PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET Kemijski odsjek

Saša Opačak

Amplifikacija kiralnosti u supramolekulskim

sustavima

Seminarski rad

Kemijski seminar 1

Zagreb, 2017.

Sadržaj

1. APLIFIKACIJA KIRALNOSTI ..................................................................................................... 1

1.1. Princip vojnika i narednika (sergeants and soldiers principle) ................................................................... 2

1.2. Pravilo većine (majority rule) .................................................................................................................... 5

2. AMPLIFIKACIJA KIRALNOSTI U ASIMETRIČNOJ KATALIZI8 ......................................... 7

2.1. Rezultati i rasprava ................................................................................................................................... 8

2.1.1. Kataliza ..................................................................................................................................................... 9

2.1.2. Karakterizacija agregata ......................................................................................................................... 12

2.1.3. Objašnjenje selektivnosti katalitičkih reakcija ........................................................................................ 14

3. ZAKLJUČAK.................................................................................................................................. 15

4. LITERATURA ............................................................................................................................... 16

1

1. Aplifikacija kiralnosti

Sve prirodne aminokiseline koje se pojavljuju u proteinima imaju L relativnu konfiguraciju dok svi

šećeri imaju D relativnu konfiguraciju; općenito u živim organizmima se kiralne molekule pojavljuju

samo kao jedan izomer, pojava koja se naziva biološka homokiralnost. Klasičnom kemijskom

sintezom kiralnih spojeva se, u pravilu, dobivaju racemati. Zbog navedenog razloga je izvor

homokiralnosti u prirodi tj. kako je od racemata došlo do enantiočistih spojeva, intrigantna tema

istraživanja. Pretpostavka je da je do homokiralnosti došlo amplifikacijom početne iznimno male

asimetrije.1 Postoji više mogućih izvora početne asimetrije te se primarno mogu podijeliti na

zemaljske i vanzemaljske. U meteorima su pronađene aminokiseline kod kojih postoji blagi

enantiomerni višak što otvara mogućnost da je početna asimetrija vanzemaljskog porijekla (bez

odgovaranja na pitanje izvora asimetrije u meteoru).2 Iz fizike je poznato da zbog kršenja pariteta

postoji vrlo mala razlika u energijama enantiomera, što ukazuje na potencijalni uzrok početne

asimetrije u biologiji, iako još nije pronađena povezanost između kršenja pariteta i biološke

homokiralnosti.3 Također, moguće je da je početni izvor asimetrije slučajan jer je moguća stohastička

potpuna asimetrična sinteza4, najtrivijalniji primjer toga je reakcija kod koje je jednaka vjerojatnost

dobivanja oba enantiomera, u nekom trenutku te reakcije, kada je broj produkata neparan dolazi do

kršenja simetrije, ukoliko nema nekog vanjskog utjecaja ovo kršenje simetrije će se poništiti daljnjim

odvijanjem reakcije i u konačnici se dobija racemat, u ovom slučaju izvor početne asimetrije je

slučajan. Bez obzira na početni izvor asimetrije za postizanje homokiralnosti je potreban efekt

amplifikacije te početne asimetrije. Kada se govori o amplifikaciji kiralnosti mogu se uočiti primarno

dvije vrste efekata spadaju u tu kategoriju; prvi su efekti autokatalize, kod kojih jedan od

enantiomera dobivenih u reakciji sam katalizira svoje nastajanje čime je kroz nekoliko ciklusa

reakcije moguće iz minimalne asimetrije dobiti enantiomerno čisti produkt5; drugi su efekti kod kojih

dolazi do “nametanja” određene kiralnosti agregatima i polimerima nekiralnih molekula (Princip

vojnika i narednika, “sergeants and soldiers principle”) ili agregatima i polimerima kod kojih postoji

mali suvišak jednog enantiomera monomera (pravilo većine, “majority rule”). U ovom seminaru

primarno će biti govora o drugoj vrsti efekata koja je prvo otkrivena kod kovalentnih polimera6, 7 a

kasnije su otkriveni i mnogi primjeri tih efekata u supramolekulskim sustavima kod kojih do prijenosa

kiralnosti dolazi putem nekovalentnih veza. U drugom dijelu seminara predstavljen je rad od

Desmarcheliera i suradnika8 koji su prvi primjenili sustav u kojem se pojavljuje princip vojnika i

narednika u asimetričnoj katalizi.

