REDUKCJA ZWIĄZKÓW KARBONYLOWYCH ENANCJOSELEKTYWNA, ENZYMATYCZNA REDUKCJA ACETOFENONU (SYNTEZA (S)-( )-1-FENYLOETANOLU)

Transkrypt

1 REDUKCJA ZWIĄZKÓW KARBONYLOWYCH ZADANIA 4A-D Celem poniższego zestawu ćwiczeń jest zapoznanie studentów z wybranymi aspektami redukcji związków karbonylowych. Uwzględniono w nim: - enancjoselektywną redukcję acetofenonu z wykorzystaniem enzymów zaproponowano dwie alternatywne procedury: redukcję z wykorzystaniem enzymów zawartych w korzeniu marchwii (9A) oraz redukcję acetofenonu przy użyciu drożdży piekarskich (9B); - diastereoselektywną redukcję ketonów zawierających w swoich cząsteczkach atom stanowiący centrum stereogeniczne, na przykładzie redukcji benzoiny (9C); - niestereoselektywną redukcję acetofenonu przy użyciu tetrahydroboranu sodu (9D). ZADANIE 4A i 4B ENANCJOSELEKTYWNA, ENZYMATYCZNA REDUKCJA ACETOFENONU (SYNTEZA (S)-( )-1-FENYLOETANOLU) We współczesnej chemii organicznej istnieje silna tendencja do uzyskiwania związków enancjomerycznie lub diastereoizomerycznie czystych. W szczególności dotyczy to syntezy substancji czynnych wchodzących w skład leków. Bardzo często istnieje silna zależność pomiędzy ich budową przestrzenną, a wykazywaną przez nie aktywnością biologiczną. Mechanizm działania większości związków biologicznie czynnych (m. in. leków) polega na wiązaniu się ze swoistymi receptorami o określonej strukturze przestrzennej, które mogą oddziaływać tylko ze związkami o budowie im komplementarnej. Dlatego też stereoizomery mogą różnić się między sobą pod względem właściwości farmakologicznych i skuteczności działania. Bywa, że jeden ze stereoizomerów nie wykazuje w ogóle aktywności biologicznej lub wręcz powoduje groźne w skutkach działanie niepożądane. Jak poważnym zagadnieniem jest synteza asymetryczna pokazuje choćby przykład leku o nazwie talidomid, stosowanego pod koniec lat 50-tych XX w. Środek ten stosowano w postaci racematu m. in. jako lek przeciwbólowy dla kobiet w ciąży. Niestety dopiero po kilku latach odkryto, iż działanie lecznicze wykazuje jedynie enancjomer R talidomidu, natomiast enancjomer S posiada silne działanie mutagenne, zwłaszcza względem płodów. Zanim jednak udowodniono ten rakotwórczy charakter enancjomeru S, z poważnymi wadami genetycznymi urodziło się kilkanaście tysięcy dzieci, z których trzecia część zmarła przed osiągnięciem pierwszego roku życia.

