Eisen Katalysierte Wasserstoff Isotopen Markierung

Isotopenmarkierungen finden breite Anwendung in der Chemie und Biologie. Durch den selektiven Einbau definierter Isotope in ein Molekül lassen sich beispielsweise Reaktionsme- chanismen oder Stoffwechselvorgänge aufklärenund werdendaher häufigvonder pharmazeutischen Industrie in der Entwicklung und Erprobung von Arzneimitteln eingesetzt. Eine oft verwendete Methode ist der Austausch von Wasserstoff gegen seine schweren Isotope Deuterium oder Tritium. Da es sich bei den eingesetzten Wirkstoffen oft um kostspielige Verbindungen handelt, oder im Fall von Tritium auch mit radioaktiven Stoffen gearbeitet wird, bedarf es Techniken, die einen möglichst einfachen Isotopenaustausch ohne synthetische Zwischenstufen erlauben. Daher kommen meist homogene Übergangsmetall-Katalysatoren zum Einsatz, welche äußerst selektiv und unter milden Reaktionsbedingungen arbeiten. Wasserstoff- Isotopenmarkierung wird darüber hinaus auch für die Entwicklung neuer Katalysatoren eingesetzt, zum Beispiel um auf einfache Weise zu klären, ob diese in der Lage sind selektiv C-H Bindungen zu spalten oder zu funktionalisieren. Es besteht daher großes Interesse an katalytischen Wasserstoff-Isotopenmarkierungen, sowohlals grundlegendealsauch anwendungsorientierte Methode. Besonders geeignet erscheinen Polyhydridkomplexe in denen mehrere Wasserstoffatome an ein Metallzentrum gebunden sind. Diese zeigen oft ein äußerst dynamisches Verhalten, da die Wasserstoffatome sehr schnell untereinander austauschen. Die meisten Polyhydridkomplexe basieren auf Edelmetallen wie Ruthenium, Rhodium oder Iridium. Die Grundlage dieses Projekts ist hingegen einen Weg für die Herstellung eisenbasierter Polyhydridkomplexe zu finden um neue Katalysatoren für Wasserstoff-Isotopenmarkierung zu entwickeln. Zum einen ist Eisen klarerweise sehr viel günstiger und leichter verfügbar als die traditionell eingesetzten Edelmetalle, zum anderen bieten die besonderen Eigenschaften von unedlen Metallen neue Möglichkeiten in Hinblick auf Selektivität und Reaktivität. Die Herausforderung bei der Synthese von Eisen-Polyhydridkomplexen besteht allerdings darin, dass es kaum geeigneten Vorstufen für deren Herstellung gibt. Das Projekt wird sich daher auf das Design von Katalysator-Vorstufen konzentrieren, welche leicht handhabbar sind aber auch schnell und unter milden Bedingungen aktiviert werden können, um sie in Labelling-Reaktionen mit Deuterium (oder Tritium) einsetzen zu können. Das Design der eisenbasierten Polyhydridkatalysatoren ist so gewählt, dass diese schnell und einfach modifiziert und angepasst werden können. Dadurch soll eine optimale Kontrolle der Reaktivität und Selektivität ermöglicht werden.DieangestrebtenUntersuchungenzurWasserstoff-Isotopenmarkierung sollen letztendlich auch dazu dienen, das Potential der neuen Katalysatoren für einen zukünftigen Einsatz in C-H Funktionalisierungsreaktionen zu erforschen.

Das Konzept der Metall-Ligand-Kooperativität hat die Chemie und katalytischen Anwendungen von Übergangsmetallkomplexen erheblich bereichert. Kooperative Strategien, die die Lewis-saure Natur eines Übergangsmetallzentrums in Kombination mit einem Lewis-basischen Liganden nutzen, haben sich als etablierte Merkmale erwiesen und werden häufig beim Design neuartiger Katalysatoren eingesetzt. Ebenso attraktiv, aber weniger verbreitet sind Übergangsmetallkomplexe, die eine Lewis-saure Funktionalität im Liganden tragen. Diese neuen Designprinzipien bieten die Möglichkeit, bestehende Paradigmen in der Übergangsmetallchemie zu durchbrechen. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen von preiswerten und nachhaltigen Übergangsmetallen der ersten Reihe (z. B. Fe). In diesem Projekt habe ich erfolgreich wohldefinierte molekulare Eisen/Aluminium-Komplexe entwickelt und deren Reaktivität untersucht, die durch kooperative Effekte zwischen den beiden Metallen (bimetallische Kooperativität) hervorgerufen wird. Diese Komplexe sind leicht über eine zweistufige Synthese zugänglich und lassen sich am besten als Koordination eines Al(I)-Metalloliganden an ein Fe(II)-Dihydrid-Fragment beschreiben. Umfangreiche Analysen der Bindungssituation deuten auf eine stark polarisierte kovalente Bindung zwischen den beiden Metallen hin, was zu einem stark negativ geladenen Fe- und einem positiv geladenen Al-Zentrum führt. Diese Verbindungen besitzen ungewöhnlich verzerrte Strukturen. Es wurde gezeigt, dass diese Verzerrung zur Destabilisierung der elektronischen Struktur führt und der Schlüssel zur Reaktivität des bimetallischen Fe/Al-Systems ist. Die Reaktivität wurde durch intra- und intermolekulare C-H-Bindungsaktivierungen demonstriert. Durch experimentelle und computergestützte Studien fand ich heraus, dass diese Reaktionen über Mechanismen ablaufen, die zuvor für monometallische Systeme unbekannt waren. Ich konnte zeigen, dass die Fe/Al-Komplexe selektiv C-H-Bindungen in Pyridinsubstraten in vorhersagbarer Weise brechen können (J. Am. Chem. Soc., 2022, 8770; Chem. Commun., 2022, 10849). Darüber hinaus entdeckten wir, dass diese Systeme auch zuvor unzugängliche Spezies stabilisieren können. Dies wurde durch eine doppelte C-H-Bindungsaktivierung von Acetonitril demonstriert (Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202219212). Das resultierende Produkt dieser Reaktion weist die erste berichtete Struktur eines durch Bindung zwischen zwei Fe/Al-Fragmenten stabilisierten Acetonitril-Dianions auf. Schließlich konnte ich auch zeigen, dass diese Fe/Al-Systeme die C-H-Bindung in der vinylen Position von Styrol-Substraten chemo- und stereoselektiv aktivieren können, was zu einer seltenen (E)--Metallierung der Alkene führt (J. Am. Chem. Soc., 2024, 4252). Im Gegensatz zu monometallischen Systemen scheint die Alkenbindung die C-H-Aktivierung zu initiieren und ist entscheidend für das Stattfinden der Reaktion. Experimentelle und computergestützte Einblicke deuten auf einen ungewöhnlichen Reaktionsweg hin, bei dem ein (2 + 2)-Cycloadditionsintermediat direkt in das Hydrido-Vinyl-Produkt über eine intramolekulare sp2-C-H-Bindungsaktivierung zwischen den beiden Metallen umgewandelt wird. Der entscheidende C-H-Spaltungsschritt verläuft über einen stark asynchronen Übergangszustand nahe der Grenze zwischen einem konzertierten und einem schrittweisen Mechanismus, der durch die Resonanzstabilisierungsfähigkeit des Arylsubstituenten beeinflusst wird. Die metallisierten Alkene können weiter funktionalisiert werden, was durch die (E)-selektive Phosphinierung der verwendeten Styrole demonstriert wurde.