2

1.1. Princip vojnika i narednika (sergeants and soldiers principle)

Princip vojnika i narednika (sergeants and soldiers principle) je jedan od 2 glavna načina na koji se

manifestira amplifikacija kiralnosti u supramolekulskim sustavima. Ovu pojavu su prvi uočili Green i

suradnici6 1989. godine. Uočeno je da u polimernim helikalnim lancima koji se sastoje od većine

akiralnih podjedinica (vojnici, soldiers) mala količina kiralnih podjedinica (narednici, sergeants) može

inducirati jedinstvenu kiralnost cijelog lanca, efektivno vojnici slijede kiralnost nametnutu od strane

narednika. Green i suradnici su uočili da kod polialkil izocijanata, za koje je poznato da u otopini

poprimaju helikalnu konformaciju, mala količina kiralnih komonomera inducira asimetriju u

konformaciji polimera, tj. preferentnost prema P ili M helikalnosti. Efekti amplifikacije kiralnosti se

mogu detektirati kada se se gleda ovisnost optičke rotacije ili CD-a (Cirkularni dikroizam) o dodanoj

količini kiralnog monomera. Ukoliko postoji efekt amplifikacije trend će biti nelinearan, tj. izmjereni

signal će biti većeg intenziteta nego signal koji odgovara dodanoj kiralnoj tvari.

Meijer i suradnici9 su 1997 godine prvi pokazali da se kod BTA (benzen-1,3,5-trikarboksiamida)

pojavljuje efekt vojnika i narednika prilikom miješanja kiralnih BTA 1 i akiralnih BTA 3 (slika 1).

Slika 1 BTA derivati koje su priredili Meijer i suradnici

Samostalno kiralni BTA 1 tvori jedan enantiomer kiralnih helikalnih slagalina u nepolarnim otapalima

sa snažanim CD signalom koji odgovara π-π * prijelazu bipiridina. Akiralni BTA 3 formira racemične

helikalne slagaline te ne pokazuje CD signal. Dodatkom samo 2.5 % BTA 1 u BTA 3 u n-heksanu dolazi

do indukcije kiralnosti koja se manifestira CD signalom inteziteta usporedivog sa čistim BTA 1 u

heksanu. Kombinacijom teorijskog razmatranja i eksperimentalnih podataka može se zaključiti da

3

jedna molekula BTA 1 može inducirati kiralnost kod 80 molekula BTA 39. Eksperimenti s kiralnim BTA

4 i akiralnim BTA 5 u vodi pri dvije različite koncentracije pokazali su nelinearan odziv u CD-u za obje

koncentracije (slika 2). Pri koncentraciji od 10-4 M formiraju se agregati od približno 200 podjedinica

kod kojih jedna kiralna podjedinica inducira kiralnost u 12 nekiralnih.10 Ako se kao otapalo koristi n-

butanol umjesto vode tada jedna molekula BTA 4 je dovoljna da inducira kiralnost kod 400 molekula

BTA 5 u jednom helikalnom agregatu.11

Slika 2 Efekt vojnika i narednika, plot faktora anizotropije g u ovisnosti o molarnom udjelu kiralnog

monomera BTA 4 pri koncentraciji 10-4

M (kvadratići) i 10-5

(kružići)

Slični trendovi amplifikacije kiralnosti zabilježeni su i kod drugih BTA derivata12, jedan od zanimljivijih

primjera je rad Palmans-a, Meijera i suradnika13 u kojem su pokazali da je moguće inducirati kiralnost

kod helikalnih agregata pomoću izotopne zamjene vodika za deuterij, čime se dobije izotopno kiralan

spoj, što je prvi primjer kontrole kiralnosti izotopnom kiralnošću.

Efekt vojnika i narednika pojavljuje se i kod drugih vrsta spojeva. Sanchez i suradnici14 su pokazali da

kod C3 simetričnih fenilenetenilinskih trisamidnih spojeva sa alkilnim lancima dolazi do amplifikacije

kiralnosti. Ovi spojevi se samoudružuju u helikalne agregate putem vodikovih veza i π-π interakcija u

metilcikloheksanu te pokazuju umjeren do snažan efekt amplifikacije kiralnosti. Slični efekti

amplifikacije kiralnosti principom vojnika i narednika pojavljuju se kod cijelog niza drugih spojeva te

neće biti opisivani u ovom tekstu12. Feringa, van Esch i suradnici15 su primjenili efekt vojnika i

narednika za enantioselektivno fotokemijsko zatvaranje akiralnog diariletenskog spoja FER 1o koji

nekovalentno agregira sa spojem FER 2o (slika 3). Zbog efekta vojnika i narednika akiralni spoj FER

1o poprima preferencijalno P ili M helikalnu konformaciju u koagregatima sa spojem FER 2o u

4

toulenu. Fotokemijsko zatvaranje prstena u 1/1 smjesama FER 1o i FER 2o dalo je spoj FER 1c sa 94%

ee. Sličan rezultat je dobiven i ako se koristi enantiomerno čisti spoj FER 1c kao narednik.15

Slika 3 Strukture akiralnog FER 1o i kiralnog FER 2o s mogućim P i M konformacijama iz kojih se dobivaju

odgovarajući enantiomeri (S,S) FER 1c i (R,R) FER 1c te dijastereomeri (S,S) FER 2c i (R,R) FER 2c.

