Organokatalyse

Organic Chemistry II

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Overview

Quelle: Vy M. Dong und Faben Cruz, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Dieses Experiment wird das Konzept der Organokatalyse demonstriert illustrieren die korrekte Einrichtung einer Reaktion, die Enamine Katalyse nutzt. Organokatalyse ist eine Form der Katalyse, die substoichiometric Mengen an kleine organische Moleküle verwendet, um Reaktionen zu beschleunigen. Diese Art der Katalyse ist eine Ergänzung zu anderen Formen der Katalyse wie Übergangsmetall oder Biokatalyse. Übergangsmetall-Katalyse beinhaltet Übergangsmetalle als Katalysatoren und Biokatalyse Enzyme als Katalysatoren verwendet. Einige Vorteile der Organokatalyse beinhalten die geringe Toxizität und Kosten für die Organokatalysatoren im Vergleich zu vielen Metall-Katalysatoren. Darüber hinaus sind die meisten Organokatalysatoren nicht empfindlich gegen Luft und Feuchtigkeit, im Gegensatz zu Metall-Katalysatoren. Im Gegensatz zu Enzymen in lebenden Organismen gefunden sind die kleinen Moleküle, die als Organokatalysatoren dienen in der Regel leicht zugänglich. Darüber hinaus bietet Organokatalyse ergänzen und neue Reaktivität nicht mit anderen Formen der Katalyse beobachtet.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Organische Chemie II. Organokatalyse. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Organokatalysatoren unterteilen in vier Kategorien, basierend auf dem Typ des Katalysators. Die meisten Organokatalysatoren können als Lewis-Basen, Lewis-Säuren, Basen Bronsted oder Bronsted Säuren beschrieben werden. Diese Organocatalyst Kategorien beschreiben die Art der Aktivierung durch den Katalysator wirkt, um Katalyse zu erleichtern. Neben diesen verschiedenen Modi der Aktivierung können Organokatalysatoren Substrate über kovalente oder nicht-kovalente Wechselwirkungen interagieren; Beide haben ihre vor- und Nachteile. Kovalente Interaktionen sind in der Regel leichter zu kontrollieren und so Vorhersagen. Katalysatoren, die die Vorteile der nicht-kovalente Wechselwirkungen erfordern oftmals niedrigerere Katalysator Belastungen im Vergleich zu denen, die über kovalente Wechselwirkungen zu betreiben.

Lewis-Basen, insbesondere Amine, sind die häufigste Art der Organocatalyst. Verschiedene Arten von Reaktivität sind nur mit einem Amin Katalysator erreicht worden. Zum Beispiel kann die Nucleophilicity nukleophile über Enamine Katalyse, selektive Alkylations oder Aldol Reaktionen durchzuführen akzentuiert werden. Amin-Katalysatoren können auch zur Verbesserung der Electrophilicity von Substraten über Iminium-Katalyse, Michael Ergänzungen oder Cycloadditions zu fördern. Amin-basierte Katalysatoren können auch als Phasenübergang Katalysatoren eingesetzt werden, Reaktionen zwischen zwei Medien Phasen zu vermitteln.

Diese Katalysatoren können neben Substrat Aktivierung auch Chiralität in die Produkte vorstellen, die sie bilden, die in ein Konzept namens asymmetrische Katalyse. Eines der ersten Beispiele der asymmetrischen Organokatalyse verwendet eine chirale Aminosäure Prolin, um zu katalysieren eine Aldol-Reaktion (Abbildung 1). Prolin kondensiert auf eines der Ketone, einem chiralen Enamine zu generieren. Auf diese Weise die Organocatalyst erzeugt eine stärkere nucleophil und Chiralität führt, so dass die Aldol-Reaktion Stereoselective sein kann. Im dargestellte Beispiel ist die Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert-Reaktion. Das Produkt dieser Reaktion ist eine wichtige Vorstufe für die Synthese von Steroid Naturprodukte und deren Derivate.

Figure 1
Abbildung 1: Eines der ersten Beispiele der asymmetrischen Organokatalyse eine chirale Aminosäure Prolin, verwendet, um eine Aldol-Reaktion zu katalysieren.

