Шарплесс асимметричным дигидроксилирование (также называемый Шарплесс bishydroxylation ) является химической реакцией , из алкена с осмием в присутствии хирального хинин лиганда с образованием вицинального диола . Реакция применялась к алкенам практически любого замещения, часто реализуется высокая энантиоселективность. Реакции асимметричного дигидроксилирования также являются высокоселективными, обеспечивая продукты, полученные в результате реакции двойной связи, наиболее богатой электронами в субстрате. [1] [2] [3]
Асимметричное дигидроксилирование по Шарплесу | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Названный в честь | Карл Барри Шарплесс | ||||||||||
Тип реакции | Реакция сложения | ||||||||||
Реакция | |||||||||||
| |||||||||||
Идентификаторы | |||||||||||
Портал органической химии | дигидроксилирование без резкости | ||||||||||
Идентификатор онтологии RSC | RXNO: 0000142 | ||||||||||
Обычно эту реакцию проводят с использованием каталитического количества четырехокиси осмия, который после реакции регенерируют с помощью повторно окислителей, таких как феррицианид калия [4] [5] или N -метилморфолин N- оксид . [6] [7] Это резко снижает количество необходимого высокотоксичного и очень дорогого четырехокиси осмия. Эти четыре реагента являются коммерчески доступными предварительно приготовленными смесями (« AD-смесь »). 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 за счет использования хиральных катализаторов является важной концепцией в органическом синтезе . Эта реакция была разработана в основном К. Барри Шарплессом на основе уже известного рацемического дигидроксилирования Апджона , за что он был удостоен доли Нобелевской премии по химии 2001 года .
Задний план
Дигидроксилирование алкена тетроксидом осмия - старый и чрезвычайно полезный метод функционализации олефинов. Однако, поскольку реагенты осмия (VIII), такие как четырехокись осмия (OsO 4 ), дороги и чрезвычайно токсичны, стало желательно разработать каталитические варианты этой реакции. Некоторые стехиометрические концевые окислители, которые использовались в этих каталитических реакциях, включают хлорат калия , пероксид водорода ( гидроксилирование Миласа ), N- оксид N- метилморфолина (NMO, дигидроксилирование Апджона ), трет- бутилгидропероксид ( t BHP) и феррицианид калия (K 3 Fe (CN) 6 ). К. Барри Шарплесс был первым, кто разработал общее и надежное энантиоселективное дигидроксилирование алкена, получившее название асимметричного дигидроксилирования Шарплесса (САД). Низкие уровни OsO 4 сочетаются со стехиометрическим феррицианидным окислителем в присутствии хиральных азотистых лигандов для создания асимметричной среды вокруг окислителя.
Механизм реакции
Механизм реакции дигидроксилирования Шарплесса начинается с образования комплекса тетроксид осмия - лиганд ( 2 ). [3 + 2] -циклоприсоединение к алкену ( 3 ) дает циклическое промежуточное соединение 4 . [9] [10] Щелочной гидролиз высвобождает диол ( 5 ) и восстановленный осмат ( 6 ). Метансульфонамид (CH 3 SO 2 NH 2 ) был идентифицирован как катализатор для ускорения этой стадии каталитического цикла и, если его часто используют в качестве добавки, позволяющей нетонцевым алкеновым субстратам эффективно реагировать при 0 ° C. [8] Наконец, стехиометрический окислитель регенерирует комплекс тетроксид осмия - лиганд ( 2 ).
Механизм асимметричного дигидроксилирования Шарплесса был тщательно изучен, и был идентифицирован потенциальный вторичный каталитический цикл (см. Ниже). [11] [12] Если промежуточное соединение сложного эфира осмилата окисляется до его диссоциации, то образуется комплекс осмий (VIII) -диол, который затем может дигидроксилировать другой алкен. [13] Дигидроксилирование, возникающее в результате этого вторичного пути, обычно страдает более низкой энантиоселективностью, чем те, которые возникают в результате первичного пути. Схема, показывающая этот вторичный каталитический путь, показана ниже. Этот вторичный путь можно подавить, используя более высокую молярную концентрацию лиганда.
