シャープレス不斉ジヒドロキシル化
化学反応
シャープレス不斉ジヒドロキシル化
名前の由来 カール・バリー・シャープレス
反応タイプ 付加反応
反応
アルケン
+
OsO 4
+
キラルキニーネ配位子
↓
1,2-ジオール（主生成物）
識別子
有機化学ポータル シャープレスジヒドロキシル化
RSCオントロジーID RXNO:0000142

シャープレス不斉ジヒドロキシル化（シャープレスビスヒドロキシル化とも呼ばれる）は、キラルなキニーネ配位子の存在下でアルケンと四酸化オスミウムを反応させ、隣接ジオールを生成する化学反応である。この反応は、事実上あらゆる置換基を持つアルケンに適用されており、高いエナンチオ選択性が得られることが多く、配位子としてジヒドロキニジン（DHQD）とジヒドロキニーネ（DHQ）のどちらを選択するかによって、キラルな結果が制御される。不斉ジヒドロキシル化反応は、非常に位置選択性が高く、基質中で最も電子豊富な二重結合の反応由来の生成物を与える。[1] [2] [3]

シャープレスジヒドロキシル化。R
L =最大置換基; R M = 中型置換基; R S = 最小置換基

この反応は、触媒量の四酸化オスミウムを用いて行うのが一般的であり、反応後にはフェリシアン化カリウム[4] [5]やN-メチルモルホリンN-オキシド[6] [7]などの再酸化剤で再生される。これにより、毒性が高く非常に高価な四酸化オスミウムの必要量を大幅に削減できる。これらの4つの試薬は、あらかじめ混合された状態（「 AD-mix 」）で市販されている。(DHQ) 2 -PHALを含む混合物はAD-mix-α、(DHQD) 2 -PHALを含む混合物はAD-mix-βと呼ばれる。[8]

このようなキラルジオールは有機合成において重要です。キラル触媒を用いて非キラルな反応物にキラリティーを導入することは、有機合成における重要な概念です。この反応は、K・バリー・シャープレスが既に知られていたラセミ体アップジョン・ジヒドロキシル化を基盤として主に開発し、彼はこの功績により2001年のノーベル化学賞を共同受賞しました。

背景

四酸化オスミウムによるアルケンのジヒドロキシル化は、アルケンの官能基化に古くから用いられてきた極めて有用な方法です。しかし、四酸化オスミウム（OsO 4 ）などのオスミウム(VIII)試薬は高価で毒性が強いため、この反応の触媒的変種の開発が望まれています。これらの触媒反応に用いられてきた化学量論的末端酸化剤としては、塩素酸カリウム、過酸化水素（ミラス水酸化）、N-メチルモルホリンN-オキシド（NMO、アップジョンジヒドロキシル化）、tert-ブチルヒドロペルオキシド（t BHP）、フェリシアン化カリウム（K 3 Fe(CN) 6）などがあります。K . バリー・シャープレスは、シャープレス不斉ジヒドロキシル化（SAD）と呼ばれる、汎用的で信頼性の高いエナンチオ選択的アルケンジヒドロキシル化を初めて開発しました。低レベルの OsO 4をキラル窒素配位子の存在下で化学量論的フェリシアン化物酸化剤と結合させ、酸化剤の周囲に非対称環境を作り出します。

反応機構

シャープレスジヒドロキシル化の反応機構は、四酸化オスミウム-配位子錯体（ 2 ）の形成から始まる。アルケン（3）との[3+2]-環化付加により、環状中間体4が得られる。[9] [10] 塩基性加水分解により、ジオール（5）と還元されたオスミウム酸（6）が遊離する。メタンスルホンアミド（CH 3 SO 2 NH 2）は、触媒サイクルのこのステップを促進する触媒として特定されており、添加剤として頻繁に使用され、末端以外のアルケン基質が0℃で効率的に反応できるようにする。[8] 最後に、化学量論的酸化剤が四酸化オスミウム-配位子錯体（2）を再生する。

シャープレスジヒドロキシル化の反応機構
シャープレスジヒドロキシル化の反応機構

シャープレス不斉ジヒドロキシル化の機構は広く研究されており、潜在的な二次触媒サイクルが同定されている（下記参照）。[11] [12]オスミレートエステル中間体が解離する前に酸化されると、オスミウム(VIII)-ジオール錯体が形成され、これが別のアルケンをジヒドロキシル化することができる。[13]この二次経路によるジヒドロキシル化は、一般に一次経路によるジヒドロキシル化よりもエナンチオ選択性が低い。この二次触媒経路を示す模式図を以下に示す。この二次経路は、配位子のモル濃度を高くすることで抑制できる可能性がある。

シャープレス不斉ジヒドロキシル化の触媒サイクル
シャープレス不斉ジヒドロキシル化の触媒サイクル

[2+2]対[3+2]の議論

Sharpless は最初の報告で、この反応はOsO 4とアルケンの[2+2] 環付加によって進行し、オスマオキセタン中間体 (下記参照) を生成すると示唆した。 [14]この中間体は次に1,1- 移動挿入を受けてオスミル酸エステルを形成し、加水分解後に対応するジオールを生成する。1989 年に EJ Corey はこの反応のわずかに異なる変種を発表し、この反応はおそらく OsO 4 とアルケンの [3+2] 環付加によって進行し、オスミル酸エステルを直接生成すると示唆した。[15] Corey の示唆は Jorgensen と Hoffmann による以前の計算研究に基づいており、この研究では [3+2] 反応経路の方がエネルギーの低い経路であると判定されていた。さらに Corey は、八面体中間体における立体反発により [2+2] 経路は不利になると推論した。

