Реакция Хайоса-Пэрриша-Эдера-Зауэра-Вихерта в органической химии представляет собой асимметричную альдольную реакцию, катализируемую пролином . Реакция названа в честь ее главных исследователей, Золтана Хайоса и других, из Hoffmann-La Roche [1] [2] и Schering AG . [3] Открытая в 1970-х годах оригинальная каталитическая процедура Хаджоса-Пэрриша - показанная в уравнении реакции, приводящая к оптически активному бициклическому кетолу - проложила путь к асимметричному органокатализу. . Модификация Eder-Sauer-Wiechert приводит непосредственно к оптически активному ендиону за счет потери воды из бициклического кетола, показанного на рисунке.
Он широко используется в качестве инструмента для синтеза стероидов и других энантиомерно чистых молекул. [4]
В исходной реакции, показанной на рисунке выше, встречающийся в природе хиральный пролин является хиральным катализатором в реакции альдола . Исходным материалом является ахиральный трикетон, и для получения продукта реакции - кетола с 93% энантиомерным избытком - требуется всего 3% пролина . Как показано выше, Хаджос и Пэрриш работали при температуре окружающей среды в растворителе диметилформамиде (ДМФ), используя каталитическое количество (3% молярных эквивалентов) (S) - (-) - пролина, позволяющее им выделить оптически активный промежуточный бициклический кетол. Таким образом, они описали первое использование пролина в каталитической асимметричной альдольной реакции.
История
Исследования асимметричного енаминового катализа, применяемые к важным промежуточным соединениям в синтезе стероидов, связаны с повышенным интересом к эффективному и удобному полному синтезу стероидов в 1960-х годах. В частности, две промышленные группы в начале 1970-х сообщили о катализируемых пролином внутримолекулярных альдольных реакциях.
В 1971 году группа Schering, возглавляемая Эшером, работала в небиологических условиях с использованием (S) -пролина (47 мол.%), 1 н. Хлорной кислоты в ацетонитриле при 80 ° C. Следовательно, они не смогли выделить промежуточный бициклический кетол Хайоса-Пэрриша, а вместо этого смогли выделить продукт конденсации (S) -7a-метил-2,3,7,7a-тетрагидро-1H-инден-1,5 (6H) -дион через потеря воды. [5] Тридцать семь лет спустя [6] новая группа в Schering AG опубликовала продолжение более ранней работы Schering. [3] Вместо вышеупомянутых небиологических условий новая группа использовала каталитическую процедуру Хаджоса-Пэрриша. Таким образом, они смогли выделить оптически активный 6,5-бициклический кетол, описанный до сих пор только в публикациях Хаджоса-Пэрриша. [1] [2]
В 1974 году Хаджос и Пэрриш опубликовали синтез промежуточных бициклических кетолов с хорошим выходом и энантиомерным избытком. [2]
Они дополнительно исследовали точную конфигурацию цис-конденсированного-7a-метил-6,5-бициклического кетола, показанную на приведенной выше схеме реакции, методом кругового дихроизма , и эти результаты были подтверждены исследованием дифракции рентгеновских лучей на монокристалле. Центросимметричный кристалл соответствующего рацемического кетола без метки тяжелого атома был получен с использованием рацемического пролина. Он показал с помощью дифракции рентгеновских лучей аксиальную ориентацию угловой метильной группы и экваториальную ориентацию гидроксильной группы в конформере кресло шестичленного кольца. Это хорошо согласуется с кристаллической структурой CD-кольца дигитоксигенина . [7] Структура этого кетола и его этилового гомолога показана следующим образом:
Аналогичные исследования 7a-этил-гомолога показали, что этилбицикический кетол существует в цис-конформации, в которой 7a-этильная группа ориентирована экваториально, а гидроксильная группа ориентирована аксиально в форме кресла шестичленного кольца, как показано выше. . Причиной предпочтения этой конформации могло быть усиленное 1,3-диаксиальное взаимодействие в другом цис-конформере между угловой этильной группой и аксиальными атомами водорода в С-4 и С-6 в шестичленном кольце.
