Molekulare Maschinen mit einem Roboterarm, der die Stereochemie von katalysierten Reaktionen kontrollieren kann

• Antragsteller: Dr. Marcel Dommaschk
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321165850

In diesem Projekt sollen molekulare Maschinen synthetisiert werden, die die Stereochemie von katalysierten Reaktionen kontrollieren. Die Maschinen verfügen über einen Roboterarm (oder Rotor), an den das Edukt gebunden ist, und zwei chiralen katalytischen Zentren (Enantiomere), die an gegenüberliegenden Seiten eines Stators gebunden sind. Die Position des Rotors ist entscheidend dafür, welches Enantiomer die Reaktion katalysiert und somit auch, welche Stereoinformation das gebildeten Produkt enthält. Das Konzept ist prinzipiell für jede Art chiraler Katalyse anwendbar. Die erste geplante Maschine soll chirale Prolinderivate enthalten, welche Aldehyde sogar für zwei aufeinander folgende Reaktionen (Dominoreaktion) aktivieren können. Einer Iminium-Aktivierung (Funktionalisierung der beta Postion) folgt eine Enamin-Aktivierung (Funktionalisierung der alpha Position). Folglich können bei dieser Kaskade vier Diastereomere entstehen. Da durch den Roboterarm das aktivierende Prolinderivat für beide Schritte unabhängig voneinander gewählt werden kann, sollte die Maschine die gezielte Synthese eines einzigen Diastereomers ermöglichen.Die Schalteinheit ist das Herzstück der geplanten Maschine. Damit das Edukt nur mit einem der beiden katalytischen Zentren reagieren kann, muss sich der Robotorarm (oder Rotor) möglichst um 180° drehen. Der Stator, der die katalytischen Zentren trägt, muss dabei statisch bleiben. Eine solche Bewegung auf molekularer Ebene wird am besten durch die Rotation um eine Doppelbindung realisiert. Die E/Z Isomerie von Hydrazonen hat sich für solche Vorgänge bereits bewährt. Über den pH Wert kann gesteuert werden, welches der beiden Isomere vorliegt. Damit die katalytischen Reaktionsschritte einen hohen enantiomeren Überschuss liefern können, muss die E/Z-Schaltung quantitativ sein. Die erste Aufgabe wird es sein, einen geeigneten Hydrazon-Schalter für diesen Zweck zu entwickeln. Der neu entwickelte Hydrazon Schalter wird anschließend für die molekulare Maschine verwendet.Die Maschine soll durch eine konvergente Synthese erhalten werden. Rotor und Stator können unabhängig voneinander synthetisiert und anschließend zusammengefügt werden. Im letzten Schritt wird die molekulare Maschine mit einem Edukt (alpha, beta ungesättigtes Aldehyd) ausgestattet. Dieses wird reversibel über eine Disulfid Brücke an den Rotor gebunden, damit das Produkt nach der Katalyse wieder abgespalten werden kann. Das Aldehyd soll erst zur Reaktion mit einem Nukleophil (Iminium-Aktivierung) und dann mit einem Elektrophil (Enamin-Aktivierung) gebracht werden. Nach Abspaltung von der Maschine kann über chirale Chromatographie die Produktverteilung analysiert werden. Im optimalen Falle wird nur eines der vier möglichen Diastereomere erhalten. Durch entsprechende Schaltung des Hydrazons vor der Imin- bzw. Enamin Aktivierung könnte dann jedes andere Diastereomer ebenfalls gezielt erhalten werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor David A. Leigh, Ph.D.