Asymmetrische Katalyse mit Metall-Komplexen. Bild oder Spiegelbild?

DOI: 10.1002/ciuz.200600375
Bild oder Spiegelbild?
Asymmetrische Katalyse
mit Metall-Komplexen
K ILIAN M UÑIZ
Chirale Verbindungen üben nicht nur eine Faszination aus, sie
werden in den letzten Jahren auch verstärkt nachgefragt. Dies
wird verständlich, wenn man die oftmals unterschiedliche
oder gar gegensätzliche Wirkungsweise der beiden Enantiomere einer chiralen Verbindung berücksichtigt [1]. Der Einsatz enantiomerenreiner Verbindungen als Wirkstoffe in der
Pharmazie oder im Pflanzenschutz kann darüberhinaus von
ökonomischem Interesse sein [2]. Im Zentrum steht in diesen
Fällen die gezielte effiziente Darstellung der enantiomerenreinen Zielverbindungen.
ie asymmetrische katalytische Synthese nutzt zumeist
chirale Metall-Komplexe als Katalysatoren. In einem
vorgelagerten Schritt werden ein chiraler Ligand, der die
stereochemische Information trägt, und eine Metallquelle
zur Reaktion gebracht. Dabei entstehen anorganische oder
metallorganische Metall-Ligand-Komplexe, die in den meisten Fällen Präkatalysatoren darstellen und entweder in isolierbarer Form vorgebildet oder direkt unter den Katalysebedingungen in situ generiert werden.
In initiierenden Schritten zu Beginn der Katalyse werden die Präkatalysatoren in den eigentlichen Katalysator A
überführt. Dieser verfügt meist über freie Koordinationsstellen am Metallzentrum, die von den achiralen Substraten
eingenommen werden. Dieser erste Schritt der Katalyse,
die Interaktion zwischen Katalysator und Substrat, führt zur
Ausbildung eines chiralen Komplexes B, in dem die miteinander reagierenden Komponenten innerhalb der stereochemisch definierten Umgebung des Metallzentrums
räumlich bereits korrekt angeordnet sind. Die eigentliche
Reaktion verläuft nun also innerhalb der durch den Liganden geprägten chiralen Umgebung. Dies ermöglicht eine
enantio-diskriminierende Steuerung der Ausbildung von
Bild oder Spiegelbild. Es resultiert ein Metallkomplex C, bei
dem das Produkt an das Metall koordiniert ist. Der eigentliche Katalysator A wird nun durch dissoziative Abspaltung
des Produkts regeneriert. Damit ist der Katalysezyklus geschlossen, und der Katalysator steht wieder zur Verfügung
(Abbildung 2).
ABB. 1
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MOLEKÜLS
D
In den vergangenen
5 Jahren wurden
zwei der Nobelpreise für Chemie
für Katalysatorforschung vergeben [3,4].
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Chemie in vier Dimensionen
Asymmetrische Katalyse bedeutet Chemie in vier Dimensionen [5]: die drei Raumrichtungen und die Zeit. Die Synthese eines Moleküls mit definierter absoluter Konfiguration erfordert, dass der beteiligte Katalysator während der
Bildung des chiralen Produktes die drei Dimensionen des
Raumes beherrscht. Für eine vollständige Enantioselektion,
d. h. das Erreichen von 100 % Enantiomerenüberschuss (ee)
im Produkt, ist die Struktur des Liganden im Wechselspiel
mit dem Metallzentrum entscheidend. Asymmetrische Katalysen hängen also primär von der Wahl des richtigen chiralen Liganden ab.
Darüber hinaus ist die Zeit eine entscheidende Größe,
die mit der Umsatzzahl TOF ausgedrückt werden kann. Hohe TOF-Werte entsprechen schnellen kinetischen Abläufen
innerhalb des Katalysezyklus. Manche der Reaktionsschritte des Gesamtzyklus können reversibel sein (Abbildung 2);
entscheidend für die kinetisch kontrollierte Entstehung der
Absolutkonfiguration des Produktes ist der erste irreversible Schritt. Hohe Umsatzfrequenzen können nur erreicht
werden, wenn alle beteiligten Metall-Komplexe A, B und C
weder sehr instabil, noch sehr stabil und zudem auf einfachem Wege ineinander überführbar sind. Dies erfordert
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geringe kinetische Barrieren zwischen den einzelnen beteiligten Komplexen. Um hohe Gesamtumsatzzahlen (TON)
zu erreichen, ist es wichtig, dass die Katalyse ohne Produktoder Substratinhibierung abläuft. Häufig führen unerwünschte Nebenprodukte zur teilweisen oder vollständigen Vergiftung des Katalysators. Der ökonomische Vorteil
der asymmetrischen Katalyse basiert darauf, dass mit der geringen Menge an asymmetrischer Information des Katalysators große Mengen an chiralen Molekülen erzeugt werden
können. Im optimalen Fall werden so mit jedem Katalysator n chirale Moleküle mit 100% ee ohne Bildung von
Nebenprodukten erhalten.
Prinzipiell sollte sich jede Reaktion, bei der ein Produkt
mit einem Chiralitätselement entsteht, asymmetrisch katalysieren lassen. Als am einfachsten hat sich die Umwandlung
von prochiralen sp2-konfigurierten Substraten erwiesen.
Hier muss der Katalysator an der zu transformierenden
Gruppe C=X die beiden enantiotopen Seiten unterscheiden. Bildlich gesprochen bedeutet dies, dass die Reaktion
von oberhalb oder unterhalb der Ebene erfolgen kann, in
der das Substrat liegt (Abbildung 3). Indem man also die
Absolutkonfiguration des Katalysators bzw. seines Liganden
vorgibt, kann man für gegebene Substratklassen die gewünschte Absolutkonfiguration gezielt bestimmen. Die Umsetzung von Molekülen mit bereits bestehenden Stereozentren erfordert eine effiziente chirale Unterscheidung der
beiden Enantiomere der Ausgangsmischung und ist vergleichsweise schwieriger – aber nicht unmöglich.
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ralen Information der koordinierenden Phosphane vorteilhaft sein sollte. Der wenig später von Kagan entwickelte
DIOP-Ligand erwies sich als bahnbrechend, da er die Effizienz eines C2-symmetrischen chiralen Kohlenstoffrückgrats
mit vom Metallzentrum entfernter Stereoinformation als
konzeptionell neues Ligandendesign einführte [7c]. Bis heute der erfolgreichste Ligand in der asymmetrischen Katalyse überhaupt ist das perarylierte C2-symmetrische Bisphosphin BINAP mit axialer Chiralität, das 1980 von Noyori beschrieben wurde und das für die Hydrierung von N-AcetylDehydroalanin vollständige Seitenselektivität im enantiodiskriminierenden Schritt vollbringt [9].
