Overview
מקור: Vy M. דונג ופאבן קרוז, המחלקה לכימיה, אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, קליפורניה
ניסוי זה ידגים את הרעיון של organocatalysis על ידי המחשת ההתקנה הנכונה של תגובה המשתמשת קטליזה enamine. Organocatalysis הוא צורה של קטליזה המשתמשת בכמויות תת-סטויצ'יומטריות של מולקולות אורגניות קטנות כדי להאיץ את התגובות. סוג זה של קטליזה משלים צורות אחרות של קטליזה כגון מתכת מעבר או ביוקטליזה. קטליזת מתכת מעבר כרוכה מתכות מעבר כמו זרזים ביוקטליזה משתמש אנזימים כזרזים. כמה יתרונות של organocatalysis כוללים את הרעילות הנמוכה ואת העלות של organocatalysts בהשוואה זרזים מתכת רבים. בנוסף, רוב organocatalysts אינם רגישים לאוויר ולחות, בניגוד זרזים מתכת. בניגוד לאנזימים שנמצאו באורגניזמים חיים, המולקולות הקטנות הפועלות כאורגנוקטלים בדרך כלל קלות לגישה. יתר על כן, organocatalysis מציע תגובתיות משלימה וחדשה לא נצפתה עם צורות אחרות של קטליזה.
Principles
אורגנוקטליסטים ניתן לחלק לארבע קטגוריות בהתבסס על סוג הזרז. רוב האורגנוקטלים יכולים להיות מתוארים כבסיסי לואיס, חומצות לואיס, בסיסים ברונסטד, או חומצות ברונסטד. קטגוריות organocatalyst אלה מתארות את אופן ההפעלה שבאמצעותו הזרז פועל כדי להקל על קטליזה. בנוסף לאמצעי הפעלה שונים אלה, organocatalysts יכולים לקיים אינטראקציה עם מצעים באמצעות אינטראקציות קוולנטיות או לא קוולנטיות; לשניהם יש את היתרונות והחסרונות שלהם. בדרך כלל, אינטראקציות קוולנטיות קלות יותר לשליטה ובכך לחזות. לעתים קרובות, זרזים המנצלים אינטראקציות שאינן קוולנטיות דורשים טעינות זרז נמוכות יותר בהשוואה לאלה הפועלות באמצעות אינטראקציות קוולנטיות.
בסיסים לואיס, במיוחד אמינים, הם הסוג הנפוץ ביותר של organocatalyst. מספר סוגים של תגובתיות הושגו רק באמצעות זרז אמין. לדוגמה, ניתן להדגיש את הנוקלופיליות של הגרעין באמצעות זרז אנמין כדי לבצע אלקיליות סלקטיביות או תגובות אלדול. זרזים מבוססי אמין יכולים גם לשפר את האלקטרופיליות של מצעים באמצעות קטליזה iminium כדי לקדם תוספות מייקל או cycloadditions. זרזים מבוססי אמין יכולים אפילו לשמש כזרזים להעברת פאזה כדי לתווך תגובות בין שני שלבים בתקשורת.
בנוסף להפעלת מצע, זרזים אלה יכולים גם להכניס כיראליות למוצרים שהם יוצרים, במושג הנקרא קטליזה אסימטרית. אחת הדוגמאות הראשונות לאורגנוקטליזה אסימטרית השתמשה בחומצת אמינו כיראלית, פרולין, כדי לזרז תגובת אלדול(איור 1). פרולין מתמצת על אחד הקטונים כדי ליצור אנמין כיראלי. בעשותו כן, organocatalyst מייצר נוקלאופילי חזק יותר ומציג כיראליות כך שתגובת אלדול יכולה להיות סטריאו-סלקטיבית. הדוגמה המתוארת היא תגובת האגוס-פאריש-אצ'ר-סאואר-ויצ'ארט. המוצר של תגובה זו הוא הקדמה חשובה עבור סינתזה של מוצרים טבעיים סטרואידים ונגזרותיהם.
איור 1: אחת הדוגמאות הראשונות לאורגנוקטליזה אסימטרית השתמשה בחומצת אמינו כיראלית, פרולין, כדי לזרז תגובת אלדול.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
- הוסף (S)-פרולין (40 מ"ג, 0.35 mmol, 0.35 שווה ערך), acetonitrile (MeCN, 5 מ"ל), ואת diketone (126 מ"ג, 1 mmol, 1 שווה ערך) בקבוקון עגול התחתון (~ 20 מ"ל) מצויד מוט ערבוב מגנטי.