Межмолекулярные версии
В исследовании 2000 года группа Барбаса обнаружила, что межмолекулярные альдольные добавки (между кетонами и альдегидами) также возможны, хотя и с использованием значительно большего количества пролина: [8]
Авторы отметили сходство пролина, созданных ими антител к альдолазе [9] и природных ферментов альдолазы альдолазы А, все из которых действуют через промежуточный енамин . В этой реакции большая концентрация ацетона (одного из двух реагентов) подавляет различные возможные побочные реакции: реакцию кетона с пролином на оксазолидинон и реакцию альдегида с пролином до азометин-илида .
Ноц и Лист расширили полезность этой реакции для синтеза 1,2-диолов: [10]
В своем полном отчете в своем Сообщении 2000 года группа обнаружила, что пролин вместе с тиазолиевой солью 5,5-диметилтиазолидиния-4-карбоксилатом оказались наиболее эффективными катализаторами среди большой группы аминов, в то время как катализ с помощью (S) Соли -1- (2-пирролидинилметил) пирролидина легли в основу разработки диаминовых органокатализаторов, которые доказали свою эффективность в широком разнообразии органокаталитических реакций. [11]
Асимметричный синтез кетона Виланда-Мишера (1985) - это еще одна внутримолекулярная реакция, также основанная на пролине, которая была исследована группой Барбаса в 2000 году. [12] В этом исследовании группа Барбаса впервые продемонстрировала, что пролин может катализировать каскадная реакция Михаэля-альдола через комбинированный иминий-енаминный катализ. Эта работа важна, потому что, несмотря на 30-летнюю историю и применение реакции Хаджоса-Пэрриша в промышленности, трикетоновый субстрат для этой реакции всегда синтезировался на дискретной независимой стадии, что свидетельствует о принципиальном отсутствии понимания химического состава. механизм этой реакции. Группа Барбаса сообщила, что антитела к альдолазе катализируют аннулирование иминий -енамина Робинсона в своем исследовании 1997 года, которое положило начало их исследованиям в области, которая теперь называется органокатализом. [13] В отчете, опубликованном в 2002 году, Карлос Ф. Барбас III сказал: «Работа в 1970-х годах по катализируемым пролином реакциям внутримолекулярного альдольного присоединения химиками-синтетиками Золтаном Г. Хаджосом и Дэвидом Р. Пэрришем из отдела химических исследований в Hoffmann- Ла Рош, Натли, штат Нью-Джерси, вдохновил нас на более пристальное рассмотрение параллелей между низкомолекулярными катализаторами и ферментами ». [14]
В 2002 году группа Macmillan была первой, кто продемонстрировал катализируемую пролином альдольную реакцию между различными альдегидами . [15] Эта реакция необычна, потому что обычно альдегиды самоконденсируются.
Органокаталитическая межмолекулярная альдольная реакция теперь известна как альдольная реакция Барбаса-Листа. [16]
Механизм реакции
На протяжении многих лет было предложено несколько механизмов реакции трикетона. Хаджос и Пэрриш предложили механизм енамина в своей статье [2] . Однако их эксперимент со стехиометрическим количеством меченой воды (H 2 18 O) подтвердил карбиноламиновый механизм. Поэтому Хаджос предложил (1974) полуаминальное промежуточное звено. [2] Механизм Агами (1984) имеет промежуточное соединение енамина с двумя звеньями пролина, участвующими в переходном состоянии (на основании экспериментальной кинетики реакции ) [17] и, согласно механизму Хоука (2001) [18] [19], единственное Пролинового звена достаточно с циклическим переходным состоянием и с карбоксильной группой пролина, участвующей в водородной связи .
