Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Химическая реакция, в которой алкен превращается в вицинальный диол. Дигидроксилирование – это процесс превращения алкена в вицинальный диол. Хотя существует множество способов осуществления этого окисления, наиболее распространенные и прямые методы используют переходный металл в высокой степени окисления (обычно осмий или марганец). Металл часто используется в качестве катализатора в присутствии стехиометрического окислителя. Кроме того, для катализа этой реакции были разработаны и применяются методы с использованием других переходных и непереходных металлов.
Chemical reaction where an alkene is converted to a vicinal diol
Dihydroxylation is the process by which an alkene is converted into a vicinal diol. Although there are many routes to accomplish this oxidation, the most common and direct processes use a high oxidation state transition metal (typically osmium or manganese). The metal is often used as a catalyst, with some other stoichiometric oxidant present. In addition, other transition metals and non transition metal methods have been developed and used to catalyze the reaction.
Механизм
В механизме дигидроксилирования лиганд сначала координируется с металлическим катализатором (изображенным в виде осмия), который определяет энантиоселективность олефина. Затем алкен координируется с металлом посредством (3+2)-циклоприсоединения, и лиганд диссоциирует от металлического катализатора. Последующий гидролиз олефина приводит к образованию вицинального диола, а окисление катализатора стехиометрическим окислителем регенерирует металлический катализатор для повторения цикла. Концентрация олефина критически важна для энантиомерного избытка диола, поскольку более высокие концентрации алкена могут взаимодействовать с другим каталитическим центром, образуя другой энантиомер.
In the dihydroxylation mechanism, a ligand first coordinates to the metal catalyst (depicted as osmium), which dictates the chiral selectivity of the olefin. The alkene then coordinates to the metal through a (3+2) cycloaddition, and the ligand dissociates from the metal catalyst. Hydrolysis of the olefin then yields the vicinal diol, and oxidation of the catalyst by a stoichiometric oxidant regenerates the metal catalyst to repeat the cycle. The concentration of the olefin is crucial to the enantiomeric excess of the diol since higher concentrations of the alkene can associate with the other catalytic site to produce the other enantiomer.
Реакции, каталитируемые осмием
Тетроксид осмия (OsO4) — популярный окислитель, используемый для дигидроксилирования алкенов благодаря его надёжности и эффективности в получении син-диолов. Поскольку он дорог и токсичен, каталитические количества OsO4 применяются совместно со стехиометрическим окислителем. Хотя данный метод позволяет получать диолы, переокисление до дикарбонильного соединения затрудняет выделение вицинального диола. Протокол Upjohn обеспечивает высокую степень превращения в вицинальный диол и подходит для широкого спектра субстратов. Однако этот протокол не позволяет дигидроксилировать тетразамещённые алкены.
Osmium tetroxide (OsO4) is a popular oxidant used in the dihydroxylation of alkenes because of its reliability and efficiency with producing syn diols. Since it is expensive and toxic, catalytic amounts of OsO4 are used in conjunction with a stoichiometric oxidizing agent. Although the method can produce diols, overoxidation to the dicarbonyl compound has led to difficulties isolating the vicinal diol. The Upjohn protocol yields high conversions to the vicinal diol and tolerates many substrates. However, the protocol cannot dihydroxylate tetrasubstituted alkenes.
Неострота асимметричная
Асимметричная дигидроксиляция Шарплесса была разработана К. Барри Шарплессом для использования каталитических количеств OsO4 совместно со стехиометрическим окислителем K3[Fe(CN)6]. Реакция проводится в присутствии хирального вспомогательного вещества. Выбор дигидрохинидина (DHQD) или дигидрохинина (DHQ) в качестве хирального вспомогательного вещества определяет пространственную селективность олефина, поскольку абсолютные конфигурации лигандов противоположны. Катализатор, окислитель и хиральное вспомогательное вещество можно приобрести в готовой смеси для селективной дигидроксиляции. Смесь AD-α содержит хиральное вспомогательное вещество (DHQ)2PHAL, которое ориентирует OsO4 к альфа-стороне олефина; смесь AD-β содержит (DHQD)2PHAL и обеспечивает присоединение гидроксильных групп к бета-стороне. Асимметричная дигидроксиляция Шарплесса обладает широкой областью применения в отношении селективности по субстрату за счет изменения класса хирального вспомогательного вещества. Впоследствии этот метод был применен к гомоаллильным системам.
The Sharpless asymmetric dihydroxylation was developed by K. Barry Sharpless to use catalytic amounts of OsO4 along with the stoichiometric oxidant K3[Fe(CN)6]. The reaction is performed in the presence of a chiral auxiliary. The selection of dihydroquinidine (DHQD) or dihydroquinine (DHQ) as a chiral auxiliary dictates the facial selectivity of the olefin, since the absolute configuration of the ligands are opposite. The catalyst, oxidant, and chiral auxiliary can be purchased premixed for selective dihydroxylation. AD mix α contains the chiral auxiliary (DHQ)2PHAL, which positions OsO4 on the alpha face of the olefin; AD mix β contains (DHQD)2PHAL and delivers hydroxyl groups to the beta face. The Sharpless asymmetric dihydroxylation has a large scope for substrate selectivity by changing the chiral auxiliary class. This has since been applied to homoallylic systems.
