Kaskadowe otwieranie epoksydów

Kaskadowe otwieranie epoksydów
Elżbieta Maziarz
Plan prezentacji:
1. Reakcje epoksydów;
2. Mechanizmy otwarcia pierścienia epoksydowego;
3. Reguły Baldwina;
4. Cyklizacja trans‐ i cis‐epoksyalkoholi;
5. Przykłady otwierania epoksydów;
6. Otwieranie epoksydów promowane wodą.
2
Reakcje epoksydów
O
przegrupowanie
HO
H
redukcja
HO
X
H
N
OH
HO
OR
O
S
HO
HO
HO
SeR
HO
HO
R
HO
SR
CN
N3
3
Reakcje epoksydów
O
przegrupowanie
HO
H
redukcja
HO
X
H
N
OH
HO
OR
O
S
HO
HO
HO
SeR
HO
HO
R
HO
SR
CN
N3
4
Reakcje epoksydów reakcje biokatalityczne (enzymatyczne)
ester azotynu (nukleofilowy O‐atak) lub
nitroalkohol (nukleofilowy N‐atak)
Vries, E. J.; Janssen, D. B. Current Opinion in Biotechnology 2003, 14, 414 – 420.
5
Reakcje epoksydów przegrupowania
TIPSOTf – tryflan triizopropylosililowy
Kodama, T.; Harada, S.; Tanaka, T.; Tachi, Y.; Morimoto, Y. Synlett 2012, 23, 458 – 462.
6
Mechanizmy otwarcia pierścienia epoksydowego
Ph-MgBr
O
Eter
-
Me
Me
Ph
O
+
MgBr
H3O+
HO
Me
Me
Ph
7
Reguły Baldwina
Nomenklatura – wiązanie
J. Baldwin
Egzo‐, endocyklizacja – opisuje położenie wiązania, które ulega zerwaniu względem nowopowstałego pierścienia (egzo – na zewnątrz, endo – wewnątrz)
geometria
sp3 tetraedryczny węgiel
tet
sp2 trygonalny węgiel
trig
sp dygonalny węgiel dig
8
Reguły Baldwina
Odpowiednie kąty podejścia
J. Baldwin
Trygonalny węgiel
(Bürgi‐Dunitz)
Tetraedryczny węgiel
(inwersja Waldena)
Dygonalny węgiel
J. E. Baldwin, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1976, 734.
9
Reguły Baldwina
Systemy tetraedryczne
1
X
2
2
3 Y
1X-
3-exo-Tet
3
1X
4-exo-Tet
5
6
2 X
1 7 Y
7-exo-Tet
3
3
5
Y
5-exo-Tet
4
Y
X1
5-endo-Tet
2
4
4
-
Y
4
3
2
3
4
2
4
3
J. Baldwin
5
6
Y
1X
6-exo-Tet
5
Y
6
2 1X6-endo-Tet
3 - 7-exo-Tet uprzywilejowane
5 - 6-endo-Tet nieuprzywilejowane
J. E. Baldwin, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1976, 734.
J. E. Baldwin, J. Cutting, W. Dupont, L. Kruse, L. Silberman, R. C. Thomas, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1976, 736. 10
