Файл: Моррисон Д. Асимметрические органические реакции.pdf

сиях. В тех случаях, когда имеется достаточно данных, при обсуждении асимметрического синтеза мы используем конфигура­ ционные корреляции. Однако сравнительно мало достаточно надеж­ ных данных, позволяющих использовать модели при рассмотре­ нии переходного состояния.

Первая глава — это по существу введение, в котором даны основные понятия и определения, используемые затем в последу­ ющих главах, изложенных как самостоятельные разделы широкой области асимметрического органического синтеза. Книга в целом ориентирована на читателя, знакомого с основами стереохимии, изложенными в книгах Илпела и Мнслоу * ) . Мы высоко ценим эти монографии и весьма благодарны пх авторам за плодотворные и полезные дискуссии при написании данной книги.

1

Введение

В 1894 г. Эмиль Фишер впервые четко сформулировал опреде­ ление асимметрического синтеза на основании своих эксперимен­ тов по превращению моносахаридов в высшие гомологи но схеме циаигидринового синтеза, сопоставив этот процесс непосредст­ венно с биохимическим процессом образования оптически актив­ ных Сахаров в растениях [1]. Он высказал предположение, что двуокись углерода и вода, конденсируясь под влиянием солнеч­ ного света и хлорофилла, образуют формальдегид, который затем вступает в реакцию конденсации с другой молекулой формальдеги­ да или с простейшими углеводами, причем под направленным воздействием оптически активных соединений в хлорофиллсодержащих «зернах» клетки реакция протекает таким образом, что вхождение каждого следующего асимметрического атома в цепь приводит к образованию только одной из двух возможных стереоизомерных форм. В результате образуется молекула моносахари­ да, прочно связанная с хлорофиллом. Это образование затем распадается на оптически активный моносахарид и регенериро­ ванный хлорофилл — катализатор, способный вновь участвовать в этом цикле [ 1 , 2]. Химический путь превращения углерода при фотосинтезе, установленный в настоящее время, в деталях имеет мало общего с этой упрощенной схемой, предложенной в конце прошлого столетия. Тем пе менее представления об асимметри­ ческом синтезе, выдвинутые Фишером, в общих чертах остаются

всиле и до настоящего -времени.

Впоследующие годы асимметрический синтезстал предметом оживленных дискуссий. В 1898 г. Джепп [3] в лекции под назва­

нием «Стереохимия и витализм» указал на роль живой клетки в этом процессе: «Только живой организм с его асимметрической тканью или асимметрические продукты жизнедеятельности живых организмов могут привести к этому результату. Только асимметрия может рождать асимметрию». Появившийся затем ряд откликов и возражений в печати, касающихся деталей этого процесса, показал, как глубоко проникли представления об асимметри­ ческом синтезе в виталистическую теорию. В период с 1900 по 1935 г., когда ведущими учеными в области асимметрического синтеза были В. Марквальд, Э. Эрлеимейер, А. Маккензи (мл.)

и П. Ритчи, возникла пешая полемика вокруг понятия явления асимметрической индукции * ) . Концепция асимметрической индук­ ции никогда не смогла избавиться от идеи о некоей загадочной, действующей на значительных расстояниях несимметричной вну­

Период медлепиого развития исследований в области асимме­ трического синтеза продолжался вплоть до 1949 г.. когда в тео­ ретической органической химии возникли новые представления, позволившие интерпретировать некоторые основные асимметриче­ ские реакции на рациональной стереохимической основе, исходя из общепринятых пространственных и электронных представлений.

Деринг и Юнг [6], Джекмен, Миллс и Шеннон [7] в своих опытах, принципы которых были заложены еще в работе Бенкера и Лннна [8]. осуществили асимметрическое восстановление кетона по Меервейну — Поиидорфу — Верлею с применением оптически активного спирта под действием алкоголята алюминия с образова­ нием другого частично оптически активного спирта. Они интерпре­ тировали эти результаты с точки зрения пространственных взаимо­ действий в активированном комплексе.

Вавон и сотр. [9, 10], используя реактив Гриньяра, полученный из производных терпенов, сообщили о проведении ими первой асимметрической реакции Гриньяра. Одновременно Мошер и Ла Комб [11, 12] начали систематические исследования асимметри­ ческого восстановления ряда кетонов [например, пипаколииа (2)], используя хпральпый реактив Гриньяра (1), в результате чего получался оптически активный алкоголят (3). Полученные резуль­ таты они также объяснили с точки зрения модели, основанной на пространственном взаимодействии в переходном состоянии. В это же время Прелог [13] (см. также [14]) подверг анализу большое число прежних работ, опубликованных Маккензи и сотрудниками,

/2

*) Эта полемика, представляющая значительный исторический пптерес, прекрасно изложена в гл. I монографии Ритчи [ 4 ] ; там ж е дана и полная библиография по этому вопросу . Кроме того, Кортгом [5] в своем обзоре с у м ­ мировал все спорные точки зрения п определил асимметрическую ппдукцню как «действие силы, возникающей во всех асимметрических системах, к о т о ­ рая оказывает такое воздействие на данные реагирующие системы, перво­ начально обладавшие симметричной конфигурацией, что оип становятся асимметричными».

