Photoisomerisierung als Zugang zu Übergangszustandskombinationen in Thioharnstoff- Iminium- und Dienaminkatalysen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war es durch eine Kombination von experimentellen NMR-spektroskopischen Techniken, theoretischen Rechnungen und Photoisomerisierungen die Reaktionswege, Intermediatstrukturen und Stereoinduktionsmoden in organokatalytischen Enamin-, Dienaminund Iminiumreaktionen beispielhaft aufzuklären. In der Enaminkatalyse konnten erstmals die Bildungswege des zentralen Enaminintermediates im Detail aufgeklärt werden, was durch kinetische Analysen der einzelnen Intermediattransformationen ermöglicht wurde. Zusätzlich wurde erstmals in chemischen Mechanismusstudien an Iminiumintermediaten gezeigt, dass mittels CEST (chemical exchange saturation transfer) auch Intermediate unterhalb des NMR- Detektionslimits indirekt qualitiativ und quantitativ beobachtbar sind, was eine neue Dimension in der Reaktionsforschung eröffnete. Die erste organokatalytische Eninbildung aus Enaminen und Nitronaten wurde gefunden. Das E/Z-Dilemma in Dienaminen konnte adressiert werden und erstmals experimentell eine schnellere Reaktion der Z-Intermediate gezeigt werden. Dieses Beispiel zeigte die generelle Bedeutung der E/Z-Isomere und deren Bildungs- und Reaktionswege für die Stereoinduktion in Organokatalysen und eröffnete zusammen mit der Möglichkeit durch Photoisomerisierung deren Verhältnisse zu verändern, neue Methoden Reaktionsmechanismen zu analysieren oder sogar Stereoinduktionen zu verändern. Dies wurde im zweiten Teil des Projektes als Hauptziel verfolgt. So konnten organokatalytische Zyklisierungsreaktionen durch Photoisomerisierung beschleunigt werden. In der Iminiumkatalyse konnten bisher nicht detektierbare und identifizierbare Intermediate durch Photoisomerisierung verstärkt, detektiert und zugeordnet werden. Die Hauptherausforderungen für die erfolgreiche Anwendung von Photoisomerisierung in Katalysen und für die Reaktionsmechanismuserforschung sind schnelle thermische Rückisomerisierungen sowie ineffiziente und/oder unselektive Photoisomerisierungen, die bei Reaktionsintermediaten nochmals herausfordernder sind. Daher wurden kinetische NMR Zugänge, und die Vorzüge von 19 F Spektren an stabileren Azophotoschaltern entwickelt und die Temperatureinflüsse auf deren intrinsische Kinetiken untersucht. Bei den ausführlichen Untersuchungen zur Anwendung von Photoisomerisierungen in der Iminiumkatalyse wurden dezidierte Ionenpaar-Aggregateffekte auf die Rückisomerisierung gefunden. Dies führte auch zum Verständnis von Ionenaggregateffekten in C(sp3)–H Fluorinierungsreaktionen. Durch Reaktionsmechanismusanalyse konnten die Effizienzen so gesteigert werden, dass dies sogar zu einer internationalen Patentanmeldung geführt hat. Insgesamt wurden in diesem Projekt einzigartige Einblicke in die Intermediatestrukturen und Reaktionswege in der Enamin, Dienamin und Iminium-Katalyse gewonnen sowie neuartige NMR-Techniken entwickelt, Reaktionsintermediate unterhalb des NMR-Detektionslimits sichtbar zu machen und deren Kinetik und Thermodynamik experimentell zu messen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The Proline Enamine Formation Pathway Revisited in Dimethyl Sulfoxide: Rate Constants Determined via NMR. Journal of the American Chemical Society, 137(40), 12835-12842.
Haindl, Michael H.; Hioe, Johnny & Gschwind, Ruth M.
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Remote-Stereocontrol in Dienamine Catalysis: Z-Dienamine Preferences and Electrophile–Catalyst Interaction Revealed by NMR and Computational Studies. Journal of the American Chemical Society, 138(31), 9864-9873.
Seegerer, Andreas; Hioe, Johnny; Hammer, Michael M.; Morana, Fabio; Fuchs, Patrick J. W. & Gschwind, Ruth M.
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Enamine/Dienamine and Brønsted Acid Catalysis: Elusive Intermediates, Reaction Mechanisms, and Stereoinduction Modes Based on in Situ NMR Spectroscopy and Computational Studies. Accounts of Chemical Research, 50(12), 2936-2948.
Renzi, Polyssena; Hioe, Johnny & Gschwind, Ruth M.
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Chemical Exchange Saturation Transfer in Chemical Reactions: A Mechanistic Tool for NMR Detection and Characterization of Transient Intermediates. Journal of the American Chemical Society, 140(5), 1855-1862.
Lokesh, N.; Seegerer, Andreas; Hioe, Johnny & Gschwind, Ruth M.
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Unprecedented Mechanism of an Organocatalytic Route to Conjugated Enynes with a Junction to Cyclic Nitronates. European Journal of Organic Chemistry, 2019(2-3), 328-337.
Streitferdt, Verena; Haindl, Michael H.; Hioe, Johnny; Morana, Fabio; Renzi, Polyssena; von Rekowski, Felicitas; Zimmermann, Alexander; Nardi, Martina; Zeitler, Kirsten & Gschwind, Ruth M.
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Combination of illumination and high resolution NMR spectroscopy: Key features and practical aspects, photochemical applications, and new concepts. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 114-115, 86-134.
Nitschke, Philipp; Lokesh, Nanjundappa & Gschwind, Ruth M.
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Benzoates as photosensitization catalysts and auxiliaries in efficient, practical, light-powered direct C(sp3)–H fluorinations. Chemical Science, 13(47), 14041-14051.
Yakubov, Shahboz; Stockerl, Willibald J.; Tian, Xianhai; Shahin, Ahmed; Mandigma, Mark John P.; Gschwind, Ruth M. & Barham, Joshua P.
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Substrate Photoswitching for Rate Enhancement of a Organocatalytic Cyclization Reaction. European Journal of Organic Chemistry, 2022(26).
Žabka, Matej & Gschwind, Ruth M.
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Azotriptycenes: Photoswitchable Molecular Brakes. Chemistry – A European Journal, 30(6).
Stockerl, Willibald J.; Reißenweber, Lilli; Gerwien, Aaron; Bach, Nicolai N.; Thumser, Stefan; Mayer, Peter; Gschwind, Ruth M. & Dube, Henry
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Photo enhancement reveals (E,Z) and (Z,Z) configurations as additional intermediates in iminium ion catalysis. Chemical Communications, 59(10), 1325-1328.
Stockerl, Willibald J. & Gschwind, Ruth M.
