Organokatalýza

Syntéza oxamidu z dikyánu a vody, ktorú objavil Justus von Liebig, je prvou organokatalytickou reakciou. Acetaldehyd bol neskôr identifikovaný ako prvý pravý „organokatalyzátor“, ktorý fungoval podobne ako vtedajšie „fermenty“,  teraz známe akoenzýmy.

Organokatalýza je v organickej chémii forma katalýzy, v ktorej je chemická reakcia urýchlená pomocou organického katalyzátora. Tento organokatalyzátor sa skladá z uhlíka, vodíka, kyslíka, síry a iných nekovových prvkov, ktoré sa bežne nachádzajú v organických zlúčeninách.Special Issue:  Kvôli ich podobnosti v zložení a opise sa toto označenie niekedy nesprávne používa (hlavne v angličtine) ako synonymum pre enzýmy vďaka ich podobným účinkom na rýchlosť reakcie a druhu katalýzy.

Organokatalyzátory, ktoré obsahujú sekundárny amín, využívajú buď enamínovú katalýzu (tvoria katalytické množstvo aktívneho enamínového nukleofilu), alebo imíniovú katalýzu (tvoria katalytické množstvo aktivovaného imíniového elektrofilu). Tieto mechanizmy sú typické pre kovalentné organokatalyzátory. Kovalentne viazaný substrát normálne vyžaduje veľké množstvo katalyzátora (u prolínovej katalýzy typicky 20-30 mol%). Nekovalentné interakcie, napríklad vodíkové väzby, umožňujú použitie nižšieho množstva katalyzátora (až k 0,001 mol%).

Organokatalýza ma niekoľko výhod. Keďže nevyužíva katalyzátory na báze kovov, prispieva k zelenej chémii. V tomto kontexte sa používali jednoduché organické kyseliny ako katalyzátory na úpravu celulózy vo vode i vo veľkom (niekoľkotonovom) merítku.International Patent WO 2006068611 A1 20060629 " Direct Homogeneous and Heterogeneous Organic Acid and Amino Acid-Catalyzed Modification of Amines and Alcohols" Inventors: Armando Córdova, Stockholm, Sweden; Jonas Hafrén, Stockholm, Sweden. Ak je katalyzátor chirálny, umožňuje potenciálne prístup i k asymetrickej katalýze (katalýze, pri ktorej vznikajú chirálne zlúčeniny) – napríklad prolín používaný na aldolové reakcie je príkladom chirálneho zeleného katalyzátora.Example 4 in U.S. Patent 3,975,440 August 17, 1976, Filed Dec. 9, 1970 Zoltan G. Hajos and David R. Parrish. 

V roku 2021 bola udelená Nobelova cena za chémiu organickým chemikom Davidovi MacMillanovi a Benjaminovi Listovi za ich prácu v oblasti asymetrickej organokatalýzy.

 Úvod 
Bežné achirálne organokatalyzátory sú založené na dusíkových atómoch, napríklad:

 piperidín sa používa v Knoevenagelovej reakcii,
 DMAP sa používa v esterifikačných reakciách, 
 DABCO sa používa v Baylisovej-Hillmanovej reakcii,
 tiazolové soli sa používajú v Stetterovej reakcii.

Tieto katalyzátory a reakcie majú v organickej chémii dlhú históriu, ale aktuálne je výskum v oblasti organokatalýzy zameraný primárne na asymetrickú katalýzu pomocou chirálnych katalyzátorov. Takéto katalyzátory sa označujú ako asymetrické organokatalyzátory alebo enantioselektívne organokatalyzátory. V 70. rokoch 20. storočia sa ako priekopnícka reakcia v tejto oblasti objavila Hajosova-Parrishova-Ederova-Sauerova-Wiechertova reakcia. Medzi rokmi 1968 a 1997 existovalo len zopár štúdií o použití malých organických molekúl ako katalyzátorov pre asymetrické reakcie (Hajosova-Parrishova reakcia z nich bola pravdepodobne najznámejšia), ale tieto molekuly a zodpovedajúce reakcie boli vnímané skôr ako ojedinelé prípady a nie ako súčasti väčšej množiny reakcií.

Počas Hajosovej-Parrishovej reakcie je chirálnym karalyzátorom prolín, prirodzene sa vyskytujúca aminokyselina, ktorý katalyzuje priebej aldolových reakcií. Počiatočným materiálom je nechirálny triketón a reakcia vyžaduje len 3 mol% prolínu na to, aby vznikol reakčný produkt, ketol, v 93 % enantiomérnom nadbytku. Toto je prvý príklad použitia aminokyseliny na asymetrickú katalýzu aldolovej reakcie.Z. G. Hajos, D. R. Parrish, German Patent DE 2102623 1971

 Súbor:Organocatalytic1.gif

Asymetrická syntéza Wielandovho-Miescherovho ketónu v roku 1985 bola taktiež založená na použití prolínu. Ďalšou podobnou reakciou bola jedna z reakcií totálnej syntézy erytromycínu od Roberta B. Woodwarda z roku 1981. Téme organokatalýzy a jej použitiu pri syntézach prírodných a farmaceutických látok sa venujú rôzne malé review.

Mnohé chirálne organokatalyzátory sú adaptáciou chirálnych ligandov (ktoré s pomocou kovového prvku taktiež katalyzujú asymetrické reakcie) a oba koncepty sa do istej miery prekrývajú.

Prielom v oblasti organokatalýzy prišiel v roku 1997, keď Yian Shi ukázal prvú všeobecnú vysoko enantioselektívnu organokatalytickú reakciu – katalytickú asymetrickú epoxidáciu trans- a trisubstituovaných olefínov pomocou chirálnych dioxiránov. Od tej doby bolo vyvinutých mnoho organokatalytických reakcií.

 Druhy organokatalyzátorov 
Organokatalyzátory používané pre asymetrickú syntézu možno rozdeliť na niekoľko skupín:
 Biomolekuly: prolín, fenylalanín. Sekundárne amíny vo všeobecnosti. Alkaloidy chinovníku, niektoré oligopeptidy. 
 Syntetické katalyzátory odvodené od biomolekúl.
 Katalyzátory využívajúce vodíkové väzby, vrátane derivátov TADDOLu, derivátov BINOLu, napríklad NOBIN, a organokatalyzátory založené na tiomočovine.
 Soli triazólia ako katalyzátory Stetterovej reakcie novej generácie

Príklady asymetrických reakcií využívajúcich organokatalyzátory sú: 
 Asymetrická Dielsova-Alderova reakcia
 Asymetrická Michaelova reakcia
 Asymetrická Mannichova reakcia
 Shiho epoxidácia
 Organokatalytická transferová hydrogenácia

 Prolínová organokatalýza 

Aldolová reakcia katalyzovaná prolínom ako chirálnym katalyzátorom pritiahla pozornosť k tomuto novému druhu katalýzy. Venuje sa jej niekoľko reviews.

 Imidazolidinónová organokatalýza 
400px|Imidazolidinónové katalyzátory|alt=|náhľad

Imidazolidinóny sú katalyzátory pre mnohé reakcie, napríklad asymetrickú Dielsovu-Alderovu reakciu a asymetrickú Michaelovu reakciu. Chirálne katalyzátory vedú k asymetrickým reakciám, často s vysokou enantioselektivitou. Tieto katalyzátory tvoria imíniový katión s karbonylovými skupinami α,β-nenasýtenými aldehydmi (enálmi) a ketónmi (enónmi) a rýchlo dosahujú chemickú rovnováhu. Táto imíniová aktivácia je podobná aktivácii karbonylových skupín pomocou Lewisovej kyseliny a oba katalyzátory znižujú energiu LUMO substrátu:

alt=|stred|náhľad|500x500bod|Aktívacia tvorbou imíniovej soli (spodná reakcia)

Tento imíniový intermediát je chirálny, čo ovplyvňuje i chiralitu produktu reakcie vďaka asymetrickej indukcii. Tieto katalyzátory boli použité pri Dielsovej-Alderovej reakcii, Michaelovej adícii, Friedelovej-Craftsovej alkylácii, transferových hydrogenáciách a epoxidáciách.

Jedným z príkladov využitia týchto katalyzátorov je asymetrická syntéza warfarínu (v rovnováhe s jeho hemiketálom) pri Michaelovej adícii 4-hydroxykumarínu na benzylidénacetón:

650px|Asymmetric warfarin synthesis Jørgensen 2003|alt=

Nedávno bola obdobná reakcia využitá vo vinylovej alkylácii krotonaldehydu pomocou soli organotrifluórborátu:600px|Asymmetric Vinyl Alkylation Lee 2007|alt=

 Tiomočovinová organokatalýza 

Veľká skupina organokatalzýtorov v svojej štruktúre obsahuje močovinu alebo tiomočovinu. Tieto katalytické (tio)močovinové deriváty umožňujú koordináciu dvomi vodíkovými väzbami a tak umožňujú aktiváciu substrátov, ktoré sú akceptormi týchto vodíkových väzieb.

Aktuálne použitie týchto katalyzátorov je obmedzené na asymetrické reakcie využívajúce viacero zlúčenín, napríklad asymetrickú Streckerovu reakciu alebo Biginelliho reakciu.

 Referencie 

 Iné projekty 

 Zdroj 

Kategória:Katalýza
Kategória:Organická chémia