Что такое асимметричный катализ?

Механизм, приложения, последние разработки

Асимметричный катализ, или энантиоселективный катализ, представляет собой химическую реакцию, в результате которой из ахиральных исходных материалов образуется хиральное соединение. В этом типе катализа катализатор сам по себе хиральный, и он избирательно индуцирует образование специфического стереоизомера на своем зеркальном отражении.

Пример реакции асимметричного катализа
Проектирование и оптимизация условий реакции для достижения высокой энантиоселективности.

Асимметричный синтез — это процесс синтеза молекулы со специфической стереохимией с высоким выходом. Это ключевая область исследований в области химического синтеза, так как свойства и биологическая активность молекулы часто зависят от ее стереохимии.

В то время как асимметричный катализ является важнейшим инструментом в асимметричном синтезе, молекулы со специфической стереохимией также могут быть получены с помощью хирального катализа, биокатализа или органокатализа.

Хиральный катализ

Хиральный катализ — это подобласть асимметричного катализа, которая включает в себя использование хиральных катализаторов для облегчения химических реакций стереоселективным образом. Хиральный катализатор — это молекула, которая имеет определенное пространственное расположение своих атомов, что придает ей направленность или хиральность. При использовании в химической реакции хиральный катализатор может взаимодействовать с субстратом с образованием одного стереоизомера с высоким выходом.

Важность хирального катализа заключается в том, что во многих химических реакциях образуется смесь стереоизомеров, которые могут обладать различными свойствами и биологической активностью. Используя хиральные катализаторы, можно селективно получать один стереоизомер. Этот стереоизомер может обладать улучшенными свойствами и большей полезностью.

Например, в фармацевтической промышленности эффективность и безопасность препарата часто зависит от его стереохимии. Хиральный катализ может производить один стереоизомер лекарственного средства. Таким методом достигается высокая урожайность. Это улучшает терапевтический потенциал препарата. Это также снижает вероятность возникновения побочных эффектов. Способность селективно производить одиночные стереоизомеры этих соединений может улучшить свойства. Это также может повысить эффективность и сократить количество отходов.

Биокатализ

Биокатализ, или ферментативный катализ, представляет собой использование биологически активных компонентов для катализа химических превращений. Биокатализ способствует целому спектру преимущественно углеродных реакций, которые происходят в средах от бесклеточных, полностью in vitro до ферментационно-опосредованных процессов в живой клеточной культуре.

Биокатализ представляет собой полезную альтернативу традиционному химическому катализу по нескольким причинам. Ферментативные биокаталитические реакции:

1. Обладают высокой химио-, регио- и энантиоспецифичностью
2. Часто имеют быструю кинетику
3. Работают в более мягких условиях, чем химические катализаторы
4. Устранение проблемы отходов, токсичности и стоимости металлических катализаторов
5. Снижение энергопотребления, связанного с химическими реакциями

Органокатализ

В органокатализе используются специальные органические молекулы, которые могут ускорять химические реакции за счет каталитической активации. Благодаря своей эффективности и селективности, органокатализаторы привлекательны в стремлении к устойчивой химии, позволяя реализовать несколько основных принципов зеленой химии, что приводит к менее опасному синтезу, большей энергоэффективности и экономии атомов.

Асимметричный органокатализ полезен для получения желаемых энантиомерных и/или диастереомерных форм соединений, что важно при фармацевтическом синтезе. Реакции с использованием органокатализаторов обычно протекают по четырем различным механизмам в зависимости от того, действует ли катализатор как кислота Льюиса, основание Льюиса, кислота Брёнстеда или основание Брёнстеда. Таким образом, сфера применения органокатализа широка и влияет на множество различных классов реакций.

Технология асимметричного катализа
  • Автоматизированные лабораторные реакторы
  • Спектроскопия в реальном времени
  • Автоматизированные системы отбора проб
  • Жидкостная хроматография онлайн
  • Программное обеспечение для кинетического моделирования

Синтез пирролидинов методом ИК-Фурье спектроскопии позволяет получить представление о контроле каталитического цикла стереохимии и энантиоселективности

Чэнь, В., Чэн, Ю., Чжан, Т., Му, Ю., Цзя, В., и Лю, Г. (2021). NI/ANTPHOS-катализируемое стереоселективное асимметричное внутримолекулярное восстановительное связывание N-1,6-алкинонов. Журнал органической химии86(7), 5166–5182. https://doi.org/10.1021/acs.joc.1c00079