Procedure

Figure 2

  1. Fügen Sie (S)-Prolin (40 mg, 0,35 Mmol, 0,35-Äquivalente), Acetonitril (MeCN, 5 mL) und die Diketone (126 mg, 1 Mmol, 1 Äquivalent) in ein Rundboden-Kolben (~ 20 mL) mit einer magnetischen Stir Bar ausgestattet.
  2. Rühren Sie die Reaktionsmischung bei 35 ° C für 30 min.
  3. 3-Buten-2-One (105 mg, 1,5 Mmol, 1,5-Äquivalente) tropfenweise bei 35 ° C und rühren bei gleicher Temperatur für 1 Woche.
  4. Die Reaktion auf Raumtemperatur abkühlen und stillen durch Zugabe von ~ 5 mL gesättigte wässrige Ammoniumchlorid.
  5. Die wässrige Schicht mit Diethylether extrahiert.
  6. Die kombinierten organischen Schichten mit Salzwasser zu waschen und trocknen mit wasserfrei Magnesiumsulfat.
  7. Filtern der Magnesium-Sulfat und über rotatorische Verdunstung zu konzentrieren.
  8. Reinigen Sie die grobe Rückstände durch Säulenchromatographie.

Organokatalysatoren sind niedrige Kosten und geringer Toxizität Alternative zu den Übergangsmetallen, und im Vergleich zu Enzyme sind leichter synthetisiert und erhalten.

Organokatalyse beinhaltet kleine organische Moleküle, die Interaktion mit chemischen Spezies, Reaktionen zu beschleunigen, ohne verbraucht zu werden.

Dieses Video wird die Grundsätze der Organokatalyse, ein Verfahren demonstriert eine Enamine katalysierten Reaktion und einige Anwendungen der Organokatalyse zu veranschaulichen.

Organokatalysatoren können durch ihre Interaktionen mit Edukt Moleküle klassifiziert werden. In kovalenten Interaktionen bilden Katalysatoren ein reaktives Zwischenprodukt über eine vorübergehende kovalente Bindung in einem Schritt als Aktivierung bezeichnet. Diese Verbindungen aktiviert, dann fahren Sie mit weiter reagieren. Der Prozess wird abgeschlossen mit der Erholung der Organokatalyse Molekül.

Lewis-Basen, Verbindungen, die in der Regel Elektron Spender sind, sind die häufigste Art der Organocatalyst aufgrund ihrer Vielseitigkeit. Beispielsweise verbessern Enamine Katalysatoren Nucleophilicity, selektiven Alkylierung und Aldol Reaktionen ermöglichen. Iminium, ein weiterer Amin-basierten Katalysator dient zur Verbesserung der Electrophilicity der Reaktanden, Michael Ergänzungen oder Cycloadditions zu fördern.

Diese Katalysatoren können auch für bestimmte Stereoisomer Produkte in einem Prozeß bekannt als asymmetrische Katalyse auswählen. Eines der ersten Beispiele dafür war eine Aldol-Reaktion katalysiert durch Prolin, eine chirale Aminosäure.

Prolin Staatsanleihen kovalent an ein Keton, Freisetzung von Wasser und erzeugen eine chirale Enamine. Daraus resultiert eine stärkere nucleophil, die Stereoselective Aldol Reaktion initiiert. Die in diesem Beispiel gezeigte Reaktion ist wichtig für die Produktion der Vorläufer für die Synthese von Steroiden.

Nun, da wir die Grundsätze der Organokatalyse wir behandelt haben schauen Sie sich ein Verfahren für eine (S)-Prolin katalysiert Aldol-Reaktion.

Erstens bringen Sie die Reaktanden und Glaswaren der Dunstabzugshaube. Fügen Sie die Reagenzien auf einen 20-mL unteren Kolben mit einer magnetischen Stir Bar Runden. Dann rühren Sie die Mischung bei 35 ° C für 30 Minuten.

Fügen Sie 105 mg 3-Buten-2-One tropfenweise dazugeben, unter Beibehaltung der Temperatur. Lassen Sie die Reaktion für eine Woche bei 35 ° c gerührt

Nach eine Woche bestanden hat, die Reaktion auf Raumtemperatur abkühlen lassen und dann durch Zugabe von ca. 5 mL gesättigte wässrige Ammoniumchlorid zu stillen.