2 Dlatego też, coraz więcej preparatów, wprowadzanych w szczególności do lecznictwa, stanowią określone, biologicznie czynne enancjomery, zamiast stosowanych uprzednio mieszanin racemicznych. Umożliwia to m. in. zmniejszenie dawki substancji aktywnej, jak również ograniczenie niepożądanego działania, niekiedy toksycznych nawet stereoizomerów. Optycznie czyste związki mogą pochodzić ze źródeł naturalnych, jak również mogą być otrzymywane metodami chemicznymi. W przypadkach, w których jest to możliwe, dokonuje się rozdziałów mieszanin racemicznych wykorzystując na przykład preferencje krystalizacji poszczególnych stereoizomerów, lub też stosując metody adsorpcyjne, elektroforezy kapilarnej czy rozdziału kinetycznego. Jeśli efektywny rozdział racematu nie jest możliwy, starania idą w kierunku syntezy konkretnego stereoizomeru. Wykorzystuje się w tym wypadku strategie polegające na dobudowywaniu do cząsteczki półproduktu optycznie czynnych składników (tzw. chironów) na pewnym etapie syntezy z retencją lub inwersją konfiguracji, lub też wykorzystuje się prochiralne substraty ulegające syntezie asymetrycznej z zastosowaniem chiralnych reagentów, katalizatorów, związków pomocniczych lub odpowiedniego, chiralnego środowiska. Synteza czystego stereoizomeru wymaga często pokonania wielu trudności związanych na przykład z niskimi wydajnościami chemicznymi i optycznymi reakcji, ewentualną racemizacją produktów w kolejnych etapach reakcji czy też szkodliwością używanych odczynników dla środowiska. Nie bez znaczenia są też zazwyczaj wysokie koszty chiralnych reagentów. Jedną z efektywnych metod syntezy asymetrycznej jest biokataliza, wykorzystująca komórki mikroorganizmów lub rzadziej, komórki roślinne i zwierzęce. Pomimo dominacji chemicznych metod otrzymywania czystych optycznie substancji, metody chemoenzymatyczne posiadają wiele istotnych zalet. 1 Niniejsze ćwiczenie jest przykładem bioredukcji prochiralnego ketonu jakim jest acetofenon, za pomocą enzymów zawartych w korzeniach marchwi. W literaturze chemicznej można znaleźć wiele przykładów zastosowania całych tkanek roślinnych do otrzymywania chiralnych alkoholi drugorzędowych. 2 Dotychczas opisano wiele efektywnych prób redukcji różnych prochiralnych ketonów z użyciem popularnych warzyw i owoców, 3,4 jednak szczególne zalety we wspomnianych bioredukcjach posiada tutaj marchew zwyczajna (Daucus carota L.). 5,6 Jej zastosowanie pozwala uzyskiwać wysokie wydajności i nadmiary enancjomeryczne produktów (%ee; ang. enantiomeric excess) podczas redukcji nie tylko acetofenonu i jego pochodnych, ale również innych, bardziej złożonych związków karbonylowych. Ponadto procedury takich redukcji cechuje prostota wykonania, oraz łatwy dostęp do bardzo taniego i zarazem efektywnego biokatalizatora. Produktem przedstawionej syntezy jest (S)-( )-1-fenyloetanol. Jest to substancja naturalna, występująca w wielu roślinach. Wchodzi ona na przykład w skład olejku różanego, jednego z najstarszych stosowanych leczniczo olejków aromatycznych. 1-Fenyloetanol działa silnie przeciwbólowo, a jego pochodne są poszukiwanymi półproduktami do syntezy nowych leków oraz znajdują zastosowanie jako smakowe i zapachowe dodatki do produktów spożywczych i kosmetycznych.

3 ZADANIE 4A REDUKCJA ACETOFENONU PRZY UŻYCIU KORZENIA MARCHWI ZWYCZAJNEJ O D. carota H 2 O, 25 o C h OH Odczynniki: korzeń marchwi zwyczajnej ok. 100 g acetofenon 0,3 g (2,5 mmol) woda etanol 2 cm 3 octan etylu 300 cm 3 NaCl ok. 100 g NaCl (r-r nasycony) 200 cm 3 MgSO 4 bezw. W kolbie okrągłodennej o poj cm 3 umieszcza się 50 g marchwi, obranej z wierzchniej warstwy i startej na tarce na wiórka o szerokości ok. 5 mm, grubości ok mm i zróżnicowanej długości. Po dodaniu 400 ml wody destylowanej, kolbę umieszcza się na mieszadle magnetycznym, w termostatowanej łaźni wodnej o temperaturze 25 o C. 1 Intensywnie mieszając, dodaje się pipetą Pasteure a roztwór acetofenonu (0,3 g) w 1 cm 3 w etanolu. 2 Następnie kolbę zamyka się korkiem szklanym i kontynuuje intensywne mieszanie przez h, utrzymując temperaturę ok. 25 o C. 1 Po upływie wyznaczonego czasu zawartość kolby przesącza się dwukrotnie przez lejek Büchnera. W przesączu rozpuszcza się ok. 100 g NaCl i przenosi do rozdzielacza gruszkowego o poj cm 3. Marchew odsączoną na lejku przenosi się z powrotem do kolby okrągłodennej, w której prowadzono redukcję, dodaje się 150 cm 3 octanu etylu i miesza intensywnie przez ok min. 1 Opcjonalnie reakcję można prowadzić w temperaturze pokojowej bez użycia termostatowanej łaźni wodnej. 2 Naczynie (najlepiej fiolkę), w którym sporządzony był roztwór acetofenonu, można przepłukać dodatkowo 2 0,5 cm 3 etanolu, w celu ilościowego przeniesienia substratu do mieszaniny reakcyjnej. 3 Skrócenie czasu trwania reakcji z 72 do 48 h powoduje zauważalne, ale dopuszczalne zmniejszenie wydajności bioredukcji.

