Sharplessova asymetrická dihydroxylace

Sharplessova asymetrická dihydroxylace (také se používá název Sharplessova bishydroxylace) je chemická reakce alkenu s oxidem osmičelým za přítomnosti chirálního chininového ligandu, přičemž produktem je vicinální diol.

Tuto reakci je možné provést u alkenů s téměř jakýmikoliv substituenty, často vysoce ernantioselektivně. Asymetrické dihydroxylace bývají také značně regioselektivní, protože se tvoří převážně produkty reakcí na dvojných vazbách s největší elektronovou hustotou.

Sharplessova dihydroxylace RL = největší substituent; RM = střední substituent; RS = nejmenší substituent

Reakce se často provádí za přítomnosti katalytického množství oxidu osmičelého, který se po reakci obnovuje například hexakyanoželezitanem draselným nebo N-methylmorfolin N-oxidem.

Tímto se výrazně snižuje potřebné množství toxického a nákladného oxidu osmičelého. Čtveřice reaktantů pro tuto reakci je komerčně dostupná jako směs.

Některé chirální dioly mají využití v organické syntéze. Zavádění chirality do nechirálních molekul prostřednictvím chirálních katalyzátorů má velký význam.

Tuto reakci rozvinul Karl Barry Sharpless na základě již známé Upjohnovy dihydroxylace. V roce 2001 za to obdržel Nobelovu cenu za chemii.

Historie

Dihydroxylace alkenů osmičelým (OsO4) je poměrně starým, ovšem užitečným postupem funkcionalizace alkenů. Protože je však OsO4 drahý a vysoce toxický, tak se objevily snahy o vývoj katalytických variant. +more Jako stechiometrická oxidační činidla se používají například chlorečnan draselný, peroxid vodíku, N-methylmorfolin N-oxid, terc-butylhydroperoxid a hexakyanoželezitan draselný (K3Fe(CN)6). Karl Barry Sharpless jako první provedl všeobecnou a použitelnou enantioselektivní dihydroxylaci alkenů. Malá množství OsO4 se smíchají se stechiometrickým množstvím hexakyanoželezitanu za přítomnosti chirálních dusíkatých ligandů, čímž se vytvoří okolo oxidačního činidla asymetrické prostředí.

Mechanismus

Sharplessova dihydroxylace začíná tvorbou komplexu oxidu osmičelého a ligandu (2).

-cykloadicí s alkenem (3) se vytvoří cyklický meziprodukt 4. Zásaditou hydrolýzou se uvolní diol (5) a redukovaný osman (6). +more Tuto část katalytického cyklu urychluje methansulfonamid (CH3SO2NH2), a tak se často přidává do reakční směsi za účelem dosažení dobrého průběhu reakce nekoncových alkenů i při 0 °C. Nakonec stechiometrický oxidant obnoví komplex oxidu osmičelého a ligandu (2).

Mechanismus Sharplessovy dihydroxylace

Mechanismus Sharplessovy dihydroxylace byl podrobně prozkoumán a byl nalezen možný druhý katalytický cyklus (viz níže).

Pokud je osmylátový esterový meziprodukt zoxidován před tím, než se stihne disociovat, tak se vytvoří komplex OsVIII-diol, jenž může dihydroxylovat další alken. Dihydroxylace touto vedlejší drahou se obvykle vyznačují nižšími enantioselektivitami než u hlavní dráhy; lze ji potlačit zvýšením molární koncentrace ligandu.

Níže je zobrazen vedlejší katalytický cyklus:

Vedlejší katalytický cyklus Sharplessovy asymetrické dihydroxylace

[2+2]/[3+2] mechanismus

Sharpless původně navrhl, že tato reakce probíhá jako [[cykloadice|[2+2] cykloadice]] OsO4 na alken za vzniku osmaoxetanového meziproduktu. Tento meziprodukt měl následně projít 1,1-migrační insercí za tvorby osmylátového esteru, z něhož po hydrolýze vznikl diol. +more V roce 1989 E. J. Corey popsal mírně odlišnou variantu reakce a prohlásil, že nejpravděpodobnější je [3+2] cykloadice OsO4 na alken za přímé tvorby osmylátového esteru.