Allerdings weisen Katalysen mit Bisphosphin-RhodiumKatalysatoren einige bedeutende Nachteile auf. So ist der
exakte Verlauf der asymmetrischen Katalyse nicht immer
aus den thermodynamischen Analysen der beteiligten Intermediate verständlich [10] und der notwendige Wechsel
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VERLAUF EINER ASYMMETRISCHEN KATALYSE
Asymmetrische Katalysen an Beispielen
Hydrierungen
Seit den 1980er Jahren wurden eine Vielzahl von asymmetrischen Katalysen entwickelt, getestet und optimiert. Es
ist daher im Rahmen dieses Kurzaufsatzes kaum möglich,
mehr als einige „Appetitanreger“ in Form subjektiv ausgewählter Reaktionen zu präsentieren. Für ausführlichere Darstellungen muss auf entsprechende Monographien verwiesen werden [5,6].
Historisch gesehen setzt die Entwicklung der asymmetrischen Katalyse mit den Arbeiten von Horner [7a] und
Knowles [7b] zur enantioselektiven Hydrierung ein. Sie erkannten, dass die Modifikation des zur Hydrierung in homogener Phase etablierten Wilkinson-Katalysators [8] mithilfe von chiralen Liganden eine enantioselektive Reaktionsführung ermöglichen sollte. Während die Hydrierung
von 2-Phenylacrylsäure lediglich geringe Enantiomerenüberschüsse lieferte [7a], brachte die Untersuchung von
Dehydroaminosäuren den ersten, vor allem auch kommerziell bedeutenden Durchbruch (Abbildung 4). So gelang
der US-Firma Monsanto die Produktion der Aminosäure LDOPA, eines Wirkstoffes gegen Parkinson, über die Hydrierung eines Dehydroaminosäure-Vorläufers [7b]. Als Ligand kam mit DIPAMP ein Bisphosphin mit zwei stereogenen Phosphoratomen zum Einsatz. Knowles und Mitarbeiter gingen davon aus, dass für eine enantioselektive
Steuerung durch den Rhodium-Katalysator die Nähe der chiChem. Unserer Zeit, 2006, 40, 112 – 124
Entscheidend für
das stereochemische Ergebnis ist
die räumliche
Anordnung der
Liganden am
Metallzentrum.
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Die Reaktion kann
von oberhalb oder
unterhalb der Ebene erfolgen, in der
die Gruppe C=X
liegt. Der Katalysator muss diese
beiden enantiotopen Seiten unterscheiden.
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von Rh(I) auf Rh(III) innerhalb des Katalysezyklus führt zu
erheblichen Umsatzbeschränkungen bei nicht-olefinischen
Substraten. Gerade für die bedeutende Klasse der prochiralen Ketone sind chirale Rh-Katalysatoren meist vollkommen unbrauchbar.
Die heute effizientesten asymmetrischen Katalysen
überhaupt sind Hydrierungen auf Basis von Ruthenium-Katalysatoren [11]. Abbildung 5 zeigt die Hydrierung von 2Keto-Estern und verwandten Derivaten mittels eines BINAPRuthenium-Katalysators. Die Reaktion verläuft über ein
Ru(II)-Monohydrid 2, das durch Heterolyse eines Wasserstoffmoleküls aus dem vorgefertigten Katalysatorvorläufer
1, einem Rutheniumdichlorid, hervorgeht. Ein solches Rutheniumhydrid 2 kann reversibel mit dem Substrat wechselwirken, wodurch der Chelatkomplex 3 gebildet wird.
Eine Protonierung des Sauerstoffs der Ketofunktion erleichtert den intramolekularen Hydridtransfer. Das chirale
Produkt wird aus dem entstandenen Hydroxyester-Komplex
4 leicht unter Einwirkung eines Lösemittelmoleküls freigesetzt. Die Reaktion des resultierenden kationischen Ruthenium-Komplexes 5 unter Aufnahme eines Wasserstoffmoleküls zu 2 schließt den Katalysekreislauf.
Bei Verwendung eines (R)-BINAP–Ruthenium-Komplexes erhält man aus dieser Katalyse das (R)-konfigurierte Produkt in > 99 % ee. Dabei repräsentieren ÜZR and ÜZS die
beiden diastereomeren Übergangszustände mit den unterschiedlichen stereochemischen Lenkungen bei der ÜberABB. 4
> Meilensteine
asymmetrischer
katalytischer
Hydrierungen. Der
US-Firma Monsanto gelang über die
Hydrierung mit
DIPAMP als Ligand
die Produktion der
Aminosäure LDOPA, eines Wirkstoffes gegen Parkinson. Der DIOPLigand vereint ein
C2-symmetrisches
chirales Kohlenstoffrückgrat mit
vom Metallzentrum entfernter
Stereoinformation. Bis heute erfolgreichster Ligand in der asymmetrischen Katalyse ist das Bisphosphin BINAP.
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MEILENSTEINE
tragung des Hydrids. Im Übergangszustand ÜZR, der das
(R)-konfigurierte Produkt liefert, erfolgt die Komplexierung
des Ketoesters an den chiralen Katalysator so, dass die
Wechselwirkungen mit den äquatorial angeordneten Phenylringen des Liganden gering gehalten werden. Im diastereomeren Übergangszustand ÜZS dagegen resultiert eine
signifikante Wechselwirkung zwischen dem Rest R des Substrats und den Phenylringen des Liganden (Abbildung 5). Essentiell für die Ausbildung des konformativ definierten, stereodifferenzierenden Übergangszustands ist die Koordination des Carbonylsauerstoffs an das Rutheniumzentrum.
Wird die Reaktion mit 2-substituierten Ausgangsverbindungen durchgeführt, ergibt sich ein Spezialfall der asymmetrischen Katalyse [12]: Die racemische Substratmischung
kann nun zwei unterschiedliche diastereomere Übergangszustände ÜZSR und ÜZRR bilden. Die Bildung des letzteren
ist durch eine starke Wechselwirkung zwischen dem Substituenten an C2 und der Ligandenumgebung am Rutheniumkatalysator erheblich eingeschränkt. Wählt man die Reaktionsbedingungen so, dass eine schnelle Racemisierung
im Substrat nicht unterdrückt wird, gelingt eine asymmetrische Reduktion lediglich des einen Enantiomers, das zudem kontinuierlich aus dem anderen nachgebildet wird. Im
Idealfall ergibt sich eine Bruttoreaktion, die ein einziges
Diastereomer mit 100% ee liefert. Dies ist für den gezeigten
Fall der Hydrierung des konfigurationslabilen racemischen
2-Ketolaktons 6, ent-6 zu einem nahezu diastereomeABB. 5
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HYDRIERUNG MIT BINAP
>> Die heute effizientesten asymmetrischen Katalysen sind
Hydrierungen auf Basis von Ruthenium-Katalysatoren. Beispiel: Enantioselektive Carbonyl-Hydrierung von 2-Keto-Estern.
S = Lösemittel.
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renreinen Hydroxylakton 7 mit 94 % ee der Fall (Abbildung 6).