4 Następnie octan etylu dekantuje się z nad marchwi, przenosi do rozdzielacza zawierającego wysoloną warstwę wodną po reakcji, wytrząsa energicznie przez kilka minut i pozostawia do rozdzielenia warstw. 4 Warstwy następnie rozdziela się, umieszczając warstwę wodną ponownie w rozdzielaczu. Równolegle marchew pozostałą w kolbie okrągłodennej przemywa się po raz drugi 150 cm 3 octanu etylu (intensywne mieszanie przez ok. 30 min.). Po zdekantowaniu tej porcji rozpuszczalnika z nad marchwi, wykorzystuje się go do drugiej ekstrakcji warstwy wodnej. Połączone ekstrakty organiczne przemywa się cm 3 nasyconego roztworu NaCl i suszy nad bezwodnym MgSO 4 (ok. 1 h). Octan etylu oddestylowuje się na wyparce obrotowej, a oleistą, brunatnoczerwoną pozostałość analizuje się metodą chromatografii cienkowarstwowej (CHCl 3 /SiO 2 ) porównując skład jakościowy mieszaniny ze wzorcami acetofenonu oraz czystego 1-fenyloetanolu. 5 W celu wyizolowania czystego (S)-( )-1-fenyloetanolu przeprowadza się chromatografię kolumnową w układzie CHCl 3 /SiO 2. 6 Wydajność bioredukcji wynosi ok. 50 % (dla reakcji prowadzonej przez 72 h). Czystość optyczną produktu można zbadać wyznaczając skręcalność właściwą (lit. α 25 D = -55,1º (c = 1,63, CHCl 3, >99 %ee). ZADANIE 4B REDUKCJA ACETOFENONU PRZY UŻYCIU DROŻDŻY PIEKARSKICH Syntezę wykonuje się zgodnie z opisem podanym w pozycji literaturowej [1], konsultując z prowadzącym ćwiczenie wybór procedury (w r-rze wodnym lub w rozpuszczalniku organicznym). 4 W razie trudności z rozdziałem warstw i długotrwałego utrzymywania się niewielkiej objętości nierozdzielonej emulsji należy tę emulsję dołączyć do części organicznej i podjąć próby dokładniejszej separacji warstw podczas późniejszego przemywania połączonych ekstraktów organicznych nasyconym roztworem NaCl. 5 Plamki na chromatogramie, w szczególności te pochodzące od produktu, mogą być słabo widoczne w świetle lampy UV, dlatego korzystnie jest wywołać chromatogram w komorze jodowej. 6 Efektywnego rozdziału chromatograficznego można dokonać stosując kolumnę chromatograficzną o średnicy wewnętrznej ok. 8 mm, wypełnioną żelem krzemionkowym na długości ok. 15 cm lub nieco krótszej. Rozdział z zastosowaniem czystego chloroformu jako eluenta, jest dość czasochłonny, dlatego warto dokonać prób doboru eluenta opartego na chloroformie z niewielką domieszką acetonu (np. 20:1, v/v).

5 ZADANIE 4C REDUKCJA BENZOINY Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie redukcji benzoiny przy użyciu tetrahydroboranu sodu oraz określenie diastereoselektywności procesu. Aby ustalić budowę przestrzenną otrzymanej hydrobenzoiny, poddaje się ją reakcji z bezwodnym acetonem w obecności kwasu Lewisa. Dla uzyskanego cyklicznego acetalu (tzw. acetonidu) rejestruje się widma 1 H oraz 13 C NMR i w oparciu o nie ustala budowę przestrzenną acetonidu oraz, pośrednio, hydrobenzoiny. Przypuszczenia dotyczące struktury hydrobenzoiny należy zweryfikować w oparciu o pomiar temperatury topnienia (zakres temp. topnienia rac- oraz mezo-hydrobenzoiny należy wyszukać samodzielnie w literaturze). O OH O NaBH 4 H 3 C CH 3, kat. FeCl 3 OH OH hydrobenzoina (rac czy mezo?) Ph O CH 3 Ph O CH 3 mezo-acetonid CZY Ph Ph O Ph CH 3 O CH 3 +??? O CH 3 Ph O CH 3 rac-acetonid Odczynniki: benzoina 1,06 g (5,0 mmola) tetrahydroboran sodu 0,20 g (5,3 mmola) etanol 12 cm 3 kwas chlorowodorowy 35 % 0,5 ml w 20 ml wody aceton bezw. 30 cm 3 chlorek żelaza(iii) bezw. 0,30 g (1,9 mmola) węglan potasu 1,0 g chlorek metylenu ok. 40 ml eter naftowy ml UWAGA: Tetrahydroboran sodu jest związkiem żrącym, a w kontakcie z kwasami lub wodą rozkłada się, wydzielając gazowy wodór.

