Was ist Photokatalyse?

Yetra, S. R., Schmitt, N., & Tambar, Großbritannien (2022). Katalytische photochemische enantioselektive α-Alkylierung mit Pyridiniumsalzen. Chemische Wissenschaft, 14(3), 586–592. https://doi.org/10.1039/d2sc05654b

Die Autoren merkten an, dass Alkylhalogenide und Sulfonate häufig eingesetzte Alkylierungsmittel sind, die in der asymmetrischen Katalyse für die enantioselektive α-Alkylierung von Enolaten eingesetzt werden. Ihr Interesse galt der Entwicklung eines photochemischen Prozesses für enantioselektive Alkylierungen, der erneuerbare und nachhaltige Quellen für alkylierende Reagenzien wie Aminosäuresubstrate nutzt. Angesichts der geringen Elektronenakzeptanzfähigkeit von Aminosäurederivaten in Enolatalkylierungen bestand die Herausforderung darin, ein Mittel zur Aktivierung dieser Verbindungen zu entwickeln. Basierend auf früheren Arbeiten in der Literatur postulierten die Autoren, dass die Verwendung von Aminosäure-abgeleiteten Pyridiniumsalzen als Alkylierungsmittel wirksam wäre, da Pyridiniumsalze bekanntermaßen als radikalische Vorläufer bei enantioselektiven α-Alkylierungen verwendet werden. Sie schlugen vor, dass Pyridiniumsalze Grundzustandskomplexe mit katalytisch erzeugten, elektronenreichen chiralen Enolatäquivalenten bilden. In einer umfangreichen Versuchsreihe zeigten sie, dass ein elektronenarmes Katritzky-Salz, das aus dem 2,2,2-Trifluorethylester von Glycin gewonnen wurde, unter Bedingungen mit einem chiralen Aminkatalysator, 2,6-Lutidin und 427-nm-Bestrahlung reagierte und das gewünschte α-Alkylierungsprodukt lieferte.

Weitere Arbeiten zeigten, dass die Verwendung eines Lewis-Basismediums wie Dimethylacetamid die Ausbeute (auf 40 %) verbesserte und einen hervorragenden Enantiomerenüberschuss (d. h. 92 %) lieferte. Darüber hinaus führte die Verwendung von Additiven wie Natriumiodid, die die Komplexierung der Reaktionskomponenten im Grundzustand verbessern, zu Ausbeuten von 75 % bei 92 % ee. In eingehenden mechanistischen Studien postulierten sie, dass die katalytische enantioselektive Reaktion gleichzeitig über einen Radikalkombinationsmechanismus im Käfig und einen Radikalkettenmechanismus ablaufen kann. Die Forscher verstanden den Umfang der photokatalytischen Reaktion und nutzten das Verfahren auch bei der Totalsynthese der Lignan-Naturstoffe (-)-Enterolacton und (-)-Enterodiol.

Eine wichtige Beobachtung in ihrer Arbeit war die entscheidende Bedeutung der Kontrolle der Reaktionstemperatur. Die Durchführung dieser Reaktionen bei Raumtemperatur wirkte sich negativ auf die Enantioselektivität aus, und die Aufrechterhaltung einer 92%igen ee erforderte die Durchführung der Reaktion bei einer Temperatur von 4 °C. Die Temperaturkontrolle war eine Herausforderung, da die Reaktion kontinuierlich mit einer Lichtquelle in der Nähe des Gefäßes bestrahlt wurde. Aus diesem Grund setzten die Forscher ein EasyMax 102-System ein. In einem Artikel, in dem Professor Tamburs Arbeit über die katalytische photochemische enantioselektive α-Alkylierung mit Pyridiniumsalzen hervorgehoben wird (Synform, 2023/06, A100-A105), kommentiert er: "Wir haben schließlich das EasyMax 102 Advanced Thermostatsystem von Mettler-Toledo AutoChem, Inc. gekauft. Dies stellte sich als die wichtigste Anschaffung für den Erfolg des Projekts heraus. Obwohl das EasyMax noch nie für photochemische Reaktionen verwendet wurde, haben wir zwei Hauptmerkmale dieses Instruments identifiziert. Erstens ermöglicht es die Aufrechterhaltung einer konstant niedrigen Reaktionstemperatur über lange Zeiträume. Zweitens verfügt das Instrument über ein klares Fenster in die Reaktionskammer, das typischerweise zur Betrachtung von

Wir haben dies jedoch als eine Möglichkeit identifiziert, Licht von einer Lampe aus kontrollierter Entfernung zu beleuchten, ohne die Reaktionstemperatur zu beeinflussen. Zu unserer Freude sorgte der EasyMax für ein neues Maß an Konstanz in unseren Ergebnissen."

Dagar, N., Singh, S. und Roy, S.R. (2022). Synergistischer Effekt von Cer beim dualen photoinduzierten Liganden-zu-Metall-Ladungstransfer und der Lewis-Säure-Katalyse: Diastereoselektive Alkylierung von Cumarinen. J. Org. Chem. 87(14), 8970–8982. https://doi.org/10.1021/acs.joc.2c00677

Die Autoren berichten über die Entwicklung einer praktischen, unkomplizierten Methode zur C-4-Alkylierung von Cumarinderivaten unter Verwendung eines photokatalytischen Prozesses. Das neuartige Verfahren verwendet leicht verfügbares Cer in einer Doppelrolle, um ein Alkylradikal durch einen photoinduzierten Ligand-zu-Metall-Ladungstransferprozess (LMCT) zu erzeugen und stereospezifische C-C-Bindungen durch Lewis-Säure-Katalyse unter Verwendung von Carbonsäuren als Alkylierungsquelle aufzubauen, um die Cumarin-3-Carboxylat-Alkylierung zu bewirken.

Es wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um den Mechanismus dieses Prozesses zu verstehen. So führte beispielsweise eine Reaktion, bei der Pivalinsäure als Radikalvorläufer mit Ethyl-3-Coumarincarboxylat in Gegenwart von CeCl3 und tBuOK unter 427 nm Bestrahlung durchgeführt wurde, zu hervorragenden Ausbeuten des gewünschten Produkts. Als dieselbe Reaktion in Gegenwart von 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO), einem Radikalfänger, durchgeführt wurde, wurde die Reaktion gehemmt, was die Annahme unterstützt, dass die Reaktion wahrscheinlich über ein radikales Zwischenprodukt abläuft.  

Die UV-Vis-Spektroskopie unterstützte den vorgeschlagenen photoinduzierten Liganden-zu-Metall-Ladungstransfer-Prozess (LMCT). In Gegenwart des 427 cm⁻¹ großen Lichts deuteten Veränderungen im Absorptionsspektrum des Ce(IV)-Cl-Alkoxid-Komplexesdarauf hin, dass LCMT beteiligt sein könnte, das Ce(III) und den Alkylrest erzeugt, indem CO_{2 eliminiert wird}. In-situ-Studien zum Fortschritt der FTIR-Reaktion zeigten und verfolgten die Bildung von CO₂ bei 2344 cm⁻¹ und einer neuen C=C-Bande bei 1668 cm⁻¹, die ^{wahrscheinlich von einem Zwischenprodukt vom Enolattyp herrührt.}  Cer bildet sich, wie oben erwähnt, komplexiert mit dem Zwischenprodukt, gefolgt von einer diastereoselektiven Protonierung, die zur Produktbildung führt.