Künstliche Metallenzyme zur C(sp3)-H-Aktivierung

Enzyme sind die Maschinen der Natur, die alle wesentlichen chemischen Reaktionen in jedem lebenden Organismus durchführen. Diese Maschinen - oder besser gesagt Katalysatoren - sind bei ihren Reaktionen außerordentlich selektiv, indem sie spezifische Umwandlungen effizient durchführen und gleichzeitig unerwünschte Nebenreaktionen vermeiden. Sie werden von organischen Chemikern besonders für ihre Selektivität bewundert, da sie nur eines von zwei möglichen Spiegelbildern des Produkts bilden. Spiegelbildliche Moleküle bestehen aus den gleichen Atomen und Bindungen, haben die gleiche Energie, sind aber nicht mit ihrem Spiegelbild identisch und können sich daher im Körper unterschiedlich verhalten. Im Labor ist es äußerst schwierig, chemische Reaktionen auf diese Weise zu kontrollieren, und die Produkte werden oft als Gemische erhalten. Ein Nachteil von Enzymen ist jedoch, dass sie auf Reaktionen innerhalb des natürlichen Repertoires beschränkt sind. Die von organischen Chemikern entwickelten Übergangsmetallkatalysatoren bieten dagegen eine große Bandbreite an Reaktivität und ermöglichen eine Vielzahl von chemischen Umwandlungen. Künstliche Metalloenzyme sind Katalysatoren, bei denen ein unnatürliches Metallzentrum in eine enzymatische Umgebung eingebaut ist. Durch die Verschmelzung zweier Welten machen sich künstliche Metalloenzyme die Selektivität der Natur zunutze und nutzen gleichzeitig eine neue und aufregende Reaktivität des unnatürlichen Metallzentrums. Die Technologie der gerichteten Evolution spielt eine entscheidende Rolle bei der Maximierung des Potenzials von künstlichen Metalloenzymen. Sie ermöglicht es, eine große Anzahl von Enzymumgebungen gleichzeitig zu untersuchen, was die Chancen auf die Entdeckung von Katalysatoren mit den gewünschten Eigenschaften für bestimmte Reaktionen erheblich erhöht. Künstliche Metalloenzyme haben ein immenses Potenzial, verschiedene wissenschaftliche und technologische Bereiche zu revolutionieren, indem sie effiziente, selektive und nachhaltige Katalysatoren liefern, die den Weg für eine grünere Zukunft der Synthese ebnen.

Die Methode der C-H-Aktivierung hat die organische Synthese revolutioniert, indem sie wirtschaftlichere und umweltfreundlichere Alternativen zur Herstellung komplexer Moleküle bietet. Traditionell mussten Chemiker aufwändige Synthesesequenzen verwenden, die vorfunktionalisierte Ausgangsstoffe nutzen und mit erheblichem synthetischem Aufwand verbunden sind. Mit der Entwicklung der C-H-Funktionalisierung wurde die weitverbreitete C-H Bindung selbst als reaktives Zentrum erkannt, das - bei richtiger Steuerung - die Synthese komplexer Strukturen drastisch verkürzen kann. Hierin liegt allerdings auch die Herausforderung: die Kontrolle der Selektivität, also die Kunst, aus einer Vielzahl möglicher C-H-Bindungen gezielt nur eine bestimmte zu aktivieren. Zu Beginn dieses Projekts sollte das Potenzial künstlicher Metallenzyme untersucht werden - einer Kombination aus einem in der Natur nicht vorhandenen Metallkatalysator mit hoher Aktivität in der C-H-Aktivierung, eingebettet in ein enzymatisches Gerüst, das für seine exzellente Selektivität bekannt ist. Nach anfänglichen Rückschlägen auf dem Gebiet der Biokatalyse wurde der Fokus auf eine andere Strategie verlagert, nämlich auf die Nutzung einer zweiten C-H-Bindung als steuernde Gruppe. Dieser Ansatz ermöglicht es, zwei benachbarte C-H-Bindungen gleichzeitig zu funktionalisieren. Besonders wichtig ist, dass dadurch beide C-H-Bindungen miteinander verknüpft werden können, was auf effiziente Weise zur Ringschlussreaktion führt. Das Hauptziel bestand darin, die Vielseitigkeit dieser Methode zu verbessern, sodass eine breite Palette von Kopplungspartnern eingesetzt werden kann. Tatsächlich konnten mehrere neue ringbildende Reaktionen mit interessanter Produktselektivität in Abhängigkeit der Eigenschaften der Reaktionspartner entwickelt werden. Während in der Regel ein sechsgliedriger Ring bevorzugt gebildet wurde, konnten mit einer anderen Klasse ungesättigter Kopplungspartner auch fünfgliedrige Ringe mit hoher Selektivität erhalten werden. Darüber hinaus konnte bei Vorhandensein einer stabilisierenden Gruppe eine C-C-Bindungsspaltung beobachtet werden, was einen weiteren Weg zur Erhöhung der molekularen Komplexität eröffnet. Optimierungsstudien zeigten, dass das Vorhandensein von Wasser die Selektivität für diesen Reaktionsmodus deutlich steigern kann. Obwohl die Arbeiten auf diesem Gebiet noch nicht vollständig abgeschlossen sind, haben die bisherigen Ergebnisse mehrere neue Wege für die Strategie der dualen C-H-Aktivierung eröffnet - hin zu effizienteren und nachhaltigeren Methoden zur Herstellung komplexer Moleküle aus einfachen Ausgangsstoffen.