Enantioselektive C-H Alkylierung durch Photo-Organokatalyse

Organische Chemie beschäftigt sich großteils mit der Chemie von Molekülen, deren Gerüst aus Kohlenstoffatomen besteht. Das Hauptaufgabengebiete der organischen Synthese ist es daher, neue Verbindungen zwischen Kohlenstoffatomen (aber auch zu anderen Atomen) zu knüpfen, um damit neue Moleküle herzustellen oder um bestehende Synthesewege zu bekannten Verbindungen zu verbessern. Diese Moleküle können schließlich als Pflanzenschutzmittel oder Arzneistoffe Anwendung finden. Eine besondere Herausforderung in der Herstellung von Molekülen ist die sogenannte enantioselektive Synthese. So wie die Hände am eigenen Körper verhalten sich manche Moleküle nämlich wie Bild und Spiegelbild und sind daher nicht zur Deckung zu bringen. Obwohl diese zwei sogenannten Enantiomere aus den gleichen Atomen bestehen, können sie doch eine sehr verschiedene (auch unerwünschte) Wirkung auf den menschlichen Körper haben. Deshalb ist es im Sinne der Atomökonomie eine besondere Herausforderung nur eines dieser beiden Enantiomere selektiv herzustellen, was in der Regel durch chemische Katalysatoren erreicht werden kann. Die Gruppe von Paolo Melchiorre am Institut Català d`Investigaci Qumica (ICIQ) in Tarragona (Spanien) ist eine weltweit führende Forschungsgruppe auf dem Gebiet der enantioselektiven Katalyse. Der Ansatz zur Katalyse der Melchiorregruppe ist sehr innovativ und nachhaltig, da meist organische Katalysatoren und sichtbares Licht anstatt der üblicheren Übergangsmetallkatalysatoren verwendet werden. Ein weiterer, sehr aktueller Forschungsschwerpunkt im Bereich der organischen Synthese ist zurzeit die sogenannte Aktivierung von C-H Bindungen. Dazu werden Methoden entwickelt um besonders reaktionsträge Kohlenstoff-Wasserstoff Bindungen zu spalten und diese Kohlenstoffe danach mit anderen Atomen zu verknüpfen. Dies ist natürlich eine enorme Weiterentwicklung auf dem Gebiet, da damit eine Vielzahl an neuen Molekülen hergestellt werden kann. Doch auch hierbei können wieder Enantiomere entstehen und die Entwicklung enantioselektiver Varianten stellt nun eine große Herausforderung dar. Das Ziel dieses Projektes ist es nun, besonders reaktionsträge Kohlenstoffe zu aktivieren, mit Kohlenstoffatomen von anderen Molekülen zu verknüpfen und dabei idealerweise nur eines der zwei möglichen Enantiomere zu erhalten.

Zusammenfassung J4603-N In diesem Projekt wurden neue Methoden zur stereoselektiven Synthese von organischen Molekülen entwickelt. Im Mittelpunkt dieser Chemie steht die Absorption von sichtbarem Licht, das den beteiligten Katalysator oder Reaktionszwischenprodukte (z. B. ein Iminiumion) nach Absorption in einen photo-angeregten Zustand anhebt. Dies ermöglicht die Erzeugung hochreaktiver Radikale, die Reaktionen eingehen können, die für dieselben Moleküle im unangeregten Grundzustand nicht zugänglich sind. Da es im Bereich der chemischen Katalyse von großer Bedeutung ist, nur eines von zwei (oder mehreren) möglichen Stereoisomeren des gewünschten Produkts herzustellen, wird in diesem Fall ein chiraler Aminokatalysator oder ein Enzym verwendet, um den sterischen Ausgang der Transformationen zu steuern. Genauer gesagt konnte ein neues photokatalytisches System für die Ein-Elektronen-Reduktion chiraler Iminiumionen entwickelt werden, welche zwischen einem Organokatalysator und einem ,-ungesättigten Aldehyd in der Reaktionsmischung gebildet werden. Da dieser Ansatz die Erzeugung eines hochreaktiven und chiralen Radikals ermöglicht, kann diese Spezies mit geeigneten Reaktionspartnern abgefangen werden, um die Bildung von Produkten mit einem Überschuss von nur einem Stereoisomer zu ermöglichen. Durch die Verwendung einer Cyanoquelle konnte dieses Verfahren erfolgreich zur konjugierten Cyanierung von ,-ungesättigten Aldehyden eingesetzt werden. Die resultierenden Cyano-Aldehyd-Produkte sind besonders interessante Verbindungen, da sie durch Redoxmanipulationen in biologisch interessante Aminosäuren umgewandelt werden können. Darüber hinaus ermöglichte das Einfangen des chiralen Radikals mit Acrylaten die Synthese von 1,6-Dicarbonylverbindungen, die ansonsten nur schwer zugänglich sind. Darüber hinaus wurde eine weitere Reaktion realisiert, die auf der direkten Anregung von Iminiumionen durch die Absorption von sichtbarem Licht basiert. Anstelle eines niedermolekularen Aminokatalysators konnte jedoch ein Enzym mit einer Aminfunktionalität verwenden werden. Dies ermöglicht die Nutzung wässriger Reaktionsbedingungen und den erstmaligen Einsatz einfacher Karbonsäuren als Reaktionspartner. Der sterisch begrenzte Raum im aktiven Zentrum des Enzyms ermöglichte auch die Kontrolle von zwei Stereozentren, was die Produktion von nur einem von vier möglichen Stereoisomeren bedeutet. Während ein Stereozentrum durch das Enzym kontrolliert wird, kann das andere Stereozentrum durch die Chiralität des verwendeten Ausgangsmaterials kontrolliert werden. Dies ist bemerkenswert, da das Enzym die Übertragung chiraler Information vom Ausgangsmaterial auf das Produkt unterstützt und somit dessen Verlust verhindert.