Sharpless-epoksidointi

Eri dietyylitartraatin enantiomeerien käyttö Sharpless-epoksidoinneissa johtaa epoksidin eri enantiomeerien syntymiseen

Sharpless-epoksidointi on stereoselektiivinen kemiallinen reaktio, jossa allyylisen alkoholin kaksoissidos hapetetaan orgaanisen peroksidin, kiraalisen tartraattiesterin ja titaanikatalyytin avulla epoksidiksi. Reaktiota käytetään useissa luonnonainesynteeseissä sen erittäin hyvän selektiivisyyden ja suhteellisen halpuuden vuoksi.[1][2][3][4] Reaktion on kehittänyt K. Barry Sharpless yhdessä Tsutomu Katsukin kanssa ja he julkaisivat sen ensimmäistä kertaa vuonna 1980[5].

Lähtöaineet, reagenssit ja mekanismi

Sharpless-epoksidoinneissa hyvän enantioselektiivisyyden saavuttamiseksi lähtöaineen tulee olla allyylinen alkoholi. Alkoholin kaksoissidos voi olla mono-, di-, tri- tai tetrasubstituoitu eli siinä voi olla liittyneenä yhdestä neljään muuta ryhmää kuin vetyatomeja. Tavanomaiset alkeenit ilman alyylisessä asemassa olevaa hydroksyyliryhmää eivät reagoi selektiivisesti Sharpless-epoksidoinneilla, koska titaanikatalyytti vaatii koordinoituakseen alkeeniin hydroksyyliryhmän. Epoksidoivana hapettimena Sharpless-epoksidoinneissa käytetään tyypillisimmin tert-butyylihydroperoksidia tai kumeenihydroperoksidia, tartraattiesterinä joko dietyylitartraattia tai di-isopropyylitatraattia, joista molemmista on saatavina sekä (+)- että (-)-enantiomeerit ja titaanikatalyyttinä titaani-isopropoksidia.[1][2][3][4]

Sharpless-epoksidoinnin katalyyttisesti aktiivinen kompleksi

Sharpless-epoksidoinneissa katalyyttisesti aktiivinen kompleksi muodostuu siten, että tartraattiesteri korvaa kahdesta tiataani-isopropoksidimolekyylistä kaksi isopropoksidiligandia ja muodsotaa dimeerisen kompleksin. Tartraattiesteri sitoutuu titaaniin yhdellä hydroksyyliryhmällä ja yhdellä karbonyyliryhmällä. Tämän jälkeen hapettimena toimiva orgaaninen peroksidi sitoutuu titaaniin korvaten yhden isopropoksidi-ligandin ja tartraattiesterin karbonyyliryhmän. Neljäs isopropoksidiligandi korvautuu, kun allyylisen alkoholin hydroksyyliryhmä korvaa sen. Näin on muodostunut katalyyttisesti aktiivinen kompleksi, joka siirtää happiatomin orgaaniselta peroksidilta allyylisen alkoholin kaksoissidokseen muodostaen epoksidin.[1][2][3][4] Kiraaliset tartraattiesteriligandit muodostavat kompleksiin steeristä estettä siten, että allyylinen alkoholi voi kiinnittyä vain yhdeltä suunnalta ja tuote on pääasiassa vain yhtä enantiomeeria. Sharpless-epoksidointien enantioylimäärä voi olla lähes 100%. Muodostuvan enantiomeerin stereokemia riippuu ainoastaan käytetyn tartraattiesterin stereokemiasta[3][1]. (R,R)- eli (-)-isomeeri tartraattiestereistä, johtaa eri epoksidienantiomeerin muodostumiseen kuin (S,S)-eli (+)-isomeeri[1].

(-)-tartraattiesterin käyttö Sharpless-epoksidoinneissa johtaa epoksidin muodostumiseen re-puolelle ja (+)-enantiomeerin käyttö muodostaa epoksidin si-puolelle.

Sharpless-epoksidoinnin käyttö ja rajoitukset

Sharpless-epoksidointeja voidaan käyttää useiden luonnoaineiden ja lääkeaineiden asymmetrisissä synteeseissä, esimerkiksi propranololin ja takrolimuusin synteeseissä. Suuressa mittakaavassa menetelmän käyttö on kuitenkin harvinaista ja tärkein useita tonneja vuodessa Sharpless-epoksidoinnilla valmistettava kemikaali on glysidoli. Sharpless-epoksidoinnin ongelmia ovat vaatimus allyylisen alkoholin käytöstä lähtöaineena, orgaanisten peroksidien käsittely ja muodostuvien epoksialkoholien vaikea puhdistettavuus. Tämän vuoksi asymmetriseen epoksidointiin on kehitetty myös muita menetelmiä kuten Jacobsen-epoksidointi.[1][3][2][6][7]

Lähteet

  1. ↑ a b c d e f Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren: Organic Chemistry, s. 1120–1122. Oxford University Press, 2012. ISBN 978-0-19-927029-3 (englanniksi)
  2. ↑ a b c d Michael B. Smith & Jerry March: March's Advanced Organic Chemistry, s. 1177. John Wiley & Sons, 2007. ISBN 978-0-471-72091-1 (englanniksi)
  3. ↑ a b c d e Francis A. Carey & Richard J. Sundberg: Organic Chemistry B: Reactions and synthesis, s. 196–199. Springer, 2007. ISBN 978-0-387-68350-8 (englanniksi)
  4. ↑ a b c Ari M. P. Koskinen: Asymmetric Synthesis of Natural Products, s. 105–106. (2. painos) John Wiley & Sons, 2012. ISBN 978-1-119-97669-1 (englanniksi)
  5. ↑ Tsutomu Katsuki & K. Barry Sharpless: The first practical method for asymmetric epoxidation. Journal of The American Chemical Society, 1980, 102. vsk, nro 18, s. 5974–5976. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 8.7.2014. (englanniksi)
  6. ↑ Donald T. Witiak & Allen T. Hopper: Pharmaceuticals, Chiral, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2000. Viitattu 8.7.2014
  7. ↑ Hans-Ulrich Blaser, Andreas Pfaltz & Helma Wennemers: Chiral Compounds, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2012. Viitattu 8.7.2014