Az áramlásos kémia mellett munkánk központi részét képezik
különböző organokatalitikus szintézisek, peptid-organokatalizátor fejlesztés és
immobilizáció. Ezért ebben a bejegyzésben az organokatalízist, mint
tudományterületet szeretném bemutatni az olvasóknak.
Az organokatalízis kifejezés olyan katalitikus szintézisre
utal, ahol a kémiai reakciók gyorsítása kisméretű, szubsztöchiometrikus
mennyiségben alkalmazott királis szerves vegyületekkel történik, mely
segédanyagok az aktivitásért felelős molekularészletükben nem tartalmaznak
fémet. Az organokatalizátorok az átmenetifém-komplexek jellemzői mellett az
enzim katalizátorok sajátosságait is viselik. Míg az előbbiekhez méretben
állnak közel, addig hatásmechanizmusuk inkább hasonlít az enzimekéhez. A
fémkomplex katalizátorokkal szemben kevésbé, vagy egyáltalán nem toxikusak,
illetve a környezetre sem érzékenyek, akár pl. a reagensek, oldószerek
víztartalmára, akár a levegő oxigén-, páratartalmára gondolunk.
Enantioszelektív organokatalizátorként leggyakrabban egy fehérjealkotó
aminosavat, a prolint, és különféle származékait használják (1/a. ábra). Ennek
főként az a magyarázata, hogy optikailag tiszta izomerjének két alakja nagy
mennyiségben és kis költséggel előállítható. A funkciós csoportjai pedig
lehetővé teszik, hogy különféle katalitikus átalakulások résztvevője legyen,
továbbá aszimmetria centrumából jelentős királis indukció adódhat. A prolin
alapú organokatalízis történelme az 1971-ig visszavezethető Hajós és
munkatársai (Parrish, Eder, Sauer, Wiechert) által publikált példával kezdődik.
Az általuk sikeresen végrehajtott reakció: L-prolinnal katalizált, magas
enantioszelektivitású, intramolekuláris aldol reakció. Az átalakítás során
olyan di- és triketonokat hoztak létre, melyek különböző szteroid szintézisek
kiindulási anyagaivá váltak. Mégis hosszú ideig nem ismerték fel a prolin
széleskörű alkalmazhatóságának lehetőségeit. A szintetikus kémiai kutatásokban
ez idő tájt uralkodó fémorganikus katalizátorok térhódítása miatt csak mintegy
30 évvel később irányult újra a figyelem erre a területre. A 2000-es évek
elején, a katalizátorfejlesztés második hullámaként MacMillan, List, és Barbas
kutatók újra felfedezték a prolint, mint organokatalizátort, és sikeresen
alkalmazták kezdetben aszimmetrikus aldol reakciókhoz, majd Michael addícióhoz
is. A kiindulási vegyületek (általában aldehidek, ketonok), és a primer vagy
szekunder amin katalizátorok között lejátszódó kondenzációs reakció során
énamin képződik. Ezen reaktív intermedieren keresztül addíciós vagy szubsztitúciós
folyamat megy végbe, a reakciópartnertől függően. A molekularészletükben kettős
kötést tartalmazó elektrofil vegyületek, pl. aldehidek addíciós úton alakulnak
tovább imínium-ionokká, ami ezután hidrolizál, ennek eredményeként a
végtermékhez jutunk. Szintén List és munkatársai nevéhez fűződik az
organokatalitikus háromkomponensű Mannich reakció is, amely során aldehidek
vagy ketonok addíciója történik aldehidből és aminból helyben képződő iminekre,
prolin katalízissel.
 |
| 1. Ábra: Az L-prolin (a) és különböző származékainak (b) szerkezete. |
Miután megszületett a felismerés, hogy a prolin
szerkezetének módosításával mind aktívabb és/vagy szelektívebb katalizátorok
nyerhetők, fokozott figyelem irányult a katalizátor fejlesztésre. Kezdetben, a
karboxil csoport módosításával értek el jó eredményeket, például tioamidra
történő csere (1/b ábra) jelentős szelektivitásnövekedést eredményezett
aszimmetrikus aldol reakciókban. További kutatások során nagy térigényű
szubsztituenseket kapcsoltak a prolin gyűrűhöz 4,4’-helyzetben (1/c ábra), és
az így képzett diszubsztituált L-prolin származékokat közvetlen aldol reakciók
enantioszelektív katalízisére használták. Az átalakításokban magasfokú
szelektivitás volt tapasztalható. Michael reakciókban a karboxil csoport szilil-éterre
történő cseréjével sikerült áttörő
eredményeket elérni (1/d ábra). A legjobb eredményeket aldol reakciókban
karboxil csoport tetrazol gyűrűvé alakításával érték el (1/e ábra).
A katalizátor fejlesztés következő hullámát a moduláris peptidkatalizátorok jelentették. Erről a következő bejegyzésben lesz szó.
A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:
- B. List, S. Mukherjee, J. W. Yang, S. Hoffmann, Chem. Rev., (2007) 107, 5471.
- Szloszár Alíz, Szilárd hordozós peptid organokatalizátorok szintézise aldehidek aszimmetrikus α-aminálásához, diplomamunka, 2013 (témavez.: Dr. Ötvös Sándor Balázs)
ö.s.
A kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
