Die asymmetrische organokatalytische Aldolreaktion und ... · Die asymmetrische organokatalytische...

Die asymmetrische organokatalytische

Aldolreaktion und deren Einsatz in

chemoenzymatischen

Mehrstufensynthesen

Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.

vorgelegt von

Dipl.-Chem. Giuseppe Rulli

aus Perugia/Italien

Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Tag der mündlichen Prüfung: 27. Februar 2014

Vorsitzender des Promotionsorgans: Prof. Dr. Johannes Barth

Gutachter: Prof. Dr. Harald Gröger

apl. Prof. Dr. Norbert Jux

Prof. Dr. Rainer Mahrwald

Teile dieser Arbeit sind bereits veröffentlicht oder zur Veröffentlichung eingereicht:

G. Rulli, N. Duangdee, K. Baer, W. Hummel, A. Berkessel, H. Gröger,

Angew. Chem. 2011, 123, 8092–8095; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7944–7947.

G. Rulli, K. A. Fredriksen, N. Duangdee, T. Bonge-Hansen, A. Berkessel, H. Gröger,

Synthesis 2013, 45, 2512-2519.

G. Rulli, M. Heidlindemann, A. Berkessel, W. Hummel, H. Gröger,

J. Biotechnol. 2013, 168, 271–276.

M. Heidlindemann, G. Rulli, A. Berkessel, W. Hummel, H. Gröger,

ACS Catalysis, 2014, zur Veröffentlichung akzeptiert.

Weitere Publikation, die im Zeitraum der Doktorarbeit veröffentlicht wurde:

N. Duangdee, W. Harnying, G. Rulli, J.-M. Neudörfl, H. Gröger, A. Berkessel,

J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11196–11205.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ........................................................................................................ 1

2 Motivation und Zielsetzung ............................................................................ 5

2.1 Organokatalytische Aldolreaktionen .................................................................. 7

2.2 Anwendungen von immobilisierten Organo- und Biokatalysatoren .................... 8

2.3 Chemoenzymatische Mehrstufensynthesen ...................................................... 9

3 Organokatalytische Aldolreaktionen ............................................................11

3.1 Stand der Wissenschaft ...................................................................................14

3.1.1 Prozessoptimierung durch effiziente Katalyse ..................................................14

3.1.2 Effizienzsteigerung durch Kontrolle der Selektivität..........................................17

3.1.3 Kontrolle der Selektivität von organokatalysierten Aldolreaktionen:

Reaktionsmechanistische Untersuchungen .....................................................21

3.2 Ziel der Arbeit ..................................................................................................24

3.3 Ergebnisse und Diskussion ..............................................................................26

3.3.1 Synthese der Organokatalysatoren ..................................................................26

3.3.2 Charakterisierung der Prolinamid-katalysierten Aldolreaktion: Analytik ............30

3.3.3 Steuerung der Selektivität der Aldolreaktion durch thermodynamische

und kinetische Kontrolle ...................................................................................35

3.3.4 Einfluss des Lösungsmittels auf die Selektivität der Aldolreaktion ....................45

3.3.5 Untersuchung des Reaktionsmechanismus .....................................................48

4 Anwendungen von immobilisierten Organo- und Biokatalysatoren ..........53


4.1.1 Polymer-gebundene Organokatalysatoren für asymmetrische

Aldolreaktionen ................................................................................................55

4.1.2 Einsatz von kontinuierlichen Reaktionsführungen für asymmetrische

Synthesen .......................................................................................................59

4.1.3 Anwendungen von immobilisierten Biokatalysatoren für

Reduktionsreaktionen von Carbonylverbindungen ...........................................61

4.2 Ziel der Arbeit ..................................................................................................65


4.3.1 Synthese der Polymer-gebundenen Organokatalysatoren ...............................68

4.3.2 Aldolreaktionen mit Polymer-gebundenen Organokatalysatoren ......................73

4.3.3 Entwicklung eines halbkontinuierlichen Prozesses zur Aldolreaktion mit

Polymer-gebundenen Organokatalysatoren .....................................................79

4.3.4 Herstellung und Einsatz immobilisierter Biokatalysatoren zur Synthese

chiraler Alkohole ..............................................................................................85

5 Chemoenzymatische Mehrstufensynthesen ................................................91


5.2 Ziel der Arbeit ..................................................................................................96


5.3.1 Charakterisierung der chemoenzymatischen Mehrstufensynthese von

1,3-Diolen: Analytik ..........................................................................................99

5.3.2 Chemoenzymatische Eintopfreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diolen.......... 101

5.3.3 Chemoenzymatische Dominoreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diolen ........ 103

6 Zusammenfassung ...................................................................................... 108

6.1 Organokatalytische Aldolreaktionen ............................................................... 108

6.2 Anwendungen von immobilisierten Organo- und Biokatalysatoren ................. 111

6.3 Chemoenzymatische Mehrstufensynthesen ................................................... 113

7 Summary ...................................................................................................... 115

7.1 Organocatalytic Aldol Reactions .................................................................... 115

7.2 Application of Immobilized Organo-and Biocatalysts ...................................... 118

7.3 Chemoenzymatic Multi-Step Reactions .......................................................... 120

8 Experimenteller Teil ..................................................................................... 121

8.1 Verwendete Geräte und Chemikalien ............................................................. 121

8.2 Organokatalytischen Aldolreaktionen ............................................................. 124

8.2.1 Synthese der Organokatalysatoren ................................................................ 124

8.2.2 Charakterisierung der Prolinamid-katalysierten Aldolreaktion: Analytik .......... 132


und kinetische Kontrolle ................................................................................. 139

8.2.4 Einfluss des Lösungsmittels auf die Selektivität der Aldolreaktion .................. 151

8.2.5 Untersuchung des Reaktionsmechanismus ................................................... 154

8.3 Anwendungen von immobilisierten Organo- und Biokatalysatoren ................. 156

8.3.1 Synthese der Polymer-gebundenen Organokatalysatoren ............................. 156

8.3.2 Aldolreaktion mit Polymer-gebundenen Organokatalysatoren ........................ 166


Polymer-gebundenen Organokatalysatoren ................................................... 174


chiraler Alkohole ............................................................................................ 180

8.4 Chemoenzymatischen Mehrstufensynthesen ................................................. 189


1,3-Diolen: Analytik ........................................................................................ 189

8.4.2 Chemoenzymatische Eintopfreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diole ........... 193

8.4.3 Chemoenzymatische Dominoreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diole .......... 201

8.4.4 Einfluss der Acetonmenge in der Dominoreaktion zur Synthese von

chiralen Alkoholen ......................................................................................... 206

8.4.5 Einfluss der Enzymmenge in der Dominoreaktion zur Synthese von

chiralen Alkoholen ......................................................................................... 209

9 Appendix ...................................................................................................... 211

9.1 Synthese und Reduktion tertiärer β-Hydroxyketone mittels Organo- und

Biokatalyse .................................................................................................... 211

9.2 Experimenteller Teil ....................................................................................... 214

9.2.1 Verwendete Geräte und Chemikalien ............................................................ 214

9.2.2 Synthese von tertiären β-Hydroxyketonen ..................................................... 214

9.2.3 Synthese von 1,3-Diolen aus tertiären β-Hydroxyketonen mittels

Natriumborhydrid ........................................................................................... 215

9.2.4 Synthese von 1,3-Diolen aus tertiären β-Hydroxyketonen mittels einer

Alkoholdehydrogenase .................................................................................. 216

9.2.5 HPLC-Spektren ............................................................................................. 217

10 Literatur ........................................................................................................ 218

Abkürzungsverzeichnis

ADH Alkoholdehydrogenase

AD-H CHIRALPAK® Amolyse Tris-(3,5-dimethylphenylcarbamat)

Äq. Äquivalente

Boc tert-Butyloxycarbonyl

br broad

Cbz Carboxybenzyl

d Dublett

δ [ppm] Chemische Verschiebung

DERA D-2-Desoxyribose-5-phosphat-Aldolase

DIC N,N'-Diisopropylcarbodiimid

DIPEA Diisopropylethylamin

DVB Divinylbenzol

dd Dublett vom Dublett

dr diastereomeric ratio

ee enantiomeric excess

e.r. enantiomer ratio

EDC 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid

EI Electron Ionization

ESI Electrospray Ionization

G Gibbs-Energie

GDH Glucosedehydrogenase

h Plancksches Wirkungsquantum

HPLC High Performance Liquid Chromatography

IR Infrarot

J [Hz] Skalare Kopplungskonstante

k Geschwindigkeitskonstante

kb Boltzmann-Konstante (kb = 1,38*10-23 J/K)

Lb Lactobacillus brevis

Lk Lactobacillus kefir

m Multiplett

MS Massenspektrometrie

MTBE Methyl-tert-butylether

NADH, NAD+ Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid

NADPH, NADP+ Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotidphosphat

NMR Nuclear Magnetic Resonance

OJ-H CHIRALCEL® Cellulose Tris-(4-methylbenzoat)

PEG Polyethylenglycol

PS Polystyrol

q Quartett

R Allgemeine Gaskonstante (R = 8,315 J/mol*K)

Rf Retentionsfaktor

rac Racemisch

RK Reaktionskoordinate

rpm revolutions per minute

Rsp Rhodococcus sp.

RT Raumtemperatur

s Singulett

t Triplett

TA Thermoplasma acidophilum

TBTU O-(Benzotriazol-1-yl)-N,N,N′,N′-tetramethyluronium

Tetrafluoroborat

TEMPO 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxyl

TFA Trifluoressigsäure

THP Tetrahydropyran

THF Tetrahydrofuran

TOF Turn Over Frequency

TON Turn Over Number

tR Retentionszeit

U [µmol/min] Unit

1. EINLEITUNG | 1

1 Einleitung

Bei der Entwicklung neuartiger chemischer Syntheserouten zur Darstellung von organischen

Verbindungen gewinnt der Aspekt der „Nachhaltigkeit“ sowohl in der Forschung als auch in

der Industrie zunehmend an Relevanz.[1] Dieses heutzutage weit verbreitete und häufig

verwendete Konzept entstand aufgrund von wichtigen, umweltrelevanten Forderungen und

wirtschaftlichen Aspekten in einem genau definierten geschichtlichen Kontext, dessen

Kenntnis für das Verständnis von aktuellen Forschungsschwerpunkten im Bereich der

synthetischen organischen Chemie hilfreich sein kann.

Bereits im Jahre 1972 wurden bei der „Weltumweltkonferenz der Vereinten Nationen“

UNCHE (engl. United Nations Conference on the Human Environment) in Stockholm die

ersten ethischen Leitlinien für eine globale Umweltpolitik aufgestellt, mit denen man

beispielsweise unnachhaltiges Ressourcenmangement zu unterbinden versuchte.[2,3] Mit

der im selben Jahr verabschiedeten Resolution über die Einführung des „Umweltprogramm

der Vereinten Nationen“ UNEP (engl. United Nations Environment Programme) und

besonders dem 1987 veröffentlichten „Brundtlandt-Bericht“ wurde die Basis für einen

grundlegenden Paradigmenwechsel bezüglich Umwelt-und Entwicklungsthematiken in der

Gesellschaft gebildet.[3,4] Diese Deklaration, die nach der Vorsitzenden der

„Weltkommission für Umwelt- und Entwicklung der Vereinten Nationen“ WCED (engl. World

Commission on Environment and Development) benannt wurde, führte den zentralen Begriff

der „nachhaltigen Entwicklung“ (engl. sustainable development) ein. Die Forderungen einer

Kohäsion zwischen ökonomischen, ökologischen und sozialen Kompetenzen wurden mit

diesem Bericht zum ersten Mal konkretisiert. Dabei sollten die gegenwärtigen

gesellschaftlichen Zustände so angepasst werden, um ein angemessenes Leben auch für

2 | 1. EINLEITUNG

zukünftige Generationen zu ermöglichen. Armutsbekämpfung und restriktiver Umweltschutz

sollten per Definition wichtige Rahmenbedingungen für eine nachhaltige

Entwicklungsstrategie werden.[4] In der Tat diente der „Brundtland-Bericht“ als

Ausgangspunkt für wichtige Aktionsprogramme wie die im Jahr 1992 in Rio de Janeiro,

abgehaltene „Konferenz für Umwelt und Entwicklung der Vereinten Nationen“ UNCED (engl.

United Nations Conference on Environment and Development).[2] Dort wurde beispielweise

die „Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen“ UNFCCC (engl. United Nations

Framework Convention on Climate Change) ratifiziert, die nach dem 1997 verabschiedeten

„Kyoto-Protokoll“ unter anderem die Regelung und Reduzierung von

Treibhausgasemissionen bestimmt.[5] Mit der „Agenda 21“ wurde außerdem dort ein

konkreter Aktionsplan bezüglich einer nachhaltigen Entwicklungspolitik konzipiert.[2,6,7]

Tatsächlich reicht der Einfluss der „Agenda 21“ heutzutage bis in weite Teile des öffentlichen

Lebens hinein: sogar die Einführung einer einheitlichen weltweiten Kennzeichnung von

Chemikalien wurde in der „Agenda 21” verlangt.[7] Diese konnte dann im Jahr 2003 im Form

des „Global harmonisiertes System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien“

GHS (engl. Globally Harmonized System of Classification, Labelling and Packaging of

Chemicals) realisiert werden.[8] Weitere verbindliche Reglementierungen, die explizit nach

nachhaltigen Lösungen für Wirtschaft und Industrie fordern, sind mittlerweile bereits

erfolgreich in der Gesetzgebung der Europäischen Union implementiert. So ist

beispielsweise die „Richtlinie 96/61/EG des Rates vom 24. September 1996 über die

integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung“ (IVU-Richtlinie) oder

IPPC (engl. Integrated Pollution Prevention and Control), unmittelbar mit der, im gleichen

Jahr ratifizierten EU-Nachhaltigkeitsstrategie in Verbindung zu setzen.[9] Es ist klar

ersichtlich, dass die Einhaltung dieses und weiterer Gesetze eine Umgestaltung der

bestehenden industriellen Strukturen erforderte.

Die Neukonzeption industrieller chemischer Prozesse sollte daher den Maximen einer

„nachhaltigen Entwicklung“ folgen. Die Leitlinien wurden hierfür erstmals mit der

Formulierung der zwölf Prinzipien der „grünen Chemie“ (engl. Green Chemistry) von

ANASTAS und WARNER geschaffen (Abbildung 1).[10] Tatsächlich hat die „grüne Chemie“

mittlerweile einen starken Einzug in die chemische Industrie genommen.[11-13] Besonders

in der Feinchemikalien- und Pharmakaproduktion, in denen meist E-Faktoren von 5–100

erreicht werden kann der Einsatz nachhaltiger Synthesemethoden durchaus zu niedrigeren

Herstellungskosten und zur einer verbesserten Umweltverträglichkeit führen.[12,14]

1. EINLEITUNG | 3

Abbildung 1: Schematische Darstellung der zwölf Prinzipien der „grünen Chemie“.[10]

Ein bemerkenswertes Bespiel von TANG und XIE, in Kooperation mit der Firma Codexis,

welche im Jahr 2012 mit dem „Presidential Green Chemistry Challenge Award“, einem

Innovationspreis der US-Umweltorganisation „Environmental Protection Agency“ EPA geehrt

wurde, zeigt in eindrucksvollster Weise eine effiziente Synthese von Simvastatin (3) mittels

biokatalytischer Methoden (Route B, Abbildung 2).[15,16] Dieser Wirkstoff ist Bestandteil der

umsatzstärksten, verschreibungspflichtigen cholesterinsenkenden Arzneimittel auf dem US-

Markt (z.B. ZOCOR® von der Firma Merk). Nach Studien des Informations- und

Beratungsunternehmens „IMS Health“ wurden im Jahr 2011 alleine in den USA über

96,8 Millionen Rezepte dafür verschrieben; 2,4 Millionen mehr als im Vorjahr und

47,8 Millionen mehr als im Jahr 2007.[17] Im Jahr 2011 verzeichnete in Deutschland ein

Kombinationspräparat aus Simvastatin (3) und Ezetimibid (Inegy®) Umsätze von bis zu

145,3 Millionen Euro.[18] In dieser von TANG und XIE verbesserten Synthese, die in

Abbildung 2 als Route B dargestellt wurde, wird Simvastatin (3) mittels einer Acyltransferase

ausgehend von Monacolin J (2) hergestellt, welches aus der hydrolytischen Esterspaltung

von Lovastatin (1) stammt. Da der Einsatz von toxischen und gefährlichen Schutzgruppen

bei dieser selektiven biokatalytischen Acylierung nicht notwendig ist (vgl. Route C, Abbildung

2), bieten sich hierbei deutliche Vorteile bezüglich Atomökonomie, Effizienz, und Sicherheit.

Auch die Methylierung von Lovastatin (1) mittels klassisch-chemischer Methoden (Route A,

Abbildung 2) erweist sich als ineffizient.[16] Nach einer Prozessoptimierung bzw.

Weiterentwicklung konnten mittlerweile mehr als 10 t Simvastatin (3) mithilfe dieser „grünen“

Methode hergestellt werden.[15]

4 | 1. EINLEITUNG

Abbildung 2: Synthesemöglichkeiten von Simvastatin (3) ausgehend von Lovastatin (1) und Monacolin J (2).[15,16]

Hierbei ist die Biokatalyse eine der Schlüsseltechnologien zur Verwirklichung der Ziele der

„grünen Chemie“. Deren Einsatz kann heutzutage viele durchschlagende Erfolge in der

industriellen Synthese von Pharma- und Agroprodukten verzeichnen.[13,19] Biokatalysierte

Reaktionen weisen oft eine hohe Prozesseffizienz und vorteilhafte Selektivitäten auf, sowie

eine leichte Handhabbarkeit der hierzu verwendeten Katalysatoren, die meist nicht-toxisch,

ungefährlich und biologisch abbaubar sind.[20] In diesem Kontext muss erwähnt werden,

dass auch klassisch-chemische Methoden erfolgreich für hocheffiziente, nachhaltige

Synthesen verwendet werden können. So findet man im Bereich der Organokatalyse, also

der Katalyse kleiner, organischer Moleküle, die keine Metalle im Katalysezyklus beinhalten,

mittlerweile unzählige Beispiele für hocheffiziente und hochselektive Syntheserouten.[21-23]

Neben einer möglichst hohen Effizienz, zum Beispiel durch Verringerung von Solvens- und

Katalysatormenge, sollte eine nachhaltige „grüne Chemie“ aber auch das Konzept der

Abfallvermeidung durch Prävention verfolgen (Abbildung 1). Beispielsweise kann dies durch

die Realisierung von effektiven, katalytischen Prozessen erreicht werden, bei denen, die

eingesetzten Materialien für mehrere Reaktionszyklen wiederverwendet werden können.

2. MOTIVATION UND ZIELSETZUNG | 5

2 Motivation und

Zielsetzung

Wie im vorangegangenen Kapitel beschrieben, ist die Konzeption nachhaltiger

Synthesemethoden von immenser Bedeutung, sowohl für praktische Anwendungen in der

Grundlagenforschung als auch für industrielle Zwecke, wie beispielsweise für die Bulk- und

Feinchemikalienproduktion und für die pharmazeutische Industrie. Als exemplarisches

Beispiel wird hierfür die Synthese von chiralen 1,3-Diolen herangezogen. Wie bereits aus der

Literatur bekannt, können diese Verbindungen mithilfe einer Kombination von organo- und

biokatalytischen Methoden in sequenziellen, mehrstufigen Syntheseschritten hergestellt

werden (Abbildung 3).[24-28] Zur Verbesserung der Effizienzbilanz der Synthese ist eine

Entwicklung von alternativen Herstellungsmethoden (z.B. chemoenzymatische Eintopf- und

Dominoreaktionen) von besonderem Interesse. Obwohl bis zum heutigen Zeitpunkt mehrere

Beispiele für sehr selektive Synthesen von 1,3-Diolen mittels Kombination von

organokatalytischer Aldolreaktion und enzymatischer Reduktion bekannt sind, wurde auf

diesem Wege noch keine Dominoreaktion erfolgreich etabliert. Hierfür muss eine möglichst

große Kompatibilität der katalytischen Systeme untereinander gewährleistet sein. Diese

Bedingung wird beispielsweise durch die Wahl eines geeigneten Lösungsmittels erfüllt. Wie

in vorherigen Arbeiten ermittelt wurde, können selektive Eintopfreaktionen mithilfe von

wässrigen Lösungsmittelsystemen durchgeführt werden.[27,28] Trotz vielversprechender

Ergebnisse wurden während der Prozessentwicklung (z.B. während der Optimierung der

organokatalytischen Reaktion) stark voneinander variierende Umsätze und Selektivitäten

6 | 2. MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

ermittelt. Die Gründe für diese Abweichungen sind bis dato weitestgehend unbekannt

geblieben, wobei bereits Vermutungen über eine Abhängigkeit der Selektivität von der

Katalysatormenge oder der Art des Lösungsmittels vorliegen.[28] Ein wichtiger Beitrag zur

Lösung dieser Problematik besteht in einer gründlichen Untersuchung der

Reaktionsparameter. Damit könnten möglichst genaue Aussagen über die Kontrolle von

Selektivität und Umsatz getroffen werden.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der eingesetzten Verfahren zur Synthese chiraler 1,3-Diole.[24-28]

Durch Prozessentwicklung und Optimierung können ferner ressourcenschonende Verfahren

entwickelt werden, die möglichst hohe Enantio- und Diastereoselektivitäten aufweisen.

Darüber hinaus sollen die eingesetzten Katalysatoren so modifiziert werden, dass sie auf

einfachem Wege rezyklisiert und für weitere Synthesen eingesetzt werden können.


2.1 Organokatalytische Aldolreaktionen

Wie schon von BAER, KRAUßER und GRÖGER et al. gezeigt wurde, kann die Herstellung

chiraler 1,3-Diole als zweistufige, sequenzielle Synthese dargestellt werden.[24-27] Dabei

reagieren zunächst 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton mithilfe eines Organokatalysators

zum β-Hydroxyketon 5. Aus Arbeiten von SINGH et al. ist außerdem bekannt, dass diese

Reaktion auch vollständig im wässrigen Medium abläuft (Abbildung 4).[29]

Abbildung 4: Organokatalytische Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton.[29]

Bei Verwendung von Organokatalysatoren, die eine Prolinamidstruktur besitzen, kann diese

Aldolreaktion enantioselektiv durchgeführt werden. Dafür werden die Katalysatoren (S,S)-6

oder (R,R)-6 eingesetzt (Abbildung 5).[24-27,29,30]

Abbildung 5: Prolinamid-Katalysatoren mit unterschiedlichen stereochemischen Eigenschaften.

In vorangegangenen Arbeiten konnte die im wässrigen Solvens durchgeführte Aldolreaktion

mit einer enzymatischen Reduktionsreaktion kombiniert werden. Auftretende, nicht

vollständig erklärbare Abweichungen im Bereich der Enantioselektivität stellten hierbei ein

Problem für die Entwicklung einer effizienten Synthese dar.[28] Durch die Veränderung

wichtiger Reaktionsparameter (z.B.: Katalysatorbeladung, Reaktionszeit, Art und Menge des

Lösungsmittels, Menge der eingesetzten Edukte, Temperatur usw.) wird im Rahmen dieser

Arbeit versucht eine Optimierung der organokatalytischen Aldolreaktion hinsichtlich hoher

Enantioselektivitäten und Umsätze zu erreichen. Die beobachteten Abweichungen bezüglich

der Selektivität und des Umsatzes sollen dabei systematisch untersucht und die Gründe

dafür erläutert werden. Zudem können auch Aussagen über signifikante mechanistische


Aspekte der organokatalysierten Aldolreaktion getroffen werden, die für den Ausgang der

Synthese von Bedeutung sind. Daneben weitet man diese Untersuchungen auf

Katalysatorsysteme aus, die kleine Modifikationen in ihrer Struktur aufweisen. Als Beispiel

dafür werden die Reaktivitäten von (S,S)-6 und (S,S)-7 miteinander verglichen. Diese

Katalysatoren besitzen an einem Chiralitätszentrum unterschiedliche Seitenketten

(Abbildung 6). Die optimierte Aldolreaktion soll im späteren Verlauf mit biokatalytischen

Verfahren kombiniert werden.

