Эпоксидирование диоксиранами - Epoxidation with dioxiranes

Эпоксидирование диоксиранами относится к синтезу эпоксиды из алкены с использованием трехчленных циклических пероксидов, также известных как диоксираны.[1]

Диоксираны представляют собой трехчленные циклические пероксиды, содержащие слабую кислородно-кислородную связь. Хотя они способны вызывать окисление гетероатомных функциональных групп и даже углерод-водородных связей,[2] они наиболее широко используются в качестве эпоксидантов алкенов. Диоксираны - электрофильные окислители, которые быстрее реагируют с двойными связями, богатыми электронами, чем с бедными электронами; однако оба класса подложек могут быть эпоксидированы в разумные сроки. Диоксираны можно получать и выделять или генерировать. на месте из кетонов и пероксимоносульфата калия (Oxone ). На месте препараты могут быть каталитическими в кетоне, и если кетон является хиральным, имеет место энантиоселективное эпоксидирование. Совместимость функциональных групп диоксиранов несколько ограничена, так как побочное окисление аминов и сульфидов происходит быстро. Тем не менее, протоколы окисления диоксиранов полностью не содержат металлов. Наиболее распространенными диоксиранами, используемыми для синтеза, являются диметилдиоксиран (DMD) и метил (трифторметил) диоксиран (TFD).

DOEpoxGen.png

Механизм и стереохимия

Механизм эпоксидирования диоксиранами, скорее всего, связан с согласованным переносом кислорода через спиро переходное состояние.[3] Когда происходит перенос кислорода, плоскость оксирана перпендикулярна плоскости алкен-пи-системы и делит ее пополам. Конфигурация алкена сохраняется в продукте, исключая долгоживущие радикальные промежуточные соединения. Кроме того, состояние спиро-перехода использовалось для объяснения селективности энантиоселективного эпоксидирования хиральными кетонами.[4]

DOEpoxMech.png

Стереоселективные варианты

Диастереоселективное эпоксидирование может быть достигнуто за счет использования исходных материалов алкенов с диастереотопными поверхностями. Когда рацемический 3-изопропилциклогексен подвергали окислению DMD, транс эпоксид, образовавшийся в результате атаки на менее затрудненную поверхность двойной связи, был основным продуктом.[5]

DOEpoxStereo1.png

Энантиоселективное эпоксидирование с использованием диоксиранов использует одну из двух стратегий: (1) окисление DMD хирального металлического катализатора с последующим эпоксидированием, или (2) эпоксидирование хиральными диоксиранами, которые образуются на месте от каталитического количества кетона и стехиометрического количества концевого окислителя).[4] Mn-саленовые комплексы были успешно использованы для реализации первой стратегии.[6]

DOEpoxStereo2.png

Многие из лучших кетонов для второй стратегии получены из углеводов. Например, катализатор Ши 1 происходит из фруктозы и эпоксидирует ди- и тризамещенные алкены с высокой энантиоселективностью.[4]

DioxEpoxStereoEx.png
DOEpoxStereo4.png

Объем и ограничения

Диоксираны можно приготовить заранее или получить. на месте для реакций эпоксидирования. В большинстве случаев требуется установка двухфазной системы для на месте эпоксидирования, как KHSO5 не растворяется в органических растворителях. Таким образом, субстраты или продукты, чувствительные к гидролизу, не выживут. на месте эпоксидирования.[7] В этом разделе описаны условия эпоксидирования алкенов с электронодонорными или отводящими электронами заместителями, оба из которых могут быть эпоксидированы диоксиранами в стехиометрическом или каталитическом режиме.

Хотя диоксираны обладают высокой электрофильностью, они эпоксидируют как богатые электронами, так и бедные электронами алкены с хорошим выходом (хотя последние реагируют намного медленнее). Бедные электронами эпоксидные продукты также обладают повышенной гидролитической стабильностью, что означает, что они часто могут выжить. на месте условия. Эпоксидирование богатых электронами двойных связей дало промежуточные соединения Руботтовое окисление. При гидролизе эти силоксиэпоксиды дают α-гидроксикетоны.[8]

DOEpoxScope1.png

Бедные электронами двойные связи эпоксидируются гораздо дольше. Для стимулирования окисления можно использовать нагревание, хотя температура реакции никогда не должна превышать 50 ° C, чтобы избежать разложения диоксирана.[9]

DOEpoxScope2.png

Алкены, связанные как с электроноакцепторными, так и с -донирующими группами, имеют тенденцию вести себя так же, как и первые, требуя длительного времени окисления и иногда некоторого нагрева. Подобно бедным электронами эпоксидам, эпоксидные продукты из этого класса субстратов часто стабильны в отношении гидролиза.[10]

DOEpoxScope3.png

В подложках, содержащих несколько двойных связей, наиболее богатая электронами двойная связь обычно может быть избирательно эпоксидирована.[11]

DOEpoxScope4.png

Эпоксидирование с использованием водного оксона и каталитического количества кетона удобно, если необходимо использовать специальный диоксиран (как в асимметричных применениях) или если выделение диоксирана неудобно. Гидролитическое разложение продукта эпоксидирования можно использовать с хорошими преимуществами.[12]

DOEpoxScope5.png

Синтетические приложения

Диастереоселективное эпоксидирование хирального ненасыщенного кетона DMD было применено для синтеза веррукозан-2β-ола.[13]

DOEpoxSynth.png

Энантиоселективное эпоксидирование диоксирана имеет решающее значение в синтетической последовательности, ведущей к аналогу глабрескола. Последовательность позволила получить аналог глабрескола с общим выходом 31% всего за два этапа.[14]

DOEpoxStereoSeq.png

Сравнение с другими методами

Эпоксидирование диоксирана очень универсально и во многих отношениях выгодно отличается от родственных надкислотных окислений. Перкислоты образуют кислотные побочные продукты, а это означает, что следует избегать кислотоустойчивых субстратов и продуктов.[15] Эпоксидирование диоксирана с использованием изолированного окислителя можно проводить в нейтральных условиях без необходимости использования водного буферного раствора. Однако каталитическое окисление диоксирана требует воды и не подходит для гидролитически нестабильных субстратов.

