Enantioenriched Acylated Cyanohydrins: Synthesis and Analysis

Abstract

The addition of acyl cyanides to prochiral aldehydes catalyzed by a chiral Lewis acid and an achiral Lewis base produces highly enantioenriched O-acylated cyanohydrins. α-Keto esters undergo the same type of addition, although via a different mechanism in which the enantioselectivity originates from a chiral Lewis base. In the presence of a biocatalyst, the minor, undesired enantiomer obtained in the reactions with aldehydes can be selectively hydrolyzed to re-form the starting aldehyde, permitting the reaction to be run in a cyclic manner. The minor-enantiomer recycling results in an essentially enantiopure product. Selective enzymatic hydrolysis is also a key step in high-throughput analysis of conversions and enantiomeric ratios.

1 Introduction

2 Cyanide Sources

3 Enantioselective Acylcyanation of Aldehydes

3.1 Dual Lewis Acid-Lewis Base Activation

3.2 Synthesis of a Herbicide Intermediate

3.3 Mechanistic Aspects

4 Minor-Enantiomer Recycling

5 Enantioselective Addition of Acyl Cyanides to Ketones

5.1 Chiral Lewis Base Catalyzed Addition of Acetyl Cyanide to α-Keto Esters

5.2 Mechanistic Aspects

6 High-Throughput Synthesis and Analysis of O-Acylated Cyanohydrins

6.1 Determination of Enantiomeric Excess

7 Conclusions

Key words

asymmetric catalysis - cyanohydrins - Schiff bases - stereoselective synthesis - titanium

