G-01

Здесь реакция Стилле применена фактически как завершающая стадия синтеза макроциклического метаболита миксобактерии Sorangium cellulosum, обитающей в почве и умеющей расщеплять целлюлозу, что довольно редко бывает у бактерий, целлюлозой обычно занимаются грибы. Миксобактерии страшно популярны у исследователей природных биологичски активных соединений, так как имеют одни из самых больших геномов среди всех бактерий, и там напихано много генов, отвечающих за весьма изощрённый биосинтез всяких высокотоксичных метаболитов, помогающих этим малым существам выигрывать конкуренцию за самые большие и самые питательные куски дерьма в помойке – всех конкурентов просто замочат раньше, чем они поймут с кем связались. Прочитав про такие повадки этих микроскопических слизистых существ трудно не воскликнуть: “Всё как у людей” – вот если за нами наблюдает некто намного более разумный, то оно признаёт, что это очень интересно и поучительно, хотя иногда наизнанку выворачивает от омерзения. Вообще, бактерии, относящиеся к царству Прокариот, редко производят какие-то действительно сложные вещества; у них банально не хватает для этого емкости генома, чтобы хранить многочисленные гены, кодирующие энзимы, работающие в сложных путях биосинтеза. Сложная и очень сложная биохимия метаболитов начинается по-серьёзному только в царстве Эукариот, где геном пакуется не в циклическую плазмиду, а в настоящие хромосомы, в которых можно достичь колоссальной плотности информации и упаковать огромное количество генов. Мы тут уже имели дело с веществами, производимыми одноклеточными эукариотами, и там разнообразие колоссальное. Но и в надцарстве Прокариот есть исключение – как раз эти самые миксобактерии, всё же умудрившиеся в простой циклический геном напихать побольше генов, и так стать способными к производству сложных метаболитов. И вот, выделяют из миксобактерий какой-то очередной метаболит, видят, что он очень активен и интересен, и что из него можно сделать нечто для медицины, но для этого вещества нужно побольше. А микстобактерии, как назло, не очень любят жить в лабораторных условиях в биореакторе – подавай им настоящее дерьмо в настоящей помойке. То есть просто нарабатывать вещество из культуры клеток не получается. И вся надежда только на синтез, тем более что заодно можно научиться вводить в молекулы разные модификации, которые могут улучшить свойства лекарственного препарата. Поэтому мы видим очень много работ по синтезу метаболитов миксобактерий.

Среди таких метаболитов часто встречаются макроциклические лактоны, иногда содержащие гетероциклические вставки. Синтетиков, упражнявшихся в синтезе таких соединений, огромное количество. Многие из этих метаболитов весьма перспективны как химиотерапевтические агенты, но выделять их из культуры миксобактерий очень сложно – это весьма капризные существа, страшно не любящие эксплуатации и выработавшие кучу всяких мерзких приёмчиков для того чтобы задача приучения их к работе на человека стала трудновыполнимой.  У миксобактерий вещества интересные, хочется и иметь их в солидных количествах, и освоить разные методы модификации, необходимые для того, чтобы интересное вещество могло стать медицинским препаратом. Работ поэтому очень много.

Данная работа занята синтезом одного из самых типичных метаболитов этого типа, дисоразола Z (и эти туда же, впрочем они-то как раз были раньше, и в пословице “куда конь с копытом, туда и рак с клешней” понятно, что конём является миксобактерия, а кто тут рак сами догадаетесь. И клешня у него малость покоцанная.). Эта молекула представляет собой 30-членный цикл, состоящий из двух одинаковых частей, и соединенный двумя лактонными связями (поэтому это макродиолид). Группа исследователей из недружественной Швейцарии под руководством Карла-Хайнца Альтманна в Цюрихе замыслила хороший синтез этого соединения, чтобы можно было наконец получить побольше и исследовать активность.