- מערבבים את תערובת התגובה ב 35 °C (30 °F) במשך 30 דקות.
- הוסף 3-buten-2-אחד (105 מ"ג, 1.5 mmol, 1.5 שווה ערך) טיפה ב 35 °C (5 °F) ומערבבים באותה טמפרטורה במשך שבוע אחד.
- מצננים את התגובה לטמפרטורת החדר ומרווים על ידי הוספת ~ 5 מ"ל של אמוניום כלוריד מימי רווי.
- לחלץ את השכבה מימית עם אתר דיאתיל.
- לשטוף את השכבות האורגניות המשולבות עם מי מלח ויבש עם מגנזיום גופרתי נטול מים.
- מסננים את המגנזיום גופרתי ומתרכזים באמצעות אידוי סיבובי.
- לטהר את השאריות הגולמיות באמצעות כרומטוגרפיה עמודה.
Organocatalysts הם עלות נמוכה ורעילות נמוכה חלופה מתכות מעבר, וכאשר בהשוואה אנזימים, הם מסונתזים בקלות רבה יותר ומתקבלים.
Organocatalysis כרוך מולקולות אורגניות קטנות אינטראקציה עם מינים כימיים כדי להאיץ תגובות מבלי להיות נצרך.
וידאו זה ימחיש את העקרונות של organocatalysis, הליך המדגים תגובה מזורזת enamine, וכמה יישומים של organocatalysis.
Organocatalysts יכול להיות מסווג על ידי האינטראקציות שלהם עם מולקולות מגיבות. באינטראקציות קוולנטיות, זרזים יוצרים ביניים תגובתי באמצעות קשר קוולנטי חולף בשלב המכונה הפעלה. תרכובות מופעלות אלה ואז להמשיך להגיב עוד. התהליך משלים עם ההתאוששות של מולקולת האורגנוקטליזה.
בסיסים לואיס, תרכובות כי הם בדרך כלל תורמי אלקטרונים, הם הסוג הנפוץ ביותר של organocatalyst בשל הרבגוניות שלהם. לדוגמה, זרזים enamine לשפר נוקלופיליות, המאפשר אלקליציה סלקטיבית ותגובות אלדול. Iminium, עוד זרז מבוסס אמין, משמש כדי לשפר את האלקטרופיליות של מגיבים כדי לקדם תוספות מייקל או cycloadditions.
זרזים אלה יכולים גם לבחור עבור מוצרים סטריאואיסומר מסוימים בתהליך המכונה קטליזה אסימטרית. אחת הדוגמאות הראשונות לכך הייתה תגובת אלדול מזורזת על ידי פרולין, חומצת אמינו כיראלית.
פרולין נקשרת באופן קוולנטי לקטון, משחררת מים ויוצרת אנמין כיראלי. התוצאה היא נוקלאופילי חזק יותר היוזם תגובת אלדול סטריאו-סלקטיבית. התגובה המוצגת בדוגמה זו חשובה לייצור הקדמה לסינתזה של סטרואידים.
עכשיו שכיסינו את העקרונות של organocatalysis בואו נסתכל על הליך לתגובת אלדול מזורזת (S)-פרולין.
ראשית, הביאו את המגיבים וכלי הזכוכית למכסה המנוע. מוסיפים את ריאגנטים לבקבוקון תחתון עגול 20 מ"ל עם מוט ערבוב מגנטי. לאחר מכן, מערבבים את התערובת ב 35 °C (30 °F) במשך 30 דקות.
לאחר מכן להוסיף 105 מ"ג של 3-buten-2-אחד טיפה אחת לתערובת, תוך שמירה על הטמפרטורה. השאירו את התגובה לערבב במשך שבוע אחד ב 35 °C (5 °F).
לאחר שבוע עבר, לקרר את התגובה לטמפרטורת החדר, ולאחר מכן להרוות אותו על ידי הוספת כ 5 מ"ל של אמוניום כלוריד מימי רווי.
לאחר מכן, לחלץ את השכבה מימית על ידי הוספת 30 מ"ל של אתר דיאתיל. הפרד את השכבות האורגניות והמ מימיות באמצעות משפך מפריד.
לאחר מכן, לשטוף את השכבות האורגניות עם תמיסת נתרן כלורי רווי, ולייבש עם מגנזיום גופרתי נטול מים. לאחר מכן, להסיר את מגנזיום גופרתי מן הפתרון באמצעות סינון.
