Johnsonova–Coreyova–Čajkovského reakce
Johnsonova–Coreyova–Čajkovského reakce (někdy také nazývaná Coreyova–Čajkovského reakce, zkráceně CCR) je organická chemická reakce používaná na přípravu epoxidů, aziridinů a cyklopropanů. Objevil ji A. William Johnson v roce 1961 a o její výrazné rozvinutí se postarali Elias James Corey a Michael Chaykovsky. Reakce spočívá v adici sirného ylidu na keton, aldehyd, imin nebo enon za vzniku příslušného tříčlenného kruhu. Reakce vykazuje stereoselektivitu ve prospěch trans substituce, a to nezávisle na stereochemii výchozích látek. Tvorba epoxidů tímto způsobem je významnou retrosyntetickou alternativou běžných epoxidačních reakcí alkenů.
Takto se nejčastěji připravují epoxidy přesunem methylenové skupiny, což bylo využito v několika totálních syntézách (viz oddíl Syntéza epoxidů). Bylo vydáno několik článků zabývajících se touto reakcí.[1][2][3][4][5][6]
Historie
[editovat | editovat zdroj]V původním článku popsal A. William Johnson reakce 9-dimethylsulfoniumfluorenylidu se substituovanými deriváty benzaldehydu. Pokus o provedení Wittigovy reakce byl neúspěšný a jako produkt se místo toho vytvořil benzalfluorenoxid.[7]
Následný rozvoj (dimethyloxosulfaniumyl)methanidu, (CH3)2SOCH2 a (dimethylsulfaniumyl)methanidu, (CH3)2SCH2 (známých jako Coreyova–Čajkovského činidla) jako činidel zprostředkovávajících přenosy methylenových skupin umožnil zařadit tuto reakci mezi významné součásti organické syntézy.[8]
Mechanismus
[editovat | editovat zdroj]Mechanismus Johnsonovy–Coreyovy–Čajkovského reakce obsahuje nukleofilní adici ylidu na karbonylovou nebo iminovou skupinu. Záporný náboj se přesouvá na heteroatom a protože sulfoniový kation patří mezi dobré odstupující skupiny, tak se oddělí a dojde k tvorbě kruhu. U podobné Wittigovy reakce tvorba výrazně silnější dvojné vazby fosfor-kyslík zabraňuje vzniku oxiranu a dochází k alkenaci přes čtyřčlenný cyklický meziprodukt.[4]
Trans diastereoselektivita je způsobena nevratností úvodní adice, která způsobuje, že je rovnováha posunuta směrem k anti betainu oproti syn betainu. Adicí ylidu vznikne betain se sousedícími náboji; na základě výpočtů podle teorie funkcionálu hustoty se ukázalo, že krokem určujícím rychlost reakce je rotace centrální vazby vytvářející konformer potřebný k atakování sulfoniového iontu ze zadní strany.[1]
_V2.png)
Míra vratnosti počátečního kroku (a tedy i diastereoselektivity, která se zvyšuje s rostoucí nevratností) závisí na čtyřech faktorech:[1]
- Stabilitě substrátu: stabilnější substráty vedou k vyšší vratnosti ve prospěch výchozích materiálů oproti betainu.
- Stabilita ylidu: obdobně jako u substrátů i stabilnější ylidy zvyšují vratnost.
- Sterické efekty u betainu ovlivňují vratnost znevýhodněním tvorby meziproduktu a zpomalením rotace centrální vazby, která určuje rychlost reakce.
- Solvatace nábojů betainu protiionty, například Li+: větší míra solvatace ulehčuje rotaci betainu, čímž se vratnost snižuje.
Rozsah
[editovat | editovat zdroj]Využití Johnsonovy–Coreyovy–Čajkovského reakce v organické syntéze je široké. Patří pod ní množství reakcí sirných ylidů s elektrofily, i mnoho těch, které nebyly popsány v původních pracích. Je součástí řady totálních syntéz, z nichž jsou některé uvedeny níže, a je v rámci organické chemie považována za silný nástroj.
