Preskočiť na obsah

Organokatalýza

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Syntéza oxamidu z dikyánu a vody, ktorú objavil Justus von Liebig, je prvou organokatalytickou reakciou. Acetaldehyd bol neskôr identifikovaný ako prvý pravý „organokatalyzátor“, ktorý fungoval podobne ako vtedajšie „fermenty“, teraz známe akoenzýmy.[1][2]

Organokatalýza je v organickej chémii forma katalýzy, v ktorej je chemická reakcia urýchlená pomocou organického katalyzátora. Tento organokatalyzátor sa skladá z uhlíka, vodíka, kyslíka, síry a iných nekovových prvkov, ktoré sa bežne nachádzajú v organických zlúčeninách.[3][4][5][6][7][8] Kvôli ich podobnosti v zložení a opise sa toto označenie niekedy nesprávne používa (hlavne v angličtine) ako synonymum pre enzýmy vďaka ich podobným účinkom na rýchlosť reakcie a druhu katalýzy.

Organokatalyzátory, ktoré obsahujú sekundárny amín, využívajú buď enamínovú katalýzu (tvoria katalytické množstvo aktívneho enamínového nukleofilu), alebo imíniovú katalýzu (tvoria katalytické množstvo aktivovaného imíniového elektrofilu). Tieto mechanizmy sú typické pre kovalentné organokatalyzátory. Kovalentne viazaný substrát normálne vyžaduje veľké množstvo katalyzátora (u prolínovej katalýzy typicky 20-30 mol%). Nekovalentné interakcie, napríklad vodíkové väzby, umožňujú použitie nižšieho množstva katalyzátora (až k 0,001 mol%).

Organokatalýza ma niekoľko výhod. Keďže nevyužíva katalyzátory na báze kovov, prispieva k zelenej chémii. V tomto kontexte sa používali jednoduché organické kyseliny ako katalyzátory na úpravu celulózy vo vode i vo veľkom (niekoľkotonovom) merítku.[9] Ak je katalyzátor chirálny, umožňuje potenciálne prístup i k asymetrickej katalýze (katalýze, pri ktorej vznikajú chirálne zlúčeniny) – napríklad prolín používaný na aldolové reakcie je príkladom chirálneho zeleného katalyzátora.[10]

V roku 2021 bola udelená Nobelova cena za chémiu organickým chemikom Davidovi MacMillanovi a Benjaminovi Listovi za ich prácu v oblasti asymetrickej organokatalýzy.[11]

Úvod

[upraviť | upraviť zdroj]

Bežné achirálne organokatalyzátory sú založené na dusíkových atómoch, napríklad:

Tieto katalyzátory a reakcie majú v organickej chémii dlhú históriu, ale aktuálne je výskum v oblasti organokatalýzy zameraný primárne na asymetrickú katalýzu pomocou chirálnych katalyzátorov. Takéto katalyzátory sa označujú ako asymetrické organokatalyzátory alebo enantioselektívne organokatalyzátory. V 70. rokoch 20. storočia sa ako priekopnícka reakcia v tejto oblasti objavila Hajosova-Parrishova-Ederova-Sauerova-Wiechertova reakcia. Medzi rokmi 1968 a 1997 existovalo len zopár štúdií o použití malých organických molekúl ako katalyzátorov pre asymetrické reakcie (Hajosova-Parrishova reakcia z nich bola pravdepodobne najznámejšia), ale tieto molekuly a zodpovedajúce reakcie boli vnímané skôr ako ojedinelé prípady a nie ako súčasti väčšej množiny reakcií.[16]

Počas Hajosovej-Parrishovej reakcie je chirálnym karalyzátorom prolín, prirodzene sa vyskytujúca aminokyselina, ktorý katalyzuje priebej aldolových reakcií. Počiatočným materiálom je nechirálny triketón a reakcia vyžaduje len 3 mol% prolínu na to, aby vznikol reakčný produkt, ketol, v 93 % enantiomérnom nadbytku. Toto je prvý príklad použitia aminokyseliny na asymetrickú katalýzu aldolovej reakcie.[17][18]

Asymetrická syntéza Wielandovho-Miescherovho ketónu v roku 1985 bola taktiež založená na použití prolínu. Ďalšou podobnou reakciou bola jedna z reakcií totálnej syntézy erytromycínu od Roberta B. Woodwarda z roku 1981.[19] Téme organokatalýzy a jej použitiu pri syntézach prírodných a farmaceutických látok sa venujú rôzne malé review.[20]

Mnohé chirálne organokatalyzátory sú adaptáciou chirálnych ligandov (ktoré s pomocou kovového prvku taktiež katalyzujú asymetrické reakcie) a oba koncepty sa do istej miery prekrývajú.

Prielom v oblasti organokatalýzy prišiel v roku 1997, keď Yian Shi ukázal prvú všeobecnú vysoko enantioselektívnu organokatalytickú reakciu – katalytickú asymetrickú epoxidáciu trans- a trisubstituovaných olefínov pomocou chirálnych dioxiránov.[21] Od tej doby bolo vyvinutých mnoho organokatalytických reakcií.