Von den industriellen Anwendungen der Hydrierungen
hat die stereoselektive Darstellung des Herbizids Metolachlor Aufsehen erregt (Abbildung 7) [13]. Metolachlor,
das 1970 entdeckt und seit 1978 in Größenordnungen von
mehr als 20.000 Tonnen pro Jahr unter dem Handelsnamen
Dual Magnum® verkauft wird, wurde zunächst in racemischer Form eingesetzt. Mit Auslaufen der ursprünglichen
Patente Anfang der 1990er Jahre wurde die Suche nach einer enantioselektiven Synthese aktuell. Da bekannt war,
dass die Wirksamkeit von Metolachlor auf dem asymmetrischen Kohlenstoffzentrum und nicht auf dem axialen Stereoelement der atropisomeren N-Aryl-Bindung beruht, bot
sich als erfolgsversprechender Zugang eine asymmetrische
Hydrierung des Imins 8 an.
Der Einsatz von Ir(I)-Salzen erlaubt eine effizientere Reaktionsführung, und unter Verwendung des Ferrocens 10
wird ein äußerst aktiver und stabiler Katalysator erzeugt.
Obwohl als Cokatalysatoren Iod und Schwefelsäure verwendet werden müssen und das System als solches bislang
nicht vollständig verstanden ist [13c], handelt es sich um
einen der schnellsten bekannten und damit effizientesten
Katalysatoren überhaupt: Das Substrat-Katalysator-Verhältnis
liegt bei über einer Million und innerhalb weniger Stunden
wird vollständiger Umsatz erzielt. Für die Produktion eines
Herbizids ist es da leicht zu verschmerzen, dass in der SynABB. 6
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DY N . K I N E T I S C H E R AC E M AT S PA LT U N G
Ein Spezialfall der asymmetrischen
Katalyse: die Dynamische Kinetische
Racematspaltung.
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these der Schlüsselzwischenstufe 9 lediglich ein Enantiomerenüberschuss von 82 % erhalten wird.
Höhere Enantiomerenüberschüsse können zwar mit anderen Ligandenstrukturen realisiert werden, jedoch meist
zum Preis einer herabgesetzten Reaktivität der resultierenden Katalysatoren. Ein interessantes Beispiel ist der von
Bolm beschriebene Sulfoximin-Ligand 11 (Abbildung 7).
Der aus ihm hervorgehende Iridium-Katalysator weist als
einzige Stereoquelle ein chirales Schwefelatom auf, das in
enantioselektiven Hydrierungen von Iminen wie 12 chirale Amine wie 13 mit Enantiomerenüberschüssen von bis zu
96 % erzeugt [14].
Neueste Konzepte für asymmetrische Hydrierungen verfolgen den Aufbau von Katalysatoren, die auf Metall-Substrat-Interaktionen verzichten. Da sich häufig die Spaltung
der beteiligten Bindungen zwischen Metall und Produkt besonders langsam vollzieht, verspricht man sich erhebliche
Geschwindigkeitssteigerungen, wenn Reaktionen ohne derartige Interaktionen verlaufen können. Ein besonders effizientes Beispiel ist für Ruthenium-Diamin-Chelate gegeben,
die in der Lage sind, Wasserstoff innerhalb einer MetallAmin-Einheit heterolytisch zu spalten und dann in einem
konzertierten Prozess auf das Substrat zu übertragen [15].
Abbildung 8 zeigt als Beispiel einen BINAP-Rutheniumdichlorid-Komplex 14, der einen zusätzlichen Diamin-Liganden trägt. Derartige Verbindungen erzeugen in Gegenwart von Base unerreicht schnelle Hydrierkatalysatoren, bei
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HYDRIERUNGEN: ANWENDUNGEN
Iridium-katalysierte asymmetrische Imin-Reduktionen. Oben: zur Herstellung des Herbizids Metolachlor; unten: mit einem Katalysator mit chiralem
Schwefelatom.
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denen es sich mit größter Wahrscheinlichkeit um die analogen Dihydride 15 handelt. Katalysator 15 kann Gesamtumsatzzahlen von bis zu 2.4 Millionen TON erzielen, wobei anfängliche TOF-Spitzenwerte von 67 s–1 erreicht werden.
Mit dem einfachen BINAP/Diphenylethylendiamin-System
14/15 wird für das Standardsubstrat Acetophenon ein Enantiomerenüberschuss von 80 % erhalten. Durch geeignete
Diaminliganden kann dieser Wert auf 99 % gesteigert werden, ohne dass die Katalysatoraktivität verloren geht.
Die enantiofaciale Differenzierung des Substrats wird
kinetisch an der molekularen Oberfläche des chiral-modifizierten RuH2-Katalysators vollzogen [15b]. Der abschließende Wasserstofftransfer verläuft über einen sechsgliedrigen Übergangszustand und beinhaltet die gleichzeitige
Übertragung eines Protons der Aminogruppe auf den Carbonylsauerstoff und eines Hydrids vom Ruthenium auf den
Carbonylkohlenstoff ohne direkte Ruthenium-Keton-Wechselwirkung. Dieses als Metall-Ligand-Bifunktionalität bekannte Prinzip konnte in ersten Ansätzen bereits auf weitere katalytische Reaktionen übertragen werden [16].
Oxidationen
Homogene Oxidationen mit Übergangsmetallen weisen gegenüber Hydrierungen eine wesentlich geringere Gesamtreaktivität auf. Zumeist werden hier Katalysatormengen
von 1-2 mol% benötigt, um effiziente Katalysen zu erreichen. Als klassisches Beispiel dient vor allem die von K. B.
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Sharpless entwickelte Reaktion der Titan(IV)-katalysierten
Epoxidierung von Allylalkoholen zu Glycidolen [17]. Die
hohe asymmetrische Induktion der Reaktion und die Tendenz des Titan(IV)-Katalysators, eventuell im Substrat vorhandene stereochemische Information zu übersteuern,
machten das Verfahren zu einem der populärsten Werkzeuge der stereoselektiven Katalyse der 1980er und 1990er
Jahre mit unzähligen Einsätzen in der Wirkstoff- und der
Naturstofftotalsynthese. Die Sharpless-Epoxidierung ist auf
die Substratklasse der Allylalkohole beschränkt; wirklich
effiziente asymmetrische Verfahren zu Epoxidierungen unfunktionalisierter Alkene [18] blieben lange Zeit unerreicht.
Obwohl im Vergleich zum preiswerten Titan das in der
asymmetrischen Dihydroxylierung verwendete Katalysatormetall eine teure Osmiumverbindung ist, hat sich diese
Reaktion zu der heute am breitesten anwendbaren und damit bedeutendsten Oxidationskatalyse entwickelt (Abbildung 9) [19].
