Polydentate Chiral Ligands with Phosphorus-Nitrogen Co-ordination Sites and Their Use in Asymmetric Catalysis

Mehrere Gruppen strukturell verwandter Liganden wurden synthetisiert und als chirale Hilfsstoffe in einer Palladium-katalysierten asymmetrischen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verknüpfungsreaktion eingesetzt. Mit Hilfe von Rechenmethoden konnte gezeigt werden, welche Wechselwirkungen zwischen Substrat und Ligand für die experimentell beobachtete Stereoselektivität verantwortlich sind. Eine der zentralen Aufgaben moderner Synthesechemie ist die ökonomische und selektive Herstellung einheitlicher Produkte. Viele der komplexeren chemischen Strukturen sind derart aufgebaut, dass sie als zwei nicht deckungsgleiche Moleküle vorliegen können, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten. Sie werden als Enantiomere bezeichnet. Solche Substanzen fallen in herkömmlichen Synthesen als 1:1 Mischung der beiden Enantiomeren an. Diese haben idente physikalische Eigenschaften und lassen sich daher mit den üblichen Methoden nicht trennen. Treten diese enantiomeren Moleküle in Wechselwirkung mit enantiomeren Molekülen einer anderen Substanz, so reagieren sie unterschiedlich. Da die gesamte belebte Natur, so auch der menschliche Organismus aus enantiomerenreinen Bausteinen, den Aminosäuren aufgebaut ist, werden auch die Enantiomere von Wirkstoffen, wie sie in Medikamenten enthalten sind, zu unterschiedlichen und somit uneinheitlicher Reaktion führen. Es ist daher aus medizinischer Sicht inakzeptabel, und mittlerweile auch gesetzliche verboten, Arzneien mit nicht-enantiomerenreinen Wirkstoffen anzuwenden. Daraus erklärt sich die große Bedeutung der sogenannten asymmetrischen Synthesemethoden, die zu enantiomerenreinen Produkten führen. Vor allem asymmetrische Synthesen mit Hilfe optisch aktiver Katalysatoren (asymmetrische Katalyse) entwickelten sich in den letzten Jahrzehnten zu einem der attraktivsten Forschungsgebiete der organischen und im besonderen der metallorganischen Chemie. Das Prinzip ist folgendes: Durch Bindung eines enantiomerenreinen Hilfsstoffs an ein katalytisch aktives Übergangsmetall entsteht ein Katalysator, der selektiv die Bildung eines der enantiomeren Produktmoleküle begünstigt. Da der Katalysator während der Reaktion nicht verbraucht wird, reicht theoretisch ein einziges Molekül aus, um - im Idealfall - eine beliebige Menge enantiomerenreinen Produkts zu erzeugen. Eine zentrale Rolle dabei spielen die Auswahl geeigneter Liganden, um zu Katalysatoren hoher Selektivität und Reaktivität zu gelangen. Im allgemeinen ist aber leider die Substratspezifität hoch, d.h. es gibt kaum universelle Liganden und unterschiedliche Substrate erfordern unterschiedliche Liganden, sodaß ein ständiger Bedarf an neuen Liganden besteht. Ligandensynthesen sollten daher strukturelle Variationen ermöglichen, um deren Struktur in komplementärer Weise einem Substrat anzupassen und so optimale Wechselwirkung zu erzielen (Schlüssel-Schloß-Prinzip). In diesem Projekt wurden mehrere Gruppen von neuen Liganden synthetisiert und vor allem in Palladium- katalysierten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verknüpfungsreaktionen eingesetzt. In einigen Fällen wurden dabei ausgezeichnete Enantioselektivitäten beobachtet. Durch Anwendung spektroskopischer Methoden, Isolierung von Intermediaten und Bestimmung ihrer Kristallstruktur konnten Schlüsselverbindungen der Katalysereaktion identifiziert werden. Schließlich gelang es durch Einsatz von Rechenmethoden die Bereiche positiver und negativer Wechselwirkung zwischen Substrat und Ligand zu lokalisieren und mit diesen Befunden die experimentell beobachteten Selektivitäten zu erklären.