Асимметричное дигидроксилирование по Шарплессу

Асимметричное дигидроксилирование по Шарплессу — взаимодействие алкена с тетраоксидом осмия в присутствии хирального лиганда хинина с образованием вицинального диола. Реакция применима к алкенам с практически любыми заместителями и характеризуется высокой стереоселективностью.

Тетраоксид осмия участвует в реакции как катализатор и регенерируется с помощью вторичных окислителей феррицианида калия[1][2] или N-Оксида N-метилморфолина.[3][4] Таким образом уменьшается количество используемого тетраоксида осмия, который является высокотоксичным и дорогим соединением. Все четыре реактива (K3Fe(CN)6, K2CO3, K2OsO2(OH)4 и хиральный лиганд) коммерчески доступны в готовых смесях «AD-mix». Смесь содержащая (DHQ)2-PHAL называется AD-mix-α, а смесь содержащая (DHQD)2-PHAL называется AD-mix-β.[5]

Полученные хиральные гликоли важны в органическом синтезе. Благодаря исследованиям Шарплесса стал возможен синтез широкой серии хиральных аллильных спиртов — глицидола и метилглицидола, которые, в свою очередь, служат промежуточными соединениями в производстве бета-адреноблокатов — лекарственных веществ, используемых в кардиологии. Барри Шарплесс получил Нобелевскую премию 2001 года «За работу в области хирально катализируемых реакций окисления».[6]

Механизм реакцииПравить

Реакция начинается с образования комплекса   — хиральный лиганд (2). При [3+2]- диполярном циклоприсоединении к алкену (3) образуется цикличный интермедиат (4)[7][8], который при гидролизе разлагается на гликоль (5) и осмат (6). Метансульфонамид ( ) может использоваться как катализатор для ускорения этого этапа каталитического цикла. На последнем этапе окислитель (7) регенерирует комплекс   — хиральный лиганд.

После тщательного изучения механизма был предложен вторичный каталитический цикл.[9][10] Если окислить цикличный интермедиат до начала гидролиза, то полученный гликолят осмия может дигидроксилировать ещё один алкен.[11] Вторичный цикл менее энантиоселективен чем первичный. Увеличивая молярную концентрацию лиганда, можно исключить течение реакции по вторичному циклу.

Э. И. — энантиомерный избыток (ee, англ. enantiomeric excess)

[2+2] против [3+2]Править

Изначально Шарплесс считал, что реацкия идёт по [2+2]-диполярному циклоприсоединению   к алкену. В результате чего образовывался осмаоксетан[12], который после реакции внедрения превращался в osmylate ester. Гидролиз последнего давал необходимый гликоль. В 1989 году Кори Элайас Джеймс предложил немного другой вариант этой же реакции, а именно [3+2]-диполярное циклоприсоединение   к алкену, при котором сразу получался osmylate ester.[13]

Его суждения были основаны на вычислениях сделанных Йоргенсеном и Хоффманом. Они выяснили, что реакция, протекающая по [3+2] присоединению более энергетически выгодна. Кори также доказал, что октаэдральный интермедиат делает [2+2] реакцию более затруднительной из-за стерических факторов.

На протяжении десяти лет Шарплесс и Кори в многочисленных публикациях доказывали верность своих механизмов. Хотя их исследования не смогли объяснить различий между двумя предлагаемыми путями циклизации, они пролили свет на другие особенности реакции. Например, Шарплесс доказал, что реакция протекает в несколько этапов[14], также оба учёных показали, что катализатор имеет U-образный хиральный «карман».[15][16][17] В февральском выпуске журнала Американского химического общества за 1997 год Шарплесс опубликовал результаты исследования (анализ Хаммета), который, как он утверждал, подтверждал циклизацию [2+2].[18] Однако в октябрьском выпуске того же года Шарплесс опубликовал результаты другого исследования, проведённого в сотрудничестве с Кеном Хоуком и Синглтоном, в котором он предоставил убедительные доказательства механизма [3+2].[8] Таким образом Шарплесс был вынужден уступить Кори в десятилетних дебатах.

