stringtranslate.com

Асимметричное дигидроксилирование по Шарплессу

Асимметричное дигидроксилирование Шарплесса (также называемое бисгидроксилированием Шарплесса ) представляет собой химическую реакцию алкена с тетроксидом осмия в присутствии хирального лиганда хинина с образованием вицинального диола . Реакция применялась к алкенам практически любого замещения, часто реализуется высокая энантиоселективность , при этом хиральный результат контролируется выбором дигидрохинидина (DHQD) по сравнению с дигидрохинином (DHQ) в качестве лиганда. Реакции асимметричного дигидроксилирования также являются высокоселективными по месту, обеспечивая продукты, полученные в результате реакции наиболее богатой электронами двойной связи в субстрате. [1] [2] [3]

Дигидроксилирование Шарплесса.
R L = Самый большой заместитель; R M = Заместитель среднего размера; R S = Самый маленький заместитель

Обычно эту реакцию проводят с использованием каталитического количества тетроксида осмия, который после реакции регенерируется с помощью реоксидантов, таких как феррицианид калия [4] [5] или N -метилморфолин N -оксид . [6] [7] Это значительно снижает количество необходимого высокотоксичного и очень дорогого тетроксида осмия. Эти четыре реагента коммерчески доступны в предварительно смешанном виде (« AD-mix »). Смесь, содержащая (DHQ) 2 -PHAL, называется AD-mix-α, а смесь, содержащая (DHQD) 2 -PHAL, называется AD-mix-β. [8]

Такие хиральные диолы важны в органическом синтезе . Введение хиральности в нехиральные реагенты посредством использования хиральных катализаторов является важной концепцией в органическом синтезе . Эта реакция была разработана главным образом К. Барри Шарплессом на основе уже известного рацемического дигидроксилирования Апджона , за которое он был удостоен части Нобелевской премии по химии 2001 года .

Фон

Дигидроксилирование алкенов тетраоксидом осмия является старым и чрезвычайно полезным методом функционализации олефинов. Однако, поскольку реагенты осмия (VIII), такие как тетраоксид осмия (OsO 4 ), дороги и чрезвычайно токсичны, стало желательно разработать каталитические варианты этой реакции. Некоторые стехиометрические терминальные окислители, которые использовались в этих каталитических реакциях, включают хлорат калия , перекись водорода ( гидроксилирование Миласа ), N -метилморфолин N -оксид (NMO, дигидроксилирование Апджона ), трет -бутилгидропероксид ( t BHP) и феррицианид калия (K 3 Fe(CN) 6 ). К. Барри Шарплесс был первым, кто разработал общее, надежное энантиоселективное дигидроксилирование алкенов, называемое асимметричным дигидроксилированием Шарплесс (SAD). Низкие уровни OsO 4 объединяются со стехиометрическим окислителем феррицианидом в присутствии хиральных азотистых лигандов для создания асимметричной среды вокруг окислителя.

Механизм реакции

Механизм реакции дигидроксилирования Шарплесса начинается с образования комплекса тетроксида осмия – лиганда ( 2 ). [3+2]-циклоприсоединение с алкеном ( 3 ) дает циклический промежуточный продукт 4 . [9] [10] Основной гидролиз высвобождает диол ( 5 ) и восстановленный осмат ( 6 ). Метансульфонамид (CH 3 SO 2 NH 2 ) был идентифицирован как катализатор для ускорения этого этапа каталитического цикла и, если часто используется в качестве добавки, позволяет неконцевым алкеновым субстратам эффективно реагировать при 0 °C. [8] Наконец, стехиометрический окислитель регенерирует комплекс тетроксида осмия – лиганда ( 2 ).

Механизм реакции дигидроксилирования Шарплесса
Механизм реакции дигидроксилирования Шарплесса

Механизм асимметричного дигидроксилирования Шарплесса был тщательно изучен, и был выявлен потенциальный вторичный каталитический цикл (см. ниже). [11] [12] Если промежуточный эфир осмилата окисляется до того, как он диссоциирует, то образуется комплекс осмия (VIII)-диола, который затем может дигидроксилировать другой алкен. [13] Дигидроксилирования, происходящие в результате этого вторичного пути, обычно страдают от более низкой энантиоселективности, чем те, которые происходят в результате первичного пути. Схема, показывающая этот вторичный каталитический путь, показана ниже. Этот вторичный путь может быть подавлен путем использования более высокой молярной концентрации лиганда.

