Licht als Werkzeug für die Synthese komplexer Moleküle
Einen neuartigen und unkomplizierten Weg zur Herstellung komplexer organischer Moleküle haben Chemiker der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster entwickelt. Milde Reaktionsbedingungen, ein einfacher Betrieb, Skalierbarkeit und die Verwendung eines preiswerten und handelsüblichen Photosensibilisators machen das Verfahren für industrielle Anwendungen interessant. Die Ergebnisse der Studie sind nun in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ erschienen.
„Sichtbares Licht hat sich bei der Synthese komplexer organischer Moleküle als leistungsfähiges Werkzeug erwiesen“, erläutert Prof. Dr. Frank Glorius. „Mit seiner Energie gelingt es uns, bestimmte chemische Bindungen X-Y zu brechen.“ Die dadurch entstehenden Fragmente X und Y sind sehr reaktiv, so genannte Radikale. Sie können sich schnell und kontrolliert an Olefine A anlagern, wobei biologisch wertvolle Moleküle (X-A-Y) entstehen: β-Aminosäuren. Der Arbeitsgruppe von Frank Glorius ist es auf diese Weise gelungen, einen bifunktionellen Oxim-Oxalat-Ester zu synthetisieren, der sowohl die Amin- als auch die Esterfunktionalitäten für die Reaktion über eine Energietransferstrategie (EnT) bereitstellt. Diese metallfreie und milde Methode zeichnet sich zudem durch eine breite Substratpalette mit bis zu 140 Beispielen und eine ausgezeichnete Toleranz gegenüber empfindlichen funktionellen Gruppen aus. „Substrate, die vom einfachsten Ethylen bis zu komplexen (Hetero)arenen reichen, können an der Reaktion teilnehmen und bieten somit einen allgemeinen und praktischen Zugang zu β-Aminosäurederivaten – selbst zu solchen mit bisher unzugänglichen strukturellen Merkmalen“, erklärt Frank Glorius das Verfahren. β-Aminosäuren kommen als wichtige Komponenten in zahlreichen biologisch aktiven Molekülen zum Einsatz, etwa in Arzneimitteln und Naturprodukten.
Zur Methode
Die Aminocarboxylierungsreaktion wurde unter einfachen und milden photochemischen Bedingungen durchgeführt. Als organischen Photosensibilisator verwendeten die Autoren der Studie ein handelsübliches Thioxanthon. Die meisten anderen Methoden zur Herstellung von β-Aminosäurederivaten erfordern metallvermittelte mehrstufige Manipulationen an vorfunktionalisierten Substraten. Der Energietransfer ermöglicht hingegen eine metallfreie, hochgradig regioselektive intermolekulare Reaktion für den einstufigen Einbau von sowohl Amino- als auch Esterfunktionalitäten in Alkene oder (Hetero)arene. Für die gleichzeitige Bereitstellung von C-zentrierten Ester- und N-zentrierten Iminylradikalen verwendeten die Wissenschaftler als bifunktionelles Reagenz ein Oxim-Oxalsäureester.
Finanzierung
Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung von der Alexander von Humboldt-Stiftung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 858). Zudem trug das Institute for Basic Science (IBS-R010-D1) der Republik Korea durch finanzielle Förderung eines Auslandsaufenthaltes zum Erfolg bei.
Originalpublikation
Guangying Tan, Mowpriya Das, Hyeyun Keum, Peter Bellotti, Constantin Daniliuc and Frank Glorius: Photochemical single-step synthesis of β-amino acid derivatives from alkenes and (hetero)arenes. Nature Chemistry (2022); DOI: 10.1038/s41557-022-01008-w