Die Seitendifferenzierung des prochiralen Alkens wird
durch einen an den Osmiumtetroxidkatalysator komplexierten Chinuclidin-Liganden ermöglicht, der Bestandteil
der natürlich vorkommenden Cinchona-Alkaloide Chinidin
und Chinin ist. Je nach Wahl der Komponente lässt sich der
Angriff auf Alkene von oberhalb bzw. unterhalb der Prochiralitätsebene vorhersagen. Als optimal haben sich Liganden erwiesen, an denen zwei durch eine Phthalazineinheit
verbrückte Cinchona-Alkaloideinheiten beteiligt sind. Für
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Metall-Ligand-bifunktionelle asymmetrische Hydrierung. Der Diaminligand übernimmt eine Doppelrolle: Er bestimmt die chirale Konstitution
des Katalysators und ist zudem aktiv am Wasserstofftransfer beteiligt.
> Die asymmetrische katalytische Dihydroxylierung nach Sharpless hat
sich zur bedeutendsten Oxidationskatalyse entwickelt. Als Katalysator
dient eine Osmiumverbindung.
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das gezeigte Beispiel der Dihydroxylierung von Stilben werden so vollständige Enantiodifferenzierungen erreicht.
Der dieser Reaktion zugrundeliegende Katalysezyklus
ist in Abbildung 10 gezeigt. Der asymmetrische Katalysator
bildet sich in situ durch Koordination des chiralen Cinchona-Liganden an Osmiumtetroxid. Die Oxidation des Olefins liefert ein Osmium(VI)glykolat, das in Gegenwart von
Oxidationsmittel, meist Eisenhexacyanoferrat, zum Osmium(VIII)glykolat oxidiert wird. Der Ligand unterstützt die
nachfolgende Hydrolyse dieses Osmiumesters zum freien
Diol und regeneriert so das katalytisch aktive Osmiumtetroxid. Dieser Erste Katalysezyklus liefert Diole mit hohen
bis vollständigen Enantioselektivitäten. Jedoch kann bereits
auf der Stufe des intermediären Osmium(VIII)glykolats eine weitere Alkenoxidation auftreten.
Da diese in Abwesenheit des chiralen Cinchona-Liganden stattfindet, entstehen Bisglykolate mit lediglich geringen Diastereomerenüberschüssen, deren Hydrolyse Diole
mit niedrigen ee ergibt. Dieser Zweite Katalysezyklus sollte daher kinetisch unterdrückt werden, was im optimierten
Fall durch die Wahl eines Zweiphasenlösemittelsystems gewährleistet ist.
Viele asymmetrische Katalysen verlangen eine irreversible Komplexierung des chiralen Liganden an das Metallzentrum des aktiven Katalysators. Klassisch versucht man
daher, jegliche Dissoziation des Liganden vom Metallzentrum zu vermeiden, um das Auftreten einer katalysierten
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Produktbildung durch einen achiralen Katalysator zu umgehen. In manchen Fällen genügt jedoch auch eine labile
Koordination des chiralen Liganden. Dies ist immer dann
der Fall, wenn der resultierende Komplex aus Ligand und
Metallreagenz eine wesentlich höhere Reaktionsgeschwindigkeit aufweist als das Metallreagenz alleine. Ein solches
Phänomen wird als Ligandenbeschleunigte Katalyse [20]
bezeichnet und ist am eindrucksvollsten für die asymmetrische Dihydroxylierung von Stilben ermittelt worden. Hier
sorgt eine Ligandenbeschleunigung dafür, dass vollständige
Enantioselektivität bereits mit Ligandenmengen erreicht
wird, die unter denen des Osmiumtetroxids liegen: Dies
bedeutet, dass aus einer Mischung aus 10.000 Stilbenmolekülen, 20 Molekülen Osmiumtetroxid und nur einem Molekül des chiralen Liganden lediglich 400 Stilbenmoleküle
von nichtkomplexiertem OsO4 oxidiert werden. Die restlichen 9.600 Stilbenmoleküle werden enantioselektiv über
den vom OsO4/Ligand-Katalysator dominierten Weg dihydroxyliert.
Die Effizienz einer Katalyse wie der asymmetrischen
Dihydroxylierung wird eindrucksvoll am Beispiel der Perdihydroxylierung von Squalen vermittelt (Abbildung 11).
Bei Oxidation aller 6 Doppelbindungen sind insgesamt 36
Stereoisomere möglich. Der OsO4/Ligand-Katalysator sorgt
bei optimaler Reaktionsführung dafür, dass das Hauptprodukt 17 mit 100 % ee und in 78,9 % Ausbeute gebildet
wird. Dies entspricht einer durchschnittlichen Ausbeute
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Katalysekreisläufe der Asymmetrischen Dihydroxylierung nach
Sharpless. Der Zweite Zyklus, eine unerwünschte Nebenreaktion,
muss unterdrückt werden.
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Kinetische Racematspaltung durch aerobe Oxidation. Für das gezeigte Beispiel der Oxidation von 1-Phenylethanol erhält man einen S-Wert von 23,
was einem Enantiomerenüberschuss von 98,7 % bei 60 % Umsatz entspricht.
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von 98 % je Hydroxylierung [21]. Kein Enzym ist in der
Lage, vergleichbare Selektivität zu erzeugen.
Bei Oxidationskatalysen werden in der Regel organische
Oxidationsreagenzien verwendet, die ein Arbeiten in homogener Phase ermöglichen, jedoch den Nachteil haben,
dass ein organisches Nebenprodukt gebildet wird. Ökonomisch und ökologisch besonders attraktiv ist die Verwendung von molekularem Sauerstoff als Oxidationsmittel. Allerdings gelingen effiziente katalytische Reaktionsführungen zumeist nicht, da oft nur ein Sauerstoffatom ins Produkt
übertragen wird und häufig Nebenreaktionen zur Katalysatordeaktivierung auftreten.
