Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року)

В короткій оглядовій статті відображено ключові аспекти формування та розвитку впродовж останніх 20 років асиметричного органокаталізу як нового потужного інструменту для конструювання хіральних органічних молекул. Відзначено роль творців стратегії асиметричного органокаталізу — Беньяміна Ліста і...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2021
1. Verfasser:	Вовк, М.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2021
Schriftenreihe:	Вісник НАН України
Schlagworte:	Статті та огляди
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/182783
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року) / М.В. Вовк // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 12. — С. 27-37. — Бібліогр.: 29 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-182783
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1827832022-01-21T01:25:58Z Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року) Вовк, М.В. Статті та огляди В короткій оглядовій статті відображено ключові аспекти формування та розвитку впродовж останніх 20 років асиметричного органокаталізу як нового потужного інструменту для конструювання хіральних органічних молекул. Відзначено роль творців стратегії асиметричного органокаталізу — Беньяміна Ліста і Девіда Макміллана, яких у 2021 р. було удостоєно Нобелівської премії з хімії. Розкрито принципові переваги органокаталітичної методології порівняно з іншими методами асиметричного синтезу. Проаналізовано найтиповіші способи активації асиметричних органокаталізаторів та описано нові напрями їх використання. Особливу увагу приділено результатам досліджень вітчизняних науковців у галузі асиметричного органокаталізу. A brief review article shows key aspects of the formation and development of asymmetric organocatalysis over the past two decades as a powerful new tool for the design of chiral organic molecules. The role of the creators of asymmetric organocatalysis strategy Benjamin List and David MacMillan, who were awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2021, is emphasized. The fundamental advantages of the organocatalytic methodology in comparison with other methods of asymmetric synthesis have been revealed. The most typical methods of asymmetric organocatalysts activation have been analyzed and examples of new directions of their use have been given. Special attention is paid to the results of the Ukrainian scientists’ research in the field of organic organocatalysis. 2021 Article Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року) / М.В. Вовк // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 12. — С. 27-37. — Бібліогр.: 29 назв. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2021.12.027 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/182783 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Статті та огляди Статті та огляди
spellingShingle	Статті та огляди Статті та огляди Вовк, М.В. Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року) Вісник НАН України
description	В короткій оглядовій статті відображено ключові аспекти формування та розвитку впродовж останніх 20 років асиметричного органокаталізу як нового потужного інструменту для конструювання хіральних органічних молекул. Відзначено роль творців стратегії асиметричного органокаталізу — Беньяміна Ліста і Девіда Макміллана, яких у 2021 р. було удостоєно Нобелівської премії з хімії. Розкрито принципові переваги органокаталітичної методології порівняно з іншими методами асиметричного синтезу. Проаналізовано найтиповіші способи активації асиметричних органокаталізаторів та описано нові напрями їх використання. Особливу увагу приділено результатам досліджень вітчизняних науковців у галузі асиметричного органокаталізу.
format	Article
author	Вовк, М.В.
author_facet	Вовк, М.В.
author_sort	Вовк, М.В.
title	Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року)
title_short	Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року)
title_full	Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року)
title_fullStr	Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року)
title_full_unstemmed	Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року)
title_sort	асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (нобелівська премія з хімії 2021 року)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2021
topic_facet	Статті та огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/182783
citation_txt	Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року) / М.В. Вовк // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 12. — С. 27-37. — Бібліогр.: 29 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT vovkmv asimetričnijorganokatalíznovítnâstrategíâkonstruûvannâhíralʹnihmolekuldlâsučasnoítehníkitehnologíítamedicininobelívsʹkapremíâzhímíí2021roku
first_indexed	2025-07-16T01:53:22Z
last_indexed	2025-07-16T01:53:22Z
_version_	1837766607313567744