Coreyův výzkum byl založen na předchozích výpočetních studiích, ve kterých se ukázalo, že [3+2] mechanismus má nižší aktivační energii. Corey navíc zjistil, že sterické odpuzování v oktaedrickém meziproduktu způsobuje nevýhodnost [2+2] mechanismu.

Navržený a skutečný mechanismus dihydroxylace oxidem osmičelým

Během následujících 10 let vydali Corey i Sharpless, několik prací, kde každý podporoval svou verzi mechanismu. I když tyto studie nemohly rozhodnout mezi oběma reakčními drahami, tak vyloučily možnost některých jiných průběhů, například Sharpless dokázal, že reakce probíhá postupným mechanismem. +more Následně oba zjistili, že aktivní katalyzátor obsahuje chirální „vazebnou kapsu“ ve tvaru U.

Corey také ukázal , že katalyzátor má vlastnosti odpovídající Michaelisovské-Mentenovské-Monodovské kinetice.

V roce 1997 Sharpless vydal výsledky studie, které podpořily [2+2] cyklizaci oproti [3+2].

Později ve stejném roce také vydal studii, která potvrzovala [3+2] mechanismus a byl tak nucen ukončit desetiletý spor.

Struktura katalyzátoru

Allylbenzoát se navazuje na aktivní dihydrochinidinový katalyzátor, přičemž oxid osmičelý interaguje s Re stranou. +more Pomocí krystalografie bylo zjištěno, že aktivní katalyzátor je pětikoordinovaná sloučenina osmia uvnitř vazebné kapsy ve tvaru U. Dusíkatý ligand udržuje OsO4 v chirálním prostředí a způsobuje, že jedna strana alkenu je stericky stíněná a druhá není.

Katalytické systémy

Pro Sharplessovy asymetrické dihydroxylace bylo vyvinuto několik katalytických systémů. Níže je zobrazen přehled jejich složek: # Katalytický oxidant: Touto složkou je pokaždé OsO4, i když lze pro koordinaci OsVIII a úpravě jeho elektronových vlastností přidat další látky. +more OsO4 se z bezpečnostních důvodů připravuje na místě z K2OsO2(OH)4 (sloučeniny OsVI). # Chirální pomocník: Obvykle některý z cinchonových alkaloidů. # Stechiometrický oxidant: #* Jako jedny z prvních stechiometrických oxidantů se používaly peroxidy, mají však nevýhodu ohledně nízké chemoselektivity. #* N-oxidy trialkylamonných sloučenin , například NMO a trimethylamin-N-oxid. #* Nejčastěji používaným stechiometrickým oxidačním činidlem je hexakyanoželezitan draselný (K3Fe(CN)6), ten je také složkou komerčně dostupných směsí. # Přídavné látky: #* Kyselina citronová: Oxid osmičelý je elektrofilní oxidant a tak s alkeny s nízkou elektronovou hustotou reaguje pomalu. Rychlost oxidace takových alkenů lze ovšem urychlit mírným snížením pH reakční směsi; vyšší pH však může urychlit oxidaci vnitřních alkenů a také zlepšit enantiomerní přebytky u oxidací koncových alkenů.

Regioselektivita

U obecných Sharplessových asymetrických dihydroxylací se snadněji oxidují alkeny bohatší na elektrony.

střed

V tomto případě diol vzniká na alkenové skupině nejbližší k p-methoxybenzoylu, výtěžnost je ale nízká. Selektivitu vyvolávají příznivé interakce arylového jádra s aktivním místem katalyzátoru. +more Arylový substituent zde může působit jako řídicí skupina.

střed

Stereoselektivita

Diastereoselektivitu Sharplessových asymetrických dihydroxylací lze nejlépe ovládat volbou ligandu (například mezi AD-mix-α a AD-mix-β), ovšem vliv mohou mít i jiné faktory, jako jsou již existující chiralita na substrátu či substituenty. V níže uvedeném příkladě je použita p-methoxybenzoylová skupina jako zdroj sterického napětí, které umožní katalyzátoru rozlišit dvě strany alkenu.

střed

Dosažení vysoké diastereoselektivity bývá obtížné na cis-alkenech, kde jsou sterické podmínky na obou stranách alkenu podobné.

Odkazy

Externí odkazy

Související články

Milasova hydroxylace * Upjohnova dihydroxylace * Sharplessova aminohydroxylace

Reference

Kategorie:Organické redoxní reakce Kategorie:Jmenné reakce