxiranový meziprodukt, zatímco Georg Wittig a Gustav Pieper navrhli tvorbu peroxidu (při které nevzniká dioxiran). Rudolf Criegee předpokládal, že k ataku dochází na uhlíkovém atomu; v tomto případě by peroxokyselina atakovala karbonylový uhlík za vzniku látky dnes nazývané Criegeeův meziprodukt.

Navržené meziprodukty Baeyerovy-Villigerovy oxidace

V roce 1953 William von Eggers Doering a Edwin Dorfman nalezli pomocí značení benzofenonu kyslíkem-18 správný mechanismus. Každý ze tří navržených mechanismů vedl k rozdílnému rozložení značkovaných produktů. +more Criegeeův meziprodukt by vedl k produktu označkovanému pouze na karbonylovém kyslíku. Produkt vzniklý z Wittigova-Pieperova meziproduktu by byl označen pouze na alkoxy skupině esteru. Meziprodukt, který navrhli Baeyer a Villiger, by vedl k rovnocennému vzniku obou předchozích produktů. Výsledek experimentu byl v souladu s tvorbou Criegeeova meziproduktu, a nyní je přijímán jemu odpovídající mechanismus.

Různé možné výsledky Dorfmanova a Doeringova experimentu se značkováním

Stereochemie

Přesun skupiny neovlivňuje stereochemii produktu.

Reaktanty

Baeyerova-Villigerova oxidace provádí s mnoha různými peroxokyselinami, nejčastější jsou kyselina meta-chlorperoxybenzoová a kyselina trifluorperoctová. Obecně platí, že se vyšší reaktivity dosahuje při nižší hodnotě disociační konstanty (tedy vyšší kyselosti) odpovídající karboxylové kyseliny (nebo alkoholu, pokud je k oxidaci použit peroxid). +more Z tohoto důvodu reaktivita klesá v řadě kyselina trifluorperoctová > kyselina 4-nitroperoxobenzoová > kyselina meta-chlorperoxybenzoová > kyselina peroxyoctová > peroxid vodíku > terc-butylhydroperoxid. Peroxidy jsou zde mnohem méně reaktivní než peroxokyseliny; při použití peroxidu vodíku je často potřeba katalyzátor. Použití organických peroxidů a peroxidu vodíku často způsobuje zvýšený výskyt vedlejších reakcí.

Omezení

Používání peroxokyselin a peroxidů při Baeyerově-Villigerově oxidaci ketonů může vést k nechtěné oxidaci dalších funkčních skupin, mimo jiné alkenů a aminů. Alkeny mohou být, obzvláště, je-li na nich vysoká elektronová hustota, oxidovány na epoxidy. +more Byly ovšem vyvinuty metody, pomocí kterých se lze vyhnout těmto vedlejším reakcím. Roku 1962 bylo popsáno, že při použití hydroperoxidu za přítomnosti selenového katalyzátoru dochází k tvorbě alkenylketonů, zatímco je-li použita kyselina peroxooctová, tak vzniká ester.

střed

Varianty

Katalytická Baeyerova-Villigerova oxidace

Použití peroxidu vodíku jako oxidačního činidla může být výhodné díky tomu, že je reakce šetrnější k životnímu prostředí, jelikož je jediným vedlejším produktem voda. Reakce s katalyzátory tvořenými deriváty kyseliny benzenselenové mají při jeho použití značnou selektivitu. +more Další skupinou katalyzátorů, které vykazují vysokou selektivitu při oxidaci peroxidem vodíku, jsou pevné Lewisovy kyseliny jako například křemičitany cínu. Požadovanou aktivitu a plnou selektivitu vykazují hlavně křemičitany zeotypu Sn-beta a amorfní Sn-MCM-41.

Baeyerovy-Villigerovy monooxygenázy

Jednou z variant Baeyerovy-Villigerovy oxidace je použití enzymů jako katalyzátorů. Baeyerovy-Villigerovy monooxygenázy (BVMO) využívají k provedení této reakce dikyslík. +more Zmíněné enzymy mohou enantioselektivně oxidovat prochirální substráty.

Asymetrická Baeyerova-Villigerova oxidace

Proběhlo několik pokusů o využití organokovových katalyzátorů za účelem provedení enantioselektivní Baeyerovy-Villigerovy oxidace. Prvním takovým popsaným způsobem byla oxidace prochirálního ketonu za použití dikyslíku jako oxidačního činidla a organické sloučeniny mědi jako katalyzátoru. +more Následně byly použity i jiné katalyzátory, například sloučeniny platiny a hliníku.

Využití

Syntéza zoapatanolu

Zoapatanol je biologicky aktivní látka, která se přirozeně vyskytuje v rostlině Montanoa tomentosa, z níž se v Mexiku připravuje odvar, který může spustit menstruaci. Syntéza této látky byla popsána roku 1981; byla při ní využita také Baeyerova-Villigerova oxidace, při níž vznikl lakton, který sloužil jako základní prvek, který vedl až k zoapatanolu.

Využití Baeyerovy-Villigerovy oxidace při syntéze zoapatanolu.

Syntéza steroidů

V roce 2013 byla popsána přeměna steroidu dehydroepiandrosteronu na léčivo testololakton za použití Baeyerovy-Villigerovy oxidace vyvolané houbou vytvářející Baeyerovu-Villigerovu monooxygenázu

Přeměna dehydroepiandrosteronu na testololakton s využitím Baeyerovy-Villigerovy monooxygenázy jako katalyzátoru

Odkazy

Související články

Dakinova oxidace

Externí odkazy

Reference

Kategorie:Organické redoxní reakce Kategorie:Esterifikační reakce Kategorie:Jmenné reakce