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 27 АСИМЕТРИЧНИЙ ОРГАНОКАТАЛІЗ — НОВІТНЯ СТРАТЕГІЯ КОНСТРУЮВАННЯ ХІРАЛЬНИХ МОЛЕКУЛ ДЛЯ СУЧАСНОЇ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ ТА МЕДИЦИНИ Нобелівська премія з хімії 2021 року В короткій оглядовій статті відображено ключові аспекти формування та розвитку впродовж останніх 20 років асиметричного органокаталізу як нового потужного інструменту для конструювання хіральних орга- нічних молекул. Відзначено роль творців стратегії асиметричного орга- нокаталізу — Беньяміна Ліста і Девіда Макміллана, яких у 2021 р. було удостоєно Нобелівської премії з хімії. Розкрито принципові переваги орга- нокаталітичної методології порівняно з іншими методами асиметричного синтезу. Проаналізовано найтиповіші способи активації асиметричних органокаталізаторів та описано нові напрями їх використання. Особливу увагу приділено результатам досліджень вітчизняних науковців у галузі асиметричного органокаталізу. Ключові слова: асиметричний органокаталіз, хіральні молекули, способи активації органокаталізаторів, досягнення українських дослідників. Творці органокаталізу — лауреати Нобелівської премії з хі- мії за 2021 р. Співтовариство вітчизняних хіміків-органіків, насамперед дослідники в галузі асиметричного органічного синтезу, з великим задоволенням і піднесенням зустріли по- відомлення про присудження у 2021 р. Нобелівської премії з хімії професору Беньяміну Лісту (Benjamin List), директору Інституту дослідження вугілля Товариства Макса Планка (Ні- меччина) та професору Девіду Макміллану (David MacMillan) із Принстонського університету (США) за розроблення та роз- виток нового точного інструменту для побудови хіральних ор- ганічних молекул — асиметричного органокаталізу. Як зазначив професор Йохан Еквіст, голова Нобелівського комітету з хімії, запропонована лауреатами «концепція ката- лізу наскільки ж проста, як і геніальна, тож багато людей ди- вуються, чому ми не додумалися до неї раніше». Ефективність та синтетична універсальність асиметричного органокаталізу ВОВК Михайло Володимирович — член-кореспондент НАН України, доктор хімічних наук, професор, директор Інституту органічної хімії НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2021.12.027 28 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ мали значний вплив на сферу органічного син- тезу з початку 2000-х років. У процесі свого розвитку асиметричні органокаталітичні мето- ди вийшли за межі академічних кіл, їх почали використовувати для виробництва хіральних ліків, природних продуктів та енантіомерно збагачених біоактивних молекул. Оцінюючи значення розробленої асиметричної органока- талітичної стратегії, у пресрелізі Нобелівської премії відзначено, що «за допомогою цих реак- цій дослідники тепер можуть більш ефективно конструювати будь-що — від нових фармацев- тичних препаратів до молекул, які спроможні вловлювати світло в елементах сонячних бата- рей. Таким чином органокаталізатори прино- сять найбільшу користь людству». Галузь асиметричного каталізу, яка займа- ється створенням ефективних каталітичних методів для побудови хіральних молекул, три- валий час вирізнялася домінуючим викорис- танням металоорганічних сполук та фермен- тів. Однак в останні два десятиліття завдяки опублікованим у 2000 р. піонерським працям цьогорічних нобелівських лауреатів концепція органокаталізу як третього виду асиметрично- го каталізу перетворилася на дискретну стра- тегію розв’язання сучасних завдань хімії. Зо- крема, Б. Ліст звернув увагу на те, що у скла- ді більшості ферментів є атоми металів, але деякі хімічні перетворення каталізуються без їх участі, а деякі «запускаються» однією або кількома амінокислотами у ферменті, і запро- понував використати амінокислоту пролін як асиметричний органокаталізатор [1]. Д. Мак- міллан підійшов до цієї ідеї з дещо іншої по- зиції. Він зауважив, що розроблені на основі металів хіральні каталізатори рідко застосову- ють у виробничих масштабах через їх високу вартість та складність використання (необхід- ність відсутності вологи та кисню в реакційно- му середовищі). Д. Макміллан запропонував використовувати як каталізатори невеликі органічні молекули і ввів у науковий обіг тер- мін «асиметричний органокаталіз» [2]. На сьо- годні асиметричний органокаталіз визнано як незалежний синтетичний інструмент поряд з асиметричним металокаталізом та фермента- БЕНЬЯМІН ЛІСТ (Benjamin List) — німецький хі- мік-органік, директор Інституту дослідження вугілля Товариства імені Макса Планка (Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung). Народився 11 січня 1968 р. у Франкфурті-на-Майні в родині з давніми традиціями у природничій сфері: його прапрадід Якоб Фольхард (1834—1910) був відомим хіміком, учнем Юстуса фон Лібіха, прадід Франц Фольхард (1872—1950) — знаним нефрологом, а його тітка Крістіана Нюсляйн-Фоль- гард у 1995 р. стала лауреатом Нобелівської премії з фізіології та медицини за відкриття, пов’язане з гене- тичним контролем на ранніх стадіях ембріонального розвитку. У 1993 р. Б. Ліст здобув ступінь бакалавра з хімії у Вільному університеті Берліна, у 1997 р. — ступінь PhD у Франкфуртському університеті імені Йоганна Вольфганга Гете (дисертація