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Was Ringe machen | Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg haben ungeordnet verpackte Gummiringe untersucht: Wie sie mit Röntgentomografie nachwiesen, berühren alle Gummiringe einander, wenn diese länger sind als die Verpackung. Diese Erkenntnis hilft dabei, ringförmige synthetische Polymere und Biomoleküle wie die DNA bakteriophager Viren zu beschreiben.Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2020, 117, 3382Schalteigenschaften memristiver Bauelemente beeinflussen | Der elektrische Widerstand eines Memristors wird mit durchflossener Ladung richtungsabhängig größer oder kleiner. Je nach Reinheit der zentralen Oxidschicht in einem solchen Bauelement verändern sich dessen Eigenschaften. Fremdatome beeinflussen Transporteigenschaften und Löslichkeit der Schichten. Je höher die Dotierung, desto langsamer ändert sich der Widerstand der Elemente. Mit diesem Wissen lassen sich unterschiedlich erregbare künstliche Synapsen herstellen.Sci. Adv. 2020, doi: 10.1126/sciadv.aaz9079Wie Elektrolyte metallisch werden | Ein Berliner Forscherteam hat ermittelt, wie einzelne, in Ammoniak gelöste Alkalimetallatome metallisches Verhalten entwickeln. Dazu untersuchte das Team die Alkalimetallkonzentrationen mit Photoelektronenspektroskopie (PES). Gibt es nur einzelne gelöste Elektronen, erscheint die Lösung schwach blau. Die Farbe intensiviert sich, sobald erste Dielektronen auftreten. Grund: Die Lösung absorbiert Licht im roten Bereich; im PES-Spektrum tritt ein Peak bei 2 eV auf. Dieser verbreitert sich zu einem Band, je mehr die Elektronenkonzentration steigt – dies zeigt sich an einem Farbwechsel ins Goldene.Science 2020, doi: 10.1126/science.aaz7607Molekulare Selbstorganisation verstanden | Mit einem Rastertunnelmikroskop haben Kieler Wissenschaftler die Waben untersucht, die aus dem dreieckigen Molekül Methyltrioxatriangulenium auf Gold- und Silberoberflächen entstehen. Sie steuerten nicht nur die Größe der Molekülanordnungen, sondern entwickelten außerdem ein Modell der strukturbildenden Kräfte. Mit diesem lassen sich die unerwartet großen Strukturen – die Untereinheiten der größten Muster enthalten 3000 Moleküle, zehnmal mehr als bisher berichtet – nicht nur erklären, sondern auch vorhersagen und gezielt herstellen.Angew. Chem. Int. Ed. 2020, doi: 10.1002/anie.202001383Magnete aus dem 3-D-Drucker | Forscher der TU Graz stellen NdFeB- und FeCo-Magnete mit laserbasiertem 3-D-Druck her. Dabei wird das Metallpulver schichtweise aufgetragen, und die Partikel werden durch Schmelzen miteinander verbunden. Während des Drucks kann die Mikrostruktur kontrolliert werden, sodass sich die magnetischen Eigenschaften einstellen lassen.Materials 2020, 13, 139Eliza Leusmann

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Aus den Materialwissenschaften

Was Ringe machen | Forscher der Universität Erlangen-Nürnberg haben ungeordnet verpackte Gummiringe untersucht: Wie sie mit Röntgentomografie nachwiesen, berühren alle Gummiringe einander, wenn diese länger sind als die Verpackung. Diese Erkenntnis hilft dabei, ringförmige synthetische Polymere u...

Die enantiokonvergente Katalyse ermöglicht, aus racemischen Edukten enantiomerenangereicherte Verbindungen herzustellen. Anders als die kinetische Racematspaltung basiert sie auf alten Konzepten und neuen Methoden, die Ausbeuten über 50 Prozent liefern.