Abbildung 6: Prolinamid-Katalysatoren mit unterschiedlichen strukturellen Eigenschaften.

2.2 Anwendungen von immobilisierten Organo- und

Biokatalysatoren

Die Untersuchung der Aldolreaktion erfolgt anschließend an strukturell stark modifizierten

Katalysatorsystemen, die kovalent an Polymeren gebunden sind (8, Abbildung 7). Diese

besitzen jedoch ein identisches katalytisches Zentrum wie die Organokatalysatoren, die in

Kapitel 2.1 vorgestellt wurden (z.B. (S,S)-7).

Abbildung 7: Strukureller Vergleich von Prolinamid-Katalysatoren. Organokatalysator 8 wurde mittels

Copolymerisationsreaktion von Styrol und Divinylbenzol hergestellt.

Die erschwerte Löslichkeit des Polymer-gebundenen Organokatalysators 8 in gängigen

Lösungsmitteln ermöglicht eine Rezyklisierung desselbigen nach durchgeführter Reaktion.

Schließlich kann ein halbkontinuierlich-betriebenes Syntheseverfahren entworfen werden,


bei dem der immobilisierte Organokatalysator 8 in einem Durchflussreaktor zum Einsatz

kommt. Eine weitere Option besteht darin, weitere Immobilisierungsmethoden unter anderem

für Biokatalysatoren zu testen, welche in der Lage sind, β-Hydroxyketone 5 und weitere

aromatische Ketone zu 1,3-Diolen (9) bzw. zu den entsprechenden Alkoholen zu reduzieren

(Abbildung 8).

Abbildung 8: Biokatalytische Reduktion von β-Hydroxyketon 5 zum 1,3-Diol 9.

2.3 Chemoenzymatische Mehrstufensynthesen

Wie oben erwähnt, ist bereits in vorangegangenen Arbeiten ein Konzept zur enantio- und

diastereoselektiven mehrstufigen Synthese von 1,3-Diolen in wässrigen Solventien

verwirklicht worden. Dabei wird das aus der ersten Teilreaktion in situ-generierte

β-Hydroxyketon 5 nach einer bestimmten Reaktionszeit mithilfe von selektiven

Biokatalysatoren zum chiralen 1,3-Diol 9 umgewandelt. Diese Synthese findet als

Eintopfreaktion statt (Abbildung 9).[28] Mit der Wahl eines gemeinsamen wässrigen

Lösungsmittelsystems soll eine möglichst hohe Kompatibilität der beiden Teilreaktionen

gewährleistet werden. Die Durchführung der Eintopfsynthese unter diesen Bedingungen

ergab jedoch nur mäßige Umsätze.[28]

Abbildung 9: Eintopfreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diole (9).[28]


Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Gründe für Umsatzeinbußen bzw. für mögliche

Selektivitätsverluste erklärt werden. Darüber hinaus soll durch geeignete Prozessentwicklung

die Reaktion hinsichtlich einer maximal möglichen Effizienz optimiert werden . Dabei können

die Erkenntnisse, die während der Analyse der organokatalytischen Aldolreaktion erhalten

werden (Kapitel 2.1 und Kapitel 2.2) in die Optimierung der mehrstufigen Eintopfsynthese

einfließen.

Zur Etablierung einer effizienten Synthese zur Darstellung von chiralen 1,3-Diolen soll

desweiteren eine neuartige alternative Prozessführung vorgestellt werden. Dabei befinden

sich Organo- und Biokatalysator von Anfang an gemeinsam in der Reaktionsmischung

(Abbildung 10). In dieser Dominoreaktion soll das durch Organokatalyse in situ-gebildete

β-Hydroxyketon möglichst irreversibel zum Diol 9 umgesetzt werden.

Abbildung 10: Dominoreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diole (9).

3. ORGANOKATALYTISCHE ALDOLREAKTIONEN | 11

3 Organokatalytische

Aldolreaktionen

Organokatalytische Reaktionen gewinnen für die chemische Forschung zunehmend an

Bedeutung. Nach der „Wiederentdeckung“ der katalytischen Rolle des Prolins in der

asymmetrischen Aldolreaktion durch LIST, LERNER und BARBAS III im Jahr 2000 wuchs die

Anzahl der wissenschaftlichen Publikationen im Bereich der Organokatalyse für einige Zeit

gar exponentiell.[31,32] Dank der besonderen Vorteile, die organokatalytische Prozesse mit

sich bringen, ist das Interesse der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft an

organokatalytischen Synthesen heutzutage immer noch präsent. Zum einen basieren die

meisten Organokatalysatoren auf Molekülen, die relativ leicht und kostengünstig zugänglich

sind, wie beispielsweise die bereits erwähnte sekundäre Aminosäure Prolin (Abbildung 11).

Diese befindet sich als Strukturmotiv in vielen Organokatalysatoren wieder, so zum Beispiel

in dem von JØRGENSEN et al. und HAYASHI et al. zur gleichen Zeit konzipierten Pyrrolidin-

Derivat (Diphenylprolinolsilylether), das vielfältig und sehr häufig für eine Fülle an Reaktionen

eingesetzt wird.[33-39] Die erste hochenantioselektive organokatalytische Diels-Alder-

Reaktion konnte mithilfe eines Imidazolidinon realisiert werden, welches aus einem einfach

verfügbaren Phenylalanin-Derivat leicht herzustellen ist.[40] Aminosäuren in Form von

biomimetischen Peptiden finden einen breiten Einsatz in vielen asymmetrischen

Synthesen.[41] Die enantioselektive Epoxidierung von α,β-ungesättigten

Carbonylverindungen mittels synthetischer Peptide (Julia-Colonna-Epoxidierung) wurde

beispielsweise erfolgreich zur Darstellung eines pharmazeutisch-relevanten Wirkstoffs wie

12 | 3. ORGANOKATALYTISCHE ALDOLREAKTIONEN

Diltiazem verwendet.[42] Weitere Bestandteile etablierter Organokatalysatoren wie

Saccharide, Cinchona-Alkaloide, Harnstoff-und Thioharnstoff-Derivate usw. sind ebenfalls

günstig zu erwerben, weil sie in der Natur reichlich vorhanden sind und/oder ihre Synthese

relativ einfach durchzuführen ist (Abbildung 11).[43,44]

Abbildung 11: Beliebte Organokatalysatoren, die aus kostengünstigen Materialien gewonnen werden

können.[33-40,44,45] a) Hierbei handelt es sich um Preise für laborübliche Mengen.[46] Diese sind in der Regel höher zu veranschlagen als Preise für technische Mengen.[47]

Im Gegensatz dazu müssen beispielsweise für (übergangs-)metallkatalysierte Reaktionen oft

höhere Kosten in Kauf genommen werden. Vergleicht man die Preise am Weltmarkt für die

häufig eingesetzten Edelmetalle Rhodium, Platin und Palladium mit denen der

Hauptsynthesebausteine vielfach eingesetzter Organokatalysatoren (Abbildung 11), so

differieren die Kosten pro Gramm um Zehnerpotenzen voneinander (Abbildung 12). Durch


den Einsatz toxischer, gefährlicher und empfindlicher Schwermetallverbindungen können

zudem Mehrkosten für die Arbeitssicherheit, den Transport, die Abfallbeseitigung und für die

technisch aufwändige Handhabung entstehen.[32,48]

Abbildung 12: Weltmarktpreise von in Synthesen häufig eingesetzten Edelmetallen.[49]

Die Gesamtausgaben können in organokatalysierten Reaktionen grundsätzlich niedrig

gehalten werden, wobei hierfür eine Differenzierung einzelner katalytischer Systeme

vonnöten ist. Auch ökologische Aspekte, wie Sicherheit und Toxizität, variieren innerhalb des

extrem vielfältigen Gebiets der Organokatalyse natürlich voneinander, sodass eine

Verallgemeinerung diesbezüglich sehr schwer zu konkretisieren ist. Weiterhin muss in

diesem Zusammenhang erwähnt werden, dass die Metallkatalyse, trotz der hier gegenüber

der Organokatalyse aufgezeigten Nachteile, sehr erfolgreich in industriellen Prozessen

eingesetzt wird.[50] Der Hauptgrund für dieses auf den ersten Blick paradox erscheinende

Phänomen liegt in einer hohen Effizienz und Effektivität der etablierten metallkatalysierten

Systeme. Wie zum Beispiel im SHOP-Prozess (engl. Shell Higher Olefins Process)

eindrucksvoll demonstriert, sind hochproduktive mehrstufige Verfahren realisiert worden,

welche eine leichte Abtrennung der Reaktanden ermöglichen.[51,52] Weiterhin wurden im

Laufe der Jahre durch Optimierung unzählige Prozesse entwickelt, welche eine hohe TON

(engl. turn over number) und somit eine hohe katalytische Effizienz aufweisen.[52] Damit

können langfristig die Kosten für teure Katalysatoren kompensiert werden. Die im Jahre 2010

mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnete Suzuki-Miyaura Kupplung kann zum Beispiel

mittlerweile so durchgeführt werden, dass nur Spuren von Katalysator ausreichen (5 ppm),

um eine Reaktion zu initiieren.[53] Diese Art von Effizienz ist im Bereich der Organokatalyse

bis dato noch nicht erreicht worden, jedoch gibt es bereits einige Bemühungen

0

10

20

30

40

50

60

70

80

07.2009 03.2010 11.2010 07.2011 04.2012 12.2012 08.2013

€/g

Pt

Rh

Pd


organokatalytische Reaktionen hinsichtlich eines minimierten Ressourcenverbrauch zu

verbessern. Kenntnisse über mechanistische Details der zu optimierenden Reaktion

erleichtern dabei die Prozessentwicklung. Zudem können der Reaktionsmechanismus und

die ihm zugrundeliegende Reaktionskinetik aufschlussreiche Hinweise über die Effizienz der

Katalyse geben. Somit können auch durch gezielte Anpassung der Reaktionsparameter jene

Prozesse deutlich verbessert werden, die auf den ersten Blick ineffizient erscheinen. Als

geeignete Modellreaktion für die Bestätigung dieser Thesen wird hierzu die

organokatalytische Aldolreaktion mit Prolin-Derivaten herangezogen.

3.1 Stand der Wissenschaft

Die aktuelle organokatalytischen Forschung verfolgt das Ziel, hauptsächlich neuartige

Reaktionen bzw. Substrataktivierungsmethoden zu entwerfen. Daneben versucht man aber

auch bewährte Reaktionen für Wirk- bzw. Naturstoffsynthesen zu verwenden. Dazu ist eine

effiziente Konzeption der katalytischen Systeme erforderlich.[54]

3.1.1 Prozessoptimierung durch effiziente Katalyse

Die erste direkte asymmetrische organokatalysierte Aldolreaktion von Aceton mit

4-Nitrobenzaldehyd (10) und 30 mol% (S)-Prolin (11) konnte von LIST, LERNER und

BARBAS III mit zufriedenstellend hoher Stereoelektivität durchgeführt werden (76% ee). Die

Verwendung einer großen Katalysatormenge war jedoch für die Prozesseffizienz von

Nachteil (Abbildung 13).[31]

Abbildung 13: Prolin-katalysierte Aldolreaktion.[31]


Nach Modifizierung der Katalysatorstruktur durch Amidierung des (S)-Prolins (11) konnten

GONG et al. eine Verbesserung der Enantioselektivität erzielen (99% ee). Die Menge an

Katalysator (13) wurde auch beträchtlich reduziert (2 mol%, Abbildung 14).[55]

Abbildung 14: Verbesserung der Enantioselektivität des Aldolprodukts (12)

durch Modifikation der Katalysatorstruktur.[55]

Mithilfe weiterer Optimierungen an der Struktur des Organokatalysators, wie beispielsweise

von SINGH et al., wurde die Synthese vom β-Hydroxyketon 12 durch Organokatalysator

(S,S)-6 sogar mit einer Katalysatorbeladung von 0,5 mol% realisiert (Abbildung 15). Dabei

beträgt die Enantioselektivität 86% ee; bei Verwendung anderer aromatischer Aldehyde kann

diese aber deutlich gesteigert werden (>99% ee).[29]

Abbildung 15: Aldolreaktion von 10 und Aceton mit 0,5 mol% Prolinamid-Katalysator (S,S)-6.[29]

Bemerkenswerterweise gibt es auch die Möglichkeit auf das „Prolin-Gerüst“ zu verzichten

und dennoch sehr effiziente Organokatalysatoren zu entwerfen, die für die direkte

Aldolreaktion von wasserlöslichen Ketonen (z.B. Aceton) mit aromatischen Aldehyden


verwendet werden können. Der von MARUOKA et al. hergestellte Biphenyl-Katalysator (14)

besitzt lediglich dieselben funktionellen Gruppen, die im (S)-Prolin (11) vorhanden sind, also

ein sekundäres Amin und eine sich in der unmittelbaren Umgebung befindende

Carboxylgruppe. Nur 0,1 mol% dieser axial-chiralen Aminosäure sind notwendig, um sehr

hohe Ausbeuten von 91% und exzellente ee-Werte von 96% ee zu erzielen

(Abbildung 16).[56]

Abbildung 16: Aldolreaktion von 11 und Aceton mit Organokatalysator 15. [56]

Mittlerweile werden in fast allen Bereichen der Organokatalyse Beispiele gefunden, bei

denen die Katalysatormenge auf <1 mol% reduziert werden kann. Neben der oben

dargestellten Aldolreaktion durch Enaminkatalyse, können auch unter anderem Michael-

oder Mannich-Reaktionen mit weiteren Lewis-Basen-Katalysatoren beispielsweise mit sehr

niedrigen Katalysatorbeladungen von 0,1-0,5 mol% durchgeführt werden.[57]

Bei Verwendung von chiralen Brønstedt-Säure-Katalysatoren können gar Beladungen von

0,01 mol% erreicht werden, zum Beispiel in der von RUEPING et al. entworfenen Route zur

enantioselektiven Reduktion zyklischer Imine durch Transferhydrierung, oder in einer von

LIST et al. entwickelten organokatalytischen Variante der Mukayama-Aldolreaktion.[58]

Die bis zum heutigen Zeitpunkt effizienteste organokatalytische Reaktion wurde jedoch von

SCHREINER et al. vorgestellt. Die THP-Ether Schützung von Benzylakohol (15) mittels eines

wasserstoffbrückenbildenden Thioharnstoff-Derivats (17) liefert exzellente Ausbeuten, bei

einer TOF (engl. turn over frequency) von über 5700 h-1 und einer Katalysatorbeladung von

0,001 mol% (Abbildung 17).[59]


Abbildung 17: Effiziente organokatalytische THP-Schützung von Benzylalkohol.[59]

Die Katalysatormenge ist wie oben gezeigt eine wichtige Größe zur Erfassung der Effizienz

einer chemischen Reaktion. Dennoch gibt es diesbezüglich noch weitere Parameter, die in

Gänze berücksichtigt werden müssen.

3.1.2 Effizienzsteigerung durch Kontrolle der Selektivität

Um der Forderung nach einem möglichst niedrigen E-Faktor nachzukommen, sollten

chemische bzw. organokatalytische Reaktionen möglichst selektiv ablaufen.[12] Die Bildung

unerwünschter Nebenprodukte kann dabei zum Beispiel über die gezielte Beeinflussung der

Chemo-, Regio- und Stereoselektivität unterbunden werden. In Theorie kann dies dann

grundsätzlich auf zweierlei Wegen erfolgen: entweder durch thermodynamische oder durch

kinetische Kontrolle. Betrachtet man beispielsweise eine hypothetische reversible,

bimolekulare Reaktion, bei der Edukt A und Edukt B entweder in Produkt C oder

Nebenprodukt D übergehen, dann ist eine erfolgreiche Synthese von C über eine

thermodynamische Kontrolle denkbar, wenn das Produkt C eine größere negative Änderung

der Gibbs-Energie zu den Edukten besitzt als das Nebenprodukt D (Abbildung 18,

Abbildung 19).

Abbildung 18: Reversible, parallele, bimolekulare Reaktionen.


Die Änderung der Gibbs-Energie definiert die Energiedifferenz zwischen Edukten und

Produkten und hängt dabei sowohl von der Temperatur, als auch von der

Gleichgewichtskonstanten ab.[60]

mit

und mit

für Nebenprodukt D

In kinetisch kontrollierten Reaktionen hingegen ist der Erfolg der Reaktion einzig von der

Änderung der freien Gibbs-Aktivierungsenergie abhängig. Diese beschreibt die

Energiedifferenz zwischen Edukten und Übergangszuständen. Sie ist proportional zur

Temperatur und Geschwindigkeit der jeweiligen Hinreaktion (Geschwindigkeitskonstante

oder , Abbildung 19).[61]

für die Reaktion, die zu Produkt C führt

und

für die Reaktion, die zu Nebenprodukt D führt

Abbildung 19: Vergleich zwischen thermodynamischer und kinetischer Kontrolle.

Kinetisch kontrollierte Reaktionen spielen unter anderem im Bereich der Katalyse eine

entscheidende Rolle. Ein Katalysator erhöht per Definition die Reaktionsgeschwindigkeit

durch Erniedrigung der energetischen Lage des Übergangszustands; das thermodynamische

Gleichgewicht bleibt dabei unverändert. Die Selektivität kann dabei beispielsweise durch das

Prinzip der kinetischen Kontrolle beeinflusst werden. Enantiomere, die bekanntlich dieselbe

thermodynamische Lage besitzen können zum Beispiel durch Wechselwirkung der Edukte


mit chiralen Katalysatoren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gebildet werden. Die

Aktivierungsbarriere für die Bildung eines Enantiomers ist damit höher als für die Bildung des

anderen Enantiomers, welches selektiv entsteht. Neben der gezeigten Produktkontrolle

durch induzierte Diastereoselektivität der Edukte mit chiralen Katalysatoren in

enantioselektiven Reaktionen können diasteroselektive Reaktionen auch mittels

Substratkontrolle realisiert werden.[62] Abbildung 20 zeigt ein bemerkenswertes Beispiel von

ENDERS et al., die eine enantio- und diastereoselektive organokatalysierte

Multikomponentenreaktion eines hochkomplexen zyklischen Carbaldehyds (23) mit vier

Stereozentren unter Ausnutzung des oben dargestellten Prinzipis der kinetischen Kontrolle

durchführten.[63]

Abbildung 20: Dia- und enantioselektive organokatalytische asymmetrische Multikomponentenreaktion.[63]

Trotz einer relativ großen Menge an Diphenylprolinolsilylether (22, 20 mol%), der als

Katalysator fungiert, kann diese Synthese als sehr effizient gelten. In der Tat ist diese

Reaktion höchst selektiv, da nur zwei der 16 möglichen Stereoisomere gebildet werden. Der

Grund für diese Selektivität kann durch den postulierten Reaktionsmechanismus erklärt

werden (Abbildung 21). Durch kinetische Kontrolle, welche vom Diphenylprolinolsilylether-

Katalysator (22) initiiert wird, kann zunächst eine hochdiastereoselektive syn-Michael-

Addition von Aldehyd 19 und Nitroalken 20 erfolgen. Dieses hiermit entstandene Molekül 24

kann dann mit extrem hoher Geschwindigkeit in einer erneuten stereoselektiven Michael-

Reaktion mit dem α,β-ungesättigten Aldehyd 21 reagieren, welcher zuvor mit dem

Organokatalysator 22 eine aktive chirale Iminium-Spezies gebildet hat. Der Ringschluss von

25 erfolgt dann über eine intramolekulare organokatalysierte Aldolkondensation.[63]


Abbildung 21: Postulierter Reaktionsablauf der Multikomponentenreaktion (aus Abbildung 20).[63]

Die kompetitive Wirkung von kinetischer und thermodynamischer Kontrolle ist in vielen

Reaktionen für eine veränderte Produkt- bzw. Nebenproduktverteilung verantwortlich. Ein

Paradebeispiel dafür ist die regioselektive Synthese von Enolaten durch gezielte Variation

unterschiedlicher Reaktionsparameter (Temperatur, Zeit, Art der verwendeten Base,

usw.).[64] Diese Konkurrenz kann sich dabei durchaus auch in katalytischen Reaktionen

manifestieren, die scheinbar ausschließlich kinetisch kontrolliert erscheinen. So wurde

kürzlich von BERKESSEL et al. unter Berücksichtigung der Beobachtungen von SINGH et al.

und besonders der Ergebnisse, die in Kapitel 3.3.3 vorgestellt werden, in der

organokatalytischen Aldolreaktion von α,α,α-Trifluoracetophenon 26 mit Aceton und

Katalysator (S,S)-6 eine veränderte Selektivität bei Verlängerung der Reaktionszeit bzw. bei

Erhöhung der Katalysatormenge beobachtet (Abbildung 22).[29,65] Dabei nehmen die

ee-Werte des entstandenen Produkts (S)-27 linear mit der Reaktionszeit ab, ein Phänomen,

das auf die Einstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts zurückzuführen ist. Dabei

ist die Racemisierungsgeschwindigkeit von der Katalysatormenge unmittelbar abhängig.

Durch eine niedrigere Katalysatorbeladung kann somit eine Steigerung der Selektivität

erreicht werden. Schließlich ist zu bemerken, dass diese Einstellung des

thermodynamischen Gleichgewichts überasschenderweise in einem für organokatalytische

Reaktionen durchaus gängigen Katalysatorbereich von 1-20 mol% geschieht. In diesem

Bereich sind diese Reaktionen oftmals kinetisch kontrolliert.


Abbildung 22: Konkurrenz zwischen kinetischer und thermodynamischer Kontrolle in organokatalytsierten Aldolreaktionen von aktivierten Ketonen (26) mit Aceton.[65]

Ein weiterer interessanter Aspekt dieser Reaktion betrifft die Auswahl der Substrate: Bei

diesem Beispiel lässt man hierfür zwei Ketone miteinander reagieren. Diese Art von

Reaktionsführung ist besonders für nicht-aktivierte Ketone sehr selten realisierbar, da das

Gleichgewicht stark auf der Seite der Edukte liegt.[66] Durch die Verwendung von

α,α,α-Trifluoracetophenon (26), ein stark aktiviertes Keton, gelingt eine mäßig

enantioselektive Synthese von (S)-27 sogar unter Verwendung von (S)-Prolin (11) als

Katalysator.[67]

3.1.3 Kontrolle der Selektivität von organokatalysierten Aldolreaktionen:

Reaktionsmechanistische Untersuchungen

Die Kontrolle der Selektivität erweist sich, wie im vorherigen Teilkapitel gezeigt, als wichtige

Komponente für die Konzeption effizienter organokatalytischer Syntheserouten. Um diese zu

ermöglichen muss jedoch das katalytische System sorgfältig analysiert werden. Die Prolin-

katalysierte Aldolreaktion und deren Reaktionsmechanismus wurden in dieser Hinsicht in

den letzten Jahren ausgiebig erforscht, wobei mittlerweile unzählige theoretische als auch

experimentelle Untersuchungen hierfür vorliegen.[68,69] Dabei ist die sekundäre Amin-

Funktionalität im Molekül sehr relevant für die katalytischen Eigenschaften des

(S)-Prolin (11) und seiner Derivate. Die Aminokatalyse mit sekundären (meist zyklischen)

Aminen ist zwar ein sehr vielfältiges und facettenreiches Gebiet; ihre Reaktionen können

aber, wie in der Organokatalyse üblich, nach der jeweiligen Substrat-Aktivierungsmethode

eingeordnet werden. Damit ergeben sich zwei große Kategorien: Die Iminiumkatalyse und

die Enaminkatalyse.[70] Während die Iminiumkatalyse häufig zur β- oder

γ-Funktionalisierung α,β-ungesättigter Carbonylverbindungen eingesetzt wird, ist die

Enaminaktivierung für die α-Funktionalisierung von beispielsweise substituierten Aldehyden

verantwortlich (Abbildung 23).[71]


Abbildung 23: Aminokatalytische Reaktionspfade für Aldehyde als Substrate.