[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 соединения осмаоксетана (см. Ниже). [14] Этот промежуточный продукт затем подвергнется 1,1-мигрирующей вставке с образованием сложного эфира осмилата, который после гидролиза даст соответствующий диол. В 1989 г. 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 прямым образованием сложного эфира осмилата. [15] Предложение Кори было основано на предыдущем вычислительном исследовании, проведенном Йоргенсеном и Хоффманом, в котором было определено, что путь реакции [3 + 2] является путем с более низкой энергией. Вдобавок Кори пришел к выводу, что стерическое отталкивание в октаэдрическом промежуточном звене будет неблагоприятным для пути [2 + 2].
В следующие десять лет Кори и Шарплесс опубликовали множество публикаций, каждая из которых поддерживала свою версию механизма. Хотя эти исследования не смогли различить два предложенных пути циклизации, они успешно пролили свет на механизм другими способами. Например, Шарплесс представил доказательства того, что реакция протекает по ступенчатому механизму. [16] Кроме того, Шарплесс и Кори показали, что активный катализатор имеет U-образный хиральный связывающий карман. [17] [18] [19] Кори также показал, что катализатор подчиняется кинетике Михаэлиса-Ментен и действует как ферментный карман с предварительным равновесием. [20] В февральском выпуске журнала Американского химического общества за 1997 г. Шарплесс опубликовал результаты исследования (анализ Хаммета), которые, как он утверждал, подтверждают [2 + 2] циклизацию по сравнению с [3 + 2]. [21] Однако в октябрьском выпуске того же года Шарплесс также опубликовал результаты другого исследования, проведенного в сотрудничестве с Кеном Хоуком и Синглтоном, которое предоставило убедительные доказательства механизма [3 + 2]. [10] Таким образом, Шарплес был вынужден отказаться от продолжавшихся десятилетий дебатов.
Структура катализатора
Кристаллографические данные показали, что активный катализатор содержит пентакоординированные частицы осмия, удерживаемые в U-образном связующем кармане. Азотистый лиганд удерживает OsO 4 в хиральной среде, что затрудняет приближение одной стороны олефина к стерически, а другой - нет. [20]
Каталитические системы
Для САД были разработаны многочисленные каталитические системы и модификации. Ниже приводится краткий обзор различных компонентов каталитической системы:
- 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 (разновидность Os (VI)) из соображений безопасности.
- Хиральный вспомогательный компонент: обычно это какой-то алкалоид хинного дерева.
- Стехиометрический оксидант:
- Пероксиды были одними из первых стехиометрических окислителей, которые использовались в этом каталитическом цикле; см. Гидроксилирование Миласа . Недостатки пероксидов включают проблемы хемоселективности. [13]
- N-оксиды триалкиламмония, такие как NMO - как в реакции Апджона - и N-оксид триметиламина. [13]
- Феррицианид калия (K 3 Fe (CN) 6 ) является наиболее часто используемым стехиометрическим окислителем для реакции и окислителем, который входит в коммерчески доступные препараты AD-mix.
- Добавка:
- Лимонная кислота: четырехокись осмия является электрофильным окислителем и поэтому медленно реагирует с электронодефицитными олефинами. Было обнаружено, что скорость окисления электронодефицитных олефинов может быть увеличена за счет поддержания pH реакции слабокислой. [13] С другой стороны, высокий pH может увеличить скорость окисления внутренних олефинов, а также увеличить энантиомерный избыток (э.и.) для окисления концевых олефинов. [13]
Региоселективность
В целом асимметричное дигидроксилирование по Шарплесу способствует окислению более богатого электронами алкена (схема 1). [22]
В этом примере SAD дает диол алкена, ближайшего к (электроноакцепторной) пара-метоксибензоильной группе, хотя и с низким выходом. Вероятно, это связано со способностью арильного кольца благоприятно взаимодействовать с активным центром катализатора посредством π-стопки. Таким образом, арильный заместитель может действовать как направляющая группа. [23]
Стереоселективность
Диастереоселективность SAD в первую очередь определяется выбором лиганда (т.е. AD-mix-α по сравнению с AD-mix-β), однако такие факторы, как ранее существовавшая хиральность в субстрате или соседние функциональные группы, также могут играть роль. В примере, показанном ниже, пара-метоксибензоильный заместитель служит главным образом источником стерической массы, позволяющей катализатору различать две грани алкена. [23]
Часто бывает трудно получить высокую диастереоселективность по цис-алкенам, когда обе стороны олефина имеют одинаковое стерическое окружение.