Oft wirken Enantiomere unterschiedlich. Daher ist es besonders bei Pharmazeutika attraktiv, Moleküle enantioselektiv aufzubauen. Enantiomere haben bis auf die optische Aktivität dieselben physikalischen Eigenschaften. Lange bestand die einzige Möglichkeit, ein Enantiomer rein zu erhalten, darin, ein Racemat in einer chiralen Umgebung zu trennen. In den letzten Jahren entstanden immer mehr Methoden, um racemisches Startmaterial selektiv in ein Enantiomer umzusetzen.<h2>Stereogenes sp3-Zentrum aus sp2- Startmaterial</h2>Stereogene Kohlenstoffzentren entstehen in Molekülen beispielsweise durch Addition an Doppelbindungen (sp2-Zentren) oder durch Substitution an gesättigten Systemen (sp3-Zentren). Die Stereochemie hängt dabei vom Reaktionsmechanismus ab und davon, an welcher Seite die neue Bindung entsteht. In einer achiralen Umgebung gibt es meist keinen Seitenvorzug, und es bildet sich ein Racemat. Beispiele dafür sind die Addition an Carbonylgruppen und die SN1-Reaktion (Abbildung 1a,b). Die Carbonylgruppe und das intermediäre Carbokation sind beide trigonal-planar, und ein Nukleophil kann von beiden Seiten angreifen. Da die Addition von einer Seite ein spezifisches Enantiomer liefert, sind die beiden Seiten enantiotop.<figure><img src="https://media.graphcms.com/kpa9rdztTD6sxavhKeqn"><figcaption><label>Abb. 1: </label>a) Durch die Addition an eine Carbonylgruppe von den enantiotopen Seiten entstehen Enantiomere. b) Verlust der Stereoinformation während der SN1-Reaktion. c) Eine enantioselektive Aldoladdition unter Kupferkatalyse mit chiralen Liganden.</figcaption></figure>
Ein racemisches Produkt lässt sich mit chiralen Reagenzien oder Katalysatoren verhindern. Diese greifen in den Reaktionsverlauf ein und schirmen zum Beispiel eine Reaktionsseite des Edukts ab. Ein Beispiel dafür sind chirale CuII-Komplexe mit enantiomerenreinen (S,S)-Pyridinbisoxazolinliganden,1,2) die erstmals Ende der 1990er David Evans und Mitarbeiter einsetzten. Der CuII-Komplex ermöglicht enantioselektive Aldoladditionen mit funktionalisierten Carbonylverbindungen (Abbildung 1c). Während der Reaktion schirmt der Ligand die Rückseite ab, sodass das Nukleophil nur von der Vorderseite angreifen kann. Die Konsequenz ist eine hohe Selektivität für das (S)-konfigurierte Aldoladdukt. Die Katalysatorstruktur bestimmt das Produktenantiomer.<h2>Kinetisch Racemate trennen: Enantiomere mit sp3-Stereozentren</h2>Einige Reaktionen an sp3-Zentren beeinflussen das Stereozentrum. Dabei sind sowohl Erhalt und Inversion als auch Verlust der Stereoinformation möglich. Ein Beispiel mit Inversion ist die SN2-Reaktion (Abbildung 2a, S. 68). Die Stereochemie des Produkts ist hierbei durch das Edukt gegeben: Racemisches Startmaterial liefert racemisches Produkt.<figure><img src="https://media.graphcms.com/eMN1ODs8SLyxYBEPL95s"><figcaption><label>Abb. 2: </label>a) Die SN2-Reaktion invertiert die Konfiguration. b) Grundprinzip der kinetischen Racematspaltung. c) Selektiv oxidierte Benzylalkohole ermöglichen die kinetische Racematspaltung.</figcaption></figure>
