Διεθνές Έτος Χημείας 2011

Ως οργανοκατάλυση ορίζεται το είδος κατάλυσης, όπου η ταχύτητα και η απόδοση μιας αντίδρασης αυξάνεται από κάποιο οργανικό μόριο που χαρακτηρίζεται ως οργανοκαταλύτης και αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο, θείο, άζωτο και άλλα μη μεταλλικά στοιχεία.

Ο όρος καθιερώθηκε από τον David MacMillan το 2000 [1] αν και η δράση διαφόρων οργανικών καταλυτών είχε περιγραφεί ήδη το 1958 από τον Γερμανό χημικό Wolfgang Langenbeck [2].

Πέρα από την ανθρώπινη προσέγγιση η οργανοκατάλυση έχει μια βαθειά ιστορία στην δημιουργία της οργανικής ύλης στη φύση. Υπάρχουν σοβαρές μαρτυρίες ότι η οργανοκατάλυση είχε ένα καθοριστικό ρόλο στο σχηματισμό προβιοτικών μορίων κλειδιών όπως τα σακχαρα, για τα οποία γίνεται δεκτό ότι σχηματίστηκαν μέσω αλδολικών συμπυκνώσεων καταλυομένων από ασύμμετρα αμινοξέα.

Στην οργανική σύνθεση οι οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις αναπτύχθηκαν από τη χημεία των συναρμοστών για οργανομεταλλικές αντιδράσεις. Σχηματίστηκε μια μεγάλη ποικιλία συναρμοστών και παρατηρήθηκε ότι κάποιοι από αυτούς δρούσαν καταλυτικά από μόνοι τους χωρίς το μέταλλο.

Κατά τη διάρκεια της πρώτης δεκαετίας του 21ου αιώνα η οργανοκατάλυση έγινε ένας από τις πιο ραγδαία εξελισσόμενους και ανταγωνιστικούς τομείς της χημείας με εντυπωσιακά αποτελέσματα και σημειώθηκε μια έκρηξη ενδιαφέροντος με πάνω από 500 επιστημονικές δημοσιεύσεις κάθε χρόνο.

Ιδιαίτερα σημαντική είναι η οργανοκατάλυση στο πεδίο της ασύμμετρης κατάλυσης για τη σύνθεση οπτικά ενεργών ενώσεων και σήμερα η οργανοκατάλυση αναφέρεται σχεδόν αποκλειστικά στην ασύμμετρη σύνθεση. Ενώ μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 90 εξ ορισμού ως ασύμμετροι καταλύτες θεωρούντο μόνο ένζυμα και σύμπλοκα μεταβατικών μετάλλων, σήμερα η μοντέρνα ασύμμετρη κατάλυση στηρίζεται σε τρεις πυλώνες: τα ένζυμα, τα μέταλλα και τους οργανοκαταλύτες.

Παρά την τεράστια ανάπτυξη υπάρχουν ακόμη πολλές αντιδράσεις στο πεδίο της απλής και ασύμμετρης οργανοκατάλυσης που δεν έχουν μελετηθεί πλήρως, γεγονός που θα μας οδηγήσει σε νέες και θεαματικές ανακαλύψεις χημικών μετατροπών και καταλυτών στα επόμενα χρόνια.

Οι οργανοκαταλύτες είναι φυσικά ή συνθετικά οργανικά μόρια συνήθως χαμηλού μοριακού βάρους χειρόμορφα ή μη χειρόμορφα, που καταλύουν χημικές αντιδράσεις όταν χρησιμοποιούνται σε μικρότερη αναλογία από τη στοιχειομετρική.

Εμφανίζουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των καταλυτών που περιέχουν μέταλλα και των ενζύμων:

• Είναι σταθεροί σε συνθήκες περιβάλλοντος, δεν είναι ευαίσθητοι στην υγρασία και στο οξυγόνο του αέρα και δεν απαιτούνται ειδικές συνθήκες αντίδρασης, όπως για παράδειγμα αδρανή ατμόσφαιρα, χαμηλή θερμοκρασία και απόλυτοι διαλύτες και μετά το πέρας της αντίδρασης ανακυκλώνονται.
• Είναι άμεσα διαθέσιμοι και έχουν χαμηλό κόστος και λόγω απουσίας μετάλλων είναι μη τοξικοί. Αυτό είναι σημαντικό γιατί μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην παρασκευή φαρμακευτικών σκευασμάτων.
• Ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματα είναι ότι με τη χρήση χειρόμορφων καταλυτών μπορούμε να επιτύχουμε ασύμμετρη σύνθεση και μετατροπές που μέχρι τώρα ήταν δύσκολο να γίνουν.
• Είναι προφανές ότι η χρήση οργανοκαταλυτών είναι μια σημαντική εξέλιξή για την εφαρμογή των αρχών της «πράσινης χημείας» στον τομέα της οργανικής σύνθεσης.

