Design and Synthesis of Stereogenic-at-Iron Complexes with Multidentate Ligands and Application in Asymmetric Catalysis

Asymmetrische Katalyse stellt ein unverzichtbares Werkzeug von großer Bedeutung für die ökonomische und nachhaltige Synthese nicht racemischer, chiraler Moleküle dar. Neben organischen und biologischen Katalysatoren bilden chirale Übergangsmetallkomplexe eine tragende Säule bei der Erzeugung enantiomerenreiner Produkte. Das Design und die Entwicklung solcher Metallkomplexe, die stereochemische Informationen übertragen können, bilden die Grundlage für die Schaffung einer definierten chiralen Umgebung und das Realisieren von hohen Enantioselektivitäten. Häufig enthalten die verwendeten Katalysatoren ein stereogenes Metallzentrum, welches zu einer einzigartigen Topologie führt. Daher ist das Berücksichtigen dieser metallzentrierten Chiralität entscheidend für die Zusammensetzung neuartiger Katalysatoren. In den letzten Jahren hat die Meggers-Gruppe gezeigt, welches Potenzial in der genauen Betrachtung der absoluten Konfiguration am Metall steckt und dies mit zahlreichen Iridium(III)-, Rhodium(III)-, Ruthenium(II)-, und Eisen(II)-Komplexen sowie deren Anwendung in asymmetrischer Übergangsmetallkatalyse demonstriert. Kapitel 3.1. Ein synthetischer Zugang zu fünfzähnigen, achiralen Liganden ist beschrieben, die zu Eisen(II)-Komplexen mit metallzentrierter Chiralität nach Koordination führen (chiral-at-metal). Das Liganden-Gerüst besteht aus einer Mesityl-substituierten Dipicolylamin-Einheit, die über einen Amid-Linker mit einem Chinolinring verbunden ist. Wie gezeigt wird, erlaubt der resultierende paramagnetische Komplex jedoch nicht eine nötige umfassende NMR-spektroskopische Analyse. Nach Ersetzen der 8-Amidochinolin-Einheit durch ein 2,2‘-Bipyridin-Motiv wird ein racemischer Eisen(II)-Komplex mit diamagnetischen Eigenschaften erhalten, der eine Charakterisierung über NMR-Messungen ermöglicht. Eine nachfolgende Auftrennung der Enantiomere mittels chiraler Auxiliare unter Verwendung von chiralen Oxazolinen, Sulfoxiden und Carbonsäuren zeigt unzureichende Ergebnisse. Kapitel 3.2 und 3.3. Es wird die modulare Synthese fünfzähniger, chiraler Liganden mit einem zentralen Dipicolylamin-Motiv gezeigt, die bei der Komplexierung zu metallzentrierter Chiralität führen (stereogenic-at-metal). Der Einbau einer Methylgruppe in das Ligandengerüst führt nach Reaktion mit Eisen(II)-Perchlorat zu einem Diastereomeren-Gemisch von Eisenkomplexen. Die Notwendigkeit einer aufwendigen Trennung wird durch das Ausnutzen der unterschiedlichen thermodynamischen Stabilitäten der Diastereomere vermieden. Die ligandenzentrierte Chiralität kann als chiraler Hebel dienen, der eine Isomerisierung zu einem diastereomerenreinen Eisen(II)-Komplex ermöglicht. Die Geschwindigkeit dieser Umwandlung wird maßgeblich durch den sterischen Anspruch des chiralen Hebels beeinflusst und erhöht sich nachweislich durch den Einbau eines größeren Isopropylrests. Eine anschließende Strukturaufklärung durch NMR-spektroskopische Messungen und röntgenkristallographische Analyse bestätigt die Topologie und den Koordinationsmodus. Der modulare synthetische Aufbau der Liganden bietet die praktische Möglichkeit der Derivatisierung, welche durch den Einbau einer Mesitylen- und einer Benzimidazolgruppe gezeigt wird. Die Effizienz der erhaltenen Katalysatoren ist für eine Ringkontraktion von Isoxazolen unter Luft gezeigt, um chirale 2H-Azirine mit hohen Enantioselektivitäten (bis zu 93% ee) und einer außergewöhnlichen Aktivität zu erhalten. Dabei werden katalytische Produktivitäten (engl. turnover numbers, TON) von bis zu 10,000 beobachtet. Kapitel 3.4. Das Design und die Synthese neuartiger, nicht-C2-symmetrischer, vierzähniger chiraler Liganden zur Herstellung von oktaedrischen Komplexen mit heterotopen reaktiven Koordinationsstellen werden präsentiert. Das zentrale stereogene Motiv dieses Ligandengerüsts wird von einer chiralen Diamin-Einheit dargestellt, die von Prolin abgeleitet ist und einen praktischen Zugang zu den finalen Liganden ermöglicht. Darüber hinaus bietet dieses Ligandenrückgrat eine hohe Selektivität für eine cis-alpha-Topologie der entsprechenden Fe(II)-Komplexe, die eine lambda-Konfiguration am Metall aufweisen. Pyridyl-, Benzimidazolyl- und Benzothiazolylgruppen werden als endständig koordinierende Einheiten in den Liganden eingebaut und die Synthese aller neun möglichen Kombinationen der Dichlorokomplexe gezeigt. Der Einfluss der Katalysatorsymmetrie auf die sterische und elektronische Umgebung wird anhand der asymmetrischen Ringkontraktion von Isoxazolen zu enantiomerenangereichterten 2H-Azirinen bewertet. Ein Katalysator, der eine endständige Pyridin- und eine Benzothiazolgruppe enthält, ermöglicht die besten Ergebnisse und wird für 19 verschiedene Isoxazol-Substrate verwendet. Die erhaltenen 2H-Azirine können unter Luft mit hohen Enantioselektivitäten (bis zu 92% ee) und hervorragenden Ausbeuten (bis zu >99%) gebildet werden. Die Nützlichkeit und Vielseitigkeit der chiralen Produkte als synthetische Intermediate wird daraufhin demonstriert, indem mehrere alpha-Aminosäurederivate ohne Verlust der Enantiomerenreinheit synthetisiert werden. Darüber hinaus wird ein neuartiger, direkter Zugang zu einem racemischen beta-Aminosäurederivat ausgehend von 2H-Azirinen gezeigt.