Epoxidación Shi - Shi epoxidation
La epoxidación de Shi es una reacción química descrita como la epoxidación asimétrica de alquenos con oxona (peroximonosulfato de potasio) y un catalizador derivado de fructosa ( 1 ). Se cree que esta reacción se produce a través de un intermedio de dioxirano , generado a partir del catalizador cetona por oxona (peroximonosulfato de potasio). La adición del grupo sulfato por la oxona facilita la formación del dioxirano actuando como un buen grupo saliente durante el cierre del anillo. Es notable por el uso de un catalizador no metálico y representa un ejemplo temprano de organocatálisis . La reacción fue descubierta por primera vez por Yian Shi (史一安, pinyin : Shǐ Yī-ān) de la Universidad Estatal de Colorado en 1996.
Breve trasfondo histórico
Se hicieron muchos intentos de síntesis de un catalizador no metálico eficaz antes de que se descubriera uno. El problema de los catalizadores anteriores era la rápida descomposición / oxidación del intermedio dioxirano y la falta de electrofilia de la cetona reactiva. Se propusieron cetonas aromáticas y se usaron muchas variaciones posteriores de sales de oxoamonio , pero no fueron efectivas para promover la epoxidación debido a la inestabilidad oxidativa de los grupos amida y la alta flexibilidad de los anillos de siete miembros. La enantioselectividad de estos primeros catalizadores también se redujo debido a las grandes distancias entre las subunidades asimétricas y los centros de reacción, produciendo menos del 10 por ciento en exceso enantiomérico .
El catalizador descubierto por el grupo de Yian Shi en 1996 se derivó de la D-fructosa y tiene un centro estereogénico cerca del centro de reacción (cetona): la estructura de anillo rígido de seis miembros del catalizador y el grupo de anillo cuaternario adyacente minimiza la epimerización de este estereocentro. . La oxidación por el catalizador de dioxirano activo tiene lugar desde la cara si , debido al impedimento estérico de la cara opuesta. Este catalizador funciona eficazmente como un catalizador asimétrico para trans-olefinas no funcionalizadas.
Formación de catalizador de dioxirano
En condiciones normales de pH, se necesita un exceso de 3 cantidades estequiométricas de catalizador de cetona debido a una alta tasa de descomposición. En condiciones de pH básico superiores a 10 (pH 10,5) se necesitan cantidades subestequiométricas (0,2-0,3) para las epoxidaciones, lo que reduce la descomposición de los reactivos al desfavorecer la reacción secundaria de Baeyer-Villiger. Las temperaturas más altas dan como resultado una mayor descomposición; por tanto, se utiliza una temperatura baja de cero grados Celsius.
La descomposición de los reactivos es bimolecular ( velocidad de reacción de segundo orden ), por lo que se utilizan cantidades bajas de oxona y catalizador.
La reacción está mediada por un catalizador derivado de D-fructosa, que produce el enantiómero (R, R) del epóxido resultante. Las solubilidades del sustrato orgánico de olefina y el oxidante (oxona) difieren y, por tanto, se necesita un medio bifásico . La generación de la especie de catalizador activo tiene lugar en la capa acuosa y se transporta a la capa orgánica con los reactivos mediante sulfato de tetrabutilamonio. El catalizador de cetona se regenera continuamente en un ciclo catalítico y, por tanto, puede catalizar la epoxidación en pequeñas cantidades.
El primer paso en la reacción del ciclo catalítico es la reacción de adición nucleofílica de la oxona con el grupo cetona en el catalizador (intermedio 1). Esto forma la especie intermedia reactiva número 2, el intermedio de Criegee que potencialmente puede conducir a reacciones secundarias no deseadas, como la reacción de Baeyer-Villiger (ver más abajo). La generación de la especie intermedia número 3 se produce en condiciones básicas, con la eliminación del hidrógeno del grupo hidroxi para formar un anión de oxígeno nucleófilo. El grupo sulfato facilita la formación posterior del dioxirano, especie intermedia número 4, actuando como un buen grupo saliente durante la ciclación 3-exo-trig . La especie catalítica de dioxirano activado luego transfiere un átomo de oxígeno al alqueno, lo que lleva a la regeneración del catalizador original.
