Universität zu Köln

Enantioselektive Katalyse in Verbindung mit theoretischen Rechenmodellen

Leven, Matthias (2013) Enantioselektive Katalyse in Verbindung mit theoretischen Rechenmodellen. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In this work several catalytically active systems were designed which are able to activate electrophilic agents by interactions with Lewis or Brönsted-acids. These catalysts are generally chiral substances which are developed to perform chiral induction in catalytically creation of stereocenters. One type of catalysts has already been designed during the diploma thesis and is based on modular terpene-ligands with flexible chiral biaryl axes. In this work it was found that these flexible biaryl axes incorporated in the chiral ligands are able to rotate without sterical hindrance and do therefor not carry any chiral information. It could be shown by in situ-spectroscopic studies, that these complete flexible biaryl axes receive stereochemical information, when Zink is implemented. The resulting complexes are homochiral and it was shown that the highly efficient chiral induction in catalysis is exclusively due to the homochiral adjustment of the flexible biaryl axes. This stereochemical mechanism was proven by quantum chemical calculations. Catalytic tests in the enantioselective addition of dialkylzink-agents to benzaldehyde gave yields up to 99% and enantiomeric excesses up to 96%ee. These catalysts were also tested in the asymmetric alkynylation of various aldehydes with yields up to 99% and 86%ee. Another type of chiral catalysts was derived from trans-1,2-diaminocyclohexane by formal alkylation of the aminogroups. These molecules exhibit two secondary and two ternary aminogroups so that C2-symmetric structures arise from the stereochemical properties. Catalysts of this type were designed for an organocatalytic approach of activating Michael-acceptors by imine formation and stepwise protonation. Applications were limited to additions of thiophenol to Michael-acceptors. A third group of newly designed catalysts enables ”LUMO-activation” of Michael systems by aminocatalysis with a novel Lewis acid activation by alkali metals. Sulfonic acids had been derived from chiral trans-1,2-diamnes which form imines with incorporated alkali metal ions. This catalytic feature was used for the asymmetric addition of 4-hydroxycoumarines to α,β-unsaturated ketones with yields up to 99% and enantiomeric excesses up to 83%ee. Among the catalytic products is also the pharmacologically active Warfarin. It was also found, that this type of semi-organic catalysts enables catalysis under very mild conditions. The measured pH-values of the in situ milieu was at the range of nine. This is very unusual for organocatalysis with amino-mediated “LUMO-activation”, since strong acid additives are essential components for ordinary systems. Mechanistic insights are also given by quantum chemical computations which were also crucial for the development of enantioselective ligands. Additionally quantum chemical studies about mechanistic processes in organocatalysis and photochemistry were performed. (Publications can be found on the second to last page of this document)

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden verschiedene katalytisch aktive Systeme entwickelt, deren Prinzip darin besteht, elektrophile Reagenzien durch Wechselwirkungen mit verschiedenen Lewis-Säuren oder auch Brönsted-Säuren zu aktivieren. Dabei handelt es sich um chirale Verbindungen, die bei der katalytischen Bildung von Stereozentren eine chirale Induktion bewirken sollen. Die erste Gruppe von Katalysatoren umschließt modulare Terpen-basierte Zinkalkoxide mit axialer Chiralität. Die in den entsprechenden, schon in der voraufgegangenen Diplomarbeit designten Liganden enthaltene Biarylachse ist zunächst frei drehbar und wird erst durch die Einführung des Metalls in einer homochiralen Ausrichtung fixiert. Entsprechende mechanistische NMR-Untersuchungen und quantenchemische Berechnungen zeigen, dass hier einzig die Ausrichtung der frei drehbaren Biarylachse für die chirale Induktion verantwortlich ist. In der asymmetrischen Addition von Dialkylzink-Verbindungen an aromatische Aldehyde werden mit Hilfe dieser Systeme Ausbeuten von 99% und Enantiomerüberschüsse bis 96%ee erzielt. In einer analogen Alkinylierung verschiedener Aldehyde konnten Ausbeuten bis 99% und Enantiomerüberschüsse bis 87% erzielt werden. Bei der zweiten Gruppe chiraler Katalysatoren handelt es sich um enantiomerenreine trans-1,2-Diaminocyclohexan-Derivate mit zwei sekundären und zwei tertiären Aminofunktionen, die stufenweise mit verschiedenen Brönsted-Säuren protoniert werden, können um in der Organokatalyse eingesetzt zu werden. Hier wurden vollständige Umsätze in der Addition von Thiophenol an Michaelakzeptoren erzielt, ohne dass chirale Induktionen erreicht wurden. Die dritte Gruppe neu entwickelter Katalysatoren besteht aus einer Reihe Sulfonsäuren und deren Metallsalzen, die sich von chiralen trans-1,2-Diaminen ableiten. Diese Verbindungen bilden Imine mit α,β-ungesättigten Carbonylverbindungen, die durch intramolekulare Chelatbildung als Michael-Akzeptoren aktiviert werden. Hierbei herrschen zum Teil außerordentlich milde Reaktionsbedingungen vor. Es konnten in situ pH-Werte von 8-9 gemessen werden, was für die Anwendung von Aminkatalysatoren sehr ungewöhnlich ist. In der asymmetrischen nucleophilen Addition von 4-Hydroxycumarin an α,β-ungesättigte Ketone werden hier, mit Hilfe dieser Katalysatoren nahezu vollständige Umsätze und Enantiomerüberschüsse von bis zu 83%ee erzielt. Dadurch werden unter anderem auch pharmakologisch wichtige Antikoaggulantien zugänglich. Umfangreiche quantenchemische Berechnungen geben detaillierte Einblicke in den mechanistischen Ablauf dieser Katalyse und veranschaulichen die Funktion der Lewis-Säure. Zusätzlich wurden auch rein theoretische, mechanistische Untersuchungen aufgrund von quantenmechanischen Rechenmodellen zu weiteren Themen durchgeführt. Darunter sind auch aktuelle Fragestellungen der Organokatalyse und der Photochemie. (Publikationen zu den einzelnen Themen sind auf der vorletzten Seite dieser Arbeit aufgeführt).UNSPECIFIED
    Creators:
    CreatorsEmail
    Leven, Matthiasmatthias.leven@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-52414
    Subjects: Chemistry and allied sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Enantioselektive KatalyseUNSPECIFIED
    ComputerchemieUNSPECIFIED
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Organische Chemie
    Language: German
    Date: 24 July 2013
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 24 June 2013
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 13 Aug 2013 09:14:58
    Referee
    NameAcademic Title
    Goldfuss, BerndProf Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5241

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