Organocatálisis
Método en química orgánica
La síntesis de oxamida a partir de diciano y agua de Justus von Liebig representa la primera reacción organocatalítica , siendo el acetaldehído identificado además como el primer "organocatalizador" puro descubierto, que actúa de manera similar a los entonces denominados "fermentos", ahora conocidos como enzimas . [1] [2]

En química orgánica , la organocatálisis es una forma de catálisis en la que se aumenta la velocidad de una reacción química mediante un catalizador orgánico . Este "organocatalizador" está compuesto de carbono , hidrógeno , azufre y otros elementos no metálicos que se encuentran en los compuestos orgánicos. [3] [4] [5] [6] [7] [8] Debido a su similitud en composición y descripción, a menudo se los confunde con enzimas debido a sus efectos comparables en las velocidades de reacción y las formas de catálisis involucradas.

Los organocatalizadores que muestran funcionalidad de amina secundaria pueden describirse como catalizadores que realizan catálisis de enamina (formando cantidades catalíticas de un nucleófilo de enamina activo ) o catálisis de iminio (formando cantidades catalíticas de un electrófilo de iminio activado). Este mecanismo es típico de la organocatálisis covalente. La unión covalente del sustrato normalmente requiere una carga elevada de catalizador (para la catálisis de prolina, normalmente un 20-30 % molar). Las interacciones no covalentes, como los enlaces de hidrógeno, facilitan cargas bajas de catalizador (hasta un 0,001 % molar).

La organocatálisis ofrece varias ventajas. No es necesaria la catálisis a base de metales, por lo que contribuye a la química verde . En este contexto, se han utilizado ácidos orgánicos simples como catalizadores para la modificación de la celulosa en agua a escala de varias toneladas. [9] Cuando el organocatalizador es quiral , se abre una vía para la catálisis asimétrica ; por ejemplo, el uso de prolina en reacciones aldólicas es un ejemplo de quiralidad y química verde. [10] Los químicos orgánicos David MacMillan y Benjamin List recibieron el Premio Nobel de Química 2021 por su trabajo sobre la organocatálisis asimétrica. [11]

Introducción

Los organocatalizadores aquirales regulares se basan en nitrógeno, como la piperidina utilizada en la condensación de Knoevenagel . [12] El DMAP utilizado en esterificaciones [13] y el DABCO utilizado en la reacción de Baylis-Hillman . [14] Las sales de tiazolio se emplean en la reacción de Stetter . Estos catalizadores y reacciones tienen una larga historia, pero el interés actual en la organocatálisis se centra en la catálisis asimétrica con catalizadores quirales, llamada organocatálisis asimétrica u organocatálisis enantioselectiva . Una reacción pionera desarrollada en la década de 1970 se llama reacción de Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert . Entre 1968 y 1997, solo hubo unos pocos informes del uso de pequeñas moléculas orgánicas como catalizadores para reacciones asimétricas (la reacción de Hajos-Parrish probablemente sea la más famosa), pero estos estudios químicos se vieron más como reacciones químicas únicas que como partes integrales de un campo más grande e interconectado. [15]

La reacción original

En esta reacción, la prolina quiral natural es el catalizador quiral en una reacción aldólica . El material de partida es una tricetona aquiral y se requiere solo un 3 % de prolina para obtener el producto de reacción, un cetol en un exceso enantiomérico del 93 % . Este es el primer ejemplo de una reacción aldólica asimétrica catalizada por aminoácidos. [16] [17]

La síntesis asimétrica de la cetona de Wieland-Miescher (1985) también se basa en la prolina y otra aplicación temprana fue una de las transformaciones en la síntesis total de eritromicina por Robert B. Woodward (1981). [18] Un artículo de resumen de mini-revisión se centra en ejemplos recientes seleccionados de síntesis total de productos naturales y farmacéuticos utilizando reacciones organocatalíticas. [19]

Muchos organocatalizadores quirales son una adaptación de ligandos quirales (que junto con un centro metálico también catalizan reacciones asimétricas) y ambos conceptos se superponen hasta cierto punto.