Als nächstes Extrahieren der wässrigen Schicht durch Zugabe von 30 mL Diethylether. Trennen Sie die organischen und wässrigen Schichten mithilfe eines separatory Trichters.

Dann, die organischen Schichten mit einer gesättigten Kochsalzlösung waschen und trocknen mit wasserfrei Magnesiumsulfat. Entfernen Sie nach die Magnesium-Sulfat aus der Projektmappe über Filtration.

Als nächstes das Produkt mit rotary Verdunstung zu konzentrieren. Zu guter Letzt reinigen Sie die erhaltenen Reste über Säulenchromatographie.

Das erhaltene Produkt kann nun mit 1H NMR analysiert werden

Das Proton NMR des Produkts wird verwendet, um zu analysieren und die Gipfeln der Wieland-Miescher-Keton zu identifizieren. Die Anlage verfügt über insgesamt 14 Wasserstoffatome. Die downfield Singulett bei 5,85 ppm ist charakteristisch für die Alken Wasserstoff ein und integriert auf 1. In ihrer typischen Verschiebungen zwischen 2,78 und 1,65 ppm, Integration von insgesamt 10 Wasserstoffatome befinden sich Alkan Multiplets b, c, d und e . Schließlich ist die Methyl-Gruppe f die meisten Upfield Unterhemd mit einer Verschiebung von 1,45 ppm mit einer Integration der 3 Wasserstoffatome.

Nun, da wir uns ein Organokatalyse Verfahren mal angeschaut haben schauen Sie sich einige Anwendungen

Asymmetrische Organokatalyse ist ein unverzichtbarer Prozess für die Synthese von Arzneimittel zur Behandlung von geworden. Ein Beispiel ist die Herstellung von (S)-Warfarin, ein Antigerinnungsmittel, zur Behandlung von Blutgerinnseln. In der Vergangenheit setzte seine Synthese auf chirale Auflösung per Kristallisation oder Chromatographie von racemischem Mischungen. Dieser Prozess führte Renditen von rund 19 %. Mit Hilfe einer organischen chiralen Katalysator wurde die verschwenderische chiralen Lösungsprozess mit einer Synthese ersetzt, die Erträge von 99 % erreicht.

Ionische Flüssigkeiten sind Salze, die in der Regel im flüssigen Zustand bei Raumtemperatur vorhanden sind. Ionische Flüssigkeiten sind in vielen Forschungsbereichen einschließlich Organokatalyse Aufmerksamkeit. EMIMAc ist ein Beispiel für eine Verbindung, die organische Kationen und Anionen hat. In dieser Anwendung wird es als Katalysator in einer Stereoselective Synthese verwendet. Die hohe Stabilität, geringe Volatilität und nicht-Brennbarkeit von ionischen Flüssigkeiten macht sie eine sichere Reaktionsmedien, die zur stofflichen Wiederverwertung geeignet ist.

Sie haben nur Jupiters Video auf Organokatalyse angesehen. Dieses Video behandelt Organokatalyse, ein allgemeines Verfahren und einige Anwendungen. Danke fürs Zuschauen!

Results

Das gereinigte Produkt müssen die folgende 1H-NMR-Spektrum: 1H NMR δ 5,88 (1 H, s), 2,6-2,7 (2 H, m), 2,3-2,55 (4 H, m), 2,0-2,2 (2 H, m), 1,6 bis 1,8 (2 H, m), 1.4 (3 H, s).

Applications and Summary

Dieses Experiment hat gezeigt, wie eine Enamine katalysierten Reaktion eingerichtet. Im Vergleich zu anderen Formen der Katalyse, Organokatalyse ist ein relativ junges Forschungsfeld, aber in den letzten Jahren hat der Bereich der Organokatalyse dramatische Wachstum erlebt. Das gestiegene Interesse an Organokatalyse hat auch Forschung geführt, dass mehr als eine Art von Katalyse nutzt, um neue Arten der Reaktivität zu erreichen. Zum Beispiel gab es erhöhte Berichte Organokatalyse in Verbindung mit Übergangsmetall-Katalyse zu verwenden.

