Chiralität und Licht - Enantioselektive Katalyse photochemischer Reaktionen

Chiralität

Chiralität ist ein beeindruckendes Phänomen, das in der Natur sehr vielfältig vorkommt und das sich sogar in der nanoskaligen Welt der Moleküle findet. Es beschreibt die Tatsache, dass n-dimensionale Objekte in einem Raum derselben Dimensionalität nicht zur Deckung gebracht werden können, obwohl sie identische skalare Eigenschaften haben. Der Name stammt vom griechischen Wort für Hand, weil wir an unseren Händen eindrucksvoll sehen, dass zwar die Abstände und Größen der jeweiligen Fingern gleich sind, die rechte Hand aber nicht mit der linken Hand zur Deckung gebracht werden kann. In gleicher Weise mögen die beiden Enantiomere einer chiralen chemischen Verbindung auf den ersten Blick identisch aussehen, da beide aus den gleichen Atomen bestehen, sie verhalten sich jedoch zueinander wie Bild und Spiegelbild. Doch nicht nur optisch unterscheiden sich zwei Enantiomere voneinander, auch in ihren chemischen und biologischen Eigenschaften kann es deutliche Unterschiede geben. So nehmen wir beispielsweise das (R)-Enantiomer von Carvon als den charakteristischen Geruch von Minze wahr, wohingegen sein Spiegelbild, das (S)-Enantiomer des Carvons, den Geruch von Kümmel prägt (Abbildung 1).[1]

Abbildung 1: Strukturen von (S)- und (R)-Carvon.

Inspiriert von der Natur, die mit höchster Effizienz gezielt ein Enantiomer einer Verbindung darstellen kann, ist eine zentrale Herausforderungen der Organischen Chemie, einen synthetischen Zugang zu enantiomerenreinen chiralen Verbindungen zu finden. Diese Verbindungen spielen zum Beispiel bei der Suche nach neuen Medikamenten eine Rolle, und eine der wichtigsten Methoden für deren Synthese stellt die enantioselektive Katalyse dar.[2]

Katalyse

Damit eine thermische Reaktion ablaufen kann, muss den Ausgangsverbindungen, den Edukten, Energie zugeführt werden. Erst wenn die freie Aktivierungsenthalpie (G = freie Enthalpie) zur Verfügung steht, kann eine Reaktion stattfinden. In Abwesenheit jeglicher chiralen Information verläuft eine solche Reaktion racemisch, sodass beide Enantiomere eines Produkts im Verhältnis von eins zu eins entstehen. Um nun gezielt zu einem Enantiomer des gewünschten Produktes zu gelangen, werden bei thermischen Reaktionen chirale Katalysatoren eingesetzt, die nicht nur die Aktivierungsbarriere einer Reaktion senken, sondern gleichzeitig für die chirale Umgebung bei der Reaktion selbst sorgen.

Abbildung 2: Vereinfachte Energieprofile einer thermischen (links) und einer photochemischen Reaktion (rechts).

Bei einer photochemischen Reaktion wird dem Edukt die nötige Energie durch die Bestrahlung mit Licht zugeführt. Durch die Absorption von Licht einer bestimmten Wellenlänge wird das Molekül in einen angeregten Zustand überführt, der derart reaktiv ist, dass die Folgereaktionen sehr schnell ablaufen und keiner weiteren Katalyse bedürfen. Möchte man nun ein bestimmtes Enantiomer eines Produkts über eine photochemische Reaktion darstellen, so bedarf es neuer Ansatzpunkte für die enantioselektive Katalyse, denn bedingt durch die Natur des angeregten Zustands lassen sich die Konzepte der thermischen Reaktionen nicht direkt auf photochemische Reaktion übertragen. Vielmehr muss bei der Katalyse photochemischer Reaktionen darauf geachtet werden, dass sich das Substrat bereits vor der Anregung durch Licht in der chiralen Umgebung des Katalysators befindet.[3]

Chirale Sensibilisatoren

Eine Möglichkeit zur Fixierung von prochiralen Substraten in Photoreaktionen ist die Bindung über Wasserstoffbrücken. Diese Art der Substratkoordination macht sich eine Klasse von Photokatalysatoren zu Nutze, der zwei unverkennbare Strukturmerkmale gemein sind. Als Bindungsmotiv besitzen diese Photokatalysatoren ein chirales bicyclisches Lactamgrundgerüst und als photochemisch aktive Einheit einen flachen Chromophor. Dieser fungiert einerseits als sterisches Schild und schirmt dadurch einen der enantiotopen Halbräume des Substrates ab. Andererseits wirkt diese photochemisch aktive Einheit als Triplett-Sensibilisator. Die durch das Licht eingestrahlte Energie wird nach Spinwechsel (Intersystem Crossing, ISC) an das gebundene Substrat abgegeben. Dadurch wird gewährleistet, dass nur das gebundene Substrat angeregt wird und die darauf folgenden photochemischen Reaktionen in der chiralen Umgebung des Katalysators ablaufen.