Авторы сообщают о синтезе ряда пирролидинов, содержащих хиральные третичные аллильные спирты (со стереоселективностью >99:1 E/Z и >99:1 er), из асимметричного катализируемого никелем восстановительного связывания N-1,6-алкинонов. Они добились этого, используя бис(циклоктадиен)никель(0) с P-хиральным монофосфинным лигандом [(R)-AntPhos] и триэтилсиланом в качестве восстановителя. Затем они исследовали механизм реакции, сосредоточившись на том, как (R)-AntPhos влияет на стереоселективность и энантиоселективность третичного аллильного спиртового фрагмента. Они предложили мономерную металлоциклическую модель для каталитического цикла асимметричного восстановительного связывания N-1,6-алкинонов с (R)-AntPhos и провели эксперимент in-situ FTIR для исследования каталитического цикла.  

Стехиометические количества лиганда Ni(cod)2 и (R)-AntPhos смешивали, и отслеживали IR-полосу в 1392-1 , что указывает на соединение Ni(0)(R)-AntPhos на первой стадии каталитического цикла. С добавлением N-1,6-алкинона на 1708 см-1 появилась сильная кетоновая полоса, которая постепенно уменьшалась по мере того, как алкинон реагировал с образованием металлоцикла Ni(II) на третьей стадии предложенного каталитического цикла. С добавлением восстановителя HSiEt3 наблюдалась полоса на уровне 2092 см-1 , которая со временем уменьшалась по мере образования циклизованного третичного аллилового спирта. Углубленное механистическое исследование и данные ReactIR позволили авторам определить, что стадия циклоприсоединения Ni(II) металлического цикла определяет энантиоселективность, а лиганд (R)-AntPhos является ключевым, обеспечивая объемную π-сопряженную систему, которая влияет на стереохимию.

1,2-боронатные энантиоселективные перегруппировки с помощью ИК-Фурье ин-Фурье нового катализатора позволяет получить представление о структуре и активности катализатора

Шарма, Х. А., Эссман, Д. З., и Якобсен, Э. Н. (2021). Энантиоселективные каталитические 1,2-боронатные перегруппировки. Наука374(6568), 752–757. https://doi.org/10.1126/science.abm0386

Авторы отметили, что общий хиральный промежуточный продукт с каталитическим доступом может быть ценным для синтеза широкого спектра молекул с тризамещенными стереоцентрами. Они предположили, что энантиоселективная перегруппировка пинакол-замещенных дихлорметилборонатов с помощью катализатора может привести к образованию тризамещенных стереоцентров. В качестве модельной реакции была исследована перестройка подложки из бороната лития. С использованием тиомочевины, полученной из арилпирролидина-трет-лейцина, синтезировали продукт α-хлорборного эфира с 48% ee. Они обнаружили, что когда тиомочевина присутствовала во время первоначального синтеза борната лития (из эфира пинакола дихлорметилборной кислоты и n-бутиллития), полученный продукт α-хлорборного эфира демонстрировал 92% ee.

После этой работы был разработан стабильный прекатализатор изотиомочевины, и когда это соединение было литиировано с помощью LiHMDS, измерения in situ FTIR (ReactIR) показали значительные сдвиги как в зоне изотиомочевины N–C–N, так и в полосе амида C–O. Эти сдвиги были обратимыми при добавлении HCl. Авторы предположили, что N–H связь в предкатализаторе депротонируется LiHMDS с помощью процесса хелирования. Были проведены измерения DFT, которые подтвердили наблюдаемые экспериментальные ИК-сдвиги. Обладая этой информацией, авторы продолжили изучение области применения новой каталитической системы литий-тиомочевинат-боронат для синтеза широкого спектра молекул, содержащих связи C–C, C–N и C–O и обладающих превосходными EE и выходами.

Исследование периода покоя катализатора ReactIR дает представление о влиянии воды на цикл подготовки катализатора

Чжан, З., Бэ, Х. Й., Гуин, Д., Рабалакос, К., Ван Геммерен, М., Лойтч, М., Клусманн, М., и Лист, Б. (2016). Асимметричный контранионно-направленный органокатализ кислоты Льюиса для масштабируемого цианосилилирования альдегидов. Nature Communications7(1). https://doi.org/10.1038/ncomms12478

Авторы сообщают о разработке асимметричного метода кислотного катализа Льюиса для цианосилилирования альдегидов с использованием триметилсилилцианида и хирального дисульфонимидного предварительного катализатора. В результате высокой активности загрузка катализатора в 0,05%-0,005% оказалась эффективной в получении желаемого продукта циангидрина. Авторы сообщают, что наблюдается неактивный период катализатора, который может быть обратимо индуцирован водой. Чтобы лучше понять эту разработку, был использован метод ИК-Фурье на месте, который позволил получить значительное представление о предкаталитическом цикле.  