дальнейшее чтение
- Якобсен, EN; Марко, I .; Мунгалл, WS; Schroeder, G .; Шарплесс, КБ (1988). «Асимметричное дигидроксилирование с помощью лиганд-ускоренного катализа». Варенье. Chem. Soc. 110 (6): 1968–1970. DOI : 10.1021 / ja00214a053 .
Смотрите также
- Асимметричное каталитическое окисление
- Гидроксилирование Миласа
- Дигидроксилирование Апджона
- Аминогидроксилирование по Шарплесу
Рекомендации
- ^ Noe, Mark C .; Letavic, Michael A .; Сноу, Шери Л. (15 декабря 2005 г.). «Асимметричное дигидроксилирование алкенов». Орг. Реагировать. 66 (109): 109–625. DOI : 10.1002 / 0471264180.or066.02 . ISBN 0471264180.
- ^ Кольб, HC; Van Nieuwenhze, MS; Шарплесс, КБ (1994). «Каталитическое асимметричное дигидроксилирование». Chem. Ред. 94 (8): 2483–2547. DOI : 10.1021 / cr00032a009 .
- ^ Гонсалес, Хавьер; Ауригемма, Кристина; Трусдейл, Ларри (2004). «Синтез (+) - (1 S , 2 R ) - и (-) - (1 R , 2 S ) - транс -2-фенилциклогексанола с помощью асимметричного дигидроксилирования по Шарплесу (AD)» . Органический синтез . 79 : 93. DOI : 10,15227 / orgsyn.079.0093 .
- ^ Минато, М .; Ямамото, К .; Цудзи, Дж. (1990). «Тетраоксид осмия катализирует вицинальное гидроксилирование высших олефинов с использованием иона гексацианоферрата (III) в качестве сооксиданта». J. Org. Chem. 55 (2): 766–768. DOI : 10.1021 / jo00289a066 .
- ^ Oi, R .; Шарплесс, КБ (1996). «3 - [(1 S ) -1,2-дигидроксиэтил] -1,5-дигидро-3 H -2,4-бензодиоксепин» . Органический синтез . 73 : 1. DOI : 10,15227 / orgsyn.073.0001 .; Сборник , 9 , стр. 251
- ^ VanRheenen, V .; Келли, RC; Ча, Д.Ю. (1976). «Улучшенное каталитическое окисление олефинов с помощью OsO 4 до цис- 1,2-гликолей с использованием оксидов третичных аминов в качестве окислителя». Tetrahedron Lett. 17 (23): 1973–1976. DOI : 10.1016 / s0040-4039 (00) 78093-2 .
- ^ McKee, BH; Gilheany, DG; Шарплесс, КБ (1992). «( R , R ) -1,2-Дифенил-1,2-этандиол (Стилбендиол)» . Органический синтез . 70 : 47. DOI : 10,15227 / orgsyn.070.0047 .; Сборник , 9 , стр. 383
- ^ а б Шарплесс, КБ ; Амберг, Вилли; Bennani, Youssef L .; и другие. (1992). «Асимметричное дигидроксилирование, катализируемое осмием: новый класс лигандов и улучшение процесса». J. Org. Chem. 57 (10): 2768–2771. DOI : 10.1021 / jo00036a003 .
- ^ Кори, EJ ; Ноэ, MC; Гроган, MJ (1996). «Экспериментальное испытание путей [3 + 2] - и [2 + 2] -циклоприсоединения для дигидроксилирования олефинов, катализируемого бис-хинным алкалоидом-OsO4, посредством кинетических изотопных эффектов». Tetrahedron Lett. 37 (28): 4899–4902. DOI : 10.1016 / 0040-4039 (96) 01005-2 .
- ^ а б DelMonte, AJ; Haller, J .; Houk, KN ; Шарплесс, КБ ; Синглтон, ДА; Strassner, T .; Томас, AA (1997). «Экспериментальные и теоретические кинетические эффекты изотопов для асимметричного дигидроксилирования. Доказательства, подтверждающие ограничение скорости» (3 + 2) «Циклоприсоединение». Варенье. Chem. Soc. 119 (41): 9907–9908. DOI : 10.1021 / ja971650e .
- ^ Огино, Ю .; Chen, H .; Kwong, H.-L .; Шарплесс, КБ (1991). «О времени гидролиза / повторного окисления в асимметричном дигидроксилировании олефинов, катализируемом осмием, с использованием феррицианида калия в качестве реоксиданта». Tetrahedron Lett . 3 (2): 3965–3968. DOI : 10.1016 / 0040-4039 (91) 80601-2 .