6 Redukcja benzoiny W kolbie Erlenmeyera o poj. 50 (lub 100) cm 3 sporządza się roztwór (zawiesinę) benzoiny w etanolu. Kolbkę umieszcza się na mieszadle magnetycznym i podczas mieszania wprowadza się porcjami w ciągu kilku minut tetrahydroboran sodu. Po ok. 15 minutach kolbkę oziębia się w łaźni lodowej i podczas mieszania wkrapla się powoli roztwór kwasu chlorowodorowego w wodzie (Uwaga: wydziela się wodór, a zawartość kolbki może się pienić!). Po następnych 10 minutach wytrącony osad hydrobenzoiny odsącza się na lejku Hirscha, przemywa wodą i suszy w temperaturze poniżej 100 o C. Otrzymany produkt, po wysuszeniu, można użyć do następnego etapu syntezy, zachowując małą próbkę do.pomiaru temperatury topnienia. Otrzymywanie acetonidu dihydrobenzoiny W kolbie okrągłodennej o poj. 50 cm 3 zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną umieszcza się roztwór hydrobenzoiny otrzymanej w poprzednim etapie (ok. 1,0 g) w 30 ml bezwodnego acetonu oraz bezwodny chlorek żelaza. Zawartość kolbki ogrzewa się do wrzenia przez min, a następnie, po ochłodzeniu, wlewa się do rozdzielacza o poj. 250 cm 3 zawierającego roztwór 1 g węglanu potasu w 60 ml wody. Fazę wodną ekstrahuje się dwukrotnie chlorkiem metylenu, porcjami po 20 cm 3. Połączone warstwy organiczne przemywa się w rozdzielaczu wodą (ok. 25 cm 3 ), a następnie suszy nad bezw. siarczanem magnezu. Po odsączeniu środka suszącego, rozpuszczalnik odparowuje się na wyparce, a do oleistej pozostałości dodaje się ok. 15 cm 3 eteru naftowego i przez chwilę ogrzewa do wrzenia. Roztwór ochładza się do temperatury pokojowej i jeśli wydzieli się z niego zawiesina niezmienionej hydrobenzoiny, sączy się przez sączek fałdowany do małej kolbki okrągło dennej (np. tzw. florentynka o poj. 25 ml). Przesącz zagęszcza się na wyparce do objętości ok. 3 cm 3 i przy użyciu pipetki Pasteura przenosi do małej fiolki lub probówki, a następnie oziębia w łaźni lodowej i inicjuje krystalizację produktu (acetonid może krystalizować bardzo powoli i prawdopodobnie roztwór będzie należało pozostawić w lodówce do następnych zajęć). Kryształy produktu odsącza się na lejku Hirscha, przemywając zimnym eterem naftowym (1 2 cm 3 ), suszy w temperaturze pokojowej, a następnie waży i mierzy temperaturę topnienia. W celu rejestracji widm 1 H oraz 13 C NMR w małej fiolce odważa się ok. 20 mg produktu, rozpuszcza się naważkę w 0,8 cm 3 deuterowanego chloroformu, a otrzymany roztwór przy pomocy pipetki Pasteura przenosi się do kuwety i szczelnie zamyka.