Каталитический цикл асимметричного дигидроксилирования Шарплесса
Каталитический цикл асимметричного дигидроксилирования Шарплесса

[2+2] против [3+2] дебаты

В своем первоначальном отчете Шарплесс предположил, что реакция протекает через [2+2] циклоприсоединение OsO 4 к алкену с образованием промежуточного осмооксетана (см. ниже). [14] Затем этот промежуточный продукт подвергнется 1,1-миграционному внедрению с образованием эфира осмилата, который после гидролиза даст соответствующий диол. В 1989 году Э. Дж. Кори опубликовал несколько иной вариант этой реакции и предположил, что реакция, скорее всего, протекает через [3+2] циклоприсоединение OsO 4 к алкену с непосредственным образованием эфира осмилата. [15] Предположение Кори основывалось на предыдущем вычислительном исследовании, проведенном Йоргенсеном и Хоффманном, которые определили, что путь реакции [3+2] является более низкоэнергетическим путем. Кроме того, Кори рассудил, что стерическое отталкивание в октаэдрическом промежуточном продукте будет неблагоприятным для пути [2+2].

Предложенный и правильный механизм дигидроксилирования тетроксида осмия
Предложенный и правильный механизм дигидроксилирования тетроксида осмия

В течение следующих десяти лет появились многочисленные публикации Кори и Шарплесса, каждый из которых поддерживал свою собственную версию механизма. Хотя эти исследования не смогли различить два предложенных пути циклизации, они успешно пролили свет на механизм другими способами. Например, Шарплесс предоставил доказательства того, что реакция протекает по ступенчатому механизму. [16] Кроме того, и Шарплесс, и Кори показали, что активный катализатор обладает U-образным хиральным связывающим карманом. [17] [18] [19] Кори также показал, что катализатор подчиняется кинетике Михаэлиса-Ментен и действует как ферментный карман с предварительным равновесием. [20] В выпуске журнала Американского химического общества за февраль 1997 года Шарплесс опубликовал результаты исследования (анализ Хэммета), которое, как он утверждал, поддерживало циклизацию [2+2] по сравнению с [3+2]. [21] Однако в октябрьском номере того же года Шарплесс также опубликовал результаты другого исследования, проведенного совместно с Кеном Хоуком и Синглтоном, которые предоставили убедительные доказательства механизма [3+2]. [10] Таким образом, Шарплесс был вынужден признать поражение в десятилетних дебатах.

Структура катализатора

Аллилбензоат связан в U-образном связывающем кармане активного катализатора дигидрохинидина , тетраоксид осмия взаимодействует с поверхностью Re .

Кристаллографические данные показали, что активный катализатор обладает пентакоординированными видами осмия, удерживаемыми в U-образном связывающем кармане. Азотистый лиганд удерживает OsO 4 в хиральной среде, делая подход одной стороны олефина стерически затрудненным, а другой — нет. [20]

Каталитические системы

Для SAD были разработаны многочисленные каталитические системы и модификации. Ниже приведен краткий обзор различных компонентов каталитической системы:

  1. Каталитический окислитель: это всегда OsO 4 , однако некоторые добавки могут координироваться с осмием (VIII) и изменять его электронные свойства. OsO 4 часто образуется in situ из K 2 OsO 2 (OH) 4 (вид Os (VI)) из соображений безопасности.
  2. Хиральное вспомогательное вещество: Обычно это какой-либо алкалоид хинного дерева.
  3. Стехиометрический окислитель:
    • Пероксиды были одними из первых стехиометрических окислителей, которые использовались в этом каталитическом цикле; см. гидроксилирование Миласа . Недостатки пероксидов включают проблемы с хемоселективностью. [13]
    • Триалкиламмоний N-оксиды, такие как NMO — как в реакции Апджона — и триметиламин N-оксид. [13]
    • Феррицианид калия (K 3 Fe(CN) 6 ) является наиболее часто используемым стехиометрическим окислителем для реакции и входит в состав имеющихся в продаже смесей AD.
  4. Добавка:
    • Лимонная кислота: Тетроксид осмия является электрофильным окислителем и, как таковой, медленно реагирует с олефинами с дефицитом электронов. Было обнаружено, что скорость окисления олефинов с дефицитом электронов можно ускорить, поддерживая pH реакции слегка кислым. [13] С другой стороны, высокий pH может увеличить скорость окисления внутренних олефинов, а также увеличить энантиомерный избыток (ee) для окисления терминальных олефинов. [13]

Региоселективность

В целом асимметричное дигидроксилирование Шарплесса благоприятствует окислению более богатого электронами алкена (схема 1). [22]