E+ = Elektrophil; Nu: = Nukleophil.[71]

In vielen bekannten organokatalytischen Aldolreaktionen reagiert eine enolisierbare

Carbonylverbindung mit einem Pyrrolidin-Derivat und bildet damit ein Enamin. Dieses ist

deutlich reaktiver als das korrespondierende Enolat der zugehörigen Carbonylverbindung,

weil das HOMO (engl. Highest Occupied Molecular Orbital) der Enamin-Verbindung dank

des freien Elektronenpaars des Stickstoffs energetisch höher liegt als das HOMO des

Enolats.[72] Das Enamin reagiert dann als nukleophile Komponente mit einer weiteren

Carbonylverbindung, die als Elektrophil fungiert, unter Abspaltung des als Katalysator

agierenden sekundären Amins. Ob der Angriff auf das Elektrophil syn oder anti zum

Pyrrolidin-Substituenten erfolgt, ist grundsätzlich von der Struktur des Katalysators und der

Art des Elektrophils abhängig (Abbildung 23).[71] Dabei kann der Angriff sterisch kontrolliert

erfolgen, wie zum Beispiel bei der enantioselektiven α-Fluorierung von Aldehyden mit einem

Trimethylsilyl-geschützten Diarylprolinol.[34,73]


Für die meisten organokatalytischen Aldolreaktionen mit Pyrrolidin-Derivaten hingegen,

erfolgt die Kontrolle der Enantio- bzw. Diastereoselektivität vermutlich über die gerichtete

räumliche Annäherung der Substrate mittels Wasserstoffbrückenbindungen.[71,74] Für die

Prolin-katalysierte Aldolreaktion wurde zudem noch ein alternativer Reaktionsmechanismus

vorgeschlagen, der über eine intermediäre Oxazolidinon-Spezies verläuft.[69]

Eine weitere Möglichkeit die Selektivität zu beeinflussen, kann durch geschickte Wahl des

Lösungsmittels oder eines möglichen Cosolvens erfolgen. So erreicht die organokatalytische

Aldolreaktion von aromatischen Aldehyden 28 mit Aceton und Prolinamid-Katalysator 29

nach SINGH et al. nur dann ee-Werte von >99% ee, wenn sie in einem wässrigen Medium

erfolgt (Abbildung 24).[75]

Abbildung 24: Organokatalytische Aldolreaktion im wässrigen Medium.[55,75,76]

Durch den hydrophoben Effekt befinden sich die lipophilen Edukte in der unmittelbaren

räumlichen Umgebung des lipophilen Katalysators (29 und strukturell ähnliche Prolinamid-

Katalysatoren). Die Aggregation dieser Komponenten bewirkt eine Abschirmung des

Übergangszustands. Dies führt zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit. Zudem kann

das Wasser aus der Solvatationshülle die Carbonylgruppe des Prolinamid-Katalysators


mittels Wasserstoff-Brückenbindungen aktivieren; die Acidität der NH-Bindung nimmt zu und

der Übergangszustand wird stabilisiert.[29,75,77] Auch die Hydroxygruppe im Katalysator,

die an zwei geminalen Phenylgruppen angebunden ist, bildet Wasserstoffbrückenbindungen,

welche zur Stabilisierung des Übergangszustands führen.[29,30] Das Verwenden von

gesättigter NaCl-Lösung erhöht die Polarität des wässrigen Lösungsmittels; damit wird der

hydrophobe Effekt verstärkt.[29,78].

Die Synthese der Prolinamid-Katalysatoren (S,S)-6 und (S,S)-7 wurde zum ersten Mal von

SINGH et al. vorgestellt.[30] Die Darstellung von Organokatalysator (R,R)-6 konnte von

KRAUSSER und GRÖGER et al. realisiert werden (Abbildung 25).[25,26]

Abbildung 25: Prolinamid-Katalysatoren.[25,26]

3.2 Ziel der Arbeit

In Anlehung an die vorherigen gezeigten Fortschritte aus der aktuellen Forschung wird im

Folgenden ein Konzept für eine effiziente und enantioselektive Darstellung von

β-Hydroxyketonen entwickelt. Ein Beispiel für eine solche Synthese von

β-Hydroxyketon (R)-5 mittels organokatalytischer Aldolreaktion ist in Abbildung 26 gezeigt.

Die Prolinamid-Katalysatoren von SINGH et al. (z.B. (S,S)-6 oder (S,S)-7) wurden in der

Vergangenheit bereits für diese und weitere Synthesen von vielfältig substituierten

Aldolprodukten eingesetzt.[24-29] Hohe ee-Werte von (R)-5 konnten aber für die Reaktion

von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton im wässrigen Medium mit 0,5 mol% Katalysator nur

bei niedrigen Temperaturen von -5°C erreicht werden (>99% ee,

Abbildung 26).[29]

Bei Raumtemperatur und einer etwas höheren Katalysatorbeladung von 1,09 mol%

hingegen, beobachtete man deutlich schwankende Enantioselektivitäten von 91% ee bis zu

39% ee bei Veränderung von Reaktionsparametern wie Solvens und/oder Reaktionszeit.[28]


Abbildung 26: Enantioselektive Aldolreaktionen im wässrigen Medium nach SINGH et al. mithilfe von Organokatalysatoren ((S,S)-6 und (S,S)-7).[29]

Aus diesem Grund wird eine Prozessentwicklung durchgeführt, bei der alle relevanten

Parameter variiert werden. Nach Veränderung von Katalysatorbeladung, Reaktionszeit, Art

des Lösungsmittels, Konzentration der eingesetzten Edukte und Temperatur können dann

genauere Aussagen über diese Reaktion getroffen werden (Abbildung 27).

Abbildung 27: Prozessentwicklung der organokatalytischen Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton.

Zunächst kann eine Bewertung der Effizienz in Bezug auf den Umsatz und die Selektivität

erfolgen. Anschließend ist es möglich den Grund für den teilweise beobachteten Verlust bzw.


für die Schwankung der Enantioselektivität zu benennen (Abbildung 27). Mit den

gewonnenen Erkenntnissen kann ein wichtiger Beitrag zur Erforschung dieser Reaktion

geleistet werden.

3.3 Ergebnisse und Diskussion

3.3.1 Synthese der Organokatalysatoren

In Anlehnung an die Vorschriften von SINGH et al. und BAER werden (S,S)-6 und (S,S)-7

ausgehend von (S)-Prolin (11) und (S)-Leucin (33) (für Katalysator (S,S)-6) oder

(S)-Methyl-2-amino-2-phenylacetat-hydrochlorid (34) (für Katalysator (S,S)-7) synthetisiert

(Abbildung 28).[24,30,79]

Abbildung 28: Retrosynthetische Analyse von Katalysator (S,S)-6 und (S,S)-7.

Zur Synthese von (S,S)-6 wird im ersten Reaktionsschritt (S)-Leucin (33) mittels

Thionylchlorid (35) und Ethanol verestert: Das Produkt (S)-Ethyl-2-amino-4-methylpentanoat

(32) wird als Ammoniumsalz 36 gefällt. Die Ausbeute beträgt dabei 63% (Abbildung 29).


Abbildung 29: Synthese von (S)-1-Ethoxy-4-methyl-1-oxopentan-2-aminiumchlorid (36).

Der Ester 36 wird in einer Grignard-Reaktion zum Aminoalkohol (38) umgewandelt. Die

Ausbeute beträgt dabei 60% (Abbildung 30).

Abbildung 30: Synthese von Aminoalkohol 38 mittels Grignard Reaktion.

Um die Amidkupplung von 38 und 11 an der Carboxylgruppe des (S)-Prolin (11)

durchzuführen, muss Letzteres an dessen Aminofunktion geschützt werden. Dies geschieht

mithilfe von Di-tert-butyldicarbonat (39). Die Ausbeute des resultierenden N-Boc-(S)-Prolins

(40) wurde hierbei nicht bestimmt (Abbildung 31).

Abbildung 31: Synthese von Boc-Prolin (40).

Die Amidkupplung vom Aminoalkohol 38 und Boc-Prolin (40) kann mithilfe von 1-Ethyl-3-(3-

dimethylaminopropyl)carbodiimid (41, EDC, als Hydrochloridsalz eingesetzt) stattfinden, in

Analogie zu einem von BAER und KRAUSSER entwickelten Verfahren.[24,26]


Die Ausbeute vom entstehenden Boc-geschützten Katalysator 42 beträgt dabei 38%

(Abbildung 32).

Abbildung 32: Erste Variante zur Synthese Boc-geschützter Katalysatoren (42).

Wie von SINGH et al. vorgeschlagen, kann diese Amidkupplung ebenfalls durch den Einsatz

von Ethylchloroformiat (43) durchgeführt werden.[30] Die Ausbeute vom entstehenden

Boc-geschützten Katalysator 42 beträgt 34% (Abbildung 33).

Abbildung 33: Zweite Variante zur Synthese Boc-geschützter Katalysatoren (42).

Wie aus der Literatur entnommen wird die Entschützung der Boc-Schutzgruppe zunächst

mittels Ameisensäure (44) durchgeführt.[30] Diese Methode ist in der Praxis allerdings nicht

immer effektiv, da sie zur Bildung eines N-formylierten Nebenprodukts des Katalysators

(S,S)-6 führen kann.[24,80] Tatsächlich gelang die Entschützung mit reiner Ameisensäure

(44) in diesem Beispiel nicht. Ein Beitrag zur Lösung dieses Problems kann durch die

Kombination von Ameisensäure (44) mit einer zweiten Säure wie HCl in einem organischen

Lösungsmittel wie THF geleistet werden. Dabei konnte einmalig das Produkt mit einer

Ausbeute von >95% isoliert werden (Abbildung 34).


Abbildung 34: Entschützung der Boc-Gruppe mit Ameisensäure (44).

Eine von BERKESSEL et al. verfasste Vorschrift sieht lediglich den Einsatz von HCl in

Methanol zur Entschützung der Boc-Schutzgruppe von Verbindung 42 vor.[81] Diese

elegante Methode, welche ein Schlüsselschritt zu der in der Literatur beschriebenen

Eintopfsynthese von (S,S)-6 ist, wird im Folgenden für die Synthese von Organokatalysator

(S,S)-7 angewendet. Nach der kombinierten Amidkupplung und Entschützung konnte (S,S)-7

einmalig mit einer Ausbeute von 9% isoliert werden (Abbildung 35).

Abbildung 35: Kobination von Amidkupplung und Entschützung zur Synthese von Organokatalysator (S,S)-7.

Eine Bewertung der Effizienz der gewählten Methoden zur Entschützung bzw. zur Synthese

der jeweiligen Organokatalysatoren und deren Building Blocks darf hier nicht erfolgen, da

diese oben gezeigten Reaktionen einzig und alleine dem Zweck dienten, eine für katalytische

Reaktionen annehmbare Menge an Verbindung (S,S)-6 und (S,S)-7 herzustellen. Eine

Optimierung der Reaktionsbedingungen hinsichtlich einer maximalen Ausbeute war hierfür

nicht notwendig und wurde auch nicht durchgeführt.


3.3.2 Charakterisierung der Prolinamid-katalysierten Aldolreaktion: Analytik

Die Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton mittels Prolinamid-Katalysatoren

wie beispielsweise (S,S)-6 dient zur Synthese von chiralen β-Hydroxyketonen vom Typ

(R)-5 (Abbildung 36).

Abbildung 36: Untersuchung der Prolinamid-katalysierten Aldolreaktion.

Wie in Kapitel 3.2 erwähnt, wurde diese Reaktion bereits von SINGH et al. und in weiteren

dazu nachfolgenden Arbeiten untersucht.[28,29] Die analytische Charakterisierung des

Produkts (R)-5 erfolgte dabei mittels üblicher spektroskopischer Methoden. Die

Enantioselektivität wurde mithilfe einer chiralen HLPC-Methode bestimmt. Die Synthese des

zugehörigen racemischen Produkts, das als Referenz für diese Bestimmungen diente, wurde

ebenfalls in vorherigen Arbeiten vorgestellt.[28]

Unter diesen Voraussetzungen wird zunächst eine qualitative Analyse der Produkte der

Prolinamid-katalysierten Aldolreaktion von 1,5 mmol 3-Chlorbenzaldehyd (4) mit

9 Äquivalenten Aceton im wässrigen Medium durchgeführt. Als Katalysator wird dabei

Verbindung (S,S)-6 gewählt. Bei der Aufreinigung des Produkts (R)-5 mittels

säulenchromatographischer Aufarbeitung können nebenher weitere Produkte isoliert werden,

die als Folge von Parallel- und Folgereaktionen entstehen. (Abbildung 37). Die Existenz

dieser Nebenprodukte ist für die Umsatzbestimmung der Aldolreaktion von großer

Bedeutung. Diese Ermittlung erfolgt durch 1H-NMR-Spektroskopie. Dabei wird entweder das

Integral eines Protons im Produkt (hier (R)-5) mit der Summe der Integrale einzelner

Wasserstoffatome aller detektierbaren Verbindungen in Relation gesetzt (produktbezogener

Umsatz) oder es wird in analoger Weise der Verbrauch des Edukts (4) im Verhältnis zu den

anderen entstandenen Produkten registriert (Gesamtumsatz). Die Anzahl und die

tatsächliche Menge der Nebenprodukte sind dabei stark von den Reaktionsbedingungen

abhängig.


Abbildung 37: Qualitative Analyse des Produkt- bzw. Nebenproduktspektrums der organokatalysierten Aldolreaktion mit Katalysator (S,S)-6.

Die Verbindung 46 (3-Chlorbenzoesäure), welche primär durch Oxidation von

3-Chlorbenzaldehyd (4) entsteht, ist im Folgenden eher als Verunreinigung des eingesetzten

Edukts zu betrachten, als ein tatsächlich entstehendes Nebenprodukt, da nach Durchführung

der Aldolreaktionen kein signifikanter Anstieg der 3-Chlorbenzoesäure-Konzentration (46) im

1H-NMR-Spektrum des Rohprodukts registriert wird. Die Säure kann durch vorherige

Reinigung von 3-Chlorbenzaldehyd (4) mittels Vakuumdestillation entfernt werden

(Siedepunkt von 3-Chlorbenzaldehyd (4): 66°C bei 8,9*10-2 mbar). Der in dieser Arbeit

eingesetzte Aldehyd besitzt eine Reinheit von mindestens >97%. Für eine präzise

Umsatzbestimmung ist eine solch hohe Reinheit von Vorteil, da die für die Integration

relevanten Peaks von 4 und 46 sich bei circa 10 ppm überlappen. Dies konnte durch eine

partielle Oxidation von 3-Chlorbenzaldehyd (4) beobachtet werden (Abbildung 38).


Abbildung 38:Vergleich der 1H-NMR-Spektren von 3-Chlorbenzaldehyd (4) mit >97%iger Reinheit (nicht

destilliert) und ein Gemisch aus 3-Chlorbenzaldehyd (4) und 3-Chlorbenzoesäure (46) im Verhältnis 1,00/0,75.

Die Peaks der beiden Verbindungen überlappen sich bei circa 10 ppm.

Die Nebenprodukte, die am häufigsten in Aldolreaktionen vorkommen, entstehen durch

Kondensationsreaktionen von β-Hydroxyketonen. Diese α,β-ungesättigten

Carbonylverbindungen werden meist irreversibel gebildet, da sie gegenüber den

Aldolprodukten thermodynamisch bevorzugt sind. LIST et al. analysierten die Bildung dieser

Verbindungen in Prolin-katalysierten Aldolreaktionen aus Aceton und Aldehyden. Die

Untersuchung ergab, dass die Entstehung dieser Enone auf eine Mannich-Reaktion-

Eliminierung-Sequenz zurückzuführen ist.[82]

Die Isolierung von Verbindung 47 in der Benchmark-Reaktion aus Abbildung 37 gelang

hierbei nicht in zufriedenstellendem Maße, da keine ausreichende Trennung durch

säulenchromatographische Aufarbeitung erzielt werden konnte. Um die tatsächliche

Entstehung dieser Verbindung in der Prolinamid-katalysierten Aldolreaktion von

3-Chlorbenzaldehyd (4) mit Aceton zu beweisen, wurde in diesem Zuge der substituierte

Benzylidenaceton 47 auf einem alternativen Weg synthetisiert. In Anlehnung an eine

literaturbekannte Methode konnte die Aldolkondensation zum α,β-ungesättigten Keton 47 mit

Natriumhydroxid mit einer Ausbeute von 22% erzielt werden (Abbildung 39).[83] Die Anzahl

und Lage der Signale, der auf diesem Wege hergestellten Referenz stimmen in Gänze mit

den detektierten Signalen aus dem 1H-NMR-Spektren der Rohprodukte der

organokatalytischen Aldolreaktion mit Prolinamid-Katalysatoren überein, welche weder dem

Produkt (R)-5 noch den weiteren Nebenprodukten zugeordnet werden können.

Damit kann indirekt bewiesen werden, dass Benzylidenaceton 47 tatsächlich während der

Prolinamid-katalysierten Aldolreaktion gebildet wird.


Abbildung 39: Basen-katalysierte Synthese von α,β-ungesättigtem Keton 47, das als Referenzverbindung für

den Beweis der Bildung von Aldolkondensationsprodukten in der organokatalysierten Aldolreaktion fungiert.

Weitere literaturbekannte Nebenprodukte, die in Prolinamid bzw. Prolinthioamid-katalysierten

Reaktionen entstehen können, werden durch eine Folgereaktion des darzustellenden

β-Hydroxyketons mit einer weiteren Aldehydkomponente gebildet.[26,84] Da aus der

Benchmark-Reaktion aus Abbildung 37 die isolierte Menge dieses Nebenprodukts (48) nicht

für eine vollständige analytische Charakterisierung ausreicht, wurde für diese Verbindung

ebenfalls eine alternative Syntheseroute konzipiert. Dabei wurde die 3-Chlorbenzaldehyd-

Menge (4) von 1,5 mmol auf 6 mmol erhöht, ebenso wie das Volumen des wässrigen

Solvents und der Katalysatorkonzentration (von 0,5 mol% auf 1,0 mol%). Wegen der

niedrigeren Acetonkonzentration in der organischen Phase und des überschüssigen

Aldehyds 4 ist die Wahrscheinlichkeit der Bildung von 48 erhöht. Die erzielte Ausbeute von

10% ist ausreichend, um Verbindung 48 zu charakterisieren und dessen Existenz in

Prolinamid-katalysierten Aldolreaktionen zu beweisen (Abbildung 40).

Abbildung 40: Synthese von 48 als Nebenprodukt der organokatalysierten Aldolreaktion von 4 und Aceton.

Das Nebenprodukt 49 konnte in keinem Rohprodukt der in dieser Arbeit vorgestellten

Aldolreaktionen detektiert werden (Abbildung 37). Nur nach säulenchromatographischer

Aufarbeitung der Reaktion aus Abbildung 40 konnten Spuren des teilweise kondensierten

Bis-Aldolprodukts 49 beobachtet und teilweise charakterisiert werden.


Weitere Nebenprodukte können vermutlich aus einer Interaktion von Katalysator und Aceton

entstehen und erscheinen im 1H-NMR-Spektrum der Rohprodukte. Diese wurden jedoch

nicht isoliert; ihre genaue Struktur bleibt deshalb unbekannt. Abbildung 41 zeigt das HPLC-

Spektrum des Rohprodukts von der in Abbildung 37 gezeigten Benchmark-Reaktion. Die

dabei detektierten Signale stimmen mit denen des isolierten Edukts 4, Produkts (R)-5 und

Nebenprodukts 47 überein. Da die Retentionszeit tR von Nebenprodukt 48 72 Minuten

beträgt, wurde aufgrund einer besseren Übersicht auf die Darstellung dieses Signals in

Abbildung 41 verzichtet.

Abbildung 41: Vergleich der HPLC-Spektren von isolierten Aldolprodukt (R)-5 (Synthese in Kapitel 8.2.2.1 gezeigt), 3-Chlorbenzaldehyd (4), Enon 47 (aus Abbildung 39) und Rohprodukt

einer typischen Aldolreaktion (aus Abbildung 37).

Hierbei ist auch zu beachten, dass die Retentionszeiten infolge unvermeidbarer

Messungenauigkeiten nicht immer den angegebenen Literaturwerten entsprechen können.

Mithilfe von gleichzeitig erfolgten 1H-NMR-Messungen und durch logische Zuordnung der

zum Produkt gehörenden charakteristischen Peaks (wie in Abbildung 41 gezeigt), kann

trotzdem eine konkrete Aussage über die Enantioselektivität des Produkts erfolgen.



und kinetische Kontrolle

Die Prozessoptimierung der organokatalytischen Aldolreaktion von aromatischen Aldehyden

mit Aceton und Prolinamid-Katalysatoren vom Typ (S,S)-6 im wässrigen Medium ist teilweise

bereits in der Literatur erforscht worden (siehe Kapitel 3.2). Durch Pionierarbeiten von SINGH

et al. entdeckte man eine kleine Korrelation zwischen der Enantioselektivität der

Aldolreaktion und der hierfür eingesetzten Katalysatormenge. Zudem wurde hierbei eine

Temperaturabhängigkeit der ee-Werte registriert.[29] In vorherigen Arbeiten wurde vermutet,

dass die Lösungsmittelumgebung und die Reaktionszeit eine signifikante Rolle hinsichtlich

der Selektivität dieser Reaktionen spielen musste.[28] Diese Beobachtungen werden im

Rahmen dieser Arbeit systematisch analysiert und erklärt.

Gemäß den Forderungen zur Etablierung einer effizienten Reaktion wird zunächst die

Katalysatormenge so verändert, dass man mit möglichst niedriger Katalysatorbeladung

möglichst hohe Umsätze und ee-Werte erreichen kann. Zu diesem Zweck wird die

organokatalytische Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) mit Aceton in Natriumchlorid-

Lösung untersucht (Abbildung 42). Das Verhältnis Aceton/NaCl-Lösung beträgt dabei

1/1 (v/v). Die Menge des hierfür eingesetzten Prolinamid-Katalysators (R,R)-6 variiert dabei

zwischen 0,1 mol% und 10,0 mol%. Überraschenderweise kann man eine deutliche

Abnahme der Enantioselektivität der Reaktion bei gleichzeitiger Erhöhung der

Katalysatorbeladung feststellen (Abbildung 42). So wird beispielsweise für die Darstellung

von β-Hydroxyketon (S)-5 mittels 0,5 mol% des Organokatalysators (R,R)-6 ein ee-Wert von

93% ee nach 48 h Reaktionszeit beobachtet, wohingegen aus der Reaktion mit 10,0 mol%

Katalysator ein racemisches Produkt resultiert. Wenn nur 0,1 mol% des Prolinamid-

Katalysators (R,R)-6 verwendet wird, ist kein Umsatz von 3-Chlorbenzaldehyd (4)

festzustellen. Bemerkenswert ist auch die Tatsache, dass mit zunehmender

Katalysatormenge auch eine verstärkte Nebenproduktbildung eintritt. So wird bei der

Reaktion mit beispielsweise 0,5 mol% Katalysator (R,R)-6 86% produktbezogener Umsatz

erreicht, während durch den Einsatz von 10,0 mol% des Prolinamid-Katalysators (R,R)-6 der

produktbezogene Umsatz lediglich 70% beträgt.[85] Dennoch bleibt der Gesamtumsatz für

alle katalysierten Reaktionen relativ konstant: Die Spanne bewegt sich zwischen 91% und

>95% Gesamtumsatz. Der geringer werdende produktbezogene Umsatz bei Erhöhung der

Katalysatormenge ist auf eine verstärkte Bildung von α,β-ungesättigtem Keton 47

zurückzuführen, welches als Nebenprodukt in der Aldolreaktion vorkommt (siehe Kapitel

3.3.2, Abbildung 37). Der hier gezeigte Verlust der Enantioselektivität bei Verwendung einer

erhöhten Katalysatormenge ist für katalytisch geführte Reaktionen durchaus ungewöhnlich.