Asymmetrische Organokatalyse wurde verwendet, um die Synthese von Warfarin, eine gemeinsame Antikoagulans zu verbessern. Die vorherigen Syntheseweg angeführte chemische Auflösung (ein von Natur aus verschwenderisch Prozess) von racemischem Mischung das aktivere Enantiomer (S) zu leisten-Warfarin in 19 % Ausbeute. Jetzt mit Hilfe von asymmetrischen Organokatalyse, (S)-Warfarin kann jetzt ohne chemische Auflösung in 99 % Ausbeute über Iminium Katalyse zugegriffen werden.

Figure 2
Abbildung 2: (S)-Warfarin.

Das antivirale Medikament Tamiflu, das verwendet wird, um die Grippe zu behandeln hat mit Organokatalyse synthetisiert worden. Diese Synthese nutzt eine häufige Art von Organocatalyst, Katalysator Prolinol abgeleitet. Der Organocatalyzed Michael Zusatz setzt zwei von den drei notwendigen Stereozentren in Tamiflu gefunden.

Figure 3
Abbildung 3: Die antiviralen Medikamente Tamiflu.

Figure 2

  1. Fügen Sie (S)-Prolin (40 mg, 0,35 Mmol, 0,35-Äquivalente), Acetonitril (MeCN, 5 mL) und die Diketone (126 mg, 1 Mmol, 1 Äquivalent) in ein Rundboden-Kolben (~ 20 mL) mit einer magnetischen Stir Bar ausgestattet.
  2. Rühren Sie die Reaktionsmischung bei 35 ° C für 30 min.
  3. 3-Buten-2-One (105 mg, 1,5 Mmol, 1,5-Äquivalente) tropfenweise bei 35 ° C und rühren bei gleicher Temperatur für 1 Woche.
  4. Die Reaktion auf Raumtemperatur abkühlen und stillen durch Zugabe von ~ 5 mL gesättigte wässrige Ammoniumchlorid.
  5. Die wässrige Schicht mit Diethylether extrahiert.
  6. Die kombinierten organischen Schichten mit Salzwasser zu waschen und trocknen mit wasserfrei Magnesiumsulfat.
  7. Filtern der Magnesium-Sulfat und über rotatorische Verdunstung zu konzentrieren.
  8. Reinigen Sie die grobe Rückstände durch Säulenchromatographie.

Organokatalysatoren sind niedrige Kosten und geringer Toxizität Alternative zu den Übergangsmetallen, und im Vergleich zu Enzyme sind leichter synthetisiert und erhalten.

Organokatalyse beinhaltet kleine organische Moleküle, die Interaktion mit chemischen Spezies, Reaktionen zu beschleunigen, ohne verbraucht zu werden.

Dieses Video wird die Grundsätze der Organokatalyse, ein Verfahren demonstriert eine Enamine katalysierten Reaktion und einige Anwendungen der Organokatalyse zu veranschaulichen.

Organokatalysatoren können durch ihre Interaktionen mit Edukt Moleküle klassifiziert werden. In kovalenten Interaktionen bilden Katalysatoren ein reaktives Zwischenprodukt über eine vorübergehende kovalente Bindung in einem Schritt als Aktivierung bezeichnet. Diese Verbindungen aktiviert, dann fahren Sie mit weiter reagieren. Der Prozess wird abgeschlossen mit der Erholung der Organokatalyse Molekül.

Lewis-Basen, Verbindungen, die in der Regel Elektron Spender sind, sind die häufigste Art der Organocatalyst aufgrund ihrer Vielseitigkeit. Beispielsweise verbessern Enamine Katalysatoren Nucleophilicity, selektiven Alkylierung und Aldol Reaktionen ermöglichen. Iminium, ein weiterer Amin-basierten Katalysator dient zur Verbesserung der Electrophilicity der Reaktanden, Michael Ergänzungen oder Cycloadditions zu fördern.

Diese Katalysatoren können auch für bestimmte Stereoisomer Produkte in einem Prozeß bekannt als asymmetrische Katalyse auswählen. Eines der ersten Beispiele dafür war eine Aldol-Reaktion katalysiert durch Prolin, eine chirale Aminosäure.