Aerobe Bedingungen eignen sich sehr gut für ein kürzlich etabliertes Verfahren zur Racematspaltung von sekundären Alkoholen [22]. Im Gegensatz zur bereits diskutierten dynamischen kinetischen Racematspaltung, bei der nur
ein Produkt mit möglichst hohem Enantiomerenüberschuss
erzeugt werden soll, verfolgen kinetische Racematspaltungen das Ziel, gezielt nur ein Enantiomer einer racemischen
Mischung zur Reaktion zu bringen. Ein Beispiel neuerer Art
ist die Kombination von Palladium(II)-Salzen und dem natürlich vorkommenden Alkaloid (–)-Spartein zu einem chiralen
Palladium-Katalysator 18 (Abbildung 12) [22a]. Dieser Katalysator lagert sich in einem reversiblen Schritt an einen sekundären chiralen Alkohol an. Wird dieser Alkohol als Racemat eingesetzt, so besteht die Chance einer chiralen Erkennung und damit einer selektiven Reaktion des Kataly-
sators 18 mit einem der beiden Enantiomeren zum Intermediat 19. Eventuelle „Irrtümer“ des Katalysators fallen auf
dieser ersten, reversiblen Stufe nicht ins Gewicht, da der
entscheidende irreversible Schritt – eine nachfolgende Deprotonierung mit dem chiralen Spartein, das nun zusätzlich
als Base wirkt – mit großer Präferenz an dem Diastereomer
19 abläuft. Der entstandene Palladium-Alkoxid-Komplex 20
setzt durch β-Hydrideliminierung ein Keton frei und liefert
den Pd-HCl-Komplex 21. Durch aerobe Reoxidation wird
der Palladium(II)-Katalysator 18 regeneriert. Als Bruttoreaktion findet daher die aerobe Oxidation einer der beiden
enantiomeren Alkohole zum Keton statt, während der andere enantiomere Alkohol unter den Bedingungen der asymmetrischen Katalyse kinetisch inert bleibt. Wasserstoffperoxid ist ein weiteres Oxidationsmittel, das durch seinen
günstigen Preis und seine einfache Verfügbarkeit und Handhabbarkeit besticht. Im optimalen Fall fällt als Nebenprodukt der Oxidation lediglich Wasser an. Insbesondere für
die Epoxidierung von Alkenen ist lange Zeit nach geeigneten Katalysatoren zur Verwendung von H2O2 als Oxidationsmittel gesucht worden. Ein erster Durchbruch wurde
von Beller beschrieben. In Gegenwart eines aus Pyridindicarbonsäure und einem Pyridin-2,6-dioxazin-Liganden abgeleiteten Ruthenium-Katalysators 22 konnten zahlreiche
Styrole mit sehr guter bis exzellenter Selektivität und mit
ausgezeichneten Enantiomerenüberschüssen epoxidiert
werden (Abbildung 13) [23].
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Dialkylzink-Addition an Benzaldehyd
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Ein komplimentäres Epoxidierungssystem wurde von
Katsuki vorgestellt. Ausgehend von dimeren Titankomplexen 23 der Liganden 24 konnten zahlreiche Alkene mit unterschiedlichen Geometrien epoxidiert werden [24]. Der
genaue Mechanismus der Wasserstoffperoxid-Aktivierung
und die Struktur des aktiven Katalysators ist in beiden Fällen bisher unbekannt. Doch ist insbesondere der bereits erreichte Grad an Selektivität für ein bekanntermaßen schwieriges Substrat wie Styrol in beiden Fällen bemerkenswert.
C-C-Bindungsknüpfung
C-C-Bindungsknüpfungen sind elementare Syntheseprozesse zum Aufbau komplexer organischer Moleküle. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die erste homogene asymmetrische Katalyse in diese Kategorie fiel: Bei der Untersuchung einer Kupfer-katalysierten Cyclopropanierungsreaktion wurden allerdings nur geringe Enantiomerenüberschüsse von etwa 10% ee erhalten [25]. Unter Verwendung
des Kupfer-Katalysators 25, dessen Ligand aus der Aminosäure Phenylalanin leicht zugänglich ist, gelang einer
Industriegruppe bei Sumitomo eine asymmetrische Cyclopropanierung zum abgebildeten Cyclopropylester mit 92%
ee – einem Vorläufer in der industriellen Synthese von Cilastatin [26] (Abbildung 14).
Effizientere Katalysatoren für intra- und intermolekulare Reaktionen wurden von Pfaltz entwickelt, der die C2symmetrische Ligandenklassen der Semicorrine 26 und BisABB. 14
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oxazoline 27 einführte [27]. Mit ihnen gelingen ausgehend
von Diazoverbindungen als Carbenvorläufer effiziente Seitendifferenzierungen von Alkenen, wobei die entstehenden
Cyclopropane mit hoher Diastereoselektivität und ausgezeichneter Enantioselektivität von bis zu 99% ee gebildet
werden. Das Motiv der Bisoxazoline hat sich in einer ganzen
Reihe von asymmetrischen Katalysen als effizient erwiesen
[27,28]. So können mit ihrer Hilfe eine Reihe von DielsAlder-Reaktionen asymmetrisch katalysiert werden, die bedeutende Eröffnungszüge in Naturstofftotalsynthesen darstellen. Abbildung 14 zeigt eine hochselektive Diels-AlderReaktion mit Cyclopentadien, bei der ein Bisoxazolin-Kupfer-Katalysator durch Zwei-Punkt-Anbindung an das Dienophil eine fast vollständige Seitendifferenzierung des Olefins
im Substrat ermöglicht. Als ebenso erfolgreich haben sich
Seebachs von Weinsäure abgeleiteten TADDOL-Liganden
erwiesen [29].
Das Oxazolin-Motiv fand darüberhinaus Verwendung
beim Aufbau einer ganzen Reihe von Liganden des Typs 28
durch Helmchen und Pfaltz [30]. Je nach Variation des Arylrückgrats und der Substituenten R1, R2 und R3 sind stereochemische (planare Chiralität, stereogenes Phosphorzentrum) und sterische Feinabstimmungen möglich. Derartige
Liganden eröffnen eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten
in der asymmetrischen Katalyse, wobei die Entwicklung der
enantioselektiven allylischen Substitution [31] ein Hauptaugenmerk darstellt.
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a) eine erste
Cu-katalysierte
Cyclopropanierung;
b) effizientere
Katalysen mit Semicorrinen und
Bisoxazolinen;
c) selektive DielsAlder-Reaktion.
a)
b)
c)
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Diese Reaktion mit einem Liganden 28 (R1 = iPr und R2
= = Ph) verläuft für Natriumdimethylmalonat als Nucleophil hochenantioselektiv (Abbildung 15, obere Reaktionssequenz). Allerdings ist die Reaktion mechanistisch ein
Rätsel, denn die Analyse der Produktabsolutkonfiguration
lässt a priori nicht auf den exakten Reaktionsmechanismus
schließen. Die Analyse von asymmetrischen Katalyseverläufen sollte sich daher immer auf kinetische Daten stützen.
Diese kinetischen Zusammenhänge sind für den vorliegenden Fall komplex, da die beiden diastereomeren Intermediate exo-29 und endo-29 in Lösung in schneller Gleichgewichtseinstellung vorliegen. Das gefundene Überschussenantiomer des Produkts kann jedoch hinsichtlich des
Eintritts des Nucleophils an das koordinierte Allylsystem
entweder trans zum Phosphoratom des Liganden in exo-29
oder cis im Fall von endo-29 erfolgt sein. Erst moderne 2DNMR-spektroskopische Untersuchungen durch Reggelin
und Helmchen lieferten den Nachweis eines beteiligten intermediären Olefin-Metall-Komplexes 30, der aus einem Angriff auf exo-29 hervorgegangen sein muss [32].
