Βήματα στο κλείσιμο του δακτυλίου (Hemiketal Synthesis)

Ημιακετάλες παράγονται όταν ένα άτομο οξυγόνου από την αλκοόλη αντιδρά με την καρβονυλική ομάδα μιας αλδεΰδης ή κετόνης. Αυτό συμβαίνει λόγω της πυρηνόφιλης επίθεσης της ομάδας υδροξυλίου στην ηλεκτρόφιλη καρβονυλική ομάδα. Επειδή οι αλκοόλες είναι φτωχά πυρηνόφιλα, η πρωτονίωση του καρβονυλικού οξυγόνου συνήθως προάγει την επίδραση στον άνθρακα καρβονυλίου. Όταν αυτή η αντίδραση συμβαίνει μόνο με μια αλδεΰδη, το αποτέλεσμα θεωρείται ημιακετάλη, και όταν συμβαίνει με μια κετόνη, το αποτέλεσμα είναι γνωστό ως ημικετάλη.

Σύνθεση ημικετάλης

Η προσκόλληση αλκοόλης σε μια κετόνη ή αλδεΰδη είναι μια από τις πιο σημαντικές περιπτώσεις μιας διαδικασίας πυρηνόφιλης προσθήκης στη βιοχημεία, ιδιαίτερα στη χημεία των υδατανθράκων. Όταν το αλκοόλ αντιδρά με μια αλδεΰδη, το προκύπτον προϊόν είναι ημιακετάλη. κάθε φορά που το αλκοόλ αντιδρά με μια κετόνη, το προϊόν που προκύπτει είναι γνωστό ως ημικετάλη.

Επειδή οι ημιακετάλες και οι ημικετάλες έχουν μεγαλύτερη ισχύ από τα αντίστοιχα συστατικά αλδεΰδης-αλκοόλης, η ισορροπία της αντίδρασης είναι προς τα αριστερά. Ωστόσο, όπως θα δείξουμε στη ρύθμιση της γλυκόζης και άλλων σακχάρων, οι πενταμελείς και εξαμελείς κυκλικές ημιακετάλες είναι σημαντικά χαμηλότερες σε ενέργεια και προτιμώνται σε κατάσταση ισορροπίας.

Οι αλδεΰδες και οι κετόνες φτάνουν σε ισορροπία με την ένυδρη μορφή σε υδατικό διάλυμα. Ένας ένυδρος σχηματίζεται όταν ένα μόριο νερού αντιδρά με τον άνθρακα καρβονυλίου μιας τέτοιας αλδεΰδης ή κετόνης. Αν και τα μόρια αλδεΰδης και κετόνης μπορεί να επιμένουν σε σημαντική ποσότητα στις μορφές ενυδάτωσης τους σε ένα υδατικό διάλυμα, ανάλογα με τη δομή τους, συνήθως εμφανίζονται στη μη ενυδατωμένη τους κατάσταση για απλότητα. Στη χημεία του σακχάρου, επικρατεί η ενδομοριακή παραγωγή ημικετάλης και ημικετάλης. Για παράδειγμα, σε διάλυμα, το 99% της γλυκόζης εμφανίζεται στην κυκλική ημιακετάλη μορφή, ενώ μόλις το 1% της γλυκόζης παραμένει σε ανοιχτή μορφή.

Βήματα στο κλείσιμο του δακτυλίου (σύνθεση ημικετάλης)

Η μετάθεση κλεισίματος δακτυλίου (RCM) είναι μια συχνά χρησιμοποιούμενη ποικιλία μετάθεσης ολεφινών στην οργανική χημεία για τη σύνθεση διαφορετικών ακόρεστων δακτυλίων μέσω της ενδομοριακής μετάθεσης δύο αλκενίων εξόδου με αποτέλεσμα το σχηματισμό κυκλοαλκενίου ως ισομερή Ε- ή Ζ- και ασταθές αιθυλένιο. /P>

Συχνότερα συντίθενται διάμετροι δακτυλίου 5-7 ατόμων. Ωστόσο, οι δημοσιευμένες συνθέσεις περιλαμβάνουν 45 έως 90-μελείς μακροθεροκυκλικούς. Αυτοί οι τύποι αντιδράσεων καταλύονται από μέταλλα και περιλαμβάνουν ένα ενδιάμεσο μεταλλικό κυκλοβουτάνιο. Ο Didier Villemin περιέγραψε τη Σύνθεση ενός Προδρόμου Εξαλτολίδης το 1980, που αργότερα έγινε δημοφιλής από τους Richard R. Schrock και Robert H. Grubbs, οι οποίοι έλαβαν το Νόμπελ Χημείας με τον Yves Chauvin το 2005 για τη συλλογική εργασία στη μετάθεση ολεφινών. Η μετάθεση κλεισίματος δακτυλίου είναι αγαπημένη μεταξύ πολλών οργανικών χημικών λόγω της τεχνητής αξίας της στην παραγωγή, η οποία ήταν προηγουμένως δύσκολη για τους δακτυλίους πρόσβασης και το εκτεταμένο εύρος υποστρώματος της. Η λέξη «hemi» περιλαμβάνεται σε κάθε όνομα επειδή μπορεί να προκύψει προσθήκη ενός δευτερογενούς πυρηνόφιλου αλκοόλ, παράγοντας ακετάλες και κετάλες. Ο μετασχηματισμός της αλκοόλης και μιας αλδεΰδης ή κετόνης σε ημιακετάλη ή ημικετάλη είναι αναστρέψιμη.