Daher wird nach einer plausiblen Erklärung für dieses Verhalten geforscht.


Abbildung 42: Einfluss der Katalysatormenge auf Selektivität und Umsatz der organokatalytischen Aldolreaktion.

Eine naheliegende Ursache könnte auf etwaige Verunreinigungen des Katalysators

zurückzuführen sein, die bei höheren Konzentrationen zu einer Racemisierung der Produkte

führen. Zur Überprüfung dieser Hypothese wird zunächst die in Abbildung 42 gezeigte

Aldolreaktion mit 5,0 mol% Organokatalysator (S,S)-6 durchgeführt. Dieser Katalysator,

dessen Synthese in Kapitel 3.3.1 behandelt wurde, besitzt eine NMR-spektroskopisch

ermittelte Reinheit von >95%. Trotzdem entsteht die Verbindung (R)-5 nach 48 h

Reaktionszeit mit nur 43% ee (Abbildung 43). BAER synthetisierte den Katalysator (S,S)-6 auf

einem alternativen, leicht modifizierten Weg (EDC-Kupplung, Entschützung in reiner

Ameisensäure; vergleiche Bedingungen aus Kapitel 3.3.1).[24] Trotz großer Reinheit von

>95% wird mithilfe von 5,0 mol% dieses Katalysators nach 48 h ebenfalls eine mäßige

Enantioselektivität von 44% ee erzielt. Eine weitere Katalysatorcharge wurde von der

Arbeitsgruppe BERKESSEL bezogen und in der Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und

Aceton in gesättigter Natriumchlorid-Lösung getestet. Hierbei erreicht man nach 17,5 h eine

Enantioselektivität von 54% ee für (R)-5, wenn die Aldolreaktion bei 25°C durchgeführt wird

(siehe auch Abbildung 49).

93 91 82

47

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 0,5 1,0 2,5 5,0 10,0

[%]

Gesamtumsatz

Produktbezogener Umsatz

ee

Katalysator- menge [mol%]


Abbildung 43: Synthese von chiralen β-Hydroxyketonen mithilfe von 5,0 mol% Katalysator (S,S)-6. Trotz hoher

Katalysatorreinheit von >95% wird eine Abnahme der Enantioselektivität konstatiert. (Vergleiche Abbildung 42). Die Synthese der verwendeten Katalysatorcharge wurde in Kapitel 3.3.1 behandelt.

Die gute Reproduzierbarkeit des Enantioselektivitätsverlustes bei Einsatz unterschiedlicher

Katalysatorchargen, die auf verschiedenen Wegen von unterschiedlichen Arbeitsgruppen

unabhängig voneinander synthetisiert und gereinigt wurden, lässt daher vermuten, dass

Verunreinigungen die Katalyse nicht relevant beeinflussen.

Ein weiterer potentieller Grund für die große Abhängigkeit der Enantioselektivität von der

eingesetzen Katalysatorkonzentration könnte in der Bildung von oligomeren

Katalysatorspezies liegen. Dies ist ein Phänomen, welches bereits aus der Literatur bekannt

ist, beispielsweise in Desymmetrisierungsreaktionen mit Cinchona-Thioharnstoff-

Organokatalysatoren.[86] Bei dieser Erklärungsoption ist die Selektivität unmittelbar von der

Katalysatorkonzentration abhängig, jedoch nicht von der Reaktionszeit. Eine andere

Erklärung für die niedrige Enantioselektivität bei höheren Katalysatormengen ergibt sich

mithilfe der theoretischen Überlegungen aus Kapitel 3.1.2. Selektive Reaktionen sind

üblicherweise kinetisch kontrolliert. Eine Racemisierung könnte dann aus einer Rückreaktion

im Sinne einer sich rasch einstellenden Gleichgewichtsreaktion resultieren. Daraus würde

jedoch keine stereochemische Differenzierung der Substrate erfolgen. Diese unselektive

Reaktion wäre thermodynamisch kontrolliert. Die erzielte Enantioselektivität wäre dann

zeitabhängig.

Um die Plausibilität der beiden Annahmen zu überprüfen wird die Zeitabhängigkeit der in

Abbildung 42 gezeigten Reaktion untersucht. Würde die Prolinamid-katalysierte Aldolreaktion

von 3-Chlorbenzaldehyd (4) mit Aceton im wässrigen Medium bei einer erhöhten

Katalysatorkonzentration einer thermodynamischen Kontrolle unterliegen, so müssten die

ee-Werte des entstehenden β-Hydroxyketons (S)-5 im Verlauf der Reaktion im Sinne einer

Racemisierungsreaktion mit zunehmender Reaktionszeit abnehmen. Würde hingegen die


Enantioselektivität über den gesamten Reaktionszeitraum von 48 h konstant bleiben, so

könnte dies auf die Bildung von oligomere Katalysatorspezies hindeuten. Während die

Reaktion mit 0,5 mol% Organokatalysator (R,R)-6 keine signifikante Veränderung der

Enantioselektivität nach einer Reaktionszeit von 48 h aufweist, ist bei der Reaktion mit

5,0 mol% Katalysator (R,R)-6 ein deutlicher Verlust der Enantioselektivität in Abhängigkeit

der Reaktionszeit zu verzeichnen (Abbildung 44).

Damit wird das Vorliegen einer thermodynamisch kontrollierten Reaktion experimentell

bestätigt. Die anfangs kinetisch kontrollierte Reaktion unterliegt mit fortschreitender

Reaktionszeit zunehmend einer thermodynamischen Kontrolle.

Abbildung 44: Abhängigkeit zwischen Enantioselektivität der Aldolreaktion und Reaktionszeit.

Die thermodynamische Kontrolle kann auch indirekt über den zeitlichen Verlauf des

Umsatzes überprüft werden (Abbildung 45). Die Reaktion mit 0,5 mol% Katalysator (R,R)-6

läuft relativ langsam ab. Erst nach 24 h können Umsätze von >90% registriert werden. Bei

Verwendung von 5,0 mol % (R,R)-6 hingegen, wird das Edukt (4) bereits nach 1,0 h fast

0

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40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60

ee [%]

t [h]

0,5

5,0

Katalysatormenge [mol%]


vollständig umgesetzt (90% Gesamtumsatz). Dank einer schnelleren Einstellung des

Gleichgewichts erfolgt die Racemisierung ebenfalls schneller.

Abbildung 45: Umsatz der organokatalysierten Aldolreaktion in Abhängigkeit der Reaktionszeit.

0

10

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70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60

[%]

t [h]

Gesamtumsatz


0,5 mol% Organokatalysator

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60

[%]

t [h]

Gesamtumsatz


5,0 mol% Organokatalysator


Hier wird zudem eine Steigerung der Konzentration der in Kapitel 3.3.2 vorgestellten

Nebenprodukte bei Verlängerung der Reaktionszeit beobachtet. Vor allem bei einer hohen

Katalysatorbeladung von 5,0 mol% nimmt die Differenz zwischen produktbezogenem

Umsatz und Gesamtumsatz deutlich zu. Mit 0,5 mol% Katalysator (R,R)-6 hingegen, ist die

Nebenproduktbildung bei einer Reaktionszeit von bis zu 48 h nicht besonders stark

ausgeprägt. Mithilfe dieser gesammelten Informationen wird ersichtlich, dass die Effizienz

dieser Reaktion stark von der Reaktionszeit und vor allem von der Katalysatormenge

abhängt. Wie schon von SINGH et al. zum Teil postuliert, reichen nur 0,5 mol% Katalysator,

um hohe ee-Werte und einem hohen produktbezogenen Umsatz zu erzielen.[29] Diese

Beobachtungen gelten auch, wenn der Katalysator (S,S)-6 in einer analogen

Reaktionsführung eingesetzt wird. So zeigt die Umsatzgeschwindigkeit der Aldolreaktion von

3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton mit 0,5 mol% Organokatalysator (S,S)-6 aus Abbildung

46 einen ähnlichen graphischen Verlauf wie die in Abbildung 45 bereits erläuterte Kurve.

Abbildung 46: Zeitabhängigkeit der Enantioselektivität und des Umsatzes für die Aldolreaktion mit (S,S)-6.

0

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70

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90

100

0 10 20 30 40 50 60

[%]

t [h]

Gesamtumsatz


ee


Die ee-Werte von (R)-5 bleiben über 24 h relativ konstant und schwanken lediglich zwischen

96% ee und 93% ee (Abbildung 46). Weiterhin wird überprüft, ob eine strukturelle

Veränderung der Katalysatorstruktur eine signifikante Änderung des Reaktionsverhaltens mit

sich bringt. Wie in Kapitel 3.3.1 gezeigt wurde, kann man beispielsweise Prolinamid-

Katalysatoren synthetisieren, welche im Vergleich zu Organokatalysator (S,S)-6 eine

modifizierte Seitenkette besitzen: Anstatt einer iso-Propyl-Seitenkette weist Katalysator

(S,S)-7 einen Phenylrest in α-Position zur Amidgruppe auf. Bei Verwendung dieses

Katalysators ist die Aldolreaktion zwischen 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton in gesättigter

Natriumchlorid-Lösung mit 0,5 mol% Organokatalysator (S,S)-7 ebenfalls kinetisch

kontrolliert (Abbildung 47). Das β-Hydroxyketon (R)-5 kann nach 24 h Reaktionszeit mit 91%

produktbezogenem Umsatz und 96% ee dargestellt werden.


Eine schrittweise Erhöhung der Menge von Prolinamid-Katalysator (S,S)-7 bei 24 h

Reaktionszeit führt in Analogie zu den vorher gezeigten Ergebnissen mit Organokatalysator

(R,R)-6 zu einer Verminderung der ee-Werte (Abbildung 48). Mit einer Katalysatorbeladung

0

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90

100

0 10 20 30 40 50 60

[%]

t [h]

Gesamtumsatz


ee


von beispielsweise 5,0 mol% erreicht man lediglich Enantioselektivitäten von 35% ee.

Überrasschenderweise werden in diesem Experiment auch niedrigere Gesamtumsätze bei

zunehmender Katalysatormenge erzielt. Die Gründe hierfür sind noch unbekannt. Der

zunehmende Einfluss etwaiger Nebenprodukte könnte eine Rolle dabei spielen.

Vorraussetzung dafür ist, dass entweder der Katalysator in diese Nebenproduktbildung

involviert wird, oder dass der Katalysator durch die Nebenproduktbildung beeinflusst wird.

Tatsächlich konnten BERKESSEL et al. die Existenz eines „parasitären“ Katalysator-Substrat-

Addukts beweisen, z.B. wenn Organokatalysator (S,S)-6 in Anwesenheit von Aceton mit

Trifluoracetophenon (26) versetzt wird (Abbildung 22).[65] Trotz struktureller Änderung des

Katalysators erfolgt hier trotzdem ein Wechsel von einer kinetischen zu einer

thermodynamisch kontrollierten Aldolreaktion. Die durchgeführte Modifikation der Seitenkette

des Organokatalysators kontrolliert nur in minimaler Weise die Selektivität der Reaktion.

Abbildung 48: Einfluss von Katalysator (S,S)-7 auf Selektivität und Umsatz der organokatalytischen

Aldolreaktion.

96 95

80

35

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,5 1,0 2,5 5,0

[%]

Gesamtumsatz Produktbezogener Umsatz ee



Führt man die in Abbildung 49 gezeigten Aldolreaktionen bei unterschiedlichen

Temperaturen durch (das Temperaturspektrum reicht dabei von -20°C bis zu 25°C), so kann

man nach 17,5 h Reaktionszeit bei einer Katalysatormenge von 5,0 mol% eine deutliche

Abnahme der Enantioselektivitäten bei erhöhter Temperatur feststellen. Die Reaktion weist

eine deutliche Temperaturabhängigkeit auf; die Bestimmung der Enantioselektivität bei nicht

konstant gehaltener Temperatur (Raumtemperatur) kann somit zu Messwertschwankungen

führen. Die überwiegend kinetisch kontrollierte Aldolreaktion mit 0,5 mol% Katalysator

hingegen, zeigt in allen untersuchten Messungen hohe ee-Werte, die bei Zunahme der

Reaktionstemperatur nur leicht abnehmen.

Abbildung 49: Temperaturabhängigkeit der Enantioselektivität.

Die Reaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton mit 0,5 mol% Katalysator (S,S)-6, die

bei einer Temperatur von -20°C durchgeführt wird, erscheint auf den ersten Blick aus

prozesstechnischen Gründen attraktiv zu sein, da das Produkt (R)-5 mit einer extrem hohen

Enantioselektivität von 99% ee dargestellt werden kann. Analysiert man jedoch die

Geschwindigkeit der Umsetzung, wird ersichtlich, dass bei dieser Temperatur die Reaktion

0

10

20

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40

50

60

70

80

90

100

-30 -20 -10 0 10 20 30

ee [%]

T [°C]

0,5

5,0



nur sehr langsam verläuft (13% produktbezogener Umsatz, 16% Gesamtumsatz nach 17,5 h

Reaktionszeit, Abbildung 50). Da der Umsatz fast linear mit der Temperatur ansteigt, läuft

diese Aldolreaktion bei 25°C deutlich effizienter ab: Trotz einer niedrigeren

Enantioselektivität von 96% ee, beträgt der produktbezogene Umsatz 90% nach 17,5 h.

Abbildung 50: Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-30 -20 -10 0 10 20 30

[%]

T [°C]

Gesamtumsatz


0,5 mol%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-30 -20 -10 0 10 20 30

[%]

T [°C]

Gesamtumsatz


5,0 mol%


Die Verwendung von 5,0 mol% Katalysator (S,S)-6 führt zu einem hohen Umsatz (90-95%

Gesamtumsatz) und hohen ee-Werten von 89% ee bei extrem niedrigen Temperaturen von -

20°C. Die Bildung von Nebenprodukten im gesamten Temperaturbereich (-20°C bis 25°C)

und die mangelnde Selektivität bei höheren Temperaturen wirken sich jedoch nachteilig auf

die Effizienz der Reaktion aus. Aus diesen Experimenten ist ersichtlich, dass die Selektivität

der organokatalytischen Aldolreaktion stark von den ausgewählten Reaktionsbedingungen

beeinflusst wird. Zum einen ist die Erniedrigung der Katalysatormenge auf bis zu 0,5 mol%

für die kinetische Kontrolle der Reaktion entscheidend. Eine höhere Katalysatormenge von

5,0 mol% beschleunigt die Reaktion, die zum thermodynamisch kontrollierten Produkt

(Racemat) führt. Eine möglichst kurze Reaktionszeit (z.B. 1 h, Abbildung 45) ist ebenfalls als

sinnvoll zu bewerten, da das enantioselektiv-gebildete kinetische Produkt mit zunehmender

Reaktionszeit irreversibel zum unselektiven thermodynamischen Produkt abgebaut wird. Die

Absenkung der Reaktionstemperatur (Temperaturbereich -20°C bis 25°C bzw. RT) hat hier

schließlich auch einen positiven Einfluss auf die Selektivität.

3.3.4 Einfluss des Lösungsmittels auf die Selektivität der Aldolreaktion

Ferner wird untersucht, wie sich eine Änderung des Lösungsmittels auf die Selektivität der

hier untersuchten organokatalytischen Aldolreaktion auswirken kann. Dazu wird eine 0,7 M

Lösung von 3-Chlorbenzaldehyd (4) in Aceton und eines der Lösungsmittel bzw.

Lösungsmittelgemische aus Tabelle 1 hergestellt. Hierbei muss beachtet werden, dass

immer ein zweiphasiges System entsteht, welches aus wässriger und organischer Phase

besteht. Dies bedeutet, dass in der Reaktionslösung ein starker Konzentrationsgradient des

apolaren Substrats 4 zu erwarten ist, da dieses in der wässrigen Phase praktisch unlöslich

ist. Führt man die Aldolreaktion in Anwesenheit von 0,5 mol% Prolinamid-Katalysator (S,S)-6

durch, so findet man eine geringe Abhängigkeit des eingesetzten wässrigen Lösungsmittels

auf die Enantioselektivität der Reaktion in einem Zeitraum von 48 h bei einer

Substratkonzentration des Aldehyds (4) von 0,7 M (Tabelle 1). Mit großer übereinstimmender

Tendenz zu den Ergebnissen, die von SINGH et al. für andere aromatische Substrate

vorgestellt wurden, erreicht man nach Reaktionszeiten von 48 h die höchsten Selektivitäten,

wenn gesättigte Natriumchlorid-Lösungen als Lösungsmittel eingesetzt werden.[29] Die

ee-Werte betragen 92% ee bei Verwendung einer gesättigten Natriumchlorid-Lösung in

pH=7 Puffer (Eintrag 1, Tabelle 1) und 94% ee für eine gesättigte Natriumchlorid-Lösung in

destilliertem Wasser (Eintrag 7, Tabelle 1), welche unter anderem in den vorhergehenden

Beispielen aus diesem Kapitel verwendet wurde. Die produktbezogenen Umsätze erreichen

Werte von 73% (bei einem Gesamtumsatz von 77%) für Eintrag 1 und 81% (bei einem

Gesamtumsatz von 85%) für Eintrag 7.


Tabelle 1: Lösungsmittelabhängigkeit der organkatalytischen Aldolreaktion.

Eintrag Lösungsmittel Gesamt-

umsatz [%]

Produkt-bezogener Umsatz [%]

ee [%]

1 gesättigte NaCl-Lösung in pH=7 Puffer

(Phosphatpuffer) 77 73 92

2 pH=5 Puffer (Acetatpuffer) 95 87 84

3 pH=6 Puffer (Zitronensäurepuffer) >95 90 86

4 pH=7 Puffer (Phosphatpuffer) >95 87 73

5 pH=8 Puffer (Boratpuffer) >95 88 91

6 destilliertes Wasser 85 79 88

7a)

gesättigte NaCl-Lösung in

destilliertem Wasser 85 81 94

Das volumetrische Verhältnis zwischen Aceton und dem eingesetzten Lösungsmittel beträgt 1/1 (v/v).

a) Hier wird eine 0,7 M-Lösung von 0,5 mmol 3-Chlorbenzaldehyd (4) verwendet.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, ist diese, vermutlich unter kinetischer Kontrolle ablaufende

Aldolreaktion nicht in signifikanter Weise vom pH-Wert der zugesetzten wässrigen Lösung

abhängig (Vergleiche Eintrag 1 und Eintrag 4). Ein Screening mit vier Pufferlösungen, die

einen Bereich von pH=5 bis pH=8 abdecken, zeigt, dass die ee-Werte der Produkte dennoch

zwischen 73% ee (pH=7, Eintrag 4) und 91% ee (pH=8, Eintrag 5) variieren können. Diese

Abweichungen in den gemessenen Selektivitäten können von einer unterschiedlichen

Zusammensetzung der Pufferlösungen (Art der Ionen, Ionenstärke usw.) abhängen, welche

möglicherweise den Übergangszustand der Reaktion beeinflussen. Eine zweite plausible

Erklärung für die etwas unterschiedliche Selektivität beruht auf einer sich möglicherweise

einstellenden thermodynamisch kontrollierten Reaktion, welche eine Racemisierung

hervorruft. Besonders bei einer relativ langen Reaktionszeit von 48 h ist es denkbar, dass

Verluste der Enantioselektivität auftreten können, besonders wenn die Aldolreaktion vom

umgebenden Lösungsmittel beschleunigt wird. Schließlich kann hier noch erwähnt werden,


dass in jeder Messreihe (Eintrag 2 bis Eintrag 5) hohe produktbezogene Umsätze von 87%

bis zu 90% erzielt werden, wobei die gesamtbezogenen Umsätze Werte von 95% bis zu

>95% erreichen. Wie bereits in Kapitel 3.1.3 erläutert, erscheint die Verwendung eines

polaren, wässrigen Lösungsmittels bzw. Cosolvens für Prolinamid-katalysierte

Aldolreaktionen meist vorteilhaft zu sein. In der Tat betragen die ee-Werte in der hier

untersuchten Reaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4, Konzentration: 0,13 M), 9 Äquivalenten

Aceton und 0,5 mol% Katalysator (S,S)-6 bei einer Reaktionszeit von 48 h und bei Verzicht

auf Lösungsmittel nur 83% ee (Abbildung 51).

Abbildung 51: Variation der Menge des Lösungsmittels der organokatalytischen Aldolreaktion.

Gemäß allen Erwartungen wird bei Zugabe von wässriger Natriumchlorid-Lösung

(20 Äquivalente) bei gleicher Reaktionszeit ein sprunghafter Anstieg der Enantioselektivität

beobachtet. Der ee-Wert beträgt hierfür 94% ee. Auch nach einer Erhöhung des zugesetzten

Cosolvens-Anteils, beispielsweise auf 36 Äquivalente gesättigter Natriumchlorid-Lösung in

destilliertem Wasser, wird der gleiche ee-Wert (94% ee) registriert. Das

Lösungsmittelverhältnis von Aceton/Natrium-Chloridlösung beträgt in diesem Falle 1/1 (v/v),

83

94 94 94 91

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0 20 36 100 1000

[%]

Gesamtumsatz Produktbezogener Umsatz ee

gesättigte NaCl-Lösung

[Äq.]


wobei die Substratkonzentration von Aldehyd 4 0,7 M beträgt. Dieses Verhältnis gilt als

Standardbedingung für die meisten, in diesem Kapitel vorgestellten Aldolreaktionen. Eine

weitere Zugabe von 100 Äquivalenten Cosolvens führt ebenfalls zu einem unverändert

hohen ee-Wert von 94% ee. Erst bei Verwendung von 1000 Äquivalenten Wasser nimmt die

Enantioselektivität leicht auf 91% ee ab. Noch gravierender wiegt zudem die Tatsache, dass

sich der Umsatz dieser Reaktion drastisch reduziert. Während bei allen Reaktionen mit einer

Cosolvens-Menge von 0 Äquivalenten bis 100 Äquivalenten relativ kostante hohe

produktbezogene Umsätze von minimal 81% bis maximal 91% detektiert werden, weist die

Aldolreaktion mit 1000 Äquivalenten wässriger Natriumchlorid-Lösung nur einen

produktbezogenen Umsatz von 56% auf. Der niedrige Gesamtumsatz von 68% deutet auf

eine langsam ablaufende Reaktion hin. Wegen der hohen Verdünnung kann das in Wasser

lösliche Aceton vermutlich aus der unpolaren Phase in die wässrige Phase

herausdiffundieren. Somit würde sich die sich die Aceton-Konzentration im

Reaktionszentrum erniedrigen; die Reaktionsgeschwindigkeit würde folgerichtig abnehmen.

Aus diesen Untersuchungen resultiert eine Abhängigkeit der Selektivität der Aldolreaktion

vom eingesetzten wässrigen Reaktionsmedium. Diese ist bei Weitem jedoch nicht so stark

ausgeprägt, wie beispielsweise der Einfluss der Katalysatormenge, der Reaktionszeit und

der Reaktionstemperatur auf den Ausgang der Synthese.