לאחר מכן, לרכז את המוצר באמצעות אידוי סיבובי. לבסוף, לטהר את השאריות שהושגו באמצעות כרומטוגרפיה עמודה.
כעת ניתן לנתח את המוצר המתקבל באמצעות 1H NMR
הפרוטון NMR של המוצר משמש כדי לנתח ולזהות את הפסגות של קטון Wieland-Miescher. לתרכובת יש בסך הכל 14 מימנים. הסינגל downfield ב 5.85 ppm אופייני אלקן מימן a ומשתלב 1. כפולות האלקין b, c, d ו- e נמצאות במשמרות הטיפוסיות שלהן הנעות בין 2.78 ל- 1.65 ppm, ומשתלבות בסך הכל ב- 10 מימנים. לבסוף, קבוצת המתיל f היא הסינגל הכי upfield עם תזוזה של 1.45 ppm עם שילוב של 3 מימנים.
עכשיו שבדקנו הליך organocatalysis בואו נסתכל על כמה יישומים
organocatalysis אסימטרי הפך תהליך הכרחי עבור סינתזה של תרכובות פרמצבטיות. דוגמה אחת היא הייצור של (S)-קומדין, נוגד קרישה המשמש לטיפול בקרישי דם. בעבר, הסינתזה שלה הסתמכה על רזולוציה כיראלית, באמצעות התגבשות או כרומטוגרפיה, מתערובות גזעיות. תהליך זה הניב תשואות של כ-19%. בעזרת זרז כיראלי אורגני, תהליך פתרון כיראלי בזבזני הוחלף בסינתזה המשיגה תשואות של 99%.
נוזלים יוניים הם מלחים הקיימים בדרך כלל במצב הנוזלי בטמפרטורת החדר. נוזלים יוניים צוברים תשומת לב בתחומי מחקר רבים כולל organocatalysis. EMIMAc היא דוגמה לתרכובת שיש לה סיעות אורגניות ואניונים. ביישום זה הוא משמש כזרז בסינתזה סטריאו-סלקטיבית. היציבות הגבוהה, התנודתיות הנמוכה וחוסר הדליקות של נוזלים יוניים הופכים אותם למדיית תגובה בטוחה המתאימה למיחזור.
הרגע צפית בסרטון של ג'וב על אורגנוקטליזה. וידאו זה כיסה organocatalysis, הליך כללי, וכמה יישומים. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
המוצר המטוהר צריך להיות ספקטרום 1H NMR הבא: 1H NMR δ 5.88 (1H, s), 2.6-2.7 (2H, m), 2.3-2.55 (4H, m), 2.0-2.2 (2H, מ '), 1.6-1.8 (2H, מ '), 1.4 (3H, s).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ניסוי זה הדגים כיצד להגדיר תגובה מזורזת enamine. בהשוואה לצורות אחרות של קטליזה, organocatalysis הוא תחום מחקר צעיר יחסית, אך בשנים האחרונות תחום האורגנוקטליזה חווה צמיחה דרמטית. העניין המוגבר באורגנוקטליזה הוליד גם מחקר שעושה שימוש ביותר מסוג אחד של קטליזה כדי להשיג סוגים חדשים של תגובתיות. לדוגמה, יש כבר דיווחים מוגברים של שימוש organocatalysis בשילוב עם קטליזה מתכת המעבר.
אורגנוקטליזה אסימטרית שימשה לשיפור הסינתזה של קומדין, נוגד קרישה נפוץ. המסלול הסינתטי הקודם הסתמך על רזולוציה כימית (תהליך בזבזני מטבעו) של התערובת הגזעית כדי להרשות לעצמו את האננטיומר הפעיל יותר (S) קומדין בתפוקה של 19%. עכשיו בעזרת organocatalysis אסימטרי, (S)-קומדין ניתן כעת לגשת ללא רזולוציה כימית בתפוקה של 99% באמצעות קטליזה iminium.
איור 2: (S)-וורפרין.
התרופה האנטי ויראלית, טמיפלו, המשמשת לטיפול בשפעת כבר מסונתז באמצעות organocatalysis. סינתזה זו עושה שימוש בסוג נפוץ של organocatalyst, זרז שמקורו בפרולינול. התוספת של מייקל האורגנוקליז קובעת שניים מתוך שלושת הסטריאוטיפים הדרושים שנמצאו בטמיפלו.
איור 3: התרופה האנטי-ויראלית, טמיפלו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
