V asymetrické syntéze hraje ústřední roli schopnost katalyzátoru (často přechodného kovu vázaného na chirální ligand) navést reagující substráty do prostorového uspořádání, které preferuje vznik jednoho enantiomeru nad druhým. Níže jsou popsány hlavní principy a mechanismy, které se v asymetrické katalýze s použitím chirálních ligandů uplatňují:
1) Chirální prostředí a sterické uspořádání
• Chirální ligand vytváří kolem centrálního kovu (např. Rh, Pd, Ir, Ru) přesně definované 3D prostředí.
• Přítomnost chirálních center v ligandových molekulách ovlivňuje, jakým způsobem se substrát váže ke kovu, a usměrňuje tak i průběh reakce.
• Klíčové jsou sterické překážky a nepříznivé interakce, které nutí substrát reagovat preferenční cestou (např. z jedné strany kovového komplexu místo ze strany druhé).
2) Elektronové vlastnosti a řízení reaktivity
• Kromě prostorového uspořádání hraje roli i elektronová povaha ligandů (donorové či akceptorové efekty), která může usměrnit oxidativní adici, redukční eliminaci nebo přeskupení intermediátů.
• Změnou elektronových vlastností lze dosáhnout vyšší chemoselektivity (upřednostnění určité funkční skupiny) a vyšší enantioselektivity (upřednostnění jednoho enantiomeru).
3) Vázání substrátu a tvorba přechodného stavu
• Rozhodující fází katalytického cyklu bývá tvorba kovalentně nebo koordinativně vázaného intermedistu.
• Sterické a elektronové faktory chirálního ligandu zde ovlivňují, s jakou orientací a geometrií se substrát „usadí“ ve vazebném místě kovu.
• Výsledný přechodný stav, který vede k tvorbě nového C–C, C–O, C–N nebo jiné vazby, je asymetricky stabilizován – jeden z možných zrcadlových „přechodů“ je energeticky výhodnější a vede k převládajícímu vzniku jednoho enantiomeru.
4) Typické druhy chirálních ligandů
• Fosfinové ligandy: např. BINAP, DIPAMP, DuPhos. Obsahují chirální fosfinové skupiny vytvářející u kovu vysoce definované 3D prostředí.
• Diaminové a diolové ligandy: např. chirální aminoalkoholy při katalýze asymetrické hydrogenace.
• NHC (N-heterocyklické karbeny): nabízejí široké možnosti ladění sterických i elektronových vlastností.
• Přírodní produkty: alkaloidy, sacharidy či peptidy využívané k přípravě chirálních ligandů nebo organokatalyzátorů.
5) Mechanistické příklady
a) Asymetrická hydrogenace (např. Wilkinsonův katalyzátor modifikovaný chirálním fosfinem)
– Substrát (např. enon, enamin, prochirální alken) se váže na kovový komplex.
– Hydrogenace probíhá z preferované prostorové strany, stabilizované interakcemi s chirálním ligandem.
b) Asymetrická hydroformylace
– Využití chirálních kobaltových nebo rhodiových komplexů, jež katalyzují přeměnu alkenu na příslušný aldehyd.
– Počáteční vazba alkenu ke kovu a prostorové uspořádání ligandového pole rozhodují o tom, jak proběhne migrace acylu a následné vložení CO.
c) Asymetrická allylová substituce (Pd-katalyzátory)
– Chirální ligand řídí orientaci allylového fragmentu a způsob, jakým se nukleofil váže k π-allylovému komplexu.
– Hlavním zdrojem enantioenrichmentu je prostorové blokování jedné z možných vazebných drah.
6) Obecné faktory ovlivňující účinnost
• Teplota a rozpouštědlo mohou posunout rovnováhy mezi různými koordinačními isomery nebo ovlivnit stabilitu kovového komplexu.
• Výběr vhodného chirálního ligandu a jeho jemné ladění (např. změnou substitučních skupin) je klíčovou fází při optimalizaci:
– Pro určitou reakci lze někdy v malém rozsahu modifikovat strukturu ligandu a dosáhnout tím podstatného zvýšení stereoselektivity.
• Inhibitory, vedlejší reakce i možnost racemizace produktu je nutné zohlednit při návrhu experimentálního postupu.
Závěrem lze říci, že mechanismus katalýzy v asymetrických syntézách s využitím chirálních ligandů spočívá především v tom, že chirální ligand vytváří kolem kovu asymetrické reaktivní prostředí a usměrňuje průběh reakce ve prospěch jednoho z možných stereoisomerů. Úspěch takto navržené katalýzy závisí na vzájemném sladění sterických a elektronových faktorů mezi ligandem, přechodným kovem a reagujícími látkami. Tímto způsobem lze dosáhnout vysoké enantioselektivity a zároveň zachovat či zvýšit rychlost požadované reakce.