Синтез выводил на последней стадии на сборку макроцикла из двух половинок, каждая из которых содержала с одной стороны иод, а с другой оловянный остаток. Не будем это разбирать, замечу только, что станнильная группа вводится рано на пути синтеза и сохраняется в большом количетсве разнообразных реакций. Это очень важное свойство такого заместителя – он вполне инертен в большинстве реакций, и даже почти ничему не  мешает, поэтому можно не париться, и не откладывать введение олова на самый последний шаг, и эти олово очень сильно отличается от магния и цинка. Но и от бора тоже – борные остатки часто мешают потому что бор довольно очевидная кислоты Льюиса, которая будет взаимодействовать со многими реагентами сложного синтеза. Это очень серьезное преимущество реакции Стилле над тремя остальными.

И вот дошли до синтеза макроцикла. Здесь используется не совсем обычная стратегия. Все же обычно макроциклизация достигается отдельной стадией, когда и образуется большой цикл. А здесь решили рискнуть и сшить две половинки. Понятно что сначала все равно происходит одна реакция и образуется субстрат для заключительно макроциклизации. Но здесь обе стадии идут в одном ведре. В принципе, это типичный тандем, но так здесь это никто не назвал. А зря, кстати, – как будет видно из дальнейшего обсуждения, такое понимание имеет смысл. Смотрим на условия реакции и видим довольно необычный состав реакционной смеси – к палладию добавлены еще некий комплекс меди и еще одно необычное вещество дифенилфосфинат тетрабутиламмония. Это неслучайное решение, а пример реакции Стилле с сокатализом Cu(I), и это очень важная разновидность этой классичесокй реакции. Я разобрал историю этого направления и основные методы на отдельной страничке. В этой работе использован протокол Фюрстнера, завоевавший популярность именно в макроциклизациях. Смысл этого протокола состоит в значительном ускорении собственно кросс-сочетания за счет более быстрого переметаллирования олова на медь, так что в кросс-сочетание вступает уже медьораника. Фосфинат связывает выделяющийся станнильный остаток и не дает ему ингибировать реакцию. Как все это работает можете прочитать на той страничке.

 Методика (в supplementary material) написана скверно. Довольно трудно понять, сколько точно взяли предкатализатора, в методике сказано про 60%, но после этот раствор использовали не целиком, а только 80%, соответственно получается, что в реакционную смесь попало 40 моль%. Если проверить по загрузке субстрата, выясняется, что эквивалент в методике соответствует 29 микромоль, и это согласуется с цифрами загрузок остальных реагентов. Поэтому поверим, что загрузки надо умножить на 0.8, и палладия в смеси 40 моль%. Нехило. Выход 41%, следовательно реакция получилась из одного каталитического цикла, то есть некаталитическая. Ой, нет, мы забыли, что в этом процессе произошло две отдельных реакции Стилле, одна межмолекулярная и вторая внутримолекулярная. Значит циклов все таки 2, и это полноценный катализ. TOF совсем маленький, но не забудем, что реакцию вели при охлаждении, и скорость ее не могла быть большой. 2 цикла за 2.75 часа это меньше цикла в час. Еще обратим внимание, что как и положено для макроциклизаций, берут сильно разбавленную реакционную смесь. Грубо прикинем концентрацию по субстрату – около 1.5 микромоль в миллилитре, или 1.5 миллимоль в литре, 1.5 mM. При приблизительной молярной массе таких соединений порядка 1000, это соответствует загрузкам около 1 грамма в литре. Такова цена макроциклизации – очень маленькая производительность процесса. Представьте себе. что вещество нужно, и надо сделать его хотя бы килограмм – вот вам уже кубометр растворителя и необходимость в реакторах большого объёма, или работа совсем маленькими порциями. Заметим и еще одну вещь: первая стадия реакции межмолекулярная, требующая встречи двух половинок, то есть бимолекулярная. Получается, что разведение, необходимое для стадии макроциклизации, будет сильно тормозить первое кросс-сочетание. Возможно, стоило бы пооптимизировать условия, и сначала делать первую сшивку при большей концентрации, а потом сильно разбавлять и макроциклизовать. Но, увы, поскольку в молекуле уже содержатся оба реакционных центра, вряд ли получится так разделить две стадии, и тогда в пером этапе будут большие потери на олигомеризацию. Поэтому рискнули – и, в общем, выиграли, птому что выход 41% в макроциклизации это отлично, даже лучше чем отлично.