Kokan i suradnici16 su pronašli primjer efekta vojnika i narednika kod kojega dodatkom 10% cinkovog

kompleksa alaninskog aminopiridinskog liganda u otopinu tog istog liganda dolazi do inverzije dijela

kiralnosti vidljive iz CD spektra pri 290 nm koji odgovara aminipiridinskom dijelu vezanom na metal

(slika 4). Dio CD spektra između 200 i 275 nm se ne mijenja bitno vjerojatno jer je kiralnost tog

dijela vjerojatno “zaključana” vodikovim vezama u Herrickovom motivu. Nmr spektar 10% smjese

kompleksa i liganda pokazuje samo jedan set signala, što ukazuje da postoji brza izmjena liganada na

cinku. U ovom slučaju kao narednik ne djeluje cijeli kompleks nego ioni cinka, preko kojih se prenosi

kiralnost na ligande.

5

Slika 4 CD spektar samostalnog liganda (plavo), kompleksa (crveno) i smjese 9% kompleksa sa ligandom

(ljubičasto), vidljiva je inverzija kiralnosti pri 290 nm

1.2. Pravilo većine (majority rule)

Pravilo većine odnosi se na pojavu kada mali suvišak jednoga enantiomera u smjesi izaziva snažnu

preferenciju prema helikalnoj kiralnosti koju preferira taj enantiomer. Prvi koji su uočili ovu pojavu

su bili također Green i suradnici7 koji su primjetili da polimer 2,6-dimetilheptilizocijanata koji sadrži

56% R enantiomera i 44% S enantiomera ima CD signal jednak polimeru koji se sastoji od čistog R

enantiomera. Pravilo većine pojavljuje se i kod ranije spomenutih BTA spojeva. Mješavine BTA 1 i

BTA 2 u različitim molarnim omjerima pokazuju nelinearan CD odziv tj. g vrijednost pri 50 % ee je

usporediva sa vrijednošću čistog enantiomera u n-oktanu. Ova nelinearnost i maksimum g se

smanjuju povećanjem temperature zbog smanjenja agregacije (slika 5).17

6

Slika 5 Plot g faktora u ovisnosti o ee od BTA 1 za smjesu BTA 1 i BTA 2 pri 20 °C (puni krugovi) i 50°C (prazni

krugovi)

Slični efekti pojavljuju se i kod drugih BTA derivata.12 Zanimljiva manifestacija pravila većine

pojavljuje se kod nanocjevčica koje su sastavljene od enantiomerno čistih bisurea monomera kod

kojih je dovoljno samo 10 % ee kako bi se postigla jedinstvena kiralnost cjelokupnog agregata.18

Pravilo većine pojavljuje se i kod velikih supramolekulskih objekata poput HBC (Heksa-peri-

heksabenznokoronen) nanocjevčica koje se mogu dobiti iz mješavina R i S enantiomera Sup 1 (slika

6). CD spektar nanocjevčica dobivenih iz mješavina sa 20 % ee je gotovo identičan onome za cjevčice

dobivene iz čistog enantiomera zbog kooperativnosti dugog dosega prilikom samoudruživanja u

cjevčice.18

Slika 6 Kiralni HBC monomeri koji se samoudružuju u nanocjevčice

Postoje i sustavi u kojima se pojavljuje i efekt vojnika i narednika i pravilo većine. Tako prilikom

miješanja akiralnog (vojnika) BTA 8 sa 20 mol% smjese kiralnih BTA 6 i BTA 7 (narednici) s različitim

7

ee vrijednostima dolazi do formiranja supramolekularnih helikalnih agregata u cikloheksanu koji

sadrže sve tri komponente i imaju preferencijalnu kiralnost enantiomera kojega ima više (slika 7).19

Slika 7 BTA derivati kod kojih se pojavljuje i efekt vojnika i narednika i pravilo većine

2. Amplifikacija kiralnosti u asimetričnoj katalizi8

U literaturi je vrlo malo primjera primjene amplifikacije kiralnosti kod helikalnih polimera na

asimetričnu sintezu. Suginome i suradnici20,21 su uspjeli ostvariti visoku enantioselektivnost u

reakcijama paladijem katalizirane hidrosililacije i Suzuki-Miyaura cross-couplinga koristeći kao

katalizator polimer koji sadrži samo 18% enantiomerno čistih monomera dok je ostatak monomera

akiralan.