Для мониторинга концентрации альдегидного реагента карбонильная полоса 1703 см-1 отслеживалась во времени. Интересно, что в течение некоторого времени не наблюдалось никакой реакции, после чего трансформация протекала стремительно. Авторы предположили, что причина периода покоя может быть связана с водой в реакционной смеси. С помощью экспериментального протокола добавления контролируемого количества воды в реакционную смесь было доказано, что вода действительно ответственна за отсутствие активности в результате гидролиза каталитически активных веществ. В более ранних работах, в которых силилкетенацеталь вступал в реакцию с альдегидом в присутствии дисульфонимидного катализатора, периода покоя не наблюдалось. Они предположили, что это может быть связано с высокой реакционной способностью силилкетенового ацеталя с предварительным катализатором, мгновенно регенерирующим активный кислотный катализатор Льюиса. Чтобы проверить эту гипотезу в текущей работе, они использовали каталитическое количество силилкетенацеталя в качестве активатора и обнаружили, что периода покоя удалось избежать. Основываясь на дальнейших экспериментах, они предложили предкаталитический цикл, который отражает период покоя.  

Reaction Analysis Modeling to Drive Green Chemistry and Sustainable Development

Examples of Reaction Control, Analysis, and Modeling to Drive Green Chemistry and Sustainable Development

Drive sustainable development through green chemistry practices by achieving efficiency and reducing...

Reaction Analysis Guide

Real-Time Reaction Analysis Guide

This guide reviews the advantages and importance of PAT methods in developing reaction understanding...

The Role of Process Analytical Technology in Academic Research

The Role of Process Analytical Technology in Academic Research

This white paper uses a collection of recent publications to examine and highlight the role of vario...

Каталитические реакции

Каталитические реакции

Использование катализаторов — это альтернативный способ увеличения скорости и выхода реакции, поэтом...

Ферментативный катализ

Ферментативный катализ | Биокатализ

Биокатализ, или ферментативный катализ — это каталитический процесс, в котором химические превращени...

Что такое асимметричный катализ?

Асимметричный катализ является широко применяемым методом синтеза специфических энантиомеров хиральных молекул. Как правило, в асимметричном катализе участвуют металлоорганические соединения, содержащие один или несколько хиральных лигандов. Поскольку процесс является каталитическим, незначительные количества хирального катализатора воздействуют на прохиральный субстрат, производя значительные количества желаемого энантиомера. Таким образом, он является эффективным средством для производства огромных количеств специфических энантиомерных соединений, необходимых фармацевтической, пищевой, агрохимической и косметической промышленности.

Асимметричный катализ играет значительную роль в производстве важных химических веществ, таких как фармацевтические препараты, агрохимикаты и материалы, а также в синтезе натуральных продуктов. Он позволяет эффективно производить энантиочистые соединения, которые необходимы для разработки лекарств и для многих других применений в химической промышленности. Асимметричный катализ может быть достигнут с помощью различных механизмов, включая кислотно-основные взаимодействия Льюиса, водородные связи и координацию металл-лиганд. Примерами хиральных катализаторов, которые обычно используются в асимметричном катализе, являются хиральные лиганды, хиральные вспомогательные вещества и хиральные кислоты Льюиса. Разработка новых и более эффективных асимметричных каталитических процессов является активным направлением исследований в химии, направленным на повышение эффективности и селективности хирального синтеза. 

Приведите несколько примеров хиральных катализаторов, используемых в асимметричном катализе?

Существует множество примеров хиральных катализаторов, используемых в асимметричном катализе. Наиболее распространенными являются:

  1. Хиральные комплексы переходных металлов
  2. Ферментов
  3. Органокатализаторы
  4. Кислоты и основания Брёнстеда-Лоури
  5. Катализаторы с фазовым переходом

Как контролируется стереохимия продукта при асимметричном катализе?

Стереохимия продукта при асимметричном катализе контролируется хиральным катализатором. Катализатор индуцирует хиральную среду вокруг реагирующих молекул, которая избирательно способствует образованию одного энантиомера по сравнению с другим. Точный механизм, с помощью которого хиральный катализатор управляет стереохимией реакции, зависит от типа катализатора и катализируемой реакции.

Я хочу...
Need assistance?
Our team is here to achieve your goals. Speak with our experts.