Oxaziridin

Dvěma hlavními způsoby přípravy N-H, N-alkyl a N-aryloxaziridinů jsou oxidace iminů peroxokyselinami (A) a aminace karbonylových sloučenin (B).

Hlavní způsoby přípravy oxaziridinů

Oxidací chirálních iminů nebo oxidací jakýchkoliv iminů chirálními peroxokyselinami lze získat enantiomerně čisté oxaziridiny. Byly popsány enantiomerně čisté oxaziridiny s konfiguračně stabilním stomem dusíku.[5]

Na přelomu 70. a 80.  let 20. století připravil Franklin Arnold Davis první N-sulfonyloxaziridiny, které působily jako činidla pro přenos kyslíku, a jsou v současné době nejčastěji používanou skupinou oxaziridinů.[6] Původně se syntetizovaly za použití kyseliny m-chlorperoxybenzoové, s benzyltrimethylamoniumchloridem jako katalyzátorem, ovšem byla vyvinuta vylepšená syntéza za použití hydrogenperoxosíranu draselného jako oxidačního činidla, která se nyní používá častěji.[7]

V současnosti se používá řada N-sulfonyloxaziridinů, každý z nich má poněkud odlišné fyzikální vlastnosti a reaktivitu. Níže je zobrazena tabulka různých oxaziridinových činidel.[8][9][10][11][12][13][14][15][16]

Perfluoralkylové skupiny silně odtahují elektrony, a oxaziridiny s těmito skupinami se tak více podobají dioxiranům než běžným oxaziridinům.[17] Perfluoroxaziridiny hydroxylují některé vazby C-H s vysokou selektivitou. Mohou být syntetizovány přidáním perfluorovaných iminů k perfluormethylfuorkarbonylperoxidu a fluoridu kovu, kde slouží k zachycování fluorovodíku.[17]

Syntéza perfluorovaných oxaziridinů

Acyloinová (α-hydroxyketonová) skupina je přítomná v mnoha přírodních látkách. Enoláty se připravují mnoha způsoby, mezi něž patří redukce α-diketonů, nahrazení hydroxylu jinou skupinou a přímá oxidace na enoláty; nejčastějšími elektrofilními zdroji kyslíku v tomto procesu jsou oxodiperoxymolybden(pyridin)-(triamid kyseliny hexamethylfosforečné) (MoOPH) a N-sulfonyloxaziridiny. Jednou z výhod použití N-sulfonyloxaziridinů je vyšší chirální indukce, než u MoOPH a dalších oxidačních činidel.[19] U α-hydroxylace Evansovými chirálními pomocníky s N-sulfonyloxaziridiny jako elektrofily byla zjištěna vysoká výtěžnost (77–91 %).[19] Chirální indukce byla zjištěna u mnoha dalších chirálních ketonů a ketonů s chirálními pomocníky, jako jsou SAMP a RAMP.[8]

Evansova aldolová reakce za použití oxaziridinu

Byla popsána řada asymetrických hydroxylací prochirálních enolátů pomocí derivátů sulfonyloxaziridinu kafru, za dosažení středního až vysokého enantiomerního přebytku.[11]

Asymetrická oxaziridinová hydroxylace

Selektivita některých hydroxylací může být v některých případech výrazně ovlivněna připojením koordinačních skupin na alfa pozici oxaziridinu, jako je tomu u oxaziridinů 3b a 3c ve výše uvedené tabulce.[14] Předpokládá se, že v těchto případech probíhá reakce přes uzavřený přechodný stav, kde je kovový oxyanion stabilizován chelatací síranovými a koordinačními skupinami v molekule kafru.[8]

Asymmetric oxaziridine hydroxylation with closed transition state

α-Hydroxylace za použití oxaziridinů se často využívá v totálních syntézách. Je klíčovým krokem při Holtonově i Wenderově totální syntéze taxolu. Craig J. Forsyth ji využil při své syntéze C3-C14 substitutovaného 1,7-dioxaspiro[5.5]undec-3-enového systému kyseliny okadaiové.[20]

Alfa hydroxylace na příkladu syntézy kyseliny okadaiové

Epoxidace alkenů je běžná reakce, jelikož deriváty epoxidů lze připravit mnoha různými způsoby; příkladem je laboratorní epoxidace za použití mCPBA nebo jiné peroxokyseliny. Oxaziridiny jsou ožitečné při tvorbě epoxidů velmi citlivých na kyseliny.[5] (−)-Chaetominin byl syntetizován přes oxaziridinovou epoxidaci, tak, jak je zobrazeno na následujícím obrázku.[21]