була присвячена синтезу вітаміну В12). Потім переїхав у США, де працював спо- чатку як постдок у Дослідницькому інституті Скріп- пса (The Scripps Research Institute) в Ла-Хоя (штат Каліфорнія), а в 1999 р. став доцентом. У 2003 р. по- вернувся до Німеччини і очолив дослідницьку групу в Ін- ституті дослідження вугілля Товариства імені Макса Планка, у 2005 р. став директором цього Інституту і завідувачем відділу гомогенного каталізу. З 2004 р. Б. Ліст є почесним професором органічної хімії в Кельн- ському університеті, з 2018 р. — головним дослідником Інституту дизайну та відкриття хімічних реакцій Університету Хоккайдо (Японія) за сумісництвом, крім того, він — головний редактор журналу Synlett. На початок 2021 р. його індекс Гірша за даними Scopus становив 86. Беньямін Ліст — член Німецької національної акаде- мії наук Леопольдина, неодноразово був відзначений як один з найцитованіших дослідників, лауреат багатьох наукових премій, зокрема премії Отто Баєра (2012), премії Горста Працеюса (2013), премії Мукаями (2013), премії Коупа (2014), премії Лейбніца (2016). Фото © David Ausserhofer / MPG ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 29 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ тивним каталізом для синтезу енантіомерно збагачених хіральних органічних сполук. Упродовж останніх 20 років стратегію аси- метричного органокаталізу було реалізовано на більш як 150 різнотипових органічних ре- акціях. Кожен із цьогорічних нобелівських лауреатів опублікував понад 200 оригіналь- них наукових праць з проблем асиметрично- го органокаталізу, показники цитування яких перевищують 33 000. В останнє десятиліття щороку з’являється приблизно 1500 публіка- цій, пов’язаних з органокаталізом. Зусилля Д. Макміллана з поєднання органокаталізу та фотоокиснювального каталізу [3] стали ще од- нією яскравою сторінкою в енантіоселектив- ній функціоналізації складних молекул. Зна- менно, що ІЮПАК (Міжнародний союз фун- даментальної та прикладної хімії) у 2019 р. ви- значив енантіоселективний органокаталіз як одну з 10 нових технологій у хімії, які можуть зробити нашу планету більш стійкою [4]. Принципові переваги органокаталітичної стратегії. До кінця 1990-х років асиметричний каталіз ґрунтувався переважно на викорис- танні металовмісних хіральних каталізаторів, які дозволяли проводити процеси окиснення, відновлення, вклинення σ-зв’язків, активацію π-зв’язків, а також реакції, що каталізуються кислотами Льюїса. Загалом вплив каталізато- рів на основі металів не варто недооцінювати, хоча деякі металоорганічні системи є високо- вартісними, токсичними та чутливими до дії повітря і вологи. Поява асиметричного органокаталізу від- крила нові шляхи і надала переваги [5], по в’я- за ні з економією матеріальних ресурсів, часу та енергії, спрощенням експериментальних методик і скороченням обсягів хімічних від- ходів, що зумовлено впливом кількох суттєвих факторів. По-перше, органічні молекули гене- тично не чутливі до дії атмосферного кисню та вологи, внаслідок чого зникає потреба у вико- ристанні спеціальної експериментальної техні- ки, а також надсухих реагентів та розчинників. По-друге, широкий спектр таких органічних реагентів, як амінокислоти, гідроксикислоти та вуглеводи, є природно доступними з біоло- ДЕВІД МАКМІЛЛАН (David MacMillan) — британ- сько-американський хімік-органік, заслужений про- фесор хімії Принстонського університету. Народився 16 березня 1968 р. у шотландському містечку Беллсхілл неподалік від Глазго. Після закінчення школи навчався в Університеті Глаз- го, здобувши там у 1991 р. ступінь бакалавра з хімії. По- тім переїхав до США, де вступив у докторантуру до професора Ларрі Овермана в Каліфорнійському універ- ситеті в Ірвайні. Ступінь PhD здобув у 1996 р. у Гарвард- ському університеті. Незалежну дослідницьку кар’єру розпочав у 1998 р. в Каліфорнійському університеті в Берклі, а потім, у 2000 р., перейшов до Каліфорнійського технологічного інституту на кафедру органічної хімії, де займався пошуком нових підходів до енантіоселектив- ного каталізу, став професором. У 2006 р. переїхав на східне узбережжя США, обійнявши посаду заслуженого професора в Принстонському університеті, де з 2010 по 2015 р. завідував кафедрою хімії. На початок 2021 р. його індекс Гірша за даними Scopus становив 100. Д. Макміллан — член Лондонського королівського то- вариства (2012), Американської академії мистецтв та наук (2012), Національної академії наук США (2018). Був засновником і головним редактором (2009—2014) журналу Chemical Sciences Королівського хімічного то- вариства. Має багато наукових відзнак, серед яких медаль Корде-Моргана (2005), премія Гаррісона Хова (2014), Гарвардська премія Макса Тішлера (2016), пре- мія Рьодзі Нойорі (2018), медаль Нагої (2019). Крім того, Д. Макміллан є науковим консультантом у таких відомих компаніях, як Pfizer, Merck, Amgen, Biogen Biopharma, Abbvie Research Laboratories, Johnson & John- son Pharmaceuticals, UCB-Celtech, Constellation Pharmaceu- ticals, Takeda Pharmac Research Laboratories, а також чле- ном наукових консультативних рад