Druhy ylidů
[editovat | editovat zdroj]
Ylidy mohou obsahovat mnoho různých funkčních skupin, a to jak na aniontovém uhlíku, tak i na atomu síry. Tyto substituenty mohou mít vliv na snadnost přípravy reaktantů (používají se především sulfoniumhalogenidy, jako je trimethylsulfoniumjodid) a rychlost reakce. Na obrázku vpravo je zobrazen obecný vzorec takového ylidu.[1]
Při použití sulfoxoniových iontů (obsahujících oproti sulfoniovým navíc kyslík vázaný dvojnou vazbou) je příprava činidla snazší a postačují slabší zásady než u sulfoniumylidů. Sulfoniové ionty reagují pomaleji z důvodu vyšší stability. dialkylsulfoxidové vedlejší produkty reakcí sulfoxoniových iontů se navíc vyznačují výrazně nižší toxicitou a těkavostí a slabším zápachem než dialkylsulfidy vznikající ze sulfoniových sloučenin.[1]
Většina používaných reaktantů je monosubstituována na ylidovém uhlíku (kde R1 nebo R2 je atom vodíku). Disubstituované reaktanty jsou také popsány, ovšem používají se méně:[1]
- Reaktanty, které mají na ylidovém uhlíku navázány skupiny odtahující elektrony, se označují jako stabilizované ylidy. Reagují, podobně jako sulfoxoniové sloučeniny, mnohem pomaleji a obvykle se snadněji připravují. Tyto vlastnosti omezují jejich využití: například amidy se používají mnohem častěji než estery a jiné skupiny odtahující elektrony nemají v CCR téměř žádné využití; lépe je lze zapojit do Darzensových reakcí.
- Pokud je na ylidový uhlík navázána arylová nebo allylová skupina, tak se příslušný reaktant řadí mezi semistabilizované ylidy. Tato skupina je široce rozšířená, větší využití mají jen methylenové reaktanty (R1=R2=H). Druh navázané arylové skupiny může značně ovlivnit selektivitu reakce.
- Jestliže je na ylidový uhlík napojena alkylová skupina, pak sloučenina patří k nestabilizovaným ylidům. Na selektivitu má u těchto činidel největší vliv velikost alkylové skupiny.
R skupiny na síře jsou nejběžněji methylové, byly však použity i jiné a podařilo se tak provést i enantioselektivní CCR (viz Varianty). Velikost skupin může měnit také diastereoselektivitu u alicyklických substrátů.[1]
Syntéza epoxidů
[editovat | editovat zdroj]Reakcemi sirných ylidů s ketony a aldehydy vznikají epoxidy; tato oblast představuje nejrozšířenější způsob využití Johnsonovy–Coreyovy–Čajkovského reakce. Byly takto použity i složité substráty a „exotické“ ylidy.[9][10]
Johnsonovy–Coreyovy–Čajkovského epoxidace byly zahrnuty do několika významných totálních syntéz, například Danishefského totální syntézy taxolu, sloužící k přípravě protinádorového léčiva taxolu, a Kuehneovy totální syntézy strychninu, vytvářející pesticid strychnin.[11][12]
Syntéza aziridinů
[editovat | editovat zdroj]Tvorba aziridinů z iminů patří k dalším významným možnostem použití Johnsonovy–Coreyovy–Čajkovského reakce; představuje alternativu k přesunům aminových skupin z oxaziridinů. Nepoužívá se tak často, vyznačuje se ovšem podobným rozsahem substrátů a funkčních skupin jako karbonylová varianta. Níže jsou zobrazeny příklady; ve druhém z nich se aziridin vytváří in situ a otevírá se nukleofilním atakem, jehož produktem je odpovídající amin.[3][9]
Syntéza cyklopropanů
[editovat | editovat zdroj]Při adicích sirných ylidů na enony se se sulfoxoniovými sloučeninami obvykle dosahuje vyšší 1,4-selektivity, než u sulfonových. Lze zde použít mnoho různých skupin odtahujících elektrony, jako jsou ketony, estery a amidy (v příkladu níže je do reakce zapojen Weinrebův amid). U konjugovaných systémů většinou převládají 1,6-adice nad 1,4-adicemi.[3][9]
Ostatní reakce
[editovat | editovat zdroj]Sirné ylidy lze rovněž použít v řadě podobných homologačních reakcí, pro které se obvykle používá stejné označení.