Eine klassische C-C-Verknüpfungsreaktion ist die Dialkylzink-Addition an Aldehyde [33], die einen der Meilensteine in der Entwicklung und im Verständnis asymmetrisch
katalysierter C-C-Bindungsknüpfungen repräsentiert. Die
Reaktion weist den Vorteil auf, dass sie in Abwesenheit
eines Katalysators gar nicht, bzw. nicht selektiv und dass sie
nur katalytisch, nicht aber stöchiometrisch abläuft. DialkylR3
ABB. 17
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zink-Verbindungen zeigen eine lineare C-Zn-C-Bindungsgeometrie, so dass nur einer der beiden Alkylreste übertragen werden kann. Durch Koordination weiterer Liganden
an das Zinkatom wird die lineare Struktur verlassen und die
Zink-Alkyl-Bindungen für Transferreaktionen aktiviert. Bis
heute sind unzählige Liganden für diese Katalyse entwickelt
worden, wobei als Strukturmerkmal zumeist Aminoalkohole mit tertiärer Amineinheit zum Einsatz kommen. Für das
bisher bestuntersuchte System wird das in Abbildung 17
gezeigte (2S)-3-exo-Dimethylaminoisoborneol (31) (im folgenden DAIB) als Ligandenvorläufer verwendet. In Gegenwart von enantiomerenreinem DAIB wird so die Methylierung von Benzaldehyd zu einem Produkt mit einem Enantiomerenverhältnis von (S):(R) = 96:4 katalysiert. Die entsprechende Umsetzung mit Diethylzink liefert sogar ein Verhältnis von 99:1.
Es wird angenommen, dass ein Übergangszustand
durchlaufen wird, wie er in Abbildung 16 gezeigt ist. Ein
Diethylzink-Molekül reagiert hierbei in einem vorgelagerten Schritt mit dem Ligandenvorläufer unter Freisetzung
von Ethan zu einem Chelatkomplex 32, an den im Anschluss über das Sauerstoffatom ein weiteres Molekül Diethylzink koordiniert. Aufgrund seiner Ligandenumgebung
ist das erste Zinkatom als Lewis-saures Zentrum geeignet,
den Aldehyd zu koordinieren und so für die Alkylierung zu
aktivieren. Aufgrund der räumlichen Anordnung im Übergangszustand erfolgt die Übertragung der Ethylgruppe voll-
N I C H T- L I N E A R E R E F F E K T
ABB. 18
Ursache des nicht-linearen Effekts. Kurve 1 zeigt den
graphischen Zusammenhang für den gefundenen
positiven nicht-linearen Effekt, Gerade 2 gibt den im
Regelfall zu beobachtenden linearen Zusammenhang
gemäß der Gleichung (1) wieder. Die hier geschilderte
Gleichgewichtseinstellung (s. Text) zu einem mesoKomplex 33 erklärt den beobachteten positiven nichtlinearen Effekt als Konsequenz einer chiralen Erkennung.
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LIGANDEN
Ferrocenliganden für die asymmetrische
katalytische Arylierung von Aldehyden.
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A S Y M M E T R I S C H E K A T A LY S E
ständig seitenselektiv und führt somit zu dem nach der Katalyse auch tatsächlich isolierten (S)-konfigurierten 1-Phenylethanol.
Interessant ist die Betrachtung von Systemen, in denen
nicht-enantiomerenreine Liganden Verwendung finden. In
einem solchen Fall eines scalemischen Liganden wird
– nach dem linearen Zusammenhang
eemax = eeProd . eeAux–1 = 100
(1)
ein Produkt mit entsprechend erniedrigtem Enantiomerenüberschuss erwartet. Ein von der Gleichung abweichendes Verhalten ist in einer ganzen Reihe von Katalysen
entdeckt worden. Kagan hat für dieses Phänomen den Namen positiver nicht-linearer Effekt vorgeschlagen, bei dem
aus dem Einsatz eines Liganden mit vergleichsweise
geringem Enantiomerenüberschuss ein Produkt mit hoher
optischer Reinheit resultiert [34].
Das Verständnis des nicht-linearen Verhaltens für das
Katalysesystem der asymmetrischen Alkylierung unter Verwendung von Zinkorganylen wurde entscheidend von
Noyori entwickelt. Abbildung 18 zeigt für den bereits vorgestellten DAIB-Liganden das sich nach der Bildung der
primären Zinkalkoxid-Spezies einstellende Gleichgewicht
[35]. Anhand von Röntgenstrukturanalysen, kinetischen
und NMR-spektroskopischen Studien und Molekulargewichtsbestimmungen gelang eine genaue Bestimmung der
ABB. 19
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AU TO K ATA LYS E
Asymmetrische Autokatalyse: generelles Prinzip und
Beispielreaktion.
Chem. Unserer Zeit, 2006, 40, 112 – 124
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K ATA LYS E
Gleichgewichtsanteile aller beteiligten Komplexe. So konnte gezeigt werden, dass die beiden Monomeren (S)-32 und
(R)-32 mit ihren jeweiligen homochiralen Dimeren (S, S)33 und (R, R)-33 in einem von rascher Dissoziation geprägten Gleichgewicht stehen. Der andere entstehende
Komplex (R, S)-34, bei dem es sich um das heterochirale
Dimer und damit um eine meso-Verbindung handelt, hat gegenüber den beiden homochiralen Komplexen eine erheblich längere Lebensdauer. Das Unterschussenantiomer des
Liganden wird so in Form des katalytisch erheblich inaktiveren meso-Komplexes de facto aus der Katalyse entfernt,
wodurch das Überschussdiastereomer wie bei einem enantiomerenreinen Ligandenvorläufer den Katalyseverlauf dominiert.
Eine wichtige Neuerung wurde von Bolm eingeführt,
der zeigte, dass chirale Ferrocene Ligandenvorläufer für effiziente Katalysatoren in Übertragungsreaktionen von Diarylzink-Verbindungen sein können (Abbildung 18) [42].
Zum Beispiel gelingt in Gegenwart von 5 mol% 35 eine
enantioselektive Phenylierung von 4-Tolylaldehyd zum Diarylalkohol mit 75% ee. Anders als Dialkylzink-Reagenzien
ist Diphenylzink keine kinetisch inerte Verbindung. So
kommt es zum Auftreten einer unkatalysierten achiralen
Hintergrundreaktion, die zum Absinken des Gesamt-Enantiomerenüberschusses führt. Zudem gelingt unter den gewählten Bedingungen lediglich die unökonomische Übertragung eines der beiden Phenylreste aus dem ZnPh2. BeiABB. 20
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AU TO K ATA LY T I S C H E V E R S T Ä R KU N G
Asymmetrische autokatalytische Verstärkung eines Enantiomerenüberschusses.
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de Nachteile können überwunden werden, wenn als Reagenz eine aus Diethyl- und Diphenylzink in situ generierte
gemischte Alkylarylzink-Spezies verwendet wird. Unter den
modifizierten Bedingungen gelingt die Arylierung von 4Tolylaldehyd mit 98% ee. Entscheidend ist neben der nun
unterdrückten Hintergrundreaktion die effiziente Unterscheidung der beiden prochiralen Seiten des Aldehyds
durch die vom Liganden bereitgestellte chirale Information.