Reguły Baldwina
Systemy trygonalne
1
X
2
2
1 X
Y
3
3-exo-Trig
2
Y
X1
3
1
-X
Y
3
4-endo-Trig
2
3
2
6
-
Y
X
1
6-exo-Trig
4
4
Y
3
X1
5-endo-Trig
5
3
5-exo-Trig
5
4
3-endo-Trig
Y
4-exo-Trig
4
4
4
1 X- 5
Y
2
3
2
3
4
5
Y
2
X- 6
1
6-endo-Trig
3
J. Baldwin
5
2 6
X
1 7 Y
7-exo-Trig
4
3
2
5
Y
6
X- 7
1
7-endo-Trig
3 ‐ 7‐exo‐Trig procesy uprzywilejowane
3 ‐ 5‐endo‐Trig nieuprzywilejowane
6 ‐ 7‐endo‐Trig uprzywilejowane
J. E. Baldwin, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1976, 734.
J. E. Baldwin, J. Cutting, W. Dupont, L. Kruse, L. Silberman, R. C. Thomas, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1976, 736. 11
Reguły Baldwina
Systemy dygonalne
J. Baldwin
3 ‐ 4‐exo‐Dig procesy nieuprzywilejowane
5 ‐ 7‐exo‐Dig uprzywilejowane
3 ‐7‐endo‐Dig uprzywilejowane
J. E. Baldwin, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1976, 734.
J. E. Baldwin, J. Cutting, W. Dupont, L. Kruse, L. Silberman, R. C. Thomas, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1976, 736. 12
Reguły Baldwina
Wewnątrzcząsteczkowe alkilowanie enolanów ketonów
J. Baldwin
Y
180° atak
O
Endocykliczne alkilowanie: 6 ‐ 7 uprzywilejowane i 3 ‐ 5 nieuprzywilejowane
Exo: 3 ‐ 7 uprzywilejowane
J. E. Baldwin, M. J. Lusch, Tetrahedron, 1982, 38, 2939.
13
Reguły Baldwina
Wewnątrzcząsteczkowa reakcja aldolowa
J. Baldwin
(Enolexo)-Exo-Trig
-O
Y
Y-
O
Y
109° atak
(Enolendo)-Exo-Trig
-O
Y
O
O
Y-
Endocykliczna kondensacja: 6 ‐ 7 uprzywilejowane i 3 ‐ 5 nieuprzywilejowane
Exo: 3 ‐ 7 uprzywilejowane
Kąt ataku: 109°
J. E. Baldwin, M. J. Lusch, Tetrahedron, 1982, 38, 2939.
14
Mechanizmy otwarcia pierścienia epoksydowego
15
Proponowana biosynteza Brewetoksyny B
Nakanishi K. Toxicon 1985; 23: 473–479. [PubMed: 3895583]
16
Cyklizacja epoksyalkoholi
Nicolaou, K. C.; Duggan, M. E.; Hwang, C‐K.; Somers, P. K. J. Chem. Soc., Chem. Commun.1985, 1359.
17
Cyklizacja trans‐epoksyalkoholi
CSA – (±)‐kwas kamforosulfonowy
Nicolaou, K. C.; Duggan, M. E.; Hwang, C‐K.; Somers, P. K. J. Chem. Soc., Chem. Commun.1985, 1359.
18
Cyklizacja trans‐epoksyalkoholi
Nicolaou, K. C.; Duggan, M. E.; Hwang, C‐K.; Somers, P. K. J. Chem. Soc., Chem. Commun.1985, 1359.
19
Cyklizacja cis‐epoksyalkoholi
O
HO
R
6
H
HO
CSA (10 mol%)
CH2Cl2
O
R
-40 - 25 oC
H
a) R = CH=CH2
b) R = Z-CH=CHCl
c) R = E-CH=CHCl
d) R = C CBr
+ HO
7
H
R
H
O
8
7/8 Wyd.(%)
44/56 95
33/67 92
76/24 94
0/100 87
Nicolaou, K. C.; Prasad, C. V. C.; Somers, P. K.; Hwang, C‐K. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 5330.
20
Przykłady otwierania pierścienia oksiranowego
Mori, Y.; Furuta, H.; Takase, T.; Mitsuoka, S.; Furukawa, H. Tetrahedron Lett. 1999, 40, 8019.
Furuta, H.; Takase, T.; Hayashi, H.; Noyori, R.; Mori, Y. Tetrahedron 2003, 59, 9767.
21
Przykłady otwierania pierścienia oksiranowego
Adiwidjaja, G.; Flörke, H.; Kirschning, A.; Schaumann, E. Tetrahedron Lett. 1995, 36, 8771.