四酸化オスミウムのジヒドロキシ化の提案と正しいメカニズム
四酸化オスミウムのジヒドロキシ化の提案と正しいメカニズム

その後の 10 年間に、Corey と Sharpless の両者から多数の論文が発表され、それぞれが独自のメカニズムを支持しました。これらの研究では、提案された 2 つの環化経路を区別することはできませんでしたが、他の方法でメカニズムを解明することに成功しました。たとえば、Sharpless は、反応が段階的なメカニズムで進行する証拠を示しました。[16]さらに、Sharpless と Corey はともに、活性触媒が U 字型のキラル結合ポケットを持つことを示しました。[17] [18] [19] Corey はまた、触媒がミカエリス・メンテン反応速度論に従い、前平衡を持つ酵素ポケットのように作用することを示しました。[20] 1997 年 2 月の Journal of the American Chemical Society 誌で、Sharpless は [3+2] 環化よりも [2+2] 環化を支持する研究結果 (ハメット分析) を発表しました。[21]しかし、同年10月号でシャープレスはケン・ハウクとシングルトンと共同で行った別の研究の結果も発表し、[3+2]メカニズムの決定的な証拠を示しました。[10]こうしてシャープレスは10年に及ぶ論争に終止符を打たざるを得なくなりました。

触媒構造

活性ジヒドロキニジン触媒の U 字型結合ポケット内に結合したアリルベンゾエート、Re面と相互作用する四酸化オスミウム。

結晶構造解析から、活性触媒はU字型の結合ポケットに保持された五配位オスミウム種を有することが示されています。窒素配位子はOsO 4をキラルな環境で保持し、オレフィンの片側への接近は立体的に阻害されますが、もう片側への接近は阻害されません。[20]

触媒システム

SAD向けには、数多くの触媒システムとその改良版が開発されています。以下は、触媒システムの様々な構成要素の概要です。

  1. 触媒酸化剤：これは常にOsO 4ですが、特定の添加剤はオスミウム(VIII)に配位し、その電子特性を変化させることがあります。OsO 4 は、安全性への懸念から、K 2 OsO 2 (OH) 4（Os(VI)種）からin situで生成されることがよくあります。
  2. キラル補助剤: これは通常、ある種のキナアルカロイドです。
  3. 化学量論的酸化剤:
    • 過酸化物は、この触媒サイクルで使用された最初の化学量論的酸化剤の一つでした（Milas水酸化を参照）。過酸化物の欠点としては、化学選択性の問題が挙げられます。[13]
    • トリアルキルアンモニウムN-オキシド、例えばNMO（アップジョン反応で用いられる）やトリメチルアミンN-オキシドなど。[13]
    • フェリシアン化カリウム（K 3 Fe(CN) 6）は、この反応で最も一般的に使用される化学量論的酸化剤であり、市販の AD ミックス製剤に含まれている酸化剤です。
  4. 添加剤:
    • クエン酸：四酸化オスミウムは求電子性酸化剤であるため、電子不足のオレフィンとゆっくりと反応します。反応pHを弱酸性に保つことで、電子不足のオレフィンの酸化速度を加速できることが分かっています。[13]一方、pHが高いと、内部オレフィンの酸化速度が上昇し、末端オレフィンの酸化におけるエナンチオマー過剰率（ee）も上昇します。 [13]

位置選択性

一般的にシャープレス不斉ジヒドロキシル化は、より電子豊富なアルケンの酸化を促進する（図1）。[22]

SADスキーム1
SADスキーム1

この例では、SAD反応により、（電子吸引性の）パラメトキシベンゾイル基に最も近いアルケンのジオールが、低収率ではあるものの得られる。これは、アリール環がπスタッキングを介して触媒の活性部位と有利に相互作用する能力によるものと考えられる。このように、アリール置換基は配向基として作用する。[23]

SADスキーム2
SADスキーム2

立体選択性

SADのジアステレオ選択性は、主に配位子の選択（すなわち、AD-mix-α vs. AD-mix-β）によって決定されますが、基質の既存のキラリティーや隣接する官能基などの要因も影響する可能性があります。以下に示す例では、パラメトキシベンゾイル置換基は主に立体的嵩高さの源として機能し、触媒がアルケンの2つの面を区別することを可能にします。[23]

SADスキーム3
SADスキーム3

オレフィンの両端が類似した立体環境を持つ場合、 シス-二置換アルケンで高いジアステレオ選択性を得ることは難しいことがよくあります。

さらに読む

  • Jacobsen, EN; Marko, I.; Mungall, WS; Schroeder, G.; Sharpless, KB (1988). 「リガンド加速触媒による不斉ジヒドロキシル化」. J. Am. Chem. Soc. 110 (6): 1968– 1970. Bibcode :1988JAChS.110.1968J. doi :10.1021/ja00214a053.

参照

参考文献

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