Гемиаминальном (carbinolamine) , выдвинутые Hajos в 1974 году может измениться на таутомерный гидроксид иминия промежуточного. Ион гидроксида иминия, вызвавший енолизацию метилкетона боковой цепи, будет сопровождаться замыканием кольца до показанного выше оптически активного бициклического кетола (см. Рисунок 1) под влиянием каталитического количества (S) - (-) - пролина. . Pengxin Zhou, Long Zhang, Sanzhong Luo и Jin-Pei Cheng получили отличные результаты, используя простой хиральный первичный амин t-Bu-CH (NH 2 ) -CH 2 -NEt 2 .TfOH для синтеза как кетона Виланда-Мишера. и кетон Хаджоса-Пэрриша, а также их аналоги. [20] Это подтверждает иминиевый механизм, потому что, согласно учебникам химии, первичные амины образуют имины, а не енамины с карбонильными соединениями.
Карбиноламиновый механизм Hajos 1974 получил невольную поддержку в более поздней статье Майкла Лимбаха. [21] Исходный трикетон, 2-метил-2- (3-оксобутил) -1,3-циклопентандион, дает ожидаемый оптически активный бициклический кетол (+) - (3aS, 7aS) -3a, 4,7,7a-тетрагидро -3a-гидрокси-7a-метил-1,5 (6H) -индандион с катализатором (S) - (-) - пролином. С другой стороны, стереохимический результат меняется на противоположный с селективностью до 83% при использовании гомологичных аминокислотных катализаторов, таких как (S) -β-гомопролин, [(пирролидин- (2S) -ил) уксусная кислота]. Виртуальная аномалия может быть объяснена с верхней стороны приближения более объемных бета-аминокислот к вышеуказанному исходному материалу трикетона с отражательной симметрией. Подход с верхней стороны приводит к образованию энантиотопного карбиноламина с образованием (-) - (3aR, 7aR) -3a, 4,7,7a-тетрагидро-3a-гидрокси-7a-метил-1,5 (6H) - бициклический кетол-энантиомер индандиона, идентичный энантиомеру, полученному с неестественным (R) - (+) - пролином. Лист в 2010 г. [22], с другой стороны, озадачен и удивлен тем, что Хаджос отверг енаминный механизм, определенно в свете более ранней работы Спенсера в 1965 г. по альдольным реакциям, катализируемым амином. [23] Интересно и удивительно, что Эдер, Зауэр и Вихерт не пытались объяснить механизм реакции. [3]
Механизм реакции, предложенный группой Барбаса в 2000 году для межмолекулярных реакций [8], также основан на образовании енамина и наблюдаемой стереоселективности, основанной на модели Циммермана-Тракслера в пользу подхода Re -face . Это тот же механизм, предложенный Барбасом для антител к альдолазе, о котором группа сообщила в 1995 году:
Этот енаминный механизм также запускает исходную реакцию трикетона Хаджоса-Пэрриша, но участие в ней двух молекул пролина, предложенное Агами [17] , оспаривается Барбасом из-за отсутствия нелинейных эффектов [11] и подтверждается более поздними исследованиями. списка на основе кинетики реакции . [24] Общий механизм дополнительно подтверждается выводом Листа о том, что в реакции, проводимой в меченой воде (H 2 18 O), изотоп кислорода попадает в продукт реакции. [25] Эксперимент Хаджоса и Пэрриша со стехиометрическим количеством меченой воды (H 2 18 O) подтвердил карбиноламиновый механизм. [2]
В том же исследовании [20] изучали реакцию пролина с ацетоном на оксазолидинон (в ДМСО ):
Константа равновесия для этой реакции составляет всего 0,12, что позволяет Листу заключить, что участие оксазолидинона является паразитическим.