Helikalni supramolekulski polimeri potencijalno imaju nekoliko prednosti pred klasičnim polimerima;

moguće je proizvesti različite varijacije polimera jednostavnim miješanjem različitih monomera,

mogu potencijalno poboljšati katalitička svojstva katalitičkih centara na svojoj okosnici te mogu biti

osjetljivi na podražaje. Osim toga ako postoji efekt kiralne amplifikacije moguće je koristiti znatno

manju količinu enantiomerno čistih spojeva za pripravu katalizatora. Kod dizajna supramolekulskih

enantioselektivnih katalizatora moguća su tri primarna pristupa: 1. Korištenje samo enantiočistih

monomera, 2. Korištenje enantiomerno čistih komonomera i akiralnih monomera u

stehiometrijskom odnosu, slučaj u kojem se očekuje prijenos kiralnosti, 3. Korištenje male količine

kiralnih monomera i većine akiralnih uz postojanje efekta kiralne amplifikacije (slika 8).

8

Slika 8 Tri moguća pristupa za dizajn supramolekulskih enantioselektivnih katalizatora

Desmarchelier i suradnici8 prvi su razvili supramolekulski sustav kod kojega substehiometrijska

količina (25%) kiralnih monomera benzen-1,3,5-trikarboksiamida (BTA) inducira helikalnu kiralnost

cijelog polimera i primjenili ga u reakciji asimetričnog hidrogeniranja dimetil itakonata (do 85% ee).

Korišteni supramolekulski polimer se sastoji od akiralnih BTA liganada s veznim mjestom za rodij i

kiralnih, enantiomerno čistih BTA komonomera.

2.1. Rezultati i rasprava

Kao kiralni BTA ligandi odabrani su BTA esteri (slika 9) jer se mogu dobiti sintezom u dva koraka iz

dostupnih reagensa. U otopini esterski BTA imaju neobična svojstva samoudruživanja u cikloheksanu

s obzirom na više uobičajene alkilne BTA22; način samoudruživanja, u slagaline ili dimere, ovisan je o

prirodi supstituenata na sterogenom ugljiku te o koncentraciji. Iz preliminarnih istraživanja je

također poznato da kod supramolekulskih agregata kiralnih esterskih BTA i nekiralnih alkilnih BTA

dolazi do snažnog efekta amplifikacije kiralnosti23.

Slika 9 Korišteni akiralni monomeri (alkilni BTA-ovi) i enantiočistiki komonomeri (esterski BTA-ovi)

9

2.1.1. Kataliza

Za katalizu su korištene smjese akiralnog BTA liganda (BTAPPh2 2 mol%), metalnog prekursora

([Rh(cod)2]BArF, 1 mol%) i različitih enantiočistih komonomera (Esterski BTA-ovi). Komponente su

pomiješane u CH2Cl2 kako bi se osiguralo formiranje Rh kompleksa nakon čega je CH2Cl2 uparen i

zamijenjen otapalom korištenim za katalizu. Modelna reakcija katalize je redukcija dimetil itakonata

(slika 10). Molarni omjer između kiralnog esterskog BTA i akiralnog BTAPPh2 je označen kao R°esterBTA.

Slika 10 Rodijem katalizirana enantioselektivna redukcija dimetil itakonata

Transfer kiralnosti

10 različith esterskih BTA-ova je isprobano u reakciji enantioselektivne redukcije (R°esterBTA=1.25)

(tablica 1). U smjesi heksan/CH2Cl2 10/1 dobivene su značajne selektivnosti za sve korištene

komonomere. Razina selektivnosti jako ovisi o korištenom kiralnom BTA komonomeru i kreće se u

rasponu od 40% ee do 85% ee. Najbolju selektivnost dali su BTA Ile (tablica 1, br. 10) i BTA Val

(tablica 1, br. 9) (85% ee). Inverzijom kiralnosti komonomera dobiveni se suprotni redukcijski

produkti u sličnom iskorištenju (npr. tablica 1, br. 7 i 8). Kotrolnim eksperimentima (tablica 1, br. 11

i 12) je utvrđeno da je selektivnost posljedica nastajanja agregata između BTAPPh2 i esterskih BTA-

ova; kada se koristi MeBTAPPh2 ligand kod kojega su amidne skupine metilirane (slika 9) uz BTA Ile kao

komonomer reakcija je potpuno neselektivna; također, BTA Ile sam ne pokazuje nikakvu

selektivnost, čime se isključuje mogućnost da koordinacija BTA Ile na Rh utječe na stereokemijski

ishod reakcije.