Oxaziridinová epoxidace v totální syntéze

Další podobná přeměna s vysokou syntetickou užitečností je asymetrická epoxidace. Exustuje velké množství těchto epoxidací: Sharplessova epoxidace, Jacobsenova-Katsukiova epoxidace a Juliá-Colonnova epoxidace. Tyto reakce vyžadují specifickou funkcionalitu, aby bylo dosaženo selektivity. Sharplessova epoxidace probíhá u allylových alkoholů, Jacobsenova epoxidace vyžaduje cis-disubstitutované arylalkeny a k Juliá-Colonnova epoxidaci dochází u α-β nenasycených ketonů. Chirální oxaziridiny fungují u mnoha nefunkcionalizovaných alkenů stereospecificky.[5] Je dokonce možné katalyticky provést stereospecifickou epoxidaci na oxaziridinové chirální jednotce. Je potřeba další výzkum v této oblasti, neboť hodnoty enantiomerního přčebytku jsou důležité při syntézách v průmyslovém měřítku. Lusinichi et al. studovali asymetrickou epoxidaci chirální oxaziridiniové soli za použití hydrogenperoxosíranu draselného jako oxidačního činidla.[22]

Katalytická asymetrická epoxidace trans-stilbenu

O perfluorovaných oxaziridinech je známo, že mohou hydroxylovat neaktivované uhlovodíky s výraznou regio- a diastereospecificitou.[17] Tato přeměna je značně žádaná; obdobná reaktivita a specificita se vyskytuje jen zřídka, obzvláště u nekovových oxidačních činidel. Perfluorované oxaziridiny vykazují také vysokou selektivitu vůči terciárním atomům vodíku. Hydroxylace primárních uhlíků a dihydroxylace sloučenin s dvěma oxidovatelnými místy nebyly nikdy pozorovány. Zachování stereochemie je velmi výrazné, často 95 - 98% (lze jej dále navýšit přidáním fluoridové soli).[23]

Hydroxylace neaktivovaných alkanů perfluorovanými oxaziridiny

U oxaziridinů s nesubstituovanými či acylovanými dusíky může proběhnout přesun dusíkového atomu; těmto reakcím není věnováno tolik pozornosti jako reakcím s přenosem kyslíku.

Aminace nukleofilů N-nesubstituovanými oxaziridiny je všestrannou reakcí díky velkému počtu možných nukleofilů a tedy i výsledných produktů. Hydraziny lze získat aminací sekundárních nebo terciárních aminů, hydroxylaminy a thiohydroxylaminy lze připravit z odpovídajících alkoholů a thiolů, sulfimid se dají připravit z thioetherů a α-aminoketony z  odpovídajících enolátů.[24]

Vybrané aminační reakce oxaziridinů

Přesun acylovaných aminů je většinou obtížnější než přesun nesubstituovaných aminů, to ovšem neplatí při přesunu aminů u oxaziridinů. kde je přímý přesun acylovaných amidů jedinou možností.[24] Přesun acylaminů se obvykle provádí za použití aminů a hydrazinů jako nukleofilů. Úspěšně bylo provedeno jen několik málo přesunů acylovaných dusíků na uhlíkové nukleofily, i když byly některé takové reakce popsány v odborné literatuře.[24]

Příklady reakcí s přenosem acylové skupiny oxaziridinu

Bylo zjištěno, že u oxaziridinů probíhají při ozáření ultrafialovým zářením nebo za přítomnosti látky schopné přesunu jednoho elektronu (jako je Cu⁺) radikálové přesmykové reakce. Spirocyklické oxaziridiny podléhají rozšíření cyklu na odpovídající laktam.[25] To, která skupina bude přesunuta, je určováno stereoelektronovým efektem, kde jsou skupiny v poloze trans vůči volnému elektronovému páru dusíku vždy hlavním produktem přesunu; je tak možné řídit reakci zvýhodněním chirálního dusíku. Tento jev je ukázán na pozorovaných selektivitách níže uvedených přesmyků. U přesmyku nalevo byl pozorován pouze termodynamicky nevýhodný produkt, zatímco u reakce vpravo je upřednostněn produkt odvozený od méně stabilního radikálového meziproduktu.[25]

Tato reakce je důležitou součástí Aubého syntézy (+)-yohimbinu,[25] přírodního léčiva, o němž se předpokládá, že může léčit erektilní dysfunkci a sexuální problémy způsobené selektivními inhibitory zpětného vychytávání serotoninu.[26]

Syntéza (+)-yohimbinu

Významnou vlastností oxaziridinů je rovněž skutečnost, že se tepelně přesmykují na nitrony. Cis-trans selektivita této reakce je nízká, ovšem výnosnost vysoká až velmi vysoká. Předpokládá se, že se některé oxaziridiny časem racemizují přes nitronové meziprodukty.[5]

Přeměna oxaziridinu na nitron

Oxaziridiny mohou podstoupit cykloadiční reakce s heterokumuleny za vzniku různých pětičlenných heterocyklů, tak jak je to zobrazeno níže na obrázku. Tato reaktivita je způsobena pnutím tříčlenného cyklu a také tím, že vazba N-O je slabá.[5]

Elektrocyklické reakce oxaziridinů a heterokumulenů