Με βάση την προέλευση τους οι οργανοκαταλύτες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

• Φυσικοί Οργανοκαταλύτες
• Συνθετικοί Οργανοκαταλύτες

Φυσικοί Οργανοκαταλύτες

Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει τους καταλύτες που προέρχονται από φυσικά προϊόντα. Κάποιες ενώσεις της τάξης των αλκαλοειδών απαντούν και στις δύο εναντιομερείς μορφές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εναντιοεκλεκτική σύνθεση.

Ένα παράδειγμα είναι τα αλκαλοειδή της cinchona [3] που έχουν τις ψευδοεναντιομερείς μορφές κινίνη και κινιδίνη. Και οι δύο δομές και τα παράγωγά τους δίνουν εντυπωσιακά αποτελέσματα στις εναντιοεκλεκτικές καταλυτικές αντιδράσεις.

Επίσης κάποια αμινοξέα όπως η προλίνη και η φαινυλαλανίνη, παράγωγά τους και ολιγοεπεπτίδια χρησιμοποιήθηκαν εκτεταμένα σε εναντιοεκλεκτικές καταλυτικές αντιδράσεις [4,5].

Η χρήση αμινοξέων και ολιγοπεπτιδίων έχει κάποια πλεονεκτήματα. Η αποδοτικότητα των αντιδράσεων τους βελτιώνεται ανάλογα με το αμινοξύ και είναι απλούστερα δομικά από τα ένζυμα, γεγονός που διευκολύνει την έρευνα του μηχανισμού δράσης τους.

Πλεονέκτημα είναι επίσης η εύκολη προετοιμασία αλληλουχίας των αμινοξέων και η σύνθεση της εναντιομερούς μορφής πράγμα δύσκολο ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται ένζυμα.

Συνθετικοί Οργανοκαταλύτες

Η δεύτερη κατηγορία αποτελείται από καταλύτες που είναι συνθετικά μόρια [6]. Το βασικό πλεονέκτημα των συνθετικών μορίων σε σχέση με τα φυσικά είναι ότι και οι δύο εναντιομερείς δομές είναι διαθέσιμες και η δομή τους μπορεί να μεταβληθεί.

Πολλά συνθετικά μόρια είναι αποδοτικοί οργανοκαταλύτες. Οι συνθετικοί οργανοκαταλύτες είναι συνήθως αζωτούχες ενώσεις ή μόρια που περιέχουν φωσφόρο όπως φωσφοραμίδια και φωσφάνια.

Ένας άλλος τρόπος κατηγοριοποίησης των οργανοκαταλυτών είναι ανάλογα με το ετεροάτομο που περιέχουν στο μόριο τους. Έτσι διαχωρίζονται στους καταλύτες που περιέχουν άζωτο (Ν), φωσφόρο (P) και οξυγόνο (O).

Η οργανοκατάλυση γίνεται με δύο βασικούς μηχανισμούς.

Ο πρώτος είναι με ομοιοπολική κατάλυση, που περιλαμβάνει τις αντιδράσεις κατά τις οποίες σχηματίζεται ένα ενδιάμεσο με ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του υποστρώματος και του καταλύτη.

Ο άλλος είναι η μη ομοιοπολική κατάλυση, που περιλαμβάνει αντιδράσεις κατά τις οποίες ο καταλύτης αλληλεπιδρά με το υπόστρωμα μέσω δεσμών υδρογόνου, με σχηματισμό δεσμών ιόντων ή άλλων μη ομοιοπολικών δυνάμεων [7].

Ανάλογα με τον τρόπο δράσης του καταλύτη οι οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις διακρίνονται σε τεσσερεις κατηγορίες :

• Αντιδράσεις μέσω δεσμικών μεταβατικών συμπλόκων. Η ενεργοποίηση της αντίδρασης γίνεται με βάση τις πυρηνόφιλες και ηλεκτρονιόφιλες ιδιότητες του καταλύτη. Στη μεγάλη πλειοψηφία των καταλυτών, που είναι αμίνες, οι αντιδράσεις γίνονται μέσω σχηματισμού εναμινο ή ιμινο ιοντικών ενδιαμέσων.
• Αντιδράσεις μέσω μη δεσμικών ενεργοποιημένων συμπλόκων. Οι αντιδράσεις αυτές ενεργοποιούνται από ασθενείς αλληλεπιδράσεις οξέος/βάσης κατά Lewis. Μεταξύ των αντιδράσεων αυτών ιδιαίτερα σημαντικές είναι οι καταλυόμενες μέσω σχηματισμού δεσμών υδρογόνου.
• Αντιδράσεις καταλυόμενες με μεταφορά φάσης. Στις αντιδράσεις αυτές τα φορτισμένα ενδιάμεσα μετακινούνται ανάμεσα στην οργανική και υδατική φάση μέσω εκλεκτικής αλληλεπίδρασης με τον καταλύτη.
• Μετασχηματισμοί μοριακής κοιλότητας. Οι αντιδράσεις αυτές γίνονται μέσω σχηματισμού συμπλόκων εγκλέισεως με κατάλληλα υποστρώματα οπως κυκλοδεξτρίνες και καλιξαρένια ή μέσω σχηματισμού μοριακών αποτυπωμάτων σε πολυμερή.

