Кинетическое расщепление
Расщепление рацемата: классика и кинетика
linkОпора
- Урок 402. Определение энантиомерного состава — хиральная хроматография, эфиры Мошера, ee по вращению
- Урок 71. Расщепление рацематов — разделять энантиомеры через диастереомерные соли
Если синтез дал рацемат, его можно разделить (урок 71): медленно — кристаллизацией диастереомерных солей или быстро — заставив энантиомеры реагировать с разной скоростью. Во втором случае важно понимать, как ee меняется по ходу реакции.
Как рассчитать кинетическое расщепление
- Классическое расщепление: рацемический амин с энантиомерно чистой кислотой ((R)-миндальной или (R,R)-винной) даёт две диастереомерные соли разной растворимости; одну из них выделяют кристаллизацией, а щёлочь освобождает амин.
- Кинетическое расщепление: хиральный катализатор превращает энантиомеры с разными константами скорости \(k_{\text{быстр}}\) и \(k_{\text{медл}}\); их отношение \(s = k_{\text{быстр}}/k_{\text{медл}}\) называют фактором селективности.
- Для реакции первого порядка доля оставшегося быстрого энантиомера равна доле оставшегося медленного в степени s.
- Непрореагировавшее вещество обогащается медленным энантиомером, и его ee растёт с конверсией; продукт обогащён быстрым энантиомером, и его ee наибольший в начале реакции — около \((s - 1)/(s + 1)\).
- Выход одного энантиомера при таком расщеплении не превышает 50 %.
Примеры
1. Фактор селективности 20. Если осталось 80 % медленного энантиомера, то быстрого — \(0{,}8^{20} = 0{,}012\), и ee остатка равен \((0{,}80 - 0{,}012)/(0{,}80 + 0{,}012) = 97\) % при конверсии 59 %.
2. Почему важен фактор s. При s = 2 остаток обогащается медленно: чтобы ee непрореагировавшего вещества достиг 71 %, надо превратить 90 % рацемата. Медленного энантиомера при этом остаётся \(x = 0{,}171\), а быстрого — \(x^2 = 0{,}029\) от исходного количества каждого.
errorВыход одного энантиомера — не больше 50 %
В обычном кинетическом расщеплении из рацемата нельзя получить больше половины вещества в виде одного энантиомера: второй энантиомер либо остаётся непрореагировавшим, либо уходит в продукт.
edit_noteПопробуйте сами
Что даст «кинетическое расщепление» с s = 1?
expand_moreПоказать решение
Никакого расщепления: оба энантиомера реагируют одинаково, и ee остатка и продукта равны нулю.
Кинетическое расщепление на практике и динамический вариант
У хорошего катализатора фактор селективности s больше 50, и тогда и непрореагировавшее вещество, и продукт получаются почти энантиомерно чистыми. Такие катализаторы известны для эпоксидов, аллиловых спиртов и вторичных спиртов, а если субстрат умеет быстро рацемизоваться, ограничение в 50 % можно обойти.
Как узнать кинетическое и динамическое расщепление
- Гидролитическое расщепление по Якобсену: рацемический концевой эпоксид с 0,55 экв. воды и катализатором (salen)Co(III) даёт один энантиомер эпоксида с ee > 99 % и 1,2-диол другого ряда.
- Кинетическое расщепление по Шарплессу: вторичный аллиловый спирт с \(\ce{Ti(OiPr)4}\), DET и t-BuOOH (около 0,6 экв.) — один энантиомер эпоксидируется быстрее, а второй остаётся спиртом.
- Ферментативное расщепление: липаза ацилирует винилацетатом один энантиомер вторичного спирта, а второй остаётся спиртом; ацетат и спирт затем разделяют хроматографией.
- Динамическое кинетическое расщепление: если субстрат быстро рацемизуется (кислый атом водорода при α-атоме β-кетоэфира, металлический катализатор для спирта), весь рацемат проходит через быстрый энантиомер.
- Десимметризация: в мезо-соединении хиральный реагент или катализатор выбирает одну из двух зеркальных групп одной молекулы.
Примеры
1. Расщепление по Якобсену. (±)-2-Метилоксиран с 0,55 экв. воды и (salen)Co даёт эпоксид с ee > 99 % (выход до 50 %) и пропан-1,2-диол \(\ce{CH3CH(OH)CH2OH}\).
2. Кинетическое расщепление по Шарплессу. Рацемический окт-1-ен-3-ол \(\ce{CH2=CHCH(OH)C5H11}\) с \(\ce{Ti(OiPr)4}\), L-(+)-DET и 0,6 экв. t-BuOOH: один энантиомер быстро эпоксидируется, а другой остаётся спиртом с ee выше 95 %.
errorЯкобсену удобнее всего концевые эпоксиды
Гидролитическое расщепление по Якобсену лучше всего работает с концевыми эпоксидами: оба продукта — эпоксид и 1,2-диол — легко разделить перегонкой или хроматографией, и оба получаются с высоким ee.
edit_noteПопробуйте сами
Почему в гидролитическом расщеплении по Якобсену берут около 0,55 экв. воды, а не 1 экв.?
expand_moreПоказать решение
Вода нужна только быстрому энантиомеру (0,5 экв.) с небольшим запасом; избыток воды начал бы гидролизовать и второй энантиомер.
push_pinГлавное
Классическое расщепление: рацемический амин + энантиомерно чистая кислота → диастереомерные соли разной растворимости → кристаллизация → щёлочь освобождает амин. Кинетическое расщепление: хиральный катализатор или реагент превращает энантиомеры с разными константами, фактор селективности \(s = k_{\text{быстр}}/k_{\text{медл}}\); для реакции первого порядка доля оставшегося быстрого энантиомера равна доле оставшегося медленного в степени s. Непрореагировавшее вещество обогащается медленным энантиомером — его ee растёт с конверсией и может достичь 99 % ценой выхода; продукт обогащён быстрым энантиомером, его ee наибольший в начале, около \((s - 1)/(s + 1)\). Максимальный выход одного энантиомера — 50 %. Примеры: гидролитическое расщепление концевых эпоксидов по Якобсену ((salen)Co, 0,55 экв. воды), эпоксидирование вторичных аллиловых спиртов по Шарплессу, ацилирование одного энантиомера спирта липазой. Динамическое кинетическое расщепление: субстрат быстро рацемизуется, и в продукт одним энантиомером переходит до 100 % вещества. Десимметризация мезо-соединений тоже даёт до 100 %.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.