Ionendirigierte Basismetallkatalyse

In der Natur kommen viele Stoffe als Paare vor, die sich, so ähnlich also wie die linke und die rechte Hand, wie Bild und Spiegelbild verhalten. Der Grund dafür ist die räumliche Anordnung der Atome in den Molekülen. Moleküle, die diese Eigenschaft besitzen, werden Enantiomere genannt. Obwohl sich diese Enantiomere nicht in ihren atomaren Bausteinen, sondern nur in deren räumlichen Anordnung unterscheiden, können sie sehr unterschiedliche Effekte auf Lebewesen haben. Beispiele dafür sind das nach Kümmel riechende (+)-Carvon und dessen nach Minze riechende Enantiomer (-)-Carvon. Obwohl sich die Enantiomere im biologischen Kontext also stark unterscheiden können, sind sie chemisch oft schwer zu trennen. Ideal ist es also bei einer chemischen Herstellung (Synthese) nur das gewollte Enantiomer zu erhalten, sodass eine Trennung nicht nötig ist. Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden einige Methoden entwickelt, die hoch selektiv nur eines der beiden Enantiomere erzeugen. Einige der Erfinder wurden dafür sogar mit dem Nobelpreis ausgezeichnet (z.B. Chemie Nobelpreis 2005 und 2021). Traditionell beruhen diese Methoden oft darauf, dass in der chemischen Reaktion eine Umgebung geschaffen wird, die durch einen engen Raum nur die Erzeugung eines Enantiomers erlaubt. Ein wenig so, als würde man Knetmasse in eine Form pressen. Das funktioniert in einigen chemischen Reaktionen sehr gut in anderen allerdings eher weniger. In diesem Projekt wird ein neuer, komplementärer Ansatz verfolgt. Anstatt während der Reaktion einen Raum zu schaffen der nur eine Anordnung des Enantiomers zulässt, wird eine molekulare Umgebung geschaffen, die während der Reaktion die Atome durch starke Anziehung an bestimmten Stellen des Moleküls so anordnet, dass nur ein Enantiomer entsteht. Also wird im übertragenen Sinne die vorhin genannte Knetmasse nicht in eine vorgegebene Form gepresst, sondern in eine bestimmte Richtung gezogen. Das wurde in der Gruppe von Prof. Dr. Robert Phipps an der Universität von Cambridge (GB) bereits mit Hilfe von Edelmetallen (Iridium und Rhodium) an einigen Beispielen gezeigt. Die Kombination dieser Metalle mit organischen Molekülen, sogenannten Liganden, führt zu Komplexen, die schließlich die Eigenschaft haben an der Knetmasse ziehen zu können. In diesem Projekt sollen dazu die günstigen Industriemetalle Kupfer und Nickel untersucht werden. Mit Hilfe dieses fundamental anderen Ansatzes erhoffen sich die Forscher Erfolg bei chemischen Reaktionen, die mit den traditionellen Methoden nicht oder nur schlecht umsetzbar waren.

Die Untersuchung neuer chemischer Reaktionen ist eine wichtige Aufgabe der modernen Forschung. Die Entdeckung neuer Reaktionswege ermöglicht die Entwicklung neuer Verbindungen mit potenziellem Nutzen für die Medizin oder Landwirtschaft oder die effizientere und umweltfreundlichere Synthese bestehender Moleküle. Während des sechsmonatigen Forschungsaufenthalts wurde ein, auf Ionenpaarung basierender Ansatz, erforscht. Zunächst wurde der Einsatz von Metallkatalysatoren untersucht, die so modifiziert wurden, dass sie über ionische Kräfte interagieren (+ und - ziehen einander an). Anschließend wurde die Verwendung organischer Moleküle untersucht, die durch Licht aktiviert werden können, um ein ionisches Zwischenprodukt zu bilden. Diese Reaktion ist die sogenannte Deracemisierung von Alkoholen. Alkohole sind eine funktionelle Gruppe (Kohlenstoff gebunden an OH), die häufig in biologisch aktiven Verbindungen wie niedermolekularen Pharmazeutika oder Zuckern vorkommt. Oft sind sie entweder rechts- oder linkshändig, was die biologische Aktivität stark beeinflussen kann. Derzeit wird ein Ansatz entwickelt, der die selektive Umwandlung der einen in die andere ermöglicht - ein bisher äußerst anspruchsvolles Unterfangen - und die Notwendigkeit ihrer selektiven Erzeugung während der Synthese umgeht. Die Forschung der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Phipps konzentriert sich auf das tiefgreifende Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen dieses Prozesses, da unser Wissen über die einzelnen chemischen Schritte bisher begrenzt ist. Daher wird die Entwicklung dieser Methodik nun durch ein MSCA-Stipendium der Europäischen Kommission weiter gefördert.