Асимметричное нуклеофильное эпоксидирование
Нуклеофильное эпоксидирование — образование эпоксидов из электронодефицитных двойных связей под действием нуклеофильных окислителей. Методы нуклеофильного эпоксидирования представляют собой жизнеспособную альтернативу электрофильным методам, многие из которых не эффективно эпоксидируют бедные электронами двойные связи. [ 1 ]
Хотя наиболее часто используемые методы асимметричного эпоксидирования (Шарплесс-Кацуки, [ 2 ] и Якобсен [ 3 ] эпоксидирования) основаны на каталитической реакционной способности электрофильных окислителей, нуклеофильные источники кислорода, замещенные подходящей уходящей группой, также могут действовать как реагенты эпоксидирования. Классический пример: реакция Вейца-Шеффера. [ 4 ] использует перекись водорода в основных условиях (Z = OH ниже). В других примечательных примерах использовались гипохлориты (Z = Cl) и хиральные пероксиды (Z = OR*).
(1)
Асимметричные версии вышеупомянутой реакции используют ряд стратегий для достижения асимметричной индукции. К наиболее продуктивным и наиболее энантиоселективным методам относятся:
- Использование стехиометрического хирального окислителя [ 5 ]
- Использование стехиометрических пероксидов металлов , замещенных хиральными лигандами. [ 6 ]
- Использование стехиометрической хиральной основы [ 7 ]
- Использование полипептидов [ 8 ]
Хотя механизмы каждой из этих реакций несколько различаются, в каждом случае хиральный катализатор или реагент должен участвовать в стадии присоединения энантиоопределяющего конъюгата. Цис -эпоксиды трудно получить с помощью методов нуклеофильного эпоксидирования. Почти все нуклеофильные эпоксидации цис- олефинов приводят к образованию транс -эпоксидов.
Механизм и стереохимия
[ редактировать ]Преобладающий механизм
[ редактировать ]Механизм нуклеофильного эпоксидирования начинается с сопряженного присоединения пероксида (или других О-нуклеофильных частиц) к енону . Ионы металлов или сопряженные кислоты, присутствующие в растворе, координируют как пероксидный кислород, так и енолятный кислород. Атака енолята на пероксид кислорода приводит к образованию эпоксидного продукта и высвобождению уходящей группы.
(2)
Поскольку процесс является ступенчатым, конфигурация двойной связи углерод-углерод не обязательно сохраняется. И цис- , и транс -еноны образуют транс -эпоксиды практически во всех условиях нуклеофильного эпоксидирования (исключением являются методы с использованием систем лантаноид-БИНОЛ).
Стереоселективные варианты
[ редактировать ]То, как достигается стереоселективность при асимметричном нуклеофильном эпоксидировании, зависит от используемого метода. Здесь описаны различные методы асимметричного нуклеофильного эпоксидирования бедных электронами олефинов . Ниже представлен обзор субстратов реакции.
При использовании хиральных нерацемических пероксидов два переходных состояния эпоксидирования, приводящие к образованию энантиомерных продуктов, являются диастереомерными. Стерические взаимодействия между пероксидом, еноном и шаблонным катионом M + влияют на наблюдаемое чувство избирательности. [ 9 ]
(3)
Методы, в которых используются пероксиды металлов, модифицированные хиральными нерацемическими лигандами, действуют по аналогичному механизму, в котором катион металла играет роль шаблона. Хиральные алкоксиды цинка в атмосфере кислорода использовались для эпоксидирования некоторых классов енонов (см. уравнение (8) ниже). Выделение газообразного этана и поглощение кислорода являются свидетельством обмена лигандов с последующим окислением промежуточных видов алкоксида цинка. [ 10 ] Каталитическая версия этого превращения была достигнута с использованием хиральных алкилпероксидов цинка. [ 11 ]
(4)
Литий, магний и кальций [ 12 ] алкилпероксиды также использовались в качестве реагентов асимметричного нуклеофильного эпоксидирования. Простые тартратные и псевдоэфедриновые лиганды эффективны в сочетании с этими металлами; однако известно мало подробной информации о точных механизмах этих систем.
Алкоксиды лантаноидов в сочетании с БИНОЛ лигандами и гидропероксидом кумола могут быть использованы для эпоксидирования как транс- , так и цис- енонов с высокой энантиоселективностью. Исследования нелинейных эффектов этих каталитических систем позволяют предположить, что активный катализатор является олигомерным. [ 13 ]
(5)
Гомополимеры аминокислот (полипептиды) также можно использовать для осуществления энантиоселективного эпоксидирования в присутствии енона и пероксида. Зависимость структура-реактивность не выявлена, но энантиоселективность в этих реакциях часто высока, и полипептиды часто можно использовать, когда другие методы не помогают. [ 14 ]
Фазовый катализ нуклеофильного эпоксидирования возможен также с использованием на основе хинного дерева алкалоидных катализаторов . Методы фазового переноса допускают некоторую вариабельность используемого окислителя: гидроперекиси , перекись водорода и гипохлориты . с некоторым успехом использовались [ 15 ]
Область применения и ограничения
[ редактировать ]Оптимальные условия энантиоселективного нуклеофильного эпоксидирования зависят от используемого субстрата. Хотя нуклеофильными методами можно эпоксидировать различные субстраты, каждый конкретный метод имеет тенденцию иметь ограниченный объем субстратов. В этом разделе описаны методы асимметричного нуклеофильного эпоксидирования, организованные в соответствии с строением и конфигурацией ненасыщенного субстрата.