Но здесь нужно иметь в виду еще вот что. Когда говорят о низких выходах в макроциклизациях, имеют в виду очевидную вещь – для длинной цепочки вероятность встречи концов для реакции очень мала. Причина этого проста – у длинных цепочек много конформеров с близкими энергиями, а число конформеров, пригодных дял макроциклизации мало – только те несколько штук, у которых концы оказываются близко друг от друга. Соответственно, вероятность реакции тоже мала. Поэтому и приходится использовать малую концентрацию субстрата в растворе – чтобы сделать еще менее вероятной бимолекулярную реакцию образования нециклического продукта. И все равно вероятность встречи концов так не повысить, она остается малой, и выходы в макроциклизациях это часто несколько процентов. Здесь мы видим высокое разбавление (не самое высокое), но и выход вполне приличный, почти 50%, а такие выходы в обычных реакциях уже обычно характеризуют словом “хороший”. Почему такой хороший выход в этом случае? Косвенно это говорит о том, что сама реакция Стилле, особенно в варианте с медным сокатализом хороша, она происходит быстро, а скорость реакции это вероятность встречи реакционных центров умноженная на вероятность самой реакции. Эта идея – что реакция Стилле быстра и это важно – может показаться противоречащей тому, что мы видим мизерные TON/TOF. Но мы видим именно суммарную скорость, и это занчит, что эту скорость определяет не само кросс-сочетание, а именно вероятность встречи реакционных центров. Вероятность в кинетике это то же самое, что скорость, только выраженная в других единицах измерения. Получается, что концы встречаются редко, но если повезет, то реакция Стилле не будет зевать и джать когда они снова разлетятся в разные стороны.

Но мы видим еще одну вещь. Число выгодных конформеров очень велико для гибких цепочек. Будьте спокойны, если бы бала 30-членная насыщенная цепь, то мы вряд ли могди мечтать н ето что о 41% выхода, а и о 4%. Но у нас не совсем гибкая цепочка. Большая часть ее это сопряженная система. Она тоже имеет гибкость (вспомним бутадиен как типичнаый пример гидкой молекулы, конформеры которой определяются сопряжением), но наиболее выгодные конформеры вполне плоские. Вспомним еще раз главное правило стереохимии нежестких молекул – молекула вполне представлена своими конформерами, а наиболее устойчивые из них отвечают за львиную долю жизни молекулы. Иными словами, вероятность встертитить молекулу, имеющую много сопряженных вставок, в плоском или почти плоском виде велика. И это очень важно – такие вставки сильно сокращают количество хороших конформеров. А значит, если геометрия вставок подходящая, то и вероятность встерчи концов будет уже не такой маленькой. И вот что мы видим, если посмотрим именно на второе кросс-сочетание. Очень большая часть молекулы охвачена сопряжением, а заместители расположены так, что прямо толкают концы друг к другу. Конечно, нужно было бы сделать не рисунок, а нормальную молекулярную модель. Но вот что-то лень мне так за других людей париться, итак всё более-менее ясно.

G-20

Джон Вуд с сотрудниками из одного небольшого частного университета в Техасе из недружественных США занялись синтезом дитерпеноидного метаболита, выделенного из гриба альтернария (одного из видов). Это такие, как говорят в сельском хозяйстве, вредители, возбудители часто встречающейся болезни растений альрернариоз, когда стебли и листья покрываются черными пятнами. Грибы практически все очень изобретательны в органическом синтезе и производят невероятное количество разных сложных веществ, которые оттуда принято выделять и пытаться как-то приспособить к медицине или еще чему-нибудь, например, написанию красивой статьи в джакс. Метаболит, который взялись синтезировать, называется альтербрассикицен С и это такая довольно типичная для терпеноидов штуковина, состоящая из нескольких затейливо переплетенных колец и некоторого количества обычных функциональных групп. Задача как задача, вот и решают, довольно активно применяя кросс-сочетание и метатезис. На фактически предпосоедней стадии к кросс-сочетанию обращаются еще раз, вводя реакцией Стилле метоксиметильную группу через трифлат енола. Вначале попробовали не обременять себя защитой поблизости торчащей гидроксильной группы – и получили не то, что хотели. Само кросс-сочетание явно прошло, но рядом почему-то раскрылся эпоксид, а гидроксильная группа замкнула тетрагидрофурановый цикл. Что за чёрт! Красиво, но не нужно, целевой продукт должен всё это сохранить, авторы уже почти добежали до конца и им оставалось только убрать хлор.

