Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Органическая реакция
Organic reaction
Окисление Баеера-Виллигера — это органическая реакция, в результате которой из кетона образуется сложный эфир, а из циклического кетона — лактон, с использованием пероксикислот или пероксидов в качестве окислителя. Это повышает восприимчивость карбонильной группы к атаке пероксикислотой. В конечном итоге, депротонирование оксокарбениевого иона приводит к образованию сложного эфира. Способность к миграции убывает в ряду: третичный > вторичный > арильный > первичный. Аллильные группы мигрируют легче, чем первичные алкильные, но хуже, чем вторичные алкильные группы. Электроноакцепторные группы, присоединенные к заместителю, замедляют скорость миграции. Существует два объяснения этой закономерности в способности к миграции. Одно объяснение основано на накоплении положительного заряда в переходном состоянии при распаде интермедиата Криге (что иллюстрируется карбокатионной резонансной структурой интермедиата Криге). Таким образом, наблюдается ряд третичный > вторичный > первичный. Другое объяснение опирается на стереоэлектронные эффекты и стерические факторы. Как упоминалось, мигрирует заместитель, находящийся в антиперипланарном положении относительно пероксидной группы в переходном состоянии.
The Baeyer–Villiger oxidation is an organic reaction that forms an ester from a ketone or a lactone from a cyclic ketone, using peroxyacids or peroxides as the oxidant. This makes the carbonyl group more susceptible to be attacked by the peroxyacid. Finally, deprotonation of the oxocarbenium ion produces the ester. The migratory ability is ranked tertiary > secondary > aryl > primary. Allylic groups are more apt to migrate than primary alkyl groups but less so than secondary alkyl groups. Electron withdrawing groups on the substituent decrease the rate of migration. There are two explanations for this trend in migration ability. One explanation relies on the buildup of positive charge in the transition state for breakdown of the Criegee intermediate (illustrated by the carbocation resonance structure of the Criegee intermediate). Therefore, the tertiary > secondary > primary trend is observed. Another explanation uses stereoelectronic effects and steric arguments. As mentioned, the substituent that is antiperiplanar to the peroxide group in the transition state will migrate.
Исторический фон
В 1899 году Адольф Баер и Виктор Виллигер впервые опубликовали описание реакции, которую мы теперь знаем как окисление Баера-Виллигера. Они использовали пероксимоносульфурную кислоту для получения соответствующих лактонов из камфоры, ментона и тетрагидрокарвона. Было предложено три возможных механизма реакции окисления Баера-Виллигера, которые соответствовали наблюдаемым результатам. Эти три механизма по сути можно разделить на два пути атаки пероксикислоты – на атом кислорода или на атом углерода карбонильной группы. Атака на кислород могла приводить к двум возможным промежуточным соединениям: Баер и Виллигер предположили образование диоксирана, а Георг Виттиг и Густав Пипер – пероксида без образования диоксирана.
In 1899, Adolf Baeyer and Victor Villiger first published a demonstration of the reaction that we now know as the Baeyer–Villiger oxidation. They used peroxymonosulfuric acid to make the corresponding lactones from camphor, menthone, and tetrahydrocarvone. There were three suggested reaction mechanisms of the Baeyer–Villiger oxidation that seemed to fit with observed reaction outcomes. These three reaction mechanisms can really be split into two pathways of peroxyacid attack – on either the oxygen or the carbon of the carbonyl group. Attack on oxygen could lead to two possible intermediates: Baeyer and Villiger suggested a dioxirane intermediate, while Georg Wittig and Gustav Pieper suggested a peroxide with no dioxirane formation.
Реактивные вещества
Хотя для окисления Байера-Виллигера используется множество различных пероксикислот, к наиболее распространенным окислителям относятся метахлоропербензойная кислота (mCPBA) и трифтороперацетиковая кислота (TFPAA). Кроме того, применение органических пероксидов и перекиси водорода часто приводит к большему количеству побочных реакций из-за их неселективности.
Although many different peroxyacids are used for the Baeyer–Villiger oxidation, some of the more common oxidants include meta chloroperbenzoic acid (mCPBA) and trifluoroperacetic acid (TFPAA). In addition, using organic peroxides and hydrogen peroxide tends to generate more side reactivity due to their promiscuity.
Ограничения
Использование пероксикислот и пероксидов при проведении окисления Байера-Виллигера может приводить к нежелательному окислению других функциональных групп. Алкены и амины — лишь некоторые из групп, подверженных окислению. Однако разработаны методы, позволяющие сохранять устойчивость этих функциональных групп.
The use of peroxyacids and peroxides when performing the Baeyer–Villiger oxidation can cause the undesirable oxidation of other functional groups. Alkenes and amines are a few of the groups that can be oxidized. However, methods have been developed that will allow for the tolerance of these functional groups.
