Учреждение Российской академии наук Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН Лаборатория тонкого органического синтеза им. И.Н. Назарова Органокатализаторы и ионные жидкости: путь к созданию искусственных аналогов природных ферментов С.Г. Злотин, А.С. Кучеренко, Д.Е. Сиюткин, О.В. Мальцев Всероссийская конференция по органической химии Москва, 2009 г. 2 Различная биологическая активность оптических антиподов O O O H Талидомид HN O O NH O NH O O (R) тератоген (S) антидепрессант Me H Cl Cl HN Me Кетамин O (S) анестетик Me Me CO2H H HS NH2 (S) туберкулостатик O (R) галлюциноген Пеницилламин HO2C Me Me H H2N SH (R) вызывает слепоту G. Blaschke, H.P Kraft. Arzheim-Forsch., 1979, 29, 1640. D.R. Laurence, P.N. Bennett. Clinical Pharmacology, 6th edn., 1987. 3 Виды асимметрического катализа Ахиральные соединения Ферментативный катализ Металлокомплексный катализ Органокатализ 2001 год Нобелевская премия по химии (Sharpless, Noyori, Knowles) Хиральные органические вещества Хиральные природные соединения Реакция Хэджоса-Пэрриша-Эдера-Зауэра-Вичерта O O N H O Me O O CO2H (30 mol%) DMF O OH O 93% ee кетон Виланда- Мишера U.Eder, R.Wiechert, G.Sauer. Germ. Pat. DE 2014757, 1971. Z.G. Hajos, D.R.Perrish. Germ. Pat. DE 2102623, 1971 (+)-Pallescensin A Albicanol (+)-Paspaline (+)-Avarol 204 Taxol (+)-Adrenosterone 4 5 Первые межмолекулярные органокаталитические реакции O O Me O CO2H N H (30 mol-%) Me + Me DMSO NO2 20 vol-% OH (R)-1 68% (ee 76%) NO2 B. List, R.A. Lerner, C.F. Barbas III. J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 2395 Me N . HCl Me N Me H Ph 5 mol % O Ph O + MeOH, 23oC Ph + CHO (2S)-endo 93% ee CHO Ph (2S)-exo 93% ee K.A. Ahrendt, C.J. Borths, D.W.C. MacMillan. J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 4243 Динамика развития исследований в области органокатализа 700 Число публикаций 600 500 400 300 200 100 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 С.Г. Злотин, А.С. Кучеренко, И.П. Белецкая. Усп. химии, 2009, 78, 796 6 Примеры наиболее эффективных органокатализаторов HN O O Ph N H N H O H N O HN HO Ph Ph Ph N H NH O H N OMe n O Ph HN Bu3Ph2Si O NH2 Me N H CO2H CO2H Pri O Bui OSiPh2But N H NH2 Ar Ar OH Ar Ar S Ar Ar N H OSiMe3 S HN NH N HN NH N H N N H R O H2N Bn H NHSO2CF3 2 N R2 R MeO N Альдольные реакции, реакции Михаэля, Манниха, Дильса-Альдера, гидрирования, окисления, галогенирования, многокомпонентные и другие реакции 7 Енаминный и иминиевый механизмы органокаталитических реакций Aldol reaction B. List. J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 9336 T.D. Machajewski, C.