Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В энантиоселективном синтезе нелинейный эффект относится к процессу, в котором энантиочистота катализатора или хирального вспомогательного вещества не соответствует энантиочистости полученного продукта. Например: ожидается, что рацемический катализатор превратит прохиральный субстрат в рацемический продукт (линейный эффект), но это не всегда так, и вместо него может быть получен хирально обогащенный продукт (нелинейный эффект). [1] [2]

Это может быть выражено математически , как показано в уравнении 1. Стереоселекция, превышающая или меньшую, чем энантиомерный избыток катализатора, считается неидеальным поведением. При неидеальном поведении это отклонение от линейности описывается как нелинейный эффект , NLE . [3]

Для идеальной асимметричной реакции продукт ee может быть описан как произведение ee max, умноженного на ee катализатор . Это не относится к реакциям, проявляющим NLE. [4]

Нелинейные эффекты часто возникают в реакциях с масштабной каталитической композицией. [3] Как впервые было замечено Винбергом и Ферингой в 1976 году, различные энантиомеры хиральных катализаторов образуют гетерохиральные комплексы, более конкретно агрегаты высокого порядка или димерные формы катализатора. [5] Эти гетерохиральные комплексы влияют на эффективное стереоиндукцию скалемического катализатора. Дополнительные источники нелинейных эффектов включают автокатализ, процесс, в котором реакция катализирует сама себя. [6]Общие определения и математические модели являются ключом к пониманию нелинейных эффектов и их применения к конкретным химическим реакциям. В последние два десятилетия изучение нелинейных эффектов показало, что оно позволяет прояснить механизм реакции и направить в синтетических приложениях.

Типы нелинейных эффектов [ править ]

Связь между продуктом и катализатором в сценариях (+) - NLE, линейный и (-) - NLE. [3]

Положительный нелинейный эффект, (+) - NLE [ править ]

Положительный нелинейный эффект , (+) - NLE , присутствует в асимметричной реакции , которая демонстрирует более высокий продукт й (Ee продукта ) , чем предсказано идеал линейной ситуации (рисунок 1). [4] Это часто называют асимметричным усилением - термин, придуманный Огуни и его коллегами. [4] Пример положительного нелинейного эффекта наблюдается в случае эпоксидирования Шарплесса с субстратом гераниолом . [7]Во всех случаях химической реакционной способности, проявляющей (+) - NLE, существует естественный компромисс между общей скоростью реакции и энантиоселективностью. Общая скорость ниже, а энантиоселективность выше по сравнению с линейной реакцией.

Отрицательный нелинейный эффект, (-) - NLE [ править ]

Именуется асимметричным истощением , отрицательный нелинейный эффект присутствует , когда й продукт ниже , чем предсказанные идеальной линейной ситуации. [3] В отличие от (+) - NLE, (-) - NLE приводит к более высокой общей скорости реакции и снижению энантиоселективности. Синтетически эффект (-) - NLE может быть полезным при разумном анализе разделения энантиомеров продукта, и необходим высокий выход. Об интересном примере эффекта (-) - NLE сообщалось в асимметричном окислении сульфидов . [8]

Моделирование нелинейных эффектов [ править ]

В 1986 году Анри Б. Каган и его коллеги наблюдали серию известных реакций, которые следовали за неидеальным поведением. Поправочный коэффициент f был адаптирован к уравнению 1, чтобы соответствовать кинетическому поведению реакций с NLE (уравнение 2). [3]

Уравнение 2: общее математическое уравнение, описывающее нелинейное поведение [9]

К сожалению, уравнение 2 слишком общее, чтобы применять его к конкретным химическим реакциям. В связи с этим Каган и его коллеги также разработали упрощенные математические модели для описания поведения катализаторов, которые приводят к нелинейным эффектам. [3] Эти модели включают общие виды ML n , основанные на металле (M), связанном с n числом энантиомерных лигандов (L). Тип модели ML n варьируется в зависимости от асимметричных реакций в зависимости от степени согласия с данными реакции. При точном моделировании NLE может прояснить механистические детали энантиоселективной каталитической реакции. [8]

