Асимметричное нуклеофильное эпоксидирование - Asymmetric nucleophilic epoxidation

Нуклеофильное эпоксидирование это формирование эпоксиды от электронодефицитных двойные связи за счет действия нуклеофильных оксидантов. Методы нуклеофильного эпоксидирования представляют собой жизнеспособную альтернативу электрофильным методам, многие из которых не позволяют эффективно эпоксидировать бедные электронами двойные связи.[1]

Хотя наиболее часто используемые методы асимметричного эпоксидирования (методы Шарплесса-Кацуки,[2] и Якобсен[3] эпоксидирования) зависят от каталитической реакционной способности электрофильных окислителей, нуклеофильные источники кислорода, замещенные подходящей уходящей группой, также могут действовать как реагенты эпоксидирования. Классический пример, реакция Вайца-Шеффера.[4] использует перекись водорода в основных условиях (Z = OH ниже). Другие известные примеры использовали гипохлориты (Z = Cl) и хиральные пероксиды (Z = OR *).

(1)

NEpoxGen.png

Асимметричные версии описанной выше реакции использовали ряд стратегий для достижения асимметричной индукции. К наиболее продуктивным и наиболее энантиоселективным методам относятся:

  • Использование стехиометрического хирального окислителя[5]
  • Использование стехиометрического металла перекиси заменен хиральным лиганды[6]
  • Использование стехиометрического хирального основания[7]
  • Использование полипептиды[8]

Хотя механизмы каждой из этих реакций несколько различаются, в каждом случае хиральный катализатор или реагент должен участвовать в энантио определение стадии добавления конъюгата. СНГ-эпоксиды труднодоступны при использовании методов нуклеофильного эпоксидирования. Практически все нуклеофильные эпоксидирования СНГ олефины по карману транс эпоксиды.

Механизм и стереохимия

Преобладающий механизм

Механизм нуклеофильного эпоксидирования начинается с сопряженного добавления пероксида (или других О-нуклеофильных частиц) к Enone. Ионы металлов или сопряженные кислоты, присутствующие в растворе, координируют пероксидный кислород и енолятный кислород. Атака енолята на пероксидный кислород приводит к образованию эпоксидного продукта и высвобождению уходящей группы.

(2)

NEpoxMech.png

Поскольку процесс является ступенчатым, конфигурация двойной связи углерод-углерод не обязательно сохраняется. Обе СНГ и транс форма enones транс эпоксидов практически во всех условиях нуклеофильного эпоксидирования (за исключением методов, использующих системы лантаноид-BINOL).

Стереоселективные варианты

Как стереоселективность достигается при асимметричном нуклеофильном эпоксидировании, зависит от используемого метода. Здесь описаны различные методы асимметричного нуклеофильного эпоксидирования бедных электронами олефины. См. Ниже обзор субстратного объема реакции.

Когда используются хиральные, нерацемические пероксиды, два переходных состояния эпоксидирования, приводящие к энантиомерным продуктам, являются диастереомерными. Стерические взаимодействия между пероксидом, еноном, и шаблонный катион M+ влияют на чувство наблюдаемой избирательности.[9]

(3)

NEpoxStereo1.png

Способы, в которых используются пероксиды металлов, модифицированные хиральными нерацемическими лигандами, работают по аналогичному механизму, в котором катион металла играет роль шаблона. Хиральный цинк алкоксиды в атмосфере кислорода были использованы для эпоксидирования некоторых классов енонов (см. уравнение (8) ниже). Эволюция этан газ и поглощение кислород являются доказательством обмена лиганда с последующим окислением промежуточных форм алкоксида цинка.[10] Каталитическая версия этого превращения была достигнута с использованием хиральных алкилпероксидов цинка.[11]

(4)

NEpoxStereo2.png

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.