- U epoxidů a aziridinů se takto rozšiřují kruhy za vzniku příslušných oxetanů a azetidinů. Dlouhá reakční doba zabraňuje tomu, aby šlo o významné vedlejší reakce při přípravách epoxidů a aziridinů.[9]
- Jsou známy cykloadice, v nichž ylidy slouží jako nukleofilní ekvivalenty karbenoidů.[9]
![[4+1] cykloadice s využitím Coreyova–Čajkovského činidla](/wiki/Soubor:CCR41.png)
- Také jsou popsány polymerizace s využitím trialkylboranů jako katalyzátorů a (dimethyloxosulfaniumyl)methanidu jako monomeru, použité k syntézám několika komplexních polymerů.[13]
Enantioselektivní varianty
[editovat | editovat zdroj]Výzkum enantioselektivních (tedy vytvářejících enantiomerní přebytek) Johnsonových–Coreyových–Čajkovského reakcí neustále probíhá. Použití chirálních sulfidů ve stechiometrických množstvích se ukázalo jako účinnější než odpovídající katalytické postupy, rozsah použitelných substrátů je ale v obou případech omezený. Katalytické varianty byly vyvinuty téměř výhradně pro enantioselektivní varianty; obvyklé organosulfidové reaktanty nejsou příliš nákladné a racemické reakce se dají provést s ekvimolárními množstvími ylidů, aniž by náklady výrazně vzrostly. Chirální sulfidy se obtížně a nákladně připravují, což katalytické enantioselektivní reakce znevýhodňuje.[2]
Stechiometrické reaktanty
[editovat | editovat zdroj]Níže jsou zobrazeny neúspěšněji využité stechiometrické reaktanty; prvním je bicyklický oxathian, použitý při syntéze β-adrenergní sloučeniny dichlorisoproterenolu, jeho využití je však omezeno tím, že je dostupný pouze v jednom enantiomeru. Při přípravě axiálního diastereomeru se využívá 1,3-anomerní efekt, který omezuje nukleofilitu ekvatoriálního volného elektronového páru. Konformace ylidu je omezená Prelogovým napětím a v důsledku sterických interakcí s methylovými substituenty se aldehyd k ylidu může přiblížit pouze z jedné strany.[5][2]
Další významný reaktant, odvozený od kafru, vyvinul Varinder Aggarwal. Oba enantiomery této sloučeniny se získávají snadno, i když výtěžky jsou menší než u oxathianu. Konformaci ylidu určují interakce s vodíkovými atomy na můstku spojujícím cykly a přístupu aldehydu zamezuje kafrová funkční skupina. Při reakci se používá fosfazen jako zásada, která vyvolává tvorbu ylidu.[5][2]
Katalytické reaktanty
[editovat | editovat zdroj]Katalytické reaktanty byly použity s menším úspěchem, většina reakcí měla nízkou výtěžnost a nebo špatnou enantioselektivitu. Také spektrum substrátů bylo omezené, obzvláště u přenosu methylenu, hlavně v rámci alifatických aldehydů. Bylo potřeba najít nukleofilní sulfid, který vytváří ylid s velkou účinností a současně je dobrou odstupující skupinou (pro tvorbu epoxidu). Protože jsou tyto vlastnosti v protikladu, tak se nalezení vhodného katalyzátoru ukázalo jako obtížné. Níže je zobrazeno několik nejúčinnějších katalyzátorů a výtěžnosti a enantiomerní přebytky při přípravě (E)-stilbenoxidu.[5][2]
Byl také vyvinut postup založený na stejném sulfidu a zahrnující také alkylaci pomocí in situ vytvořeného rhodiového karbenoidového katalyzátoru. Tato metoda měla také úzký rozsah substrátů, kdy neprobíhala s žádným elektrofilem majícím zásadité substituenty, protože se v takových případech objevovaly vedlejší reakce spotřebovávající karbenoidy.[2]
Odkazy
[editovat | editovat zdroj]Reference
[editovat | editovat zdroj]V tomto článku byl použit překlad textu z článku Johnson–Corey–Chaykovsky reaction na anglické Wikipedii.
- ↑ a b c d e f g V. K. Aggarwal; J. Richardson. The complexity of catalysis: origins of enantio- and diastereocontrol in sulfur ylide mediated epoxidation reactions. Chemical Communications. 2003, s. 2644–2651. DOI 10.1039/b304625g. PMID 14649793.
