Organocatálisis

En química orgánica , la organocatálisis es una forma de catálisis en la que la velocidad de una reacción química aumenta mediante un catalizador orgánico . Este "organocatalizador" está compuesto de carbono , hidrógeno , azufre y otros elementos no metálicos presentes en compuestos orgánicos. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Debido a su similitud en composición y descripción, a menudo se confunden con enzimas debido a sus efectos comparables sobre las velocidades de reacción y las formas de catálisis involucradas.

Los organocatalizadores que presentan funcionalidad de amina secundaria pueden describirse como catalizadores de enamina (mediante la formación de cantidades catalíticas de un nucleófilo de enamina activo ) o de iminio (mediante la formación de cantidades catalíticas de un electrófilo de iminio activado). Este mecanismo es típico de la organocatálisis covalente. La unión covalente del sustrato normalmente requiere una alta concentración de catalizador (para la catálisis de prolina, típicamente entre el 20 y el 30  % molar). Las interacciones no covalentes, como los enlaces de hidrógeno, facilitan el uso de bajas concentraciones de catalizador (hasta el 0,001  % molar).

La organocatálisis ofrece varias ventajas. No requiere catálisis basada en metales, lo que contribuye a la química verde . En este contexto, se han utilizado ácidos orgánicos simples como catalizadores para la modificación de la celulosa en agua a escala de varias toneladas. ^{[ 9 ]} Cuando el organocatalizador es quiral, se abre una vía para la catálisis asimétrica ; por ejemplo, el uso de prolina en reacciones aldólicas es un ejemplo de quiralidad y química verde. ^{[ 10 ]} Los químicos orgánicos David MacMillan y Benjamin List fueron galardonados con el Premio Nobel de Química 2021 por su trabajo en organocatálisis asimétrica. ^{[ 11 ]}

Los organocatalizadores aquirales regulares se basan en nitrógeno como la piperidina utilizada en la condensación de Knoevenagel . ^{[ 12 ]} DMAP utilizado en esterificaciones ^{[ 13 ]} y DABCO utilizado en la reacción de Baylis-Hillman . ^{[ 14 ]} Las sales de tiazolio se emplean en la reacción de Stetter . ^{[ 15 ]} Estos catalizadores y reacciones tienen una larga historia, pero el interés actual en organocatálisis se centra en la catálisis asimétrica con catalizadores quirales, llamada organocatálisis asimétrica u organocatálisis enantioselectiva . Una reacción pionera desarrollada en la década de 1970 se llama reacción de Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert . Entre 1968 y 1997, solo hubo unos pocos informes sobre el uso de pequeñas moléculas orgánicas como catalizadores para reacciones asimétricas (la reacción de Hajos-Parrish es probablemente la más famosa), pero estos estudios químicos se consideraron más como reacciones químicas únicas que como partes integrales de un campo más amplio e interconectado. ^{[ 16 ]}

En esta reacción, la prolina quiral natural actúa como catalizador quiral en una reacción aldólica . El material de partida es una tricetona aquiral y se requiere solo un 3 % de prolina para obtener el producto de reacción, un cetol con un exceso enantiomérico del 93 % . Este es el primer ejemplo de una reacción aldólica asimétrica catalizada por aminoácidos. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

La síntesis asimétrica de la cetona de Wieland-Miescher (1985) también se basa en la prolina, y otra aplicación temprana fue una de las transformaciones en la síntesis total de la eritromicina por Robert B. Woodward (1981). ^{[ 19 ]} Un artículo de minirevisión se centra en ejemplos recientes seleccionados de síntesis total de productos naturales y farmacéuticos mediante reacciones organocatalíticas. ^{[ 20 ]}

Muchos organocatalizadores quirales son una adaptación de ligandos quirales (que, junto con un centro metálico, también catalizan reacciones asimétricas) y ambos conceptos se superponen en cierta medida.

Un avance significativo en el campo de la organocatálisis se produjo en 1997 cuando Yian Shi informó sobre la primera reacción organocatalítica general y altamente enantioselectiva con la epoxidación asimétrica catalítica de olefinas trans y trisustituidas con dioxiranos quirales. ^{[ 21 ]} Desde entonces, se han desarrollado varios tipos diferentes de reacciones.

Los organocatalizadores para la síntesis asimétrica se pueden agrupar en varias clases:

• Biomoléculas : prolina , fenilalanina . Aminas secundarias en general. ^{[ 22 ]} Los alcaloides de la cinchona , ciertos oligopéptidos .
• Catalizadores sintéticos derivados de biomoléculas.
• Catalizadores de enlaces de hidrógeno , incluidos los TADDOLS , derivados de BINOL como NOBIN y organocatalizadores basados ​​en tioureas.
• Sales de triazolio como catalizadores de próxima generación para la reacción de Stetter

Ejemplos de reacciones asimétricas que involucran organocatalizadores son:

• Reacciones de Diels-Alder asimétricas
• Reacciones de Michael asimétricas
• Reacciones de Mannich asimétricas
• Epoxidación de Shi
• Hidrogenación por transferencia organocatalítica

Se ha revisado la catálisis de prolina. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Las imidazolidinonas son catalizadores de muchas transformaciones, como las reacciones de Diels-Alder asimétricas y las adiciones de Michael . Los catalizadores quirales inducen reacciones asimétricas , a menudo con alta enantioselectividad. Este catalizador funciona formando un ion iminio con grupos carbonilo de aldehídos α,β-insaturados ( enales ) y enonas en un rápido equilibrio químico . Esta activación del iminio es similar a la activación de grupos carbonilo por un ácido de Lewis y ambos catalizadores disminuyen el LUMO del sustrato : ^{[ 25 ] [ 26 ]}

El intermedio iminio transitorio es quiral y se transfiere al producto de reacción mediante inducción quiral . Los catalizadores se han utilizado en reacciones de Diels-Alder , adiciones de Michael , alquilaciones de Friedel-Crafts , hidrogenaciones por transferencia y epoxidaciones .

Un ejemplo es la síntesis asimétrica del fármaco warfarina (en equilibrio con el hemicetal ) en una adición de Michael de 4-hidroxicumarina y bencilidenacetona : ^{[ 27 ]}

Un logro reciente es la alquilación vinílica del crotonaldehído con una sal de organotrifluoroborato : ^{[ 28 ]}

Para otros ejemplos de su uso: véase la hidrogenación por transferencia organocatalítica y las reacciones de Diels-Alder asimétricas .

Un amplio grupo de organocatalizadores incorpora la fracción de urea o tiourea . Estos derivados de (tio)urea catalíticamente efectivos, denominados organocatalizadores de (tio)urea, proporcionan interacciones explícitas de doble enlace de hidrógeno para coordinar y activar sustratos aceptores de enlaces de hidrógeno. ^{[ 29 ]}

Sus usos actuales se limitan a reacciones multicomponente asimétricas, incluidas aquellas que implican adición de Michael, reacciones multicomponente asimétricas para la síntesis de espirociclos, reacciones multicomponente asimétricas que implican reacciones de Strecker de acilo, reacciones de Petasis asimétricas, reacciones de Biginelli asimétricas, reacciones de Mannich asimétricas, reacciones de aza-Henry asimétricas y reacciones de acoplamiento reductivo asimétricas. ^{[ 30 ]}

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• Definición de organocatálisis en Wikcionario
• Citas relacionadas con la organocatálisis en Wikiquote