компаній Firmenich (Швейцарія) та Kadmon Pharmaceuticals (США), по- стійним членом ради RSRC у дослідницьких лабораторіях Merck. Співзасновник біотехнологічної компанії Chiromics LLC, яка розробляє нові стратегії та методи скринінгу для ідентифікації молекул при створенні ліків. Фото © Bryan R. Smith / AFP 30 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ гічних джерел у вигляді окремих енантіомерів. Саме тому прості органокаталізатори зазвичай дешеві у приготуванні, доступні в необхідних кількостях і підходять для проведення як ла- бораторних досліджень, так і реакцій у про- мисловому масштабі. По-третє, малі органічні молекули, як правило, не токсичні та екологіч- но безпечні, що значно підвищує безпеку за- стосування каталізу у хімічних і біологічних дослідницьких комплексах. Що стосується промислового використан- ня, то асиметричні органокаталітичні реакції є вкрай корисними для медичної хімії, техноло- гічні потреби якої часто відрізняються від по- треб класичного хімічного виробництва та роз- роблення процесів. Для медичної хімії ключо- вим є пошук швидких і таких, які мають широ- кий діапазон застосування, способів створення нових кандидатів у ліки для тестування, через що найважливішими критеріями для каталіза- торів є їх універсальність, зручність та надій- ність. Саме органокаталізатори відповідають цим експлуатаційним вимогам, і їх було взято на озброєння в процесах пошуку терапевтич- них засобів, збагачених певним енантіомером [6]. Розвиток асиметричного органокаталізу, який використовує як хіральні каталізатори такі невеликі органічні молекули, як похідні алкалоїдів, амінокислот та фосфорних кислот, значно розширив хімічний простір, який мож- на використати для отримання синтетичних блоків та ключових сполук. Саме тому ця стра- тегія особливо приваблива для конструювання біологічно активних молекул, які зазвичай не толерантні до забруднення металами. Режими активації та реакційна здатність асиметричних органокаталізаторів. Найваж- ливішою передумовою успіху органокаталізу в перше десятиліття його відкриття була іден- тифікація загальних режимів активації, індук- ції та реакційної здатності каталізатора. За- гальний режим активації описує реакційний вид, який може брати участь у багатьох типах реакцій з незмінно високою енантіоселектив- ністю. Такого роду реакційні види виникають у результаті взаємодії одного хірального ката- лізатора з основною функціональною групою (карбонільною, алкенільною, імінною тощо) у високоорганізованому і передбачуваному процесі. Значущість типових режимів актива- ції полягає в тому, що після їх встановлення вони можуть відносно просто бути викорис- тані в ролі платформи для розроблення нових енантіоселективних реакцій. Дійсно, більшість з понад 150 органокаталітичних реакцій ґрун- туються безпосередньо на 5 або 6 режимах ак- тивації. Не видається дивним незначне число варіантів активації в асиметиричному органо- каталізі (як і в каталізі загалом), оскільки при розробленні нової енантіоселективної реакції набагато простіше використати відомий спосіб активації, ніж винаходити його новий різно- вид разом з новим каталізатором. Як результат, кількість енантіоселективних каталітичних реакцій завжди буде значно більшою за число режимів активації, які лежать в їх основі. Най- поширенішими способами активації асиме- тричних реакцій на сьогодні є єнамінокаталіз, імінієвий каталіз та каталіз з утворенням вод- невих зв’язків (див. табл.) [5]. Незважаючи на те, що перші повідомлен- ня, присвячені каталізованій амінокислотою проліном енантіоселективній внутрішньомо- лекулярній альдольній реакції для синтезу ке- тона Віланда—Мішера, було опубліковано ще в 1971 р. [7, 8], режим активації, який лежав в її основі, не використовували впродовж на- ступних 30 років. І лише після появи у 2000 р. базової праці Б. Ліста зі співробітниками [1] з використання проліну для α-функціоналізації карбонілвмісних сполук єнамінокаталіз на- був значного поширення. З того часу велику кількість досліджень було спрямовано на ви- явлення нових типів єнамінових каталізаторів. З точки зору механізму єнаміновий каталіз можна описати як двофункціональний про- цес, оскільки аміновмісний каталізатор (про- лін у табл.) взаємодіє з кетоновим субстратом з утворенням єнаміну як проміжного продук- ту, але одночасно він реагує з електрофільним партнером через водневий зв’язок або електро- статичне притягання. Імінієвий каталіз був першим органокаталі- тичним способом активації, представленим як ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 31 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ загальна стратегія асиметричного органічного синтезу. Він оснований на здатності хіральних амінів функціонувати в ролі енантіоселектив- них каталізаторів для кількох перетворень, у яких традиційно використовується каталіз кислотами Льюїса. Концепція механізму ґрун- тувалася на гіпотезі про те, що оборотне утво- рення імінієвих іонів з α,β-ненасичених аль- дегідів і хіральних амінів може імітувати рів- новажні динамічні і π-орбітальні електронні процеси, характерні