Organokatalizátorok immobilizációja

A mai írásban a szilárd hordozós organokatalizátorokról és azok felhasználásának előnyeiről és hátrányairól fogok értekezni néhány példát is bemutatva.

A katalizátorok hatékonyságának  növelésére egy újszerű törekvés az organokatalizátorok különböző szilárd hordozókhoz való kötése, avagy immobilizációja. A különféle hordozós katalizátorok előnyei a hagyományos társaikkal szemben, hogy a reakció lejátszódása után gyors szeparációs művelettel, például szűréssel elválaszthatók a reakcióelegytől. Így nehézség nélkül regenerálhatók, ezáltal újrahasznosíthatók és visszaforgathatók további reakciókba. Mindezeknek köszönhetően meglehetősen leegyszerűsödik és kontrollálhatóbbá válik a katalitikus folyamat, mérsékelve a kívánt termék feldolgozáshoz szükséges időt és energiát, növelve a technológia gazdaságosságát és környezettudatosságát. A szilárd hordozóra vitt katalizátorok további figyelemreméltó sajátsága, hogy könnyűszerrel felhasználhatók folyamatos áramlású rendszerekben is. Ebben az esetben a hordozós katalizátort tölthető oszlopokba helyezzük, amelyen keresztül biztosítjuk a reagensek folyamatos áramoltatását. E megvalósítás előnye, hogy a katalizátor végig az ágyon marad, így nem szennyezi a termékelegyet, jelentősen leegyszerűsítve a tisztítási és feldolgozási lépéseket. Továbbá, az oszlopon rendkívül nagy lokális katalizátor felesleg érhető el, így csekély reagensfelesleg alkalmazásával, a reakcióidő lecsökkentése mellett, magas hozam és szelektivitásértékek érhetők el.

Nyilvánvalóan az immobilizált katalizátorok hátrányos tulajdonságokkal is rendelkeznek. Bizonyos jellemzőik módosulhatnak a kémiai rögzítés következtében, a katalitikus aktivitásuk és enantioszelektivitásuk csökkenhet. A szintézis szilárd hordozóra való átültetése többlet időt és energiát követel. Továbbá duzzadó tulajdonságú hordozó esetén megjegyezhető hátrányként a felhasználható oldószerek korlátozott száma is. Ugyanis nem megfelelő közegben a gyanta összeesik, ezáltal csökken az immobilizált katalizátoron az aktív helyek hozzáférhetősége és a folyamat hatékonysága.

Kémiai összetételük szerint a polimer hordozók lehetnek gél típusú gyanták (pl. polisztirol, polietilén-glikol), felület típusú gyanták (pl. cellulóz, szilikagél), kompozit gyanták és fésű polimerek. A katalizátor szilárd hordozón történő immobilizálása alapvetően kétféle módon történhet. Az egyik esetben kovalens kötéssel kapcsoljuk a hordozóhoz, míg a másik módszer alkalmazásánál az adszorpció gyenge kölcsönhatások által valósul meg. Ez utóbbinak nincs számottevő hatása az aktivitásra, azonban kevésbé stabilak. Az erős kovalens kötések jóllehet pozitívan befolyásolják a stabilitást, de aktivitásvesztéssel járhatnak.

Az organokatalizátorok szilárd hordozóhoz kötésével számos kutatócsoport foglalkozik. Manapság az egyik legjelentősebb név e tudomány területen Miquel A. Pericàs, aki csoportjával az évek során számos organokatalizátor immobilizációját oldotta meg. Például hidroxiprolint 1,2,3-triazol gyűrűn keresztül rögzítettek polisztirol gyantához, és az így képzett immobilizált katalizátort sikeresen alkalmazták aldol és Mannich reakciók sztereoszelektív kialakításához hagyományos lombikos és áramlásos kísérletek során. Továbbá Michael addíciós reakciókhoz diarilprolinol étereket immobilizáltak polimer gyantán az előbbihez hasonló 'klikk' stratégiával, és sikeresen alkalmazták a termékeket áramlásos szintézisek során. Természetesen Pericas kutatócsoprtján kívül is nagyon sokan foglalkoznak immobilizált organokatalizátorokkal. Például, Sartori és Armstrong munkatársaikkal egyszerű alkének enantioszelektív epoxidálásához használtak organokatalizátorként hordozós királis ketonokat. Cahard és kutatócsoportja immobilizált cinkonin és cinkonidin alapú katalizátorok szintézisét tanulmányozta, ahol egy észter linkeren keresztül kapcsolódnak e vegyületek a szilárd hordozóhoz. Lemaire és társai bemutatták, hogy a szilikagélen immobilizált biszoxazolin ligandum képes hatékonyan katalizálni a ciklopentadiének Diels-Alder reakcióját.

