Nobelova cena za udělena za rozvoj asymetrické organokatalýzy
V letošním roce byla Nobelova cena za chemii udělena Benjaminu Listovi (Max-Planck-Institut für Kohlenforschung) a Davidu MacMillanovi (Princeton University) za rozvoj asymetrické organokatalýzy. Oba laureáti ukázali, že chemické reakce poskytující dva stereoisomery lze v přítomnosti malých chirálních organických molekul provádět vysoce selektivně za vzniku převážně jednoho z nich. Udělení Nobelovy ceny za asymetrickou organokatalýzu není překvapivé a byla jen otázka času, kdy bude udělena. Práce B. Lista a D. MacMillana z počátku tisíciletí totiž přinesly nový mimořádně účinný nástroj pro organickou syntézu. Organokatalýza je oběma laureáty a tisíci dalších autorů rozvíjena různými směry. V poslední době se například objevuje kombinace využití organokatalýzy a světla, tzv. fotoorganokatalýza. Této oblasti se věnuje i pracoviště Ústavu organické chemie na VŠCHT Praha.
V asymetrické katalýze jde především o řízení chemické reakce směrem ke vzniku převážně jednoho ze dvou možných stereoisomerů (enantiomeru – viz obr. 1 nebo diastereoisomeru). Pro tyto účely byly již dlouhou dobu využívané komplexy přechodných kovů s chirálními ligandy, nebo v tzv. biokatalýze enzymy či mikroorganismy. Organokatalýza představuje nejmladší z rodiny katalýz a vyznačuje se využíváním malých organických molekul jako katalyzátorů. Výhodou tohoto přístupu je absence přechodných kovů, často problematických z hlediska životního prostředí, a rovněž relativně snadná dostupnost organokatalyzátorů.
Pro fungování asymetrické katalýzy je nezbytné používat katalyzátory v enantiomerně čisté podobě. V případě organokatalýzy jsou takové katalyzátory relativně snadno dostupné buď přímo, nebo jen malou obměnou látek z přírodních zdrojů. Jako příklad lze uvést deriváty prolinu, alaninu či některé alkaloidy. Dnes je běžně komerčně dostupná celá řada takových derivátů. Při organokatalýze interaguje chirální organický katalyzátor s přeměňovanou látkou kovalentní, vodíkovou či iontovou vazbou a následující přeměna pak proběhne s vysokou stereoselektivitou. Typickým příkladem je aldolizace dvou karbonylových sloučenin za vzniku chirálního b-hydroxyketonu, která v přítomnosti prolinu proběhne za vzniku převážně jednoho z enantiomerů (obr. 1)1. Taková reakce by bez uvedeného katalyzátoru při běžné aldolizaci v prostředí alkalického hydroxidu probíhala za vzniku racemické směsi (poměr R:S = 1:1). Druhou reakcí, která přinesla první objevy v asymetrické organokatalýze je enantioselektivní Dielsova-Alderova reakce2.
Obrázek 1 Ilustrativní schéma tvorby produktu aldolizace acetonu a isobutyrylaldehydu z první práce na téma využití prolinu v asymetrické organokatalýze publikované B. Listem. V přítomnosti prolinu vznikal (R)-enantiomer ve velkém přebytku (98:2) oproti (S)-enantiomeru1. Vznikající C-C vazba je zvýrazněna červeně.
Asymetrická organokatalýza dnes představuje významný nástroj v oblasti organické syntézy chirálních sloučenin. Organokatalýzu nelze chápat jen jako konkurenta katalýzy přechodnými kovy a biokatalýzy, ale rovněž jako další prostředek, který umožňuje provádět nové selektivní transformace. I když na svou aplikaci ve velkém měřítku stále čeká, asymetrická organokatalýza je nástroj, který v řadě případů umožňuje významně zkrátit syntetickou cestu v porovnání s dalšími dříve známými postupy. Hlavní aplikaci nalézá především při přípravě nových léčiv a speciálních chemikálií.
Literatura
1. List, B.; Lerner, R. A.; Barbas, C. F. Proline-Catalyzed Direct Asymmetric Aldol Reactions. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 2395-2396.
2. Ahrendt, K. A.; Borths, C. J.; MacMillan, D. W. C. New Strategies for Organic Catalysis: The First Highly Enantioselective Organocatalytic Diels−Alder Reaction. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4243-4244.