Хиральные катализаторы: Шарплесс, Нойори, Якобсен
Окисление: Шарплесс, Якобсен, Ши
Каталитическое окисление алкена хиральным катализатором даёт эпоксид или диол одним энантиомером — без стехиометрического хирального вещества.
Как выбрать метод окисления и предсказать продукт
- Шарплесс (эпоксидирование): только аллиловые спирты — OH связывается с титаном; \(\ce{Ti(OiPr)4}\) (5–10 мол. %), DET, t-BuOOH, молекулярные сита. L-(+)-DET и D-(−)-DET атакуют противоположные грани; какую — 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; подходит любой алкен.
- Якобсен — Кацуки: Mn(III)–salen + NaOCl эпоксидирует цис-дизамещённые алкены без OH-группы; Ши: кетон из D-фруктозы + оксон (\(\ce{KHSO5}\), через диоксиран) — для транс- и тризамещённых алкенов.
- Хиральные сульфоксиды: сульфид + \(\ce{H2O2}\) или гидропероксид с титановым хиральным катализатором.
Примеры
1. Гераниол + \(\ce{Ti(OiPr)4}\), L-(+)-DET, t-BuOOH → (2S,3S)-эпоксигераниол (ee > 90 %).
2. (E)-Стильбен + AD-mix-β → (R,R)-1,2-дифенилэтан-1,2-диол.
errorЭпоксидирование по Шарплессу требует OH
Без гидроксильной группы рядом с C=C субстрат не закрепляется на титане: гераниол эпоксидируется только по связи C2=C3, а удалённая связь C6=C7 не затрагивается.
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
Хиральный лиганд на металле — самый экономный путь: одна молекула катализатора даёт тысячи молекул продукта одним энантиомером.
Как работают хиральные катализаторы гидрирования и присоединения
- Ru–BINAP (Нойори) + \(\ce{H2}\): β-кетоэфиры → β-гидроксиэфиры, аллиловые спирты → насыщенные спирты, дегидроаминокислоты → аминокислоты. Нужна соседняя группа (C=O эфира, OH, NHAc), которая связывается с металлом вместе с восстанавливаемой связью.
- (R)- и (S)-BINAP дают энантиомерные продукты.
- Rh–DIPAMP (Ноулз) — промышленный синтез L-ДОФА (глава 25).
- \(\ce{Et2Zn}\) + альдегид с хиральным аминоспиртом (DAIB) → вторичный спирт одним энантиомером.
- Нелинейный эффект: катализатор образует димеры; гетерохиральный димер (R + S) неактивен и связывает минорный энантиомер лиганда — поэтому ee продукта может быть выше ee лиганда.
- Органокатализ: пролин (альдольная реакция, глава 22), хиральные фосфорные кислоты — Нобелевская премия 2021 г. (Лист, Макмиллан).
Примеры
1. Метилацетоацетат + \(\ce{H2}\), (R)-BINAP–Ru → метил-(R)-3-гидроксибутаноат, ee 99 %.
2. Бензальдегид + \(\ce{Et2Zn}\), (−)-DAIB с ee 15 % → 1-фенилпропан-1-ол с ee 95 % (пример из пособия Сальникова).
errorНужна вторая «ручка»
Простые кетоны без соседней координирующей группы Ru–BINAP гидрирует плохо; для них Нойори создал катализаторы, где с рутением связаны и BINAP, и хиральный диамин.
edit_noteПопробуйте сами
Что даст метилацетоацетат с \(\ce{H2}\) и (S)-BINAP–Ru?
expand_moreПоказать решение
Метил-(S)-3-гидроксибутаноат.
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 %.