Хиральные катализаторы: Шарплесс, Нойори, Якобсен
Окисление: Шарплесс, Якобсен, Ши
linkОпора
- Урок 406. Хиральные реагенты: Браун и CBS — энантиоселективное гидроборирование и восстановление
- Урок 123. Эпоксидирование по Прилежаеву и анти-дигидроксилирование — получать эпоксиды и транс-диолы
- Урок 330. Гомогенное гидрирование: катализатор Уилкинсона — рисовать цикл гидрирования
Эпоксидирование (урок 123) и син-дигидроксилирование (урок 124) становятся энантиоселективными с хиральным катализатором: эпоксид или диол получается одним энантиомером без стехиометрического хирального вещества.
Как выбрать метод окисления и предсказать продукт
- Эпоксидирование по Шарплессу возможно только для аллиловых спиртов: группа OH связывается с титаном. Нужны \(\ce{Ti(OiPr)4}\) (5–10 мол. %), DET, t-BuOOH и молекулярные сита; L-(+)-DET и D-(−)-DET направляют кислород к противоположным граням, а какую грань выбирает каждый из них, запоминают по гераниолу (рисунок ниже).
- Тот же катализатор проводит кинетическое расщепление вторичных аллиловых спиртов (урок 403).
- Дигидроксилирование по Шарплессу: \(\ce{K2OsO2(OH)4}\) (кат.), \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\), \(\ce{K2CO3}\) и лиганд из алкалоидов хинного дерева; AD-mix-α и AD-mix-β дают энантиомерные син-диолы, и реакция идёт с любым алкеном.
- Якобсен — Кацуки: комплекс Mn(III)–salen с NaOCl эпоксидирует цис-дизамещённые алкены без группы OH; Ши: кетон из D-фруктозы с оксоном (\(\ce{KHSO5}\), через диоксиран) — для транс- и тризамещённых алкенов.
- Хиральные сульфоксиды получают окислением сульфидов пероксидом водорода или гидропероксидом с хиральным титановым катализатором.
Примеры
1. Гераниол. Гераниол с \(\ce{Ti(OiPr)4}\), L-(+)-DET и t-BuOOH даёт (2S,3S)-эпоксигераниол с ee выше 90 % (верхний ряд рисунка).
2. Стильбен. (E)-Стильбен \(\ce{C6H5CH=CHC6H5}\) с AD-mix-β даёт (R,R)-1,2-дифенилэтан-1,2-диол \(\ce{C6H5CH(OH)CH(OH)C6H5}\) (нижний ряд рисунка).
errorAD-mix — готовая смесь
AD-mix содержит всё нужное для реакции: малое количество осмия, гексацианоферрат(III), который возвращает осмий в рабочую форму, карбонат калия и хиральный лиганд. Летучий и токсичный \(\ce{OsO4}\) при этом не нужно отвешивать отдельно.
edit_noteПопробуйте сами
Какой AD-mix нужен, чтобы из (E)-стильбена получить (S,S)-диол?
expand_moreПоказать решение
AD-mix-α.
Гидрирование по Нойори и нелинейный эффект
Катализатор гидрирования из урока 330 с хиральным лигандом — самый экономный путь к одному энантиомеру: одна молекула катализатора даёт тысячи молекул продукта.
Как работают хиральные катализаторы гидрирования и присоединения
- Ru–BINAP (Нойори) с \(\ce{H2}\) гидрирует β-кетоэфиры в β-гидроксиэфиры, аллиловые спирты — в насыщенные спирты, дегидроаминокислоты — в аминокислоты. Нужна соседняя группа (C=O сложного эфира, OH, NHAc), которая связывается с металлом вместе с восстанавливаемой связью.
- (R)- и (S)-BINAP дают энантиомерные продукты.
- Rh–DIPAMP (Ноулз) используют в промышленном синтезе L-ДОФА (тема 25).
- Диэтилцинк присоединяется к альдегиду в присутствии хирального аминоспирта (DAIB) и даёт вторичный спирт одним энантиомером.
- Нелинейный эффект: катализатор образует димеры; гетерохиральный димер из (R)- и (S)-лиганда неактивен и связывает минорный энантиомер лиганда, поэтому ee продукта может быть выше ee лиганда.
- Органокатализ: пролин катализирует альдольную реакцию (тема 22), а хиральные фосфорные кислоты — многие другие реакции; за органокатализ в 2021 году присуждена Нобелевская премия (Лист, Макмиллан).
Примеры
1. Метилацетоацетат. Метилацетоацетат \(\ce{CH3COCH2COOCH3}\) с водородом и (R)-BINAP–Ru даёт метил-(R)-3-гидроксибутаноат \(\ce{CH3CH(OH)CH2COOCH3}\) с ee 99 % (средний ряд рисунка в первой части урока).
2. Нелинейный эффект. Бензальдегид с \(\ce{Et2Zn}\) в присутствии (−)-DAIB, ee которого всего 15 %, даёт 1-фенилпропан-1-ол с ee 95 % (пример из пособия Сальникова): гетерохиральные димеры катализатора неактивны и связывают минорный энантиомер лиганда.
errorНелинейный эффект бывает и отрицательным
Если активен гетерохиральный димер, а гомохиральный нет, ee продукта оказывается ниже, чем при линейной зависимости, — это отрицательный нелинейный эффект.
edit_noteПопробуйте сами
Сколько молекул продукта даёт одна молекула катализатора, если 0,01 мол. % катализатора полностью превращает субстрат?
expand_moreПоказать решение
10 000: число оборотов равно отношению количеств субстрата и катализатора.
push_pinГлавное
Эпоксидирование по Шарплессу: аллиловый спирт + \(\ce{Ti(OiPr)4}\) (кат.), диэтилтартрат (DET), t-BuOOH; OH субстрата связывается с титаном, поэтому реагируют только аллиловые спирты, и только связь C=C рядом с \(\ce{CH2OH}\); L-(+)-DET и D-(−)-DET атакуют противоположные грани (гераниол + L-(+)-DET → (2S,3S)-эпоксигераниол). Дигидроксилирование по Шарплессу: \(\ce{K2OsO2(OH)4}\) (кат.), \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\), лиганды из хинного дерева — AD-mix-α ((DHQ)₂PHAL) и AD-mix-β ((DHQD)₂PHAL) дают энантиомерные син-диолы ((E)-стильбен + AD-mix-β → (R,R)-диол). Якобсен — Кацуки: Mn(salen) + NaOCl — цис-алкены без OH; Ши: кетон из фруктозы + оксон. Нойори: Ru–BINAP + \(\ce{H2}\) — β-кетоэфиры (метилацетоацетат с (R)-BINAP → метил-(R)-3-гидроксибутаноат), аллиловые спирты, дегидроаминокислоты; нужна соседняя координирующая группа. Нелинейный эффект: ee продукта не пропорционален ee катализатора (DAIB с ee 15 % → продукт с ee 95 %). Нобелевские премии: 2001 (Ноулз, Нойори, Шарплесс), 2021 (Лист, Макмиллан — органокатализ).
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.