Enantioselektive Licht-induzierte Katalyse für die Organische Synthese (ELICOS)

Die Chiralität ist eine der faszinierendsten und wichtigsten Eigenschaften der Materie. Die Wechselwirkung von kleinen Molekülen mit biologischen Systemen ist bestimmt durch die Orientierung ihrer Atome im dreidimensionalen Raum. Als Konsequenz davon können enantiomere (d.h. zueinander spiegelbildliche) Moleküle vollkommen unterschiedliche pharmakologische Eigenschaften haben, und diese Tatsache war der Stimulus für weitreichende Forschungsanstrengungen zur Synthese enantiomerenreiner Verbindungen. Mit Bezug auf organische Verbindungen betrifft die Kernfrage den Aufbau des ersten stereogenen Kohlenstoffatoms mit hoher Enantioselektivität, denn die Bildung weiterer stereogener Zentren wird dann zu leicht trennbaren Diastereomeren führen. Obwohl chirale Verbindungen, die aus der Natur erhältlich sind, eine wichtige Rolle als Ausgangsmaterialien in der Organischen Synthese einnehmen, basiert der effektivste und bedeutendste Weg, enantiomerenreine Verbindungen de novo zu generieren, auf die enantioselektive (asymmetrische) Katalyse. Der Nobelpreis in Chemie des Jahres 2001 hat die grundlegenden Arbeiten von W. S. Knowles, R. Noyori und K. B. Sharpless zur Entwickung enantioselektiver Oxidations- und Hydrierungsverfahren gewürdigt. Die moderne Herstellung von Medikamenten, ein Markt von mehr als 1012 €, hängt in großem Maße an der Nutzung von enantioselektiven Katalyseverfahren.

Wenn man den Erfolg betrachtet, den die enantioselektive Katalyse in den letzten Jahrzehnten hatte, dann ist es überraschend, dass sie – bis vor kurzem – in der photochemischen Synthese von chiralen Moleküle keine Rolle spielte (für weitere Informationen, siehe: Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3872). Die Tatsache, dass die Photochemie den Entwicklungen der enantioselektiven Katalyse hinterherhinkt, ist insofern bedenklich, als es eine große Zahl von biologisch relvanten Molekülgerüsten gibt, die nur durch photochemische aber nicht durch thermische Reaktionen zugänglich sind. Die Hauptgründe für den langsamen Fortschritt auf dem Gebiet der enantioselektiven Licht-induzierten Katalysis sind intrinsische Schwierigkeit beim Design potentieller Katalysator für einen solchen Prozess. Per Definition finden photochemische Reaktionen nach einer Absorption von Licht statt, durch die sich wiederum die elektronische Struktur des photoangeregten Moleküls dramatisch verändert. Das Molekül wird auf ein höheres Energieniveau angehoben, von dem aus mögliche Folgereaktionen mit Deaktivierungsprozessen zum Grundzustand (Fluoreszenz, interne Konversion) konkurrieren. Effiziente photochemische Reaktion haben daher relativ niedrig Aktivierungsbarrieren, und die Produktbildung ist schnell, wohingegen viele thermische Reaktionen hohe Aktivierungsbarrieren überwinden müssen und daher selbst bei Zimmertemperatur mit sehr niedrigen Reaktionsgeschwindigkeiten verlaufen. Ein Katalysator einer thermischen Reaktion erniedrigt die Aktivierungsbarriere durch Interaktion mit dem Substrat und kann so im günstigen Fall die selektive Bildung eines neuen stereogenen Zentrums ermöglichen. In einer photochemischen Reaktion ist die Lage anders, da keine Katalyse notwendig ist, um die Reaktion voran zu bringen. Der kritische Punkt ist somit, Katalysatoren zu finden, die mit einem photochemischen Substrat bereits wechselwirken, während es vom Grundzustand in den angeregten Zustand gelangt. Es müssen Reaktionspfade gefunden werden, in denen eine unkatalysierte racemische Hintergrundreaktion unterdrückt wird.

Das Ziel des ELICOS-Projekts ist es, katalytische Methoden zu entwickeln, die die enantioselektive Synthese einer breiten Vielfalt von Verbindungsklassen durch Licht-induzierte Reaktionen ermöglicht. Die Wirkungsweise potentieller Katalysatoren basiert auf einen Energietransfer oder auf einer Wellenlängen-selektiven Anregung. Falls erfolgreich, wird eine weitgefächerte Anwendung von enantioselektiven photochemischen Reaktionen in der der Organischen Synthese sichergestellt werden und eine Vielzahl von strukturell diversen Produkten für Hightech-Anwendungen wird in enantiomerer Form zugänglich werden.

