Temperaturgesteuerter Katalysator

Mit heiß und kalt zu Enantiomeren

Viele chemische Verbindungen existieren als Bild und Spiegelbild: Wie linke und rechte Hand unterscheiden sie sich in ihrer räumlichen Ausrichtung. Oft sind auch die Eigenschaften dieser beiden sogenannten chiralen Moleküle sehr verschieden – ihre saubere Synthese ist daher für die Entwicklung von Arzneimitteln oder in der Agrarchemie von sehr großer Bedeutung.

Der stereochemisch, also hinsichtlich seines dreidimensionalen Aufbaus flexible Rhodium-Katalysator bildet bei tiefer Temperatur bei der Hydrierung von Acetamidozimtsäure ein Enantiomer (Bild) und nach dem Erwärmen des Katalysators das Spiegelbild davon in hoher Selektivität und mit vollständigem Umsatz.

Der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Oliver Trapp am Organisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg ist es nun erstmals gelungen, einen Katalysator zu entwickeln, der nur durch Temperaturkontrolle beide molekulare Spiegelbilder einer Verbindung erzeugt. Publiziert wurde die wissenschaftliche Arbeit in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.

Ob das ätherische Öl Carvon nach Kümmel oder Minze riecht, wird von seiner räumlichen Gestalt bestimmt, von seiner Chiralität oder „Händigkeit“. Die beiden molekularen Spiegelbilder einer Verbindung, die als Enantiomere bezeichnet werden, können höchst unterschiedliche Eigenschaften aufweisen oder Wirkungen entfalten.

So wird L-Dopa als Parkinson-Medikament gegen den Dopamin-Mangel eingesetzt, weil es – kombiniert mit einem Wirkstoff, der vor vorzeitiger Umwandlung schützt – im Gehirn zu Dopamin verstoffwechselt wird. Sein Spiegelbild D-Dopa dagegen ruft allenfalls eine Abnahme der Leukozyten im Blut hervor. Eine saubere Synthese der jeweiligen Enantiomere, also von einem der beiden Spiegelbilder, spielt bei der Herstellung von Arzneimitteln, agrarchemischen Produkten, Feinchemikalien oder Duftstoffen eine entscheidende Rolle.

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Bislang werden zu dieser selektiven Synthese enantiomerenreiner Produkte meist enantiomerenreine Katalysatoren eingesetzt, die sich ebenfalls wie Bild und Spiegelbild verhalten. Diese herzustellen ist aufwändig und zeitintensiv. Die Gruppe von Prof. Dr. Oliver Trapp hat jetzt einen Katalysator entwickelt, der beide molekulare Spiegelbilder bis hin zur hohen Reinheit eines Produkts erzeugt – wobei die Selektivität allein durch die Temperatur gesteuert wird.

Wie Prof. Trapp, dessen „AMPCAT“-Projekt (Self-Amplifying Stereodynamic Catalysts in Enantioselective Catalysis) seit 2010 mit einem ERC Starting Grant der EU gefördert wird, außerdem betont, ist die beschriebene temperaturgesteuerte Selektivität nicht allein für die Synthese enantiomerenreiner Produkte von Interesse. Sie könnte ein Schlüsselprinzip bei der Erzeugung homochiraler Verbindungen durch einen Temperaturgradienten sein, wie man es bei der Polymerisation von RNS beobachtet hat. Solche Mechanismen sind für die Erforschung der Entstehung des Lebens bedeutsam.

Originalveröffentlichung:
G. Storch, O. Trapp: Temperaturgesteuerte bidirektionale Enantioselektivität eines dynamischen Katalysators für asymmetrische Hydrierungen. Angewandte Chemie, 2015, 127, 3650-3656, DOI: 10.1002/ange.201412098.

Kontakt:
Prof. Dr. Oliver Trapp
Organisch-Chemisches Institut
trapp@oci.uni-heidelberg.de

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