но реакциям присоединения к карбонильной группе в таких оптически активных сложных эфирах а-кетокислот, как, напри­ мер, 4. Он показал, что конфигурация спиртовой группировки в эфире бензоилмуравьипой кислоты (4) коррелирует с конфигура­ цией частично оптически активированной атролактпиовой кисло­ ты (6'), образующейся при омылении промежуточно получающего­ ся эфира (5). Корреляции основаны на весьма вероятных стерео-

химических предположениях о природе реакции и относительных пространственных затруднениях, создаваемых группами R и R'.

Исследования Крама и Абд Эльхафиза [15], опубликованные в 1952 г., по стереохимии реакций присоединения к альдегидам или кетонам, имеющим хиральный центр рядом с карбонильной груп­ пой [как. например, 7 —у 8А и 8Б], привели к хорошо известному

правилу стерического контроля асимметрической индукции.

Таким образом, за три года, в период с 1949 по 1952 г., были зало­ жены основы рационального подхода к объяснению стереохимии органических реакций асимметрического синтеза. В 50-х годах начался период поисков новых систем и консолидации наших представлений в этой области.

Теперь целесообразно попытаться критически проанализи­ ровать все асимметрические синтезы на термодинамической или кинетической основе с точки зрения стерических и электронных стереохпмпчески контролируемых взаимодействий. Эти же явле­ ния лежат в основе всех реакций независимо от того, являются ли реагенты оптически активными, рацемическими или ахиральными.

Большое число недавно опубликованных исследований в этой области расширило наши представления о деталях асимметриче­ ских процессов, и, хотя наши знания далеко еще не полны, осо­ бенно в количественном отношении, настало время для обобще­ ния всего материала в виде полной сводки. В нашем обзоре будет дана оценка известных асимметрических реакций в отношении их вклада в изучение механизма реакций, их ценности для предсказа­ ния конфигураций и полезности для изучения стереохимического контроля реакций синтеза в органической химии. По этим общим вопросам [4, 5, 16—26], а также по специальным аспектам асим­ метрических превращений [27—34] опубликован ряд обзоров. Ферментативные асимметрические синтезы, например, подробно рассмотрены в недавно опубликованном двухтомнике Р. Бентли [34]. Мы особенно рекомендуем обратиться к этим обзорам для

В этой главе нам предстоит выяснить, что следует понимать под термином асимметрический синтез. В самом широком смысле асимметрический синтез — это реакция, в которой ахиральный агент и молекула субстрата *) образуют под действием реагента хиральное соединение, в котором изомеры**) образуются в нерав-

*) Молекула субстрата должпа обладать либо эпантнотоппымп, либо дпастереотопиымн группами пли сторонами [35] .

**) Стереоизомерные продукты могут быть эпаптномерпымп нлп дпастереомерпымн, п почти всегда онп будут хнральпыми к нерацемическими. Некоторые случаи образования ахнралъиых продуктов также должны быть отпесепы к асимметрическому синтезу, например восстановление хирального окепкетона А в хиральньїіі гликоль Б и ахиральный гликоль В. Если бы эта

реакция протекала со 100%-поіі стсреоселсктиппостыо с образованием ахн - рального продукта В, то реакцию можно было бы рассматривать как асим­ метрический синтез. Гораздо больше стереохнміїческоіі информации можно получить при изучении реакции, в которой из рацемата образуется смесь дпастереомерпых продуктов (стр. 15 п разд. 3-1). (Рацемическая смесь пред­

пых количествах; следовательно, асимметрическим синтезом мож­ но назвать процесс, в котором нрохиральный агент превращается в хиралышй таким образом, что возникают неравные количества стереоизомерпых продуктов. Согласно этому определению, поня­ тие реагент включает не только реактив в обычном смысле, но также растворители (разд. 10-1), катализаторы (разд. 6-7) и такие физические явления, которые оказывают воздействие на асиммет­ рический синтез (например, циркулярно поляризованный свет, разд. 10-4).

Это более полное определение асимметрического синтеза по сравнению с формулировкой, данной Марквальдом. Оно основано на представлениях о симметрии действия хиральных агентов, а не на экспериментально наблюдаемом факте появления в продукте оптической активности * ) .

Классическое и более узкое определение, которое дал в 1904 г. Марквальд [36], имеет скорее феноменологический, а не теоретиче­ ский характер и формулируется следующим образом: «Асимметри­ ческий синтез — это такие реакции, в которых из исходных веществ симметричного строения с промежуточным использованием опти­ чески активных веществ возникают оптически активные продукты при условии исключения любого процесса, могущего привести к расщеплению рацемата». (Определение Марквальда молчаливо предполагает, что хиральный агент не должен разрзчпаться в про­ цессе и может быть регенерирован.)

Согласно этому исторически важному определению, в асимме­ трическом синтезе исходным должно являться ахиральное соеди-

однозначио определяют солокулность хиральных .молекул, в которых пре­

« С Н а ( С Н 2 ) 5 С Н ( С Н з ) ( С Н 2 ) 8 С Н з только в одпой стереоизомернои форме, то, вероятнее всего, измеряемое

считать хиральпьш в связи с изотопным различием углеродов в концевых группах. Кроме того, в особых условиях оптическое вращение многих хиральных систем вообще равно пулю . Так, если раствор имеет ( — ^вра ­