Модель ML 2 [ править ]

Общее описание [ править ]

Простая модель для описания нелинейного эффекта, ML 2 модели включает в себя металлическую систему (M) с двумя хиральными лигандами L, R и L S . Помимо интересующей катализируемой реакции, модель учитывает установившееся равновесие между несвязанными и связанными каталитическими комплексами. [3] В равновесии существуют три возможных каталитических комплекса (ML S L R , ML S L S , ML R L R ). Два энантиомерно чистых комплекса (ML S L S , ML R L R ) называются гомохиральными комплексами.. [3] Возможный гетерохиральный комплекс ML R L S часто называют мезо-комплексом. [3]

Базовая схема модели ML 2, разработанная Х. Б. Каганом [8]

Константа равновесия , описывающая это равновесие, K, предположительно не зависит от каталитической химической реакции. В модели Кагана K определяется количеством агрегации, присутствующей в химической среде. AK = 4 считается состоянием, при котором существует статистическое распределение лигандов для каждого металлического комплекса. [3] Другими словами, нет никаких термодинамических недостатков или преимуществ для образования гетерохиральных комплексов при K = 4. [4]

Подчиняясь одному и тому же закону кинетической скорости, каждый из трех каталитических комплексов катализирует желаемую реакцию с образованием продукта. [8] Как энантиомеры друг друга, гомохиральные комплексы катализируют реакцию с одинаковой скоростью, хотя индуцируется противоположная абсолютная конфигурация продукта (т.е. r RR = r SS ). Гетерохиральный комплекс, однако, образует рацемический продукт с другой константой скорости (т.е. r RS ). [9]

Математическая модель ML 2 модели [ редактировать ]

Чтобы описать модель ML 2 в количественных параметрах, Каган с соавторами описали следующую формулу:

В поправочный коэффициент Каган и его сотрудники ввели два новых параметра, отсутствующих в уравнении 1, β и g. [9] Как правило, эти параметры представляют концентрацию и активность трех каталитических комплексов относительно друг друга. β представляет собой относительное количество гетерохирального комплекса (ML R L S ), как показано в уравнении 3. [3] Важно понимать, что константа равновесия K не зависит как от β, так и от g. [8] Как описала Донна Блэкмонд из Исследовательского института Скриппса , «параметр K является неотъемлемым свойством каталитической смеси, не зависящим от ее катализатора.. K также не зависит от самой каталитической реакции и, следовательно, от параметра g ».

Уравнение 3: поправочный коэффициент β можно описать как z, концентрацию гетерохирального комплекса, деленную на x и y, соответствующие концентрации концентрации комплекса, деленные на x и y, соответствующие концентрации гомохиральных комплексов [3]

Параметр g представляет реакционную способность гетерохирального комплекса по отношению к гомохиральным комплексам. Как показано в уравнении 5, это можно описать в терминах констант скорости. Поскольку гомохиральные комплексы реагируют с одинаковыми скоростями, g можно описать как константу скорости, соответствующую гетерохиральному комплексу, деленную на константу скорости, соответствующую любому гомохиральному комплексу.

Уравнение 4: поправочный параметр g можно описать как скорость образования продукта с гетерохиральным катализатором ML R L S, деленную на скорость образования продукта гомохирального комплекса (ML R L R или ML S L S ).