Blackmond в 2004 году также обнаружили оксазолидиноны в качестве промежуточных соединений (ЯМР) в родственном пролин-катализируемой альфа-aminooxylation из пропанола с нитробензола : [26]
Чионг Тек Вонг из Сингапурского института высокопроизводительных вычислений изучал аналогичную реакцию оксиаминирования нитрозобензола с бутаном, используя катализатор на основе хирального пролинолсилилового эфира. [27] Его исследования убедительно свидетельствуют о том, что катализатор генерирует енол и образует комплекс енол-катализатор. Ницособензол впоследствии реагирует с комплексом енол-катализатор с образованием (S) -N-нитрозоальдольного продукта в соответствии с диаграммой электроотрицательности Полинга. Восстановление первично образовавшихся альдольных продуктов борогидридом натрия давало соответствующие спирты с хорошим выходом и превосходной энантиоселективностью при соотношении P N / P O => 99: 1, как показано на схеме ниже. Вонг предполагает, что механизм реакции катализируемой (S) -Cat N-нитрозоальдольной реакции между нитрозобензолом и бутаном протекает через промежуточное соединение енола, а не через промежуточное соединение енамина.
Взгляд на оксазолидиноны как на паразитические виды оспаривается Зеебахом и Эшенмозером, которые в 2007 г. опубликовали статью [28], в которой они утверждают, что оксазолидиноны на самом деле играют ключевую роль в катализе пролина. Одна из вещей, которые они сделали, - это реакция оксазолидинона с активированным хлоралем альдегида при добавлении альдола:
В 2008 году Барбас в своем эссе затронул вопрос, почему только в 2000 году возродился интерес к этой, казалось бы, простой реакции через 30 лет после новаторской работы Хаджоса и Пэрриша, и почему механизм катализа пролина так долго оставался загадкой. [29] Одно объяснение связано с разными научными культурами: пролиновый механизм в контексте катализа альдолаз, уже постулированный в 1964 году биохимиком [30], был проигнорирован химиками-органиками. Другой частью объяснения была предполагаемая сложность катализа альдолазой, которая долгое время доминировала в химическом мышлении. Наконец, исследования в этой области в Hoffmann-La Roche не расширились после отставки ZGH в ноябре 1970 года.
Происхождение названия реакции
Название этой реакции появилось через некоторое время. В 1985 году профессор Агами и его коллеги первыми назвали аннулирование Робинсона, катализируемое пролином, реакцией Хаджоса -Пэрриша. [31] В 1986 году профессор Анри Б. Каган и профессор Агами [32] все еще называли это реакцией Хаджоса-Пэрриша в аннотации к этой статье. В 2001 году профессор Каган опубликовал в Synlett статью «Нелинейные эффекты в асимметричном катализе: личное мнение» . [33] В этой статье он ввел новое название - реакция Хайоса-Пэрриша-Вихерта. В 2002 году профессор Бенджамин Лист добавил еще два имени и ввел термин реакция Хайоса – Пэрриша – Эдера – Зауэра – Вихерта. [34] В научных статьях, опубликованных в 2008 г. в области органокатализа, используются названия реакции 1985, 2001 или 2002 гг. Поиск в июне 2014 г., ограниченный периодом 2009–2014 гг. В Google Scholar, дает 44 совпадения для реакции Хаджоса-Пэрриша, 3 для реакции Хаджоса-Пэрриша-Вихерта и 184 совпадения для реакции Хаджоса-Пэрриша-Эдера-Зауэра-Вихерта. Однако термин «кетон Хаджоса-Пэрриша» (и аналогичный) остается распространенным.
Рекомендации
- ^ a b Z. G. Hajos, DR Parrish, German Patent DE 2102623 1971
- ^ a b c Hajos, Zoltan G .; Пэрриш, Д.Р. (1974). «Асимметричный синтез бициклических интермедиатов химии природных продуктов». Журнал органической химии . 39 (12): 1615–1621. DOI : 10.1021 / jo00925a003 .
- ^ а б Эдер, Ульрих (1971). "Новый тип асимметричной циклизации оптически активных стероидных частичных структур CD". Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 10 (7): 496–497. DOI : 10.1002 / anie.197104961 .
