Эпоксидирование по методу Sharpless - Sharpless epoxidation

Эпоксидирование по методу Sharpless
Названный в честьКарл Барри Шарплесс
Тип реакцииРеакция образования кольца
Идентификаторы
Портал органической химиирезкое эпоксидирование
RSC ID онтологииRXNO: 0000141

В Эпоксидирование по методу Sharpless реакция - это энантиоселективный химическая реакция для получения 2,3-эпоксидных спиртов из первичных и вторичных аллиловые спирты.[1][2]

Эпоксидирование Шарплесса

Стереохимия полученного эпоксида определяется энантиомером хирального диэфира тартрата (обычно диэтил тартрат или диизопропиловый тартрат ), используемый в реакции. Окислитель - терт-бутилгидропероксид. Энантиоселективность достигается за счет катализатора, образованного из тетра (изопропоксид) титана и диэтилтартрат. Только 5–10 мол.% Катализатора в присутствии 3Å молекулярные сита (3Å MS) необходимо.[3]

Успех эпоксидирования Шарплесса можно объяснить пятью основными аспектами. Во-первых, эпоксиды легко превращаются в диолы, аминоспирты и эфиры, поэтому образование хиральных эпоксидов важно в синтезе природных продуктов. Во-вторых, объем субстрата велик, включая множество первичных и вторичных аллиловых спиртов. В-третьих, продукты эпоксидирования Шарплесса часто имеют энантиомерные избытки выше 90%. В-четвертых, предсказуемы продукты эпоксидирования Шарплесса. Наконец, реагенты для эпоксидирования Шарплесса коммерчески доступны и относительно недороги.[4]

Опубликовано несколько обзоров.[5][6][7][8]

К. Барри Шарплесс поделился Нобелевская премия по химии 2001 г. за работу по асимметричному окислению. Премия была разделена с Уильям С. Ноулз и Рёдзи Ноёри.

Структура катализатора

Структура катализатора неясна. Несмотря на это, все исследования пришли к выводу, что катализатор представляет собой димер [Ti (тартрат) (OR)2]. Предполагаемый катализатор был определен с использованием рентгеноструктурных определений модельных комплексов, которые имеют структурные компоненты, необходимые для катализа эпоксидирования Шарплесса.[9]

Переходное состояние

Селективность

Хиральность продукта эпоксидирования Шарплесса иногда предсказывают следующим образом: мнемонический. Прямоугольник обведен вокруг двойной связи в той же плоскости, что и атомы углерода двойной связи ( плоскость xy), с аллиловым спиртом в правом нижнем углу и другими заместителями в соответствующих углах. В этой ориентации тартрат (-) сложного диэфира предпочтительно взаимодействует с верхней половиной молекулы, а тартрат (+) сложного диэфира предпочтительно взаимодействует с нижней половиной молекулы. Эта модель кажется верной, несмотря на замену олефина. Селективность уменьшается с увеличением R1, но увеличивается с увеличением R2 и R3 (см. введение).[1]

Эпоксидирование Шарплесса

Однако этот метод неверно предсказывает продукт аллильных 1,2-диолов.[10]

Нарушение модели Шарплесса

Кинетическое разрешение

Эпоксидирование Шарплесса также может дать кинетическое разрешение рацемической смеси вторичных 2,3-эпоксидных спиртов. Хотя выход процесса кинетического разрешения не может быть выше 50%, энантиомерный избыток в некоторых реакциях приближается к 100%.[11][12]

Кинетическое разрешение

Синтетическая утилита

Эпоксидирование по Шарплесу возможно с широким диапазоном первичных и вторичных алкеновых спиртов. Кроме того, за исключением, отмеченным выше, данный диалкилтартрат предпочтительно будет добавляться к одной и той же поверхности независимо от замещения на алкен.[1] Чтобы продемонстрировать синтетическую ценность эпоксидирования Шарплесса, группа Шарплесса создала синтетические промежуточные продукты различных природных продуктов: метимицина, эритромицин, лейкотриен C-1, и (+) - несоответствие.[13]

Полезность

В качестве одной из немногих высокоэнантиоселективных реакций в свое время было разработано множество манипуляций с 2,3-эпокси-спиртами.[14]

Эпоксидирование Шарплесса было использовано для полного синтеза различных сахариды, терпены, лейкотриены, феромоны, и антибиотики.[4]

Главный недостаток этого протокола - необходимость наличия аллиловый спирт. В Эпоксидирование Якобсена, альтернативный метод энантиоселективного окисления алкенов, преодолевает эту проблему и допускает более широкий спектр функциональные группы.