Структура катализатораПравить

Кристаллографический анализ показал, что активный катализатор содержит пентакоординированные осмиевые частицы, удерживаемые в U-образном связующем кармане. Азотистый лиганд удерживает OsO4 в хиральной среде, делая сближение с одной стороны алкена стерически затруднённым, а с другой — нет.[19]

Каталитические системыПравить

Ниже приведён краткий обзор различных компонентов каталитической системы:

  1. Каталитический окислитель: Всегда используется   с добавлением присадок.
  2. Хиральный вспомогательный реагент: Обычно алкалоиды хинного дерева.
  3. Окислитель:
    • Изначально использовались пероксиды, но их главным недостатком оказались проблемы с хемоселективностью.
    • N-Оксид N-метилморфолина.
    • Феррицианид калия   является наиболее часто используемым стехиометрическим окислителем для реакции Он входит в состав смесей AD-mix.
  4. Присадка: Используется лимонная кислота.   электрофильный окислитель и плохо реагирует с алкенами с низкой электронной плотностью. Реакция протекает быстрее в слабокислой среде.[11]

РегиоселективностьПравить

В основном, асимметричное дигидроксилирование по Шарплессу способствует окислению алкена с большей электронной плотностью.[19]

В этом примере гликоль образуется возле пара-метоксибензойной группы (электронно акцепторный заместитель). Вероятно, это связано со способностью арила взаимодействовать с активным центром катализатора посредством π-стэкинга. Таким образом, арильный заместитель может действовать как ориентант.[20]

СтереоселективностьПравить

Диастереоселективность реакции определяется в первую очередь выбором лиганда (то есть AD-mix-α или AD-mix-β), однако изначальная хиральность алкена или его заместителей также влиять на реакцию. В примере, показанном ниже, пара-метоксибензойный заместитель служит источником стерического эффекта и позволяет катализатору «различать» стороны алкена.[20]

