Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ши эпоксидациясы — алкендердің оксонмен (калий пероксимоносульфаты) және фруктозадан туындаған катализатормен асимметриялық эпоксидациялануы болып сипатталатын химиялық реакция (1). Бұл реакция оксон (калий пероксимоносульфаты) арқылы катализатор кетонынан пайда болатын диоксиран аралық зат арқылы жүзеге асады деп саналады. Оксонның сульфат тобын қосуы, сақина жабылу кезінде жақсы кететін топ ретінде әрекет ете отырып, диоксиранның түзілуіне көмектеседі. Бұл реакция металл емес катализаторды қолдануымен ерекшеленеді және органокатализдің ерте мысалы болып табылады.
The Shi epoxidation is a chemical reaction described as the asymmetric epoxidation of alkenes with oxone (potassium peroxymonosulfate) and a fructose derived catalyst (1). This reaction is thought to proceed via a dioxirane intermediate, generated from the catalyst ketone by oxone (potassium peroxymonosulfate). The addition of the sulfate group by the oxone facilitates the formation of the dioxirane by acting as a good leaving group during ring closure. It is notable for its use of a non metal catalyst and represents an early example of organocatalysis.
Тарих
Реакцияны алғаш рет 1996 жылы Колорадо мемлекеттік университетінің Иан Ши (史一安, пиньинь: Shǐ Yī ān) хабарлаған. Көптеген катализатор үміткерлері диоксиран аралық қосылысының жылдам ыдырауы/тотығуынан және реактивті кетонның электрофилдігінің жетіспеуінен зардап шегеді. Ароматты кетондар ұсынылған, бірақ оксиаммоний тұздарының көптеген келесі түрлері амидтік топтардың тотығуға бейімділігі және жеті мүшелі циклдардың жоғары икемділігі салдарынан эпоксидалануды күшейтуде тиімсіз болды. Бұл алғашқы катализаторлардың энантиоселективтілігі асимметриялық бөлікшелер мен реакциялық орталықтар арасындағы үлкен қашықтықтарға байланысты төмендеді, нәтижесінде энантиомерлік артықшылық 10%-дан кем болды. Иан Ши ашқан катализатор D-фруктозадан алынған және реакциялық орталыққа (кетонға) жақын стереогендік орталыққа ие. Катализатордың қатаң алты мүшелі циклдық құрылымы және жақын орналасқан төртінші циклдық топ осы стереоорталықтың эпимеризациясын азайтады. Активті диоксиран катализаторының тотығуы стерикалық кедергіге байланысты си-бетінен жүзеге асырылады. Бұл катализатор функционалдық тобы жоқ транс-олефиндер үшін асимметриялық катализатор ретінде тиімді жұмыс істейді.
The reaction was first reported by Yian Shi (史一安, pinyin: Shǐ Yī ān) of Colorado State University in 1996. Most catalyst candidates suffer from rapid decomposition/oxidation of the dioxirane intermediate and lack of electrophilicity of the reactive ketone. Aromatic ketones were proposed, and many subsequent variations of oxoammonium salts proved ineffective in promoting epoxidation because of the oxidative instability of the amide groups and high flexibility of the seven membered rings. Enantioselectivity of these early catalysts were also lowered because of large distances between the asymmetric subunits and reaction centers, yielding less than 10 percent in enantiomeric excess. The catalyst discovered by Yian Shi is derived from D fructose and has a stereogenic center close to the reacting center (ketone) the rigid six membered ring structure of the catalyst and adjacent quaternary ring group minimizes epimerization of this stereocenter. Oxidation by the active dioxirane catalyst takes place from the si face, due to steric hindrance of the opposing re face. This catalyst functions efficiently as an asymmetric catalyst for unfunctionalized trans olefins.
Диоксиран катализаторының пайда болуы
Қалыпты pH жағдайында кетондық катализатордың 3 стехиометриялық артық мөлшері керек, себебі ыдырау жылдамдығы жоғары. pH 10-нан жоғары негіздік pH жағдайында (pH 10.5) эпоксидтеу үшін субстехиометриялық мөлшерлер (0.2–0.3) қажет, бұл Baeyer-Villiger қосымша реакциясын ұстамау арқылы реагенттердің ыдырауын азайтады. Жоғары температуралар одан әрі ыдырауға алып келеді; сондықтан нөл градус Цельсийдің төмен температурасы қолданылады. Реагенттердің ыдырауы бимолекулярлы (екінші реттік реакция жылдамдығы), сондықтан оксон мен катализатордың аз мөлшері қолданылады. Реакция D-фруктозадан туындаған катализатормен жүзеге асырылады, ол түзілген эпоксидтің (R,R) энантиомерін шығарады. Олефин органикалық субстраты мен тотықтырғыштың (оксон) ерігіштігі әртүрлі болғандықтан, екі фазалы орта қажет. Активті катализатор түрлерінің пайда болуы сулы қабатта жүреді және тетрабутиламмоний сульфаты арқылы реактанттармен бірге органикалық қабатқа беріледі. Кетондық катализатор катализдік циклда үнемі жаңартылады, сондықтан эпоксидтеуді аз мөлшерде катализдеуі мүмкін. Катализдік цикл реакциясының бірінші қадамы – оксонның катализатордағы кетон тобымен (аралық 1) нуклеофильді қосылу реакциясы. Бұл реактивті аралық 2 түрін, яғни Криги аралық түрін құрайды, ол Baeyer-Villiger реакциясы сияқты қажетсіз қосымша реакцияларға әкелуі мүмкін (төменде қараңыз). Аралық 3 түрінің пайда болуы негіздік жағдайларда жүреді, гидрокси тобынан сутегінің алынуымен нуклеофильді оттегі анионы қалыптасады. Сульфат тобы 3-экзоциклдеу кезінде жақсы кететін топ ретінде әрекет ету арқылы 4-ші аралық түрдегі диоксиранның кейінгі пайда болуын жеңілдетеді. Содан кейін белсенді диоксиранның катализдік түрлері алкенге оттегі атомын беру арқылы бастапқы катализаторды жаңартады.