References

• 1 Report of work by Dr. Winkler: Winkler FW. Ann. Pharm.  1832,  4:  242 
• 2a Scheele KW. Opusc.  1782,  2:  48 
• As referred to in:
• 2b Mowry DT. Chem. Rev.  1948,  42:  189 
• 3 Wöhler F. Liebig J. Ann. Pharm.  1837,  22:  1 
• 4 Lapworth A. J. Chem. Soc.  1903,  995 
• 5 Zagrobelny M. Bak S. Rasmussen AV. Jørgensen B. Naumann CM. Møller BL. Phytochemistry  2004,  65:  293 
• 6 Rosenthaler L. Biochem. Z.  1908,  14:  238 
• For reviews on cyanohydrin synthesis, see:
• 7a North M. Synlett  1993,  807 
• 7b Effenberger F. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.  1994,  33:  1555 
• 7c Gregory RJH. Chem. Rev.  1999,  99:  3649 
• 7d North M. Tetrahedron: Asymmetry  2003,  14:  147 
• 7e Brunel J.-M. Holmes IP. Angew. Chem. Int. Ed.  2004,  43:  2752 
• 7f North M. Usanov DL. Young C. Chem. Rev.  2008,  108:  5146 
• 8a Smitskamp-Wilms E. Brussee J. van der Gen A. Van Scharrenburg GJM. Sloothaak JB. Recl. Trav. Chim. Pays-Bas  1991,  110:  209 
• 8b Belokon YN. Gutnov AV. Moskalenko MA. Yashkina LV. Lesovoy DE. Ikonnikov NS. Larichev V. North M. Chem. Commun. (Cambridge)  2002,  244 
• 8c Belokon YN. Carta P. Gutnov AV. Maleev V. Moskalenko MA. Yashkina LV. Ikonnikov NS. Voskoboev NV. Khrustalev VN. North M. Helv. Chim. Acta  2002,  85:  3301 
• 9a Kobayashi Y. Hayashi H. Miyaji K. Inoue S. Chem. Lett.  1986,  931 
• 9b Mori A. Kinoshita K. Osaka M. Inoue S. Chem. Lett.  1990,  1171 
• 9c Ognyanov VI. Datcheva VK. Kyler KS. J. Am. Chem. Soc.  1991,  113:  6992 
• 10 Ching W.-M. Kallen RG. J. Am. Chem. Soc.  1978,  100:  6119 
• 11a Lidy W. Sundermeyer W. Chem. Ber.  1973,  106:  587 
• 11b Evans DA. Truesdale LK. Carroll GL. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1973,  55 
• 13a Okimoto M. Chiba M. Synthesis  1996,  1188 
• 13b Tian S.-K. Deng L. J. Am. Chem. Soc.  2001,  123:  6195 
• 14a Yoneda R. Harusawa S. Kurihara T. J. Org. Chem.  1991,  56:  1827 
• 14b Baeza A. Casas J. Nájera C. Sansano JM. Saá JM. Angew. Chem. Int. Ed.  2003,  42:  3143 
• 15 Veum L. Pereira SRM. van der Waal JC. Hanefeld U. Eur. J. Org. Chem.  2006,  1664 
• 16a Shan G. Hammock BD. Anal. Biochem.  2001,  299:  54 
• 16b Beckmann M. Haack K.-J. Chem. Unserer Zeit  2003,  37:  88 
• 16c Wheelock CE. Wheelock ÅM. Zhang R. Stok JE. Morisseau C. Le Valley SE. Green CE. Hammock BD. Anal. Biochem.  2003,  315:  208 
• 16d Huang H. Stok JE. Stoutamire DW. Gee SJ. Hammock BD. Chem. Res. Toxicol.  2005,  18:  516 
• 17a Liu W. Gan J. Schlenk D. Jury WA. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  2005,  102:  701 
• 17b Qin S. Budd R. Bondarenko S. Liu W. Gan J. J. Agric. Food Chem.  2006,  54:  5040 
• 18 Khan NH. Agrawal S. Kureshy RI. Abdi SHR. Mayani VJ. Jasra RV. Eur. J. Org. Chem.  2006,  3175 
• 19 Norsikian S. Holmes I. Lagasse F. Kagan HB. Tetrahedron Lett.  2002,  43:  5715 
• 20a Veum L. Kanerva LT. Halling PJ. Maschmeyer T. Hanefeld U. Adv. Synth. Catal.  2005,  347:  1015 
• 20b Veum L. Hanefeld U. Synlett  2005,  2382 
• 20c Sakai T. Wang K. Ema T. Tetrahedron  2008,  64:  2178 
• 21 Marvel CS. Brace NO. Miller FA. Johnson AR. J. Am. Chem. Soc.  1949,  71:  34 
• 22 Watahiki T. Ohba S. Oriyama T. Org. Lett.  2003,  5:  2679 
• 23 Zhang W. Shi M. Org. Biomol. Chem.  2006,  4:  1671 
• 24 Hoffman HMR. Ismail ZM. Hollweg R. Zein AR. Bull. Chem. Soc. Jpn.  1990,  63:  1807 
• 25 Scholl M. Lim C.-K. Fu GC. J. Org. Chem.  1995,  60:  6229 
• 26a Gröger H. Adv. Synth. Catal.  2001,  343:  547 
• 26b Breuer M. Ditrich K. Habicher T. Hauer B. Kesseler M. Stürmer R. Zelinski T. Angew. Chem. Int. Ed.  2004,  43:  788 
• 26c García-Urdiales E. Alfonso I. Gotor V. Chem. Rev.  2005,  105:  313 
• 27a Oku J.-I. Inoue S. J. Chem. Soc., Chem. Commun.  1981,  229 
• 27b Wen Y. Huang X. Huang J. Xiong Y. Qin B. Feng X. Synlett  2005,  2445 
• 27c Peng D. Zhou H. Liu X. Wang L. Feng X. Synlett  2007,  2448 
• 27d Chinchilla R. Nájera C. Ortega FJ. Tetrahedron: Asymmetry  2008,  19:  265 
• 27e Fuerst DE. Jacobsen EN. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  8964 
• 28 Khan NH. Kureshy RI. Abdi SHR. Agrawal S. Jasra RV. Coord. Chem. Rev.  2008,  252:  593 
• 29 Belda O. Moberg C. Coord. Chem. Rev.  2005,  249:  727 
• 30 Belda O. Moberg C. Acc. Chem. Res.  2004,  37:  159 
• 31 Adolfsson H. Moberg C. Tetrahedron: Asymmetry  1995,  6:  2023 
• 32 Belda O. Duquesne S. Fischer A. Moberg C.
  J. Organomet. Chem.  2004,  689:  3750 
• 34 Belokon’ YN. Blacker AJ. Clutterbuck LA. North M. Org. Lett.  2003,  5:  4505 