Publikationen

  • Schwinger, Daniel P.; Bach, Thorsten: Chiral 1,3,2-Oxazaborolidine Catalysts for Enantioselective Photochemical Reactions. Acc. Chem. Res. 53, 2020, 1933-1943 mehr…
  • Graßl, Raphaela; Jandl, Christian; Bach, Thorsten: Visible Light-Mediated Photochemical Reactions of 2-(2′-Alkenyloxy)cycloalk-2-enones. J. Org. Chem. 85, 2020, 11426-11439 mehr…
  • Hörmann, Fabian M.; Kerzig, Christoph; Chung, Tim S.; Bauer, Andreas; Wenger, Oliver S.; Bach, Thorsten: Triplet Energy Transfer from Ruthenium Complexes to Chiral Eniminium Ions: Enantioselective Synthesis of Cyclobutane­carbaldehydes by [2+2] Photocycloaddition. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 2020, 9659-9668 mehr…
  • Pecho, Franziska; Zou, You-Quan; Gramüller, Johannes; Mori, Tadashi; Huber, Stefan M.; Bauer, Andreas; Gschwind, Ruth M.; Bach, Thorsten: A Thioxanthone Sensitizer with a Chiral Phosphoric Acid Binding Site: Properties and Applications in Visible Light‐Mediated Cycloadditions. Chem. Eur. J. 26, 2020, 5190-5194 mehr…
  • Leverenz, Malte; Merten, Christian; Dreuw, Andreas; Bach, Thorsten: Lewis Acid Catalyzed Enantioselective Photochemical Rearrangements on the Singlet Potential Energy Surface. J. Am. Chem. Soc. 141, 2019, 20053-20057 mehr…
  • Stegbauer, Simone; Jeremias, Noah; Jandl, Christian; Bach, Thorsten: Reversal of reaction type selectivity by Lewis acid coordination: the ortho photocycloaddition of 1- and 2-naphthaldehyde. Chem. Sci. 10, 2019, 8566-8570 mehr…
  • Mohr, Lisa-Marie; Bauer, Andreas; Jandl, Christian; Bach, Thorsten: Visible light-mediated intermolecular [2+2] photocycloaddition of 1-aryl-2-nitroethenes and olefins. Org. Biomol. Chem. 17, 2019, 7192-7203 mehr…
  • Poplata, Saner; Bauer, Andreas; Storch, Golo; Bach, Thorsten: Intramolecular [2+2] Photocycloaddition of Cyclic Enones: Selectivity Control by Lewis Acids and Mechanistic Implications. Chem. Eur. J. 25, 2019, 8135–8148 mehr…
  • Modha, Sachin G.; Pöthig, Alexander; Dreuw, Andreas; Bach, Thorsten: [6π] Photocyclization to cis-Hexahydrocarbazol-4-ones: Substrate Modification, Mechanism, and Scope. J. Org. Chem. 84, 2019, 1139-1153 mehr…
  • Stegbauer, Simone; Jandl, Christian; Bach, Thorsten: Enantioselective Lewis Acid Catalyzed ortho Photocycloaddition of Olefins to Phenanthrene-9-carboxaldehydes. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 2018, 14593-14596 mehr…
  • Brenninger, Christoph; Jolliffe, John D.; Bach, Thorsten: Chromophore Activation of α,β-Unsaturated Carbonyl Compounds and Its Application to Enantioselective Photochemical Reactions. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 2018, 14338-14349 mehr…
  • Brenninger, Christoph; Bach, Thorsten: α-Thio Carbocations (Thionium Ions) as Intermediates in Brønsted Acid-Catalyzed Reactions of Enone-Derived 1,3-Dithianes and 1,3-Dithiolanes. Top. Catal. 91, 2018, 623-629 mehr…
  • Poplata, Saner; Bach, Thorsten: Enantioselective Intermolecular [2+2] Photocycloaddition Reaction of Cyclic Enones and Its Application in a Synthesis of (−)-Grandisol. J. Am. Chem. Soc. 140, 2018, 3228-3231 mehr…
  • Hörmann, Fabian M.; Chung, Tim S.; Rodriguez, Elsa; Jakob, Matthias; Bach, Thorsten: Evidence for Triplet Sensitization in the Visible-Light-Induced [2+2] Photocycloaddition of Eniminium Ions. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 2018, 827-831 mehr…
  • Zou, You-Quan; Hörmann, Fabian M.; Bach, Thorsten: Iminium and Enamine Catalysis in Enantioselective Photochemical Reactions. Chem. Soc. Rev. 47, 2018, 278-290 mehr…
  • Mayr, Florian; Mohr, Lisa-Marie; Rodriguez, Elsa; Bach, Thorsten: Synthesis of Chiral Thiourea-Thioxanthone Hybrids. Synthesis 49, 2017, 5238-5250 mehr…
  • Mohr, Lisa-Marie; Bach, Thorsten: Intermolecular [2+2] Photocycloaddition of β-Nitrostyrenes to Olefins upon Irradiation with Visible Light. Synlett 28, 2017, 2946-2950 mehr…
  • Edtmüller, Verena; Pöthig, Alexander; Bach, Thorsten: Enantioselective Photocyclisation Reactions of 2-Aryloxycyclohex-2-enones mediated by a chiral Copper-Bisoxazoline Complex. Tetrahedron 73, 2017, 5038-5047 mehr…
  • Brenninger, Christoph; Pöthig, Alexander; Bach, Thorsten: Brønsted Acid Catalysis in Visible-Light-Induced [2+2] Photocycloaddition Reactions of Enone Dithianes. Angew. Chem. Int. Ed. 56, 2017, 4337-4341 mehr…
  • Mayr, Florian; Brimioulle, Richard; Bach, Thorsten: A Chiral Thiourea as a Template for Enantioselective Intramolecular [2+2] Photocycloaddition Reactions. J. Org. Chem. 81, 2016, 6965–6971 mehr…
  • Poplata, Saner; Tröster, Andreas; Zou, You-Quan; Bach, Thorsten: Recent Advances in the Synthesis of Cyclobutanes by Olefin [2+2] Photocycloaddition Reactions. Chem. Rev. 116, 2016, 9748-9815 mehr…