Асимметрический синтез

АСИММЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, химический процесс, при котором образуется оптически активное соединение из оптически недеятельного и не имеющего центра асимметрии субстрата. Происходит главным образом с участием асимметризующего агента, который обусловливает преимущественное образование одного из энантиомеров - асимметрическую индукцию. Асимметризующими агентами могут быть вспомогательные оптически активные соединения (так называемый частичный, или парциальный, асимметрический синтез) или какие-либо физические факторы (абсолютный асимметрический синтез). В первом случае агентами асимметрической индукции служат оптически активные органические соединения синтетического или природного (например, в ферментативном асимметрическом синтезе) происхождения. Во втором - используется циркулярно-поляризованный свет, энантиоморфные кристаллы в качестве носителей катализатора, а также явление асимметрического автокатализа, при котором один из образующихся энантиомеров является катализатором превращения исходных веществ. Эффективность асимметрического синтеза оценивается по величине асимметрического, или оптического, выхода (равен отношению величины оптического вращения продукта реакции к величине оптического вращения целевого энантиомера), а также по мере превышения количества целевого энантиомера в смеси - величине энантиомерного избытка, равного (в %) 100( [R] - [S])/( [R] + [S]), где [R] и [S] - концентрации энантиомеров.

Впервые частичный асимметрический синтез осуществил в 1904 году немецкий химик В. Марквальд, получив оптически активную метилэтилуксусную кислоту СН₃(С₂Н₅)СНСООН путём разложения кислой соли метилэтилмалоновой кислоты и алкалоида бруцина. При этом хиральный фрагмент молекулы вспомогательного оптически активного вещества (бруцина) входит в состав исходного прохирального соединения - метилэтилмалоновой кислоты. В результате образуются неравные количества диастереомеров. После удаления хирального фрагмента молекулы вспомогательного вещества получается продукт, обладающий оптической активностью за счёт возникшего центра асимметрии - асимметрического атома углерода С. К частичному асимметрическому синтезу относятся процессы, приводящие к возникновению нового центра асимметрии в реакциях гидрирования, галогенирования, гидросилилирования алкенов или карбонильных соединений, в реакциях ферментативного катализа, катализа в присутствии хиральных металлокомплексов и гетерогенных катализаторов, модифицированных хиральными соединениями. В частичном асимметрическом синтезе выход оптически активного продукта может превышать 90%, в случае ферментативного асимметрического синтеза - приближается к 100%.

Асимметрический катализ имеет важное практическое значение. Хиральные асимметризующие катализаторы используют в производстве гербицидов (например, 2-метил-N-метоксиизопропил-6-этилхлороацетанилида - метолахлора), оптически активного ментола, важнейшего класса оптически активных веществ — аминокислот, используемых для синтеза заменителя сахара - аспартама, средства для лечения болезни Паркинсона - дигидроксифенилаланина, и пр. В 2001 году У. Ноулзу, Р. Нойори и Б. Шарплессу присуждена Нобелевская премия за исследования в области гомогенного асимметрического катализа с применением хиральных Rh^-, Ru^- и Ti^-комплексных катализаторов в реакциях асимметрического гидрирования и эпоксидирования.

Абсолютный асимметрический синтез занимает особое место в связи с вопросом о происхождении первичных оптически активных органических соединений при возникновении жизни. Лабораторным способом без участия оптически активных соединений синтезирована широко распространённая в растительном мире правовращающая винная кислота путём гидроксилирования фумаровой кислоты под действием циркулярно-поляризованного света. Другой вариант абсолютного асимметрического синтеза осуществлён с использованием катализаторов на основе энантиоморфных кристаллов оптически активного кварца, роль асимметризующего агента выполняет кристаллическая решётка носителя. Однако в этом случае выход оптически активного продукта не превышает долей процента. Высокие оптические выходы достигаются при асимметрическом автокатализе, когда происходит хиральное усиление энантиоселективности реакции, то есть образуется продукт с большей энантиомерной чистотой, чем хиральный катализатор, осуществляющий его образование. Так, при синтезе хирального спирта по реакции диизопропилцинка с алкенилпиримидилальдегидом в присутствии хирального индуктора (кристаллов оптически активного кварца) оптический выход превышает 90%. При асимметрическом автокатализе в качестве асимметрического индуктора могут быть использованы вещества с энантиомерным избытком менее 3·10^-5% и получены продукты с энантиомерным избытком более 70%.

Асимметрического эффекта можно ожидать и в отсутствие асимметрического индуктора при достаточно большой разности между энергиями энантиомеров в результате нарушения чётности в слабых взаимодействиях.

Лит.: Клабуновский Е. И. Асимметрический синтез. М., 1960; Моррисон Д., Мошер Г. Асимметрические органические реакции. М., 1973; Mislow К. Absolute asymmetric synthesis: а commentary // Collection of Czech Chemical Communications. 2003. Vol. 68. № 5; Asymmetric synthesis of pyrimidyl alkanol without adding chiral substances... // Tetrahedron: Asymmetry. 2003. Vol. 14. № 2.