Aus der Kristallstruktur entnimmt man eine Vorzugskonformation von 35, bei der die tert-Butylgruppe des Oxazolins und ein Phenylring der Diphenylhydroxymethyl-Gruppe einander entgegengesetzt angeordnet sind. Im eigentlichen Zink-Katalysator führt die daraus resultierende Tasche
G LOSSA R
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Asymmetrischer Katalysator
Komplex aus Metallzentrum und einem oder mehreren Liganden, von denen
mindestens einer enantiomerenrein ist. Ein derartiger Komplex kann entweder
durch eine gezielte anorganische oder metallorganische Synthese oder aus
den einzelnen Komponenten in situ erzeugt werden. Für eine Reihe von asymmetrischen Katalysen ist die Struktur des aktiven Katalysators nicht bekannt;
häufig wird daher der (isolierbare) Präkatalysator fälschlicherweise als Katalysator bezeichnet.
Asymmetrische Katalyse
Ein Prozess, bei dem mithilfe eines asymmetrischen Katalysators stereogene
Zentren oder Elemente in nicht-racemischer Form erzeugt werden.
Asymmetrische Ligandenbeschleunigung
In Fällen, in denen die Anwesenheit eines chiralen Liganden zur Ausbildung
eines Gleichgewichts zwischen freiem Metall und ligiertem Metall führt, wobei
beide als Katalysatoren desselben Prozesses wirken können, treten unterschiedliche Geschwindigkeitskonstanten für die beiden Katalysatoren auf. Ist
die Geschwindigkeitskonstante k1 der Produktbildung durch den Katalysator,
der den chiralen Liganden trägt, größer als die des unligierten Katalysators
(k0), also (k1/k0) > 1, spricht man von einer ligandenbeschleunigten asymmetrischen Katalyse.
Chiraler Ligand
Organisches, anorganisches oder metallorganisches chirales Molekül, das ein
Metallzentrum vorübergehend oder permanent komplexieren kann. Dabei
muss die chirale Information des Liganden nicht originär auf stereogenen
Kohlenstoffatomen beruhen, auch wenn bei der Asymmetrischen Katalyse
meist stereogene Kohlenstoffatome erzeugt werden. Eine Reihe äußerst erfolgreicher Liganden basiert z.B. auf komplimentären Chiralitätsformen wie
axialer und planarer Chiralität bzw. auf der Verwendung anderer stereogener
Atome als Kohlenstoff. Für zwei im Artikel erwähnte chirale Liganden ist dies
oben gezeigt.
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bei der Komplexierung des Substrates zu einer effizienten
Seitendifferenzierung. Durch Koordination des Ethylphenylzink-Reagenzes an die Alkoxidgruppe ist die Absolutkonfiguration des Produkts noch vor der eigentlichen C-CKnüpfung bereits festgelegt. Die Reaktion ist breit anwendbar für eine Reihe von aliphatischen, aromatischen und
heteroaromatischen Aldehyden.
Asymmetrische Prozesse, bei denen Produkt und Katalysator in Konstitution und Absolutkonfiguration identisch
sind, ermöglichen die Verwirklichung eines interessanten
Spezialfalles: die Asymmetrischen Autokatalyse [37]. Bei
diesen Reaktionen katalysiert ein asymmetrischer Katalysator die Bildung eines Produkts, das ihm in Konstitution und
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Chiralität
Bezeichnet nach der Definition von Lord Kelvin das Phänomen des Auftretens
von Bild- und Spiegelbildisomerie. Im vorliegenden Aufsatz wird zumeist der
Einsatz bzw. die Bildung von Enantiomeren diskutiert. Diese werden nach der
gängigen Klassifizierung durch die Cahn-Ingold-Prelog-Konvention in (S)- oder
(R)-Konfigurationen unterteilt. Für eine vollständige Übersicht zu allen Begriffen und Definitionen: G. Helmchen in Methods of Organic chemistry: Stereoselective Synthesis, Vol. E21a, Seiten 1-103.
Enantiomerenreinheit
Für den Prozentsatz des Überschussenantiomers eines Moleküls gilt die
Definition:
ee (%) = (mÜberschussenantiomer – mUnterschussenantiomer)/ (mÜberschussenantiomer +
mUnterschussenantiomer).
Racematspaltung
Eine äquimolare Menge an Enantiomeren wird als Racemat bezeichnet. Eine
Racematspaltung mit einem asymmetrischen Katalysator beruht auf der kinetischen Unterscheidung der beiden Enantiomere eines Moleküls innerhalb einer racemischen Mischung. Als Gütezeichen der kinetischen Racematspaltung
wird häufig der S-Wert verwendet.
In einer dynamischen kinetischen Racematspaltung sorgt ein asymmetrischer
Katalysator für eine kinetische Präferenz zugunsten der Reaktion eines der
beiden Enantiomere. Unter Einsatz einer (achiralen) Racemisierungsreaktion
kann das verbleibende Enantiomer in das reaktive überführt werden, so dass
schließlich ein einziges diastereomeres Produkt mit hohem Enantiomerenüberschuss resultiert.
S-Wert
Gütezeichen der kinetischen Racematspaltung. Der S-Wert ist definiert als
S = k1/k2, wobei k1 die Geschwindigkeitskonstante für die Reaktion des
schneller reagierenden Enantiomers 1 und k2 die des langsamer reagierenden
Enantiomers 2 ist. Ist S hinreichend groß, so erhält man bei 50% Umsatz
enantiomerenreines 2.
TON: Umsatzzahl (turn-over number)
Durchschnittliche Anzahl der Moleküle Produkt je eingesetztem Molekül
Katalysator. Die TON ist stark abhängig von der Art der Katalyse.
TOF: Umsatzfrequenz (turn-over frequency)
Durchschnittliche Umsatzzahl je Stunde oder Sekunde.
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Konfiguration gleicht. Damit ist das Produkt selbst ein Katalysator und kann an seiner eigenen weiteren Bildung teilhaben (Abbildung 19 oben). Mit jedem Katalysezyklus wird
somit die Zahl der aktiven Katalysatoren verdoppelt, und
man beobachtet einen exponentiellen Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit zu Beginn der Katalyse, da mit Einsetzen der Reaktion immer höhere Konzentrationen an Katalysator vorliegen. Bisher sind derartige Reaktionen kaum
vorhersagbar und somit nicht planbar. Die einzigen verwirklichten Beispiele von effizienten asymmetrischen Autokatalysen stammen aus Arbeiten von Soai. Abbildung 19
zeigt das erste Beispiel einer asymmetrischen Autokatalyse
ohne Verlust an Enantiomerenreinheit [44]. Wird das enantiomerenreine Zinkpyrimidylalkoholat 36 als Katalysator in
der Alkylierung des Pyrimidylaldehyds 37 mit Di-iso-propylzink eingesetzt, so entsteht ein enantiomerenreines Produkt, das dieselbe Absolutkonfiguration wie der ursprüngliche Katalysator aufweist.