Интерпретация математических результатов ML 2 модели [ править ]

  • Если β = 0 или g = 1, уравнение ML 2 упрощается до уравнения 1. Мезокаталитический комплекс отсутствует или активен. Следовательно, простые аддитивные свойства должны применяться к такому сценарию, чтобы установить линейную зависимость между энантиоселективностью продукта и энантиочистотой хирального катализатора.
  • Если поправочный коэффициент больше единицы, реакция демонстрирует асимметричное усиление , также известное как положительный нелинейный эффект. Согласно модели ML 2 , (+) - NLE предполагает менее реактивный гетерохиральный катализатор. В этом случае константа равновесия K также увеличивается с увеличением поправочного коэффициента. Хотя энантиоселективность продукта относительно высока по сравнению с энантиоселективностью хирального катализатора, это происходит за счет общей скорости реакции. Чтобы добиться асимметричного усиления, должна быть относительно большая концентрация гетерохирального комплекса. Кроме того, этот гетерохиральный комплекс должен иметь существенно более низкую скорость реакции, r RS. Следовательно, реакционноспособные каталитические частицы должны уменьшаться в концентрации, что приводит к общей более низкой скорости реакции.
  • Если поправочный коэффициент меньше единицы, реакция показывает асимметричное истощение, также известное как отрицательный нелинейный эффект. В этом сценарии гетерохиральный катализатор относительно более активен, чем гомохиральные каталитические комплексы. В этом случае (-) - NLE может привести к более быстрому, хотя и менее селективному образованию продукта.

iv. Кинетика реакции с моделью ML 2 : после публикации HB Kagan модели ML 2 профессор Донна Блэкмонд из Scripps продемонстрировала, как эту модель можно использовать для расчета общих скоростей реакции. Используя эти относительные скорости реакции, Блэкмонд показал, как модель ML 2 может использоваться для формулирования кинетических прогнозов, которые затем можно сравнивать с экспериментальными данными. Общее уравнение скорости, Уравнение 6, показано ниже. [8]

В дополнение к точности соответствия модели, кинетическая информация об общей реакции может дополнительно подтвердить предложенный механизм реакции. Например, положительный результат NLE в ML 2 должен приводить к снижению общей скорости реакции. [8] Решая скорость реакции из уравнения 6, можно подтвердить, так ли это.

Модель M * L 2 [ править ]

Общее описание [ править ]

Подобно модели ML 2 , эта модифицированная система включает связывание хиральных лигандов с металлическим центром (M), чтобы создать новый центр хиральности. [4] В модели M * L 2 есть четыре пары энантиомерных хиральных комплексов , как показано на рисунке 5.

Рисунок 5: Равновесие, присутствующее в M * L 2 . Это очень похоже на модель ML 2 . Однако из-за нового центра хиральности существует четыре набора энантиомеров.

В этой модели можно сделать приближение, что димерные комплексы необратимо диссоциируют на мономерные частицы . В этом случае к модели ML * 2 применяются те же математические уравнения, что и к модели ML 2 .

Модель ML 3 [ править ]

Общее описание [ править ]

Более высокий уровень моделирования, МЛ 3 Модель включает четыре активные каталитические комплексы: ML R L R L R , ML S L S L S , ML R L R L S , ML S L S L R . В отличие от модели ML 2 , где только два гомохиральных комплекса прореагировали с образованием энантиомерно обогащенного продукта, все четыре каталитических комплекса реагируют энантиоселективно. Однако к равновесию между несвязанными и связанными каталитическими комплексами применимо то же предположение о стационарном состоянии, что и в более простом ML 2модель. Эта связь показана ниже на рисунке 7.

Рисунок 7: Равновесие между несвязанными частицами и реактивными каталитическими частицами в модели ML 3 .

Математическое моделирование [ править ]

Расчет Й продукт значительно более сложный , чем в простом ML 2 модели. Каждый из двух гетерохиральных каталитических комплексов должен реагировать с одинаковой скоростью. Гомохиральные каталитические комплексы, как и в случае ML 2 , также должны реагировать с такой же скоростью. Таким образом, поправочный параметр g по-прежнему рассчитывается как скорость гетерохирального каталитического комплекса, деленная на скорость гомохирального каталитического комплекса. Однако, поскольку гетерохиральные комплексы приводят к энантиомерно обогащенному продукту, общее уравнение для расчета ее продукта становится более трудным. На рисунке 8 показана математическая формула для расчета энантиоселективности.