-H. Wong. Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, 1352 Различия между органокатализаторами и ферментами: ■ срок службы; ■ реакционная среда K.A. Ahrendt, C.J. Borths, D.W.C. MacMillan. J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 4243 8 Регенерируемые органокатализаторы, иммобилизованные на полистироле N PS O N N N PS N N PS S N H O 9 CO2H O N H CO2H D. Font, C. Jimeno, M.A. Pericás, Org. Lett. 2006, 8, 4653; 2008, 10, 337 M. Gruttadauria, F. Giacalone, A.M. Marculescu, S. Riela, R. Noto, Eur. J. Org. Chem. 2007, 4688 Недостатки: высокая стоимость; малая концентрация активных групп; сложность аналитического контроля; умеренная энантиоселективность. N H CO2H Органический катализ с использованием ионных жидкостей 10 = BF4 , PF6 , CF3CO2 , CF3SO3 , (CF3SO2)2N , etc. R2 R2 = R1 N R3 R4 N R3 R1 N 1 2 3 2 [R R R Im] R N R1 P R3 R [RPy] R4 Достоинства ионных жидкостей: Kat Kat Kat IL Catalyst Kat хорошая растворяющая способность; возможность влиять на свойства катализатора; легкость отделения продуктов; возможность повторно использовать ИЖ и катализатор Проблемы: Chiral group невысокая энантиоселективность реакций в ИЖ; узкий круг катализаторов; отсутствие успешных примеров катализа в воде Цель работы: Разработка ионного метода иммобилизации органокатализаторов и создание на его основе новых регенерируемых каталитических систем, отличающихся высокой эффективностью и энантиоселективностью, в том числе в водных средах Сравнение органокатализаторов и ионных жидкостей в модельной альдольной реакции O O + Me NO2 R R O NH O NH N H S S HN 1 2 Conversion 3a,% 80 1 60 2 50 Среда: [bmim][BF4] 40 NO2 № Ионная жидкость Цикл t (h) Выход (%) ee (%) 1 [bmim][PF6] 1 15 76 47 2 [bmim][NTf2] 1 15 70 36 3 [bdmim][BF4] 1 15 79 48 4 [bmim][BF4] 1 15 83 50 5 -“- 2 15 84 50 6 -“- 3 25 70 51 CO2H Катализаторы 70 IL, 0oC S HN OH Catalyst (5 mol %) Me O Me 30 20 10 bmim = 1-бутил-3-метилимидазолий bdmim = 1-бутил-2,3-диметилимидазолий 0 0 20 40 11 60 min Альдольные реакции в системе пролинамид – ИЖ OH O R1 R2 Me 3 equiv. O O NH HN O NH O 1 R H o [bmim][BF4], 0 C R2 Y 38-83%, ee 42-60% R1 = Ar, n-CpMn(CO)3 R2 = Me, Et, cyclo-Pr, -(CH2)2CH=C(CH3)2 HN 5-10 mol %, 0oC + O OH O R1 Y 43%, dr (anti/syn) = 28:72 ee 70% (anti), 54% (syn) O OH Me OH R1 O Me OH Y 63%, dr (anti/syn) = 70:30 ee 42% (anti) A.S. Kucherenko, D.E. Siyutkin, V.O. Muraviev, M.I. Struchkova, S.G. Zlotin. Mendeleev Commun., 2007, 17, 277 12 13 Катализируемые амидами пролина альдольные реакции в системах ИЖ - вода HN O O NH NH HN NH NH O 1 O ee 5a(анти),% 100 R1 = 4-NO2C6H4, R2, R3 = -(CH2)4-, Y 95-99% 80 1 2 60 40 20 HN HN 2 O O 1 R H 0 20 40 1 (10 mol %) 5 cycles R3 + 0 2 R 3 equiv. OH [bmim][BF4]/H2O 1:1 (v/v) R1 = Ar, 5-NO2-thienyl, 2-C6H4N, n-CpMn(CO)3 R2 = H, R3 = Me; R2,R3 = -(CH2)3-, -(CH2)4bmim = 1-(n-butyl)-3-methylimidazolium 60 R1 80 O R3 R2 Y 68-99%, dr (anti/syn) 80:20 - 90:10 ee (anti) 40-82% Лимитирующий фактор – большой расход ИЖ А.