Um ein Racemat enantioselektiv umzusetzen, dienen Reagenzien oder Katalysatoren, die selbst chiral sind und sich oft von Naturstoffen ableiten. Gerade von enantiomerenreinen chiralen Katalysatoren genügen Kleinstmengen, um das gewünschte Produkt in großen Mengen enantiomerenangereichert und mit hoher Enantioselektivität zu erhalten.Mit der katalysierten, kinetischen Racematspaltung lassen sich zwei Enantiomere mit stereogenem sp3-Kohlenstoff-Zentrum unterscheiden. Dazu wird das racemische Edukt aus (S)- und (R)-Enantiomer mit einem chiralen Katalysator umgesetzt (Abbildung 2b). Da der Katalysator mit beiden Enantiomeren unterschiedlich interagiert, reagiert zum Beispiel das (S)-Edukt schneller als das (R)-Edukt (kA &gt;&gt; kB). Wird die Reaktion nach 50 Prozent Umsatz gestoppt, besteht das Produkt aus enantiomerenreinem (S)-Produkt und nicht umgesetzten (R)-Edukt.Die erste Racematspaltung führte in den 1850er Jahren Louis Pasteur durch:3) Er setzte racemisches Ammoniumtartrat mit dem Schimmelpilz Penicillium glaucum um. Das zurückgewonnene Tartrat war mit (S,S)-Tartrat angereichert, weil nur das (R,R)-Tartrat verstoffwechselt wurde. Als chirale Katalysatoren dienten die Enzyme im Pilz.Außer biologischen lassen sich auch synthetische Katalysatoren einsetzen. Ein Beispiel dafür präsentierte die Arbeitsgruppe um Ryōji Noyori im Jahr 1997 in Form der enantioselektiven Oxidation von Benzylalkoholen (Abbildung 2c).4) Als Katalysator diente ein RuII-Komplex mit chiralem (S,S)-Diphenylethylendiaminliganden. Dieses Reaktionsgemisch oxidiert selektiv sekundäre (S)-Benzylalkohole und lässt den nicht umgesetzten (R)-Alkohol in hoher Enantiomerenreinheit zurück.Der Vorteil der kinetischen Racematspaltung ist die selektive Umsetzung eines Enantiomers. Der Nachteil: Die Ausbeuten betragen maximal 50 Prozent, da nur die Hälfte des Edukts reagiert.In den letzten 25 Jahren sind Methoden aufgekommen, die sich unter „enantiokonvergenter Katalyse“ zusammenfassen lassen. Bei dieser Art Katalyse reagieren beide Eduktenantiomere selektiv zu einem Produktenantiomer (Abbildung 3a). Der chirale Katalysator steuert dabei die Stereoselektivität. Nach Brian Stoltz muss eine enantiokonvergente Katalyse vier Bedingungen erfüllen:5)<figure><img src="https://media.graphcms.com/QzOjOpWWRgi1YuF9zK2O"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Grundprinzip der a) enantiokonvergenten Katalyse und der b) dynamischen, kinetischen Racematspaltung. c) Asymmetrische Hydrierung von β-Ketoestern unter Rutheniumkatalyse mit chiralem Liganden.</figcaption></figure>
<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>Das Edukt liegt als Racemat vor.<list-item>Jedes Eduktenantiomer gibt das gleiche Produktenantiomer.</list-item><list-item>Das Produkt muss mit einem Enantiomer angereichert sein.</list-item><list-item>Der Katalysator muss die stereochemische Information induzieren.</list-item>Inzwischen haben sich zwei Ansätze herauskristallisiert. Bei beiden läuft vor der eigentlichen Produktbildung ein Reaktionsschritt ab, der beide Eduktenantiomere umsetzt.<h2>Dynamische kinetische Racematspaltung</h2>Eine Möglichkeit für einen vorgeschalteten Reaktionsschritt ist, beide Eduktenantiomere zu racemisieren. Dadurch wandeln sie sich ineinander um und liegen im Gleichgewicht vor (Abbildung 3b). Dies lässt sich mit einer kinetischen Racematspaltung koppeln, die bevorzugt ein Enantiomer umsetzt. Aufgrund des Gleichgewichts liefert das benachteiligte Eduktenantiomer das bevorzugte immer wieder nach.Für eine maximale Ausbeute muss die Racemisierung schneller ablaufen als die Racematspaltung (krac &gt;&gt; kA &gt;&gt; kB). Die Kombination dieser beiden Teilreaktionen, meist als dynamische kinetische Racematspaltung bezeichnet, gehört zur stereomutativen, enantiokonvergenten Katalyse. Eine der ältesten und bekanntesten Arbeiten dazu stellte die Noyori-Gruppe Ende der 1980er Jahre vor:6)Mit einem RuII-Komplex