Схема ЕАД 1
Схема ЕАД 1

В этом примере SAD дает диол алкена, наиболее близкий к (электроноакцепторной) пара-метоксибензоильной группе, хотя и с низким выходом. Это, вероятно, связано со способностью арильного кольца благоприятно взаимодействовать с активным центром катализатора через π-стэкинг. Таким образом, арильный заместитель может действовать как направляющая группа. [23]

Схема ЕАД 2
Схема ЕАД 2

Стереоселективность

Диастереоселективность SAD в первую очередь определяется выбором лиганда (т. е. AD-mix-α против AD-mix-β), однако такие факторы, как уже существующая хиральность в субстрате или соседних функциональных группах, также могут играть роль. В примере, показанном ниже, заместитель пара-метоксибензоила служит в первую очередь источником стерического объема, чтобы позволить катализатору различать две стороны алкена. [23]

Схема ЕАД 3
Схема ЕАД 3

Часто бывает трудно получить высокую диастереоселективность в цис -дизамещенных алкенах, когда оба конца олефина имеют схожую стерическую среду.

Дальнейшее чтение

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Noe, Mark C.; Letavic, Michael A.; Snow, Sheri L. (15 декабря 2005 г.). «Асимметричное дигидроксилирование алкенов». Org. React. 66 (109): 109–625. doi :10.1002/0471264180.or066.02. ISBN  0471264180.
  2. ^ Kolb, HC; Van Nieuwenhze, MS; Sharpless, KB (1994). «Каталитическое асимметричное дигидроксилирование». Chem. Rev. 94 (8): 2483–2547. doi :10.1021/cr00032a009.
  3. ^ Гонсалес, Хавьер; Ауригемма, Кристин; Трусдейл, Ларри (2004). "Синтез (+)-(1S,2R)- и (−)-(1R,2S)-транс-2-фенилциклогексанола посредством асимметричного дигидроксилирования Шарплесса (AD)". Органические синтезы . 79 : 93. doi :10.15227/orgsyn.079.0093.
  4. ^ Минато, М.; Ямамото, К.; Цудзи, Дж. (1990). «Тетраоксид осмия катализирует вицинальное гидроксилирование высших олефинов с использованием иона гексацианоферрата (III) в качестве соокислителя». J. Org. Chem. 55 (2): 766–768. doi :10.1021/jo00289a066.
  5. ^ Oi, R.; Sharpless, KB (1996). "3-[(1S)-1,2-дигидроксиэтил]-1,5-дигидро-3H-2,4-бензодиоксепин". Органические синтезы . 73 : 1. doi :10.15227/orgsyn.073.0001; Собрание томов , т. 9, стр. 251.
  6. ^ VanRheenen, V.; Kelly, RC; Cha, DY (1976). «Улучшенное каталитическое окисление OsO 4 олефинов в цис -1,2-гликоли с использованием оксидов третичных аминов в качестве окислителя». Tetrahedron Lett. 17 (23): 1973–1976. doi :10.1016/s0040-4039(00)78093-2.
  7. ^ McKee, BH; Gilheany, DG; Sharpless, KB (1992). "(R,R)-1,2-дифенил-1,2-этандиол (стилбендиол)". Органические синтезы . 70 : 47. doi :10.15227/orgsyn.070.0047; Собрание томов , т. 9, стр. 383.
  8. ^ ab Sharpless, KB ; Amberg, Willi; Bennani, Youssef L.; et al. (1992). «Асимметричное дигидроксилирование, катализируемое осмием: новый класс лигандов и улучшение процесса». J. Org. Chem. 57 (10): 2768–2771. doi :10.1021/jo00036a003.
  9. ^ Corey, EJ ; Noe, MC; Grogan, MJ (1996). «Экспериментальная проверка путей [3+2]- и [2+2]-циклоприсоединения для катализируемого бис-цинхоновым алкалоидом-OsO4 дигидроксилирования олефинов с помощью кинетических изотопных эффектов». Tetrahedron Lett. 37 (28): 4899–4902. doi :10.1016/0040-4039(96)01005-2.
  10. ^ ab DelMonte, AJ; Haller, J.; Houk, KN ; Sharpless, KB ; Singleton, DA; Strassner, T.; Thomas, AA (1997). «Экспериментальные и теоретические кинетические изотопные эффекты для асимметричного дигидроксилирования. Доказательства, подтверждающие ограничение скорости «(3 + 2)» циклоприсоединения». J. Am. Chem. Soc. 119 (41): 9907–9908. doi :10.1021/ja971650e.
