Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Эпоксидация Ши – химическая реакция, описываемая как асимметричное эпоксидирование алкенов с использованием оксона (пероксимоносульфата калия) и катализатора, полученного из фруктозы (1). Считается, что реакция протекает через промежуточное соединение – диоксиран, который образуется из кетона катализатора под действием оксона (пероксимоносульфата калия). Добавление сульфатной группы оксоном облегчает образование диоксирана, выступая в качестве хорошей уходящей группы при замыкании цикла. Реакция примечательна использованием неметаллического катализатора и является ранним примером органокатализа.
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.
История
Впервые о реакции сообщил Йиан Ши (史一安, пиньинь: Shǐ Yī ān) из Университета штата Колорадо в 1996 году. Большинство потенциальных катализаторов страдают от быстрой декомпозиции/окисления диоксиранового интермедиата и недостаточной электрофильности реакционного кетона. Рассматривались ароматические кетоны, однако многие последующие модификации солей оксоаммония оказались неэффективными для проведения эпоксидирования из-за окислительной нестабильности амидных групп и высокой гибкости семичленных циклов. Энантиоселективность этих ранних катализаторов также была низкой из-за значительных расстояний между асимметричными субъединицами и реакционными центрами, что приводило к энантиомерному избытку менее 10%. Катализатор, разработанный Йианом Ши, получен из D-фруктозы и содержит стереогенный центр, расположенный вблизи реакционного центра (кетона). Жесткая шестичленная циклическая структура катализатора и прилегающая четвертичная группа минимизируют эпимеризацию этого стереоцентра. Окисление активным диоксирановым катализатором происходит с si-стороны из-за стерических препятствий со стороны re-стороны. Этот катализатор эффективно работает как асимметричный катализатор для нефункционализированных транс-олефинов.
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.
Формирование диоксиранового катализатора
При нормальных значениях pH требуется избыток в 3 стехиометрических количества кетонового катализатора из-за высокой скорости его разложения. В щелочных условиях при pH выше 10 (pH 10,5) для эпоксидирования требуются субстехиометрические количества (0,2–0,3), что снижает разложение реагентов, подавляя побочную реакцию Баера-Виллигера. Более высокие температуры приводят к усилению разложения, поэтому используется низкая температура, равная нулю градусов Цельсия. Разложение реагентов является бимолекулярным (реакция второго порядка), поэтому используются небольшие количества оксона и катализатора. Реакция катализируется производным D-фруктозы, который образует (R,R)-энантиомер целевого эпоксида. Растворимость олефинового органического субстрата и окислителя (оксона) различна, поэтому необходима двухфазная среда. Образование активных каталитических частиц происходит в водном слое и переносится в органический слой вместе с реагентами с помощью тетрабутиламмонийсульфата. Кетоновый катализатор непрерывно регенерируется в каталитическом цикле и, следовательно, может катализировать эпоксидирование в небольших количествах. Первый этап в каталитическом цикле – нуклеофильное присоединение оксона к кетогруппе катализатора (промежуточное соединение 1). Это приводит к образованию реакционноспособного промежуточного соединения 2, промежуточного продукта Криге, который потенциально может вызывать нежелательные побочные реакции, такие как реакция Баера-Виллигера (см. ниже). Образование промежуточного соединения 3 происходит в щелочных условиях при отщеплении протона от гидроксильной группы с образованием нуклеофильного кислородного аниона. Сульфатная группа облегчает последующее образование диоксирана, промежуточного соединения 4, выступая в качестве хорошей уходящей группы в процессе 3-экзотетрациклизации. Активированный диоксиранный каталитический комплекс затем передает атом кислорода алкену, что приводит к регенерации исходного катализатора.
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.
Побочные реакции
Потенциальной побочной реакцией, которая может возникнуть, является реакция Баера-Виллигера промежуточного соединения 2, при которой происходит перегруппировка пероксигруппы, приводящая к образованию соответствующего сложного эфира. Степень этой побочной реакции уменьшается с повышением pH, а нуклеофильность оксона возрастает, что делает основные условия благоприятными для общей эпоксидации и реакционной способности каталитического комплекса.
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.
Механизмы эпоксидации
Кислород из диоксиранной группы, генерируемой на органическом катализаторе, переносится к алкену посредством, предположительно, согласованного механизма, хотя не исключается возможность образования кислород-анионного интермедиата через механизм Sn2.
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.
Препарат из D-фруктозного производного
Катализатор образуется в результате реакции с ацетоном в основных условиях, при этом гидроксильные группы фруктозного кольца выступают в роли нуклеофилов, а их нуклеофильность повышается благодаря основным условиям, создаваемым карбонатом калия. Электроноакцепторные заместители (альфа-эфирные группы) способствуют образованию кетона из окислителя – пиридиния хлорохромата, увеличивая электрофильность карбонильного углерода посредством стабилизирующей делокализации формирующихся π C-C связей в σ* C-O связи соседних эфиров.
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.
Урожайность реакции и стереоселективность
Эта процедура позволяет получать эпоксиды с высоким энантиомерным избытком из транс-дизамещенных и тризамещенных алкенов. Цис-дизамещенные алкены и стиролы асимметрично эпоксидируются с использованием аналогичного катализатора. Стереоселективность образования (R,R)-эпоксидов из соответствующих алкенов возрастает с увеличением стерических затруднений, создаваемых заместителями R (особенно в транс-олефинах).
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).