Некоторые методы хорошо подходят для окисления богатых электронами или бедных электронами двойных связей, но немногие из них столь же эффективны для обоих классов субстратов, как диоксираны. Условия Вайца-Шеффера (NaOCl, H2О2/ КОН, tBuO2H / KOH) хорошо подходят для окисления бедных электронами двойных связей,[16] и сульфонил-замещенный оксазиридины эффективны для богатых электронами двойных связей.[17]

Окислители на основе металлов часто более эффективны, чем окисление диоксирана в каталитическом режиме; однако обычно образуются экологически вредные побочные продукты. В области асимметричных методов как Эпоксидирование по методу Sharpless[18] и Эпоксидирование Якобсена[19] по энантиоселективности превосходят асимметричные диоксирановые окисления. Кроме того, ферментативное эпоксидирование более энантиоселективно, чем методы, основанные на диоксиране; однако эксплуатационные трудности и низкие выходы иногда связаны с ферментативным окислением.[20]

Условия эксперимента

Диоксираны образуются путем объединения предшественника кетона с забуференным водным раствором KHSO.5. Летучие диоксираны DMD и TFD выделяют путем перегонки сырой реакционной смеси. Окисление Байера-Виллигера может конкурировать с образованием диоксирана. После выделения диоксираны хранят в растворах соответствующих кетонов и сушат с помощью молекулярных сит. Безвоздушная техника в этом нет необходимости, если субстрат или продукт не чувствительны к воздуху или не являются гидролитически лабильными, и большинство окислений проводится на открытом воздухе в колбах Эрленмейера.

Окисления с на месте генерируемые диоксираны более удобны, чем методы выделения, при условии, что субстрат устойчив к гидролизу. Реакции могут проводиться либо в действительно двухфазной среде с механическим перемешиванием, либо в гомогенной среде, полученной из воды и смешивающегося органического растворителя, такого как ацетонитрил. В последних условиях обычно проводят асимметричное эпоксидирование. Некоторые кетоновые катализаторы более стойкие в слегка основных гомогенных условиях.

Рекомендации

  1. ^ Adam, W .; Saha-Moller, C .; Чжао, К.-Г. Орг. Реагировать. 2003, 61, 219. Дои:10.1002 / 0471264180.or061.02
  2. ^ Adam, W .; Zhao, C.-G .; Якка, К. Орг. Реагировать. 2007, 69, 1.
  3. ^ Houk, K. N .; Liu, J .; DeMello, N.C .; Кондроски, К. Варенье. Chem. Soc. 1997, 119, 10147.
  4. ^ а б c Wang, Z.-X .; Tu, Y .; Frohn, M .; Zhang, J.-R .; Ши, Ю. Варенье. Chem. Soc. 1997, 119, 11224.
  5. ^ Adam, W .; Mitchell, C.M .; Саха-Мёллер, К. Евро. J. Org. Chem. 1999, 785.
  6. ^ Lévai, A .; Adam, W .; Fell, R.T .; Gessner, R .; Patonay, T .; Саймон, А .; Тот, Г. Тетраэдр 1998, 54, 13105.
  7. ^ Дания, S. E .; Ву, З. J. Org. Chem. 1998, 63, 2810.
  8. ^ Adam, W .; Hadjiarapoglou, L .; Ван, X. Tetrahedron Lett. 1989, 30, 6497.
  9. ^ Adam, W .; Hadjiarapoglou, L .; Нестлер, Б. Tetrahedron Lett. 1990, 31, 331.
  10. ^ Ян, Д .; Вонг, М.-К .; Ип, Ю.-К. J. Org. Chem. 1995, 60, 3887.
  11. ^ Messeguer, A .; Fusco, C .; Курчи, Р. Тетраэдр 1993, 49, 6299.
  12. ^ Дания, S. E .; Forbes, D.C .; Hays, D. S .; DePue, J. S .; Уайльд, Р. J. Org. Chem. 1995, 60, 1391.
  13. ^ Пирс, Э .; Буле, С. Л. Tetrahedron Lett. 1997, 38, 8815.
  14. ^ Xiong, Z .; Кори, Э. Дж. Варенье. Chem. Soc. 2000, 122, 4831.
  15. ^ Дрюк, В.Г. Русь. Chem. Ред. 1985, 54, 986.
  16. ^ Patai, S .; Раппопорт, З. В Химия алкенов; Patai, S., Ed .; Wiley: Нью-Йорк, 1964, т. 1. С. 512–517.
  17. ^ Дэвис, Ф. А .; Sheppard, A.C .; Chen, B.-C .; Хак, М.С. Варенье. Chem. Soc. 1990, 112, 6679.
  18. ^ Кацуки, Т .; Мартин, В.С. Орг. Реагировать. 1996, 48, 1.
  19. ^ Якобсен, Э. Н. Ин Комплексная металлоорганическая химия II; Abel, E.W .; Stone, F.G.A .; Wilkinson, G .; Hegedus, L. S., Eds .; Пергамон: Нью-Йорк, 1995, т. 12, Глава 11.1, стр. 1097–1135.
  20. ^ Adam, W .; Lazarus, M .; Saha-Möller, C.R .; Weichold, O .; Hoch, U .; Häring, D .; Шрайер П. Ин Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии; Faber, K., Ed .; Springer Verlag: Гейдельберг, 1999, т. 63. С. 73–108.