10

Tablica 1 Rezultati katalitičkih eksperimenata sa različitim kiralnim komonomerima uz R°esterBTA = 1.25. [a] Na

temelju 16 pokusa, [b] Kataliza samo sa supernatantom dobivenim filtracijom katalitičke smjese.

Br. BTA ligand Komonomer ee (%)

1 BTAPPh2 BTA Phe 40 (S)

2 BTAPPh2 BTA (R)-Ala -46 (R)

3 BTAPPh2 BTA Met 53 (S)

4 BTAPPh2 BTA Leu 54 (S)

5 BTAPPh2 BTA Phg 62 (S)

6 BTAPPh2 BTA (R)-Abu -66 (R)

7 BTAPPh2 BTA (R)-Nle -72 (R)

8 BTAPPh2 BTA Nle 74 (S)

9 BTAPPh2 BTA Val 85 (S)

10 BTAPPh2 BTA Ile 85±7 (S)[a]

11 BTAPPh2 BTA Ile 0

12 - BTA Ile 0

13[b] BTAPPh2 BTA Ile Neodređeno

Dodatni pokusi napravljeni su sa smjesom BTAPPh2 i BTA Ile (Tablica 2). Na temelju 16 pokusa

utvrđena je reproducibilnost eksperimenta u smjesi heksan/CH2Cl2 10/1 sa srednjom vrijednosti

85±7 ee (tablica 2, br.10). Količina CH2Cl2 u reakcijskoj smjesi se može povećati do 20% bez

značajnog gubitka selektivnosti (tablica 2, br. 2). Do značajnog pada selektivnosti dolazi kod polarnije

smjese heksan/ CH2Cl2 2/1 te u toulenu dok u čistom CH2Cl2 nema nikakve selektivnosti (tablica 2, br.

3-5), što je vjerojatno posljedica narušavanja strukture vodikovim vezama povezanih agregata u

otopini19a. Selektivnost reakcije u čistom heksanu je jako varijabilna, vjerojatno jer dolazi do

formiranja agregata različitih veličina. Također u različitim alkanskim otapalima ne dolazi do značajne

promjene selektivnosti. Niže koncentracije supstrata ne utječu značajno na selektivnost reakcije

(tablica 2, br. 6) dok kod viših koncetracija supstrata dolazi do značajnog opadanja ee što je

vjerojatno posljedica kompletetivnih interakcija između supstrata i agregata (tablica 2, br. 7).

Smanjenjem temperature na -20°C dolazi do smanjenja selektivnosti (tablica 2, br 8).

11

Tablica 2 Dodatni pokusi sa BTAPPh2

i BTA Ile. [a] Na temelju 16 pokusa, [b] Pokus pri -20°C

Br. Otapalo Množina supstrata (M) ee (%)

1 heksan/CH2Cl2 10/1 0.4 85±7 (S)[a]

2 heksan/CH2Cl2 5/1 0.4 85 (S)

3 heksan/CH2Cl2 2/1 0.4 52 (S)

4 toulen 0.4 51 (S)

5 CH2Cl2 0.4 0

6 heksan/CH2Cl2 10/1 0.2 85 (S)

7 heksan/CH2Cl2 10/1 0.8 55 (S)

8 heksan/CH2Cl2 10/1 0.4 74 (S)[c]

Iz navedenih pokusa je vidljivo da na selektivnost snažno utječe i odabir kiralnog komonomera i

uvjeti u kojima se pokus izvodi. Iz pokusa se također može zaključiti da dolazi do efikasnog transfera

kiralnosti sa supramolekulskih agregata na metalne Rh centre na kojima se odvija enantioselektivna

reakcija.

Amplifikacija kiralnosti

U svrhu utvrđivanja dolazi li do efekta amplifikacije kiralnosti napravljeni su pokusi sa BTA Ile koji je

u različitim omjerima (0.1-8 mol%) pomiješan sa BTAPPh2 (2 mol%) i [Rh(cod)2]BArF] (1 mol%).

Selektivnost reakcije je snažno ovisna o R°BTAIle ( n(BTA Ile)/ n(BTAPPh2) ) (slika 11). Selektivnost

nelinearno ovisi o R°BTAIle, kod R°BTAIle=0.05 ee iznosi 48%, povećavanjem R°BTAIle ee raste do 78-85% za

0.25 ≤ R°BTAIle ≤1.25 te nakon 1.25 R°BTAIle kreće opadati. Nelinearan odnos ee i R°BTAIle je pokazatelj da

je u sustavu prisutna amplifikacija kiralnosti, kao posljedica toga moguće je smanjiti količinu kiralnog

komonomera na jednu četvrtinu količine akiralnog liganda bez pogoršanja selektivnosti reakcije.

12

Slika 11 Enantiselektivnost reakcije u ovisnosti o R°BTAIle

Katalitički aktivna vrsta u ovim reakcijama su najvjerojatnije netopljivi agregati rodijevog kompleksa

sa BTAPPh2 i BTA Ile koji nastaju prilikom uparavanja CH2Cl2. U CH2Cl2, u kojem se priređuje kompleks

za katalizu, kod reakcije enantioselektivnog hidrogeniranja ne dolazi do nikakve selektivnosti (tablica

2, br. 5) iz čega se može zaključiti da se katalitički aktivni kompleks formira tek prilikom uparavanja

otapala. Dobiveni kompleks je netopljiv u otapalima korištenim za katalizu ali odabir otapala utječe

na veličinu krutih agregata u otopini, tako u smjesama heksana i CH2Cl2 se pojavljuje fina disperzija

agregata dok u čistom heksanu ne. Na to da su netopljivi agregati odgovorni za katalizu ukazuje i

činjenica da supernatant dobiven filtracijom otopine u kojoj se nalazi netopljivi agregat nije

katalitički aktivan.

2.1.2. Karakterizacija agregata

Homo-agregati

U cikloheksanu BTAPPh2 i BTA Ile pokazuju različita svojstva asocijacije. BTAPPh2 tvori dugačke rigidne

slagaline (slika 12) što je vidljivo iz FT-IR vrpci na 3245 cm-1 (NH vezan na amidni CO), 1634 cm-1 i

1549 cm-1 (amidni CO vezan na NH); te iz q-1 ovisnosti SANS intenziteta pri niskim q vrijednostima

koje je karakteristično za izolirane krute cilindrične štapiće (r=12.6 Å, L>200 Å).

13

Slika 12 Stackovi BTAPPh2

Naprotiv, BTA Ile u cikloheksanu, pri svim ispitanim koncentracijama (0.05-50 mM), tvori dimere u

kojima je amidna NH skupina vezana na estersku a ne amidnu karbonilnu skupinu (slika 13); što je

neočekivana suprotnost s obzirom da u čvrstom stanju BTA Ile tvori slagaline. Iz CD analize je vidljivo

da u čvrstom stanju dolazi do formiranja slagalina sa desnom helikalnom kiralnošću, što je

prethodno poznato i iz rengenskih struktura srodnih esterskih BTA-ova.

Slika 13 BTA Ile dimer

Kompleks BTAPPh2 sa [Rh(cod)2]BArF] u omjeru 2/1 je topljiv u CH2Cl2 ali ne u cikloheksanu, iz UV i FT-

IR analize se može zaključiti da se formiraju slagaline bez helikalne kiralnosti, pošto BTAPPh2 nije

kiralan.

Miješani agregati

Prilikom miješanja različitih monomera tri su mogućnosti za formiranje agregata: 1) Formiranje

isključivo homo-agregata, 2) Formiranje isključivo miješanih agregata, 3) Formiranje obje vrste

14

agregata. U slučaju BTA agregata lako je moguće razlikovati dolazi li do nastanka slagalina ili dimera

pomoću FT-IR i SANS metoda analize. Priređene su mješavine sa različitim omjerom BTA Ile i BTAPPh2

(0.05≤R°BTAIle≤4.0) koje su sve topljive u cikloheksanu. Za mješavine kod kojih je R°BTAIle≤0.18 FT-IR

analiza pokazuje da su svi BTA Ile monomeri ugrađeni u agregate. Naprotiv, kod drugih mješavina FT-

IR pokazuje da je BTA Ile prisutan i u obliku slagalina i u obliku dimera što ukazuje na to da dolazi

samo do parcijalne agregacije između BTA Ile i BTAPPh2. Količina BTA Ile koja se nalazi u slagalinama

može se izračunati tako da se od početne količine oduzme količina dimera koju je moguće odrediti

pomoću FT-IR-a.

Isti se princip može primjeniti za određivanje sastava mješavina BTA Ile i BTAPPh2 sa [Rh(cod)2]BArF].

