การสังเคราะห์แบบอสมมาตร

การสังเคราะห์แบบอสมมาตรเป็นการผลิตสารประกอบไครัลที่เป็นเอนานทิโอเมอร์หนึ่งชนิดโดยเฉพาะ โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไครัล สารช่วยไครัล หรือสารทำปฏิกิริยาไครัล เพื่อควบคุมศูนย์สเตอริโอใหม่

Definition

การสังเคราะห์แบบอสมมาตรคือการเตรียมสารประกอบไครัลในรูปของเอนานทิโอเมอร์เดี่ยว (หรือในปริมาณเอนานทิโอเมอริกเอ็กเซส) โดยอาศัยอิทธิพลของสารไครัลที่ทำให้ผลลัพธ์ทางสเตอริโอเคมีที่เป็นไปได้สองแบบแตกต่างกัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกลยุทธ์ของการสังเคราะห์แบบอสมมาตร ได้แก่ สารช่วยไครัล สารทำปฏิกิริยาไครัล และปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตร ซึ่งรวมถึงการเติมไฮโดรเจนแบบอสมมาตร การเกิดอีพอกไซด์ และออร์แกโนคะตะไลซิส ตลอดจนการวัดเอนานทิโอซีเล็กทิวิตีด้วยเอนานทิโอเมอริกเอ็กเซส

Core questions

• ตัวเร่งปฏิกิริยาไครัลหรือสารช่วยไครัลสามารถทำให้ปฏิกิริยาเกิดเอนานทิโอเมอร์หนึ่งชนิดได้มากกว่าอีกชนิดหนึ่งได้อย่างไร?
• เหตุใดการสังเคราะห์แบบอสมมาตรด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาจึงมีคุณค่าเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับการใช้สารทำปฏิกิริยาไครัลในปริมาณสารสัมพันธ์?
• มีการวัดและปรับปรุงเอนานทิโอซีเล็กทิวิตีอย่างไร?

Key theories

การสังเคราะห์แบบอสมมาตรด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาไครัลในปริมาณน้อยกว่าสารสัมพันธ์จะทำให้สถานะแทรนซิชันของเอนานทิโอเมอร์แตกต่างกัน ทำให้ได้เอนานทิโอเมอริกเอ็กเซสสูงจากสารตั้งต้นที่ไม่มีไครัล ตัวอย่างที่สำคัญได้แก่ การเติมไฮโดรเจนแบบอสมมาตรและการเกิดอีพอกไซด์

สารช่วยไครัลและออร์แกโนคะตะไลซิส

สารช่วยไครัลจะถูกเชื่อมต่อกับสารตั้งต้นชั่วคราวเพื่อควบคุมสเตอริโอเคมีแล้วจึงถูกกำจัดออกไป ในขณะที่ออร์แกโนคะตะไลสต์โมเลกุลขนาดเล็กจะควบคุมเอนานทิโอเมอร์ผ่านสถานะแทรนซิชันที่กำหนดไว้อย่างดีโดยไม่ใช้โลหะ

Mechanisms

เอนานทิโอซีเล็กทิวิตีเกิดขึ้นเมื่อสภาพแวดล้อมไครัลทำให้สถานะแทรนซิชันแบบไดแอสเตอริโอเมอร์สองแบบที่นำไปสู่ผลิตภัณฑ์เอนานทิโอเมอร์มีพลังงานไม่เท่ากัน ตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น สารเชิงซ้อนฟอสฟีน-โลหะไครัล หรือออร์แกโนคะตะไลสต์แบบเอมีน จะมีช่องว่างไครัลที่กำหนดไว้ซึ่งเอื้อต่อการเข้าทำปฏิกิริยาของสารตั้งต้นแบบหนึ่ง ในขณะที่สารช่วยไครัลจะเปลี่ยนการเลือกเอนานทิโอเมอร์ให้เป็นการเลือกไดแอสเตอริโอเมอร์ที่ควบคุมได้ง่ายขึ้น

Clinical relevance

เนื่องจากเอนานทิโอเมอร์ของยาอาจมีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านฤทธิ์และความปลอดภัย การสังเคราะห์แบบอสมมาตรจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตยาที่เป็นเอนานทิโอเมอร์เดี่ยวอย่างมีประสิทธิภาพ ความสำคัญของสาขาวิชานี้ได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลในปี 2001 ที่มอบให้กับ Knowles, Noyori และ Sharpless และรางวัลในปี 2021 สำหรับออร์แกโนคะตะไลซิสแบบอสมมาตร

History

การเติมไฮโดรเจนแบบอสมมาตรของ Knowles ทำให้สามารถสังเคราะห์ L-DOPA ในระดับอุตสาหกรรมได้ Noyori และ Sharpless ได้ขยายวิธีการเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตรอย่างกว้างขวาง และการเกิดขึ้นของออร์แกโนคะตะไลซิสในภายหลัง (List และ MacMillan) ได้เพิ่มมิติที่ปราศจากโลหะ ซึ่งแสดงถึงความก้าวหน้าหลายทศวรรษที่ได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบล

Key figures

• William S. Knowles
• Ryoji Noyori
• K. Barry Sharpless
• Benjamin List
• David MacMillan

Seminal works

• noyori2002
• careysundberg2007b

Frequently asked questions

เอนานทิโอเมอริกเอ็กเซสคืออะไร?

เอนานทิโอเมอริกเอ็กเซส (ee) คือเปอร์เซ็นต์ที่เอนานทิโอเมอร์หนึ่งมีมากกว่าอีกเอนานทิโอเมอร์หนึ่งในสารผสม ค่า ee ที่ 90 เปอร์เซ็นต์หมายถึง 95 เปอร์เซ็นต์ของเอนานทิโอเมอร์หนึ่งและ 5 เปอร์เซ็นต์ของอีกเอนานทิโอเมอร์หนึ่ง และเป็นมาตรวัดมาตรฐานว่าปฏิกิริยาแบบอสมมาตรมีความเลือกสรรมากน้อยเพียงใด

เหตุใดการสังเคราะห์แบบอสมมาตรด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาจึงเป็นที่ยอมรับอย่างสูง?

ตัวเร่งปฏิกิริยาไครัลเพียงตัวเดียวสามารถเปลี่ยนสารที่ไม่มีไครัลจำนวนมากให้เป็นเอนานทิโอเมอร์หนึ่งชนิดได้ ดังนั้นความเป็นไครัลจึงถูกเพิ่มจำนวนด้วยการเร่งปฏิกิริยาแทนที่จะถูกจัดหาในปริมาณสารสัมพันธ์ทั้งหมด ทำให้กระบวนการนี้ประหยัดและมีประสิทธิภาพในการใช้ธาตุมากขึ้น