Предпосылки к эпоксидированию аллиловых спиртов

Ранние работы показали, что аллильный спирты придают лицевую селективность при использовании m-CPBA в качестве окислителя. Эта селективность изменилась, когда аллиловый спирт был ацетилированный. Это открытие приводит к выводу, что водородная связь сыграли ключевую роль в селективности, и была предложена следующая модель.[15]

Peracid H bonding model.png

Для циклических аллиловых спиртов большая селективность наблюдается, когда спирт заблокирован в псевдоэкваториальный положение, а не псевдоосевое положение.[16] Однако было обнаружено, что для систем, катализируемых металлами, таких как системы на основе ванадия, скорости реакции увеличиваются, когда гидроксильная группа находится в аксиальном положении, в 34 раза. Было показано, что субстраты, которые были заблокированы в псевдоэкваториальном положении, подвергаются окислению. сформировать ene-one. В обоих случаях эпоксидирования, катализируемого ванадием, эпоксидированный продукт показал превосходную селективность в отношении син диастереомер.[17]

Конформационно заблокированные направляющие группы.png

В отсутствие водородной связи стерические эффекты прямое добавление перекиси к противоположной поверхности. Однако, перфтористый перкислоты все еще способны образовывать водородную связь с защищенными спиртами и давать нормальную селективность по отношению к водороду, присутствующему в перкислоте.[18]

Fluro binding model.png

Хотя присутствие аллилового спирта действительно приводит к повышенной стереоселективности, скорости этих реакций медленнее, чем в системах без спиртов. Однако скорости реакции субстратов с водородной связующей группой все же выше, чем у эквивалентных защищенных субстратов. Это наблюдение объясняется балансом двух факторов. Первый - это стабилизация переходного состояния в результате водородной связи. Во-вторых, это электроноакцепторная природа кислорода, которая отводит электронную плотность от алкена, снижая его реакционную способность.[19]

Кинетика с аллильными гетероатомами.png

Ациклические аллиловые спирты также обладают хорошей селективностью. В этих системах как A1,2 (стерические взаимодействия с винил ) и А1,3 напряжение считаются. Было показано, что двугранный угол из 120 наилучшим образом направляет субстраты, водородные связи которых с направляющей группой. Эта геометрия позволяет правильно расположить перекись, а также обеспечить минимальное пожертвование от C-C pi в сигма-звезду C-O.[20] Это пожертвование снизит электронную плотность алкена и дезактивирует реакцию. Однако комплексы ванадия не образуют водородной связи со своими субстратами. Вместо этого они согласуются с алкоголем. Это означает, что двугранный угол, равный 40, обеспечивает идеальное положение орбитали перекиси сигма-звезды.[21]

Roation stuff.png

В системах с водородной связью A1,3 деформация играет большую роль, потому что требуемая геометрия вынуждает любые аллильные заместители иметь тяжелые A1,3 взаимодействий, но избегает A1,2. Это приводит к син-добавлению полученного эпоксида. В случае ванадия требуемая геометрия приводит к серьезным A1,2 взаимодействий, но избегает A1,3, что приводит к образованию эпоксида против направляющей группы. Было показано, что эпоксидирование, катализируемое ванадием, очень чувствительно к стерической массе винильной группы.[22][23][24]

Vinyl Bulk.png

Гомоаллический спирты являются эффективными направляющими группами для эпоксидирования как в циклических, так и в ациклических системах для субстратов, которые демонстрируют водородные связи. Однако эти реакции имеют более низкий уровень селективности.[25][26]

Homoallylic peracid.png

В то время как субстраты с водородными связями дают одинаковый тип селективности в аллильном и гомоаллильном случаях, для ванадиевых катализаторов верно противоположное.

Гомоаллический VO.png

Переходное состояние, предложенное Михеличем, показывает, что для этих реакций движущей силой селективности является минимизация A1,3 деформации в структуре псевдокресла.

Предлагаемое переходное состояние показывает, что субстрат будет пытаться принять конформацию, которая минимизирует аллическую деформацию. Для этого наименее громоздкая группа R повернется, чтобы занять позицию R4.[27]

Хотя надкислоты и катализируемые металлами воздействия проявляют разную селективность в ациклических системах, они показывают относительно одинаковую селективность в циклических системах. Для циклических кольцевых систем, размер которых меньше семи или меньше или 10 или больше, наблюдаются аналогичные модели селективности. Однако было показано, что для колец среднего размера (восемь и девять) надкислотные окислители проявляют обратную селективность, в то время как реакции, катализируемые ванадием, продолжают демонстрировать образование синэпоксида.[28]