С. Кучеренко, Д.Е. Сиюткин, С.Г. Злотин. Изв. АН, Сер. хим., 2008, 578 100 вода, Обьем% 14 Получение органокатализаторов, нанесенных на ионные полимеры n n n (S)-Proline An N Me HBF4 Me MeOH N An Me N O Me Me H Me An (1) An = Cl (2) An = BF4 (3) An = PF6 O N Me Me HPF6 An N H An = Cl (4), BF4 (5), PF6 (6) n = 220-440 (1x105 - 2x105 Da) (a), 880-1200 (4x105 - 5x105 Da) (b) A.S. Kucherenko, M.I. Struchkova, S.G. Zlotin. Eur. J. Org. Chem., 2006, (8), 2000 Реакция между ацетоном и бензальдегидом в присутствии нанесенных катализаторов 15 n O O Me Me + O N N O Me Me Me Me H An An N H (15 mol %) neat, 20oC, 15 h Ph 7a O O OH Ph Me + Me 9a 8 Ph 10a An n (9a)/(10a) (cycle) Yield 9a [%] ee 9a [%] Cl 880-1200 10:2 (1), 10:7 (2) 55 (1), 25 (2) 67 (1), 67 (2) BF4 -”- 9:1 (1), 9:1 (2) 59 (1), 36 (2) 66 (1), 67 (2) PF6 220-440 15:1 (1), 12:1 (2) 53 (1), 52 (2) 69 (1), 67 (2) PF6 880-1200 10:1 (1), 10:1 (2) 55 (1), 54 (2) 69 (1), 67 (2) A.S. Kucherenko, M.I. Struchkova, S.G. Zlotin. Eur. J. Org. Chem., 2006, (8), 2000 16 Область применения и рециклизуемость системы пролин – ионный полимер 880-1200 O O Me O R + Me O N N O Me Me Me Me H PF6 N PF6 H (15 mol %) neat, 20oC, 15 h O H 2O OH Me R R = H, 3-NO2, 4-NO2, 2-Cl, 4-Cl, 4-CO2Me, 4-CHO Y 58-98 %, ee 62-72% O OH n R n dr (anti/syn) = 30:70 (n = 1), 80:20 (n = 2) ee (anti) 69-91% Недостатки нанесенных на полиэлектролит катализаторов: невозможность проведения реакций в воде; недостаточная устойчивость A.S. Kucherenko, M.I. Struchkova, S.G. Zlotin. Eur. J. Org. Chem., 2006, (8), 2000 Цикл Yield, % ee, % 1 97 72 2 98 73 3 95 72 4 96 70 5 97 72 6 96 71 Ковалентная иммобилизация органокатализаторов ионными группами Hydrophobic groups Catalytic group Ionic group Catalytic group Linker A B O n-CnH2n+1 O Me N PF6 Ionic group N N BF4 Inactive in H2O N H COOH N H BF4 N Bun 6 cycles dr(anti/syn): 2:1 – 1:4 ee: 5 – 63% W. Miao, T.H. Chan. Adv. Synth. Catal., 2006, 348, 1711. S. Luo, X. Mi, L. Zhang, S. Liu, H. Xu, J.-P. Cheng. Tetrahedron, 2007, 63, 1923. 