Reacciones secundarias
Una posible reacción secundaria que puede ocurrir es la reacción de Baeyer-Villiger del intermedio 2, donde hay una reordenación del grupo peroxi que da como resultado la formación del éster relativo. La extensión de esta reacción secundaria disminuye con el aumento del pH y aumenta la nucleofilia de la oxona, lo que hace que las condiciones básicas sean favorables para la epoxidación y reactividad generales de las especies catalíticas.
Mecanismo de epoxidación
El oxígeno del grupo dioxirano generado en el catalizador orgánico se transfiere al alqueno, en lo que se cree que es un mecanismo concertado, aunque puede ocurrir la presencia de un anión de oxígeno intermedio a través de un mecanismo S n 2 .
Preparación de derivado de D-fructosa
El catalizador se forma por reacción con acetona en condiciones básicas, con los grupos hidroxilo del anillo de fructosa actuando como nucleófilos, su nucleofilia aumentada por las condiciones básicas creadas por el carbonato de potasio . Los sustituyentes aceptores de electrones (grupos alfa-éter) fomentan la formación de la cetona a partir del agente oxidante clorocromato de piridinio aumentando la electrofilicidad del carbono del carbonilo, a través de una deslocalización estabilizadora de los enlaces π CC que se forman en los enlaces σ * CO de los enlaces adyacentes. éteres.
Estados de transición y selectividad enantiomérica
Hay dos estados de transición propuestos, cuyas geometrías se especulan y no corroboran con evidencia experimental, pero se atribuyen a efectos estereoelectrónicos . El estado de transición espiro se ve favorecido sobre el plano debido a que los orbitales no enlazantes del oxígeno superior donan a los orbitales CC anti enlace π * del alqueno reaccionante, proporcionando una deslocalización estabilizadora de electrones.
La donación de estos electrones en la formación de enlaces CO σ de los enlaces epóxido también fomenta la formación del producto espiro (la geometría del producto también está alineada). La configuración plana está desfavorecida debido a la falta de unión por retroceso de pi y al impedimento estérico de los grupos alquilo con grandes grupos funcionales alquilo del anillo catalítico.
Las configuraciones mencionadas anteriormente se favorecen sobre los estados de transición de los enantiómeros opuestos debido a interacciones estéricas desfavorables entre los grupos R-alquilo (ver más abajo) y los grupos funcionales éter-alquilo del anillo catalizador.
El éxito enantiomérico de esta epoxidación es relativamente alto en comparación con los catalizadores metálicos, y generalmente da como resultado un alto exceso enantiomérico que excede el 80 por ciento.
Rendimiento de reacción y estereoselectividad
Este procedimiento genera epóxidos con altos excesos enantioméricos a partir de alquenos disustituidos en trans y alquenos trisustituidos. Los alquenos y estirenos cis-disustituidos se epoxidan asimétricamente usando un catalizador similar. La generación de epóxidos (R, R) a partir de los alquenos correspondientes aumenta la estereoselectividad con un volumen estérico aumentado de los grupos R sustituyentes (especialmente en trans-olefinas).
Referencias
- ^ Un método de epoxidación asimétrica catalítica eficienteZhi-Xian Wang, Yong Tu, Michael Frohn, Jian-Rong Zhang y Yian Shi J. Am. Chem. Soc. 1997,119 (46), 11224-11235. (doi:10.1021 / ja972272g)
- ^ Frohn, M .; Shi, Y.Synthesis 2000,14, 1979-2000doi:10.1055 / s-2000-8715. (Revisar)
- ^ Tian, H .; Ella, X .; Shu, L .; Yu, H .; Shi, Y. J. Am. Chem. Soc. 2000,122, 11551-11552. (doi:10.1021 / ja003049d)
- ^ Tian, H .; Ella, X .; Xu, J .; Shi, Y. Org. Letón. 2001,3, 1929-1931. (doi:10.1021 / ol010066e)
- Epoxidación Shi < https://www.organic-chemistry.org/namedreactions/shi-epoxidation.shtm >
- Dinamarca, Wu, et al. "El desarrollo de dioxiranos quirales, no racémicos para la epoxidación catalítica, enantioselectiva de alquenos". (13 de abril de 1999) < https://www.thieme-connect.de/products/ejournals/pdf/10.1055/s-1999-3123.pdf >
- Frohn, Shi, Tu, Wang, Zhang y col. "Un método de epoxidación asimétrica eficiente". (8 de julio de 1997) < http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja972272g >
- Shi, Wang y col. "Un nuevo tipo de catalizador de cetona para epoxidación asimétrica". (12 de septiembre de 1997). < http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jo971701q >