- ^ Zerong Ван в Comprehensive Organic Название реакций и реагентов , 3V Набор, с. 1306, John Wiley and Sons Inc., 2009 .
- ^ Список, Бенджамин (2002). «Асимметричные реакции, катализируемые пролином». Тетраэдр . 58 (28): 5573–5590. DOI : 10.1016 / S0040-4020 (02) 00516-1 .
- ^ Кеннеди, Джейсон WJ; Виетрич, София; Вайнманн, Хильмар; Бриттен, Доминик EA (2008). «Синтез 7a-замещенных аналогов кетона Hajos-Wiechert». Журнал органической химии . 73 (13): 5151–5154. DOI : 10.1021 / jo800638s . PMID 18540678 .
- ^ Кристаллическая структура дигитоксигенина , Karle, IL, и Karle, J., Acta Crystallogr. В , 25 : 434-442 (1969).
- ^ а б Список, Бенджамин (2000). "Прямые асимметричные альдольные реакции, катализируемые пролином". Журнал Американского химического общества . 122 (10): 2395–2396. DOI : 10.1021 / ja994280y .
- ^ Вагнер, Дж; Лернер, РА; Барбас, CF (декабрь 1995 г.). «Эффективные каталитические антитела к альдолазам, использующие енаминный механизм природных ферментов». Наука . 270 (5243): 1797–800. DOI : 10.1126 / science.270.5243.1797 . PMID 8525368 . S2CID 12714361 .
- ^ Notz, Вольфганг (2000). «Каталитический асимметричный синтез анти-1,2-диолов». Журнал Американского химического общества . 122 (30): 7386–7387. DOI : 10.1021 / ja001460v .
- ^ а б Сакхивел, Кандасами (2001). "Прямые асимметричные альдольные реакции, катализируемые аминокислотами: биоорганический подход к каталитическим асимметричным реакциям образования углерод-углеродных связей". Журнал Американского химического общества . 123 (22): 5260–5267. DOI : 10.1021 / ja010037z . PMID 11457388 .
- ^ Буй, Томми (2000). «Катализируемая пролином асимметричная реакция аннулирования Робинсона». Буквы тетраэдра . 41 (36): 6951–6954. DOI : 10.1016 / S0040-4039 (00) 01180-1 .
- ^ Чжун, Гофу (1997). "Энантиоселективное аннулирование Робинсона, катализируемое антителами". Журнал Американского химического общества . 119 (34): 8131–8132. DOI : 10.1021 / ja970944x .
- ^ Наука и технологии, февраль 2002 г. , том 80, номер 8, CENEAR 80 08 стр. 33 ISSN 0009-2347
- ^ Нортруп, Алан Б. (2002). «Первая прямая и энантиоселективная кросс-альдольная реакция альдегидов». Журнал Американского химического общества . 124 (24): 6798–6799. DOI : 10.1021 / ja0262378 . PMID 12059180 .
- ^ Рамачари, Девалапалли Б. (2009). «Прямой каталитический асимметричный синтез высокофункциональных 2-метилхроман-2,4-диолов с помощью альдольной реакции Барбаса-Листа». Химия - европейский журнал . 15 (18): 4516–4522. DOI : 10.1002 / chem.200900066 . PMID 19308984 .
- ^ а б Агами, Клод (1984). «Стереохимия-59». Тетраэдр . 40 (6): 1031–1038. DOI : 10.1016 / S0040-4020 (01) 91242-6 .
- ^ Бахманьяр, С. (2001). «Происхождение стереоселективности во внутримолекулярных альдольных реакциях, катализируемых пролином». Журнал Американского химического общества . 123 (51): 12911–12912. DOI : 10.1021 / ja011714s . PMID 11749554 .
- ^ Бахманьяр, С. (2001). «Переходные состояния катализируемых амином альдольных реакций с участием промежуточных продуктов енамина: теоретические исследования механизма, реакционной способности и стереоселективности». Журнал Американского химического общества . 123 (45): 11273–11283. DOI : 10.1021 / ja011403h . PMID 11697970 .