Under normal pH conditions, an excess of 3 stoichiometric amounts of ketone catalyst are needed due to a high rate of decomposition. At basic pH conditions greater than 10 (pH 10.5) substoichiometric amounts (0.2–0.3) are needed for epoxidations, lowering the decomposition of reagents by disfavoring the Baeyer Villiger side reaction. Higher temperatures result in further decomposition; thus a low temperature of zero degrees Celsius is used. Decomposition of reagents is bimolecular (second order reaction rate), so low amounts of oxone and catalyst are used. The reaction is mediated by a D fructose derived catalyst, which produces the (R,R) enantiomer of the resulting epoxide. Solubilities of olefin organic substrate and oxidant (oxone) differ, and thus a biphasic medium is needed. The generation of the active catalyst species takes place in the aqueous layer, and is shuttled to the organic layer with the reactants by tetrabutylammonium sulfate. The ketone catalyst is continuously regenerated in a catalytic cycle, and thus can catalyze the epoxidation in small amounts. The first step in the catalytic cycle reaction is the nucleophilic addition reaction of the oxone with the ketone group on the catalyst (intermediate 1). This forms the reactive intermediate number 2 species, the Criegee intermediate that can potentially lead to unwanted side reactions, such as the Baeyer Villiger reaction (see below). The generation of intermediate species number 3 occurs under basic conditions, with a removal of the hydrogen from the hydroxy group to form a nucleophilic oxygen anion. The sulfate group facilitates the subsequent formation of the dioxirane, intermediate species number 4, by acting as a good leaving group during the 3 exo tet cyclization. The activated dioxirane catalytic species then transfers an oxygen atom to the alkene, leading to a regeneration of the original catalyst.
Жағымсыз әсерлері
Мүмкін болатын жанама реакция – аралық қосылыс 2-нің Баер-Виллигер реакциясы, онда перокси тобының қайта құрылуы нәтижесінде тиісті эстер түзіледі. Бұл жанама реакцияның шамасы pH-тың жоғарылауымен азаяды, ал оксонның нуклеофилдігін арттырады, бұл катализатордың жалпы эпоксидтелуіне және реакциялық қабілетіне қолайлы негіздік ортаны қамтамасыз етеді.
A potential side reaction that may occur is the Baeyer Villiger reaction of intermediate 2, where there is a rearrangement of the peroxy group that results in the formation of the relative ester. The extent of this side reaction declines with the rise of pH, and increases the nucleophilicity of the oxone, making basic conditions favorable for the overall epoxidation and reactivity of the catalytic species.
Эпоксидтеу механизмдері
Органикалық катализаторда түзілген диоксиран тобының оттегі алкенге беріледі, бұл бірдей жүретін механизм деп есептеледі, алайда Sn2 механизмі арқылы оттегі анионының аралық күйге өтуі де мүмкін.
The oxygen from the dioxirane group generated on the organic catalyst is transferred to the alkene, in what is thought to be a concerted mechanism, although the presence of an oxygen anion intermediate through an Sn2 mechanism may transpire.
D-фруктоза туындысының дайындамасы
Катализатор ацетонмен негіздік жағдайларда реакция арқылы түзіледі, фруктоза сақинасының гидроксилдік топтары нуклеофилдер рөлінде әрекет етеді, ал калий карбонатының негіздік ортасы олардың нуклеофилдігін арттырады. Электронды қабылдағыш топтар (альфа-эфирлік топтар) пішімденіп келе жатқан π C-C байланыстарының жақын орналасқан эфирлердің σ* C-O байланыстарына тұрақтандыратын де локализациясы арқылы карбонил көміртегінің электрофилдігін арттырып, тотықтырғыш пиридиний хлорохроматынан кетонның түзілуін жеделдетеді.
The catalyst is formed by reaction with acetone under basic conditions, with the hydroxyl groups of the fructose ring acting as nucleophiles, their nucleophilicity increased by the basic conditions created by potassium carbonate. The electron withdrawing substituents (alpha ether groups) encourage the formation of the ketone from the oxidizing agent pyridinium chlorochromate by increasing the electrophilicity of the carbonyl carbon, via a stabilizing delocalization of the forming π C C bonds into the σ* C O bonds of the adjacent ethers.
Реакция шығындары мен стереоселективтілік
Бұл процедура транс-дисубституцияланған және трисубституцияланған алкендерден жоғары энантиомерлік артықшылығы бар эпоксидтерді жасайды. Цис-дисубституцияланған алкендер мен стиролдар ұқсас катализаторды қолдана отырып, асимметриялық түрде эпоксидтендіріледі. Сәйкес алкендерден (R,R) эпоксидтердің түзілуі стериоселективтілігі R топтарының стериялық көлемі артаған сайын жоғарылайды (әсіресе транс-олефиндерде).
This procedure generates epoxides with high enantiomeric excesses from trans disubstituted alkenes and trisubstituted alkenes. Cis disubstituted alkenes and styrenes are asymmetrically epoxidized using a similar catalyst. Generation of (R,R) epoxides from corresponding alkenes increases in stereoselectivity with increased steric bulk of substituent R groups (especially in trans olefins).