Рисунок 8: Математическая формула, описывающая систему ML 3 . ЭИ продукта рассчитывается путем умножения эи макс на поправочный коэффициент , разработанный Каганом и сотрудниками. [4]

Интерпретация ML 3 модели [ править ]

В общем, интерпретация значений параметра коррекции g для прогнозирования положительных и отрицательных нелинейных эффектов значительно сложнее. В случае , когда heterochiral комплексы ML R L R L S и ML S L S L R менее активен , чем гомохиральные комплексы ML S L S L S и ML R L R L R , кинетическое поведение аналогично ML 2 модели наблюдается (рисунок 9). Однако существенно иное поведение наблюдается в случае, когда гетерохиральные комплексы более реакционноспособны. чем гомохиральные комплексы.

Рисунок 9: Когда гетерохиральные комплексы более избирательны и реакционны, чем гомохиральные комплексы. [4]
Рисунок 10: Когда гомохиральные комплексы более избирательны и реакционны, чем гетерохиральные комплексы. [4]

Эффект резервуара [ править ]

Общее описание [ править ]

Эффект резервуара, часто описываемый рядом или в сотрудничестве с моделью ML 2 , описывает сценарий, в котором часть хирального лиганда распределяется в пул неактивных гетерохиральных каталитических комплексов вне каталитического цикла. [4] Пул нереакционноспособных гетерохиральных катализаторов, описанный с помощью ее пула , достигает равновесия с каталитически активными гомохиральными комплексами, описанными с ее эффективным . [8] В зависимости от концентрации неактивного пула катализаторов можно рассчитать энантиочистоту активных каталитических комплексов. Общий результат эффекта резервуара - асимметричное усиление, также известное как (+) - NLE. [3]

Происхождение эффекта резервуара [ править ]

Пул нереакционноспособных каталитических комплексов, описанный в эффекте резервуара, может быть результатом нескольких факторов. Одним из них потенциально может быть эффект агрегации гетерохиральных каталитических комплексов, который имеет место до установления равновесия в стационарном состоянии. [3]

Ранние примеры нелинейного эффекта [ править ]

Эпоксидирование гераниола по методу Sharpless [ править ]

В 1986 году Каган и его сотрудники смогли продемонстрировать NLE с эпоксидированием по Шарплесу (E) -гераниола (рис. 11). В условиях окисления Шарплесса с Ti (Oi-Pr) 4 / (+) - DET / t-BuOOH, Каган и его сотрудники смогли продемонстрировать, что существует нелинейная корреляция между продуктом ее э.и. и э.и. хирального катализатора, диэтил тартрат (DET). [3] Как видно из рисунка 11, наблюдалось более высокое значение ее продукта, чем ожидалось. Согласно ML 2модели, Каган и его коллеги смогли сделать вывод, что присутствует менее реактивный гетерохиральный комплекс DET. Следовательно, это могло бы объяснить наблюдаемое асимметричное усиление. Данные NLE также согласуются с механизмом асимметричного эпоксидирования Шарплесса. [10]

Рисунок 11: Общая схема реакции, изученная Каганом и его коллегами для эпоксидирования по Шарплесу гераниола. [10]

Асимметричное окисление сульфидов [ править ]

В 1994 году Каган и его коллеги сообщили о NLE в асимметричном окислении сульфидов. Степень соответствия данных реакции соответствовала модели ML 4 . Это означало, что димерный титан в комплексе с 4 лигандами DET был активным каталитическим веществом. [3] В этом случае скорость реакции будет значительно выше по сравнению с идеальной кинетикой реакции. Недостатком, как и во всех (-) - сценариях NLE, является то, что энантиоселективность была ниже ожидаемой. [3] Ниже, на рисунке 12, можно увидеть, что вогнутость точек данных очень указывает на (-) - NLE. [1]

Рисунок 12: Четкое указание на отрицательный нелинейный эффект в реакции асимметричного окисления сульфида. [1]

Пребиотический катализ и нелинейный эффект [ править ]