ПримечанияПравить

  1. Makoto Minato, Keiji Yamamoto, Jiro Tsuji. Osmium tetraoxide catalyzed vicinal hydroxylation of higher olefins by using hexacyanoferrate(III) ion as a cooxidant (англ.) // The Journal of Organic Chemistry. — 1990-01. — Vol. 55, iss. 2. — P. 766—768. — ISSN 1520-6904 0022-3263, 1520-6904. — doi:10.1021/jo00289a066. Архивировано 3 июня 2019 года.
  2. 3-[(1S)-1,2-DIHYDROXYETHYL-1,5-DIHYDRO-3H-2,4-BENZODIOXEPINE] // Organic Syntheses. — 1996. — Т. 73. — С. 1. — doi:10.15227/orgsyn.073.0001. Архивировано 2 октября 2018 года.
  3. V. VanRheenen, R.C. Kelly, D.Y. Cha. An improved catalytic OsO4 oxidation of olefins to -1,2-glycols using tertiary amine oxides as the oxidant (англ.) // Tetrahedron Letters. — 1976-06. — Vol. 17, iss. 23. — P. 1973—1976. — doi:10.1016/S0040-4039(00)78093-2. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  4. (R,R)-1,2-DIPHENYL-1,2-ETHANEDIOL (STILBENE DIOL) // Organic Syntheses. — 1992. — Т. 70. — С. 47. — doi:10.15227/orgsyn.070.0047. Архивировано 3 октября 2020 года.
  5. K. Barry Sharpless, Willi Amberg, Youssef L. Bennani, Gerard A. Crispino, Jens Hartung. The osmium-catalyzed asymmetric dihydroxylation: a new ligand class and a process improvement (англ.) // The Journal of Organic Chemistry. — 1992-05. — Vol. 57, iss. 10. — P. 2768—2771. — ISSN 1520-6904 0022-3263, 1520-6904. — doi:10.1021/jo00036a003. Архивировано 3 июня 2019 года.
  6. Зеленин К. Н., Ноздрачев А. Д., Поляков Е. Л. Нобелевские премии по химии за 100 лет. СПб, «Гуманистика», 2003
  7. E.J. Corey, Mark C. Noe, Michael J. Grogan. Experimental test of the [3+2- and [2+2]-cycloaddition pathways for the bis-cinchona alkaloid-OsO4 catalyzed dihydroxylation of olefins by means of kinetic isotope effects] (англ.) // Tetrahedron Letters. — 1996-07. — Vol. 37, iss. 28. — P. 4899—4902. — doi:10.1016/0040-4039(96)01005-2. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  8. 1 2 Albert J. DelMonte, Jan Haller, K. N. Houk, K. Barry Sharpless, Daniel A. Singleton. Experimental and Theoretical Kinetic Isotope Effects for Asymmetric Dihydroxylation. Evidence Supporting a Rate-Limiting “(3 + 2)” Cycloaddition (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1997-10. — Vol. 119, iss. 41. — P. 9907—9908. — ISSN 1520-5126 0002-7863, 1520-5126. — doi:10.1021/ja971650e. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  9. Yasukazu Ogino, Hou Chen, Hoi-Lun Kwong, K. Barry Sharpless. On the timing of hydrolysis / reoxidation in the osmium-catalyzed asymmetric dihydroxylation of olefins using potassium ferricyanide as the reoxidant (англ.) // Tetrahedron Letters. — 1991-08. — Vol. 32, iss. 32. — P. 3965—3968. — doi:10.1016/0040-4039(91)80601-2. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  10. John S. M. Wai, Istvan Marko, John S. Svendsen, M. G. Finn, Eric N. Jacobsen. A mechanistic insight leads to a greatly improved osmium-catalyzed asymmetric dihydroxylation process (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1989-02. — Vol. 111, iss. 3. — P. 1123—1125. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja00185a050. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  11. 1 2 Modern oxidation methods. — Weinheim: Wiley-VCH, 2004. — xiv, 336 pages с. — ISBN 3-527-30642-0, 978-3-527-30642-8.
  12. Steven G. Hentges, K. Barry Sharpless. Asymmetric induction in the reaction of osmium tetroxide with olefins (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1980-06. — Vol. 102, iss. 12. — P. 4263—4265. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja00532a050. Архивировано 4 января 2022 года.
  13. E. J. Corey, Paul DaSilva Jardine, Scott Virgil, Po Wai Yuen, Richard D. Connell. Enantioselective vicinal hydroxylation of terminal and E-1,2-disubstituted olefins by a chiral complex of osmium tetroxide. An effective controller system and a rational mechanistic model (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1989-12. — Vol. 111, iss. 26. — P. 9243—9244. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja00208a025. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  14. Thomas, G.; Sharpless, K. B. ACIEE 1993, 32, 1329
  15. E. J. Corey, Mark C. Noe. Rigid and highly enantioselective catalyst for the dihydroxylation of olefins using osmium tetraoxide clarifies the origin of enantiospecificity (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1993-12. — Vol. 115, iss. 26. — P. 12579—12580. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja00079a045. Архивировано 14 апреля 2021 года.
  16. Hartmuth C. Kolb, Pher G. Andersson, K. Barry Sharpless. Toward an Understanding of the High Enantioselectivity in the Osmium-Catalyzed Asymmetric Dihydroxylation (AD). 1. Kinetics (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1994-02. — Vol. 116, iss. 4. — P. 1278—1291. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja00083a014. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  17. E.J. Corey, Mark C. Noe, Sepehr Sarshar. X-ray crystallographic studies provide additional evidence that an enzyme-like binding pocket is crucial to the enantioselective dihydroxylation of olefins by OsO4—bis-cinchona alkaloid complexes (англ.) // Tetrahedron Letters. — 1994-05. — Vol. 35, iss. 18. — P. 2861—2864. — doi:10.1016/S0040-4039(00)76644-5. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  18. Derek W. Nelson, Andreas Gypser, Pui Tong Ho, Hartmuth C. Kolb, Teruyuki Kondo. Toward an Understanding of the High Enantioselectivity in the Osmium-Catalyzed Asymmetric Dihydroxylation. 4. Electronic Effects in Amine-Accelerated Osmylations (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1997-02. — Vol. 119, iss. 8. — P. 1840—1858. — ISSN 1520-5126 0002-7863, 1520-5126. — doi:10.1021/ja961464t. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  19. 1 2 E. J. Corey, Mark C. Noe. Kinetic Investigations Provide Additional Evidence That an Enzyme-like Binding Pocket Is Crucial for High Enantioselectivity in the Bis-Cinchona Alkaloid Catalyzed Asymmetric Dihydroxylation of Olefins (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1996-01. — Vol. 118, iss. 2. — P. 319—329. — ISSN 1520-5126 0002-7863, 1520-5126. — doi:10.1021/ja952567z. Архивировано 6 апреля 2020 года.
  20. 1 2 E. J. Corey, Angel Guzman-Perez, Mark C. Noe. The application of a mechanistic model leads to the extension of the Sharpless asymmetric dihydroxylation to allylic 4-methoxybenzoates and conformationally related amine and homoallylic alcohol derivatives (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1995-11. — Vol. 117, iss. 44. — P. 10805—10816. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja00149a003. Архивировано 6 апреля 2020 года.

СсылкиПравить