有机催化

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October 24, 2021

在有机化学中,术语有机催化是指反应的催化作用,其中用于加速反应的催化剂是有机小分子,不含金属等无机元素,并含有碳、氢、硫。该术语由德国化学家 Wolfgang Langenbeck 于 1935 年创造。2021 年 10 月 6 日,化学家 David MacMillan 和 Benjamin List 因对有机催化的研究而获得诺贝尔化学奖。

背景

有机分子作为催化剂的首次使用归功于 Justus von Liebig,他于 1859 年发现了乙醛催化下将氰转化为草酰胺。 Liebig 将乙醛确定为反应的催化剂,并认为其作用与发酵(酶)类似。第一个不对称有机催化反应由 Breding 和 Fiske 于 1912 年发表。在该反应中,使用生物碱作为催化剂由苯甲醛形成氰醇。这些研究被认为是非常创新的,即使实现的对映体过量少于 10%。几十年后,首次在有机催化反应中实现了显着的立体选择性。使用的催化剂氨基酸 (S) 或 (R) - 脯氨酸在 Robinson 环中获得 Wieland-Miescher 酮。该反应现在以发现者的名字命名为 Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert 反应,对于类固醇的全合成具有相当重要的意义。 Zimmerman-Traxler,用于无金属烯胺的羟醛反应。交叉羟醛直接反应由 List、Barbas、Shibasaki 和 Trost 独立开发。 MacMillan 于 2002 年开发了第一个醛的对映选择性交叉羟醛有机催化反应。使用 Houk 模型,首次提出了一种类似于 Zimmerman-Traxler 模型的连贯机制,用于无金属烯胺的羟醛反应。交叉羟醛直接反应由 List、Barbas、Shibasaki 和 Trost 独立开发。 2002 年,MacMillan 开发了第一个对映选择性交叉醛醇有机催化反应的醛。使用 Houk 模型,首次提出了一种类似于 Zimmerman-Traxler 模型的连贯机制,用于无金属烯胺的羟醛反应。交叉羟醛直接反应由 List、Barbas、Shibasaki 和 Trost 独立开发。 2002 年,MacMillan 开发了第一个对映选择性交叉醛醇有机催化反应的醛。MacMillan 于 2002 年开发了第一个醛的对映选择性交叉羟醛有机催化反应。MacMillan 于 2002 年开发了第一个醛的对映选择性交叉羟醛有机催化反应。

反应机理

在催化循环中,催化剂可以共价键合到底物分子上;在这种情况下,需要相对高浓度的有机催化剂。即使通过非共价键,如氢键,也会发生催化相互作用,在这种情况下,只需要少量的催化剂。

共价机制

大多数有机催化过程的原理是催化剂首先与反应物反应形成(可逆)共价键。在脯氨酸催化的羟醛反应中,脯氨酸最初与所用的酮发生缩合反应。所得亚胺阳离子然后互变异构为烯胺,在下一步中对醛进行亲核攻击。通过随后的水解,产物被释放并且脯氨酸被重新形成。在反应中,立体化学信息由手性脯氨酸决定。脯氨酸的羧基还通过形成氢键来活化醛。该反应通过类似于锂烯醇化物的 Zimmerman-Traxler 模型的六元椅子形过渡态进行。醛的取代基位于拟赤道平面内。通过椅子过渡态的反应过程首先由 Houk 基于量子力学计算假设,然后由 List 使用标记氧进行实验证明。

非共价机制

在这种机制中,催化剂不形成共价键。待活化的底物与有机催化剂之间存在弱的定向相互作用。这是许多酶也发生反应的原理,它们也被用作开发非共价有机催化剂的模型。在该领域中,使用可以产生氢键的中性物质,例如尿素或硫脲衍生物。那些具有刚性结构的苯环和缺乏电子的化合物,在3、4或5位具有吸电子和非配位取代基的化合物已被证明是良好的催化剂。硫脲衍生物的优点(特别是与传统的路易斯酸相比)含有金属的催化剂)是:催化剂以非共价方式与底物结合,产物不抑制 少量催化剂就足够了(高达0.001 mol%),周转频率值高合成简单方便,通过结构修饰可使催化剂与固相连接,使其成为可以回收 催化剂对空气或水不敏感,不需要惰性气体气氛,没有处理问题 几乎可以在中性条件下进行催化,在不含有催化剂的酸存在下可以使用不稳定的底物金属且无毒,与许多含金属的路易斯酸催化剂不同,该催化剂更环保(“绿色化学”)周转频率值高合成简单方便,通过结构修改催化剂可以连接到固相,使其可以回收催化剂对空气或水不敏感,惰性气体气氛,没有处理问题 在几乎中性条件下催化是可能的 不稳定的底物可以在酸存在下使用 催化剂不含金属且无毒 不像许多含有金属的路易斯酸催化剂 催化剂更生态(“绿色化学” ”)周转频率值高合成简单方便,通过结构修改催化剂可以连接到固相,使其可以回收催化剂对空气或水不敏感,惰性气体气氛,没有处理问题 在几乎中性条件下催化是可能的 不稳定的底物可以在酸存在下使用 催化剂不含金属且无毒 不像许多含有金属的路易斯酸催化剂 催化剂更生态(“绿色化学” ”)惰性气体气氛不是必需的,没有处理问题 在几乎中性条件下催化是可能的,可在酸存在下使用不稳定的底物 催化剂不含金属且无毒,不像许多酸催化剂路易斯含有金属催化剂更环保(“绿色化学”)惰性气体气氛不是必需的,没有处理问题 在几乎中性条件下催化是可能的,可在酸存在下使用不稳定的底物 催化剂不含金属且无毒,不像许多酸催化剂路易斯含有金属催化剂更环保(“绿色化学”)

反应

可以通过有机催化有效进行的一些类型的反应是: Aldol 反应 Knoevenagel 缩合 不对称 Diels-Alder 反应 不对称 Michael 反应 不对称 Mannich 反应 Shi 环氧化 Stetter 反应 Baylis-Hillman 反应

来自天然产物的催化剂

氨基酸(S)-脯氨酸的衍生物已经并且仍然被普遍使用。(S)-苯丙氨酸的衍生物也经常使用:其他催化剂是金鸡纳中所含生物碱的衍生物:也使用酒石酸的衍生物,如TADDOL:MacMillan催化剂是从苯丙氨酸生物分子中获得的,用于许多不对称催化反应。两步合成保持手性完整:

笔记

参考书目

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