Mit dem chiralen Xanthonkatalysator 1 (und seinem Enantiomer ent-1) gelang es, sowohl die intramolekulare [2+2] Photocycloaddition von Chinolonen, als auch die intermolekulare [2+2] Photocycloaddition von Pyridonen enantioselektiv zu katalysieren. Durch Anregung mit Licht einer Wellenlänge von λ = 366 nm ließen sich die entsprechenden Photoprodukte mit hoher Enantioselektivität erhalten (Schema 1, links).[4-6]

Schema 1: Chirale Triplett-Sensibilisatoren in enantioselektiv katalysierten [2+2]-Photocycloadditionen.

Durch den Einsatz des chiralen Thioxanthons 2 war es sogar möglich, sichtbares Licht als Energiequelle für die intramolekulare [2+2] Photocycloaddition von Chinolonen zu nutzen. Die Anregung erfolgte mit Licht einer Wellenlänge von λ =  419 nm, und die aus der Katalyse hervorgehenden Photoprodukte konnten auch hier mit sehr hoher Enantioselektivität erhalten werden (Schema 1, rechts).[7]

Chirale Lewis-Säuren

Eine weitere sehr effiziente Klasse von Katalysatoren für enantioselektiv katalysierte Photoreaktionen stellen chiralen Lewis-Säuren dar. Das chirale Grundgerüst dieser Katalysatoren basiert auf der natürlichen Aminosäure Prolin. Die Koordination der Substrate erfolgt durch die Bildung eines Lewis Säure/Lewis-Base-Paares und durch eine Wasserstoffbrückenbindung.

Die chirale Lewis-Säure 3 (Schema 2) stellte sich als sehr erfolgreicher Katalysator in der intramolekularen [2+2] Photocycloaddition von Dihydropyridonen heraus. Dabei konnten die tricyclischen Photoprodukte mit sehr hohen Enantioselektivitäten dargestellt werden. Ein wesentliches Charakteristikum der Komplexe von Lewis-Säure und α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen ist eine starke langwellige Verschiebung der intensiven ππ*-Absorption im Vergleich zum unkomplexierten Molekül. Dadurch ist bei Bestrahlung mit langwelligem Licht eine selektive Anregung des chiralen Komplexes möglich, aus dem heraus eine enantioselektive Reaktion ablaufen kann. Diese Methodik ließ sich unter anderem in der Totalsynthese der Alkaloide Lupinin (Schema 2, links) und Thermopsin nutzen.[8,9]

Für die Photocycloaddition von Cycloalkenonen fand die Lewis-Säure 4 Anwendung. Auch hier gelang es, die Photoprodukte mit exzellenter Enantioselektivität darzustellen, die in einer Folgereaktion zu den tricyclischen Acetalen umgesetzt werden konnten (Schema 2, rechts).[10]

Schema 2: Chirale Lewis-Säuren in enantioselektiv katalysierten [2+2] Photocycloadditionen.

Literatur

[1]       A. J. Rüger, J. Kramer, S. Seifermann, M. Busch, T. Muller, S. Bräse, Chem. Unserer Zeit 2012, 46, 294-301.

[2]       H.-U. Blaser, H.-J. Federsel (Hrsg.), Asymmetric Catalysis on Industrial Scale, 2nd ed., Wiley-VCH, Weinheim, 2011.

[3]       R. Brimioulle, D. Lenhart, M. M. Maturi, T. Bach, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3872-3890; Angew. Chem. 2015, 127, 3944-3963.

[4]       C. Müller, T. Bach, Angew. Chem. 2009, 121, 6767-6769; Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6640-6642.

[5]       M. M. Maturi, M. Wenninger, R. Alonso, A. Bauer, A. Pöthig, E. Riedle, T. Bach, Chem. Eur. J. 2013, 19, 7461-7462.

[6]       M. M. Maturi, T. Bach, Angew. Chem. 2014, 126, 7793-7796; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7661-7664.

[7]       R. Alonso, T. Bach, Angew. Chem. 2014, 126, 4457-4460; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 4368-4371.

[8]       R. Brimioulle, T. Bach, Science 2013, 342, 840-843.

[9]       R. Brimioulle, A. Bauer, T. Bach, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 5170-5176.

[10]     R. Brimioulle, T. Bach, Angew. Chem. 2014, 126, 13135-13138; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12921-12924.