Prolin Staatsanleihen kovalent an ein Keton, Freisetzung von Wasser und erzeugen eine chirale Enamine. Daraus resultiert eine stärkere nucleophil, die Stereoselective Aldol Reaktion initiiert. Die in diesem Beispiel gezeigte Reaktion ist wichtig für die Produktion der Vorläufer für die Synthese von Steroiden.

Nun, da wir die Grundsätze der Organokatalyse wir behandelt haben schauen Sie sich ein Verfahren für eine (S)-Prolin katalysiert Aldol-Reaktion.

Erstens bringen Sie die Reaktanden und Glaswaren der Dunstabzugshaube. Fügen Sie die Reagenzien auf einen 20-mL unteren Kolben mit einer magnetischen Stir Bar Runden. Dann rühren Sie die Mischung bei 35 ° C für 30 Minuten.

Fügen Sie 105 mg 3-Buten-2-One tropfenweise dazugeben, unter Beibehaltung der Temperatur. Lassen Sie die Reaktion für eine Woche bei 35 ° c gerührt

Nach eine Woche bestanden hat, die Reaktion auf Raumtemperatur abkühlen lassen und dann durch Zugabe von ca. 5 mL gesättigte wässrige Ammoniumchlorid zu stillen.

Als nächstes Extrahieren der wässrigen Schicht durch Zugabe von 30 mL Diethylether. Trennen Sie die organischen und wässrigen Schichten mithilfe eines separatory Trichters.

Dann, die organischen Schichten mit einer gesättigten Kochsalzlösung waschen und trocknen mit wasserfrei Magnesiumsulfat. Entfernen Sie nach die Magnesium-Sulfat aus der Projektmappe über Filtration.

Als nächstes das Produkt mit rotary Verdunstung zu konzentrieren. Zu guter Letzt reinigen Sie die erhaltenen Reste über Säulenchromatographie.

Das erhaltene Produkt kann nun mit 1H NMR analysiert werden

Das Proton NMR des Produkts wird verwendet, um zu analysieren und die Gipfeln der Wieland-Miescher-Keton zu identifizieren. Die Anlage verfügt über insgesamt 14 Wasserstoffatome. Die downfield Singulett bei 5,85 ppm ist charakteristisch für die Alken Wasserstoff ein und integriert auf 1. In ihrer typischen Verschiebungen zwischen 2,78 und 1,65 ppm, Integration von insgesamt 10 Wasserstoffatome befinden sich Alkan Multiplets b, c, d und e . Schließlich ist die Methyl-Gruppe f die meisten Upfield Unterhemd mit einer Verschiebung von 1,45 ppm mit einer Integration der 3 Wasserstoffatome.

Nun, da wir uns ein Organokatalyse Verfahren mal angeschaut haben schauen Sie sich einige Anwendungen

Asymmetrische Organokatalyse ist ein unverzichtbarer Prozess für die Synthese von Arzneimittel zur Behandlung von geworden. Ein Beispiel ist die Herstellung von (S)-Warfarin, ein Antigerinnungsmittel, zur Behandlung von Blutgerinnseln. In der Vergangenheit setzte seine Synthese auf chirale Auflösung per Kristallisation oder Chromatographie von racemischem Mischungen. Dieser Prozess führte Renditen von rund 19 %. Mit Hilfe einer organischen chiralen Katalysator wurde die verschwenderische chiralen Lösungsprozess mit einer Synthese ersetzt, die Erträge von 99 % erreicht.

Ionische Flüssigkeiten sind Salze, die in der Regel im flüssigen Zustand bei Raumtemperatur vorhanden sind. Ionische Flüssigkeiten sind in vielen Forschungsbereichen einschließlich Organokatalyse Aufmerksamkeit. EMIMAc ist ein Beispiel für eine Verbindung, die organische Kationen und Anionen hat. In dieser Anwendung wird es als Katalysator in einer Stereoselective Synthese verwendet. Die hohe Stabilität, geringe Volatilität und nicht-Brennbarkeit von ionischen Flüssigkeiten macht sie eine sichere Reaktionsmedien, die zur stofflichen Wiederverwertung geeignet ist.

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