Petasisova reakce (také nazývaná Petasisova-Mannichova reakce boronových kyselin, zkráceně PBM) je vícesložková reakce aminu, karbonylové sloučeniny a vinyl- nebo arylboronové kyseliny za vzniku substituovaných aminů.
střed|500px
Objevil ji v roce 1993 Nicos Petasis jako metodu syntézy geometricky čistého fungicidu naftifinu. Při Petasisově reakci slouží vinylová skupina boronové kyseliny jako nukleofil. Ve srovnání s ostatními způsoby přípravy allylaminů Petasisova reakce umožňuje použití většího počtu různých aminů a boronových kyselin jako výchozích látek, navíc nevyžaduje bezvodé nebo inertní prostředí. Je vhodná na přípravu α-aminokyselin, využívá se v kombinatorní chemii a při vývoji léčiv.
Mechanismus Mechanismus Petasisovy reakce není zcela jasný, neví se, který meziprodukt slouží jako elektrofil. Petasis předpokládal, že při reakci se vytváří komplexní rovnováha mezi třemi výchozími látkami a řadou různých meziproduktů, přičemž konečný produkt vzniká nevratnou tvorbou vazby C-C, která určuje rychlost reakce. Kondenzací aminu 1 s karbonylovou sloučeninou 2 se vytváří poloaminal 4, který je v rovnováze s iminiovým iontem 3 a aminalem 5. Boronová kyselina 6 reaguje s poloaminalem na meziprodukt 7 a aminalem na 8, čímž se znovu vytvoří elektrofilní iminiový ion 3, v tomto případě společně s nukleofilním boronátem. Nejsou žádné důkazy, že by boronová kyselina reagovala přímo s iminiem: Kromě nutnosti použití kyseliny k tvorbě dostatečného množství iminiových solí bylo také zjištěno, že vinylboronové kyseliny nereagují dobře s předem vytvořenými iminiovými solemi (jako je Eschenmoserova sůl). Následuje nevratná tvorba vazby C-C migrací mezi 3 a 3', čímž za odštěpení boronové kyseliny vznikne konečný produkt 9. Ke konečnému produktu vedou všechny meziprodukty, protože reakce 3 a 3' je nevratná, čímž se rovnováha celého systému posouvá směrem k produktu.
střed|500px|Petasisova reakce s vyznačenými rovnováhami
Ke zkoumání mechanismu Petasisovy reakce byly provedeny studie založené na teorii funkcionálu hustoty. Pomocí reakce kyseliny glyoxalové, dimethylaminu a kyseliny fenylboronové bylo zjištěno, že migrace substituentu boronové kyseliny (zde fenylu) „átového komplexu“ A je doprovázena energetickou bariérou okolo 40 kJ/mol a vznikem pětičlenného přechodného stavu B.
T. K. Hansen se spolupracovníky potvrdil tvorbu kvartérních boronových solí během reakce, zjistil, že za nepřítomnosti aminu dochází po přidání kyseliny glyoxalové do roztoku kyseliny fenylboronové k přesunu 11B, což je pravděpodobně způsobeno vznikem na elektrony bohatých boronátů.
střed|500px|Mechanismus Petasisovy reakce - přechodný stav a energetická bariéra
Provedení Petasisova reakce probíhá za mírných podmínek, bez použití silných kyselin či zásad nebo kovů. Amin se smíchá s karbonylovým substrátem, za použití dioxanu nebo toluenu jako rozpouštědla, a reakce se nechá běžet 10 minut při 90 °C. Následně se k reakční směsi přidá boronová kyselina a po dalších 30 minutách při 90 °C nebo několika hodinách za 25 °C se vytvoří konečný produkt. Při syntéze α-aminokyselin se α-ketokyselina, jako je například kyselina glyoxalová nebo pyrohroznová, v ethanolu, toluenu nebo dichlormethanu smíchá s aminem a vinylboronovou kyselinou při 25 až 50 °C a reakce trvá 12 až 48 h, přičemž se vytvoří příslušná β,γ-nenasycená sloučenina.
střed|400px|Alpha amino acid synthesis
Jednou z nejpřitažlivějších vlastností Petasisovy reakce je použití boronových kyselin jako zdrojů nukleofilů. Na rozdíl od většiny vinylových sloučenin jsou vinylboronové kyseliny stabilní vůči vzduchu a vodě a mohou být odstraněny jednoduchou extrakcí. Mnoho derivátů boronových kyselin je snadných na přípravu a díky objevu Suzukiovy reakce je mnoho z nich komerčně dostupných. Boronové kyseliny lze získat hydroborací koncových alkynů katecholboranem.
střed|500px|Příprava boronových kyselin
Byly popsány i jiné způsoby syntézy organoboronových kyselin.
