Asymmetrische Diels Alder Reaktion: Wege zum idealen Katalysator

Die enatioselektive homogene Katalyse stellt ein breites interdisziplinäres Forschungsfeld dar, welches von der biomolekularen, organischen, anorganischen und physikalischen Chemie bis hin zu rechnergestützten Methodik reicht. Das Gebiet der Übergangsmetallkatalyse bildet hier ein besonders attraktiven Zugang zu enantiomerenreinen Stoffen, die sehr oft bioaktiv sind und Relevanz für pharmakologische Anwendungen aufweisen. Obwohl der Fortschritt auf diesem aktuellen Gebiet der Molekularwissenschaft innerhalb der letzten Jahre immens ausgefallen ist, ist es noch ein langer Weg zur systematischen Entwicklung und Optimierung katalytisch aktiver Systeme. In der von uns vorgeschlagenen Forschungsarbeit schlagen wir, basierend auf bereits von unserer Gruppe erhaltenen experimentellen Grundlagen (exp. Beobachtungen und EPR Daten), den Einsatz von modernen, fortgeschrittenen, dem heutigen Stand der Forschung entsprechenden theoretischen Methoden vor. Hiermit soll ein detaillierter und systematischer Einblick in die wesentlichen Charakteristika der Übergangsmetallkatalyse gewonnen werden. Wir beantragen hier ein rechnergestütztes Forschungsprojekt, welches auf die Untersuchungen spezifischer Veränderungen der Ligandensphäre um ein Cu(II) Zentralatom während des Ablaufs von Stereoselektiven Diels-Alder Reaktionen zielt. Das Ziel ist es, eine grundlegend verbesserte Kenntnis zu gewinnen über fundamentale Aspekte von stereoselektiven Diels-Alder Reaktionen, die mittels Cu(II) Komplexen mit C2 symmetrischen Liganden katalysiert werden. Dies soll mit Hilfe von theoretischen Prozeduren geschehen, welche zu einer Voraussage über Katalysesysteme mit hoher Selektivität und Effizienz führen. Basierend auf bereits vorhandenen spektroskopischen Daten und mittels der Analyse des Einflusses von Metallzentren, Liganden, Lösungsmittelmolekülen und Gegenionen wollen wir wesentliche Faktoren für den effizienten Verlauf einer katalysierten Reaktion etablieren und damit zur Vorhersage und der Entwicklung von optimaler katalytischer Systeme beitragen. Die wesentlichen Fragestellungen des Projekts lauten: 1. Einfluss des Gegenions auf die Struktur und Reaktivität verschiedener Cu(II) Komplexe mit bis(oxazolin) and bis(sulfoximin) basierten Liganden. 2. Einfluss von Lösungsmittelmolekülen auf bis(oxazolin) and bis(sulfoximin) basierte Cu(II) Komplexe 3. Einfluss verschiedener Substituenten in den bis(oxazolin) and bis(sulfoximin) Liganden auf die Stereoselektivität Die Arbeiten werden durchgeführt in Kooperation mit den Forschungsgruppen von Prof. Martin Kaupp (Technische Universität, Berlin), Prof. Frank Neese (Universität Bonn) und Prof. Sason Shaik (Hebrew University of Jerusalem, Israel).

Homogene Katalyse ist eine der bedeutendsten Methoden zum Aufbau neuer chemischer Verbindungen. Wesentlich für die Entwicklung und Optimierung solcher Prozesse ist das Verständnis auf molekularer Ebene. Meist basieren solche mechanistischen Erwägungen auf die Kenntnisse von Festkörperstrukturen der reagierenden Moleküle. Allerdings finden in der Realität solche Reaktionen in Lösung statt. Die katalytischen Systeme bestehen aus Metallsalzen, Molekülen, welche mit den Salzen einen katalytisch aktiven Komplex bilden und den Substraten. Entsprechend sind die Wechselwirkungen der Reaktanden mit Lösungsmittelmolekülen und den Ionen der Metallsalze (Gegenionen) von wesentlicher Bedeutung. Das Ziel unserer Forschungsarbeit war es aufzuzeigen in wie weit die oben beschriebene komplexe chemische Umgebung den Ablauf katalytischer Reaktionen beeinflusst. Als Modellreaktion wählten wir die "(hetero) Diels-Alder Reaktion", katalysiert mit Kupfersalzen und stickstoffhaltigen Komplexbildnern, eine Methode die seit vielen Jahren als eine der erfolgreichsten Zugänge für die Synthese von technisch und pharmakologisch wichtigen Molekülen dient. Trotz ihrer Popularität wurden Reaktionsoptimierungen vor allem aufgrund empirischer Faktoren durchgeführt. Die Basis für unsere Arbeiten bildeten Daten aus Messungen an Reaktionsmischungen, welche Rückschlüsse auf molekulare Anordnungen während der reell vor sich gehenden Reaktionen erlauben. Mit Hilfe theoretischer Berechnungen zielten wir auf ein konsistentes Modell, welches experimentelle Beobachtungen und voraussagende Modelle vereinigt. Fußend auf diese Erkenntnisse wurden systematisch die Einflüsse einzelner Komponenten der Reaktionsmischung auf den Reaktionsverlauf untersucht und beschrieben. Diese Berechnungen führten wir zunächst mit statischen Modellen durch; schließlich haben wir moleküldynamische Simulationen benutzt, ein auf diesem Gebiet neuartiger Zugang, welcher zurzeit immer mehr an Bedeutung gewinnt. Das Ergebnis der nun abgeschlossenen Arbeiten ist, dass wir in der Lage sind zu beschreiben, welchen Einfluss die chemische Umgebung auf den Ablauf katalysierter Diels-Alder Reaktionen hat. Wir konnten darstellen, dass die molekularen Anordnungen, welche wir während der katalysierten Reaktion in Lösung modellieren konnten, signifikant von den bisher auf Festkörperstrukturen basierenden Annahmen abweichen. Zudem erlauben unsere Berechnungen eine Voraussage über besonders effiziente Lösungsmittel und Kupfersalze.