3.3.5 Untersuchung des Reaktionsmechanismus

Mithilfe der erhaltenen Ergebnisse aus Kapitel 3.3.3 und 3.3.4 können Vermutungen über

den tatsächlichen Ablauf der Reaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) mit Aceton im wässrigen

Medium angestellt werden. Wie bereits erwähnt, können in einem für organokatalytische

Reaktionen sehr engen Katalysatorbereich große Diskrepanzen in puncto Selektivität

entstehen. Niedrige Katalysatormengen führen meist hochenantioselektiv zu

β-Hydroxyketonen, weil die unerwünschten Enantiomere vermutlich viel langsamer gebildet

werden (kinetische Kontrolle). Dagegen ist eine Racemisierung erst bei hohen

Katalysatormengen bzw. längerer Reaktionszeit zu beobachten. Die für die

Enantioselektivität verantwortliche Stereodifferenzierung im Übergangszustand wäre somit

nicht mehr gewährleistet, da die Reaktion dann einzig von der energetischen Lage, nämlich

der Änderung der Gibbs-Energie der beiden Enantiomere abhängig ist

(thermodynamische Kontrolle). Die Einstellung einer dynamischen Gleichgewichtsreaktion

müsste demzufolge für den Wechsel zwischen kinetischer und thermodynamischer Kontrolle

verantwortlich sein. Neben einer nach einem Enamin-Mechanismus ablaufenden

Aldolreaktion (siehe Kapitel 3.1.3) sollte dann die zugehörige Rückreaktion, also eine Retro-

Aldolreaktion, eine direkte Rolle für den Aufbau bzw. Abbau der Enantioselektivität


einnehmen. Um diese Hypothese experimentell zu stützen, wird zunächst das Rohprodukt

einer enantioselektiven Aldolreaktion mit 9 Äquivalenten Aceton und 5,2 mol%

Organokatalysator (S,S)-6 in einer wässrigen Natriumchlorid-Lösung versetzt (Abbildung 52).

Abbildung 52: Untersuchung einer möglichen Retro-Aldolreaktion bei Einsatz von 5,0 mol% Katalysator (S,S)-6.

Das Rohprodukt besteht dabei zu 95% aus β-Hydroxyketon (R)-5 (89% ee) und zu jeweils

<5% aus Enon 47 (siehe Kapitel 3.3.2, Abbildung 37) und 3-Chlorbenzaldehyd (4). Würde

man eine durch Aldol- bzw. Retro-Aldolreaktion induzierte thermodynamische Kontrolle

vermuten, so sollte die Enantioselektivität mit zunehmender Reaktionszeit abnehmen und

irgendwann racemische Werte erreichen. Tatsächlich wird nach 24 h das eingesetzte

β-Hydroxyketon (R)-5 zu 76% in das fast racemische Produkt (S)-5 umgewandelt: Der

ee-Wert von (S)-5 beträgt in diesem Beispiel 5% ee. Eine Vermutung für diese

ungewöhnliche Anreicherung des eigentlich nicht-bevorzugten Enantiomers kann angestellt

werden, wenn das Nebenprodukt 47 zur Erklärung herangezogen wird. Postuliert man eine

unterschiedliche Bildungsgeschwindigkeit von Enon 47 aus den β-Hydroxyketonen (R)-5 und

(S)-5, so kann der schnellere Abbau eines Enantiomers des Aldolprodukts (in diesem Fall

(R)-5) womöglich zu einer Erhöhung des Anteils des anderen Enantiomers (hier: (S)-5)

führen. In weiteren analogen Versuchen konnten sogar ee-Werte von bis zu 18% ee für das

β-Hydroxyketon (S)-5 erzielt werden. Hier wird die exakte Reproduzierbarkeit der ee-Werte

dieser Reaktion wahrscheinlich von Temperatureffekten empfindlich gestört, da diese


Umsetzungen ohne äußere Temperaturkontrolle durchgeführt wurden (siehe Kapitel 3.3.3).

Neben der beschriebenen Racemisierung kann die Existenz einer Retro-Aldolreaktion mit

der entstehenden Menge an 3-Chlorbenzaldehyd (4) bewiesen werden. In der Tat werden

bei der Umsetzung mit 5,2 mol% Prolinamid-Katalysator (S,S)-6 größere Anteile an 4 (10%

Anteil in der Reaktionslösung) detektiert als vor Beginn der Reaktion (<5% Anteil in der

Reaktionslösung). Dies spräche für eine Reversibilität der Reaktion, wobei das

Gleichgewicht auch bei größerer Katalysatormenge trotzdem stark in Richtung des

β-Hydroxyketons verschoben ist. In der kinetisch kontrollierten Reaktion hingegen sollte die

Tendenz zur Racemisierung stark unterdrückt sein. In der Tat führt die Reaktion von β-

Hydroxyketon (R)-5 (89% ee, 95% Reinheit, siehe oben) mit 9 Äquivalenten Aceton und

0,5 mol% Organokatalysator (S,S)-6 in einer gesättigten wässrigen NaCl-Lösung nach 24 h

Reaktionszeit nur zu einen minimalen Verlust von 4% ee; das verbleibende Aldolprodukt

(R)-5 besitzt dann eine Enantioselektivität von 85% ee (Abbildung 53). Der Anteil von

β-Hydroxyketon (R)-5 im Rohprodukt beträgt nach der Umsetzung 91%. Außerdem findet

man niedrige Anteile von Nebenprodukt (47, 5% Anteil in der Reaktionslösung) und

3-Chlorbenzaldehyd (4, <5% Anteil in der Reaktionslösung).

Abbildung 53: Untersuchung einer möglichen Retro-Aldolreaktion bei Einsatz von 0,5 mol% Katalysator (S,S)-6.

Weitere unterstützende Befunde für das Vorhandensein einer Retro-Aldolreaktion bei

wahrscheinlich thermodynamisch kontrollierten Aldolreaktionen, wie sie in dieser Arbeit


vorgestellt wurden, erfolgt hierbei in weiteren, ergänzenden Experimenten. Aufbauend auf

den bereits vorgestellen Versuchen aus Abbildung 52 und Abbildung 53 wird bei der

Umsetzung von β-Hydroxyketon (R)-5 mit variablen Mengen Organokatalysator 6 auf Aceton

verzichtet. Dieses wird stattdessen durch Aceton-d6 ersetzt. Damit ergibt sich eine

Möglichkeit den Verlauf der Reaktion mittels 1H-NMR-Spektroskopie genauer zu untersuchen

(Abbildung 54).

Abbildung 54: 1H-NMR-Spektroskopische Untersuchungen von β-Hydroxyketon 5 in Anwesenheit von

Organokatalysator (S,S)-6 in Aceton-d6. Ausschnitt der für die Bestimmung relevanten Peaks und Vergleich der

zugehörigen Verhältnisse: a) Referenzverbindung vor der Reaktion. b) Reaktion mit 0,5 mol% Organokatalysator (S,S)-6. c) Reaktion mit 5,2 mol% Organokatalysator (S,S)-6.


Würde eine Retro-Aldolreaktion tatsächlich stattfinden, so müsste das in Überschuss

eingesetzte Aceton-d6 mit dem aus dem Edukt (R)-5 in situ generierte

3-Chlorbenzaldehyd (4) reagieren. Die Folge wäre eine mögliche Bildung von deuteriertem

β-Hydroxyketon. Eine Abnahme der relevanten Signale des Aldolprodukts (R)-5 im 1H-NMR-

Spektrum würde dann einen eindeutigen Austausch von Protonen durch Deuteriumatome in

Anwesenheit von Katalysator (S,S)-6 bestätigen. Wie erwartet, nimmt das Signal der in

Abbildung 54 rot markierten Wasserstoffatom von (R)-5 in Gegenwart von 5,2 mol% deutlich

ab. Das Verhältnis zu dem blau markierten Wasserstoffatom, welches nicht vom Austausch

des Acetons infolge einer Retroaldol/Aldol-Reaktionssequenz betroffen sein dürfte, verringert

sich entsprechend. Zudem entstehen möglicherweise weitere deuterierte

Austauschprodukte, die im 1H-NMR registriert werden können. Bei Verwendung von

0,5 mol% (S,S)-6 hingegen wird nur wenig Aceton-d6 in das Zielmolekül eingebaut. Das

Verhältnis der detektierten relevanten Protonen ist ähnlich zu dem der katalysatorfreien

Referenzverbindung.

Ein allgemeingültiger Beweis für die alleinige Existenz der Retro-Aldolreaktion auf Basis

dieser Austauschexperimente kann dennoch nicht formuliert werden. Es besteht nämlich

noch die Möglichkeit, dass die durch Deuteriumaustausch verusachte Signalabnahme

aufgrund einer basenkatalysierten Enaminbildung des eingesetzten β-Hydroxyketons (R)-5

stattfinden könnte. Mithilfe dieser Alternativerklärung wäre man aber nicht in der Lage, die in

anderen Versuchen beobachtete Racemisierungsreaktion logisch zu begründen.

4. ANWENDUNGEN VON IMMOBILISIERTEN ORGANO- UND BIOKATALYSATOREN | 53

4 Anwendungen von

immobilisierten

Organo- und

Biokatalysatoren

Bei der Entwicklung und Optimierung von katalytischen Prozessen versucht man meist die

Selektivität der untersuchten Reaktion weitestgehend zu verbessern.[87] Wie bereits im

vorhergehenden Kapitel gezeigt, versucht man auch (im Rahmen der zur Verfügung

stehenden Möglichkeiten) gleichzeitig die Aktivität der Katalysatoren zu erhöhen. Eine

möglichst große TOF garantiert dabei eine schnellere Katalyse und somit eine Steigerung

der Effizienz der untersuchten Reaktion.[52,88,89] Für industrielle Anwendungen spielt aber

auch die Angabe der TON und der Katalysatorstabilität eine entscheidende Rolle.[52,90]

Eine hohe Stabilität bzw. eine niedrige Deaktivierung des Katalysators ist grundsätzlich in

jenen Synthesen von Vorteil, bei denen der eingesetzte Katalysator rezyklisiert werden kann

bzw. wiederverwendet wird.[90,91] Diese Verfahren, die häufig dem Bereich der

heterogenen Katalyse angehören, können für großtechnische Produktionen und nachhaltige

Prozessführungen von Interesse sein.[92,93] Mit der Immobilisierung homogener

Katalysatoren ergibt sich daher eine Möglichkeit die Vorteile der heterogenen Katalyse auf

54 | 4. ANWENDUNGEN VON IMMOBILISIERTEN ORGANO- UND BIOKATALYSATOREN

das gewünschte System zu übertragen.[94,95] Damit eröffnen sich interessante technische

Anwendungen wie beispielsweise die Produktsynthese im kontinuierlichen Betrieb, welcher

eine wichtige Alternative zu den klassischen „batch“-Verfahren darstellen kann.[92]

Eine gängige Methode zur Immobilisierung von homogenen Katalysatoren besteht in deren

kovalenter Anbindung an festen Trägern.[95] So können Organokatalysatoren beispielsweise

an Polymeren, wie Polystyrol, Polyethylenglykol usw., an Dendrimeren, Peptiden oder an

anorganische Feststoffe gebunden werden.[96-99] Für die am häufigsten eingesetzte

Variante der Immobilisierung an Polymeroberflächen hat man heutzutage die Möglichkeit,

auf viele verschiedene Trägermaterialien zurückzugreifen. Diese besitzen unterschiedliche

chemische und physikalische Eigenschaften, die auf die Aktivität und Selektivität der

Organokatalysatoren Einfluss nehmen können. Des Weiteren sind im Laufe der Jahre

neuartige Synthesestrategien entwickelt worden, die eine größere Flexibilität bezüglich der

Darstellung der Polymer-gebundenen Organokatalysatoren versprechen.[97] So ist es

möglich sowohl auf einer bereits vorgefertigten Polymermatrix einen Organokatalysator

kovalent zu binden (engl. Post-Modification Strategy) oder den Organokatalysator an

monomeren Bausteinen anzubringen um diese nachträglich zu polymerisieren (engl.

Copolymerisation Strategy). Besonders mit der zweiten Variante können die Eigenschaften

der herzustellenden Polymere durch die Wahl bestimmter Monomere sehr selektiv verändert

werden. Außerdem kann die Katalysatorbeladung auf einfache Art und Weise bestimmt

werden. Trotz intensiver Forschung ist es bislang aber noch nicht mit Erfolg gelungen,

Reaktionen mit Polymer-gebundenen Organokatalysatoren in die technisch-industrielle

Produktion einzubeziehen.[97]

Im Gegensatz dazu wird die Immobilisierung von Katalysatoren im Bereich der industriellen

Biotechnologie häufig angewendet.[13,100] Obwohl gelöste Enzyme eine allgemein höhere

Aktivität als die zugehörigen Immobilisate besitzen und in manchen Fällen Vorteile bezüglich

der Herstellungskosten zeigen, kann in der Praxis eine Immobilisierung effektiver

erscheinen.[101,102] Aktivitätsverluste könnten zum Beispiel durch Wiederverwendung der

Katalysatoren und längere Reaktionszeiten kompensiert werden (bei Gewährleistung der

Katalysatorstabilität). Dadurch erhöht sich die Wirtschaftlichkeit des Systems. Aufbauend auf

diesem Prinzip wird die großtechnische Synthese von Fructose aus Stärke unter anderem

mithilfe eines immobilisierten Enzyms (Glucose-Isomerase) durchgeführt.[103] Auch diverse

enantiomerenreine Verbindungen, wie beispielsweise chirale Aminosäuren werden durch

den Einsatz immobilisierter Biokatalysatoren erfolgreich produziert. Die erste industrielle

Anwendung dazu beinhaltetete die ionische Anbindung einer Aminoacylase an einem

Ionenaustauscher zur Racematspaltung von Aminosäureestern in einem


Festbettreaktor.[104] Mittlerweile wird dieses Verfahren aber in Enzym-Membran-Reaktoren

(EMR) durchgeführt, in denen die eingesetzten Biokatalysatoren gelöst vorliegen.[102]

Ausgehend von den oben ausgeführten Überlegungen kann die Immobilisierung von

Organo- und Biokatalysatoren von großem Interesse sein. Im Rahmen dieser Arbeit werden

Prolinamid-Katalysatoren (wie sie in Kapitel 3 beschrieben wurden) immobilisiert und für

enantioselektive Aldolreaktionen verwendet. Weiterhin ist es denkbar, diese Katalysatoren in

kontinuierlichen Reaktionsführungen zu testen. Darüber hinaus werden Enzyme, wie

beispielsweise kommerziell erhältliche Alkoholdehydrogenasen (ADH), immobilisiert und für

Reduktionsreaktionen verwendet.


Die Immobilisierung von Organo- und Biokatalysatoren ist in der Literatur bereits umfassend

beschrieben worden. Im Folgenden werden zunächst Beispiele von asymmetrischen

Reaktionen mit Polymer-gebundenen Organokatalysatoren, sowie von Synthesen mit

immobilisierten Biokatalysatoren vorgestellt. Zudem erfolgt ein kurzer Abriss über die in der

Technik eingesetzten Reaktionsverfahren („batch“- bzw. kontinuierliche Verfahren).

4.1.1 Polymer-gebundene Organokatalysatoren für asymmetrische

Aldolreaktionen

Viele umfangreiche Arbeiten wurden in den letzten Jahren über die Immobilisierung von

Organokatalysatoren an Polymeren erstellt.[97-99] Dabei ist es möglich, einige der bereits

etablierten Katalysatoren, auch als Immobilisate herzustellen und diese für chemische

Umwandlungen umzusetzen.[99] So können zum einen achirale Verbindungen immobilisiert

werden, wie beispielsweise TEMPO (2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyloxyl), welches als

Katalysator in Oxidationsreaktionen fungiert und erfolgreich an wasserlöslichen PEG-

Polymeren fixiert wird.[105] Weiterhin werden auch mithilfe von immobilisierten chiralen

Katalysatoren passende Verfahren für die in der Organokatalyse gängigen

Aktivierungsmethoden konzipiert.[99] Vor allem bei Lewis-Basen-katalysierten Synthesen

wie der organokatalytischen Aldolreaktion mit Prolin bzw. Prolin-Derivaten, existieren

heutzutage zahlreiche Methoden diese enantioselektiv durchzuführen.[97,98]

Anfängliche Versuche, trans-4-Hydroxy-(S)-Prolin (51, Abbildung 55 an eine vorgefertigte

Polymermatrix anzubringen, wurden von BENAGLIA, COZZI und CELENTANO et al. in den

Jahren 2001 bzw. 2002 beschrieben.[106,107] Das dabei verwendetete wasserlösliche

Polymer PEG5000-Monomethylether (MeOPEG), wird mit einem Spacer-Molekül (Succinat)


unter relativ harschen Bedingungen (20 h, 140°C) mithilfe von Diisopropylcarbodiimid (DIC)

als Kupplungsreagenz an das Prolin-Derivat gebunden. Dank der guten Löslichkeit dieses

Katalysatorsystems (50) in aprotischen dipolaren Solventien wie DMF und DMSO können in

der enantioselektiven Aldolreaktion von Aceton mit substituierten aromatischen Aldehyden,

wie zum Beispiel 4-Nitrobenzaldehyd (10), ee-Werte von bis zu 77% ee bei Ausbeuten von

68% erzielt werden (Abbildung 55). Trotz eines vielversprechenden

Rezyklisierungspotentials des Katalysators (die Rezyklisierung findet mittels Fällung des

Katalysators in Diethylether und anschließender Filtration statt) müssen längere

Reaktionszeiten von bis zu 48 h in Kauf genommen werden.[107]

Abbildung 55: Einsatz von immobilisiertem trans-4-Hydroxy-(S)-Prolin (50) in der enantioselektiven Synthese von β-Hydroxyketonen vom Typ 12.[107]

Die Verwendung von linearen PEG als Träger für Prolin-Derivaten bringt dennoch einige

Nachteile mit sich: Zum einen erreicht man häufig nur niedrige Katalysatorbeladungen von

0,2 mmol/g; zum anderen sind diese Verfahren oft ineffizient. Eine bessere

Wiederverwendbarkeit der Katalysatoren kann erzielt werden, wenn hydrophobe Träger

eingesetzt werden.[97] Diese führen zu einer Heterogenisierung des Katalysators in polaren

Lösungsmitteln. Häufig verwendet man dafür PS (Polystyrol)-Träger, die mit trans-4-

Hydroxy-(S)-Prolin (51) oder mit dessen Derivaten kovalent verbunden werden.[97,108]

Damit ist man in der Lage, enantioselektive Aldolreaktionen von Cyclohexanon mit

substituierten Aldehyden zu katalysieren sowie weitere asymmetrische Reaktionen wie

beispielsweise Mannich-Reaktionen usw. durchzuführen.[97,108-111]

Eine Auswahl dieser Polymer-gebundenen Organokatalysatoren ist in Abbildung 56

gegeben.


Abbildung 56: Polymer-gebundene Prolin-basierte Organokatalysatoren für asymmetrische Aldolreaktionen, die

an PS- bzw. modifizierte PS-Träger fixiert werden.[108,109,112]

Die enantioselektive Aldolreaktion von Benzaldehyd-Derivaten und wasserlöslichen Ketonen

(wie z.B. Aceton) gelingt mit diesen Katalysatorsystemen jedoch nur mit mäßiger Selektivität

und niedrigen Umsätzen.[108,110] Eine deutliche Verbesserung kann jedoch erzielt werden,

wenn das Prolin an dessen Carboxylgruppe derivatisiert bzw. amidiert wird. Dieser Aspekt

steht in vollkommener Analogie zu den in Kapitel 3.1.1 und Kapitel 3.1.3 bereits diskutierten

Vorteilen (Effizienzsteigerung, Erhöhung der Selektivität) von nicht-immobilisierten

Prolinamid-Organokatalysatoren für asymmetrische Aldolreaktionen in wässrigen

Lösungsmitteln.

Ein beeindruckendes Beispiel dafür wurde im Jahr 2008 von GRUTTADAURIA et al.

vorgestellt.[113] Mithilfe des Polymer-gebundenen Organokatalysators 55, bei dem die

Hydroxyprolinamid-Komponente an einem Träger mit modifiziertem PS angebracht ist, kann

ein Modellsubstrat wie 3-Chlorbenzaldehyd (4) mit Aceton in einer Wasser/Chloroform-

Mischung selektiv zu chiralen β-Hydroxyketonen umgewandelt werden (Abbildung 57). Dabei

wird das Aldolprodukt (R)-5 mit einer hohen Enantioselektivität von 94% ee in einer guten

Ausbeute von 78% erhalten. Daneben kann der Katalysator nach Beendigung der Reaktion

und anschließender Behandlung mit Ameisensäure für den nächsten Katalysezyklus

wiederverwendet werden (insgesamt für mindestens fünf Zyklen). Die Synthese des

Organokatalysators 55 wird mittels einer Post-Modification Strategy realisiert: Nach der

Darstellung einer funktionalisierten Hydroxyprolinamid-Verbindung durch Amidkupplung

erfolgt die Bindung an die bereits vorgefertigte Polymermatrix mittels Thiol-En-

Kupplung.[113]


Abbildung 57: Organokatalysierte Aldolreaktion mit Polymer-gebundenem Prolinamid-Katalysator 55 (modifizierter PS-Träger).[113]

Eine elegante Alternativmethode zur Synthese von Polymer-gebundenen Prolin- und

Prolinamid-derivatisierten Katalysatoren ist von HANSEN et al. beschrieben worden.[114,115]

Dabei werden zunächst geeignete Monomere hergestellt, welche bereits eine Hydroxyprolin-

Funktionalität beinhalten und eine endständige Acrylat-Einheit besitzen. Letztere kann

schließlich mit weiteren Monomeren, wie Styrol, Divinylbenzol (DVB) oder gar mit weiteren

unsubstituierten Acrylaten copolymerisiert werden. Damit ergeben sich sehr variable

Möglichkeiten die physikalischen Eigenschaften des Trägers zu modifizieren, da man

zumeist auch die Polymerisationsart flexibel gestalten kann. Oft wird für diesen Zweck eine

radikalisch-initiierte Suspension-Copolymerisation bevorzugt, da man mit dieser Methode die

Katalysatorbeladung sehr gut kontrollieren kann. Je nach Monomer sind aber alternativ auch

Lösungspolymerisationen bzw. Dispersionspolymerisationen zur Synthese von

immobilisierten Hydroxyprolin-Verbindungen denkbar.[115]

Setzt man beispielsweise den auf diesem Weg synthetisierten Polymer-gebundenen

Organokatalysator 8 für die Darstellung des chiralen β-Hydroxyketons 12 ein, so erreicht

man bei mindestens fünf Reaktionszyklen ee-Werte von bis zu 99% ee (Abbildung 58). Die

Ausbeuten betragen dabei zwischen 76% bis 85%. Der hier verwendete, leicht zugängliche

Organokatalysator vom Typ 8 bietet neben einer guten Enantioselektivität des Produkts,

einer hohen Prozesseffizienz und eines großen Rezyklisierungspotentials auch interessante

Aspekte bezüglich der Wirtschaftlichkeit seines Herstellungsverfahrens.[115]


Abbildung 58: Organokatalysierte Aldolreaktion mit Polymer-gebundenem Prolinamid-Katalysator 8 (PS-, DVB-Träger).[115]

4.1.2 Einsatz von kontinuierlichen Reaktionsführungen für asymmetrische

Synthesen

Für die technische Durchführung einer chemischen Synthese spielt die Auswahl des

einzusetzenden Reaktors eine entscheidende Rolle. Die Beschreibung der verwendeten

Reaktoren erfolgt dabei primär mit der Angabe von Umsatz, Selektivität und Raum-Zeit-

Ausbeute. Weiterhin entscheidend sind, neben relevanten Sicherheitsaspekten, eine hohe

Einsatzflexibilität, sowie eine gute Wirtschaftlichkeit der Synthese im gegebenen

Reaktionssystem.[116] Grundsätzlich können chemische Reaktoren nach ihrer

Betriebsweise kategorisiert werden. Für konventionelle Rührkesselreaktoren (engl. stirred

tank reactor, STR) ergibt sich somit eine Unterteilung nach diskontinuierlicher

Prozessführung („batch“ oder Satzbetrieb), kontinuierlicher Prozessführung (Fließbetrieb,

engl. continuously stirred tank reactor, CSTR) oder halbkontinuierlicher Prozessführung