Энонес
[ редактировать ]Диалкил( E )-еноны чаще всего эпоксидируются с использованием систем лантаноид/БИНОЛ. [ 16 ] или катализатор тартрат магния. [ 17 ]
(6)
Для алкиларил( Е )-енонов оба полипептида [ 18 ] и катализаторы лантаноиды/БИНОЛ [ 19 ] дают хорошие выходы и энантиоселективность. Наиболее распространенным используемым полипептидом является поли-L-лейцин.
(7)
Арилалкил( E )-еноны были эпоксидированы с высокой энантиоселективностью с использованием стехиометрических систем пероксида цинка. [ 6 ] С этими субстратами также можно использовать полилейцин; [ 18 ] когда существующий стереоцентр в субстрате искажает ощущение селективности эпоксидирования, полилейцин способен преодолеть это смещение.
(8)
Фазовый катализ успешно применен для эпоксидирования диарил( Е )-енонов (халконов). [ 15 ] Лантанид/БИНОЛ также эффективен для этого класса субстратов. [ 20 ]
(9)
( Z )-еноны трудно эпоксидировать без вращения промежуточной связи с образованием транс -эпоксидов. Однако лантанидные катализаторы эффективно предотвращают вращение связей. [ 19 ] и обеспечить доступ к цис- продуктам эпоксида.
(10)
За исключением субстратов метилидентетралона, [ 10 ] общих методов асимметричного нуклеофильного эпоксидирования тризамещенных двойных связей не существует.
Другие бедные электронами алкены
[ редактировать ]Ненасыщенные сложные эфиры можно эпоксидировать электрофильным или нуклеофильным методами. , опосредованное лантанидами, Эпоксидирование успешно применяется к циннаматам и β-гетероарилненасыщенным эфирам. [ 21 ] Амиды также эпоксидируются в условиях, опосредованных лантанидами. [ 22 ]
(11)
Эпоксидирование других электронодефицитных двойных связей (замещенных электроноакцепторными группами, отличными от карбонилов) ограничено по объему, хотя сообщалось о нескольких примерах. [ 23 ] [ 24 ] Способность карбонильной группы координировать кислотную функциональность Льюиса имеет решающее значение для большинства существующих методов.
Сравнение с другими методами
[ редактировать ]Асимметричная реакция Дарценса между альдегидами и (альфа)-галогенэфирами является эффективным методом синтеза глицидных эфиров. [ 25 ] Хиральные вспомогательные вещества, [ 26 ] хиральные еноляты бора, [ 27 ] и катализ с асимметричным фазовым переносом [ 28 ] были успешно использованы для осуществления асимметричной индукции в реакции Дарценса.
(12)
Диастереоселективное эпоксидирование хиральных нерацемических алкенов страдает тем ограничением, что удаление вспомогательного вещества без нарушения эпоксида часто затруднено. Тем не менее, в некоторых случаях диастереоселективность высока. [ 29 ]
(13)
Окисление эпоксидных спиртов, полученных методом эпоксидирования по Шарплессу, является третьим методом энантиоселективного синтеза хиральных α,β-эпоксикарбонильных соединений. [ 30 ] Сверна и Париха-Дёринга Для осуществления такого окисления чаще всего применяются условия .
(14)
Типичные условия эксперимента
[ редактировать ]Обычно нуклеофильное эпоксидирование проводят в инертной атмосфере в безводных условиях. При эпоксидировании, опосредованном цинком, диэтилцинк и лиганд сначала смешивают и окисляют, затем вводят енон. Эпоксидирование, опосредованное лантанидами, обычно требует добавки для стабилизации катализатора; чаще всего это оксид трифенилфосфина или оксид трифениларсина.
Эпоксидирование, катализируемое фазовым переносом, можно проводить с использованием одного из трех возможных наборов условий реакции: (1) гипохлорит натрия при комнатной температуре, (2) свежеприготовленный 8 М гипохлорит калия или (3) трихлоризоциануровая кислота в водной или неводной среде. условия.
Среди методов, основанных на полипептидах, использование катализатора межфазного переноса и трехфазной среды позволяет снизить загрузку катализатора. двухфазные условия с использованием органического основания в сочетании с мочевиной/H 2 O 2 Также могут быть использованы .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Портер, М.; Скидмор, Дж. Орг. Реагировать. 2009 , 74 , 425. два : 10.1002/0471264180.или074.03
- ^ Katsuki, T.; Martin, V. S. Org. React. 1996 , 48 , 1.