- ↑ a b c d e f V. K. Aggarwal; C. L. Winn. Catalytic, Asymmetric Sulfur Ylide-Mediated Epoxidation of Carbonyl Compounds: Scope, Selectivity, and Applications in Synthesis. Accounts of Chemical Research. 2004, s. 611–620. DOI 10.1021/ar030045f. PMID 15311960.
- ↑ a b c Y. G. Gololobov; A. N. Nesmeyanov; V. P. Lysenko; I. E. Boldeskul. Twenty-five years of dimethylsulfoxonium ethylide (corey's reagent). Tetrahedron. 1987, s. 2609–2651. DOI 10.1016/s0040-4020(01)86869-1.
- ↑ a b A.-H. Li; L.-X. Dai; V. K. Aggarwal. Asymmetric Ylide Reactions: Epoxidation, Cyclopropanation, Aziridination, Olefination, and Rearrangement. Chemical Reviews. 1997, s. 2341–2372. DOI 10.1021/cr960411r. PMID 11848902.
- ↑ a b c d V. K. Aggarwal; J. Gair Ford; Sílvia Fonguerna; Harry Adams; Ray V. H. Jones; Robin Fieldhouse. Catalytic Asymmetric Epoxidation of Aldehydes. Optimization, Mechanism, and Discovery of Stereoelectronic Control Involving a Combination of Anomeric and Cieplak Effects in Sulfur Ylide Epoxidations with Chiral 1,3-Oxathianes. Journal of the American Chemical Society. 1998-08-08, s. 8328–8339. DOI 10.1021/ja9812150.
- ↑ E. M. McGarrigle; E. L. Myers; O. Illa; M. A. Shaw; S. L. Riches; V. K. Aggarwal. Chalcogenides as Organocatalysts. Chemical Reviews. 2007, s. 5841–5883. DOI 10.1021/cr068402y. PMID 18072810.
- ↑ A. W. Johnson; R. B. LaCount. The Chemistry of Ylids. VI. Dimethylsulfonium Fluorenylide—A Synthesis of Epoxides. Journal of the American Chemical Society. 1961, s. 417–423. DOI 10.1021/ja01463a040.
- ↑ E. J. Corey; M. Chaykovsky. Dimethyloxosulfonium Methylide ((CH3)2SOCH2) and Dimethylsulfonium Methylide ((CH3)2SCH2). Formation and Application to Organic Synthesis. Journal of the American Chemical Society. 1965, s. 1353–1364. DOI 10.1021/ja01084a034.
- ↑ a b c d e Jack Jie Li. Named Reactions in Heterocyclic Chemistry. [s.l.]: John Wiley & Sons, 2005. Dostupné online. ISBN 9780471704140. S. 2–14.
- ↑ P. Mundy Bradford; Michael D. Ellerd; Frank G. Favaloro. Name Reactions and Reagents in Organic Chemistry. [s.l.]: John Wiley & Sons, 2005. Dostupné online. ISBN 9780471739869. S. 174–175, 743.
- ↑ S. J. Danishefsky, J. J. Masters, W. B. Young, J. T. Link, L. B. Snyder, T. V. Magee, D. K. Jung, R. C. A. Isaacs, W. G. Bornmann, C. A. Alaimo, C. A. Coburn, M. J. Di Grandi. Total Synthesis of Baccatin III and Taxol. Journal of the American Chemical Society. 1996, s. 2843–2859. DOI 10.1021/ja952692a.
- ↑ M. E. Kuehne; F. Xu. Total synthesis of strychnan and aspidospermatan alkaloids. 3. The total synthesis of (.+-.)-strychnine. The Journal of Organic Chemistry. 1993, s. 7490–7497. DOI 10.1021/jo00078a030.
- ↑ J. Luo; K. J. Shea. Polyhomologation. A Living C1 Polymerization. Accounts of Chemical Research. 2010, s. 1420–1433. DOI 10.1021/ar100062a. PMID 20825177.
Související články
[editovat | editovat zdroj]- Darzensova reakce
- Wittigova reakce
- Epoxidace
- Ylidy
- Totální syntéza taxolu
- Totální syntéza strychninu
Externí odkazy
[editovat | editovat zdroj]
Obrázky, zvuky či videa k tématu Johnsonova–Coreyova–Čajkovského reakce na Wikimedia Commons - Animace mechanismu
