Interdisziplinäre Studie zur Entwicklung einer asymmetrischen, diastereodivergenten 1,3-dipolaren Cycloaddition mittels Enzym-inspirierten Betain-Katalysatoren

In der Natur haben sich Enzyme als hocheffiziente Katalysatoren entwickelt, die durch gleichzeitige Aktivierung und Orientierung beider Reaktionspartner eine herausragende Spezifität und Selektivität ermöglichen. Inspiriert von der katalytischen Triade im aktiven Zentrum des Metalloenzyms Aldolase-II wurde in der Arbeitsgruppe von R. Peters am Institut für Organische Chemie der Universität Stuttgart ein neuartiger, polyfunktioneller Lewis-Säure/Betain-Katalysator entwickelt. Dieser enthält eine Lewis-Säure zur Aktivierung des (Pro-)Nukleophils, ein Azoliumfragment als Wasserstoffbrücken-Donor zur Aktivierung des Elektrophils sowie eine Brønsted-Base zur Bildung des reaktiven Nukleophils durch Deprotonierung.

In dieser Arbeit konnte das Potenzial des kooperativen Aktivierungsprinzips durch die Entwicklung einer diastereodivergenten 1,3-dipolaren Cycloaddition aufgezeigt werden. Die Entwicklung diastereodivergenter Reaktionen gilt als eine der größten Herausforderungen in der asymmetrischen Katalyse, da sie eine vollständige Kontrolle über die räumliche Anordnung beider Reaktionspartner während der C-C-Bindungsknüpfung erfordert. Durch die Variation des Metallzentrums (Co(II) vs. Ni(II)), des Azoliumfragments (Imidazolium vs. Triazolium) und des sterischen Anspruchs der Estergruppe gelang es nicht nur, die relative und absolute Konfiguration aller vier neu gebildeten Stereozentren gezielt zu steuern, sondern auch eine bemerkenswert hohe Produktivität (TONs bis zu 4000) zu erreichen - bei gleichzeitiger Skalierbarkeit der Reaktion und Rezyklierbarkeit des Katalysators.

Durch die Initiierung eines interdisziplinären Forschungsprojekts mit dem Institut für Theoretische und Physikalische Chemie der Universität Stuttgart konnten durch die Kombination von DFT-Simulationen, Reaktionskinetik und spektroskopischen Untersuchungen detaillierte Einblicke in den katalytischen Zyklus, den Aktivierungsmodus und die Selektivität des Katalysators gewonnen werden.