Другие методы дигидроксиляции
Поскольку тетроксид осмия дорог и токсичен, для получения вицинальных диолов из олефинов стали использовать другие металлы. Рутений – еще один популярный металл, применяемый в дигидроксиляции. Несмотря на высокую окислительную способность, рутений используется благодаря короткому времени реакции и его экономической выгоде. Как правило, тетроксид рутения образуется in situ из трихлорида рутения, а в качестве вторичного окислителя для регенерации катализатора используется NaIO4. Лимитирующей стадией реакции является стадия гидролиза, поэтому для увеличения ее скорости добавляют серную кислоту. Манган также применяется в дигидроксиляции и часто используется, когда методы с тетроксидом осмия дают неудовлетворительные результаты.
Since osmium tetroxide is expensive and toxic, other metals have been used to prepare vicinal diols from olefins. Another popular metal used in dihydroxylation is ruthenium. Although it is highly oxidative, ruthenium has been used because of its short reaction time and its cost effectiveness. Typically, the ruthenium tetroxide is created in situ from ruthenium trichloride, and a secondary oxidant NaIO4 is used to regenerate the catalyst. The turnover limiting step of the reaction is the hydrolysis step; therefore, sulfuric acid is added to increase the rate of this step. Manganese is also used in dihydroxylation and is often chosen when osmium tetroxide methods yield poor results.
Дигидроксиляция Prévost и Woodward
В отличие от других описанных методов, использующих переходные металлы в качестве катализаторов, методы Превоста и Вудварда используют йод и соль серебра. Однако добавление воды в реакционную смесь направляет цис- и транс-присоединение гидроксильных групп. В реакции Превоста обычно используется бензоат серебра для получения транс-диолов; модификация Вудварда реакции Превоста использует ацетат серебра для получения цис-диолов. В реакциях Превоста и Вудварда сначала к алкену добавляется йод, образуя циклический иодиниевый ион. Затем анион из соответствующей соли серебра присоединяется к иодиниевому иону посредством нуклеофильного замещения. В реакции Превоста иодиниевый ион подвергается нуклеофильной атаке бензоат-анионом. Бензоат-анион снова выступает в роли нуклеофила, вытесняя йодид посредством механизма с участием соседней группы. Второй бензоат-анион реагирует с промежуточным соединением, образуя анти-замещенный дибензоат, который затем может быть гидролизован до транс-диолов. Чтобы избежать использования солей серебра, Судалаи и его коллеги модифицировали реакцию Превоста-Вудварда; реакция катализируется LiBr и использует NaIO4 и PhI(OAc)2 в качестве окислителей. LiBr реагирует с NaIO4 и уксусной кислотой, образуя ацетат лития, который затем может участвовать в реакции, как описано выше. Данный протокол обеспечивал высокую диастереоселективность для соответствующего диола, в зависимости от выбранного окислителя.
Unlike the other methods described that use transition metals as catalyst, the Prévost and Woodward methods use iodine and a silver salt. However, the addition of water into the reaction directs the cis and trans addition of the hydroxyl groups. The Prévost reaction typically uses silver benzoate to produce trans diols; the Woodward modification of the Prévost reaction uses silver acetate to produce cis diols. In both the Prévost and Woodward reactions, iodine is first added to the alkene producing a cyclic iodinium ion. The anion from the corresponding silver salt is then added by nucleophilic substitution to the iodinium ion. In the Prévost reaction, the iodinium ion undergoes nucleophilic attack by benzoate anion. The benzoate anion acts as a nucleophile again to displace iodide through a neighboring group participation mechanism. A second benzoate anion reacts with the intermediate to produce the anti substituted dibenzoate product, which can then undergo hydrolysis to yield trans diols. To eliminate the need for silver salts, Sudalai and coworkers modified the Prévost Woodward reaction; the reaction is catalyzed with LiBr, and uses NaIO4 and PhI(OAc)2 as oxidants. LiBr reacts with NaIO4 and acetic acid to produce lithium acetate, which can then proceed through the reaction as previously mentioned. The protocol produced high dr for the corresponding diol, depending on the oxidant chosen.
Приложения
Синтез высокозамещенных и стереоспецифических сахаров имеет важное значение, поскольку полисахариды составляют обширный класс природных соединений. Одним из примеров является биологически активная молекула какелокелоза, продемонстрировавшая противовирусную активность против ВИЧ. Исследования, проведенные Харрисом и соавторами, были посвящены энантиоспецифическому синтезу сахаров, связанных с какелокелозой и другими сахарами, с использованием различных реакций дигидроксилирования с осмиевым катализатором. Винилфуран в условиях Шарплесса взаимодействовал со смесью AD-mix α с образованием (R)-диола. Впоследствии полученный дигидропиран подвергли реакции в условиях Апджона, что привело к образованию сахара маннозы (где R обозначает H или защитную группу). Броза ввел гидроксильные группы в стероид, используя условия Вудварда для получения цис-диола у кольца А стероида. Затем алкеновая цепь в кольце D была дигидроксилирована с образованием второго цис-диола с использованием OsO4 и NMO в качестве стехиометрического окислителя.
The synthesis of highly substituted and stereospecific sugars is important since polysaccharides make up a large class of compounds found in nature. One specific example is in the biologically active molecule kakelokelose, which has been shown to have anti HIV activity. Research conducted by Harris et al. have worked on an enantiospecific synthesis of sugars pertaining to kakelokelose and other sugars, employing many different dihydroxylation reactions with osmium catalyst. Vinylfuran was reacted under Sharpless conditions with AD mix α to yield (R) diol. Later, a resulting dihydropyran was reacted under Upjohn conditions to yield the resulting sugar, mannose (where R represents either H or a protecting group). Brosa installed the hydroxyl groups in the steroid using both Woodward conditions to yield a cis diol to the A ring of the steroid. Then, the alkene chain on the D ring was dihydroxylated to yield the second cis diol using OsO4 and NMO as the stoichiometric oxidant.