7 ZADANIE 4D RACEMICZNY 1-FENYLOETANOL lub 1-FENYLOPROPAN-1-OL R C O NaBH 4 CH OH R R = CH 3, CH 2 CH 3 Odczynniki: acetofenon lub propiofenon 0,05 m należy samodzielnie obliczyć niezbędną ilość substratu tetrahydroboran sodu 0,8 g (0,02 m) etanol 14 cm 3 chloroform 30 cm 3 kwas chlorowodorowy (1:3) 5 cm 3 siarczan(vi) magnezu bezw. węglan potasu bezw. UWAGA: Tetrahydroboran sodu jest związkiem silnie alkalicznym. Chloroform jest podejrzewany o działanie rakotwórcze. Obowiązują rękawice ochronne oraz praca pod wyciągiem! W kolbie okrągłodennej o poj. 50 cm 3 (NS 29) rozpuszcza się tetrahydroboran sodu w etanolu i niezwłocznie, przy ciągłym mieszaniu dodaje kroplami acetofenon lub propiofenon. Szybkość wkraplania należy dobrać tak, aby temperatura mieszaniny nie przekroczyła 50 o C. Po wkropleniu całego acetofenonu, zawartość kolby miesza się intensywnie w temp. pokojowej przez 20 minut. Następnie wkrapla się, ciągle mieszając, kwas chlorowodorowy (1:3) do uzyskania odczynu kwaśnego (większość osadu ulega rozpuszczeniu). Etanol odparowuje się na wyparce, aż do powstania w kolbie dwóch warstw cieczy. Całość chłodzi się, przenosi do rozdzielacza i ekstrahuje trzema porcjami chloroformu po 10 cm 3. Ekstrakt chloroformowy suszy się siarczanem(vi) magnezu, sączy i usuwa chloroform na wyparce. Pozostałość destyluje się pod zmniejszonym ciśnieniem z dodatkiem bezw. węglanu potasu, zbierając frakcję wrzącą w temp. ok. 95 o C przy 13 mm Hg (dla 1-fenyloetanolu) lub w temp. ok. 103 o C przy 13 mmhg (dla 1-fenylopropan-1-olu). Współczynnik załamania światła 1-fenyloetanolu n 20 D = 1,5275, dla 1-fenylopropano-1-olu n 20 D = 1,5223.

8 Pytania i zadania Zadanie 4B: 1) Zinterpretuj dokładnie zamieszczone poniżej widma 1 H i 13 C NMR, zarejestrowane dla produktu otrzymanego w opisanej reakcji. 1 H NMR (CDCl 3, 300 MHz): C NMR (CDCl 3, 75 MHz):

9 2) Poniżej przedstawiono widmo 1 H NMR 1-fenyloetanolu zarejestrowane w DMSO-d 6. Dokonaj jego interpretacji i wyjaśnij powód istnienia różnic pomiędzy analogicznym widmem protonowym wykonanym w deuterowanym chloroformie (CDCl 3 ). Do wykonania poniższego widma wykorzystano próbkę produktu uzyskaną po odparowaniu roztworu z wcześniejszych pomiarów NMR. 1 H NMR (DMSO-d 6, 300 MHz): Zadanie 4C: 1. Należy przedstawić dokładną analizę widm NMR otrzymanej próbki i na ich podstawie określić, który z diastereoizomerów acetonidu oraz hydrobenzoiny otrzymano w wykonanej syntezie. Ustalenia te należy zweryfikować porównując temperatury topnienia uzyskanych związków z danymi literaturowymi. Znając strukturę produktu proszę zaproponować szczegółowy mechanizm redukcji benzoiny tłumaczący diastereoselektywność procesu. 2. Cykliczne acetale stanowią grupy zabezpieczające w wielu syntezach z użyciem cukrów. Proszę podać jaki produkt powstanie w reakcji D-fruktozy z nadmiarem cykloheksanonu.

10 Zadanie 4D: 1. Dlaczego destylację produktu prowadzi się znad stałego węglanu potasu? Przedstaw mechanizm reakcji, jaka mogłaby zachodzić, gdyby produkt poddano destylacji w kwaśnym środowisku. 2. Przedstaw szczegółową interpretację widm IR i NMR zarejestrowanych dla otrzymanej próbki. 3. Podaj wzory produktów, które powstaną, jeśli substrat użyty w ćwiczeniu podda się działaniu: a) amalgamatu cynku i kwasu chlorowodorowego b) amoniaku i gazowego wodoru w obecności palladu osadzonego na węglu c) katalitycznej ilości wodorotlenku sodu Literatura [1] Gawroński J.; Gawrońska K.; Kacprzak K.; Kwit M. Współczesna synteza organiczna - wybór eksperymentów, PWN, Warszawa, [2] Nakamura K.; Yamanaka R.; Matsuda T.; Harada T. Tetrahedron: Asymm. 2003, 14, [3] Yang Z.-H.; Zeng R.; Yang G.; Wang Y.; Li, L.-Z.; Lv, Z.-S.; Yao M.; Lai B. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2008, 35, [4] Aldabalde, V.; Arcia, P.; Gonzalez, A.; Gonzalez, D. Green Chemistry Letters and Reviews 2007, 1, [5] Blanchard N.; van de Weghe P. Org. Biomol. Chem. 2006, 4, [6] Yadav J. S.; Nanda S.; Reddy P. T.; Rao A. B A. J. Org. Chem. 2002, 67, [7] Nakamura, K.; Matsuda, T. J. Org. Chem. 1998, 63,