Az imént bemutatott példák is tanúsítják, hogy az immobilizált katalizátorok a laboratóriumi kutatásokban nagy népszerűségnek örvendenek, köszönhetően a már tárgyalt előnyös tulajdonságaiknak.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• B. List, S. Mukherjee, J. W. Yang, S. Hoffmann, Chem. Rev., (2007) 107, 5471.
• F. Cozzi, Adv. Synth. Catal., (2006), 348, 1367.
• 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.

Peptid-organokatalizátorok

Miután két bejegyzéssel korábban már beszámoltam a prolin-alapú organokatalízis alapjairól, ma katalizátor fejlesztés következő hullámáról, vagyis a peptid-organokatalizátorokról lesz szó.

A peptidek aminosav monomerekből felépülő, a fehérjéknél rendszerint rövidebb lánchosszúságú kémiai struktúrák. A meghatározott sorrendet követő monomer egységek a szomszédos amino- és karboxil-csoportjuk között savamid kötést (peptidkötés) hoznak létre. Katalizátorkémiai alkalmazásuk annak a felismerésnek az eredménye, hogy a kisméretű, prolin-szerű katalizátorok továbbfejlesztése, módosítása egy adott szint elérése után korlátozott a funkciós csoportok limitált száma miatt. Ugyanakkor, ha olyan moduláris felépítésű molekulákat alkalmazunk katalizátorként, mint a peptidek, akkor az előző akadályon könnyedén túllépve, az építőelemek változtatásával (finomhangolás) kedvező tulajdonságokkal rendelkező katalizátorokat állíthatunk elő. A peptidek mellett szóló érv az is, hogy királis információ tartalmuk nem merül ki az aminosavak aszimmetriájában, hanem másodlagos és harmadlagos szerkezetükből is jelentős királis indukció adódhat. Az utóbbi években számos peptid ill. peptid-szerű organokatalizátort fejlesztettek ki, és megszületett a felismerés, miszerint egyes peptidek a prolin katalitikus tulajdonságait imitálják, sőt túl is mutatnak azon. Alkalmasan tervezett peptidek hatékony organokatalizátorrá válhatnak, egyfajta kompromisszumot jelentve a kisméretű, rigid katalizátor molekulák és az enzimek között.

Az egyik legelső példa a poliaminosavak katalizátorként való alkalmazására, Inoue munkája, aki tiolok konjugált addícióját katalizálta e vegyületekkel az 1970-es évek elején. Közel egy évtizeddel később Juliá és Colonna epoxidációs reakciókban használtak immobilizált poli-l-leucint, mint királis katalizátort. Azóta számos reakcióban sikeresen alkalmaztak peptideket és különböző származékaikat organokatalizátorként. Reymond és List alakított ki először sztereoszelektíven C-C kötéseket peptidkatalizátorokkal. A szekvenciáik közös tulajdonsága, hogy N-terminálisan prolint vagy valamilyen prolin származékot tartalmaznak. Ezekkel az egyszerű di-, tri- vagy tetrapeptidekkel jó termeléseket és közepes enatioszelektivitásokat kaptak aldol és Michael reakciók során. A későbbiekben Tsogoeva és kutatócsoportja hisztidin tartalmú dipeptid katalizátorokat alkalmazott aszimmetrikus aldol és konjugált addíciós reakciókhoz, valamivel magasabb enantioszelektivitásokat elérve, mint elődeik. Ezek az eredmények a legjobb esetben is az l-prolinnal éppen összemérhető értékeket jelentettek. 

Az igazi áttörést a Wennemers által tervezett karboxil oldalláncot is tartalmazó N-terminálisan prolint tartalmazó peptidek jelentették, amelyek eredményesen katalizálták az énamin köztiterméken keresztül lejátszódó aszimmetrikus reakciókat. Ezek a molekulák gyakorlatilag tervezett prolin-mimetikumként foghatók föl, és mind katalitikus aktivitás, mind szelektivitás terén hatékonyabbnak bizonyultak, mint a terület legelterjedtebb katalizátora, a prolin. A Wennemers által képzett Pro-Pro-Asp-NH2 peptidkatalizátor kiváló eredményeket mutatott aszimmetrikus aldol reakciókban, és a d-Pro-Pro-Glu-NH2 szekvencia pedig 1,4-addíciós átalakítások során remekelt. A katalizátorok aktivitásáért a szekunder amin rész felel, míg a szelektivitást a karboxil oldallánc és a peptid másodlagos szerkezete határozza meg. E katalizátorok áramlásos alkalmazási lehetőségeit kutatócsoportunk is vizsgálta.

1. Ábra: Wennemers által tervezett peptid-organokatlaizátorok.

Manapság a peptidkatalizátorok kémiája rohamos fejlődik, számos további szekvenciát fejlesztettek ki oxidációs reakciókhoz, szulfonilálásokhoz, reduktív átalakulásokhoz és rezolválásokhoz egyaránt.

A bejegyzés az alábbi irodalmakra támaszkodik:

• B. List, S. Mukherjee, J. W. Yang, S. Hoffmann, Chem. Rev., (2007) 107, 5471.
• H. Wennemers, Chem. Commun, (2011) 47, 12036.
• 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.