Введение
Химические реакции, которые благоприятствуют образованию одного хирального изомера по сравнению с другим, называются энантиоселективным синтезом, также известным как асимметричный синтез. Это форма химического синтеза, определяемая IUPAC как "химическая реакция (или последовательность реакций), в которой в молекуле субстрата формируется один или несколько новых элементов хиральности и образуются стереоизомерные (энантиомерные или диастереомерные) продукты в неравных количествах". Иными словами, это синтез соединения методом, который способствует образованию конкретного энантиомера или диастереомера. Энантиомеры – это стереоизомеры, имеющие противоположные конфигурации во всех хиральных центрах. Диастереомеры – это стереоизомеры, различающиеся в одном или нескольких хиральных центрах. Энантиоселективный синтез является ключевым процессом в современной химии и особенно важен в фармацевтике, поскольку различные энантиомеры или диастереомеры молекулы часто обладают разной биологической активностью.
Enantioselective synthesis, also called asymmetric synthesis, is a form of chemical synthesis. It is defined by IUPAC as "a chemical reaction (or reaction sequence) in which one or more new elements of chirality are formed in a substrate molecule and which produces the stereoisomeric (enantiomeric or diastereomeric) products in unequal amounts." Put more simply: it is the synthesis of a compound by a method that favors the formation of a specific enantiomer or diastereomer. Enantiomers are stereoisomers that have opposite configurations at every chiral center. Diastereomers are stereoisomers that differ at one or more chiral centers. Enantioselective synthesis is a key process in modern chemistry and is particularly important in the field of pharmaceuticals, as the different enantiomers or diastereomers of a molecule often have different biological activity.
Энантиоселективный катализатор
Энантиоселективный катализ (традиционно известный как "асимметричный катализ") осуществляется с использованием хиральных катализаторов, которые обычно представляют собой хиральные координационные комплексы. Катализ эффективен для более широкого спектра превращений, чем любой другой метод энантиоселективного синтеза. Хиральные металлические катализаторы почти всегда приобретают хиральность благодаря использованию хиральных лигандов, однако возможно создание хиральных металлических комплексов, состоящих исключительно из ахиральных лигандов. Большинство энантиоселективных катализаторов эффективны при низких соотношениях субстрат/катализатор. Благодаря их высокой эффективности они часто подходят для синтеза в промышленных масштабах, даже при использовании дорогих катализаторов. Асимметричное гидрогенирование является универсальным примером энантиоселективного синтеза и используется для восстановления широкого спектра функциональных групп. Разработка новых катализаторов в основном определяется разработкой новых классов лигандов. Определенные лиганды, часто называемые "привилегированными", эффективны в широком диапазоне реакций; к ним относятся BINOL, Salen и BOX. Большинство катализаторов эффективно только для одного типа асимметричной реакции. Например, асимметричная гидрогенизация по Ноёри с использованием BINAP/Ru требует β-кетон, в то время как другой катализатор, BINAP/диамин Ru, расширяет область применения до α,β-алкенов и ароматических соединений.
Хиральные вспомогательные устройства
Хиральный вспомогательный реагент – это органическое соединение, которое присоединяется к исходному веществу с образованием нового соединения, которое затем может вступать в диастереоселективные реакции посредством внутримолекулярной асимметричной индукции. В конце реакции вспомогательный реагент удаляется в условиях, не вызывающих рацемизацию продукта. Обычно его затем регенерируют для повторного использования. Для эффективности хиральные вспомогательные реагенты необходимо использовать в стехиометрических количествах, что требует дополнительных стадий синтеза для присоединения и удаления реагента. Однако в некоторых случаях единственной доступной стереоселективной методикой является использование хиральных вспомогательных реагентов, и такие реакции, как правило, универсальны и хорошо изучены, обеспечивая наиболее быстрый доступ к энантиомерно чистым продуктам. Преимущества этих реагентов включают очень высокие значения энантиомерного избытка (ee), специфичность реагента, а также мягкие условия проведения реакций и низкое воздействие на окружающую среду. Биокатализаторы чаще используются в промышленности, чем в академических исследованиях, например, при производстве статинов. Однако высокая специфичность реагента может быть проблемой, поскольку часто требуется скрининг широкого спектра биокатализаторов для обнаружения эффективного реагента.
Синтез хирального пула
Синтез из хирального пула — один из самых простых и старых подходов к энантиоселективному синтезу. Легкодоступный хиральный исходный материал подвергается последовательным реакциям, часто с использованием ахиральных реагентов, для получения целевой молекулы. Это может соответствовать критериям энантиоселективного синтеза при создании нового хирального центра, например, в реакции SN2. Синтез из хирального пула особенно привлекателен для целевых молекул, хиральность которых схожа с хиральностью относительно недорогого природного строительного блока, такого как сахар или аминокислота. Однако число возможных реакций, в которые может вступать молекула, ограничено, и могут потребоваться сложные синтетические схемы (например, при полном синтезе озельтамивира). Этот подход также требует стехиометрического количества энантиомерно чистого исходного материала, который может быть дорогим, если он не является природным.