Rozsah a využití Do Petasisovy reakce lze zapojit mnoho různých funkčních skupin, jako jsou například alkoholy, karboxylové kyseliny a aminy. K substrátům použitelným za daných reakčních podmínek patří vinylboronátové a arylboronátové estery a draselné organotrifluorboritany.
Místo sekundárních aminů lze také použít řadu podobných sloučenin, jako jsou aromatické aminy, hydraziny, hydroxylaminy, sulfonamidy a indoly.
Syntéza allylaminů Petasis navrhl, že vinylboronové kyseliny mohou reagovat s adukty sekundárních aminů a paraformaldehydu za vzniku terciárních allylaminů. Geometrie dvojné vazby boronové kyseliny zůstává u produktu plně zachována. Následující reakce má výtěžnost 96 %:
střed|400px
Tato reakce byla použita k přípravě povrchového antimykotika naftifinu, v jednom kroku s 82% výtěžností. Jinými sloučeninami s podobnou strukturou jsou terbinafin a NB598.
střed|500px|syntéza naftifinu
Syntéza aminokyselin β,γ-nenasycené N-substituované aminokyseliny lze připravit kondenzacemi boronových kyselin, boronátů nebo boronových esterů s aminy a glyoxalovými kyselinami. Výtěžnosti obvykle bývají mezi 60 a 80 a lze použít velké množství různých polárních i nepolárních rozpouštědel (nejčastější jsou dichlormethan (DCM) a methanol (MeOH). Aminokyseliny bez N-substituentů lze připravit za použití tritylaminu nebo bis-(4-methoxyfenyl)methylaminu a odstraněním chránicí skupiny za přítomnosti kyseliny. Použití vysoce polárních protických rozpouštědel, jako je hexafluorisopropylalkohol (HFIP) může vést ke kratší reakční době i vyšším výtěžkům. Reakce methanolu může být též urychlena pomocí mikrovlnného záření.
střed|400px|Příprava aminokyseliny za použití HFIP jako rozpouštědla
Mimo vinylboronových kyselin lze také použít arylboronové kyseliny a heterocyklické deriváty. Substráty zde mohou být například thienylové, pyridylové, furylové, benzofuranylové, 1-naftylové a arylové sloučeniny obsahující substituenty dodávající i odtahující elektrony.
střed|650px|Syntéza arylglycinů
Antiagregans klopidogrel je možné připravit v racemické podobě v dvoukrokovém postupu zahrnujícím Petasisovu reakci. Kysele katalyzovaná esterifikace následovaná vícesložkovou párovací reakcí vede ke vzniku klopidogrelu s celkovou výtěžností 44 %.
střed|650px|Syntéza klopidogrelu
Petasisova reakce je vysoce stereoselektivní, jestliže je jako substrát použit chirální amin či aldehyd. Při smíchání některých chirálních aminů, například (S)-2-fenylglycinolu, s α-ketokyselinami a vinylboronovými kyselinami za pokojové teploty vzniká jediný diastereomer allylaminu. Enantiomerní čistoty lze dosáhnout hydrogenací takovéhoto produktu. Při reakci s (S)-2-fenylglycinolem se tvoří (R)-2-fenylglycinol s 76% výtěžností.
střed|450px|Stereoselektivní syntéza alfaaminokyselin
Neobvyklé syntézy karboxylových kyselin Mimo aminokyseliny lze Petasisovy borono-Mannichovy reakce použít také na přípravu karboxylových kyselin, i když jde o neobvyklý postup. Bylo popsáno využití N-substituovaných indolů jako ekvivalentů aminů. Mechanismus začíná nukleofilním atakem na pozici 3 N-substituovaného indolu na elektrofilní aldehyd, po němž následuje tvorba „átového komplexu“ 1 reakcí boronové kyseliny s karboxylovou kyselinou. Meziprodukt je poté dehydratován a poté dochází k přesunu boronáto-alkylové skupiny za vzniku karboxylové kyseliny. Výtěžnosti se pohybují mezi 40 a 70 %. Je možné použít řadu různých boronových kyselin, použití vinylboronových však popsáno nebylo. Indoly nesubstituované na dusíkových atomech reagují za běžných reakčních podmínek pomalu, což podporuje níže uvedený mechanismus.
střed|600px
Jako náhrady aminových nukleofilů lze v Petasisových reakcích využít též terciární aromatické aminy. Mechanismus je podobný jako u N-substituovaných indolů. Reakce probíhá za tvrdých podmínek (24hodinového refluxu v 1,4-dioxanu), ale výtěžnost karboxylové kyseliny je poměrně dobrá (41 až 54 %), přičemž při použití α-ketokyselin místo kyseliny glyoxalové se nesnižuje.
