Organokatalýza

V organické chemii je organokatalýza formou katalýzy, při níž se rychlost chemické reakce zvyšuje pomocí organického katalyzátoru. Tento „organokatalyzátor“ se skládá z uhlíku, vodíku, síry a dalších nekovových prvků, které se vyskytují v organických sloučeninách.^{[3][4][5][6][7][8]} Vzhledem k podobnosti jejich složení a popisu jsou často mylně zaměňovány za enzymy, a to kvůli srovnatelnému vlivu na rychlost reakce a zapojeným formám katalýzy.

Organokatalyzátory, které vykazují sekundární aminovou funkčnost, lze popsat jako katalyzátory provádějící buď enaminovou katalýzu (tvorbou katalytického množství aktivního enaminového nukleofilu), nebo iminiovou katalýzu (tvorbou katalytického množství aktivovaného iminiového elektrofilu). Tento mechanismus je typický pro kovalentní organokatalýzu. Kovalentní vazba substrátu obvykle vyžaduje vysoké zatížení katalyzátoru. Nekovalentní interakce, jako je vodíková vazba, umožňují nízké zatížení katalyzátoru.

Organokatalýza nabízí několik výhod. Není potřeba katalýza na bázi kovů, což přispívá k zelené chemii. V této souvislosti byly jednoduché organické kyseliny použity jako katalyzátor pro modifikaci celulózy ve vodě v mnohatunovém měřítku.^[9] Pokud je organokatalyzátor chirální, otevírá se cesta k asymetrické katalýze; příkladem chirality a zelené chemie je například použití prolinu v aldolových reakcích.^[10] Organičtí chemici David MacMillan a Benjamin List získali v roce 2021 Nobelovu cenu za chemii za práci v oblasti asymetrické organokatalýzy.^[11]

Běžné achirální organokatalyzátory jsou založeny na dusíku, jako je piperidin používaný při Knoevenagelově kondenzaci.^[12] DMAP používaný při esterifikacích^[13] a DABCO používaný v Baylisově-Hillmanově reakci.^[14] Thiazoliové soli se používají ve Stetterově reakci. Tyto katalyzátory a reakce mají dlouhou historii, ale současný zájem o organokatalýzu je zaměřen na asymetrickou katalýzu s chirálními katalyzátory, tzv. asymetrickou organokatalýzu nebo enantioselektivní organokatalýzu. Průkopnická reakce vyvinutá v 70. letech 20. století se nazývá Hajosova–Parrishova–Ederova–Sauerova–Wiechertova reakce. V letech 1968-1997 se objevilo jen několik zpráv o použití malých organických molekul jako katalyzátorů pro asymetrické reakce (nejznámější je pravděpodobně Hajosova-Parrishova reakce), ale tyto chemické studie byly považovány spíše za jedinečné chemické reakce než za integrální součást většího, vzájemně propojeného oboru.^[15]

V této reakci je přirozeně se vyskytující chirální prolin chirálním katalyzátorem v aldolové reakci. Výchozím materiálem je achirální triketon a k získání reakčního produktu, ketolu v 93% enantiomerním přebytku, je zapotřebí pouze 3 % prolinu. Jedná se o první příklad asymetrické aldolové reakce katalyzované aminokyselinou.^[16][17]

Asymetrická syntéza Wielandova–Miescherova ketonu (1985) je rovněž založena na prolinu a další brzkou aplikací byla jedna z transformací v totální syntéze erytromycinu Roberta B. Woodwarda (1981).^[18] Článek se zaměřuje na vybrané nedávné příklady totální syntézy přírodních a farmaceutických produktů pomocí organokatalytických reakcí.^[19]

Mnoho chirálních organokatalyzátorů je adaptací chirálních ligandů (které spolu s kovovým centrem rovněž katalyzují asymetrické reakce) a oba koncepty se do jisté míry překrývají.

Průlom v oblasti organokatalýzy nastal v roce 1997, kdy I-an Š' oznámil první obecnou, vysoce enantioselektivní organokatalytickou reakci s katalytickou asymetrickou epoxidací trans- a trisubstituovaných olefinů s chirálními dioxirany.^[20] Od té doby bylo vyvinuto několik různých typů reakcí.

Organokatalyzátory pro asymetrickou syntézu lze rozdělit do několika tříd:

• Biomolekuly: prolin, fenylalanin, sekundární aminy obecně,^[21] alkaloidy z chinovníku, a některé oligopeptidy.
• Syntetické katalyzátory odvozené z biomolekul.
• Katalyzátory vodíkové vazby, včetně TADDOLů, derivátů BINOLu, jako je NOBIN, a organokatalyzátorů na bázi thiomočoviny.
• Triazoliové soli jako katalyzátory Stetterovy reakce nové generace

Příklady asymetrických reakcí za účasti organokatalyzátorů jsou:

• Asymetrické Dielsovy–Alderovy reakce
• Asymetrické Michaelovy reakce
• Asymetrické Mannichovy reakce

Prolinová katalýza byla přezkoumána.^[22][23]

Imidazolidinony jsou katalyzátory mnoha transformací, jako jsou asymetrické Dielsovy-Alderovy reakce a Michaelovy adice. Chirální katalyzátory vyvolávají asymetrické reakce, často s vysokou enantioselektivitou. Tento katalyzátor funguje tak, že vytváří iminiový ion s karbonylovými skupinami α,β-nenasycených aldehydů (enalů) a enonů v rychlé chemické rovnováze. Tato aktivace iminia je podobná aktivaci karbonylových skupin Lewisovou kyselinou a oba katalyzátory snižují LUMO substrátu:^[24][25]

Přechodný iminiový meziprodukt je chirální, což se přenáší na reakční produkt prostřednictvím chirální indukce. Katalyzátory byly použity v Dielsových-Alderových reakcích, Michaelových adicích, Friedelových-Craftsových alkylacích, transferových hydrogenacích a epoxidacích.

Jedním z příkladů je asymetrická syntéza léčiva warfarinu (v rovnováze s hemiketalem) Michaelovou adicí 4-hydroxykumarinu a benzylidenacetonu:^[26]

Byla využita vinylalkylace krotonaldehydu pomocí organotrifluorboritanu:^[27]

Velká skupina organokatalyzátorů obsahuje močovinu nebo thiomočovinu. Tyto katalyticky účinné (thio)močovinové deriváty označované jako (thio)močovinové organokatalyzátory poskytují explicitní dvojité vodíkové vazebné interakce pro koordinaci a aktivaci substrátů přijímajících H-vazby.^[28]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Organocatalysis na anglické Wikipedii.

• Obrázky, zvuky či videa k tématu organokatalýza na Wikimedia Commons