для каталізу кислотами Льюїса. Завдяки індивідуально розробленій серії імідазолідинонових каталізаторів іміні- євий каталіз сьогодні використовується в по- над 50 високоенантіоселективних протоколах, більшість з яких було розроблено дослідниць- кою групою Д. Макміллана [9]. Каталіз за участю водневих зв’язків розпо- чався з того, що на початку 1980-х років було виявлено декілька асиметричних каталітич- них процесів, які дозволили зробити припу- щення, що активація субстрату і організація перехідного стану можуть відбуватися через визначені процеси внаслідок утворення вод- невих зв’язків [10, 11]. Однак їх розглядали як виняток із загальноприйнятого положення про те, що водневий зв’язок є недостатньо активу- ючим або направленим для використання його в асиметричному каталізі. Дещо пізніше [12] ці міркування було спростовано повідомленнями про асиметричний варіант реакції Штрекера, в якому використовували схильні до утворення водневих зв’язків каталізатори, що активували іміновмісні електрофіли. Було показано, що Загальні способи активації, які найчастіше використовують в органокаталізі Субстрат Каталізатор Форма активації Приклади варіантів реакції Єнаміновий каталіз Альдегід-альдегідне крос- альдольне сполучення Внутрішньомолекулярне α-алкілування Реакція Манніха Реакція Міхаеля α-Амінування α-Окиснення α-Галогенування α-Сульфенілювання Імінієвий каталіз Реакція Фріделя—Крафтса Реакція Дільса—Альдера Реакція Мукаями—Міхаеля Спряжене амінування Спряжене окиснення Спряжене сульфенілювання Циклопропанування Епоксидування та азириди- нування Каталіз за рахунок водневих зв’язків Реакція Штрекера Реакція Манніха Ціаносилілювання кетонів Реакція Біджінеллі Реакція Пікте—Шпенглера Відновне амінування 32 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ такі тіосечовинні каталізатори можна застосо- вувати для інших реакцій, і це стало початком загального використання енантіоселективно- го каталізу за допомогою утворення водневих зв’язків. Загалом функціональна роль каталізатора полягає як в активації електрофільного або нуклеофільного субстрату, так і в утворенні асиметричного середовища, відповідального за надання хіральності цільовим продуктам. За характером взаємодії із субстратом орга- нокаталізатори класифікують на ковалентні і нековалентні. У першому випадку має місце утворення ковалентного зв’язку між каталіза- тором та субстратом, а у другому — активація субстрату відбувається завдяки формуванню водневих або іонних зв’язків. Типовими пред- ставниками ковалентних органокаталізаторів є аміносполуки та карбени, а нековалентних — тіосечовини, органофосфорні кислоти та цин- хонові алкалоїди. Нові напрями асиметричного органоката- лізу. Останніми роками спостерігається тіс- не поєднання асиметричного органокаталізу з фотокаталізом. Незважаючи на потенційно екологічні властивості фотокаталізу, часто виникає проблема, пов’язана з досягненням повного стереохімічного контролю у фото- хімічній реакції, яка зумовлена високою ре- акційною здатністю радикалів. Цю проблему було позитивно вирішено завдяки поєднанню Д. Макмілланом єнаміноопосередкованого ко- валентного каталізу і фотоокиснювального ка- талізу [3]. У 2016 р. П. Мельхіорре застосував активацію імінію у фотокаталізі для отриман- ня β,β-дизаміщених циклічних єнонів з висо- кою енантіочистотою в асиметричній побудові четвертинних вуглецевих стереоцентрів [13]. Подвійну каталітичну систему з нековалент- ним органокаталізом вдалося успішно реалізу- вати групі Р. Ноулза [14], яка стала піонером у використанні хіральної похідної фосфорної кислоти в асиметричному фотокаталізі. За- стосування цього каталітичного режиму до- зволило здійснити міжмолекулярне декар- боксилювальне крос-сполучення N-ацетил-L- фенілаланіну з 3- та 4-метилхіноліном. Наукова група Б. Ліста [15] запропонувала органотекстильний каталіз, який ґрунтується на фотохімічному закріпленні органокаталі- заторів на текстильному нейлоні через ради- кальний процес. Такі органокаталізатори про- демонстрували прекрасну сумісність з поліа- мідним волокном, що дозволило отримати їх гетерогеннні представники, які містили основи Льюїса, кислоти Бренстеда та хіральні похідні цинхонового алкалоїда. Цей підхід дав змогу вирішити проблему рециклізації в класичному органокаталізі: майже ідеальна енантіоселек- тивність зберігалася після 250 асиметричних каталітичних циклів. Така вражаюча стійкість каталізаторів на основі органотекстилю є ваго- мою підставою для їх успішного застосування у промисловому виробництві. Асиметричне органокаталітичне нуклео- фільне приєднання, як правило, здійснюється шляхом каталізу водневими зв’язками, однак через незначну кислотність таких хіральних донорів, як тіосечовини, сквараміди та іони гуанідинію, має місце несумісність деяких типів субстратів, що було виправлено введен- ням кислоти Льюїса як співкаталізатора. Так, Б. Ліст і співавтори розробили надзвичайно активний каталізатор на базі кислоти Льюїса, Рис. 1. Енантіоселективна органокаталітична реакція Манніха фтороалкілкетімінів ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 