und chiralem (R)-Bisphosphinliganden reduzierte sie racemische, α-substituierte β-Ketoester enantio- und diastereoselektiv (Abbildung 3c). Der Ketoester racemisiert über seine Keto-Enol-Tautomerie. Aufgrund der α-Substitution ermöglicht die Reduktion der Ketogruppe vier Stereoisomere. Die Diastereoselektivität wird weitestgehend durch die Eduktstruktur und den daraus resultierenden Übergangszustand bestimmt. So bilden cyclische β-Ketoester bevorzugt das anti- und α-Amino-β-Ketoester das syn-Produkt. Die Enantioselektivität steuert der chirale Bisphosphinligand.Das Konzept der dynamischen kinetischen Racematspaltung beschränkt sich nicht auf die Metallkatalyse. Wenn das Startmaterial nicht spontan racemisiert, sind zusätzliche Katalysezyklen einzuführen, die die Racemisierung ermöglichen. Die katalysierte Racemisierung und die enantioselektive Transformation müssen zusätzlich orthogonal zueinander sein.In den letzten Jahren wurden Katalysemethoden entwickelt, die viele orthogonale Kombinationen ermöglichen. Ein Beispiel lieferten die Arbeitsgruppen um David MacMillan und Todd Hyster in diesem Jahr.7) Beide Gruppen kombinierten Organo-, Photo- und Enzymkatalyse, um β-substituierte Cyclohexanone zu reduzieren (Abbildung 4). Die Reduktion zum Cyclohexanol verläuft enantio- und diastereoselektiv. Das Cyclohexanon racemisiert in drei Katalysezyklen: Mit einem Pyrrolidinderivat entsteht ein Enamin, das durch einen IrIII-Komplex photokatalytisch zum β-Enaminylradikal oxidiert wird. Anschließend überträgt ein Thiol ein Wasserstoffatom auf das Radikal und vollendet so die Racemisierung. Der Wasserstoffatomtransfer ist zudem mit der Photokatalyse gekoppelt, sodass sich der Ausgangskomplex und das Thiol regenerieren. Zur kinetischen Racematspaltung dient dann ein Enzym wie die Ketoreduktase oder die Alkoholdehydrogenase.<figure><img src="https://media.graphcms.com/MUZLWAsRaK03YJphSf7m"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Kombination von Photo -und Enzymreaktionen für die enantiokonvergente Katalyse.</figcaption></figure>
<h2>Stereoablative Katalyse</h2>Statt beide Eduktenantiomere zu racemisieren, lässt sich ein achirales Intermediat nutzen, das beide Eduktenantiomere gleichermaßen bilden (Abbildung 5a).5) Dies ist zum Beispiel möglich, wenn Carbeniumionen, C-zentrierte Radikale oder allylische Anionen entstehen. Der Kohlenstoff hybridisiert in der trigonal-planaren sp2-Form, wobei sich die Stereoinformation verliert. Da beide Seiten des Intermediats enantiotop sind, bevorzugt ein chiraler Katalysator eine der beiden Seiten. Die Stereoinformation der Edukte verschwindet, daher heißt diese Art der enantiokonvergenten Katalyse stereoablativ.<figure><img src="https://media.graphcms.com/3geSVSkqSf2ql4JcQleg"><figcaption><label>Abb. 5: </label>a) Grundprinzip der stereoablativen, enantiokonvergenten Katalyse, b) enantiokonvergente Kupplung racemischer α-Bromamide, c) vorgeschlagener Mechanismus für die nickelkatalysierte Kupplung racemischer Alkylelektrophile.</figcaption></figure>