- ^ "Асимметричный синтез кетонов Виланда-Мишера и Хайоса-Пэрриша, катализируемый хиральным первичным амином, полученным из аминокислот" Zhou, P .; Чжан, Л; Луо, S; Cheng, J.-P., J.Org.Chem. 2012 ; 77; 2526-2530
- ^ β-Гомоаминокислоты как катализаторы энантиоселективных внутри- и межмолекулярных альдольных реакций Майкл Лимбах, Tetrahedron Letters 47 (2006) 3843-3847
- ^ Лист Б. (2010). «Эмиль Кневенагель и корни аминокатализа». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 49 (10): 1730–1734. DOI : 10.1002 / anie.200906900 . PMID 20175175 .
- ^ Спенсер, Т. (1965). «Наблюдения за аминным катализом образования и дегидратации кетолов». Буквы тетраэдра . 6 (43): 3889–3897. DOI : 10.1016 / S0040-4039 (01) 89143-7 . PMID 5842468 .
- ^ Хоанг, Линь (2003). «Кинетические и стереохимические доказательства участия только одной молекулы пролина в переходных состояниях катализируемых пролином внутри- и межмолекулярных альдольных реакций». Журнал Американского химического общества . 125 (1): 16–17. DOI : 10.1021 / ja028634o . PMID 12515489 .
- ^ Лист Б. (2004). «Специальная статья по асимметричному катализу, часть II: новые механистические исследования альдольной реакции, катализируемой пролином» . Труды Национальной академии наук . 101 (16): 5839–5842. DOI : 10.1073 / pnas.0307979101 . PMC 395996 . PMID 15073330 .
- ^ Ивамура, Хироши (2004). «Исследование активного катализатора в реакциях, опосредованных пролином, ускоряемых продуктом». Журнал Американского химического общества . 126 (50): 16312–16313. DOI : 10.1021 / ja0444177 . PMID 15600319 .
- ^ Теоретическое исследование механизма реакции оксиаминирования, катализируемой альфа, альфа-дифенилпролинолом триметилсилиловым эфиром, Chiong Teck Wong, Tetrahedron Letters 50 (2009) 811-813.
- ^ Являются ли оксазолидиноны действительно непродуктивными паразитическими видами в пролиновом катализе? - Мысли и эксперименты, указывающие на альтернативную точку зрения Helvetica Chimica Acta, том 90, выпуск 3, дата: март 2007 г. , страницы: 425-471 Дитер Зеебах , Альберт К. Бек, Д. Майкл Бадин, Майкл Лимбах, Альберт Эшенмозер , Ади М. Treasurywala, Рейнхард Хоби, Вальтер Прикошович, Бернард Линдер doi : 10.1002 / hlca.200790050
- ^ Потерянный органокатализ: современная химия, древняя химия и невидимый биосинтетический аппарат Карлос Ф. Барбас III Энгью. Chem. Int. Эд. 2008 , 47, 42–47 DOI : 10.1002 / anie.200702210
- ^ Раттер, WJ (1964). «Эволюция альдолазы». Кормили. Proc . 23 : 1248–57. PMID 14236133 .
- ^ Агами, Клод (1985). «Новый диагностический инструмент для выяснения механизма энантиоселективных реакций. Приложение к реакции Хаджоса – Пэрриша». J. Chem. Soc., Chem. Commun. (8): 441–442. DOI : 10.1039 / c39850000441 .
- ^ Гилман, Генри; Джонс, Р.Г. (1940). «Трифенилиндий1». Журнал Американского химического общества . 62 (9): 2353–2357. DOI : 10.1021 / ja01866a025 .
- ^ Synlett 2001, № СИ, 888-899
- ^ Список, Бенджамин (2002). «Асимметричные реакции, катализируемые пролином». Тетраэдр . 58 (28): 5573–5590. DOI : 10.1016 / s0040-4020 (02) 00516-1 .