Химики из Университета Колумбии синтезировали новый хиральный катализатор — органическую кислоту, способную ускорять целый класс превращений, позволяя при этом получать строго один оптический изомер продукта. Основой для нового катализатора послужила ароматическая CH-кислота, а добиться для нее оптической активности удалось благодаря встраиванию в ее структуру молекул (−)-ментола. Авторы отмечают, что наряду с высокой активностью новый катализатор гораздо дешевле аналогов на основе бинафтильных производных фосфорных кислот. Исследование опубликовано в журнале Science.

Широкий класс превращений в органической химии катализируется кислотами Брёнстеда — привычными по школьной программе донорами протонов, такими как соляная или серная кислоты. К примеру, к таким реакциям относятся различные процессы гидролиза или этерификации. Отдельно стоит отметить реакции, в которых между двумя фрагментами молекул образуются связи углерод-углерод — как правило, именно на таких реакциях строится костяк синтеза различных лекарственных препаратов и других сложных молекул.

Одной из сложностей, возникающих при синтезе биологически-активных веществ — потребность получать строго один оптический изомер целевого вещества. Оптические изомеры не отличаются друг от друга ничем, кроме того что они представляют собой зеркальные пары. Как правило, если не принимать никаких дополнительных мер, в реакциях образуются одновременно два изомера, примерно в равных количествах. И если один из них может обладать какими-либо полезными свойствами, то второй может оказаться попросту вредным.

Структура предложенного катализатора. Изображение: Chirag D. Gheewala et al. / Science, 2016

Для контроля за оптической чистотой продукта ученые используют специальные вещества, хиральные катализаторы. Они блокируют один из двух путей, по которым может протекать реакция, связываясь с исходным реагентом. Однако, ввиду высоких требований к оптической чистоте катализаторов и их сложной структуры, их стоимость очень высока, к тому же важна и относительная активность катализатора, то есть насколько он ускоряет взаимодействие.

Схема синтеза катализатора. Изображение: Chirag D. Gheewala et al. / Science, 2016

В новой работе авторы предложили создать хиральный катализатор на основе пятизамещенного циклопентадиена — сильной органической CH-кислоты. Химики смешивали вещество с природным оптически-активным соединением, (−)-ментолом и кипятили в толуоле. В результате с выходом около 95 процентов получилось белое кристаллическое вещество — пентакис(ментил)циклопентадиен-1,2,3,4,5-пентакарбоксилат.

Схема работы катализатора. Исходное соединение, образуя комплекс с катализатором, оказывается закрыта с одной стороны для атаки реагентом. Это приводит к образованию лишь одного изомера. Изображение: Chirag D. Gheewala et al. / Science, 2016

Ученые сравнили каталитическую активность соединения с аналогами в двух типах реакций присоединения. Эксперимент показал, что в сходных условиях ментиловый катализатор оказывается на порядок эффективнее классического BINOL-фосфорного эфира. К примеру, при внесении в реакционную смесь нового катализатора в количестве одного процента от эквимолярного для достижения 97-процентного выхода требуется всего один час. Литературные же данные для классического фосфорного эфира предлагают использовать загрузку в 20 раз большую и около 24 часов на протекание реакции с выходом в 98 процентов. Кроме того, предложенный катализатор обеспечивает более высокую селективность — энантиомерный избыток целевого соединения составляет 97 процентов, против 89 процентов у аналога.

Эксперименты по проверке каталитической активности соединения. Изображение: Chirag D. Gheewala et al. / Science, 2016

Авторы отмечают, что стоимость синтеза одного грамма соединения составляет около 4–6 долларов, при этом сам синтез удалось масштабировать вплоть до 25-граммовых количеств. Во многом такая низкая стоимость обусловлена использованием природного сырья (ментола — компонента эфирного масла мяты), а также доступностью исходной кислоты (в одну препаративную стадию из коммерчески доступных реагентов). 

Автор: Владимир Королев