(Teilfließbetrieb).[116,117] Eine Alternative zu den Rührkesselreaktoren stellt der

kontinuierlich-geführte Strömungsrohrreaktor (engl. plug-flow reactor) dar.[89,116] Dieser

zeichnet sich durch einen ortsabhängigen Konzentrationsgradienten der verwendeten

Edukte aus. In jedem Volumenelement des Rohrs ergibt sich dann eine konstante

Konzentration von Edukt und Produkt (wenn diese sich im Fließgleichgewicht, engl. „steady

state“ befinden), wobei mit zunehmender Länge des Reaktors die Produktkonzentration

zunimmt. Durch die niedrige, konstante Produktkonzentration am Anfang des Rohrs ergeben

sich dann durchschnittlich höhere Reaktionsgeschwindigkeiten als im STR.[89] Den

Übergang zwischen idealem Rührkessel- und Strömungsrohrreaktor bilden sogenannte


Kreislaufreaktoren (Schlaufenreaktoren), bei denen die abgeführte Lösung aus einem

Strömungsrohrreaktor wieder in den Reaktorzulauf zugespeist wird und

Rührkesselkaskaden, welche eine Hintereinanderreihung von CSTR darstellen. Abbildung 59

zeigt die wesentlichen Unterschiede idealer, isotherm-betriebener Reaktortypen.[116]

Abbildung 59: Konzentration/Zeit- bzw. Konzentration/Ort-Verhältnisse für ideale, isotherme Reaktortypen.

x: beliebiger Reaktionsort innerhalb des Reaktors; z: Ortskoordinate des Reaktors; i: Anzahl der hintereinander geschalteten Reaktoren; t: Reaktionszeit;

C: Konzentration des eingesetzten Edukts; C0:Konzentration des eingesetzten Edukts zum Zeitpunkt t=0; Ce: Konzentration des eingesetzten Edukts beim Austritt aus dem Reaktor.[116]

Kontinuierlich betriebene Systeme bieten viele Vorteile gegenüber konventionellen STR, wie

beispielsweise eine einfachere Automatisierung und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der

Syntheseverfahren.[118,119] Darüber hinaus wird die Handhabung von gefährlichen

Chemikalien verbessert und somit die Prozesssicherheit erhöht.[93]

Das Interesse, asymmetrische Reaktionen in Durchflussreaktoren (Strömungsrohrreaktoren)

durchzuführen, nahm in den letzten Jahren außerordentlich zu.[118,120,121] Im Bereich der


Organokatalyse bietet sich an, sowohl homogene, als auch heterogene Katalysatorsysteme

für kontinuierliche Reaktionsführungen einzusetzen, wie beispielsweise für Michael-

Reaktionen oder für enantioselektive Aldolreaktionen.[120,122] Ein nicht-immobilisiertes

Prolin-Derivat wurde zum Beispiel von SEEBERGER et al. in einem Durchfluss-Mikroreaktor

angewendet, für die Darstellung chiraler β-Hydroxyketone ausgehend von aromatischen

Aldehyden und Aceton.[123] Polymer-gebundene Organokatalysatoren, wie sie in Kapitel

4.1.1 vorgestellt worden sind, wurden von PERICÀS et al. ebenfalls für asymmetrische

Aldolreaktionen verwendet.[124] Kürzlich wurde von FÜLÖP et al. ein immobilisiertes Peptid

(56) synthetisiert, welches ein charakteristisches Prolinamid-Strukturmerkmal aufweist. Diese

Verbindung ist in der Lage 3-Chlorbenzaldehyd (4) und weitere aromatische Aldehyde

enantioselektiv mit Aceton umzusetzen (Abbildung 60). Durch die Heterogenisierung des

Katalysators ist es möglich diese Reaktion in einem Durchflussreaktor auszuführen und das

eingesetzte Immobilisat wiederzuverwenden.[125]

Abbildung 60: Organokatalysierte Aldolreaktion im kontinuierlichen Durchflussreaktor mit Polymer-gebundenem Peptid/Prolinamid-Katalysator 56 (PS-Träger).[125]

4.1.3 Anwendungen von immobilisierten Biokatalysatoren für

Reduktionsreaktionen von Carbonylverbindungen

Wie bereits in Kapitel 1 beschrieben, werden biokatalytische Methoden häufig für die

Darstellung von Bulk-, Feinchemikalien und von pharmazeutisch relevanten Wirkstoffen

verwendet.[13,19] Im Allgemeinen weisen enzymatische Methoden häufig hohe

Substratspezifizitäten und günstige Selektivitäten (Chemo-, Regio-, Diastereo- und


Enantioselektivitäten) auf. Dank der zumeist großen Aktivität der verwendeten

Biokatalysatoren können diese Verfahren somit eine gute Prozesseffizienz erreichen. Milde

Reaktionsbedingungen, oft gegebene Kompatibilitäten untereinander und zu anderen

katalytischen Systemen, sowie eine häufig sehr gute kommerzielle Verfügbarkeit bewirken

ein großes Interesse seitens der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Industrie.[126]

Die Synthese chiraler Alkohole durch enantioselektive Reduktion von Ketonen mittels

Oxidoreduktasen dient als Beispiel für die hervorragende Effizienz von Biokatalysatoren für

die Herstellung optisch aktiver Verbindungen. Bereits im Jahr 1990 entwickelte HUMMEL ein

enzymatisches Verfahren, mit dem man Acetophenon (57) innerhalb von 32 h fast

vollständig und mit hervorragender Selektivität in einem EMR zum chiralen

(R)-Phenylethanol ((R)-58) umwandeln kann (Abbildung 61).[127] Darüber hinaus wird diese

Synthese auch in „batch“-Reaktoren durchgeführt.[128] Das verwendete Enzym, eine

(R)-enantioselektive Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus kefir (Lk-ADH), akzeptiert

zudem eine sehr breite Substratpalette.[129]

Abbildung 61: Enzymatische Reduktion von Acetophenon (57) in einem EMR.[127]

Verglichen mit den industriell am weitesten verbreiteten Enzymen, den Hydrolasen, weisen

Oxidoreduktasen eine etwas kompliziertere Handhabung auf, da die von ihnen katalysierten

Biotransformationen von Cofaktoren abhängig sind, welche mithilfe von speziellen

Regenerierungssystemen wiederhergestellt werden müssen.[130] Mittlerweile findet man

dennoch viele und bedeutende Beispiele für die Anwendung dieser Biokatalysatoren, speziell

für die Reduktion von Carbonylgruppen.[131] So kann beispielsweise mittlerweile das

Acetophenon-Derivat 59 nach GRÖGER und MAY et al. im 10-Liter-Maßstab (156 g/l) mittels

Ganzzellkatalyse in einer hocheffizienten Art und Weise zum entsprechenden Alkohol 60

reduziert werden. Extern zugefügte Cofaktormengen entfallen hierbei (Abbildung 62).[132]


Abbildung 62: Reduktion von 4-Chloracetophenon (59) mittels Ganzzellkatalyse.[132]

Die Eignung von Enzymen zur stereoselektiven Reduktion von β-Hydroxyketonen zur

Darstellung von chiralen Alkoholen wurde in der Literatur bereits ausführlich

beschrieben.[133] Hierbei gelang KRAUSSER, BAER, sowie GRÖGER et al. ausgehend von

β-Phenyl-funktionalisierten Aldolprodukten eine hochenantio- und diastereoselektive

Synthese von 1,3-Diolen.[24-27] In weiteren Arbeiten konnte zudem die Substratbreite

erweitert werden.[28] Abbildung 63 zeigt ein optimiertes Verfahren zur Reduktion von β-

Hydroxyketon (R)-61 mittels Lk-ADH nach BAER.[27]

Abbildung 63: Reduktion von (R)-61 zum chiralen 1,3-Diol (R,R)-62.[27]

Um die Wirtschaftlichkeit von enzymatischen Reaktionen zu erhöhen, werden in der Industrie

häufig Immobilisierungsmethoden für ausgewählte Biokatalysatoren angewendet.[89] In der

Praxis bietet sich an, das zu immobilisierende Protein kovalent an einen festen Träger zu

binden. Dieser besteht meist aus einem Polymer (z.B.: Polysaccharid, Polyoxysilan,

Polyacrylamid) welches oft funktionelle Gruppen, wie Amino- oder Hydroxygruppen an

dessen Oberfläche trägt. Damit kann häufig über einen Spacer eine Bindung mit den

funktionellen Gruppen des Enzyms erfolgen. Daneben gibt es die Möglichkeit Proteine

untereinander mittels Quervernetzung (engl. cross linking) zu verbinden.[20,89] Die


einfachste und älteste Methode Enzyme zu immobilisieren, besteht in deren Adsorption an

einem wasserunlöslichen makroskopischen Träger. Durch die nur schwache

Wechselwirkung mit dem Träger verzeichnet man meist nur kleine Aktivitätsverluste des

fixierten Enzyms; jedoch kann eine Desorption selbst bei minimaler Änderung von

Substratkonzentration, pH-Wert usw. stattfinden.[20] Darüber hinaus gibt es weitere

Möglichkeiten Enzyme nicht-kovalent an einen Träger zu fixieren, beispielsweise durch

Ionenbindung oder mittels Einschlussimmobilisierung (engl. entrapment) bzw. Verkapselung

(engl. encapsulation) in Gel, Membranen und Micellen.[20,134] Ein oft verwendetes

Verfahren besteht darin, ein Polyacrylamidgel mittels radikalischer Polymerisation in

Anwesenheit des Enzyms zu synthetisieren und dieses in die entstehende Polymermatrix

einzuschließen.[89] Auch für Oxidoreduktasen (im Speziellen: Alkoholdehydrogenasen)

können gängige Enzym-Immobilisierungsarten benutzt werden. Wie von LÜTZ et al.

dargestellt, ist es möglich, eine Lb-ADH (ADH aus Lactobacillus brevis) kovalent an einen

Aminoepoxy-Träger anzubringen und dann für die effiziente Reduktion von Acetophenon

(57) in einem Strömungsrohrreaktor einzusetzen.[135] Eine erfolgreiche industrielle

Immobilisierungsmethode von Lb-ADH beschreibt die Adsorption des Enzyms an

verschiedenen anorganischen Trägern wie Kieselgel oder Celite.[136] Ein beeindruckendes,

bereits patentiertes Verfahren von JEROMIN zeigt die Fähigkeit von einschlussimmobilisierten

Alkoholdehydrogenasen hochenantioselektiv Reduktionsreaktionen von prochiralen Ketonen

zu katalysieren (Abbildung 64).[137,138] Dabei können sowohl die für die Reaktion

verwendeten Enzyme, wie auch die benötigten Cofaktoren und etwaige Spurenelemente an

kommerziell erhältlichen superabsorbierenden Polymeren immobilisiert werden. Diese

bestehen meistens aus Polyacrylsäuren und werden üblicherweise als wasserabsorbierende

Mittel eingesetzt.

Abbildung 64: Reduktion von prochiralen Ketonen mithilfe von absorbierten ADH.[138]


Der immobilisierte Biokatalysator weist eine gute Stabilität in einem organischen

Lösungsmittel wie iso-Propanol auf, bei allgemein einfachen und milden

Reaktionsbedingungen. Zudem kann er auf einfache Weise wiederverwendet werden.[138]

4.2 Ziel der Arbeit

Nachdem in Kapitel 3 die Aldolreaktion mit Prolinamid-Katalysatoren zur Synthese von

chiralen β-Hydroxyketonen untersucht wurde, werden im Folgenden auch Polymer-

gebundene Organokatalysatoren für dieses Modellsystem getestet. Bereits HANSEN et al.

beschrieb die Möglichkeit Prolin- und speziell Prolinamid-Katalysatoren mithilfe von

Acrylaten, Styrol bzw. Divinylbenzol-Derivaten zu polymerisieren, um sie dann mit

Benzaldehyd-Derivaten und Ketonen enantioselektiv umzusetzen. 4-Nitrobenzaldehyd (10)

ist ein geeigneter Akzeptor und reagiert mit Cyclohexanon (67) bzw. Aceton hochselektiv

(91-98% ee) und mit guter Ausbeute (72-85% ee) zu den entsprechenden Aldolprodukten

(Abbildung 65).[114,115]

Von Interesse ist zunächst die Frage nach der Eignung dieser (70 und 8) und strukturell

ähnlicher Katalysatorsysteme (z.B. solche, die 68 ähneln) für die enantioselektive

Aldolreaktion im wässrigen Medium von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton. Nach der

Ermittlung des am besten geeigneten Katalysatorsystems ist es sinnvoll, in vollkommener

Analogie zu Kapitel 3.3.3 eine Prozessentwicklung hinsichtlich der Reduzierung der

Katalysatormenge durchzuführen. Im Zuge dessen wird die Korrelation zwischen der

eingesetzten Katalysatormenge mit den ee-Werten der Produkte und dem nach der Reaktion

erzielten Umsatz überprüft. Anschließend erfolgt der Vergleich mit den Werten für die nicht-

immobilisierten Organokatalysatoren aus Kapitel 3.3.3.

Des Weiteren wird ein Konzept zur Durchführung der Aldolreaktion in einem

Durchfluss/Ströhmungsrohr-Reaktor vorgestellt. Dabei befindet sich der heterogene

Polymer-gebundene Organokatalysator ständig im Reaktor und kann somit am Ende des

Reaktionszyklus wiederverwendet werden. Damit kann das Rezyklisierungspotential des

Polymer-gebundenen Organokatalysators im Ströhmungsrohrreaktor mit dem aus den

gewöhnlichen „batch“-Reaktoren (allg: Glaskolben, Präparategläser) verglichen werden.


Abbildung 65: Enantioselektive Aldolreaktionen im wässrigen Medium mit Polymer-gebundenen Organokatalysatoren nach HANSEN et al.[115]

Schließlich wird eine praktische Anwendung zur Reduktion der synthetisierten

β-Hydroxyketone mithilfe immobilisierter Biokatalysatoren getestet.

Wie bereits in vorherigen Arbeiten gezeigt, können β-Hydroxyketone vom Typ (R)-5 mithilfe

von (R)-selektiven Alkoholdehydrogenasen (ADH aus Lactobacillus kefir, Lk-ADH) oder

(S)-selektiven Alkoholdehydrogenasen (ADH aus Rhodococcus sp., Rsp-ADH) zu den

zugehörigen chiralen 1,3-Diolen ((R,S)-9 bzw. (R,R)-9) umgesetzt werden

(Abbildung 66).[28]


Abbildung 66: Biokatalytische Reduktionen von β-Hydroxyketon (R)-5 mithilfe von Alkoholdehydrogenasen.[28]

Im Rahmen dieser Arbeit werden mithilfe eines Superabsorbers Immobilisate von diesen

Enzymen hergestellt, um sie für die Reduktion eines Modellsubstrats wie Acetophenon (57)

oder des Aldolprodukts 5 (welches aus der kontinuierlich-geführten organokatalytischen

Aldolreaktion stammt) anzuwenden. Damit kann ein „proof-of-concept“ für eine sequenzielle

Synthese chiraler Diole mittels Kombination von immobilisierten Organo- und

Biokatalysatoren erarbeitet werden. Abbildung 67 fasst diese Zielvorgaben zusammen.

Abbildung 67: Anwendung immobilisierter Organo- und Biokatalysatoren zur Synthese chiraler Verbindungen.


4.3.1 Synthese der Polymer-gebundenen Organokatalysatoren

Die in dieser Arbeit verwendeten Polymer-gebundenen Organokatalysatoren 73, 78, und 79


wurden von der Arbeitsgruppe HANSEN (University of Oslo, Norwegen) freundlicherweise zur

Verfügung gestellt. Während das Hydroxyprolin-O-Methylacrylat 71 mithilfe eines weiteren

Acrylatmonomers (72) zum Katalysator 73 copolymerisiert wurde, besitzen Polymer-

gebundene Organokatalysatoren vom Typ 78 bzw. 79 ein quervernetztes Polystyrol-Gerüst

(Abbildung 68).[115]

Abbildung 68: Strukturen der in dieser Arbeit verwendeten Polymer-gebundenen Organokatalysatoren. Diese

wurden von der Arbeitsgruppe HANSEN freundlicherweise zur Verfügung gestellt.

Die Organokatalysatoren 80 und 81 sind Isomere von 79 (bzw. von 8, siehe Abbildung 58):

Organokatalysator 80 besitzt zudem das gleiche katalytische Zentrum wie 79. Obwohl bei

der Polymerisation dieselben Monomere eingesetzt werden, kann dennoch die endgültige

Zusammensetzung bzw. die Dispersität dieser Copolymere voneinander unterschiedlich

sein. Sie wurden unter der Anleitung von HANSEN in Anlehnung an eine literaturbekannten

Methode im großen Maßstab eigenständig synthetisiert.[114] Ausgehend von einem

Hydroxyprolin-O-Methylacrylat-Derivat (76) wird eine Polymerisation mit Styrol (74) und

Divinylbenzol (75) durchgeführt. Die Amidkupplung erfolgt erst im letzten Syntheseschritt mit

der bereits vorgefertigten Polymermatrix 82 (Abbildung 69).


Abbildung 69: Retrosynthetische Analyse von Katalysator 80 und 81.

Das Hydroxyprolin-O-methylacrylat-Derivat 76 wird aus der Reaktion aus trans-4-Hydroxy-

(S)-Prolin (51) und aus dem Carbonsäurechlorid 83 der kommerziell erhältlichen

2-Methylacroyloxyethylsuccinylsäure gewonnen. Die Acylierung findet dabei chemoselektiv

am Sauerstoffatom mittels Trifluoressigsäure (TFA, 92) statt. Die Verbindung 76 wird

dadurch als Ammoniumsalz (85) gefällt (Abbildung 70). Die Ausbeute beträgt dabei 55%.


Abbildung 70: Synthese des Hydroxyprolin-O-methylacrylat-Derivats 85.

In Analogie zur Synthese der nicht-immobilisierten Prolinamid-Organokatalysatoren wird im

nächsten Reaktionsschritt ebenfalls eine Boc-Schutzgruppe an die Aminofunktionalität des

Hydroxyprolin-O-Methylacrylat-Derivats 85 eingeführt (Abbildung 71). Das damit hergestellte

Boc-Hydroxyprolin-geschützte Monomer 86, welches mit >95% produktbezogenem Umsatz

entsteht, ist in unpolaren Solventien löslich und ist geeignet für Suspension-

Polymerisationsreaktionen in wässrigem Medium mit weiteren unpolaren Monomeren. Bei

der Isolierung von Produkt 86 können durch spontane Polymerisation an der Luft und bei

Raumtemperatur signifikante Ausbeuteverluste auftreten. Zudem wird eine noch

beträchtliche Menge an nicht abreagiertem Di-tert-butyldicarbonat (39) mittels 1H-NMR-, 13C-

NMR-, und HSQC-NMR- Spektroskopie detektiert. Nach Durchführung der von BASEL et al.

vorgeschlagenen Methode, überschüssiges 39 mittels Imidazol mild aus der

Reaktionslösung zu entfernen, konnte das Produkt nur mit einer Ausbeute von 40% in

gereinigter Form isoliert werden (Abbildung 71).[139]

Abbildung 71: Synthese von Boc-Hydroxyprolin-O-Methylacrylat-Derivat 86.


Um der spontanen unerwünschten Polymerisation von 86 entgegenzuwirken, erscheint es

daher sinnvoller, zunächst das Produkt ohne vorherige Isolierung für die

Copolymerisationsreaktion mit Styrol (74) und Divinylbenzol (75, Isomerengemisch)

einzusetzen, um anschließend mittels Elementaranalyse die tatsächliche Menge der im

Polymer vorhandenen Prolinamid-Einheit zu bestimmen. Die Suspension-Polymerisation zur

Synthese von 88 läuft radikalisch in einem Zweiphasengemisch ab. Als Radikalstarter wird

Benzoylperoxid (87) verwendet (Abbildung 72). Die Trocknung der entstandenen

Polymerperlen 88 wird im Exikkator über Phosphorpentoxid durchgeführt. Die Reinigung

erfolgt allgemein mittels Soxhlet-Extraktion mit Dichlormethan. Die Beladung von 86 im

Polymer beträgt 0,75 mmol/g. Diese wird mittels Elementaranalyse bestimmt.

Abbildung 72: Radikalische Suspension-Polymerisation zu 88.

Nach der Polymerisation zu 88 wird im Sinne einer Post-Modification Strategy die

Amidkupplung mit Aminoalkoholen vom Typ 45 oder 89 realisiert. Die Amidierung findet

mithilfe eines modernen Kupplungsreagenz, wie TBTU (90, O-(Benzotriazol-1-yl)-N,N,N′,N′-

tetramethyluronium Tetrafluoroborat in DIPEA (91, Diisopropylethylamin) statt.


Zur Entschützung der Boc-Funktionalität wird im nächsten Schritt Ameisensäure (44)

verwendet (Abbildung 73). Die Ausbeuten werden hierbei nicht bestimmt. Stattdessen kann

die Katalysatorbeladung mittels Elementaranalyse angegeben werden. Sie beträgt

0,65 mmol/g für 80 und 0,64 mmol/g für 81.

Abbildung 73: Synthese der Polymer-gebundenen Organokatalysatoren 80 und 81.


4.3.2 Aldolreaktionen mit Polymer-gebundenen Organokatalysatoren

Es ist aus der Literatur bekannt, dass Polymer-gebundene Prolin- bzw. Prolinamid-

Katalysatoren für enantioselektive Aldolreaktionen geeignet sind (Kapitel 4.1.1 und Kapitel

4.2). Mithilfe der Modellreaktion aus Kapitel 3.3.3, also der Synthese des chiralen

β-Hydroxyketon aus 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton wird die Eignung bzw. Effizienz der

immobilisierten Katalysatoren 73, 78 und 79 getestet. Hierbei werden die für diese Systeme

bereits etablierten Reaktionsparameter von HANSEN et al. als Benchmark übernommen, wie

beispielsweise die Katalysatorbeladung (10,0 mol%) und die Substratkonzentration

(0,4 mmol 4 in 8 mmol Aceton und 0,14 ml destilliertem Wasser).[115] Da die Reaktionen in

„batch“-Reaktoren stattfinden, kann zudem ausgewählt werden, ob die Lösungen gerührt

werden oder ob gänzlich auf das Rühren verzichtet wird, wie ursprünglich von HANSEN et al.

vorgeschlagen (Tabelle 2 und Tabelle 3).

Tabelle 2: Screening von Polymer-gebundenen Organokatalysatoren in der enantioselektiven Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) mit Aceton. Die Reaktionslösung wird dabei nicht gerührt.

Eintrag Katalysator Gesamt-

umsatz [%]


1 73 11 10

2 78 37 35

3 79 >95 95


Tabelle 3: Screening von Polymer-gebundenen Organokatalysatoren in der enantioselektiven Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) mit Aceton. Die Reaktionslösung wird dabei gerührt (1000 rpm).

Für Reaktionsbedingungen und Reaktionsgleichung siehe Tabelle 2.

Eintrag Katalysator Gesamt-

umsatz [%]


1 73 12 12

2 78 42 41

3 79 >95 >95

Wie erwartet, ist das immobilisierte Prolinamid-Derivat 79 geeignet, um die Reaktion in

effizienter Weise zu katalysieren. Nach 24 h wird 3-Chlorbenzaldehyd (4) zu >95%

umgesetzt (Eintrag 3, Tabelle 2 und Tabelle 3), wohingegen mit den Polymer-gebundenen

Prolin-Katalysatoren 73 und 78 bei gleichen Reaktionsbedingungen niedrigere Umsätze

erzielt werden (z.B. Eintrag 1 und Eintrag 2, Tabelle 2). Wird die Reaktionsmischung gerührt,

so können nur minimale Verbesserungen bezüglich des Umsatzes erreicht werden (Eintrag 1

und Eintrag 2, Tabelle 2 und Tabelle 3).