- ^ Якобсен, EN; Ву, М.Х. В области комплексного асимметричного катализа ; Якобсен Э.Н., Пфальц А., Ямамото Х., ред.; Springer-Verlag: Берлин и Гейдельберг, 1999; Том. II, стр. 649–678.
- ^ Вайц, Э.; Шеффер, А. Chem. 1921 , 54 , 2327.
- ^ Адам, В.; Рао, П.Б.; Деген, Х.-Г.; Саха-Мёллер, CR J. Am. хим. Соц. 2000 , 122 , 5654.
- ^ Jump up to: а б Enders, D.; Zhu, J. Q.; Raabe, G. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996 , 35 , 1725.
- ^ Генски, Т.; Макдональд, Г.; Вэй, X.; Льюис, Н.; Тейлор, Р.Дж.К. Синлетт , 1999 , 795.
- ^ Да, CS; Вэй, Дж.; Донг, SL; Синь, ZQ; Лю, DX; Сюй, ZQ; Ван, Р. Синтез. Коммун. 2003 , 33 , 2787.
- ^ Адам, В.; Рао, П.Б.; Деген, Х.-Г.; Саха-Мёллер, ЧР Евр. Дж. Орг. хим. 2002 , 630.
- ^ Jump up to: а б Эндерс, Д.; Чжу, JQ; Крампс, Л. Либигс Анн./Рекл. 1997 , 1101.
- ^ Рахим Кири, Абдул; Юстиняк, Ивона; Юрчак, Януш; Левински, Януш (17 марта 2016 г.). «Поиски эффективных катализаторов на основе трет-бутилпероксидов цинка для асимметричного эпоксидирования енонов: C2- и C1-симметричные вспомогательные вещества». Расширенный синтез и катализ . 358 (6): 864–868. дои : 10.1002/adsc.201500764 . ISSN 1615-4169 .
- ^ Kumaraswamy, G.; Jena, N.; Sastry, M. N. V.; Rao, G. V.; Ankamma, K. J. Mol. Catal. A: Chem. 2005 , 230 , 59.
- ^ Дайкай, К.; Кино, Р.; Кагава, Т.; Инанага, Дж. Хиральность , 2003 , 15 , 83.
- ^ Бикли, Дж. Ф.; Хауэр, Б.; Нет, PCA; Робертс, С.М.; Скидмор, J.J. Chem. Soc., Перкин Транс. 1 2001 , 1253.
- ^ Jump up to: а б Кори, Э.Дж.; Чжан, FY Org. Летт. 1999 , 1 , 1287.
- ^ Немото, Т.; Осима, Т.; Ямагучи, К.; Шибасаки, MJ Am. хим. Соц. 2001 , 123 , 2725.
- ^ Жак, О.; Ричардс, С.Дж.; Джексон, RFW Chem. Коммун. 2001 , 2712.
- ^ Jump up to: а б Аллен, СП; Драуз, К.Х.; Флуд, RW; Робертс, С.М.; Скидмор, Дж. Тетраэдр Летт. 1999 , 40 , 5417.
- ^ Jump up to: а б Ватанабэ, С.; Кобаяши, Ю.; Арай, Т.; Сасаи, Х.; Бугаши, М.; Шибасаки, М. Тетраэдр Летт. 1998 , 39 , 7353.
- ^ Инанага, Дж.; Кагава Т. Европейский патент 1127616 (2001 г.); хим. Абстр. 2001 , 135 , 197209.
- ^ Какей, Х.; Цудзи, Р.; Осима, Т.; Шибасаки, MJ Am. хим. Соц. 2005 , 127 , 8962.
- ^ Немото, Т.; Какей, Х.; Гнанадэсикан, В.; Тосаки, С.-Ю.; Осима, Т.; Шибасаки, M.J.Am. хим. Соц. 2002 , 124 , 14544.
- ^ Эндерс, Д.; Крампс, Л.; Чжу, JQ Тетраэдр: Асимметрия 1998 , 9 , 3959.
- ^ Геллер, Т.; Крюгер, CM; Милитцер, Х. К. Тетраэдр Летт. 2004 , 45 , 5069.
- ^ Ньюман, М.С.; Магерлейн, BJ Org. Реагировать. 1949 , 5 , 413.
- ^ Абдель-Магид, А.; Лантос, И.; Приген, Л.Н. Tetrahedron Lett. 1984 , 25 , 3273.
- ^ Кори, Э.Дж.; Чой, С. Тетраэдр Летт. 1991 , 32 , 2857.
- ^ Арай, С.; Шиойри, Т. Tetrahedron Lett. 1998 , 39 , 2145.
- ^ Мет-Кон, В.; Уильямс, диджей; Чен, Ю. Хим. Коммун. 2000 , 495.
- ^ Болдуин, Дж. Э.; Адлингтон, РМ; Годфри, CRA; Патель, В.К. Тетраэдр 1993 , 49 , 7837.