В пре-биотической химии , автокаталитические системы играют важное правило в понимании происхождения хиральности в жизни. [6] Автокаталитическая реакция, реакция, в которой продукт действует как катализатор для самого себя, служит моделью гомохиральности . Асимметричная реакция Соаи обычно упоминается как химическое правдоподобие этой пребиотической гипотезы. В этой системе наблюдается асимметричное усиление в процессе автокаталитического катализа. Профессор Донна Блэкмонд подробно изучила НЭЭ этой реакции, используя ML 2 Кагана.модель. Из этого математического анализа Блэкмонд смог сделать вывод, что димерный гомохиральный комплекс является активным катализатором, способствующим гомохиральности реакции Соаи. [3] [6]

Примечания [ править ]

  1. ^ a b c Guillaneux, Дени; Чжао, Шу-Хай; Самуил, Одиллия; Рейнфорд, Дэвид; Каган, Анри Б. (октябрь 1994 г.). «Нелинейные эффекты в асимметричном катализе». Журнал Американского химического общества . 116 (21): 9430–9439. DOI : 10.1021 / ja00100a004 .
  2. ^ Сатьянараяна, Тумманапалли; Авраам, Сьюзен; Каган, Анри Б. (5 января 2009 г.). «Нелинейные эффекты в асимметричном катализе». Angewandte Chemie International Edition . 48 (3): 456–494. DOI : 10.1002 / anie.200705241 .
  3. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r Блэкмонд, Донна Г. (декабрь 1997 г.). «Математические модели нелинейных эффектов в асимметричном катализе: новые идеи, основанные на роли скорости реакции». Журнал Американского химического общества . 119 (52): 12934–12939. DOI : 10.1021 / ja973049m .
  4. ^ a b c d e f g h я Жирар, Кристиан; Каган, Анри Б. (16 ноября 1998 г.). «Нелинейные эффекты в асимметричном синтезе и стереоселективных реакциях: десять лет исследований» . Angewandte Chemie International Edition . 37 (21): 2922–2959. DOI : 10.1002 / (SICI) 1521-3773 (19981116) 37:21 <2922 :: AID-ANIE2922> 3.0.CO; 2-1 .
  5. ^ Винберг, Ганс; Феринга, Бен (январь 1976 г.). «Энантиомерное распознавание и взаимодействия» (PDF) . Тетраэдр . 32 (22): 2831–2834. DOI : 10.1016 / 0040-4020 (76) 80131-7 .
  6. ^ a b c Блэкмонд, Д. Дж. (5 апреля 2004 г.). «Особая характеристика асимметричного катализа, часть II: асимметричный автокатализ и его значение для происхождения гомохиральности» . Труды Национальной академии наук . 101 (16): 5732–5736. Bibcode : 2004PNAS..101.5732B . DOI : 10.1073 / pnas.0308363101 . PMC 395976 . PMID 15067112 .  
  7. ^ Puchot, C .; Samuel, O .; Dunach, E .; Zhao, S .; Agami, C .; Каган, HB (апрель 1986). «Нелинейные эффекты в асимметричном синтезе. Примеры в реакциях асимметричного окисления и альдолизации». Журнал Американского химического общества . 108 (9): 2353–2357. DOI : 10.1021 / ja00269a036 .
  8. ^ a b c d e f g h Блэкмонд, Донна Г. (июнь 2000 г.). «Кинетические аспекты нелинейных эффектов в асимметричном катализе». Счета химических исследований . 33 (6): 402–411. DOI : 10.1021 / ar990083s .
  9. ^ a b c Каган, Анри Б. (2001). «Нелинейные эффекты в асимметричном катализе: личный счет» . Synlett . 2001 (специальный выпуск): 0888–0899. DOI : 10,1055 / с-2001-14660 .
  10. ^ а б Финн, MG; Шарплесс, К. Барри (январь 1991 г.). «Механизм асимметричного эпоксидирования. 2. Структура катализатора». Журнал Американского химического общества . 113 (1): 113–126. DOI : 10.1021 / ja00001a019 .