Auch bei der stereomutativen Katalyse entstehen achirale Intermediate, allerdings verläuft dies im Gegensatz zur stereoablativen Katalyse reversibel. Für eine effiziente stereoablative Katalyse müssen beide Eduktenantiomere das achirale Intermediat ähnlich schnell bilden (k1 ≈ k2). Zudem muss sich auch hier ein Produktenantiomer schneller bilden als das andere (kA &gt; kB).Diese Art der enantiokonvergenten Katalyse wird vor allem von der Arbeitsgruppe um Gregory Fu erforscht. Die Gruppe will racemische Alkylelektrophile stereoselektiv mit Alkylnukleophilen kuppeln. Bei der ersten, im Jahr 2005 publizierten Reaktion reagieren racemische α-Bromamide mit primären Alkylzinkhalogeniden (Abbildung 5b).8) Diese Arbeit ist zudem die erste enantiokonvergente Kreuzkupplung racemischer Alkylelektrophile. Kurz darauf veröffentlichte die Gruppe Reaktionen mit racemischen Elektrophilen wie Indanylbromiden, Allylchloriden und Propargylbromiden.9–11) Als chiraler Katalysator dient ein NiII-Komplex mit chiralem Pyridinbisoxazolinliganden. Die Kupplungen verlaufen dabei mit sehr guter Enantioselektivität von meist mehr als 90 Prozent. Viele funktionelle Gruppen wie Ester, Ether und Amide werden toleriert, ohne dass Stereoselektivität oder Ausbeute sinken. Wie mechanistische Studien zeigen, katalysiert der Ni-Komplex sowohl den stereoablativen Schritt als auch die Produktbildung (Abbildung 5c).12)Am Anfang der Katalyse entsteht ein intermediärer NiI-Komplex, der ein Halogen vom Alkylelektrophil abstrahiert und ein Alkylradikal bildet.13) Das Radikal reagiert mit dem Alkylnickel(II)-halogenid zum NiIII-Komplex, der das Kupplungsprodukt reduktiv eliminiert. Die oxidative Addition läuft daher radikalisch und bimetallisch. Da ein Alkylradikal zwei enantiotope Seiten hat, steuert der chirale Ligand die Stereoselektivität.<h2>Mit Allylen und Allenen</h2>Die für die stereoablative Katalyse prädestinierten Intermediate sind nicht nur Radikale wie bei der Nickelkatalyse, sondern auch allylische oder allenylische Verbindungen. Repräsentativ ist die Umsetzung von Allenen unter Iridiumkatalyse, wie sie vor wenigen Jahren Erick Carreiras Arbeitsgruppe beschrieben hat (Abbildung 6).14) Auch sie nutzte Organozinkverbindungen, als Katalysatorsystem diente ein Iridium(I)-Salz und als chiraler Ligand das Phosphoramid (Abbildung 6). Damit lassen sich verschiedene Elektrophile wie Naphthaline und substituierte Benzole umsetzen, denn die Substituenten am Phenylring beeinflussen Ausbeute und Stereoselektivität kaum.<figure><img src="https://media.graphcms.com/bfLlWyhEQTSA9QxKOzoW"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Stereoablative, iridiumkatalysierte Substitution an Allenen.</figcaption></figure>
Auch unterschiedliche Organozinkverbindungen kommen als Nukleophile infrage; so tolerieren Ester, Nitrile und Alkene die Reaktionsbedingungen. Die Ausbeuten betragen zwischen 57 und 74 Prozent. Die Stereoselektivität ist mit Werten über 93 Prozent hoch.<h2>Zweifach enantiokonvergent</h2>Anfang dieses Jahres präsentierte die Fu-Gruppe die erste zweifach enantiokonvergente C-C-Kupplungsreaktion, bei der beide Startmaterialien racemisch sind und der chirale Katalysator Enantio- und Diastereoselektivität steuert. Konkret kuppelte die Gruppe Propargylbromide mit β-zinkierten Amiden (Abbildung 7).15) Der genutzte Nickelkomplex ist im Handel erhältlich und stabil.<figure><img src="https://media.graphcms.com/7TSp087aQkOxD0HnNNgE"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Zweifach enantiokonvergente C-C-Bindungsknüpfung von Propargylbromiden mit Zinkorganylen unter Nickelkatalyse.</figcaption></figure>
