Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2021



Yüklə 0,93 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə5/13
tarix22.04.2022
ölçüsü0,93 Mb.
#55998
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13
advanced-chemistryprize2021

Scheme 1. Synthesis of the Wieland-Miescher ketone (6) by Hajos and Wiechert. 

In the 1990s, the group of Lerner and Barbas III successfully generated antibodies that catalyse 

the intramolecular aldol reaction.

32

 The catalytic antibodies were generated so as to mimic class 



I aldolase enzymes. These enzymes and catalytic antibodies use the amine moiety of a lysine 

residue in the active site of the protein to form an enamine with the substrate, which then adds 

to an aldehyde to complete the aldol reaction. In particular, the catalytic antibody 38C2 showed 

a broad substrate scope and afforded products in high er (eq. 3).

33

 This antibody was also 



elegantly applied in a key step in the synthesis of several brevicomins, which are pheromones of 

several bark beetles (Scheme 2).

34

 

 



 

 

 



 


 

 

6 (19) 



 

 

 



 

Scheme 2. Synthesis of brevicomins 7 and 8 using the catalytic antibody Ab38C2 in the aldol 

reaction. 

Iminium ion catalysis: In 2000, Ahrendt, Borths and MacMillan showed that the chiral 

imidazolidinone 9 can catalyse the Diels-Alder reaction between α

,β-unsaturated aldehydes and 

dienes (eq. 4).

25

 The organocatalyst 9, which is prepared in three steps from the methyl ester of 



the naturally occurring amino acid 

L

-phenylalanine, condenses with the unsaturated aldehyde to 



form the corresponding iminium ion, in which the energy of the Lowest Unoccupied Molecular 

Orbital (LUMO) is lowered compared to that of the aldehyde. This lowering of the energy of the 

LUMO results in an increased reactivity towards the diene, and a higher reaction rate of the 

ensuing Diels-Alder reaction compared to the uncatalysed reaction. Similar LUMO lowering 

activation can be attained by using metal-based Lewis acids, a technique that has been much 

studied.


35

 

 



 


 

 

7 (19) 



 

 

In the case presented by MacMillan and colleagues, the catalyst is covalently attached to the 



substrate, which provides good possibilities for transferring the chiral information from the 

organocatalyst to the product, and the researchers discussed a model rationalizing the observed 

stereoinduction. In order to allow for efficient catalysis, the iminium ion of the initially formed 

cycloadduct (not shown in eq. 4) must be sufficiently kinetically labile to allow for its hydrolysis 

under the reaction conditions and regeneration of catalyst 9. The key insight in the work by 

MacMillan and co-workers is the concept that the LUMO lowering through catalytically 

generated iminium ion intermediates provides a general platform on which other asymmetric 

reactions can be designed and developed. 

This case also was preceded by important findings in the literature. Baum and Viehe (1976) 

showed that the unsaturated iminium ion 11, derived from the corresponding acetylenic amide, 

reacts with cyclopentadiene in a Diels-Alder reaction to furnish compound 12 (eq. 5).

36

 In this 



study, the researchers concluded that the iminium ion moiety in 11 provides a substantial 

activation of the triple bond, i.e. LUMO lowering, compared to the situation in amide 10, which 

is the reason for the smooth conversion into adduct 12. This notion was further elaborated by 

Jung and co-workers (1989), who showed that the chiral iminium ion 13 underwent a smooth 

Diels-Alder reaction with cyclopentadiene to give adduct 14, which was hydrolysed to furnish 

amide 15 with high yields and excellent diastereomeric excess (eq. 6).

37

 In both these cases, the 



iminium ions moieties in compounds 12 and 15 are not sufficiently kinetically labile to allow for 

a facile hydrolysis of these functionalities under the reaction condition, which precludes an 

organocatalytic reaction manifold. 

 

 



Another important impetus was provided by Yamaguchi and co-workers in 1993. These 

researchers showed that the rubidium salt of 

L

-proline (17) is an efficient catalyst in the Michael 



addition of diisopropyl malonate to a series of α,β-unsaturated aldehydes and ketones 16, to 

yield the corresponding addition products 19 (eq. 7).

38

 It was noted that the secondary amine 



moiety and carboxylate functionality in catalyst 17 are essential for the catalyst activity, and it 

was proposed that the reaction proceeds through the reversible formation of iminium ion 18




 

 

8 (19) 



 

 

Thus, once the Michael addition to intermediate 18 has proceeded, hydrolysis of the iminium 



ion moiety will ensue to generate 19 and the catalyst. The following year, Kawara and Taguchi 

(1994) described a similar Michael reaction using catalyst 20 to promote the reaction (eq. 8).

39

 

 



 

Significance: The most significant advances in organic synthesis are those that clarify new 

principles for inducing reactivity and controlling reaction pathways; the development of the 

concept of organocatalysis and the fundamental design principles for developing such catalysis 

is clearly a significant advancement of the field. New opportunities to perform chemical 

reactions, such as organocatalysis, expand the toolbox that is available to chemists and allow for 

designing new reaction pathways for organic molecules. Such improvements and discoveries 

result in more efficient reaction pathways, which, as a consequence, will have a reduced 

environmental impact.  

The use of small organic molecules as catalysts for organic reactions is not unprecedented in 

organic chemistry. However, the work by List and MacMillan resulted in a turning point; there 

is a clear before and after. Their work conceptualized the area of organocatalysis, focusing on 

asymmetric catalysis, and indicated principles for designing new organocatalytic reactions based 

on modern concepts such as LUMO lowering and HOMO raising.  

In the years that followed these Laureates’ first publications in 2000, this research area has 

flourished: an impressive number of new reactions, catalysts and applications were described in 

the literature—this period has been referred to as the ‘organocatalysis gold rush’.

44

 Today, the 



area is well established in organic chemistry and has branched into several new and exciting 

applications. Also, organocatalysis is now recognized as the third pillar of asymmetric catalysis, 

together with biocatalysis and transition metal catalysis. 



 

 

9 (19) 



 

 


Yüklə 0,93 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin