De Sharpless asymmetrische epoxidatie van allylische alkoholen

Wat maakt het asymmetrisch?

De volgende discussie is gebaseerd op een artikel van Y.D. Wu en D. Lai, J.Amer.Chem.Soc. 117 11327 (1995), een DFT studie (Density Functional Theory) avn de selectiviteit van deze reactie. De onderstaande structuur is niet de uitkomst van hun berekeningen: het is een handmatige reconstructie van het complex dat de auteurs presenteren als overgangstoestand die het experimenteel bewijs verklaart.

Zie Maitland Jones, Organic Chemistry 2nd Ed.,p. 374-375

De reagentia in deze reactie zijn: de katalysatoren titanium tetraisopropoxide, en enantiomeer puur diethyl tartarate (DET, RR of SS), tert-butyl hydroperoxide (TBHP) als de zuurstof bron, en natuurlijk het allylische alkohol dat geepoxideerd wordt.
Het wordt gepostuleerd dat deze reagentia een asymmetrisch complex vormen, waarbij de allylische alkohol één zijde van zijn dubbele binding bloot stelt aan de zuurstof die moet overspringen.

Waar kunnen de componenten gevonden worden in het complex?
( waterstoffen aan/uit, toggle achtergrond donker/licht)
Het hart van het complex wordt gevormd door twee titanium atomien, omringd door zes zuurstof atomen elk (twee O's gedeeld in een Ti-O-Ti-O 'vierkant'). (Zo'n octahedraal dimeer tref je vaker aan in kristalstructuren, b.v. CSD refcode PIQDAT.)
Deze zuurstoffen zijn afkomstig van de twee overgebleven isopropoxiden, de andere zijn vervangen door de zuurstoffen van de hydroxyl groepen van twee diethyl tartarate moleculen , waarvan de groene niet alleen zijn hydroxyl zuurstoffen doneert, maar tevens één carbonyl zuurstof.
Vraag: is dit de RR (= L-(+) ) of de SS ( D-(-) ) enantiomeer van DET?

De tert.butylperoxide (bruin) bezet twee zuurstof posities op één Ti-atoom.
In dit asymmetrisch complex neemt de allylische alkohol de laatste positie in, met een voorkeur voor de conformatie waarbij één kant van de dubbele binding (groenblauw) naar de peroxide zuurstof is toegekeerd.
Nu volgt een meogelijke verklaring van de enantioselectiviteit van deze reactie:
Het groen gekleurde tartaraat heeft de twee ester groepen in een soort van axiale positie: één neemt deel aan de complexatie van het titanium atoom en de andere gaat een interactie aan met de tert.butyl groep van het peroxide. (Met methylhydroperoxide is de reactie niet selectief).
Het duwt de tert.butyl in de richting van het blauwe tartaraat.
Dit heeft weer zijn effect op de positie van het allylische systeem: de berekening laat zien dat de O-C binding bij voorkeur gauche zit ten opzichte van (tussen) de peroxide zuurstof en de Ti-O-Ti bruggende zuurstof.
Hierdoor vormt één zijde van de dubbele binding een spiro-type overgangstoestand met de zuurstof die afgeleverd gaat worden. Dit levert een enantiomeer expoxide op:

Alle kleur functies zijn aan/uit knoppen en je kunt alle atoom kleuren en posities terug zetten.

Met het andere enantiomeer van DET (stel je voor dat de ester groepen en waterstoffen verwisseld zijn) kun je je voorstellen dat de blauwe deel neemt aan de Ti-complexatie. De posities van de t-butylperoxide en het allyl systeem zijn gespiegeld hetgeen leidt tot de vorming van de tegenovergestelde enantiomeer.