Sve priređene mješavine daju heterogene suspenzije u cikloheksanu. Utvrđeno je da se u otopini

nalazi samo BTA Ile u obliku dimera, što znači da je sav Rh i BTAPPh2 ugrađen u krutinu. Kod svih

mješavina je količina BTA Ile u otopini značajno manja od početne količine, što ukazuje da dolazi do

agregacije i omogućuje kvantifikaciju BTA Ile komonomera ugrađenog u agregate. Kod obje vrste

agregata, sa i bez Rh, može se opaziti isti trend ugradnje BTA Ile, dolazi do kvantitativne ugradnje za

R°BTAIle<0.25, pri višim koncentracijama BTA Ile dolazi do platoa koji odgovara 0.3-0.5 R°BTAIle u

stackovima te do ponovnog povećanja količine BTA Ile ugrađenog stackove nakon R°BTAIle≥1.0. Ovaj

neuniformni trend bi mogao biti posljedica različite termodinamičke stabilnosti agregata sa različitim

udjelom BTA Ile. Udio BTA Ile u agregatima sa i bez rodija je približno isti, što ukazuje na to da

koordinacija [Rh(cod)]+ fragmenta na BTAPPh2 ne utječe značajno na sastav agregata. Proučena je

struktura agregata sastavljenih od BTA Ile i BTAPPh2 pomoću UV i FT-IR spektroskopije. Unatoč

njihovom različitom sastavu dobiveni su slični spektri koji odgovaraju slagalinama za sve agregate iz

mješavina različitog sastava te nije bilo moguće povezati različite selektivnosti sa razlikama u

strukturi agregata.

Proučena je kiralnost miješanih agregata sa i bez Rh pomoću CD spektroskopije. Kod otopina bez Rh

sa R°BTAIle≤0.25 opaža se Cottonov efekt sa oblikom koji odgovara CD spektrima BTA agregata koji

imaju preferiranu, desnu, helikalnost u otopini i čvrstom stanju. Slična je situacija i kod netopljivih

agregata dobivenih iz mješavina s Rh, koji također preferentno formiraju slagaline s desnom

helikalnošću.

2.1.3. Objašnjenje selektivnosti katalitičkih reakcija

Selektivnost u reakcijama hidrogeniranja dimetil itakonata može se povezati sa strukturom miješanih

agregata. Helikalnost agregata diktira koji je glavni produkt reakcije, tako je sa lijevim slagalinama

glavni produkt R konfiguracije dok sa agregatima koji rade desne helikalne slagaline glavni produkt S

15

konfiguracije. Kod nižih omjera BTA Ile prema BTAPPh2 selektivnost se može objasniti kao posljedica

ukupne helikalnosti agregata; slagaline koji sadrže manje od jednog BTA Ile monomera na četiri

BTAPPh2 monomera nemaju svi međusobno istu helikalnost, zbog čega selektivnost značajno varira.

Kod slagalina koji sadrže između jedne četvrtine i jedne polovine BTA Ile kiralnih monomera svi

stackovi imaju istu helikalnost, zbog čega je selektivnost približno jednaka. Kod većih omjera BTA Ile

prema BTAPPh2 pad selektivnosti se ne može objasniti različitom strukturom agregata ili razlikom u

helikalnosti. Kao razlog pada selektivnosti predložen je različit način vezivanja Rh kada je viša

koncetracija BTA Ile (slika 14). Kod strukture A dva susjedna difenilfosfinska prstena su dobro

pozicionirani da keliraju jedan Rh centar. Predloženo je da u ovakvoj strukturi dolazi do prijenosa

kiralnosti sa polimera na prstenove Z i tako na katalitički centar. Kada je veća koncetracija kiralnog

monomera manja je šansa da će se u slagalini jedan za drugim pronaći dva BTA liganda što

onemogućuje koordinaciju Rh sa BTA ligandima iz iste slagaline. Ako je Rh koordiniran sa BTA

ligandima iz dvije različite slagaline kao u hipotetskoj strukturi B, u kojoj Rh funkcionira kao most

između dvije odvojene slagaline, ne može doći do efikasnog prijenosa kiralnosti na katalitički centar.

Slika 14 Predložene strukture koje objašnjavaju promjenu selektivnosti pri visokim koncentracijama BTA Ile

3. Zaključak

Amplifikacija kiralnosti je pojava koja se manifestira na dva temeljna načina. Ukoliko produkt neke

reakcije u kojoj nastaju enantiomeri sam katalizira svoje nastajanje govori se o autokatalizi, pomoću

koje se iz početne male asimetrije u smjesi kroz nekoliko iteracije reakcije može postići visoka razina

asimetrije. U supramolekulskim sustavima značajnija je druga vrsta amplifikacije kiralnosti pojavljuje

u dva oblika, kao pravilo vojnika i narednika te kao pravilo većine. Ove su pojave prvo uočene kod

kovalentnih polimera a kasnije i kod supramolekulskih polimera. Kod pravila vojnika i narednika mala