Druhy organokatalyzátorov

[upraviť | upraviť zdroj]

Organokatalyzátory používané pre asymetrickú syntézu možno rozdeliť na niekoľko skupín:

Príklady asymetrických reakcií využívajúcich organokatalyzátory sú:

Prolínová organokatalýza

[upraviť | upraviť zdroj]
Bližšie informácie v hlavnom článku: Prolínová organokatalýza

Aldolová reakcia katalyzovaná prolínom ako chirálnym katalyzátorom pritiahla pozornosť k tomuto novému druhu katalýzy. Venuje sa jej niekoľko reviews.[23][24]

Imidazolidinónová organokatalýza

[upraviť | upraviť zdroj]
Imidazolidinónové katalyzátory

Imidazolidinóny sú katalyzátory pre mnohé reakcie, napríklad asymetrickú Dielsovu-Alderovu reakciu a asymetrickú Michaelovu reakciu. Chirálne katalyzátory vedú k asymetrickým reakciám, často s vysokou enantioselektivitou. Tieto katalyzátory tvoria imíniový katión s karbonylovými skupinami α,β-nenasýtenými aldehydmi (enálmi) a ketónmi (enónmi) a rýchlo dosahujú chemickú rovnováhu. Táto imíniová aktivácia je podobná aktivácii karbonylových skupín pomocou Lewisovej kyseliny a oba katalyzátory znižujú energiu LUMO substrátu:[25][26]

Aktívacia tvorbou imíniovej soli (spodná reakcia)

Tento imíniový intermediát je chirálny, čo ovplyvňuje i chiralitu produktu reakcie vďaka asymetrickej indukcii. Tieto katalyzátory boli použité pri Dielsovej-Alderovej reakcii, Michaelovej adícii, Friedelovej-Craftsovej alkylácii, transferových hydrogenáciách a epoxidáciách.

Jedným z príkladov využitia týchto katalyzátorov je asymetrická syntéza warfarínu (v rovnováhe s jeho hemiketálom) pri Michaelovej adícii 4-hydroxykumarínu na benzylidénacetón:[27]

Nedávno bola obdobná reakcia využitá vo vinylovej alkylácii krotonaldehydu pomocou soli organotrifluórborátu:[28]

Tiomočovinová organokatalýza

[upraviť | upraviť zdroj]
Bližšie informácie v hlavnom článku: Tiomočovinová organokatalýza

Veľká skupina organokatalzýtorov v svojej štruktúre obsahuje močovinu alebo tiomočovinu. Tieto katalytické (tio)močovinové deriváty umožňujú koordináciu dvomi vodíkovými väzbami a tak umožňujú aktiváciu substrátov, ktoré sú akceptormi týchto vodíkových väzieb.[29]

Aktuálne použitie týchto katalyzátorov je obmedzené na asymetrické reakcie využívajúce viacero zlúčenín, napríklad asymetrickú Streckerovu reakciu alebo Biginelliho reakciu.[30]

