Ionenaggregation von chiralen ionischen Flüssigkeiten

Die Synthese von Feinchemikalien wird heutzutage meistens in konventionellen Lösungsmitteln durchgeführt, die durch ihre Flüchtigkeit und Toxizität jedoch stets ein Sicherheitsrisiko für Mensch und Umwelt darstellen. Ionische Flüssigkeiten d.h. Salze, deren Schmelzpunkt unter 100C liegt repräsentieren eine neue Klasse von Flüssigkeiten, da sie durch Wahl geeigneter Kationen und Anionen beliebig für bestimmte Anwendung optimiert werden können. So ist es möglich, chirale ionsiche Flüssigkeiten zu entwickeln, die neue Möglichkeiten zur asymmetrischen Synthese bieten, d. h. zur gezielten Herstellung enantiomerenreiner Wirkstoffe. Dieses Projekt, das aus einer Kooperation zwischen der Technischen Universität Wien und der Universität Wien hervorgeht, widmet sich der Synthese und Anwendung neuer chiraler ionischer Flüssigkeiten und deren Einsatz als neuartige Liganden zur effizienten Synthese enantiomerenreiner Feinchemikalien. I.Der erste Teil des Projektes beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung neuer chiraler ionischer Flüssigkeiten, die aus chiralen und koordierenden Kationen und konfomell flexiblen Anionen bestehen. II. Parallel dazu ermöglichen ausführliche theortische und physico-chemische Untrsuchgen ein besseres Verständnis der Ionenaggregation in diesen Systemen, wodurch die optimalen Parameter zur Entwicklung und Anwendung dieser ionischen Flüssigkeiten vorhergesagt werden können. III.Im letzten Teil des Projektes werde die entwickelten chiralen ionischen Flüssigkeiten in übergangsmetall-katalysierten asymmetrischen Reaktionen eingesetzt. Im Rahmen diese Projektes werden die Kompetenzen und Forschungsschwerpunkte der involvierten Partner der Technischen Universität und der Universität Wien optimal kombiniert und ausgenutzt: Durch die Entwicklung neuer chiraler ionischer Flüssigkeiten in enger Zusammenarbeit zwischen synthetisch-organischen und theoretisch-chemischen Experten werden nicht nur fundamentale Studien zur Ionenaggregation in Lösungen durchgeführt, sondern auch effiziente und nachhaltiger Prozess zur katalytischen Herstellung diverser Feinchemikalien ermöglicht.

Angesichts des wachsenden Bewusstseins für wirtschaftliche und nachhaltige chemische Transformationen ist das Gebiet der Katalyse von besonderem Interesse. Durch die zunehmend hohe Nachfrage nach enantiomerenreinen Produkten für pharmazeutische und landwirtschaftliche Anwendungen wurden in den letzten Jahrzehnten katalytische Reaktionen mit chiralen Katalysatoren besonders attraktiv. Dieses Projekt widmete sich der Synthese und Anwendung neuer chiraler Katalysatoren für asymmetrische Transformationen. Insgesamt wurden drei verschiedene Teilprojekte durchgeführt. (1) Das erste Teilprojekt konzentrierte sich auf die Anwendung ionisch markierter chiraler Liganden für Ruthenium-katalysierte asymmetrische Transferhydrierungen (ATHs) in wässrigen Medien. Die Feinabstimmung der Ligandenstruktur zusammen mit der Wahl des Anions führte zu wasserlöslichen chiralen Liganden, die unter umweltverträglichen wässrigen Bedingungen eine hohe katalytische Aktivität und hohe Enantioselektivität zeigten. Ein ähnlicher Ansatz wurde mit hydrophil modifizierten chiralen Liganden für Ru-katalysierte ATH-Reaktionen in thermomorphen Mikroemulsionen auf untersucht. Infolge des temperaturabhängigen Mehrphasenverhaltens einer solchen Mikroemulsion konnten nicht nur hohe Reaktivitäten und Selektivitäten, sondern letztendlich auch eine recht einfache Produktabtrennung erreicht werden. (2) Der zweite Teilprojekt konzentrierte sich auf die Entwicklung einer neuen Strategie für organokatalytische asymmetrische Transferhydrierungen. Unser neuartiges Konzept der durch Gegenionen verstärkten Katalyse beruhte auf der Ionenpaarung natürlicher L-Aminosäuren/Aminosäurederivate als Quelle der Chiralität, in Kombination mit achiralen oder racemischen Phosphorsäuren. Diese chiralen Gerüste erwiesen sich als leistungsstarke Werkzeuge für variable asymmetrische Transformationen, einschließlich organokatalytischer Transferhydrierungen, Epoxidierungen, Aziridinierungen sowie für verschiedene Cyclisierungsreaktionen. Neben der Bereitstellung hoch enantioselektiver und metallfreier Alternativen könnten unsere Katalysatorsysteme auch einen einfachen Zugang zu beiden Produktantipoden ermöglichen. Basierend auf diesen Erkenntnissen läuft auch in unserer Forschungsgruppe ein weiteres Projekt zur Batch- und Continuous-Flow-Synthese von Warfarine-Analoga. (3) Das dritte Teilprojekt zielte auf das Design neuer Katalysatoren für asymmetrische allylische Alkylierungen (AAA-Reaktionen). Zunächst konzentrierten wir uns auf die Anwendung von Trost Modular Liganden mit plausiblem P,O-Bindungsmotiv für traditionelle AAA-Reaktionen. Ein kleiner Satz einfach herzustellender Carbamat-Monophosphat-Liganden wurde für asymmetrische allylische Alkylierungen mit aktivierten allylischen Elektrophilen mit hohen Ausbeuten und Selektivitäten verwendet. Basierend auf diesen Erkenntnissen läuft derzeit in unserer Forschungsgruppe ein weiteres Projekt zur kontinuierlichen asymmetrischen allylischen Alkylierung mit N-Nukleophilen. Dannach wandten wir uns neuen Herausforderungen zu, indem wir die direkte -Allylierung von -verzweigten Aldehyden mit Allylalkoholen untersuchten. Das Dreikomponenten-Katalysatorsystem aus einem chiralen Amin, einer atropisomeren Phosphorsäure und einer Palladiumquelle ermöglichte die glatte Quaternisierung von Aldehyden mit schwach elektrophilen, nicht aktivierten Allylalkoholen über eine duale Pd/Enamin-Aktivierung, was zu hohen isolierten Ausbeuten und exzellenter Enantioselektivität führte.