• 35 Belokon’ YN. Caveda-Cepas S. Green B. Ikonnikov NS. Khrustalev VN. Larichev VS. Moscalenko MA. North M. Orizu C. Tararov VI. Tasinazzo M. Timofeeva GI. Yashkina LV. J. Am. Chem. Soc.  1999,  121:  3968 
• 36 Corey EJ. Wang Z. Tetrahedron Lett.  1993,  34:  4001 
• 37 Casas J. Nájera C. Sansano JM. Saá JM. Org. Lett.  2002,  4:  2589 
• 38 Zeng B. Zhou X. Liu X. Feng X. Tetrahedron  2007,  63:  5129 
• 39a Steinhagen H. Helmchen G. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.  1996,  35:  2339 
• 39b Ma J.-A. Cahard D. Angew. Chem. Int. Ed.  2004,  43:  4566 
• 40 Lundgren S. Wingstrand E. Penhoat M. Moberg C. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  11592 
• 41 Lundgren S. Wingstrand E. Moberg C. Adv. Synth. Catal.  2007,  349:  364 
• 42 Procedures partly taken from: Roth P. Hädener A. Tamm C. Helv. Chim. Acta  1990,  73:  476 
• 43 Normant JF. Peichucki C. Bull. Soc. Chim. Fr.  1972,  2402 
• 44 Baeza A. Nájera C. Sansano JM. Saá JM. Tetrahedron: Asymmetry  2005,  16:  2385 
• 45a Pan SC. Zhou J. List B. Synlett  2006,  3275 
• 45b Pan SC. Zhou J. List B. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  612 
• 45c Pan SC. List B. Synlett  2007,  318 
• 45d Pan SC. List B. Org. Lett.  2007,  9:  1149 
• 45e Pan SC. List B. Chem. Asian J.  2008,  3:  430 
• 46 Haak K.-J. Chem. Unserer Zeit  2003,  37:  128 
• 47a Peterson CJ. Tsao R. Eggler AL. Coats JR. Molecules  2000,  5:  648 
• 47b Park D.-S. Coats JR. J. Pestic. Sci.  2005,  30:  99 
• 49 Wingstrand E. Li F. Lundgren S. Penhoat M. Moberg C. Chim. Oggi  2007,  25 (Suppl.):  14 
• 50 Tate BE. Bartlett PD. J. Am. Chem. Soc.  1956,  78:  5575 
• 51a Belokon’ YN. Green B. Ikonnikov NS. Larichev VS. Lokshin BV. Moscalenko MA. North M. Orizu C. Peregudov AS. Timofeeva GI. Eur. J. Org. Chem.  2000,  2655 
• 51b Belokon YN. Clegg W. Harrington RW. Young C. North M. Tetrahedron  2007,  63:  5287 
• 52a Patel RN. Coord. Chem. Rev.  2008,  252:  659 
• 52b Catalytic Asymmetric Synthesis   Ojima I. Wiley; New York: 2000. 
• 52c Comprehensive Asymmetric Catalysis   Jacobsen EN. Pfaltz A. Yamamoto H. Springer; Berlin: 1999. 
• 52d Dalko PI. Moisan L. Angew. Chem. Int. Ed.  2004,  43:  5138 
• 52e Hawkins JM. Watson TJN. Angew. Chem. Int. Ed.  2004,  43:  3224 
• 53a Hanefeld U. Li Y. Sheldon RA. Maschmeyer T. Synlett  2000,  1775 
• 53b Hanefeld U. Straathof AJJ. Heijnen JJ. J. Mol. Catal. B: Enzym.  2001,  11:  213 
• 53c Veum L. Kuster M. Telalovic S. Hanefeld U. Maschmeyer T. Eur. J. Org. Chem.  2002,  1516 
• 54 Belokon YN. Blacker AJ. Clutterbuck LA. Hogg D. North M. Reeve C. Eur. J. Org. Chem.  2006,  4609 
• 55 Wingstrand E. Laurell A. Fransson L. Hult K. Moberg C. Chem. Eur. J.  2009,  15:  12107 
• 56a Corey EJ. Guzman-Perez A. Angew. Chem. Int. Ed.  1998,  37:  388 
• 56b Christoffers J. Mann A. Angew. Chem. Int. Ed.  2001,  40:  4591 
• 56c Christoffers J. Baro A. Adv. Synth. Catal.  2005,  347:  1473 
• 57 Baeza A. Nájera C. de Gracia Retamosa M. Sansano JM. Synthesis  2005,  2787 
• 58 Testa E. Fontanella L. Cristiani GF. Mariani L. Justus Liebigs Ann. Chem.  1961,  639:  166 
• 59 Citterio A. Fancelli D. Santi R. Pagani A. Bonsignore S. Gazz. Chim. Ital.  1988,  118:  405 
• 60a Wiles C. Watts P. Eur. J. Org. Chem.  2008,  1655 
• 60b Fukuyama T. Rahman MT. Sato M. Ryu I. Synlett  2008,  151 
• 61 Lundgren S. Ihre H. Moberg C. ARKIVOC  2008,  (vi):  73 
• 62 Maier WF. Stöwe K. Sieg S. Angew. Chem. Int. Ed.  2007,  46:  6016 
• 63a Shimizu KD. Snapper ML. Hoveyda AH. Chem. Eur. J.  1998,  4:  1885 
• 63b Reetz MT. Angew. Chem. Int. Ed.  2002,  41:  1335 
• 64 Tsukamoto M. Kagan HB. Adv. Synth. Catal.  2002,  344:  453 
• 65a Reetz MT. Zonta A. Schimossek K. Liebeton K. Jaeger K.-E. Angew. Chem. Int. Ed. Engl.  1997,  36:  2830 
• 65b Onaran MB. Seto CT. J. Org. Chem.  2003,  68:  8136 
• 65c Abato P. Seto CT. J. Am. Chem. Soc.  2001,  123:  9206 
• 65d Sprout CM. Seto CT. Org. Lett.  2005,  7:  5099 
• 65e Li Z. Bütikofer L. Witholt B. Angew. Chem. Int. Ed.  2004,  43:  1698 
• 65f Dey S. Karukurichi KR. Shen W. Berkowitz DB. J. Am. Chem. Soc.  2005,  127:  8610 
• 66 Hamberg A. Lundgren S. Penhoat M. Moberg C. Hult K. J. Am. Chem. Soc.  2006,  128:  2234 

12

A few of many examples are listed in refs. 8, 9, 13, and 14, and more examples can be found in the reviews listed in ref. 7.

33

Wingstrand, E.; Moberg, C. unpublished results.

48

Glufosinate was sold by Bayer CropScience for a value of 237 million euros worldwide in 2007; information from (accessed November 10, 2009).

67

In ref. 7f, it is erroneously stated that ‘carefully controlled concentrations and volumes are required for accurate measurements’.