Что здесь произошло? Авторы считают, что после кросс-сочетания активный Pd(0) устроил ещё и аллильное замещение. Распишем по стадиям. Вот прошло кросс-сочетание. В растворе плавает нульвалентный палладий, и вынюхивает нет ли ещё какого-нибудь дельца. И тут видит аллильный эпоксид. О, с этой штукой я знаю, что делать, Цудзи и Трост научили, слава им, раньше не умел. Дайте-ка я его раскурочу. Ну вот, образовался аллильный комплекс, кислород забрал пару и повис уходящей группой. А совсем рядом гидроксил, и в положении, гораздо лучше соотвествующем атаке на аллильный комплекс, потому что это будет внутримолекулярное аллильное замещение.

Дело сделано. Стереохимия вся как положено – образование и расщепление аллильного комплекса происходят с инверсией, а больше тут искать нечего. А, это не то что, хотели те ребята, что по другую сторону стекла тяги! Ну это их проблема, такое осложнение надо было предвидеть. А почему не предвидели? Видимо, потому что в современном синтезе стало очень модно избегать защиты везде где только можно. Это сокращает число стадий, уменьшает отходы и вообще быть модным это правильно. Когда-нибудь обсудим эту моду отдельно.

Но не всегда действительно можно. И авторы смиряют гордыню и повторяют эту стадию, но навесив простую триэтилсилильную защиту (убейте, не пойму, почему нельзя было самую обычную и еще более простую ТМС – нет там ничего в условиях, что могло ее снести). И да, в тех же условиях, но даже немного быстрее (что неудивительно, ведь мы не стали тратить время на побочные реакции) и с большим выходом (тоже понятно, но защиту надо еще снять, так что часть добычи может быть потеряна) получили продукт искомой структуры.

Отлично. И вроде все как по маслу. Поставили защиту и нет этой ненужной реакции. Но вот ровно в этом месте начинает колбасить уже меня. Я вижу, что изменение в структуре никак не помогло бы избежать образования аллильного комплекса с расрытием эпоксида. Да, следующая реакция не состоялась бы, нет нуклеофила, но это бы просто значило, что аллильный комплекс бы завис. Конечно, можно предположить что его образование обратимо, и эпоксид закрылся бы обратно. Возможно. Но чтобы так нацело, чтобы и следов не осталось? Выход основного продукта же сильно вырос, там на побочный мало места осталось в материальном балансе, процентов 5 от силы. И что-то мне говорит, что возможно и не было там никакого аллильного комплекса и в первом случае, а эпоксид просто раскрылся нуклеофильно этим самым гидроксилом. Но и здесь есть возражение – это же SN2-реакция, а нуклеофил у нас висит с фронта, а не с тыла. Но, возможен в раскрытии эпоксидов и кислотный катализ, когда на кислород садится кислота Льюиса, цикл ослабевает и механизм начинает напоминать SN1 – тогда возможна атака нуклеофила с фронта. Но в таких случаях же перегруппировки бывают, а здесь нет. Не обязательно, если нуклеофил быстро затыкает зарождающийся карбокатионный центр, на перегруппировки может не быть времени. А кислота тут где? А с этим как раз хорошо, ведь образовался эквивалент трифлата, а у него противоион или катион лития, или даже трибутилстаннильный (скорее и то и другое в равновесии) – вполне компетентные кислоты Льюиса для активации раскрытия эпоксида, одна из ног которого стоит на третичном углероде. Рисовать не буду, всё это не так важно, но если хотите получать от прочитанных статей максимум, никогда не ведитесь на объяснения авторов, особенно если они немного неубедительные. Это всего-навсего гипотезы, как и все в химии. Стоит подвергнуть сомнению, предложить свою интерпретацию. В ваших собственных синтезах могут встретиться похожие ситуации, и вы уже сможете подойти к решению задачи умнее.