Die Reaktion kann vier Diastereomere erzeugen, liefert aber unter den Reaktionsbedingungen selektiv das anti-konfigurierte. Allein das chirale Isochinolinoxazolin als Ligand bewirkt die hohen Enantioselektivitäten von bis zu 95 Prozent. Vermutlich koordiniert die Amidgruppe durch diesen Liganden. Nach Meinung der Forscher basiert die Stereokontrolle des Alkylnukleophils auf der zusätzlichen Koordination.Als elektrophile Reaktionspartner eignen sich sowohl Alkylketten und Aromaten als auch Ether. Die Ausbeuten liegen dann zwischen 62 und 82 Prozent. Die ee-Werte für das bevorzugte Diastereomer sind größer als 89 Prozent.Die enantiokonvergente Katalyse gewinnt auch als Methode zur C-C-Bindungsknüpfung an Bedeutung. Bisher beschäftigen sich allerdings nur wenige Gruppen damit. In den nächsten Jahren werden die Mechanismen der einzelnen Transformationen geklärt werden. Zudem lässt sich die enantiokonvergente Katalyse wahrscheinlich mit Photo-, Elektro- und Mechanochemie verbinden.<h2>Der Autor</h2>Ivan Vilotijevic, Jahrgang 1979, ist seit 2015 Juniorprofessor für organische Chemie an der Universität Jena. Er und sein Team beschäftigen sich mit Lewis-Base-Katalyse, Chemie der organischen Phosphorverbindungen und Naturstoffsynthese. Bei diesem Beitrag unterstützten ihn Michael Duong und Markus Lange. <email><a href="mailto:ivan.vilotijevic@uni-jena.de">ivan.vilotijevic@uni-jena.de</a></email><div><img src="https://media.graphcms.com/ncCu9WFhSIimcI83EQzH">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Bei der enantiokonvergenten Katalyse reagieren beide Eduktenantiomere selektiv zum gleichen Produkt. Dabei induziert der Katalysator die stereochemische Information.Die stereoablative Katalyse startet mit einem chiralen Edukt, dessen Stereoinformation zunächst verschwinden muss. Das eigentliche Reagenz ist ein achirales Intermediat.Die enantiokonvergente Katalyse gewinnt als Methode zur C-C-Bindungsknüpfung an Bedeutung.Die Serie Synthese im Blickpunkt will zur Beschäftigung mit neuen synthetischen Verfahren oder eleganten und wichtigen organischen Synthesen anregen. Die Beiträge zur Serie verfassen dieses Jahr Ivan Vilotijevic und Franziska Thomas.
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1 D. A. Evans, M. C. Kozlowski, J. A. Murry et al., J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 669–685</li><li>
2 D. A. Evans, C. S. Burgey, M. C. Kozlowski, S. W. Tregay, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 686–699</li><li>
3 M. L. Pasteur, C. R. Acad. Sci. 1858, 46, 615–618</li><li>
4 S. Hashiguchi, A. Fujii, K.-J. Haack et al., Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 288–290</li><li>
5 J. T. Mohr, J. T. Moore, B. M. Stoltz, Beilstein J. Org. Chem. 2016, 12, 2038–2045</li><li>
6 R. Noyori, T. Ikeda, T. Ohkuma et al., J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 9134–9135</li><li>
7 J. S. Dehovitz, Y. Y. Loh, J. A. Kautzky et al., Science 2020, 369, 1113–1118</li><li>
8 C. Fischer, G. C. Fu, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 4594–4595</li><li>
9 F. O. Arp, G. C. Fu, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10482–10483</li><li>
10 S. Son, G. C. Fu, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2756–2757</li><li>
11 S. W. Smith, G. C. Fu, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12645–12647</li><li>
12 N. D. Schley, G. C. Fu, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16588–16593</li><li>
13 H. Yin, G. C. Fu, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 15433–15440</li><li>
14 D. A. Petrone, M. Isomura, I. Franzoni, S. Rössler, E. M. Carreira, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4697–4704</li><li>
15 H. Huo, B. J. Gorsline, G. C. Fu, Science 2020, 367, 559–564</li></ul>

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