Размер кольца на selectivity.png

Хотя ванадий является наименее химически активным металлическим катализатором эпоксидирования, он очень селективен в отношении алкенов с аллиловыми спиртами. Ранние работы Шарплесса показывают, что он предпочитает реакцию алкенов с аллильными спиртами над более замещенными электронно-плотными алкенами. В этом случае Ванадий показал обратное региоселективность как из м-CPBA, так и из более реакционноспособных форм молибдена. Хотя ванадий обычно менее реакционноспособен, чем комплексы других металлов, в присутствии аллиловых спиртов скорость реакции выше, чем у молибдена, наиболее реактивного металла для эпоксидирования.[29]

VO selectivity.png

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c Кацуки, Т .; К. Барри Шарплесс (1980). «Первый практический метод асимметричного эпоксидирования». Варенье. Chem. Soc. 102 (18): 5974. Дои:10.1021 / ja00538a077.
  2. ^ Hill, J.G .; Шарплесс, К. Б .; Exon, C.M .; Регенье, Р. (1985). «Энантиоселективное эпоксидирование аллиловых спиртов: (2s, 3s) -3-пропилоксиранметанол». Орг. Synth. 63: 66. Дои:10.15227 / orgsyn.063.0066.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  3. ^ Gao, Y .; Hanson, R.M .; Klunder, J.M .; Ko, S. Y .; Masamune, H .; Шарплесс, К. (1987). «Каталитическое асимметричное эпоксидирование и кинетическое разрешение: модифицированные процедуры, включая дериватизацию in situ». Варенье. Chem. Soc. 109 (19): 5765–5780. Дои:10.1021 / ja00253a032.
  4. ^ а б Уэтикон, К. Ф. (1986). Синтез: 88–116. Отсутствует или пусто | название = (Помогите)
  5. ^ Johnson, R.A .; Шарплесс, К. (1991). «Реакции присоединения с образованием углеродно-кислородных связей: (ii) асимметричные методы эпоксидирования». Компр. Орг. Синтезатор. 7: 389–436. Дои:10.1016 / B978-0-08-052349-1.00196-7. ISBN  978-0-08-052349-1.
  6. ^ Хюфт, Э. (1993). «Энантиоселективное эпоксидирование перекисным кислородом». Верхний. Curr. Chem. Темы современной химии. 164: 63–77. Дои:10.1007/3-540-56252-4_25. ISBN  978-3-540-56252-8.
  7. ^ Кацуки, Т .; Мартин, В. С. (1996). Орг. Реагировать. 48: 1–300. Отсутствует или пусто | название = (Помогите)
  8. ^ Пфеннингер А. (1986). «Асимметричное эпоксидирование аллиловых спиртов: эпоксидирование по Шарплесу». Синтез. 1986 (2): 89–116. Дои:10.1055 / с-1986-31489.
  9. ^ Finn, M. G .; Шарплесс, К. Б. (1991). «Механизм асимметричного эпоксидирования. 2. Структура катализатора». Варенье. Chem. Soc. 113: 113–126. Дои:10.1021 / ja00001a019.
  10. ^ Takano, S .; Iwabuchi, Y .; Огасавара, К. (1991). «Инверсия энантиоселективности в режиме кинетического разрешения асимметричной реакции эпоксидирования Кацуки-Шарплесса». Варенье. Chem. Soc. 113 (7): 2786–2787. Дои:10.1021 / ja00007a082.
  11. ^ Kitano, Y .; Matsumoto, T .; Сато, Ф. (1988). «Высокоэффективное кинетическое разрешение γ- и β-триметилсилильных вторичных аллильных спиртов с помощью асимметричного эпоксидирования без резкости». Тетраэдр. 44 (13): 4073–4086. Дои:10.1016 / S0040-4020 (01) 86657-6.
  12. ^ Martin, V .; Woodard, S .; Кацуки, Т .; Yamada, Y .; Ikeda, M .; Шарплесс, К. (1981). «Кинетическое разделение рацемических аллиловых спиртов энантиоселективным эпоксидированием. Путь к веществам абсолютной энантиомерной чистоты?». Варенье. Chem. Soc. 103 (20): 6237–6240. Дои:10.1021 / ja00410a053.
  13. ^ Росситер, Б .; Кацуки, Т .; Шарплесс, К. (1981). «Асимметричное эпоксидирование обеспечивает кратчайшие пути к четырем хиральным эпоксидным спиртам, которые являются ключевыми промежуточными продуктами в синтезе метимицина, эритромицина, лейкотриена C-1 и диспарлюра». Варенье. Chem. Soc. 103 (2): 464–465. Дои:10.1021 / ja00392a038.