Ο Didier Villemin ανέφερε την πρώτη περίπτωση που σχετίζεται με μετάθεση κλεισίματος δακτυλίου το 1980, στην οποία κατασκεύασε έναν πρόδρομο Exaltolide με απόδοση 60–65% χρησιμοποιώντας καταλυόμενη κυκλοποίηση μετάθεσης WCl6/Me4Sn.

Η ζάχαρη ως ενδομοριακό ημικετάλιο

Όπως σημειώθηκε, οι αλληλεπιδράσεις των ημιακεταλών και των ημικεταλών είναι κρίσιμες για τη χημεία των υδατανθράκων. Τα μόρια ζάχαρης τυπικά περιέχουν μια κετόνη ή έναν υποκαταστάτη αλδεΰδης και πολλές ομάδες αλκοόλης. Τα σάκχαρα αλδεΰδης αναφέρονται συνήθως ως αλδόζες, ενώ τα σάκχαρα κετόνης ονομάζονται κετόζες. Η γλυκόζη, για παράδειγμα, είναι αλδόζη, αλλά η φρουκτόζη είναι κετόζη.

Η γλυκοπυρανόζη είναι η κυκλική μορφή της γλυκόζης. Η πυρηνόφιλη επίθεση σε μια επίπεδη θέση καρβονυλίου μπορεί να συμβεί κατά μήκος κάθε πλευράς του επιπέδου, με αποτέλεσμα δύο διακριτά στερεοχημικά αποτελέσματα:δύο διακριτά διαστερεομερή. Αυτά τα διαστερεομερή είναι γνωστά ως τα ανωμερή α και β της γλυκοπυρανόζης στην ονοματολογία των υδατανθράκων.

Γενικός μηχανισμός σύνθεσης ημικετάλης

Ο μηχανισμός της μετάθεσης ολεφινών που καταλύεται από μέταλλο μεταπτώσεως έχει μελετηθεί εκτενώς τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες. Η μετάθεση κλεισίματος δακτυλίου ακολουθεί μια μηχανιστική οδό παρόμοια με άλλα γεγονότα μετάθεσης ολεφινών, συμπεριλαμβανομένου του πολυμερισμού μετάθεσης ανοίγματος δακτυλίου, της διασταυρούμενης μετάθεσης και της μετάθεσης ακυκλικού διενίου. Επειδή όλες οι φάσεις εντός των καταλυτικών αντιδράσεων θεωρούνται ρυθμιζόμενες, εξαρτώμενες από τις αντιδραστικές συνθήκες και τα υποστρώματα, μερικές άλλες οδοί μπορεί να διασταυρωθούν με τη μετάθεση κλεισίματος δακτυλίου. Ο Chauvin υπέθεσε το 1971 την παραγωγή μιας φάσης μεταλλοκυκλοβουτανίου με μια [2+2] κυκλοπροσθήκη, η οποία εξαλείφει περαιτέρω τη δημιουργία σχεδόν του ίδιου αλκενίου και καταλυτικής οντότητας ή ενός καταλυόμενου είδους και ενός αλκυλιδενίου. Αυτή η μέθοδος έχει κερδίσει ευρεία αποδοχή μεταξύ των χημικών και παρέχει ένα πλαίσιο για τον μηχανισμό μετάθεσης κλεισίματος δακτυλίου.

Ο συνδέτης αλκενίου του καταλύτη αντικαθίσταται με το υπόστρωμα για να ξεκινήσει η αντίδραση. Αυτή η αντίδραση περιλαμβάνει την παραγωγή ενός νέου αλκυλιδενίου μέσω ενός γύρου [2+2] κυκλικής απομάκρυνσης και κυκλοπροσθήκης. Στο πλαίσιο των καταλυτών Grubbs, παρατηρείται επίσης σύνδεση και διάσπαση συνδέτη φωσφίνης.

Συμπέρασμα

Η μετάθεση κλεισίματος δακτυλίου έχει χρησιμοποιηθεί παραδοσιακά σε διάφορες οργανικές συνθέσεις και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στη σύνθεση ενός ευρέος φάσματος χημικών ουσιών. Τα παραδείγματα είναι απλώς ένα δείγμα της εκτεταμένης χρησιμότητας της μετάθεσης κλεισίματος δακτυλίου. υπάρχουν πολλές άλλες επιλογές. Η σημασία της μετάθεσης κλεισίματος δακτυλίου σε μια πλήρη σύνθεση δεν μπορεί να υπερεκτιμηθεί. Ένα παράδειγμα είναι η χρήση του στη φυσική παραγωγή του 12-μελούς δακτυλίου στη βιοσύνθεση της ευρεθείσας φλορεσολίδης κυκλοφάνης. Το Floresolide B προήλθε από ένα ασκίδιο του Apidium και έδειξε κυτταροτοξικότητα έναντι των κυττάρων καρκινώματος KB.