33 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ отриманий силілюванням in situ із хіральних С-Н-кислот, для ініціювання асиметричної ре- акції Дільса—Альдера [16]. Інтенсивні дослідження значно розшири- ли межі органокаталізу для отримання атро- поізомерів. Наукова група Б. Тана [17] дося- гла значних успіхів у побудові аксіально-хі- ральних структур, зокрема привілейованих NOBIN і BINAM, за допомогою органокаталі- зу, а С. Міллер зі співавторами [18] розробили короткі пептиди як прототипи біоміметичних каталізаторів, у тому числі й для каталізу за допомогою водневих зв’язків. Використання органокаталізаторів і лігандів з аксіально-хі- ральним елементом дозволило вирішити про- блеми асиметричного синтезу багатокомпо- нентних реакцій Угі та Пассеріні, які відомі високою атомекономністю, що дуже важливо в орієнтованому на різноманіття синтезі склад- них молекул. Досягнення українських вчених у галузі асиметричного органокаталізу. У розвиток асиметричного органокаталізу гідний внесок зробили і вітчизняні науковці. В Інституті ор- ганічної хімії НАН України д.х.н. В.А. Сукач і д.х.н. М.В. Вовк зі співробітниками на основі ка- талізованої L-проліном реакції Манніха арил- трифторометилкетімінів з ацетоном створили ефективний енантіоселективний метод синте- зу нових хіральних реагентів — фторовмісних похідних β-амінокетонів [19]. Синтетичний потенціал асиметричної органокаталітичної реакції Манніха розкрили д.х.н. Ю.В. Рассу- кана і д.х.н. П.П. Онисько зі співробітниками на прикладах похідних імінофосфонових кис- лот, що стало підґрунтям для побудови оптич- но активних α-імінотрифтороетилфосфонатів [20, 21]. Такі процеси реалізуються з високою хемо- та енантіоселективністю і приводять до цільових продуктів з енантіомерною чистотою 78—92 %. Стереохімічний результат реакції відповідає перехідному стану А (рис. 1), сфор- мованому з енергетично більш вигідної анти- конфігурації проміжного єнаміну. Не менш важливими видаються результати з каталізованої хіральними вторинними амі- нами рівноважної реакції 4-трифторометил- піримідин-2-онів з ацетоном, у якій продукти Міхаеля утворюються в умовах кінетичного контролю і схильні до перегрупування за між- молекулярним механізмом в ізомерні термоди- намічно стабільні продукти Манніха (рис. 2). Останні було отримано в енантіозбагаченій формі при застосуванні хірального органока- талізатора (S)-(+)-1-(2-піролідинілметил)пі- ролідину (ПМП) в присутності кислот Брен- стеда [22]. Крім описаних у літературі органокаталіза- торів для проведення нових асиметричних хі- мічних реакцій, в Інституті розробляють нові типи хіральних органокаталізаторів. Для їх ди- зайну академік НАН України В.І. Кальченко зі співробітниками застосували принципи і ме- тоди фосфорорганічної та супрамолекулярної хімії, а в ролі молекулярних платформ вико- ристали легкодоступні макроциклічні сполу- ки — каліксарени. Завдяки своїй оригінальній чашоподібній архітектурі каліксарени можуть з високою селективністю, що наближається до селективності природних ензимів, розпізнава- ти і зв’язувати в супрамолекулярні комплекси органічні молекули різної природи. Калік- сарени мають також практично необмежені можливості хімічної модифікації верхнього та нижнього вінця макроциклу різноманітними функціональними групами, в тому числі ка- Рис. 2. Асиметрична органокаталітична реакція Ман- ніха 4-трифторометилпіримідин-2(1Н)онів 34 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Рис. 3. Енантіомерно чисті внутрішньохіральна каліксаренфосфорна кислота 1 і каліксаренфосфонова кислота 2, а також молекулярна структура кислоти 2 Рис. 4. Органокаліз асиметрич- ної реакції аза-Дільса—Альдера каліксаренами Рис. 5. Асиметричне органо- каталітичне α-бензилювання альдегідів Рис. 6. Органокаталітична діасте- реоселективна фосфоальдольна реакція ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 35 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ талітично активними. При функціоналізації молекулярної платформи каталітично актив- ними хіральними замісниками або при її аси- метричному заміщенні каталітично активними ахіральними замісниками каліксарени стають оптично активними і набувають здатності до супрамолекулярного асиметричного органока- талізу [23]. Використовуючи такі підходи, колектив науковців під керівництвом В.І. Кальченка у співпраці з кафедрою органічної хімії Київ- ського національного університету імені Тара- са Шевченка та лабораторією координаційних сполук Університету імені Поля Сабатьє міста Тулуза синтезували та дослідили енантіомер- но чисті асиметрично заміщені (внутрішньо- хіральні) каліксарени 1, 2, модифіковані по нижньому вінцю макроциклу каталітично ак- тивними угрупованнями фосфорної та фосфо- нової кислоти (рис. 3) [24, 25]. Отримані внутрішньохіральні каліксарен- фосфорна та каліксаренфосфонова кислоти 1, 2 каталізують асиметричні реакції аза-Діль- са—Альдера та асиметричного розкриття ну- клеофілами симетричних епоксидів, які ве- дуть до практично корисних хіральних сполук (рис. 4). На особливу увагу заслуговує дослідження, виконане професором КНУ імені Тараса Шев- ченка І.