Podobnou funkci jako terciární aromatické aminy mohou mít rovněž 1,3,5-trioxygenované deriváty benzenu.
střed|450px|Petasisova reakce trisubstituovaných aromatických aminů
Syntéza derivátů iminodikarboxylových kyselin Jako dusíkaté nukleofily mohou být aminokyseliny použity na přípravu derivátů iminodikarboxylových kyselin. Při těchto reakcích se obvykle dosahuje vysoké diastereoselektivity a nově vytvořená stereocentra mívají většinou stejné konfigurace jako použité aminokyseliny. Reakce dobře probíhá v polárních rozpouštědlech, jako jsou voda a ethanol. Jako dusíkaté nukleofily lze použít rovněž peptidy, které nemají navázané chránicí skupiny na koncové dusíky. Petasis se svými spolupracovníky připravil inhibitor acetylcholinesterázy enalaprilat.
střed|600px|Příprava enalaprilatu Petasisovou reakcí
Syntéza peptidomimetických heterocyklů Pomocí diaminů lze PBM reakcemi vytvořit heterocykly o řadě různých struktur, například piperazinony, benzopiperazinony and benzodiazepinony. Do syntézy jsou často zapojeny laktamizační reakce, často v silně kyselém prostředí.
střed|600px|Příprava piperazinonů, benzopiperazinonů a benzodiazepinonů PBM reakcemi
Syntéza aminoalkoholů Když se jako substrát při syntéze β-aminoalkoholů použije α-hydroxyaldehyd, vzniká jediný diastereomer. Reakce vytváří výhradně anti-produkty, což bylo potvrzeno 1H NMR spektroskopie. Produkt nepodléhá racemizaci a při zapojení enantiomerně čistých α-hydroxyaldehydů nelze očekávat významný enantiomerní přebytek. Boronová kyselina pravděpodobně nejprve reaguje s chirálním hydroxylem, čímž vznikne nukleofilní alkenylboronát, následně dojde k vnitromolekulární migraci alkenylové skupiny na elektrofilní iminiový uhlík, která způsobí nevratnou tvorbu vazby C-C. Při použití enantiomerně čistých glyceraldehydů vzniká příslušný 3-amino-1,2-diol s 70% výtěžností a více než 99% enantiomerním přebytkem.
střed|500px|Stereoselektivní příprava β-aminoalkoholů
Diastereoselektivita se utváří reakcí stabilnější (a reaktivnější) konformace átového komplexu, u něhož je menší 1,3-allylové napětí.
střed|600px|Diastereoselektivita syntézy aminoalkoholů, mechanismus a přechodný stav
Pomocí dihydroxyacetonu, používaného jako neobvyklý ekvivalent aldehydu, byla Petasisovou reakcí získána základní struktura imunosupresiva FTY720 se 40% výtěžkem. Výsledný produkt se tvoří jednokrokovým odstraněním benzylové skupiny a hydrogenací dvojné vazby C-C.
střed|500px|Syntéza FTY720
Syntéza aminopolyolů a aminosacharidů Petasis popsal využití nechráněných sacharidů jako karbonylových složek PBM reakcí. Používají se jako ekvivalenty α-hydroxyaldehydů, které již mají vytvořenou chiralitu. Použít se dá velký počet různých sacharidů i dusíkatých nukleofilů (například aminokyselin). Aminopolyolové produkty lze poté zapojit do dalších reakcí a získat z nich aminosacharidy. Petasis použil tuto variantu na přípravu manosaminu z D-arabinózy.
střed|500px|Příprava manosaminu
Využití v enantioselektivní syntéze
Chirální aminové nukleofily Jsou-li v Petasisových reakcích použity chirální aminy, tak je stereochemie produktů závislá na chiralitě aminu a dobré diastereoselektivity se dosahuje i bez zapojení objemných chirálních skupin. Chirální benzylaminy, 2-substituované pyrrolidiny a 5-substituované 2-morfolinony vytvářejí dobré diastereomerní přebytky za různých podmínek.
střed|450px|Diastereoselektivní PBM creakce s chirálním aminem
Chirální N-acyliminiové ionty