Zwei chirale Katalysatoren arbeiten Hand in Hand: Chemiker der Universität Münster entwickeln neues Syntheseverfahren

So wie unsere linke Hand mit unserer rechten Hand nicht deckungsgleich ist, wenn man sie übereinanderlegt, können auch Moleküle Spiegelbilder haben, die bei Drehung oder Verdrehung nicht überlagert werden. Die beiden Spiegelbilder werden von Chemikern als Enantiomere bezeichnet und die entsprechende Eigenschaft des Moleküls als chiral.

Diese Chiralität, ein Wort, das sich aus dem altgriechischen Wort für Hand ableitet, ist wichtig, da es in unserem täglichen Leben präsent ist. So können die Stereoisomere eines Moleküls – also Verbindungen, bei denen das Bindungsmuster gleich ist, die sich aber in der räumlichen Anordnung der Atome unterscheiden – bei der Interaktion mit einem biologischen System unterschiedliche Effekte hervorrufen.

Die Stereoisomere eines Medikaments beispielsweise können unterschiedliche oder sogar gegensätzliche Wirkungen auf den Körper haben – weshalb es von entscheidender Bedeutung ist, bestimmte Stereoisomere eines pharmazeutischen Wirkstoffs herzustellen.

Eine zentrale Aufgabe für Chemiker ist es, synthetische Verfahren zu entwickeln, die möglichst schaltbar sind und selektiv das eine oder andere Stereoisomer aus einfachen und identischen Ausgangsmaterialien unter bestimmten Reaktionsbedingungen herstellen können. Ein Forscherteam um Prof. Dr. Frank Glorius von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) hat jetzt ein neues Verfahren zur gezielten Synthese aller vier Stereoisomere von sogenannten α,β-disubstituierten γ-Butyrolactonen entwickelt.

γ-Butyrolactone sind weit verbreitete Verbindungen in Naturprodukten, die viele biologische Funktionen haben. Ein wichtiges Beispiel ist Pilocarpin, ein Medikament zur Behandlung des Glaukoms. Das neu entwickelte Syntheseverfahren basiert auf der Kombination von zwei chiralen Katalysatoren – einem Organokatalysator und einem Metallkatalysator, die jeweils unabhängig voneinander einen der beiden Reaktionspartner aktivieren.

„Mir gefällt das Bild, dass diese beiden Katalysatoren Hand in Hand arbeiten“, betont Prof. Dr. Frank Glorius. Die Katalysatoren werden während der Reaktion nicht verbraucht oder verändert und arbeiten synchron, um das Endprodukt effizient herzustellen. Es enthält zwei sogenannte Stereozentren, also bestimmte Anordnungen der zentralen Atome innerhalb des Moleküls. Da jedes Stereozentrum zwei mögliche Orientierungen – nach oben oder unten – aufweisen kann, können in diesem Fall vier mögliche Produkte erzeugt werden.

Die Chemiker nutzen in ihrem Verfahren die verschiedenen Kombinationen der beiden chiralen Katalysatoren, um die Bildung von nur einem der vier möglichen Produkte zu kontrollieren, können aber auf jedes der Produkte zugreifen – eine Eigenschaft, die nur wenige chemische Prozesse aufweisen.

„Unsere Methode rationalisiert die Synthese von chiralen α,β-disubstituierten γ-Butyrolactonen in einem einzigen Schritt, ausgehend von einfachen Vorläufern und unter Verwendung von zwei chiralen Katalysatoren. Es ist ein System, bei dem man im Grunde genommen wählen kann, welches Stereoisomer man herstellen möchte“, sagt Dr. Santanu Singha, einer der Erstautoren.

„Die Enantioselektivität ist perfekt, besser als 99 Prozent in fast allen Fällen“, betont auch Dr. Eloisa Serrano, eine weitere Hauptautorin. Da die γ-Butyrolacton-Produkte im Kern mehrerer Naturprodukte mit interessanten biologischen Aktivitäten stehen, erwarten die Autoren, dass ihre Methode für die Arzneimittelforschung relevant ist. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Catalysis“ veröffentlicht.

Förderung:

Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Leibniz-Preis) und der Europäischen Union (Marie Skłodowska-Curie-Maßnahme).

Prof. Frank Glorius
Phone: +49 251 8333248
glorius@uni-muenster.de

S. Singha & E. Serrano et al. (2019): Diastereodivergent synthesis of enantioenriched α,β-disubstituted γ-butyrolactones via cooperative N-heterocyclic carbene and Ir catalysis. Nature Catalysis; DOI: 10.1038/s41929-019-0387-3

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0387-3#article-info Originalpublikation in „Nature Catalysis“
https://www.uni-muenster.de/Chemie.oc/glorius/index.html WWU-Forschergruppe Prof. Frank Glorius