В. Комаровим зі співробітниками у співпраці із цьогорічним нобелівським лауреа- том Б. Лістом і присвячене органокаталітично- му асиметричному α-бензилюванню альдегідів бензилбромідами [26]. Авторам вдалося досяг- ти найвищої ентіоселективності процесу при використанні як органокаталізаторів стерично утруднених каркасних аналогів проліну, отри- маних науковою групою І.В. Комарова (рис. 5). Значний внесок у створення хіральних фос- форорганічних реагентів та їх органокаталі- тичних перетворень зроблено в Інституті біо- органічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України членом-кореспондентом НАН України О.І. Колодяжним [27]. В дослідженні гідрофосфонілювання альдегідів у присутнос- ті хініну як органокаталізатора було встанов- лено, що енантіоселективність таких реакцій суттєво підвищується при введенні в них хі- рального диментилфосфіту внаслідок подвій- ної асиметричної індукції (рис. 6) [28, 29]. Отже, отримані українськими науковцями результати в галузі асиметричного органоката- лізу органічно вписуються в контекст світових досліджень і є надійним підґрунтям подаль- шого потужного розвитку цього важливого інструменту розв’язання актуальних проблем сучасного тонкого органічного синтезу, медич- ної та фармацевтичної хімії. REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. List B., Lerner R.A., Barbas C.F. III. Proline-catalyzed direct asymmetric aldol reactions. J. Amer. Chem. Soc. 2000. 122(10): 2395—2396. DOI: https://doi.org/10.1021/ja994280y 2. Ahrendt K.A., Borths C.J., MacMillan D.W.C. New strategies for organic catalysis: the first highly enantioselective organocatalytic Diels–Alder reaction. J. Amer. Chem. Soc. 2000. 122(17): 4243—4244. DOI: https://doi.org/10.1021/ ja000092s 3. Nicewicz D.A., MacMillan D.W.C. Merging photoredox catalysis with organocatalysis: the direct symmetric alkyla- tion of aldehydes. Science. 2008. 322(5898): 77—80. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1161976 4. Gomollón-Bel F. Ten chemical innovations that will change our world: IUPAC identifies emerging technologies in Chemistry with potential to make our planet more sustainable. Chem. Int. 2019. 41(2): 12—17. DOI: https://doi. org/10.1515/ci-2019-0203 5. MacMillan D.W.C. The advent and development of organocatalysis. Nature. 2008. 455: 304—308. DOI: https://doi. org/10.1038/nature07367 6. King H.D., Meng Z., Denhart D., Mattson R., Kimura R., Wu D., Gao Q., Macor J.E. Enantioselective synthesis of a highly potent selective serotonin reuptake inhibitor. An application of imidazolidinone catalysis to the alkylation of indoles with an α,β-disubstituted α,β-unsaturated aldehyde. Org. Lett. 2005. 7(16): 3437—3440. DOI: https://doi. org/10.1038/nature17438 36 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (12) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 7. Hajos Z.G., Parrish D.R. Asymmetric synthesis of optically active polycyclic organic compounds. German patent DE 2102623 (1971). 8. Eder U., Sauer G.R., Wiechert R. Optically active 1,5-indanone and 1,6-naphthalenedione derivatives. German pat- ent DE 2014757 (1971). 9. Lelais G., MacMillan D.W.C. Modern strategies in organic catalysis: the advent and development of iminium activa- tion. Aldrichim. Acta. 2006. 39 (3): 79—87. 10. Oku J.I., Inoue S. Asymmetric cyanohydrin synthesis catalyzed by a synthetic cyclic dipeptide. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1981. (5): 229—230. DOI: https://doi.org/10.1039/C39810000229 11. Hiemstra H., Wynberg H. Addition of aromatic thiols to conjugated cycloalkenones, catalyzed by chrial β-hydroxy amines. A mechanistic study on homogeneous catalytic asymmetric synthesis. J. Amer. Chem. Soc. 1981. 103(2): 417— 430. DOI: https://doi.org/10.1021/ja00392a029 12. Sigman M., Jacobsen E.N. Schiff base catalysts for the asymmetric Strecker reaction identified and optimized from parallel synthetic libraries. J. Amer. Chem. Soc. 1988. 120(19): 4901. 13. Murphy J.J., Bastida D., Paria S., Fagnoni M., Melchiorre P. Asymmetric catalytic formation of quaternary carbons by iminium ion trapping of radicals. Nature. 2016. 532: 218—222. DOI: https://doi.org/10.1038/nature17438 14. Rono L.J., Yayla H.G., Wang D.Y., Armstrong M.F., Knowles R.R. Enantioselective photoredox catalysis enabled by proton-coupled electron transfer: development of an asymmetric aza-pinacol cyclization. J. Amer. Chem. Soc. 2013. 135(47): 17735—17738. DOI: https://doi.org/10.1021/ja4100595 15. Lee J.-W., Mayer-Gall T., Opwis K., Song C.E., Gutmann J.S., List B. Organotextile catalysis. Science. 2013. 341(6151): 1225—1229. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1242196 16. Gatzenmeier T., Van Gemmeren M., Xie Y., Hofler D., Leutzsch M., List B. Asymmetric Lewis acid organocatalysis of the Diels-Alder reaction by a silylated C–H acid. Science. 2016. 351(6276): 949—952. DOI: https://doi.org/10.1126/ science.aae0010 17. Wang Y.-B., Tan B. Construction of axially chiral compounds via asymmetric organocatalysis. Acc. Chem. Res. 2018. 