17 Синтез производных (4R)-гидрокси-(S)-пролина, модифицированных катионами 1-алкилимидазолия O HO Br(CH2)4CO2H O Br R N N Cbz 5 (80%) 4 O N 4 CO2Bn N Cbz O CO2Bn R N N 4 CO2Bn N Cbz 6 (71-86%) R = Me (a), n-C12H25 (b) Br HPF6 H2 Pd/C O O O Me N N PF6 O n-C12H25 4 7 (94%) N Cbz N CO2Bn N Br H2 Pd/C 4 8 (87%) O O N N O n-C12H25 4 PF6 9a CO2H AgBF4 or KPF6 or LiNTf2 85-98% O Me N H N H (95%) CO2H N N 4 CO2H N H An = BF4 (9b), PF6 (9c), NTf2 (9d) An D.E. Siyutkin, A.S. Kucherenko, M.I. Struchkova, S.G. Zlotin. Tetrahedron Lett., 2008, 49, 1212 18 Каталитические свойства производных пролина, модифицированных катионами 1-алкилимидазолия O An O O R N O N O 4 9a-d 15 мол. % + CO2H N H H2O, 15 ч NO2 11a 10a OH NO2 12a . Cat. R An Conv., % (cycle) dr (anti/syn) ee (anti), % 9a Me PF6 <5 - - 9b 9c n-C12H25 n-C12H25 BF4 PF6 <5 - - 99 (1), 99 (2), 99 (3), 99 (4), 98 (5) 97:3 (1), 97:3 (2), 96:4 (3), 96:4 (4), 97:3 (5) 99 (1), 99 (2), 98 (3), 99 (4), 99 (5) 9d n-C12H25 NTf2 99 (1), 98 (2), 58 (3) 98:2 (1), 98:2 (2), 97:3 (3) 98 (1), 99 (2), 99 (3) O O PF6 O n-C12H25 N O + X O 4 9c, 15 мол. % N H OH CO2H H2O, 20°C n 10 N 11a-d n = 1, 2; X = H, NO2, CO2Me, OMe Tetrahedron Lett., 2008, 49, 1212 n X 12a-e: Y 60-93%, dr (anti/syn) 84:16 - 97:3 ee (anti) 80 - >99% 19 Синтез и свойства производных пролина, содержащих катион (алкил)пиридиния O O R O Br N O R 4 N Cbz 5 N CO2Bn HPF6 4 N Cbz Br 13a,b (81-87%) CO2Bn O O O R N H2 , Pd/C 4 N Cbz 14a,b (78-91%) PF6 O N PF6 + NO2 4 CO2H N 92-96% H 15a R = H, 15b R = 5-n-C9H19 m.p. 113oC m.p. 97oC O OH O 11a R CO2Bn 15a or 10a O 15b (15 мол.%) H2O, 15 ч NO2 12a Cat. R Conv., %, (cycle) dr (anti/syn), (cycle) ee (anti), %, (cycle) 15a H <5 - - 15b 5-н-C9H19 97 (1), 98 (2), 95 (3), 98 (4), 98 (5), 96 (6), 94 (7), 96 (8) 97:3 (1), 97:3 (2), 97:3 (3), 96:4 (4), 97:3 (5), 97:3 (6), 97:3 (7), 97:3 (8) 99 (1), >99 (2), >99 (3), 99 (4), 99 (5), 99 (6), 99 (7), 99 (8) D.E. Siyutkin, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Tetrahedron, 2009, 65, 1366. 20 Альдольные реакции в присутствии производного пролина, содержащего фрагмент 5-нонилпиридиния . O n-C4H9 PF6 n-C4H9 O O + O N N 15b (15 мол.%) H R X 10 H2O, rt 11 X = -, -CH2-, O, S, -N(Cbz)-, O O 4 . O OH CO2H R X 12: 62-94% dr (anti/syn) 80:20 - 98:2 ee (anti) 88 - >99 R = C6H4Y (Y = H, 4-NO2, 4-CO2Me, 4-CN, 4-OMe, 3-OPh), 3-Py, 2-(5-NO2-Furyl), 2-(5-NO2-Thienyl) O O O 15b (15 мол.%) Me H Me 16 + 11a NO2 H2O, RT OH H Me Me 17: 40%, ee 99% D.E. Siyutkin, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Tetrahedron, 2009, 65, 1366. NO2 21 Органокатализаторы на основе a-аминокислот с первичными аминогруппами O HO R CbzHN Br(CH2)4CO2H O O Br CO2Bn 18a,b O N 4 CbzHN CO2Bn Br 19a,b (83-85%) R 4 CbzHN HPF6 CO2Bn 20a,b (80-85%) O O PF6 N R O N 22 R 4 CbzHN O H2 , Pd/C N CO2Bn 4 H2N PF6 21a,b (82-88%) R n-C4H9 N = n-C4H9 CO2H N 22a,b [R = H (a), Me(b)] (94-97%) O n-C4H9 O N O O n-C4H9 PF6 22a,b (15 мол. %) + NO2 10a 11a D.E. Siyutkin, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Tetrahedron, 2009, 65, 1366. 