16

količina čistog enantiomera “nameće” svoju preferiranu helikalnost agregatima koji nastaju iz

kombinacije nekiralnih i enantiočistih monomera, cjelokupni agregat poprima kiralnost koju

preferiraju kiralni monomeri. Kod pravila većine dolazi do pojave da smjese enantiomera kod kojih

postoji samo mali suvišak jednog od njih preferentno poprimaju helikalnost agregata koju preferira

enantiomer u suvišku. Desmarchelier i suradnici prvi su primjenili efekt vojnika i narednika u

enantioselektivnoj katalitičkoj redukciji. Autori su razvili supramolekulski sustav kod kojega

substehiometrijska količina (25%) kiralnih monomera benzen-1,3,5-trikarboksiamida (BTA) inducira

helikalnu kiralnost cijelog polimera i primjenili ga u reakciji asimetričnog hidrogeniranja dimetil

itakonata (do 85% ee). Katalitički aktivna specija su netopljivi agregati koji nastaju nakom miješanja i

uparavanja kiralnih i akiralnih komonomera sa Rh u CH2Cl2 .

4. Literatura

1 D. G. Blackmond, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 2010, 2, a002147.

2 S. Pizzarello, Acc. Chem. Res., 2006, 39, 231–237.

3 M. Quack, Angew. Chemie Int. Ed., 2002, 41, 4618–4630.

4 K. Mislow, Absolute Asymmetric Synthesis: A Commentary, 2003, vol. 68.

5 K. Soai, T. Shibata, H. Morioka and K. Choji, Nature, 1995, 378, 767–768.

6 M. M. Green, M. P. Reidy, R. J. Johnson, G. Darling, D. J. O’Leary and G. Willson, J. Am. Chem. Soc., 1989, 111, 6452–6454.

7 M. M. Green, B. A. Garetz, B. Munoz, H. P. Chang, S. Hoke and R. G. Cooks, J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 4181–4182.

8 A. Desmarchelier, X. Caumes, M. Raynal, A. Vidal-Ferran, P. W. N. M. Van Leeuwen and L. Bouteiller, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 4908–4916.

9 A. R. A. Palmans, J. A. J. M. Vekemans, E. E. Havinga and E. W. Meijer, Angew. Chemie Int. Ed. English, 1997, 36, 2648–2651.

10 L. Brunsveld, B. G. G. Lohmeijer, J. A. J. M. Vekemans and E. W. Meijer, Chem. Commun., 2000, 2305–2306.

11 L. Brunsfeld, B. G. G. Lohmeijer, J. A. J. M. Vekemans and E. W. Meijer, J. Incl. Phenom. Macrocycl. Chem., 2001, 41, 61–64.

12 E. Yashima, N. Ousaka, D. Taura, K. Shimomura, T. Ikai and K. Maeda, Chem. Rev., 2016, 116, 13752–13990.

13 S. Cantekin, D. W. R. Balkenende, M. M. J. Smulders, A. R. A. Palmans and M. W., Nat Chem, 2011, 3, 42–46.

14 F. García, P. M. Viruela, E. Matesanz, E. Ortí and L. Sánchez, Chem. – A Eur. J., 2011, 17, 7755–

17

7759.

15 D. J. Vandijken, J. M. Beierle, M. C. A. Stuart, W. Szymański, W. R. Browne and B. L. Feringa, Angew. Chemie - Int. Ed., 2014, 53, 5073–5077.

16 S. Zoran Kokan, Z. Kokan, B. Peri, M. Vazdar, Ž. Marini, D. en Viki -Topi, E. Meš trovi and S. I. ko Kirin, Chem. Commun. Chem. Commun, 2017, 53, 1945–1948.

17 J. van Gestel, A. R. A. Palmans, B. Titulaer, J. A. J. M. Vekemans and E. W. Meijer, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 5490–5494.

18 B. Isare, M. Linares, L. Zargarian, S. Fermandjian, M. Miura, S. Motohashi, N. Vanthuyne, R. Lazzaroni and L. Bouteiller, Chem. – A Eur. J., 2010, 16, 173–177.

19 A. J. Wilson, J. van Gestel, R. P. Sijbesma and E. W. Meijer, Chem. Commun., 2006, 4404–4406.

20 T. Yamamoto, T. Adachi and M. Suginome, ACS Macro Lett., 2013, 2, 790–793.

21 Y. Nagata, T. Nishikawa and M. Suginome, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 4070–4073.

22 M. M. J. Smulders, A. P. H. J. Schenning and E. W. Meijer, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 606–611.

23 A. Desmarchelier, M. Raynal, P. Brocorens, N. Vanthuyne and L. Bouteiller, Chem. Commun., 2015, 51, 7397–7400.