  11. ^ Огино, Y.; Чен, H.; Квонг, H.-L.; Шарплесс, KB (1991). «О времени гидролиза / повторного окисления при катализируемом осмием асимметричном дигидроксилировании олефинов с использованием феррицианида калия в качестве повторного окислителя». Tetrahedron Lett . 3 (2): 3965–3968. doi :10.1016/0040-4039(91)80601-2.
  12. ^ Wai, JSM; Marko, I.; Svendsen, JN; Finn, MG; Jacobsen, EN; Sharpless, K. Barry (1989). «Механистическое понимание приводит к значительно улучшенному процессу асимметричного дигидроксилирования, катализируемого осмием». J. Am. Chem. Soc . 111 (3): 1123. doi :10.1021/ja00185a050.
  13. ^ abcde Сундермейер, У., Доблер, К., Беллер, М. Последние разработки в области катализируемого осмием дигидроксилирования олефинов. Современные методы окисления. 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм. ISBN 3-527-30642-0 
  14. ^ Хентгес, Стивен Г.; Шарплесс, К. Барри (июнь 1980 г.). «Асимметричная индукция в реакции тетроксида осмия с олефинами». J. Am. Chem. Soc. 102 (12): 4263. doi :10.1021/ja00532a050.
  15. ^ Corey, EJ; DaSilva Jardine, Paul; Virgil, Scott; Yuen, Po Wai; Connell, Richard D. (декабрь 1989 г.). «Энантиоселективное вицинальное гидроксилирование терминальных и E-1,2-дизамещенных олефинов хиральным комплексом тетроксида осмия. Эффективная система контроллера и рациональная механистическая модель». J. Am. Chem. Soc. 111 (26): 9243. doi :10.1021/ja00208a025.
  16. ^ Томас, Г.; Шарплесс, KB ACIEE 1993, 32, 1329
  17. ^ Corey, EJ; Noe, Mark C. (декабрь 1993 г.). «Жесткий и высокоэнантиоселективный катализатор для дигидроксилирования олефинов с использованием тетраоксида осмия проясняет происхождение энантиоспецифичности». J. Am. Chem. Soc. 26 (115): 12579. doi :10.1021/ja00079a045.
  18. ^ Kolb, HC; Anderson, PG; Sharpless, KB (февраль 1994 г.). «К пониманию высокой энантиоселективности в катализируемом осмием асимметричном дигидроксилировании (AD). 1. Кинетика». J. Am. Chem. Soc. 116 (1278): 1278. doi :10.1021/ja00083a014.
  19. ^ Corey, EJ; Noe, Mark C.; Sarshar, Sepehr (1994). «Исследования рентгеновской кристаллографии предоставляют дополнительные доказательства того, что ферментоподобный связывающий карман имеет решающее значение для энантиоселективного дигидроксилирования олефинов комплексами алкалоидов OsO4-бис-цинхона». Tetrahedron Letters . 35 (18): 2861. doi :10.1016/s0040-4039(00)76644-5.
  20. ^ ab Corey, EJ; Noe, MC (17 января 1996 г.). «Кинетические исследования предоставляют дополнительные доказательства того, что ферментоподобный связывающий карман имеет решающее значение для высокой энантиоселективности в асимметричном дигидроксилировании олефинов, катализируемом бис-хиным алкалоидом». J. Am. Chem. Soc. 118 (2): 319. doi :10.1021/ja952567z.
  21. ^ Sharpless, KB; Gypser, Andreas; Ho, Pui Tong; Kolb, Hartmuth C.; Kondo, Teruyuki; Kwong, Hoi-Lun; McGrath, Dominic V.; Rubin, A. Erik; Norrby, Per-Ola; Gable, Kevin P.; Sharpless, K. Barry (1997). "К пониманию высокой энантиоселективности в асимметричном дигидроксилировании, катализируемом осмием. 4. Электронные эффекты в ускоренных амином осмилированиях". J. Am. Chem. Soc. 119 (8): 1840. doi :10.1021/ja961464t.
  22. ^ Xu, D.; Crispino, GA; Sharpless, KB (сентябрь 1992 г.). «Селективное асимметричное дигидроксилирование (AD) диенов». J. Am. Chem. Soc. 114 (19): 7570–7571. doi :10.1021/ja00045a043.
  23. ^ ab Corey, EJ; Guzman-Perez, Angel; Noe, Mark C. (ноябрь 1995 г.). «Применение механистической модели приводит к расширению асимметричного дигидроксилирования Шарплесса на аллильные 4-метоксибензоаты и конформационно родственные производные амина и гомоаллильного спирта». J. Am. Chem. Soc. 117 (44): 10805–10816. doi :10.1021/ja00149a003.