Für die hier folgenden Umsetzungen werden alle Reaktionsmischungen gerührt. Aufgrund

dieser experimentellen Befunde wird der Polymer-gebundene Katalysator 79 für die

Entwicklung einer effizienten Synthese von β-Hydroxyketon (R)-5 ausgehend von

3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton im wässrigen Medium und bei Raumtemperatur

herangezogen. Die Prozessentwicklung beginnt, ähnlich wie in Kapitel 3.3.3, mit der

Variation der benötigten Katalysatormenge. Die Reaktionsbedingungen entsprechen dabei

jenen der in Tabelle 3 gezeigten Benchmark-Reaktion nach HANSEN et al. (Abbildung 74).

Die Reduzierung der Katalysatormenge von 10,0 mol% auf bis zu 2,5 mol% scheint keinen

merklichen Einfluss bezüglich des erzielten Umsatzes zu besitzen. Trotz einer

Katalysatormenge von 2,5 mol% werden ebenfalls >95% produktbezogener Umsatz erreicht.

Bei Verwendung von 0,5 mol% bzw. 1,0 mol% Katalysator werden deutlich niedrige Umsätze

erzielt (35% produktbezogener Umsatz für 0,5 mol% 79, 62% produktbezogener Umsatz für

1,0 mol% 79). Bezüglich der Enantioselektivität des Verfahrens, erreicht man für jede der

untersuchten Reaktionen (zwischen 1,0 mol% und 10,0 mol% Katalysatormenge) bei einer

Reaktionszeit von 24 h konstante ee-Werte zwischen 92% ee und 89% ee. Dieser Befund

steht auf den ersten Blick nicht im Einklang mit den Ergebnissen, welche mit dem nicht-

immobilisierten und strukturell sehr ähnlichen Prolinamid-Katalysator (S,S)-7 in gesättigter

Natriumchloridlösung gesammelt wurden (Abbildung 48, Kapitel 3.3.3), da in diesem Fall

keine signifikante Abnahme der Enantioselektivität registriert wird (bei Verwendung von


5,0 mol% Katalysator (S,S)-7 hingegen wird (R)-5 nach 24 h mit 35% ee gebildet). Ein Grund

hierfür könnte vermutlich aus unterschiedlichen Katalysatoraktivitäten von 79 und (S,S)-7

resultieren. Durch die niedrigere Aktivität des Polymer-gebundenen Organokatalysators 79

unterliegt die Reaktion bei einer Reaktionszeit von 24 h überwiegend einer kinetischen

Kontrolle.

Abbildung 74: Einfluss der Katalysatormenge auf Selektivität und Umsatz der organokatalytischen Aldolreaktion mit dem Polymer-gebundenen Prolinamid-Katalysator 79.

Dass die makromolekulare Umgebung des Polymer-gebundenen Organokatalysators vom

Typ 79 einen nicht unbedeutenden Einfluss auf die katalytische Aktivität hat, wird deutlich,

wenn die Verbindung 80 zur Synthese von β-Hydroxyketonen eingesetzt wird. Dieser

Prolinamid-Katalysator besitzt in der Theorie dieselbe katalytische Funktionalität wie 79,

dennoch können hierbei strukturelle Unterschiede zwischen diesen beiden Verbindungen

vorliegen. Zum einen garantiert die in Kapitel 4.3.1 beschriebene Methode der

91 92 89 89

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,5 1,0 2,5 5,0 10,0

[%]

Gesamtumsatz


ee



Copolymerisation keine regelmäßige Taktizität der einzubauenden Monomeren. Weiterhin

erwartet man damit polydisperse Partikel, die zudem eine unterschiedliche

Katalysatorbeladung aufweisen. Auch mit einer etwas höheren Katalysatorbeladung von

0,65 mmol/g besitzt der immobilisierte Katalysator 80 eine niedrigere Aktivität als 79, der

eine Katalysatorbeladung von 0,5 mmol/g aufweist (Abbildung 75).

Abbildung 75: Vergleich der katalytischen Aktivität der immobilisierten Organokatalysatoren 79 und 80 (die Strukturen wurden bereits in Abbildung 69 bzw. Abbildung 74 gezeigt). Die Werte für 2,5 mol% 80 wurden aus

dem Durchschnitt von Eintrag 3 und Eintrag 4, Tabelle 4 gebildet.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

[%]


Gesamtumsatz


ee

Organokatalysator 79

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

[%]


Gesamtumsatz


ee



Beim experimentellen Vergleich zwischen 79 und 80 wird deutlich, dass trotz der konstant

hohen ee-Werte von 92-95% ee eine deutliche Diskrepanz bezüglich der erzielten Umsätze

zu beobachten ist. So reichen nur 2,5 mol% von Polymer-gebundenem Organokatalysator

(79) für eine fast vollständige Reaktion in wässriger Natriumchlorid-Lösung nach 24 h aus

wohingegen für 80 bereits ein Katalysatoranteil von mindestens 10,0 mol% notwendig ist

(Abbildung 75, Tabelle 4). Das Reaktionsmedium ist unter Zugabe von wässrigem Solvens

immer ein 2-Phasen System, bei dem der Polymer-gebundene Katalysator heterogen

vorliegt.

Tabelle 4: Variation der Katalysatormenge für den Polymer-gebundenen Organokatalysator 80.

Eintrag Katalysatormenge [mol%] Gesamt-

umsatz [%]


ee [%]

1 0,5 10 10 95

2 1,0 11 11 94

3 2,5 28 27 93

4 2,5 32 30 94

5 5,0 61 58 93

6 10,0 >95 84 93

7 50,0a)

>95 64 74

a) Wegen des hohen Anteils des Polymers läuft die Aldolreaktion nicht in einem heterogenen 2-Phasen System

ab, sondern in einem Gel-artigen Reaktionsmedium.


Erhöht man die Katalysatormenge von 80 auf bis zu 50,0 mol%, so nehmen sowohl der

produktbezogene Umsatz (64% produktbezogener Umsatz), als auch die Enantioselektivität

(74% ee) deutlich ab (Tabelle 4, Eintrag 7). Ob diese Phänomene durch eine, wie in

Kapitel 3.3.3 beschriebene thermodynamische Kontrolle verursacht werden, kann im

Rahmen dieser Arbeit nicht eindeutig geklärt werden, da sich mit zunehmender Menge des

Polymers auch das Reaktionsmedium deutlich verändert. Da die Reaktion mit 50,0 mol% 80

in einem Gel abläuft, könnte auch ein veränderter Reaktionsmechanismus für die niedrige

Enantioselektivität und für den erhöhten Anteil an Nebenprodukten sorgen. Bei der

reaktionskinetischen Untersuchung mit 10,0 mol% 80 fällt deutlich auf, dass die

ee-Werte über den Zeitraum von 24 h konstant bleiben (Abbildung 76).

Abbildung 76: Zeitabhängigkeit der Enantioselektivität und des Umsatzes für die Aldolreaktion mit 80.

Die Umsatz/Zeit-Kurven zeigen zudem eine große Ähnlichkeit zu denjenigen, die mit dem

nicht-immobilisierten Prolinamid-Katalysator (S,S)-7 beobachtet wurden (Katalysatormenge

(S,S)-7: 0,5 mol%) und bereits in Abbildung 47 (Kapitel 3.3.3) vorgestellt wurden. Daraus

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60

[%]

t [h]

Gesamtumsatz


ee


kann geschlossen werden, dass die Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton

mit 10,0 mol% 80 in Anwesenheit von gesättigter Natriumchlorid-Lösung kinetisch kontrolliert

abläuft. Diese Tatsache garantiert konstant hohe ee-Werte von 93% ee nach 24,0 h

Reaktionszeit.


Polymer-gebundenen Organokatalysatoren

Nachdem die Eignung des Polymer-gebundenen Organokatalysators 80 zur Synthese von

chiralen β-Hydroxyketonen gezeigt wurde, wird ein Konzept entwickelt, das die

Wiedergewinnung des eingesetzten Katalysators ohne aufwendige Aufarbeitung für weitere

Reaktionszyklen beinhaltet. Da dieser immobilisierte Organokatalysator in gängigen

organischen und wässrigen Lösungsmitteln unlöslich ist, kann die Rezyklisierung

grundsätzlich in „batch“-Reaktoren mittels Filtration erfolgen. Die „batch“-Reaktoren sind

einfach verfügbare Präparategläser, in denen eine zweiphasige heterogene Lösung aus

3-Chlorbenzaldehyd (4), Aceton, Wasser und Katalysator 80 gerührt wird (Abbildung 77).

Abbildung 77: Aldolreaktion mit rezyklisiertem Organokatalysator 80 in „batch“-Reaktoren. Die Struktur von 80

wurde bereits in Abbildung 69 dargestellt.

88 92 92 91 88

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5

[%]

Gesamtumsatz


ee

Reaktions- zyklus


Nach Ablauf der Reaktion wird der Organokatalysator abfiltriert, gewaschen, getrocknet und

für vier weitere Zyklen mit jeweils neuem Substrat eingesetzt.Um eine Verunreinigung des

Katalysators mit Salzen zu verhindern, welche zur Gewichtszunahme des Polymers führen

würde, wird hierbei bewusst destilliertes Wasser als Lösungsmittel verwendet. Insgesamt

werden in fünf Reaktionszyklen konstante ee-Werte von 88-92% ee erreicht. Trotz dieser

vielversprechenden Resultate wird nach jedem Zyklus eine Gewichtsveränderung der

eingesetzten Katalysatormenge festgestellt. Diese Gewichtsveränderung lässt sich durch

mehrere Faktoren erklären (Wasseranteil im Polymer, Wägeungenauigkeiten,

Ungenauigkeiten beim Überführen der Substanz vom Filter in den „batch“-Reaktor und

umgekehrt, usw.), die durch diese Art der Prozessführung bedingt sind. Weiterhin wird ein

Abrieb des Polymer-gebundenen Organokatalysators 80 beobachtet, der zur Verkleinerung

der Partikelgröße von 80 führt. Damit wird die Überführung des filtrierten Katalysators in den

Reaktor erschwert.

Bei Auswahl einer kontinuierlichen bzw. halbkontinuierlichen Reaktionsführung kann diese

spezielle Problematik gelöst werden. Dazu wird der Polymer-gebundene Organokatalysator

79 bzw. 80 in einen Edelstahlbehälter hineingegeben (leere Daicel Chiralpak® HPLC-Säule)

und an diesem Reaktionsort mittels eines in der Säule integrierten Filters immobilisiert.

Mithilfe des auf diesem Wege hergestellten Festbettreaktors sollten in der Theorie keine

Mengenverluste des Organokatalysators während der Reaktion bzw. Aufarbeitung zu

erwarten sein.

In diesem Prozess werden die Edukte (3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton) in einem

Behälter miteinander vermischt und mit Druck in den Festbettreaktor hineingepumpt. Das

aus dem anderen Ende des Reaktors ausströmende Fluid wird entweder in dem Behälter

wieder aufgefangen, in dem sich auch die Edukte befinden und wieder durch den Reaktor

gepumpt (Kreislaufreaktor, halbkontinuierlicher Betrieb) oder in einem getrennten Behälter

wiederaufgefangen (kontinuierlicher Betrieb). Für diese Prozedur wird eine konstante

Fließgeschwindigkeit gewählt. Als Additiv kann dabei Wasser fungieren, das entweder

zusammen mit den Edukten vorgelegt wird oder vor der Aldolreaktion durch den Reaktor

gespült wird. Am Ende einer vorgegebenen Reaktionszeit wird das Pumpsystem

ausgeschaltet, die Reaktionsmischung im Auffangbehälter aufgearbeitet und Umsatz (mittels

1H-NMR-Spektroskopie) und Enantioselektivität (mittels chiraler HPLC) bestimmt. Eine

Skizze des entworfenen Kreislaufreaktors ist in Abbildung 78 dargestellt.

Ein vorläufiges Screening der Aldolreaktion mit Organokatalysator 79 im kontinuierlichen

Betrieb (Reaktordimensionen: 5 cm Höhe, 1 cm Durchmesser; Fließgeschwindigkeiten bis zu

0,1 ml/min) zeigt zunächst keine Umsetzung der Substrate bei Detektion mittels

Dünnschichtchromatographie (DC). Ein Grund dafür könnte eine zu geringe Verweilzeit der


Substrate im Reaktor sein. Deshalb werden im Folgenden nur Reaktionen betrachtet, die

eine halbkontinuierliche Reaktionsführung gemäß Abbildung 78 aufweisen.

Abbildung 78: Skizze des halbkontinuierlichen Durchflussreaktors (Kreislaufreaktor) zur Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton in Anwesenheit von destilliertem Wasser.

Bei Verwendung eines Reaktorbehälters von 5 cm Höhe und 1 cm Durchmesser, in dem

0,7 g 79 (Katalysatorbeladung 0,5 mmol/g, 70,0 mol%) vorliegen, beträgt der

produktbezogene Umsatz von β-Hydroxyketon (R)-5 95% bei einem ee-Wert von 81% ee.

Die Lösung wird 70 h mit 0,1 ml/min Durchflussgeschwindigkeit gepumpt. (Abbildung 79).

Abbildung 79: Aldolreaktion im Durchflussreaktor mit Organokatalysator 79 in Anwesenheit von destilliertem

Wasser. Das Verhältnis Wasser/Aceton beträgt 1/1 (v/v) (homogenes Lösungsmittelgemisch).


Eine etwas höhere Enantioselektivität kann erzielt werden, wenn die Katalysatormenge

erniedrigt wird. So erreicht man im wässrigen Medium (Verhältnis Wasser/Aceton von 18/1

(v/v), heterogenes Lösungsmittelgemisch) mit nur 0,01 g (1,0 mol%) 79 einen ee-Wert von

88% ee nach einer Reaktionszeit von 23 h und einer Fließgeschindigkeit von 1,0 ml/min. Die

Substratmenge von 4 beträgt dabei 1 mmol; Aceton wird im Überschuss gewählt

(9 Äquivalente). Nachteilig erscheinen hierbei die niedrigen Umsätze

(29% produktbezogener Umsatz, 30% Gesamtumsatz).

Abbildung 80: Aldolreaktion im Durchflussreaktor mit Organokatalysator 79 in Anwesenheit von destilliertem

Wasser. Das Verhältnis Wasser/Aceton beträgt 18/1 (v/v) (heterogenes Lösungsmittelgemisch).

Vielversprechender erscheint in diesem Rahmen die Verwendung einer längeren

Reaktionskammer (Reaktordimensionen: 250 mm Höhe; 4,6 mm Durchmesser), welche eine

längere Verweilzeit der Reaktionslösung im Festbettreaktor garantiert. Zudem wird das

Reaktionsmedium bzw. die Reaktionsführung deutlich verändert: Der Reaktor wird vor der

Reaktion mit destilliertem Wasser vorbehandelt. Anschließend wird die Aldolreaktion mit

einem Überschuss an Aceton durchgeführt. Das Reaktionsgemisch ist somit homogen.

Damit kann zum einen eine bessere Durchmischung der Reaktanden erfolgen. Außerdem

wird durch die geringere Viskosität die technische Handhabbarkeit verbessert (geringerer

Pumpendruck). Um eine kinetisch kontrollierte Reaktion zu gewährleisten, wird die

Aldolreaktion mithilfe des Katalysators 80 durchgeführt, der im Vergleich zu 79 eine

niedrigere Aktivität aufweist (Kapitel 4.1.2). Trotz einer Katalysatormenge von 1,32 g

(171,6 mol%) können hohe ee-Werte von (R)-5 erzielt werden (89-90% ee), bei einer

Durchflussgeschwindigkeit von 0,5 ml/min und variablen Substratmengen von 4 (Tabelle 5).


Tabelle 5: Aldolreaktion im Durchflussreaktor mit Organokatalysator 80 (vorbehandelt mit Wasser).

Das Volumen an Aceton beträgt 25 ml.

Eintrag Menge

3-Chlorbenzaldehyd (4) [mmol]

t [h] Gesamt-

umsatz [%]


ee [%]

1 0,5 18 94 93 90

2a)

8,8 66 >95 95 89

a) Polymer-gebundener Organokatalysator 80 wurde zuvor zweimal für halbkontinuierliche Reaktionsführungen

verwendet. Die Nutzdauer betrug insgesamt 36 h.

Bemerkenswerterweise kann die Reaktion sogar mit einer erhöhten Substratmenge von

8,8 mmol 4 stattfinden; nach 66 h Reaktionszeit wird damit ein produktbezogener Umsatz

von 95% erzielt (Eintrag 2, Tabelle 5). Die Bewertung des Rezyklisierungspotentials von

Polymer-gebundenem Organokatalysator 80 erfolgt schließlich auch für die hier vorgestellte

halbkontinuierliche Reaktionsführung. Dabei werden die in Eintrag 1, Tabelle 5

beschriebenen Bedingungen leicht modifiziert (1,66 g (215,8 mol%) 80, 24 h Reaktionszeit).

Nach entsprechender Aufarbeitung des synthetisierten Produkts (R)-5 und

Wiederaufbereitung des Festbettreaktors (durch Spülen mit Aceton und Wasser), kann der

Organokatalysator 80 für mindestens fünf Reaktionszyklen ohne signifikante Abnahme von

sowohl Gesamtumsatz und produktbezogenem Umsatz als auch des ee-Werts

wiederverwendet werden (Abbildung 81). Die dabei erzielten ee-Werte liegen relativ konstant

zwischen 88-92% ee; die Reaktionen laufen fast vollständig ab (bis zu >95%

produktbezogener Umsatz).


Abbildung 81: Aldolreaktion mit rezyklisiertem Organokatalysator 80 im halbkontinuierlichen Reaktor. Für Zyklus

4 und Zyklus 5 musste aus technischen Gründen ein anderes Pumpsystem verwendet werden (siehe Eintrag 4 und Eintrag 5, Tabelle 24, Kapitel 8.3.3.3 und Kapitel 8.1).

Schlussfolgernd kann man somit feststellen, dass neben den gewöhnlichen „batch“-

Reaktoren sich auch ein halbkontinuierlicher Reaktionsbetrieb sehr gut eignet, um die

enantioselektive organokatalytische Aldolreaktion im wässrigen Medium durchzuführen. Die

als nachteilig empfundene hohe Katalysatormenge wird durch die vorteilhafte Möglichkeit der

Rezyklisierung des Katalysators kompensiert.

95 95 95 95 95 94 93 93 93 95 92 92 92 88 88

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5

[%]

Gesamtumsatz


ee

Reaktions- zyklus



chiraler Alkohole

Um weitere Arten von immobilisierten Katalysatorsystemen zu testen, werden im Folgenden

Alkoholdehydrogenasen entsprechend der literaturbekannten Methode von JEROMIN an

einen Superabsorber (Favor SXM9155©, Evonik) fixiert.[138] Diese können die enantio- und

diastereoselektive Synthese von 1,3-Diolen durch Reduktion aus den zugehörigen

Aldolprodukten katalysieren, welche beispielsweise in Kapitel 4.3.3 hergestellt worden sind.

Die zu immobilisierenden Enzyme, eine (R)-spezifische Lk-ADH und eine (S)-spezifische

Rsp-ADH, wurden bereits in vorherigen Arbeiten für die Reduktion von β-Hydroxyketonen

vom Typ (R)-5 verwendet.[28] Die Darstellung der im Rahmen dieser Arbeit verwendeten

Immobilisate erfolgt durch Vermischung der eingesetzten Enzyme und Cofaktoren (NADP+

bzw. NAD+) im wässrigen Medium mit dem Superabsorber. Nach der Entfernung des

wässrigen Lösungsmittels wird der Wassergehalt der Immobilisate ermittelt, indem man die

Massendifferenz nach Trocknung bei 107°C bestimmt. Darüber hinaus kann die Aktivität

dieser Verbindungen in Anlehnung an die literaturbekannte Vorschrift von JEROMIN mittels

UV/Vis-Spektroskopie angegeben werden.[138] Um die Eignung dieser Immobilisate zur

Reduktion von Carbonylverbindungen zu bewerten, können diese beispielsweise vorher mit

einem Standardsubstrat wie Acetophenon (57) umgesetzt werden; anschließend testet man

die Immobilisate mit (R)-5 (Abbildung 82).

Abbildung 82: Substrate für die biokatalytische Reduktion mit immobilisierte ADH.

Des Weiteren erscheint es sinnvoll, die jeweiligen reduzierten Verbindungen auf alternativen

Wegen zu synthetisieren, damit ein praktischer Vergleich der spektroskopischen Daten

erfolgen kann (1H-NMR-Spektroskopie). Während diese Daten für die reduzierten

β-Hydroxyketone vom Typ (R)-5 bereits zur Verfügung standen (siehe [28] bzw. Kapitel

5.3.1), wird für Acetophenon (57) die dazugehörige Referenzverbindung 1-Phenylethanol

(58) zunächst auf klassisch- chemischen Weg mittels Reduktion mit Natriumborhydrid nach

SETAMDIDEH und ZEYNIZADEH hergestellt.[140] Anschließend wird 58 auch mithilfe einer


Lk-ADH synthetisiert (Abbildung 83). Der produktbezogene Umsatz beträgt dabei >95% nach

18 h Reaktionszeit.

Abbildung 83: Synthese der Referenzverbindungen 58.

Führt man diese Reaktion mit einer großen Menge an immobilisierter Lk-ADH (4,8 U/mg,

34% (m/m) Wassergehalt) bei gleichen äußeren Bedingungen durch, so ergibt sich ein

ähnliches Ergebnis: Der produktbezogene Umsatz beträgt hierbei ebenfalls >95% (Abbildung

84). Nach Beendigung der Reaktion wird das Immobilisat filtriert, mit iso-Propanol

gewaschen und für einen erneuten Katalysezyklus eingesetzt. Der erzielte produktbezogene

Umsatz erreichte dabei 92%.

Abbildung 84: Synthese von 1-Phenylethanol (58) mittels immobilisierter Lk-ADH.


Die Reduktion von Acetophenon (57) mit superabsorbierter Rsp-ADH (0,5 U/mg, 72% (m/m)

Wassergehalt) kann auch als erfolgreich bewertet werden, da der produktbezogene Umsatz

>95% beträgt (Abbildung 85).

Abbildung 85: Synthese von 1-Phenylethanol (58) mittels immobilisierter Rsp-ADH.

Da die Immobilisierung der Enzyme in Anwesenheit von NADP+ bzw. NAD+ stattfindet, wird

deshalb vermutet, dass auch der Cofaktor erfolgreich vom eingesetzten Polymer absorbiert

werden kann. Aus finanziellen Gründen ist es daher sinnvoll auf den externen Zusatz von

Cofaktor bei der Reaktion zu verzichten. Tatsächlich erreicht man auch ohne externen

Cofaktor-Zusatz bei der Synthese von 1-Phenylethanol (58) mittels immobilisierter Lk-ADH

einen produktbezogenen Umsatz von >95% im ersten Reaktionszyklus und 91%

produktbezogenen Umsatz im zweiten Reaktionszyklus nach Wiederaufarbeitung des

Katalysators (Abbildung 86). Hierbei muss dennoch beachtet werden, dass bei der

Immobilisierung eine große Menge an Cofaktor zugefügt wurde (0,11 mmol/ pro Gramm

Superabsorber), sodass keine qualitative bzw. quantitative Aussage über mögliche Verluste

(Leaching) des Cofaktors bei der Reaktion im wässrigen Medium möglich ist.

Abbildung 86: Synthese von 1-Phenylethanol (58) mittels immobilisierter Lk-ADH und ohne externen Zusatz von

Cofaktor. Die Cofaktorkonzentration bei der Herstellung des Immobilisats beträgt 0,11 mmol pro Gramm Superabsorber.