В комбинации с БИНОЛ лиганды и гидропероксид кумола, алкоксиды лантаноидов можно использовать для эпоксидирования как транс и СНГ еноны с высокой энантиоселективностью. Исследования нелинейных эффектов с этими каталитическими системами позволяют предположить, что активный катализатор является олигомерным.[13]

(5)

NEpoxStereo3.png

Гомополимеры аминокислот (полипептиды) также можно использовать для осуществления энантиоселективного эпоксидирования в присутствии енона и пероксида. Взаимосвязи между структурой и реакционной способностью не выявлено, но энантиоселективность в этих реакциях часто бывает высокой, и полипептиды часто можно использовать, когда другие методы не работают.[14]

Фазовый катализ нуклеофильного эпоксидирования также возможно с использованием хинное дерево алкалоид на основе катализаторы. Методы фазового переноса допускают некоторую вариативность используемого окислителя: гидропероксиды, пероксид водорода, и гипохлориты все использовались с некоторым успехом.[15]

Объем и ограничения

Оптимальные условия для энантиоселективного нуклеофильного эпоксидирования зависят от используемого субстрата. Хотя различные субстраты могут быть эпоксидированы нуклеофильными методами, каждый конкретный метод имеет тенденцию иметь ограниченный объем субстрата. В этом разделе описаны методы асимметричного нуклеофильного эпоксидирования, систематизируя их в соответствии с строением и конфигурацией ненасыщенного субстрата.

Enones

Диалкил (E) -еноны чаще всего эпоксидируются с использованием систем лантаноидов / BINOL.[16] или катализатор тартрат магния.[17]

(6)

NEpoxScope1.png

Для алкиларила (E) -еноны, оба полипептида[18] и катализаторы лантаноид / BINOL[19] дают хорошие урожаи и энантиоселективность. Наиболее распространенным используемым полипептидом является поли-L-лейцин.

(7)

NEpoxScope2.png

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 смещает чувство избирательности эпоксидирования, полилейцин способен преодолеть это смещение.

(8)

NEpoxScope3.png

Катализ с переносом фазы успешно применялся для эпоксидирования диарила (E) -еноны (халконы).[15] Лантаноид / БИНОЛ также эффективен для этого класса субстратов.[20]

(9)

NEpoxScope4.png

(Z) -Эноны трудно эпоксидировать без вращения промежуточной связи, чтобы получить транс-эпоксиды. Однако катализаторы на основе лантаноидов действительно предотвращают вращение связей,[19] и предоставить доступ к СНГ эпоксидные изделия.

(10)

NEpoxScope5.png

За исключением субстратов из метилидентетралона,[10] не существует общих методов асимметричного нуклеофильного эпоксидирования тризамещенных двойных связей.

Другие бедные электронами алкены

Ненасыщенные сложные эфиры можно эпоксидировать с использованием электрофильных или нуклеофильных методов. Опосредованный лантаноидом эпоксидирование был успешно применен к корица и β-гетероарилненасыщенные сложные эфиры.[21] Амиды также эпоксидируются в условиях, опосредованных лантаноидами.[22]

(11)

NEpoxScope6.png

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

Асимметричный Реакция Дарценса между альдегиды и (альфа) -галогенэфиры - эффективный метод синтеза сложных эфиров глицидиловой кислоты.[25] Хиральные вспомогательные средства,[26] хиральные еноляты бора,[27] и асимметричный межфазный катализ[28] были успешно использованы для достижения асимметричной индукции в реакции Дарценса.

(12)

NEpoxAlt1.png

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)

NEpoxAlt2.png

Окисление эпоксидных спиртов, образующихся Эпоксидирование по методу Sharpless представляет собой третий метод энантиоселективного синтеза хиральных α, β-эпоксикарбонильных соединений.[30] Swern и Парих-Деринг условия наиболее часто применяются для выполнения этих окислений.

(14)

NEpoxAlt3.png

Типичные экспериментальные условия

Обычно нуклеофильное эпоксидирование проводят в инертной атмосфере в безводных условиях. Для цинк-опосредованного эпоксидирования диэтилцинк и лиганд сначала смешиваются и окисляются, затем вводится енон. Эпоксидирование, опосредованное лантаноидом, обычно требует добавки для стабилизации катализатора; это чаще всего 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 водных или неводных условиях.

Среди способов на основе полипептидов использование катализатора межфазного переноса и трехфазной среды позволяет снизить загрузку катализатора. Двухфазные условия с использованием органического основания в сочетании с мочевиной / H2О2 также могут быть использованы.