22
Przykłady otwierania pierścienia oksiranowego
synteza trans‐ i cis‐2‐etynylo‐3‐hydroksy terahydropiranów
Mukai, Ch.; Ikeda, Y.; Sugimoto, Y.; Hanaoka, M. Tetrahedron Lett. 1994, 35, 2179.
Nicholas, K. M. Acc. Chem. Res. 1987, 20, 207.
23
Przykłady otwierania pierścienia oksiranowego
cyklizacje trans‐ i cis‐hydroksyepoksydów
RO
O
24
CO2Et 1. Bu NF
4
R = TBPS
2. Pd(PPh3)4
(3.1 mol%)
O
CO2Et
O
CO2Et
+
OH
25
24a trans
24b cis
Trost, B. M.; Tenaglia, A. Tetrahedron Lett. 1988, 29, 2931.
Suzuki, T.; Sato, O.; Hirama, M. Tetrahedron Lett. 1990, 31, 4747.
OH
26
25/26 Wyd. (%)
99/1
90
2/98
89
24
Przykłady otwierania pierścienia oksiranowego
regioselektywna 6‐endo cyklizacja trans‐epoksyalkoholi Du Ha, J.; Shin, E. Y.; Kang, S. K.; Ahn, J. H.; Choi, J‐K. Tetrahedron Lett. 2004, 45, 4193.
Murai, A.; Fujiwara, K.; Tokiwano, T. Tetrahedron Lett. 1995, 36, 8063.
Murai, A.; Fujiwara, K.; Mishima, H.; Amano, A.; Tokiwano, T. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 393.
25
Przykłady otwierania pierścienia oksiranowego
R
OTf
Si
R
O
Me
R
R
R
OTf
Si
O
R Me
Me
Me
OH
Me
Me
5-exo
OH
Me
H+
O
Me
Me
Me
preferowany
H+
H+
Me
Me
OH
Me
6-endo
33
preferowany
O
Me
Me
R3SiOTf
Me
Me
OH
Me
Morimoto, Y.; Nishikawa, Y.; Ueba, Ch.; Tanaka, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 810.
Me
Me
26
Przykłady otwierania pierścienia oksiranowego
H
Br
O
R
cis
40
R
O
H
H
H
O
40a
O
Br
R
Br
R = (CH2)3OTBDPS
H
O
H
R
H
H
trans
36
O
39
R
O
H
OH
R
37
R
O
38
OH
Hayashi, N.; Fujiwara, K.; Murai, A. Chem. Lett. 1996, 341.
Hayashi, N.; Fujiwara, K.; Murai, A. Synlett 1997, 793.
27
Struktury przykładowych polieterów drabiniastych
Karenia brevis
Toksyczne zakwity glonów w Queensland, Australia
28
Kaskadowe otwieranie epoksydów – proponowana biosynteza brewetoksyny B
Nakanishi K. Toxicon 1985; 23: 473–479. [PubMed: 3895583]
29
Kaskadowe otwieranie epoksydów
HO
Me
H
Me
Cs 2CO3 , CsF
H
O
MeOH, temp. wrz. HO
O
HO
Me
SiMe3
SiMe 3
O
HO
H
O
Me
2. Ac 2O, DMAP
pirydyna, CH 2Cl 2
35 %
H
O
H
O
H
H
O
O
H
H
H
O
2 C-O i 2 C-H wiazania
1. Cs2 CO 3, CsF
MeOH, temp. wrz.
O
SiMe3
H
1. Cs2 CO 3, CsF AcO H
MeOH, temp. wrz.
H
O
SiMe3
H
1 C-O i 1 C-H wiazanie
> 92:8 dr
O
H
62 %
> 95:5 dr
Me
O
O
SiMe3
SiMe 3
H
Me
H
2. Ac 2O, DMAP AcO
H
pirydyna, CH 2Cl 2
O
H
H
H
O
O
H
H
H
O
20 %
> 90:10 dr
3 C-O i 3 C-H wiazania
Simpson, G. L.; Heffron ,T. P.; Merino, E.; Jamison, T. F. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1056 ‐ 1057.