Referencie

[upraviť | upraviť zdroj]
  1. ↑ Ueber die Bildung des Oxamids aus Cyan. Annalen der Chemie und Pharmacie, 1860, s. 246–247. Dostupné online. DOI: 10.1002/jlac.18601130213.
  2. ↑ W. Langenbeck. Über organische Katalysatoren. III. Die Bildung von Oxamid aus Dicyan bei Gegenwart von Aldehyden. Liebigs Ann., 1929, s. 16–25. DOI: 10.1002/jlac.19294690103.
  3. ↑ BERKESSEL, A.; GROEGER, H.. Asymmetric Organocatalysis. Weinheim : Wiley-VCH, 2005. ISBN 978-3-527-30517-9.
  4. ↑ Special Issue: LIST, Benjamin. Organocatalysis. Chem. Rev., 2007, s. 5413–5883. DOI: 10.1021/cr078412e.
  5. ↑ In the Golden Age of Organocatalysis. Angew. Chem. Int. Ed., 2004, s. 5138–5175. DOI: 10.1002/anie.200400650. PMID 15455437.
  6. ↑ Enantioselective organocatalysis. Drug Discovery Today, 2007, s. 8–27. DOI: 10.1016/j.drudis.2006.11.004. PMID 17198969.
  7. ↑ Asymmetric Organocatalytic Domino Reactions. Angew. Chem. Int. Ed., 2007, s. 1570–1581. DOI: 10.1002/anie.200603129. PMID 17225236.
  8. ↑ Enantioselective Organocatalysis. Angew. Chem. Int. Ed., 2001, s. 3726–3748. DOI: 10.1002/1521-3773(20011015)40:20<3726::AID-ANIE3726>3.0.CO;2-D. PMID 11668532.
  9. ↑ International Patent WO 2006068611 A1 20060629 " Direct Homogeneous and Heterogeneous Organic Acid and Amino Acid-Catalyzed Modification of Amines and Alcohols" Inventors: Armando Córdova, Stockholm, Sweden; Jonas Hafrén, Stockholm, Sweden.
  10. ↑ Example 4 in U.S. Patent 3,975,440 August 17, 1976, Filed Dec. 9, 1970 Zoltan G. Hajos and David R. Parrish.
  11. ↑ 2021 Nobel Prize in chemistry [online]. . Dostupné online.
  12. ↑ Emil Knoevenagel and the Roots of Aminocatalysis. Angewandte Chemie International Edition in English, 2010, s. 1730–1734. DOI: 10.1002/anie.200906900. PMID 20175175.
  13. ↑ Simple Method for the Esterification of Carboxylic Acids. Angewandte Chemie International Edition in English, July 1978, s. 522–524. DOI: 10.1002/anie.197805221.
  14. ↑ Recent Advances in the Baylis−Hillman Reaction and Applications. Chemical Reviews, March 2003, s. 811–892. DOI: 10.1021/cr010043d. PMID 12630854.
  15. ↑ STETTER, Hermann. Catalyzed Addition of Aldehydes to Activated Double Bonds—A New Synthetic Approach. Angewandte Chemie International Edition in English, 1976, roč. 15, čís. 11, s. 639–647. Dostupné online [cit. 2025-09-10]. ISSN 1521-3773. DOI: 10.1002/anie.197606391. (po anglicky)
  16. ↑ MACMILLAN, David W. C.. The advent and development of organocatalysis. Nature (Springer Science and Business Media LLC), 2008, s. 304–308. ISSN 0028-0836. DOI: 10.1038/nature07367. PMID 18800128.
  17. ↑ Z. G. Hajos, D. R. Parrish, German Patent DE 2102623 1971
  18. ↑ Asymmetric synthesis of bicyclic intermediates of natural product chemistry. J. Org. Chem., 1974, s. 1615–1621. DOI: 10.1021/jo00925a003.
  19. ↑ Asymmetric total synthesis of erythromcin. 1. Synthesis of an erythronolide A secoacid derivative via asymmetric induction. J. Am. Chem. Soc., 1981, s. 3210–3213. DOI: 10.1021/ja00401a049.
  20. ↑ Total synthesis of natural and pharmaceutical products powered by organocatalytic reactions. Tetrahedron Lett., 2015, s. 2133–2140. DOI: 10.1016/j.tetlet.2015.03.046.
  21. ↑ An Efficient Catalytic Asymmetric Epoxidation Method. Journal of the American Chemical Society, 1997-11-01, s. 11224–11235. Dostupné online. ISSN 0002-7863. DOI: 10.1021/ja972272g.
  22. ↑ Organocatalysis—after the gold rush. Chemical Society Reviews, 2009, s. 2178–89. DOI: 10.1039/b903816g. PMID 19623342.
  23. ↑ Enantioselective organocatalysis. Drug Discovery Today, 2007, s. 8–27. DOI: 10.1016/j.drudis.2006.11.004. PMID 17198969.
  24. ↑ Asymmetric organocatalysis: From proline to highly efficient immobilized organocatalysts. Russian Chemical Bulletin, 2013, s. 1313. DOI: 10.1007/s11172-012-0177-4.
  25. ↑ Modern Strategies in Organic Catalysis: The Advent and Development of Iminium Activation. Aldrichimica Acta, 2006, s. 79. Dostupné online.
  26. ↑ Iminium Catalysis. Chem. Rev., 2007, s. 5416–5470. DOI: 10.1021/cr068388p. PMID 18072802.
  27. ↑ Organocatalytic Asymmetric Michael Reaction of Cyclic 1,3-Dicarbonyl Compounds and α,β-Unsaturated Ketones – A Highly Atom-Economic Catalytic One-Step Formation of Optically Active Warfarin Anticoagulant. Angew. Chem. Int. Ed., 2003, s. 4955–4957. DOI: 10.1002/anie.200352136. PMID 14579449.
  28. ↑ Organocatalytic Vinyl and Friedel-Crafts Alkylations with Trifluoroborate Salts. J. Am. Chem. Soc., 2007, s. 15438–15439. Dostupné online. DOI: 10.1021/ja0767480. PMID 18031044.
  29. ↑ Thiourea Derivatives as Brønsted Acid Organocatalysts. ACS Catalysis, July 2016, s. 4379–4387. Dostupné online. DOI: 10.1021/acscatal.6b00618.
  30. ↑ Recent applications of thiourea-based organocatalysts in asymmetric multicomponent reactions (AMCRs). Org. Biomol. Chem., 2020, s. 5513–5532. Dostupné online. DOI: 10.1039/D0OB00595A. PMID 32644077.

Iné projekty

[upraviť | upraviť zdroj]

Zdroj

[upraviť | upraviť zdroj]

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Organocatalysis na anglickej Wikipédii.

Zdroj: „https://sk.wikipedia.org/w/index.php?title=Organokatalýza&oldid=8088310“