  14. ^ Шарплесс, К.; Behrens, C.H .; Кацуки, Т .; Ли, А. В. М .; Мартин, В. С .; Takatani, M .; Viti, S.M .; Уокер, Ф. Дж .; Вудард, С. С. (1983). «Стерео- и региоселективные отверстия хиральных 2,3-эпоксидных спиртов. Разнообразные пути к оптически чистым натуральным продуктам и лекарствам. Необычные кинетические разрешения». Pure Appl. Chem. 55 (4): 589. Дои:10.1351 / pac198855040589.
  15. ^ Henbest, H.B .; Уилсон, Р. А. Л. (1957). «376. Аспекты стереохимии. Часть I. Стереоспецифичность образования эпоксидов из циклических аллиловых спиртов». Журнал химического общества (возобновлено): 1958. Дои:10.1039 / JR9570001958.
  16. ^ Чемберлен, П .; Робертс, М. Л .; Уизем, Г. Х. (1970). «Эпоксидирование аллиловых спиртов пероксикислотами. Попытки определить геометрию переходного состояния». Журнал химического общества B: Physical Organic: 1374. Дои:10.1039 / J29700001374.
  17. ^ Вейершталь, Питер; Маршалл-Вейершталь, Хельга; Пеннингер, Йозеф; Вальтер, Лутц (1987). «Терпены и производные терпена-22». Тетраэдр. 43 (22): 5287–5298. Дои:10.1016 / S0040-4020 (01) 87705-X.
  18. ^ McKittrick, Brian A .; Ганем, Брюс (1985). «Синстереоселективное эпоксидирование аллиловых эфиров с использованием CF3CO3H». Буквы Тетраэдра. 26 (40): 4895–4898. Дои:10.1016 / S0040-4039 (00) 94979-7.
  19. ^ Hoveyda, Amir H ​​.; Эванс, Дэвид А .; Фу, Грегори С. (1993). «Субстрат-управляемые химические реакции». Химические обзоры. 93 (4): 1307–1370. Дои:10.1021 / cr00020a002.
  20. ^ Houk, K. N .; Paddon-Row, M.N .; Rondan, N.G ​​.; Wu, Y. D .; Браун, Ф.К .; Spellmeyer, D.C .; Metz, J. T .; Li, Y .; Лончарич, Р. Дж. Наука, 1986, 231, 1108-1117.
  21. ^ Вальдемар, А .; Вирт, Т. Отчеты о химических исследованиях, 1999, 32.8, 703-710.
  22. ^ Михелич, Эдвард Д. (1979). «Эпоксидирование, катализируемое ванадием. I. Новый образец селективности для ациклических аллильных спиртов». Буквы Тетраэдра. 20 (49): 4729–4732. Дои:10.1016 / S0040-4039 (01) 86695-8.
  23. ^ Rossiter, B.E .; Verhoeven, T.R .; Шарплесс, К.Б. (1979). «Стереоселективное эпоксидирование ациклических аллиловых спиртов. Исправление нашей предыдущей работы». Буквы Тетраэдра. 20 (49): 4733–4736. Дои:10.1016 / S0040-4039 (01) 86696-X.
  24. ^ Нарула, Ачаран С. (1982). «Стереоселективное введение хиральных центров в ацильных предшественниках: проба в переходное состояние для V5 + -катализированного эпоксидирования трет-бутилгидропероксида (TBHP) ациклических аллильных спиртов и его синтетические последствия». Буквы Тетраэдра. 23 (52): 5579–5582. Дои:10.1016 / S0040-4039 (00) 85899-2.
  25. ^ Cragg, G. M. L .; Микинс, Г. Д. (1965). «366. Стероиды неестественной конфигурации. Часть IX. Окисление 9α-люмистерола (пирокальциферола) и 9β-эргостерола (изопирокальциферола) пербензойной кислотой». J. Chem. Soc.: 2054–2063. Дои:10.1039 / JR9650002054.
  26. ^ Johnson, M. R .; Киши, Ю. Tetrahedron Lett., 1979, 4347-4350.
  27. ^ Михелич, Эдвард Д .; Дэниелс, Карен; Эйкхофф, Дэвид Дж. (1981). «Эпоксидирование, катализируемое ванадием. 2. Высокостереоселективное эпоксидирование ациклических гомоаллильных спиртов, предсказанное детальной моделью переходного состояния». Журнал Американского химического общества. 103 (25): 7690–7692. Дои:10.1021 / ja00415a067.
  28. ^ Ито, Такаши; Дзицукава, Коитиро; Канеда, Киётоми; Тераниши, Шичиро (1979). «Катализируемое ванадием эпоксидирование циклических аллильных спиртов. Стереоселективность и механизм стереоконтроля». Журнал Американского химического общества. 101: 159–169. Дои:10.1021 / ja00495a027.
  29. ^ Шарплесс, К. Б .; Майклсон, Р.С. Варенье. Chem. Soc., 1973, 95 (18)

внешняя ссылка