30
Kaskadowe otwieranie epoksydów
SiMe 3
Me
O
HO
O
OH
SiMe 3
Cs 2CO3 , CsF
Me
MeOH, temp. wrz.
H
O
SiMe 3
O
SiMe 3
usuwanie SiMe3
SiMe 3 - bezposrednia
cyklizacja
HO
Me
H
Me
SiMe3H
O
Me
H
O
H
O
SiMe 3
H
O
SiMe 3 - bezposrednia
cyklizacja
HO
H
H
O
usuwanie SiMe3
Simpson, G. L.; Heffron ,T. P.; Merino, E.; Jamison, T. F. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1056 ‐ 1057.
HO
H
H
O
31
Kaskadowe otwieranie epoksydów promowane wodą
Morten, C. J.; Byers, J. A.; Jamison, T. F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1902–1908.
32
Kaskadowe otwieranie epoksydów promowane wodą
HO
Me
H
O
H
O
H2O
Me
rt
HO
H
O
H
H
H
HO H O
Me
O
H
H
O
>10:1
HO
H
H2O
HO
70 oC
60 %
Me
H2O
Me
70 oC
53 %
HO
H
H
O
H
O
Me
O
H
O
H
O
H
H
H
H
O
4:1 dr
HO
Me
O
H
H
O
O
H
O
O
H
O
H
H
O
H
H
O
3:1 dr
Vilotijevic , I.; Jamison, T. F.; Science 2007, 317, 1189 – 1192.
33
Kaskadowe otwieranie epoksydów promowane wodą
Modele otwierania epoksydów promowane wodą (20 i 21), metanolem (22) i glikolem etylenowym (23).
Vilotijevic , I.; Jamison, T. F.; Science 2007, 317, 1189 – 1192.
34
Kaskadowe otwieranie epoksydów promowane wodą
Warunki reakcji
warunki
b:c
(wyd. b)
a
b
c
Warunki reakcji
warunki
g:h
f
g
h
warunki
wyd. j
i
j
Morten, C.J.; Jamison, T.F. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6678–6679.
Van Dyke, A.R.; Jamison, T.F. Angew. Chem. Int. Edit. 2009, 48, 4430–4432.
35
Kaskadowe otwieranie epoksydów promowane wodą – synteza Gymnocin A
Gymnodinium mikimotoi
Morten, C. J.; Byers, J. A.; Van Dyke, A. R.; Vilotijevic, I.; Jamison, T. F. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 3175–3192.
36
Kaskadowe otwieranie epoksydów promowane wodą – synteza Gymnocin A
Morten, C. J.; Byers, J. A.; Van Dyke, A. R.; Vilotijevic, I.; Jamison, T. F. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 3175–3192.
37
Podsumowanie
• w zasadowych, obojętnych i kwaśnych warunkach 5‐exo‐cyklizacja przeważa nad
cyklizacją 6‐endo;
• modyfikacja struktury epoksydu powoduje preferencję 6‐endo‐cyklizacji;
•kaskadowe otwieranie epoksydów ma szerokie zastosowanie do syntezy
drabiniastych polieterów, np. brewetoksyn;
• otwieranie epoksydów promowane wodą daje żądane endo‐produkty z wysoką
wydajnością i dobrą selektywnością;
• polietery drabiniaste otrzymuje się w mniejszej ilości etapów niż innymi metodami
syntezy;
• cyklizacje endo‐dipodstawionych epoksydów do tworzenia eterów o średniej
wielkości pierścienia nadal pozostają wyzwaniem;
• obecnie możliwe jest wytworzenie w jednej kaskadzie czterech skondensowanych
pierścieni;
• rozwój katalizy oraz zastosowanie enzymów do selektywnego otwierania
epoksydów .
38
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
39