Μετατροπή δικυανίου σε οξαμίδιο

Αν και όπως αναφέρθηκε, η οργανοκατάλυση έχει αναδειχθεί ως ένας από τους σημαντικότερους τομείς της οργανικής χημείας μόλις την τελευταία δεκαετία, η πρώτη οργανοκαταλυτική αντίδραση έγινε στα πρώτα χρόνια της οργανικής σύνθεσης τυχαία από τον J. Von Liebig, ο οποίος μετέτρεψε το δικυάνιο σε οξαμίδιο παρουσία υδατικού διαλύματος ακεταλδεΰδης [8]. Η συγκεκριμένη σύνθεση έχει βρει εφαρμογή και στη βιομηχανία.

Αλκοόλυση διυποκατεστημένων κετενών

Οι πρώτες όμως συνθετικά χρήσιμες και εναντιοεκλεκτικές οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις επιτεύχθηκαν στις αρχές του 60 και μια από αυτές ήταν από τον Pracejus η αλκοόλυση διυποκατεστημένων κετενών παρουσία αλκαλοειδών cinchona [9].

Μεταξύ των πρόσφατων εφαρμογών οργανοκατάλυσης χαρακτηριστικά παραδείγματα που παρατίθενται παρακάτω αποτελούν αλδολικές συμπυκνώσεις, αντιδράσεις τύπου Mannich, καθώς και αντιδράσεις Corey-Chaycovsky.

Αντιδράσεις αλδολικής συμπύκνωσης

Το 2000 ο List και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τα αποτελέσματα της μελέτης αντιδράσεων αλδολικής συμπύκνωσης μεταξύ κετονών και αλδεϋδών χρησιμοποιώντας ως καταλύτη προλίνη. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητικά και ως προς την απόδοση και ως προς την εναντιοεκλεκτικότη [10]

Αντιδράσεις τύπου Mannich

Αντιδράσεις τύπου Mannich καταλύονται αποτελεσματικά επίσης από προλίνη αλλά και παράγωγα προλίνης μέσω σχηματισμόυ εναμίνης [11, 12].

Αντίδραση Corey-Chaycovsky

Μια πιο πρόσφατη δημοσίευση έγινε από την ομάδα της Kavanagh το 2010 και αφορά αντιδράσεις κυκλοπροπανίωσης καρβονυλικών ενώσεων με ενδιάμεσο σχηματισμό υλιδίων του θείου (αντίδραση Corey-Chaycovsky) [13].

Σύνθεση λιττοραλισόνης

Η οργανοκατάλυση έχει βρεί εφαρμογή και στην ολική σύνθεση φυσικών προϊόντων.

Mία αντιπροσωπευτική εφαρμογή αποτελεί η σύνθεση της λιττοραλισόνης, ενός φυσικού προϊόντος που απομονώθηκε από το φυτό Verbena Litoralis, το οποίο χρησιμοποιείται εμπειρικά για την αντιμετώπιση διάφορων παθήσεων στις χώρες της Νότιας Αμερικής.

Η λιττοραλισόνη έχει βρεθεί ότι επιδρά στην αυξητική πορεία των νευρικών κυττάρων.

Η ολική της σύνθεση έγινε με πρώτη ύλη την κιτρονελλόλη σε 16 στάδια από τα οποία τα τρία ήταν οργανοκαταλυτικές αντιδράσεις [14].

Η εφαρμογή της έννοιας της οργανοκατάλυσης μπορεί να περιέχει νέους καταλύτες και αντιδράσεις για μια ποικιλία ασύμμετρων οργανικών μετασχηματισμών.

Η εξέλιξη νέων καταλυτικών ασύμμετρων μεθοδολογιών που οδηγούν σε διαφορετικές δομές σε μια εναντιοεκλεκτική τάση είναι ένας από τους πιο ενθουσιώδεις στόχους για τους χημικούς στις μέρες μας.

Δεν ανταγωνίζεται τις σύγχρονες μεθόδους αλλά τις συμπληρώνει και προσφέρει κάτι εντελώς καινοτόμο και ανοίγει νέους ορίζοντες στη σύνθεση.