Рекомендации

  1. ^ Портер, М .; Скидмор, Дж. Орг. Реагировать. 2009, 74, 425. Дои:10.1002 / 0471264180.or074.03
  2. ^ Кацуки, Т .; Мартин, В.С. Орг. Реагировать. 1996, 48, 1.
  3. ^ Jacobsen, E. N .; Ву, М. Х. Ин Комплексный асимметричный катализ; Jacobsen, E. N., Pfaltz, A., Yamamoto, H., Eds .; Springer-Verlag: Берлин и Гейдельберг, 1999; Vol. II, стр. 649–678.
  4. ^ Weitz, E .; Шеффер, А. Chem. Бер. 1921, 54, 2327.
  5. ^ Adam, W .; Rao, P. B .; Degen, H.-G .; Саха-Мёллер, К. Варенье. Chem. Soc. 2000, 122, 5654.
  6. ^ а б Эндерс, Д .; Zhu, J. Q .; Раабе, Г. Энгью. Chem. Int. Эд. Англ. 1996, 35, 1725.
  7. ^ Генски, Т .; Macdonald, G .; Wei, X .; Lewis, N .; Тейлор, Р. Дж. К. Synlett 1999, 795.
  8. ^ Da, C. S .; Wei, J .; Dong, S.L .; Xin, Z. Q .; Лю, Д. X .; Xu, Z. Q .; Ван, Р. Synth. Commun. 2003, 33, 2787.
  9. ^ Adam, W .; Rao, P. B .; Degen, H.-G .; Саха-Мёллер, К. Евро. J. Org. Chem. 2002, 630.
  10. ^ а б Эндерс, Д .; Zhu, J. Q .; Крампс, Л. Liebigs Ann./Recl. 1997, 1101.
  11. ^ Рахим Кири, Абдул; Юстиняк, Ивона; Юрчак, Януш; Левински, Януш (2016-03-17). «Поиск 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.
  12. ^ Kumaraswamy, G .; Jena, N .; Sastry, M. N. V .; Rao, G. V .; Анкамма, К. J. Mol. Катал. A: Chem. 2005, 230, 59.
  13. ^ Daikai, K .; Hayano, T .; Кино, Р .; Furuno, H .; Kagawa, T .; Инанага, Дж. Хиральность 2003, 15, 83.
  14. ^ Bickley, J. F .; Hauer, B .; Pena, P. C. A .; Робертс, С. М .; Скидмор, Дж. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 2001, 1253.
  15. ^ а б Кори, Э. Дж .; Чжан, Ф. Орг. Lett. 1999, 1, 1287.
  16. ^ Немото, Т .; Ohshima, T .; Yamaguchi, K .; Шибасаки, М. Варенье. Chem. Soc. 2001, 123, 2725.
  17. ^ Jacques, O .; Richards, S.J .; Джексон, Р. Ф. У. Chem. Commun. 2001, 2712.
  18. ^ а б Allen, J. V .; Drauz, K. H .; Flood, R.W .; Робертс, С. М .; Скидмор, Дж. Tetrahedron Lett. 1999, 40, 5417.
  19. ^ а б Watanabe, S .; Кобаяши, Ю .; Arai, T .; Sasai, H .; Bougauchi, M .; Шибасаки, М. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 7353.
  20. ^ Inanaga, J .; Kagawa, T. Европейский патент 1127616 (2001); Chem. Abstr. 2001, 135, 197209.
  21. ^ Kakei, H .; Tsuji, R .; Ohshima, T .; Шибасаки, М. Варенье. Chem. Soc. 2005, 127, 8962.
  22. ^ Немото, Т .; Kakei, H .; Gnanadesikan, V .; Tosaki, S.-Y .; Ohshima, T .; Шибасаки, М. Варенье. Chem. Soc. 2002, 124, 14544.
  23. ^ Эндерс, Д .; Kramps, L .; Чжу, Дж. К. Тетраэдр: асимметрия 1998, 9, 3959.
  24. ^ Геллер, Т .; Krüger, C.M .; Милитцер, Х. Tetrahedron Lett. 2004, 45, 5069.
  25. ^ Newman, M. S .; Магерлейн, Б. Дж. Орг. Реагировать. 1949, 5, 413.
  26. ^ Абдель-Магид, А .; Lantos, I .; Приджен, Л.Н. Tetrahedron Lett. 1984, 25, 3273.
  27. ^ Кори, Э. Дж .; Цой, С. Tetrahedron Lett. 1991, 32, 2857.
  28. ^ Arai, S .; Шиоири, Т. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 2145.
  29. ^ Meth-Cohn, W .; Уильямс, Д. Дж .; Чен, Ю. Chem. Commun. 2000, 495.
  30. ^ Болдуин, Дж. Э .; Adlington, R.M .; Годфри, К. Р. А .; Патель, В.К. Тетраэдр 1993, 49, 7837.