Сепарация и анализ энантиомеров
Два энантиомера молекулы обладают многими одинаковыми физическими свойствами (например, точкой плавления, точкой кипения, полярностью и т. д.) и поэтому ведут себя идентично друг другу. В результате они будут мигрировать с одинаковым Rf в тонкослойной хроматографии и иметь одинаковое время удержания в ВЭЖХ и ГХ. Их ЯМР и ИК спектры идентичны. Это может значительно затруднить определение, получен ли в результате процесса один энантиомер (и, что критически важно, какой именно энантиомер), а также отделение энантиомеров из реакционной смеси, которая не была на 100% энантиоселективной. К счастью, энантиомеры ведут себя по-разному в присутствии других хиральных веществ, и это можно использовать для их разделения и анализа. Энантиомеры не мигрируют идентично на хиральных хроматографических сорбентах, таких как кварц или стандартные сорбенты, модифицированные хирально. Это лежит в основе хиральной колонночной хроматографии, которую можно использовать в малом масштабе для анализа с помощью ГХ и ВЭЖХ, или в большом масштабе для разделения хирально обогащенных материалов. Однако этот процесс может потребовать большого количества хирального сорбента, который может быть дорогостоящим. Распространенной альтернативой является использование хирального дериватизирующего агента для превращения энантиомеров в диастереомеры, аналогично хиральным вспомогательным веществам. Диастереомеры обладают различными физическими свойствами и, следовательно, могут быть разделены и проанализированы с использованием стандартных методов. Специальные хиральные дериватизирующие агенты, известные как "реагенты для хирального разделения", используются в ЯМР-спектроскопии стереоизомеров, обычно включающие координацию с хиральными комплексами европия, такими как Eu(fod)3 и Eu(hfc)3. Разделение и анализ отдельных энантиомеров рацемических лекарственных средств или фармацевтических субстанций называется хиральным анализом или энантиоселективным анализом. Наиболее часто используемая методика для проведения хирального анализа включает методы разделения, в частности, хиральную хроматографию. Энантиомерный избыток вещества также можно определить с помощью определенных оптических методов. Самый старый метод – использование поляриметра для сравнения степени оптического вращения продукта со "стандартом" известного состава. Также возможно проведение ультрафиолетовой видимой спектроскопии стереоизомеров с использованием эффекта Коттона. Одним из наиболее точных способов определения хиральности соединения является определение его абсолютной конфигурации с помощью рентгеноструктурного анализа. Однако это трудоемкий процесс, требующий получения подходящего монокристалла.
Ранние работы (1905-1965 гг.)
Развитие энантиоселективного синтеза первоначально шло медленно, в основном из-за ограниченного набора доступных методов для разделения и анализа энантиомеров. Диастереомеры обладают различными физическими свойствами, что позволяет разделять их традиционными способами, однако в то время энантиомеры можно было разделить только с помощью спонтанного разрешения (когда энантиомеры разделяются при кристаллизации) или кинетического разрешения (когда один энантиомер избирательно разрушается). Единственным инструментом для анализа энантиомеров была оптическая активность, измеряемая с помощью поляриметра – метод, не предоставляющий структурной информации. Значительный прогресс начался только в 1950-х годах. Это было обусловлено, в частности, работами таких химиков, как Р. Б. Вудворд и Владимир Прелог, а также разработкой новых методов. Первым из них стала рентгеновская кристаллография, которую Йоханнес Бийвоэт в 1951 году использовал для определения абсолютной конфигурации органического соединения. Хиральная хроматография была представлена годом позже Далглишем, который применил бумажную хроматографию для разделения хиральных аминокислот. Хотя Далглиш и не был первым, кто наблюдал подобное разделение, он верно объяснил разделение энантиомеров дифференциальным удержанием на хиральной целлюлозе. Это было развито в 1960 году, когда Клем и Рид впервые сообщили об использовании хирально модифицированного силикагеля для хирального разделения методом ВЭЖХ.
Талидомид
Хотя было известно, что различные энантиомеры лекарственного средства могут обладать разной активностью, и значительный вклад в изучение этого вопроса внес Артур Робертсон Кушни, это не принималось во внимание при ранней разработке и тестировании лекарств. Однако после катастрофы, связанной с талидомидом, разработка и лицензирование лекарственных средств претерпели кардинальные изменения. Талидомид, впервые синтезированный в 1953 году, широко назначался для лечения утреннего токсикоза с 1957 по 1962 год, но вскоре было установлено, что он оказывает серьезное тератогенное действие, в конечном итоге вызвав врожденные дефекты у более чем 10 000 младенцев. Эта катастрофа побудила многие страны ввести более строгие правила тестирования и лицензирования лекарственных средств, такие как поправка Кефовера-Харриса (США) и Директива 65/65/ЕЭС1 (ЕС). Первоначальные исследования тератогенного механизма на мышах показали, что один энантиомер талидомида является тератогенным, а другой обладает всей терапевтической активностью. Эта теория впоследствии была признана ошибочной и в настоящее время заменена результатами обширных исследований. Тем не менее, она подчеркнула важность хиральности в разработке лекарств, что привело к активизации исследований в области энантиоселективного синтеза.