Un gran avance en el campo de la organocatálisis se produjo en 1997 cuando Yian Shi informó sobre la primera reacción organocatalítica general altamente enantioselectiva con la epoxidación asimétrica catalítica de olefinas trans y trisustituidas con dioxiranos quirales. [20] Desde entonces, se han desarrollado varios tipos diferentes de reacciones.

Clases de organocatalizadores

Los organocatalizadores para síntesis asimétrica se pueden agrupar en varias clases:

Ejemplos de reacciones asimétricas que involucran organocatalizadores son:

Prolina

Se ha revisado la catálisis de prolina. [22] [23]

Organocatálisis de imidazolidinona

Catalizadores de imidazolidinona
Catalizadores de imidazolidinona

Las imidazolidinonas son catalizadores de muchas transformaciones, como las reacciones asimétricas de Diels-Alder y las adiciones de Michael . Los catalizadores quirales inducen reacciones asimétricas , a menudo con altas enantioselectividades. Este catalizador funciona formando un ion iminio con grupos carbonilo de aldehídos α,β-insaturados ( enales ) y enonas en un rápido equilibrio químico . Esta activación del iminio es similar a la activación de los grupos carbonilo por un ácido de Lewis y ambos catalizadores reducen el LUMO del sustrato : [24] [25]

Activación del ion iminio

El intermediario transitorio de iminio es quiral y se transfiere al producto de reacción mediante inducción quiral . Los catalizadores se han utilizado en reacciones de Diels-Alder , adiciones de Michael , alquilaciones de Friedel-Crafts , hidrogenaciones por transferencia y epoxidaciones .

Un ejemplo es la síntesis asimétrica del fármaco warfarina (en equilibrio con el hemicetal ) en una adición de Michael de 4-hidroxicumarina y bencilidenoacetona : [26]

Síntesis asimétrica de warfarina Jørgensen 2003

Una hazaña reciente es la alquilación de vinilo de crotonaldehído con una sal organotrifluoroborato : [27]

Alquilación asimétrica de vinilo Lee 2007

Para otros ejemplos de su uso: véase hidrogenación por transferencia organocatalítica y reacciones asimétricas de Diels-Alder .

Organocatálisis de tiourea

Un gran grupo de organocatalizadores incorporan la urea o la fracción tiourea . Estos derivados de (tio)urea catalíticamente eficaces, denominados organocatalizadores de (tio)urea, proporcionan interacciones explícitas de doble enlace de hidrógeno para coordinar y activar sustratos que aceptan enlaces de hidrógeno. [28]

Sus usos actuales están restringidos a reacciones multicomponentes asimétricas, incluidas aquellas que involucran adición de Michael, reacciones multicomponentes asimétricas para la síntesis de espirociclos, reacciones multicomponentes asimétricas que involucran reacciones de Strecker de acilo, reacciones asimétricas de Petasis, reacciones asimétricas de Biginelli, reacciones asimétricas de Mannich, reacciones asimétricas de aza-Henry y reacciones de acoplamiento reductivo asimétrico. [29]

Referencias

  1. ^ Justus von Liebig, Justus (1860). "Ueber die Bildung des Oxamids aus Cyan". Annalen der Chemie und Pharmacie . 113 (2): 246–247. doi :10.1002/jlac.18601130213.
  2. ^ W. Langenbeck (1929). "Über organische Katalysatoren. III. Die Bildung von Oxamid aus Dicyan bei Gegenwart von Aldehyden". Liebigs Ann . 469 : 16-25. doi :10.1002/jlac.19294690103.
  3. ^ Berkessel, A.; Groeger, H. (2005). Organocatálisis Asimétrica . Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30517-9.
  4. ^ Número especial: List, Benjamin (2007). "Organocatálisis". Chem. Rev. 107 ( 12): 5413–5883. doi : 10.1021/cr078412e .
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