- ^ Вай, JSM; Марко, I .; Свендсен, JN; Финн, MG; Якобсен, EN; Шарплесс, К. Барри (1989). «Механическое понимание приводит к значительному усовершенствованию процесса асимметричного дигидроксилирования, катализируемого осмием». Варенье. Chem. Soc . 111 (3): 1123. DOI : 10.1021 / ja00185a050 .
- ^ a b c d e Сандермайер, У., Доблер, К., Беллер, М. Последние разработки в области дигидроксилирования олефинов, катализируемого осмием. Современные методы окисления. 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм. ISBN 3-527-30642-0
- ^ Hentges, Стивен Дж .; Шарплесс, К. Барри (июнь 1980 г.). «Асимметричная индукция в реакции четырехокиси осмия с олефинами». Варенье. Chem. Soc. 102 (12): 4263. DOI : 10.1021 / ja00532a050 .
- ^ Кори, EJ; DaSilva Jardine, Пол; Верджил, Скотт; Юэнь, По Вай; Коннелл, Ричард Д. (декабрь 1989 г.). «Энантиоселективное вицинальное гидроксилирование концевых и E-1,2-дизамещенных олефинов хиральным комплексом тетроксида осмия. Эффективная система управления и рациональная механистическая модель». Варенье. Chem. Soc. 111 (26): 9243. DOI : 10.1021 / ja00208a025 .
- ^ Thomas, G .; Шарплесс, KB ACIEE 1993, 32, 1329
- ^ Кори, EJ; Ноэ, Марк К. (декабрь 1993 г.). «Жесткий и высокоэнантиоселективный катализатор дигидроксилирования олефинов с использованием тетраоксида осмия проясняет происхождение энантиоспецифичности». Варенье. Chem. Soc. 26 (115): 12579. DOI : 10.1021 / ja00079a045 .
- ^ Кольб, HC; Андерсон, П.Г .; Шарплесс, КБ (февраль 1994 г.). «К пониманию высокой энантиоселективности в катализируемом осмием асимметричном дигидроксилировании (AD). 1. Кинетика». Варенье. Chem. Soc. 116 (1278): 1278. DOI : 10.1021 / ja00083a014 .
- ^ Кори, EJ; Noe, Mark C .; Саршар, Сепер (1994). «Рентгеноструктурные исследования предоставляют дополнительные доказательства того, что ферментоподобный связывающий карман имеет решающее значение для энантиоселективного дигидроксилирования олефинов комплексами OsO4-бис-хинный алкалоид». Буквы тетраэдра . 35 (18): 2861. DOI : 10.1016 / s0040-4039 (00) 76644-5 .
- ^ а б Кори, EJ; Ноэ, 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-хинными алкалоидами». Варенье. Chem. Soc. 118 (2): 319. DOI : 10.1021 / ja952567z .
- ^ Шарплесс, КБ; Гипсер, Андреас; Хо Пуй Тонг; Кольб, Хартмут С .; Кондо, Теруюки; Квонг, Хой-Лун; McGrath, Dominic V .; Рубин, А. Эрик; Норрби, Пер-Ола; Гейбл, Кевин П .; Шарплесс, К. Барри (1997). «К пониманию высокой энантиоселективности асимметричного дигидроксилирования, катализируемого осмием. 4. Электронные эффекты в ускоренном амином осмилировании». Варенье. Chem. Soc. 119 (8): 1840. DOI : 10.1021 / ja961464t .
- ^ Xu, D .; Криспино, Джорджия; Шарплесс, КБ (сентябрь 1992 г.). «Селективное асимметричное дигидроксилирование (АД) диенов». Варенье. Chem. Soc. 114 (19): 7570–7571. DOI : 10.1021 / ja00045a043 .
- ^ а б Кори, EJ; Гусман-Перес, Ангел; Ноэ, Марк К. (ноябрь 1995 г.). «Применение механистической модели приводит к распространению асимметричного дигидроксилирования Шарплесса на аллильные 4-метоксибензоаты и конформационно родственные производные амина и гомоаллилового спирта». Варенье. Chem. Soc. 117 (44): 10805–10816. DOI : 10.1021 / ja00149a003 .