51(2): 534. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.accounts.7b00602 18. Metrano A.J., Miller S.J. Peptide-based catalysts reach the outer sphere through remote desymmetrization and atro- poselectivity. Acc. Chem. Res. 2019. 52(1): 199—215. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.accounts.8b00473 19. Sukach V.A., Golovach N.M., Pirozhenko V.V., Rusanov E.B., Vovk M.V. Convenient enantioselective synthesis of β-trifluoromethyl-β-aminoketones by organocatalytic asymmetric Mannich reaction of aryl trifluoromethyl ketimines with acetone. Tetrahedron: Asymmetry. 2008. 19(6): 761—764. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tetasy.2008.02.023 20. Rassukana Yu.V., Yelenich I.P., Vlasenko Yu.G.. Onys’ko P.P. Asymmetric synthesis of phosphonotrifluoroalanine derivatives via proline-catalyzed direct enantioselective C–C bond formation reactions of N–H trifluoroacetimi- doyl phosphonate. Tetrahedron: Asymmetry. 2014. 25(16—17): 1234—1238. DOI: https://doi.org/10.1016/j.teta- sy.2014.07.007 21. Rassukana Yu.V., Stanko O.V., Onys’ko P.P. Enantiomeric O,O-dimenthyl α-iminotrifluoroethylphosphonates: novel chiral building blocks in asymmetric of α-trifluoromethylated α-aminophosphonic acid derivatives. J. Fluor. Chem. 2019. 219: 123—128. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2019.01.007 22. Sukach V.A., Tkachuk V.M., Shoba V.M., Pirozhenko V.V., Rusanov E.B., Chekotilo A.A., Roschenthaler G.-V., Vovk M.V. Control regio- and enantioselectivity in the asymmetric organocatalitic addition of acetone to 4-(tri- fluoromethyl)pyrimidin-2-(1H)-ones. Eur. J. Org. Chem. 2014. (7): 1452—1460. DOI: https://doi.org/10.1002/ ejoc.201301542 23. Boiko V.I., Kalchenko V.I., Esipenko A.A. Chiral calixarenes. Saarbrücken: Lap Lambert Academic Publishing, 2014. [Бойко В.И., Кальченко В.И., Есипенко А.А. Хиральные каликcарены. Saarbrücken: Lap Lambert Acad. Publ., 2014]. 24. Karpus A., Yesypenko O., Boiko V., Daran J.-C., Voitenko Z., Kalchenko V., Manoury E. Synthesis of a new enantio- merically pure inherently chiral calix[4]arene phosphonic acid and its first evalution as organocatalyst. J. Org. Chem. 2018. 83(3): 1146—1153. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.joc.7b02312 25. Karpus A., Yesypenko O., Cherenok S., Boiko V., Kalchenko O., Voitenko Z., Tribrat O., Poli R., Daran J.-C., Ma- noury E., Kalchenko V. Chiral phosphorus-containing calixarenes. Phosphorus, Sulfur, Silicon and the related Ele- ments. 2019. 194(4—6): 471—475. DOI: https://doi.org/10.1080/10426507.2018.1539994 26. List B., Čorić I., Grygorenk O.O., Kaib P.S., Komarov I., Lee A., Leutzsch M., Pan S.C., Tymtsunik A.V., van Gem- meren M. The Catalytic Asymmetric α‐Benzylation of Aldehydes. Angew. Chem. Int. Ed. 2014. 53(1): 282—285. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.201306037 27. Kolodiazhnyi O.I., Kolodiazhna A.O. Asymmetric synthesis of organophosphorus compounds. Kyiv: Naukova dumka, 2017. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 12 37 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ [Колодяжный О.И., Колодяжная А.О. Стереоселективный синтез фосфорорганических соединений. Киев: Нау кова думка, 2017.] 28. Kolodyazhnaya A.O., Kukhar V.P., Kolodyazhnyi O.I. Organic catalysis of phospha-aldol condensation. Russ. J. Gen. Chem. 2008. 78(11): 2043—2051. DOI: https://doi.org/10.1134/S1070363208110091 29. Kolodyazhnaya A.O., Kukhar V.P., Kolodyazhnyi O.I. Modified alkaloid as organocatalysts for the asymmetric syn- thesis of organophosphorus compounds. Phosphorus, Sulfur and Silicon. 2008. 183(1–2): 728—729. DOI: https://doi. org/10.1080/10426500701807673 Mykhailo V. Vovk Institute of Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine ORCID: https://orcid.org./0000-0003-1753-3535 ASYMMETRIC ORGANOCATALYSIS — A NEW STRATEGY FOR THE CONSTRUCTION OF CHIRAL MOLECULES FOR MODERN ЕNGINEERING, TECHNOLOGY, AND MEDICINE A brief review article shows key aspects of the formation and development of asymmetric organocatalysis over the past two decades as a powerful new tool for the design of chiral organic molecules. The role of the creators of asymmetric or- ganocatalysis strategy Benjamin List and David MacMillan, who were awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2021, is emphasized. The fundamental advantages of the organocatalytic methodology in comparison with other methods of asymmetric synthesis have been revealed. The most typical methods of asymmetric organocatalysts activation have been analyzed and examples of new directions of their use have been given. Special attention is paid to the results of the Ukrai- nian scientists’ research in the field of organic organocatalysis. Keywords: asymmetric organocatalysis, chiral molecules, methods of activation of organocatalysts, achievements of Ukrainian researchers.

Асиметричний органокаталіз — новітня стратегія конструювання хіральних молекул для сучасної техніки, технології та медицини (Нобелівська премія з хімії 2021 року)

Institution

Ähnliche Einträge