Verwendet man die Lösung des Produktes 36 als Katalysatorquelle für eine weitere Alkylierung von 37, lässt sich
die autokatalytische Bildung von 36 über beliebig viele Zyklen fortführen, ohne dass der Enantiomerenüberschuss von
36 absinkt. Im speziellen Fall ist dies für insgesamt 9 Zyklen
verifiziert worden.
Entscheidend für den Verlauf dieser Reaktion ist die mechanistische Frage nach der Unterdrückung des „falschen“
Enantiomers von 36. Da kein asymmetrischer Katalysator
perfekt ist, muss im Verlauf der Reaktionen auch ent-36 gebildet werden. Da dieses wiederum seine eigene Bildung
autokatalysiert, wäre mit fortschreitender Reaktion ein deutlicher Abfall des Enantiomerenüberschusses zu erwarten. In
der Tat beobachtet man ein solches Verhalten bei fast allen
asymmetrischen Autokatalysen, nicht jedoch im Fall von
Katalysen mit 36! Damit muss dieser asymmetrischen Autokatalyse ein spezieller Korrekturmechanismus zugrunde
liegen.
Im Zusammenhang mit der diskutierten Amplifikation
des Enantiomerenüberschusses im Fall der Dialkylzink-Addition an Aldehyde wurde zunächst ein solches Auftreten
katalytisch inaktiver meso-Dimerer von 36 postuliert. Gegenwärtig geht man davon aus, dass die aktiven Autokatalysatoren aus dimeren oder tetrameren homochiralen Einheiten von 36 bestehen [39]. Dies würde bedeuten, dass eine wirkungsvolle Autokatalyse nur dann ablaufen kann,
wenn zwei oder vier monomere Katalysatoren zum aktiven
Dimer oder Tetramer aggregieren. Gebildete Unterschussenantiomere ent-36 haben aufgrund ihrer geringen Konzentration somit nur eine verschwindend geringe statistische Möglichkeit zur Selbstreproduktion.
Die Effizienz derartiger asymmetrischer Verstärkungen
in Autokatalysen konnte Soai wiederum anhand des Pyrimidylalkoholats 36 demonstrieren. Setzt man einen Katalysator mit einem verschwindend geringen Enantiomerenüberschuss (also mit annähernd gleichem Anteil an 36 und
ent-36) in eine Reihe aufeinanderfolgender asymmetrischer
Autokatalysen ein, so benötigt das System lediglich drei ZykChem. Unserer Zeit, 2006, 40, 112 – 124
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K ATA LYS E
len, um enantiomerenreines Material zu generieren. Dies
entspricht einer Gesamtverstärkung des Überschussenantiomeren um einen Faktor von etwa 600 000! Die intellektuellen Anreize einer solchen Möglichkeit, gerade im Zusammenhang mit der Frage nach Ursprung und Verbreitung
von Homochiralität, sind offensichtlich.
Asymmetrische Katalyse ist eine Schlüsseltechnologie
zur Bereitstellung chiraler Moleküle mit definierter Absolutkonfiguration. Es lässt sich voraussehen, dass die Erfolgsgeschichte dieses Verfahrens in den nächsten Jahren weitergehen und Entwicklungen auf diesem Gebiet weiter
zunehmen werden. Noch immer sind die wirklich praktikablen Anwendungen eher beschränkt. Die steigende Nachfrage nach chiralen Materialien aller Art wird die Forschungsbemühungen zur Bereitstellung effizienter, praktikabler und ressourcenschonender Katalysen wesentlich
verstärken. Die Verwirklichung des Traums eines vollständigen Synthesearsenals auf Basis der asymmetrischen Katalyse ist nur von der Kreativität und dem intellektuellen Einsatz aller beteiligten Chemiker abhängig.
Zusammenfassung
Die asymmetrische Katalyse ist eine Schlüsseltechnologie. Der
vorliegende Aufsatz diskutiert allgemeine Grundlagen und
Prinzipien der asymmetrischen Katalyse und verdeutlicht die
Funktionsweise anhand ausgewählter Beispielreaktionen. Diese beinhalten asymmetrische katalytische Hydrierungen von
Alkenen, Ketonen und Iminen, asymmetrische Oxidationskatalysen wie die Dihydroxylierung und Epoxidierung von Alkenen sowie eine Reihe von asymmetrischen katalysierten C-CBindungsknüpfungen wie der allylischen Substitution, Cyclopropanierungen und Diels-Alder-Reaktionen sowie Dialkylund Diphenylzink-Additionen an Aldehyde. Im jeweiligen Zusammenhang werden auch typische Katalysephänomene wie
kinetische und dynamische kinetische Racematspaltung, Ligandenbeschleunigung, nicht-lineare Effekte und asymmetrische Autokatalyse besprochen.
Summary
Asymmetric Catalysis represents a key technology. The present article aims to discuss the fundamental principles of
asymmetric catalysis and describes the underlying working
mode on the basis of selected examples. These include asymmetric catalytic hydrogenations of alkenes, ketones and imines as well as asymmetric catalytic oxidations such as dihydroxylation and epoxidation of alkenes. In the area of asymmetric catalytic C-C bond formation, cyclopropanations and
Diels-Alder reactions as well as dialkyl and diphenylzinc additions to aldehydes. In addition, typical catalysis phenomena such as kinetic and dynamic kinetic resolution, ligand aceelerated catalysis, non-linear effects and asymmetric autocatalysis are considered within the respective context.
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Der Autor
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Kilian Muniz, geboren 1970 in Hildesheim, studierte
Chemie an der Universität Hannover, dem Imperial
College London und der Universidad de Oviedo in
Spanien. Nach seinem Diplom wechselte er 1996 an
die RWTH Aachen, wo er 1998 bei Carsten Bolm
promovierte. Von 1999-2000 arbeitete er bei Ryoji
Noyori an asymmetrischen katalytischen Hydrierungen. Im Zeitraum 2000-2005 fertigte er im Umfeld
von Karl Heinz Dötz an der Universität Bonn seine
Habilitation an. Seit Ende 2005 ist er als Professeur
Associé an der Universität Louis Pasteur in Straßburg. Er erhielt zahlreiche Stipendien und Auszeichnungen, unter anderem den ADUC Jahrespreis für
Habilitanden. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf
dem Gebiet der asymmetrischen Katalyse und
Synthese mit Übergangsmetallkomplexen.
Korrespondenzadresse:
Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie, Gerhard-Domagk-Str. 1, D-53121 Bonn.
Fax: 49 228 735813;
E-Mail: [email protected]
und
Faculté de Chimie, Institut Le Bel, Université Louis
Pasteur, 4, rue Blaise Pascal, F-67070 Strasbourg
Cedex, Frankreich; Fax: 33 390241526;
E-Mail: [email protected]
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