4 H2N R CO2H O OH H2O, RT, 20 ч NO2 12a . Cat. (R) Conv., % dr (anti/syn) ee (anti), % 22a (H) 84 87:13 91 22b (Me) 89 90:10 97 23 Хиральные ИЖ на основе амида пролина Ionic group Linker O O Me Me N N H Ph Ph H O O H R1 HO O O HO O CO2H N Cbz Br(CH2)4CO2H Br O O O MIm H2 , Pd/C 4 Br 27 (91%) O N Cbz HN Br R O O MIm N N Cbz HN R 26 (74%) N Cbz HN R 25 (91%) 24 N O Me 4 4 N H 28 (95%) O KPF6 O HN MIm PF6 R 4 O N H 29 (93%) HN R Pri MIm = Me N N , R = HO D.E. Siyutkin, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Tetrahedron, 2009, accepted. Ph Ph 24 Каталитические свойства хиральных ИЖ на основе амидов пролина O O OMe Me N O O N Me 4 An N H HN HO An = Br (28), PF6 (29) Ph Ph O OH + H2O NO2 NO2 An. (mol. %) T, oC t, h Conv., % (cycle) dr (anti/syn) (cycle) ee (anti), % (cycle) PF6 (1) 20 4.5 >99 97/3 97 PF6 (1) 3 18 98 (1), 97 (2), 95 (3), 72 (4) 99/1 (1), 99/1 (2), >99/1 (3), >99/1 (4) 99 (1), 99 (2), 99 (3), >99 (4) Br (5) 20 15 >99 81/19 81 Br (5) 20 20 >99 85/15 89 D.E. Siyutkin, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Tetrahedron, 2009, accepted. 25 Область применения хиральной ИЖ на основе амида пролина O O O N X O PF6 N Me O Ar + O 4 OMe . Ar Me N H HN (1-5 mol.%) HO Ph Ph X 64-99%, dr 93:7 - 99:1 ee (anti) 92-99% O OH H2O, +3oC Ar 88-99%, dr 63:37 ee (anti) 94-97% O OH O R OH Me X = CH2, O, S; R = n-C3H7, n-C6H13, cyclo-C3H5, Bn; Ar = C6H4X (X = 2-NO2, 4-NO2, 4-CN, 4-CO2Me, 4-F, 3-OPh), C6F5, 2-naphthyl Ar R 48-95%, ee 82-97% D.E. Siyutkin, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Tetrahedron, 2009, accepted. 26 Синтез хиральных ИЖ, содержащих фрагмент a,a-дифенилпролинола Ar Ar N H R1 EWG N OSiR3 R1 + Nu: Nu R1 EWG Nu O O Br HO Ph N [ ]4 O Ph N N OH Bn Bn 96% O O N [ ]4 PF6 [ ]4 O Br Ph N 30b (90%) H N KPF6 O Ph OH N Ph HO2C(CH2)4Br Ph Ph N OH 85% H2 Pd-C Bn N [ ]4 Ph OH 30c (87%) (overall 70%) N OH O PF6 Me Ph O 1) Me3SiCl/Et3N 2) KPF6 N = O.V. Maltsev, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Eur. J. Org. Chem., 2009, 5134 O Br Ph N 30a (94%) H [ ]4 N Ph N H Ph OTMS Каталитические свойства хиральных ИЖ на основе a,a-дифенилпролинола O Me N N [ ]4 O An O CO2Me + CO2Me Ph 30a-c (10 mol-%) N H O Ph Ph OR 4 oC, 24 h CO2Me Ph CO2Me An R Solvent Conv., % (cycle) ee, % (cycle) Br H EtOH 26 - PF6 H EtOH 15 - PF6 SiMe3 96%EtOH >99 (1), >99 (2), >99 (3), 96 (4), 70 (5), 70 (6)* 95 (1), 94 (2), 94 (3), 95 (4), 98 (5), 98 (6) PF6 SiMe3 H2O 96 92 PF6 SiMe3 neat 80 92 * Время реакции 96 ч. O.V. Maltsev, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Eur. J. Org. Chem., 2009, 5134 27 Реакции Михаэля в присутствии хиральной ИЖ на основе a,a-дифенилпролинола 28 O Me N N O [ ]4 O O Ph Ph OSiMe3 PF6 CO2R1 30c (10 mol-%) + 4 oC, 24-72 h 1 CO2R R N H CO2R1 CO2R1 R R = H, 4-Cl, 4-F, 4-NO2, 4-OMe; R1 = Me, Et, Bn Y 81-98%, ee 76-96% NH O CO2Bn BnNH2 NaBH(OAc)3 F CO2Bn Cat.30c Y, % 94 ee, % 96 Lit. 72 86 N Bn O 70% F O.V. Maltsev, A.S. Kucherenko, S.G. Zlotin. Eur. J. Org. Chem., 2009, 5134 O F 1/2 HCl CO2Bn O O (-)-paroxetine hydrochloride селективный ингибитор серотонина, используется для лечения депрессий, состояний возбуждения и паники Каталитический цикл альдольных реакций и реакций Михаэля Альдольная реакция R4 O N Реакция Михаэля R2 R5 OH R1 R2 R4 H2O N N R5 R3 R2R3NH OH R1 H2O R3 R2 R1 n 2 OH Catalyst Ar H2O 1 n R1 Nu H2O R3 O Ar O O O + R2 R1 R1 R4 R2 O R1 R5 R3 n NuH R2 OH R1 R3 R R4R5NH O N OH O H2O 1 R2 29 Nu H2O (экв) dr (anti/syn) ee (anti), % 100 98:2 99 25 96:4 99 0 88:12 94 100 85:15 91 0 46:56 86____ Асимметрические реакции на границе раздела фаз 23 Кbar O органическая фаза O R O OH R реагенты продукты O O N N PF6 4 N H CO2H H2O M. Pirrung, Chem. Eur. J., 2006, 12, 1312. S. G. Zlotin, G. V. Kryshtal, G. M. Zhdankina, A. S. Kucherenko, A. V. Bogolyubov, D. E. Siyutkin. Pure Appl. Chem., 2009, 81 (11), accepted. 30 31 Выводы ■ Разработан эффективный подход к созданию регенерируемых органокатализаторов асимметрических реакций, путем включения в их состав фрагментов ионных жидкостей. ■ Установлено, что по активности и селективности некоторые разработанные катализаторы превосходят лучшие из известных аналогов. При этом, в отличие от известных, они катализируют реакции в воде и могут быть использованы многократно. ■ Полученные результаты открывают путь к созданию субстрат-специфичных искусственных аналогов природных ферментов, которые могут найти применение в асимметрическом синтезе и в новых, безвредных для окружающей среды, технологиях получения энантиомерно чистых форм лекарственных препаратов и других биологически активных веществ. 32 Благодарности д.х.н. Г.В. Крышталь к.х.н. Г.М. Жданкина к.х.н. А.С. Кучеренко к.х.н. Д.Е. Сиюткин асп. О.В. Мальцев инж. А.В. Боголюбов студ. С.В. Кочетков студ. Н.А. Ларионова РФФИ (гранты 09-03-00384а, 09-03-12164-офи-м) Программа Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов» СПАСИБО! Kat Kat IL Kat Catalyst H2O Kat R2 R1 R4 R3