Übergangsmetall katalysierte asymmetrische C-H Aktivierung

Das vorliegende Projekt behandelt die Entwicklung von Methoden zur asymmetrischen C-H Aktivierung mittels Übergangsmetallkatalyse. Die Methode der C-H Aktivierung hat großes Potential in der organischen Synthese da, falls anwendbar, komplexe Synthesesequenzen merklich verkürzt werden können. Dies wurde bereits in einigen innovativen Beispielen in der Literatur gezeigt wenn auch meist in asymmetrischen Problemstellungen. Die Mehrheit der Beispiele wurde bisher über die Aktivierung von sp 2 C-H Gruppen publiziert, da es sich gezeigt hat dass sp 2 C-H Bindungen leichter aktiviert werden können und weniger Nebenreaktionen stattfinden. In den letzten Jahren wurden auch erhebliche Fortschritte in der Aktivierung von sp 3 C-H Bindungen gemacht und auch die ersten asymmetrischen Beispiele aufgezeigt wenn auch mit nicht vernachlässigbaren Limitierungen. Weitere Forschungen auf diesem Gebiet sind deshalb unabdingbar um die Effizienz in der organischen Synthese weiter zu verbessern. Das Thema der asymmetrischen C-H Aktivierung soll mittels zwei verschiedenen Ansätzen bearbeitet werden. Im ersten Ansatz kommen dirigierende Gruppen zum Einsatz die mit definierter Stereochemie im Substrat installiert werden. Diese dirigierende Gruppe soll dann das Übergangsmetall zu einer definierten C-H Bindung einer CH 2 Gruppe lenken und in diese insertieren was letztendlich zu diastereomer angereicherten oder im Idealfall sogar diastereomer reinen Produkten führt. Als Edukte sind kommerziell erhältliche chirale Verbindungen vorgesehen, vor allem Carbonsäuren von Pyrrolidin, Piperidin, THF, THP und andere. Die Säuregruppe ist sehr nützlich da sie sehr leicht in eine Reihe von potentiellen dirigierenden Gruppen überführt werden kann (z.B. Ester, Amide, Oxazoline, etc.). Nachdem die chirale Information bereits im Molekül vorhanden ist können achiral Katalysatoren verwendet werden wenngleich chirale Katalysatoren zusätzliche Selektivitätsverbesserungen liefern können (match - mismatch). Zu Beginn werden Katalysatoren von Pd, Rh und Ru untersucht da diese Metalle im Zusammenhang mit C-H Aktivierungsreaktionen häufig zum Einsatz kommen. Der zweite Ansatz geht von achiralen Edukten aus und führt die stereochemische Information über chirale Katalysatoren in das Molekül ein. Im Idealfall soll das katalytische System in situ durch Zugabe von chiralen Liganden zu Katalysator Vorstufen erfolgen. Selbstverständlich werden auch vorgefertigte chirale Katalysatoren in die Untersuchungen miteinbezogen. Zu Beginn werden ebenfalls die oben genannten Metalle untersucht werden. Als Ausgangsprodukte werden in diesem Projektteil hauptsächlich Verbindungen mit benzylischen CH 2 Gruppen zum Einsatz kommen da diese CH 2 Gruppen leichter aktiviert werden können. Im Allgemeinen wird auf dirigierende Gruppen im klassischen Sinn verzichtet. In einer Substratklasse sind allerdings Heteroatome in Nachbarschaft zur zu aktivierenden CH 2 Gruppe vorgesehen, in einer weiteren Heterozyklen wie zum Beispiel Pyridin, da auch diese einen dirigierenden Effekt haben können. Zu Beginn werden in beiden Projektteilen Arylierungsreaktionen Gegenstand der Untersuchungen sein. Später werden auch Alkylierungen, Alkenylierungen und Carbonylierungen getestet.

In der heutigen Gesellschaft ist der Begriff Effizienz in fast allen Bereichen von großer Wichtigkeit. Auch in der Chemie ist der Trend effizientere Prozesse zu finden allgegenwärtig. Im Spezialbereich der organischen Chemie (das ist hauptsächlich die Chemie des Kohlenstoffs und weniger anderer Elemente) manifestiert sich das in der Suche nach effizienteren Reaktionen, das heißt in dem Versuch die Bildung von neuen chemischen Bindungen hinsichtlich bestimmter Gesichtspunkte zu verbessern. Ein wichtiger Punkt ist hier sicherlich die Reduzierung von Abfällen die im Laufe einer Reaktion produziert werden. Im Rahmen dieses Projektes wurden verschiedene Reaktionen entwickelt die das Potenzial haben ebendiese Vorgabe zu erfüllen. Zusätzlich wurde eine dieser Methoden für die Synthese einer Verbindungsklasse mit interessanten biologischen Eigenschaften verwendet. Genauer gesagt wurden Moleküle hergestellt die Zelldifferenzierungsprozesse (die Umwandlung von wenig spezialisierten Zellen in spezialisierter Zellen) beschleunigen können. Dies ist eine wichtige Entdeckung für das Feld der regenerativen Medizin, ein zurzeit weltweit extrem stark bearbeitetes Forschungsfeld.Die Synthese komplexer organischer Moleküle geht normalerweise von kleineren Bausteinen aus die durch die Knüpfung neuer Bindungen zu größeren Einheiten zusammengebaut werden. Normalerweise sind Kohlenstoff-Wasserstoff (C-H) und Kohlenstoff-Kohlenstoff (C-C) Bindungen in organischen Verbindungen vorherrschend. Dadurch kommt der Bildung von C-C Bindungen spezielle Bedeutung im Aufbau von komplexeren Molekülen zu. Ein Weg zur Vermeidung von Abfall während einer C-C Bindungsbildung ist die Verwendung von Reagenzien in katalytischen Mengen welche zur Bildung der neuen Bindung gebraucht werden. In den letzten Jahrzehnten hat sich gezeigt das Metallkatalysatoren in dieser Hinsicht sehr erfolgreich sind. Es wurden Methoden entwickelt die die C-C Bindungsbildung ermöglichen wenn die beiden Moleküle die verbunden werden sollen geeignete funktionelle Gruppen tragen. Durch die funktionellen Gruppen werden die Kohlenstoffe bestimmt die die neue C-C Bindung ausmachen. Leider finden sich diese funktionellen Gruppen im Produkt nicht wieder und müssen daher als Abfall angesehen werden. Es ist daher nur logisch das der neue Trend in der Synthese dahin geht anstatt komplexer funktioneller Gruppen die allgegenwärtige C-H Bindung zur Bindungsbildung heranzuziehen. Natürlich ist diese Allgegenwärtigkeit auch ein Problem, da eine Reaktion für nur eine C-H Bindung im Ausgangsmolekül selektiv sein sollte um nur ein und nicht Mischungen aus mehreren Produkten zu erhalten. Zusätzlich ist eine typische C-H Bindung stärker als eine C-(funktionelle Gruppe) Bindung und dadurch auch schwerer zu brechen. Innerhalb dieses Projektes wurden verschiedene Ansätze untersucht um Reaktionen zu entwickeln die den zuvor definierten Ansprüchen gerecht werden. Dabei wurden verschiedene Typen von C-H Bindungen (z.B. Bindungen verschiedener Stärke aufgrund unterschiedlicher Nachbargruppen) erfolgreich zur C-C Bindungsbildung eingesetzt was durch die Verwendung verschiedenster Metallkatalysatoren gelang.