Каталитическая окисление Баеера-Виллигера
Использование перекиси водорода в качестве окислителя было бы целесообразно, поскольку это делает реакцию более экологичной, а единственным побочным продуктом является вода. Другим классом катализаторов, проявляющих высокую селективность при использовании перекиси водорода в качестве окислителя, являются твердые катализаторы кислот Льюиса, такие как станносиликаты. Среди станносиликатов особый интерес представляют цеотип Sn beta и аморфный Sn MCM 41, демонстрирующие многообещающую активность и близкую к полной селективность в отношении целевого продукта.
The use of hydrogen peroxide as an oxidant would be advantageous, making the reaction more environmentally friendly as the sole byproduct is water. Another class of catalysts which show high selectivity with hydrogen peroxide as the oxidant are solid Lewis acid catalysts such as stannosilicates. Among stannosilicates, particularly the zeotype Sn beta and the amorphous Sn MCM 41 show promising activity and close to full selectivity towards the desired product.
Асимметричная окисление Баеера-Виллигера
Были предприняты попытки использовать органометаллические катализаторы для проведения энантиоселективных окислений Баера-Виллигера. Для облегчения этой реакции BVMO содержат кофактор флавин-аденодиндинуклеотид (FAD). В каталитическом цикле (см. рисунок справа) клеточный редокс-эквивалент NADPH сначала восстанавливает кофактор, что позволяет ему впоследствии реагировать с молекулярным кислородом. Образующийся пероксифлавин является каталитическим центром, осуществляющим окисление субстрата, и теоретические исследования показывают, что реакция протекает через тот же интермедиат Криги, что и в химической реакции. После стадии перегруппировки, приводящей к образованию эфирного продукта, остается гидроксифлавин, который спонтанно элиминирует воду с образованием окисленного флавина, тем самым замыкая каталитический цикл. BVMO тесно связаны с флавин-содержащими монооксигеназами (FMO) – ферментами, которые также присутствуют в организме человека и функционируют в системе первичной метаболической детоксикации печени вместе с цитохромом P450 монооксигеназами. Было показано, что человеческий FMO5 способен катализировать реакции Баера-Виллигера, что указывает на возможность протекания этой реакции и в организме человека. BVMO широко изучались благодаря их потенциалу в качестве биокатализаторов, то есть для применения в органическом синтезе. Учитывая экологические проблемы, связанные с большинством химических катализаторов, использование ферментов рассматривается как более экологичная альтернатива. Их можно легко производить в больших масштабах, и поскольку трехмерная структура многих BVMO определена, можно применять ферментную инженерию для создания вариантов с улучшенной термостабильностью и/или реакционной способностью. Еще одним преимуществом использования ферментов для этой реакции является их часто наблюдаемая регио- и энантиоселективность, обусловленная стерическим контролем ориентации субстрата во время катализа в активном центре фермента. В 1981 году Винаяк Кейн и Дональд Дойл сообщили о синтезе зоапатанола, используя окисление Баера-Виллигера для получения лактона, который послужил ключевым строительным блоком, в конечном итоге приведшим к синтезу зоапатанола.
There have been attempts to use organometallic catalysts to perform enantioselective Baeyer–Villiger oxidations. To facilitate this chemistry, BVMOs contain a flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor. In the catalytic cycle (see figure on the right), the cellular redox equivalent NADPH first reduces the cofactor, which allows it subsequently to react with molecular oxygen. The resulting peroxyflavin is the catalytic entity oxygenating the substrate, and theoretical studies suggest that the reaction proceeds through the same Criegee intermediate as observed in the chemical reaction. After the rearrangement step forming the ester product, a hydroxyflavin remains, which spontaneously eliminates water to form oxidized flavin, thereby closing the catalytic cycle. BVMOs are closely related to the flavin containing monooxygenases (FMOs), enzymes that also occur in the human body, functioning within the frontline metabolic detoxification system of the liver along the cytochrome P450 monooxygenases. Human FMO5 was in fact shown to be able to catalyse Baeyer Villiger reactions, indicating that the reaction may occur in the human body as well. BVMOs have been widely studied due to their potential as biocatalysts, that is, for an application in organic synthesis. Considering the environmental concerns for most of the chemical catalysts, the use of enzymes is considered a greener alternative. they can be easily produced on a large scale, and because the three dimensional structure of many BVMOs has been determined, enzyme engineering could be applied to produce variants with improved thermostability and/or reactivity. Another advantage of using enzymes for the reaction is their frequently observed regio and enantioselectivity, owed to the steric control of substrate orientation during catalysis within the enzyme's active site. In 1981, Vinayak Kane and Donald Doyle reported a synthesis of zoapatanol. They used the Baeyer–Villiger oxidation to make a lactone that served as a crucial building block that ultimately led to the synthesis of zoapatanol.