Aus prozesstechnischen Gründen wäre es auch von Vorteil gänzlich auf ein wässriges

Lösungsmittel zu verzichten. Damit würde sich die Aufarbeitung der Reaktionsmischung

extrem vereinfachen, da beispielsweise eine Extraktion des Produkts nicht mehr vonnöten

sein würde. Nach diesen Überlegungen wird die Reduktion von Acetophenon (57) in reinem

iso-Propanol durchgeführt. Zusätzlich wird auf den Einsatz von extern zugeführtem Cofaktor

verzichtet. Nach 20 h Reaktionszeit ergibt sich ein produktbezogener Umsatz von 55%

(Abbildung 87). Zu beachten ist dabei, dass die Reaktion wahrscheinlich nicht unter

wasserfreien Bedingungen stattfindet, denn die immobilisierte ADH aus Lactobacillus kefir

besitzt einen Wasseranteil von 34% (m/m).

Abbildung 87: Synthese von 1-Phenylethanol (58) mittels immobilisierter Lk-ADH, ohne externen Zusatz von

Cofaktor und im organischen Reaktionsmedium (iso-Propanol). Die Cofaktorkonzentration bei der Herstellung des Immobilisats beträgt 0,11 mmol pro Gramm Superabsorber.

Bei Anwendung von immobilisierter Rsp-ADH, die einen Wasseranteil von 75% (m/m)

besitzt, werden nach 18 h Reaktionszeit nur 25% produktbezogener Umsatz erzielt

(Abbildung 88).

Abbildung 88: Synthese von 1-Phenylethanol (58) mittels immobilisierter Rsp-ADH, ohne externen Zusatz von

Cofaktor und im organischen Reaktionsmedium (iso-Propanol). Die Cofaktorkonzentration bei der Herstellung des Immobilisats beträgt 0,12 mmol pro Gramm Superabsorber.

Schließlich erfolgt die biokatalytische Reduktion des β-Hydroxyketons (R)-5 mithilfe der

immobilisierten Alkoholdehydrogenasen. Die Verbindung (R)-5, welche aus der

organokatalytischen Aldolreaktion im Festbettreaktor stammt (Kapitel 4.3.3) wird als


Rohprodukt mit einer Reinheit von 95% und einem ee-Wert von 89% ee eingesetzt. Trotz

eines am Ende zusätzlich nötigen Aufarbeitungschritts (Extraktion), wird die Reaktion im

wässrigen Medium (pH=7 Puffer) durchgeführt. Auf die externe Zugabe von Cofaktor vor der

Reaktion wird außerdem verzichtet, da wie bereits erwähnt eine große Menge an Cofaktor

bei der Immobilisierung zugegeben wurde (0,11-0,12 mmol pro Gramm Superabsorber). Bei

Verwendung der immobilisierten Lk-ADH ergeben sich dann gemäß Abbildung 89 nach 24 h

Reaktionszeit hohe Umsätze (92% produktbezogener Umsatz, 92% Gesamtumsatz) und

hohe Enantio-und Diastereoselektivitäten von 1,3-Diol (R,R)-9 von >99% ee und dr = 23/1

(syn/anti). Mithilfe von immobilisierter Rsp-ADH wird ebenfalls ein hoher ee-Wert von

>99% ee und ein hohes Diasteromerenverhältnis von dr = 16/1 (anti/syn) erreicht. Das

Produkt (R,S)-9 wird dabei mit >95% produktbezogenem Umsatz gebildet.

Abbildung 89: Synthese von 1,3-Diol ((R,R)-9) und (R,S)-9 mittels immobilisierter Lk-ADH und Rsp-ADH. Die Cofaktorkonzentration bei der Herstellung der immobilisierten ADH aus Lactobacillus kefir beträgt 0,11 mmol pro

Gramm Superabsorber. Die Cofaktorkonzentration bei der Herstellung der immobilisierten ADH aus Rhodococcus sp. beträgt 0,12 mmol pro Gramm Superabsorber.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die hier eingesetzten Immobilisate erfolgreich als

Biokatalysatoren für enantioselektive Synthesen verwendet werden können. Auf Basis der

oben dargestellten Experimente wurde in aktuellen Arbeiten von GRÖGER et al. und

HEIDLINDEMANN das Rezyklisierungspotential dieser Verbindungen untersucht.[141] Dafür

wurde ein Immobilisat aus Rsp-ADH in analoger Weise hergestellt, welches eine signifikant

niedrigere Aktivität aufweist (29 U/mmol) als das bereits vorgestellte Immobilisat aus


Abbildung 89 (1000 U/mmol). Zudem wurde eine niedrige Cofaktormenge von 4,5 mol%

(0,02 mmol) verwendet. Bei Durchführung der Reaktion aus Abbildung 89 wurde von

GRÖGER et al. und HEIDLINDEMANN ein beträchlicher Verlust der Enzymaktivität nach nur drei

Reaktionszyklen festgestellt (von >95% produktbezogener Umsatz nach dem ersten Zyklus

auf 0% produktbezogener Umsatz nach dem dritten Zyklus).[141] Dies ist auf Enzym- bzw.

Cofaktorleaching zurückzuführen, welches im wässrigen Medium stattfindet.[141] Ein

naheliegendes Ziel wird es sein diesen Prozess weiterzuentwickeln, um diese

immobilisierten Enzyme in effizienter Weise in Durchflussreaktoren einzusetzen. Eine

dementsprechende Ausrichtung der zukünftigen Forschungsbemühungen ist daher

vorstellbar.

5. CHEMOENZYMATISCHE MEHRSTUFENSYNTHESEN | 91

5 Chemoenzymatische

Mehrstufensynthesen

Für die Prozessentwicklung chemischer Verfahren ist meistens eine vordefinierte, akkurate

Synthesestrategie zur Darstellung der gewünschten chemischen bzw. pharmazeutisch-

relevanten Verbindungen erforderlich. Wie in Kapitel 3 und Kapitel 4 gezeigt, gibt es

Möglichkeiten diese Verfahren auf ihre Nachhaltigkeit zu überprüfen und sie gegebenenfalls

zu optimieren. Für die Darstellung komplexer Moleküle ist es demnach durchaus sinnvoll die

einzelnen Schritte der Synthese zunächst in effizienter Art und Weise durchzuführen, um

dann modular die gewünschte Verbindung aufzubauen. Die Produkte, die aus den einzelnen

Reaktionsschritten resultieren, werden dabei in aller Regel einer gründlichen Reinigung und

einer anschließenden Charakterisierung unterzogen. Diese Vorgehensweise birgt aber auch

Nachteile in sich, welche die Gesamteffizienz- bzw. Gesamteffektivitätsbilanz des

untersuchten Prozesses beeinträchtigen. So muss bei jedem Syntheseschritt auch eine

spezifische Aufarbeitungsmethode entworfen und durchgeführt werden.[142] Ein sehr

vielversprechender Ansatz zur Lösung dieser Problematik besteht in der Kombination der

sequenziell ausgeführten Reaktionen in einem einzelnen Reaktor bei gleichzeitigem Verzicht

der Aufarbeitung von intermediär gebildeten Verbindungen. In der Theorie erfolgt die

Aufarbeitung dann nur ganz am Ende der Reaktionssequenz.[143,144] Neben einer Zeit-

und Aufwandersparnis bringt dann eine, nach diesen Prinzipien aufgestellte Eintopf- oder

Dominoreaktion zusätzliche Vorteile, wie beispielsweise eine Kostenreduzierung durch

Verzicht von zusätzlichen Mengen an verwendetem Lösungsmittel.[143,144] Ein geringerer

92 | 5. CHEMOENZYMATISCHE MEHRSTUFENSYNTHESEN

Verbrauch an Solventien führt zudem zu einer verbesserten Abfallbilanz. Des Weiteren kann

man in Spezialfällen den Ausgang der Synthese selektiv steuern, indem die Bildung von

thermodynamisch ungünstigen Intermediaten durch einen in situ-nachgeschalteten

Folgeschritt ergänzt wird. Dieser verschiebt das Gleichgewicht der Reaktion in Richtung der

gewünschten Produkte. Dank dieser Aspekte hat die Anwendung von kombinierten

Mehrstufeneintopf- oder Dominoreaktionen einen positiven Einfluss auf die Nachhaltigkeit

und Effizienz einer mehrstufigen Synthese. Die Planung einer solchen kombinierten

Mehrstufensynthese bedarf jedoch meist einer besonderen Sorgfalt und einer exakten

Kenntnis der Reaktionsbedingungen der einzelnen Reaktionsschritte. Infolgedessen muss

die Kompatibilität der zu kombinierenden Syntheseschritte unbedingt gewährleistet

werden.[145] Eine naheliegende Anwendung einer kombinierten Mehrstufensynthese in

einem einzelnen Reaktor ergibt sich nach Berücksichtigung des in Kapitel 3 und Kapitel 4

vorgestellten Darstellungsprozesses von β-Hydroxyketonen mittels Organokatalyse und

deren selektiven Reduktion zu den zugehörigen 1,3-Diolen mithilfe von biokatalytischen

Verfahren. Hierbei laufen beide Reaktionen im wässrigen Medium ab, sodass deren

Kombination in einer Eintopf- bzw. Dominoreaktion zur Darstellung von chiralen Alkoholen

realisierbar erscheint. Damit eröffnet sich die Möglichkeit einer effizienten Prozessführung,

die im besten Fall, neben einer hervorragenden Selektivität, auch eine starke

Ressourceneinsparung verspricht.


In den letzten Jahren hat das Interesse an neuartigen Entwicklungen im Bereich der

mehrstufigen Eintopfsynthesen, die als Dominoreaktionen ablaufen, beträchtlich

zugenommen.[23,145] Nach der weit verbreiteten Definition von TIETZE beinhalten diese

Dominoreaktionen „zwei oder mehr nacheinander ablaufende Transformationen, in denen

unter Bindungsknüpfung oder Fragmentierung die jeweils nachfolgende Reaktion an den im

vorhergehenden Schritt gebildeten Funktionalitäten erfolgt“.[146] Alternativ können

Dominoreaktionen auch als Tandem- oder Kaskadenreaktion bezeichnet werden.[146]

Hierbei ist zu beachten, dass eine allgemeingültige Klassifizierung dieser Mehrstufen- und

Mehrkomponentenreaktionen trotz vieler Bemühungen, z.B. von DENMARK et al. (die eine

Spezifizierung der TIETZE’schen Definition vorschlugen) oder von JØRGENSEN et al. (die eine

allgemeine Klassifizierung und Nomenklatur von Eintopfreaktionen forderten) noch nicht

erreicht wurde.[22,145,147] Bekanntlich ist eine hochselektive bzw. effiziente Durchführung

dieser Mehrstufenreaktionen in der Natur durchaus üblich.[148] Als Paradebeispiel dafür

kann die extrem komplexe Biosynthese von Steroiden mittels Cyclisierung von Squalen-

Epoxid dienen, welche bereits im Jahre 1966, von COREY et al. untersucht worden ist.


Bemerkenswerterweise werden dabei vier C-C-Bindungen und sogar sechs stereogene

Zentren gebildet.[148,149] Die hohe Effizienz von natürlich-durchgeführten chemischen

Mehrstufentransformationen dient als Vorbild für viele Reaktionen dieser Art, die in der

synthetischen organischen Chemie entwickelt werden.[146,148,150]

Im Bereich der Organokatalyse bedient man sich der flexiblen Funktionalitäten der

eingesetzten Katalysatoren, um kombinierte Mehrstufenreaktionen zu realisieren.[22,23]

Bereits in Abbildung 20, Kapitel 3.1.2 wurde eine beeindruckende Multikomponentenreaktion

von ENDERS et al. vorgestellt, die eine Iminium-Enamin-Aktivierung der Substrate mittels

eines einzigen Diphenylprolinolsilylether-Katalysators (22) vorzuweisen hat.[63] Mit

demselben Katalysator führten JØRGENSEN et al. eine hochselektive Dreikomponenten-

Dominoreaktion durch, bei der drei C-C-Bindungen und drei Stereozentren entstanden.[151]

In Analogie dazu besitzen viele andere Domino-Multikomponentenreaktionen in der

Organokatalyse ähnliche Reaktionsabläufe, die meist eine Kombination von Michael- und

Aldolreaktionen darstellen.[22] Die seltene Kombination von reiner Enamin-Enamin-

Aktivierung mittels (S)-Prolin (11) ist von BARBAS et al. zur Synthese des pharmazeutisch-

interessanten Aminoalkohols 95 verwendet worden (Abbildung 90).[152]

Abbildung 90: Eintopfreaktion zur Synthese von funktionalisierten β-Aminoalkoholen mittels (S)-Prolin (11).[152]


Verknüpft man diese organokatalytischen Systeme mit übergangsmetallkatalysierten

Methoden, so können in effizienter Weise eine Fülle von optisch aktiven Verbindungen

hergestellt werden.[153] Mithilfe von klassisch-chemischen und organokatalytischen

Methoden wurde im Jahr 2009 von HAYASHI et al. beispielsweise eine hochselektive

Totalsynthese für das Medikament (-)-Oseltamivirphosphat (Grippemittel gegen die

Viruserkrankung H5N1, „Vogelgrippe“) präsentiert, bei der neun Einzelreaktionen in drei

Eintopfreaktionen zusammengefasst sind.[154] Auch in der Biokatalyse werden zunehmend

kombinierte mehrstufige Verfahren entworfen, die vermehrt für die Synthese chiraler

Verbindungen genutzt werden.[155] Aufbauend auf Forschungsergebnissen von WONG et

al., die die asymmetrische Dominoreaktion mit drei Äquivalenten zweier verschiedener

Aldehyde (ein Äquivalent 96 und zwei Äquivalente 97) zur Synthese von 1,3-Diol 99 bzw.

von Lactol 100 mittels DERA (Escherichia coli D-2-Desoxyribose-5-phosphat-Aldolase)

untersuchten, wird mittlerweile die gleiche Syntheseroute zur industriellen Darstellung des

Wirkstoffs Atorvastatin (101, cholesterinsenkendes Mittel) angewendet (Abbildung 91).

[155-158]

Abbildung 91: Darstellung von Verbindung 99 mittels DERA in einer kombinierten Sequenz von Aldolreaktionen. Lactol 100 ist ein Building Block für die Synthese von Atorvastatin 101.[157,158]

Daneben ist es denkbar, mehrere enzymatische Systeme miteinander zu koppeln, um

verschiedenartige Reaktionen zu katalysieren.[155,159] So entwarfen beispielsweise

SHELDON et al. ein Verfahren, mit dem man Antibiotika wie Cephalosporine ausgehend von

(R)-Phenylglycinnitril mithilfe einer Kombination aus zwei Biotransformationen (Hydrierung,

Amidierung) in effizienter Weise synthetisieren kann.[160] Aktuelle Arbeiten von GRÖGER et


al. verdeutlichen die potentielle Kompatibilität biokatalytischer Reaktionen mit klassisch-

chemischen bzw. chemo-katalytischen Verfahren (wie z.B Suzuki-Reaktionen, Wittig-

Synthesen, Olefin-Metathesen, Aza-Michael-Additionen, Wacker-Tsuji-Oxidationen) in

sequenziellen mehrstufigen Eintopfreaktionen.[161] Überraschenderweise sind bislang nur

wenige Beispiele bekannt, bei denen organokatalytische mit biokatalytischen Systemen in

Eintopfsynthesen verknüpft sind.[162] Abbildung 92 zeigt, wie eine sequenzielle Synthese

von 1,3-Diolen mittels organokatalytischer Aldolreaktion und enzymatischer Reduktion mit

ADH nach GRÖGER et al. zu einer sehr definierten Produktverteilung (selektive Bildung eines

von vier möglichen Stereoisomeren) führen kann (Abbildung 92).[25]

Abbildung 92: Sequenzielle chemoenzymatische Synthese von 1,3-Diolen.[25]


Nach einer darauffolgenden Prozessentwicklung kann dabei sogar auf die Isolierung der im

ersten Schritt entstandenen β-Hydroxyketone 61 verzichtet werden.[25] Darüber hinaus ist

es möglich, diese Reaktionssequenzen auch als Eintopfsynthese im wässrigen Medium

durchzuführen.[28] Nach Berücksichtigung der in Kapitel 3.3.3 vorgestellten Ergebnissen

gelang BAER die Darstellung von chiralen 1,3-Diolen vom Typ 62 mit einer hervorragenden

Diasteroselektivität von dr > 25/1 (anti/syn) und ee-Werten von >99% ee (Abbildung 93).[27]

Um dies zu ermöglichen, wurde die Organokatalysatorbeladung des Prolinamid-Katalysators

(S,S)-6 auf bis zu 1 mol% reduziert.

Abbildung 93: Eintopfreaktion zur Synthese von 1,3-Diol (R,S)-62.[27]

Abschließend muss angemerkt werden, dass die Verwendung von gekoppelten chemischen,

enzymatischen, oder chemoenzymatischen Mehrstufenreaktionen in Durchflussreaktoren

(siehe Kapitel 4.1.2) eine zunehmende Bedeutung in aktuellen und zukünftigen

Forschungsbemühungen zugeschrieben wird.[163]

5.2 Ziel der Arbeit

Im Folgenden wird eine Prozessentwicklung zur effizienten und selektiven Synthese von

1,3-Diolen vom Typ (R,S)-9 bzw. (R,R)-9 durchgeführt (Abbildung 94). Ausgehend von

3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton wird versucht eine mehrstufige Synthese dieser chiralen

Alkohole mittels Kombination von organokatalytischen und enzymatischen Methoden zu

entwickeln. Gemäß Kapitel 3 und Kapitel 4 können Prolinamid-Derivate wie (S,S)-6, (S,S)-7


oder 79 bzw. 80 erfolgreich enantioselektive Aldolreaktionen katalysieren. Nach

entsprechender Reaktionszeit werden dann Alkoholdehydrogenasen dazugegeben, die das

entstehende, nicht isolierte β-Hydroxyketon (R)-5 selektiv zu reduzieren vermögen

(vergleiche Kapitel 4). Diese hier, in diesem Rahmen so definierte Eintopfsynthese findet

dabei im wässrigen Medium statt.

Abbildung 94: Konzept zur Eintopfreaktion zur Darstellung von 1,3 Diolen.

Abbildung 95 zeigt ein Beispiel für eine solche Umsetzung, die in vorherigen Arbeiten bereits

verwirklicht worden ist.[28] Hierbei erreichte man für das Diol (R,R)-9 ee-Werte von >99% ee

und Diastereomerenverhältnisse von dr = 20/1 (syn/anti). Mäßige produktbezogene Umsätze

von 59% und die Notwendigkeit eines Zwischenschritts zur Entfernung von überschüssigem

Aceton wirken sich nachteilig auf die Prozessführung aus. Deshalb wird versucht, nach


Berücksichtigung der in Kapitel 3.3.3 vorgestellten Resultate auf eine Entfernung von Aceton

zu verzichten und gleichzeitig eine Verbesserung von Selektivität und Umsatz zu erzielen.

Abbildung 95: Eintopfreaktion zur Synthese von Diol (R,R)-9.[28]

Schließlich soll das Konzept einer Dominoreaktion etabliert werden, bei der alle Reagenzien

von Anfang an in der Reaktionsmischung enthalten sind (Abbildung 96). Damit erhofft man

sich, dass das im ersten Schritt gebildete Aldolprodukt schnell und in irreversibler Weise

direkt zum zugehörigen diastereomerenreinen Diol umgewandelt wird. Dieses neuartige

Verfahren wird ebenfalls einer Prozessentwicklung unterzogen; die Veränderung von

wichtigen Reaktionsparametern wie Substratkonzentration, Acetonmenge, Enzymmenge

usw. hilft dabei, die Reaktion hinsichtlich einer hohen Effizienz zu optimieren.

Abbildung 96: Konzept zur Dominoreaktion zur Darstellung von 1,3-Diol (R,S)-9.




1,3-Diolen: Analytik

Die Charakterisierung der herzustellenden 1,3-Diolen (R,S)-9 und (R,R)-9 findet mithilfe von

analytischen Daten zweier Referenzverbindungen statt (Abbildung 97). Die Synthese dieser

Referenzsubstanzen ist bereits in vorherigen Arbeiten behandelt worden.[28]

Abbildung 97: Chirale 1,3-Diole als Produkte der in diesem Kapitel behandelten mehrstufigen,

chemoenzymatischen Synthesen.

In vorherigen Arbeiten wurde postuliert, dass bei Durchführung der Eintopf- bzw.

Dominoreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4, oder ähnlicher aromatischer Aldehyde, siehe

Ref. [24]) und Aceton mittels Kombination von Prolinamid-katalysierter Aldolreaktion und

enzymatischer Reduktion mit ADH neben dem chiralen Alkohol 9 auch Nebenprodukte (103

und 104) entstehen, die nicht aus der Aldolreaktion stammen (Abbildung 98).[28] Diese

können allgemein durch 1H-NMR-Spektroskopie identifiziert werden.

Abbildung 98: Ausgewählte, detektierbare Nebenprodukte der Eintopf- bzw. Dominoreaktion.


Zur eindeutigen Verifizierung ihrer Existenz werden Alternativwege zur Synthese der

Verbindungen 103 und 104 untersucht. Diese ergeben eine eindeutige Übereinstimmung mit

den Signalen, die in der Rohprodukt-Analyse der 1H-NMR-Spektren der Eintopf- bzw.

Dominoreaktionen detektiert werden.

Die Referenzverbindung zum Nebenprodukt (3-Chlorphenyl)methanol (103), welches

vermutlich aus der unerwünschten Reduktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) durch

Alkoholdehydrogenasen entsteht, wird zunächst auf klassischem chemischen Weg mittels

Reduktion mit Natriumborhydrid nach der Methode von SETAMDIDEH und ZEYNIZADEH

hergestellt (Abbildung 99).[140]

Abbildung 99: Synthese der Referenzverbindung 103.

Auch die Referenz zu Nebenprodukt 104, welches vermutlich aus der biokatalytischen

Reduktion von Enon 47 (Nebenprodukt aus der organokatalytischen Aldolreaktion,

Kapitel 3.3.2) entsteht, wird mit demselben Verfahren synthetisiert. Darüber hinaus kann die

Darstellung von 104 (als Rohprodukt isoliert) ebenfalls mittels Rsp-ADH aus 47 erfolgen

(Abbildung 100).

Abbildung 100: Synthese der Referenzverbindung 104.


5.3.2 Chemoenzymatische Eintopfreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diolen

Mithilfe der in Kapitel 3.3.3 und in Kapitel 4.3.2 vorgenommenen Optimierungen betreffend

der Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton mittels Organokatalysatoren wie

(S,S)-6 und (S,S)-7 wird eine effiziente Eintopfreaktion zur Synthese von 1,3-Diolen vom Typ

(R,S)-9 bzw. (R,R)-9 entworfen (Tabelle 6). Die dabei verwendeten Enzyme (Lk-ADH bzw.

Rsp-ADH) und Cofaktoren (NADP+ bzw. NAD+) werden nach 24 h samt Lösungsmittel (pH=7

Puffer) in das Reaktorgefäß hineingegeben, in dem sich bereits das in situ-generierte

β-Hydroxyketon befindet. Für die in situ-Cofaktorregenerierung wird iso-Propanol verwendet.

Tabelle 6: Eintopfreaktion mit Organokatalysatoren (S,S)-6 bzw. (S,S)-7 mit Rsp-ADH bzw. Lk-ADH.

Eintrag Organo- katalysator

Bio- katalysator

Produkt Produkt-

bezogener Umsatz [%]

Ausbeute [%]

ee [%]

1 (S,S)-6 Rsp-ADH

(10 U/mmol) (R,S)-9 89 80 99

2 (S,S)-7 Rsp-ADH

(42 U/mmol) (R,S)-9 90 59 >99

3 (S,S)-6 Lk-ADH

(480 U/mmol) (R,R)-9 72 64 99

4 (S,S)-7 Lk-ADH

(4800 U/mmol) (R,R)-9 86 75 >99


Beim Betrachten der in Tabelle 6 dargestellten Ergebnisse fällt die hohe Prozesseffizienz

auf. So können beispielsweise hohe Gesamtumsätze von >95%, produktbezogene

Umsätzen von bis zu 90% (Eintrag 2) und ee-Werten von bis zu >99% ee (Eintrag 2 und

Eintrag 3) erzielt werden. Die Verbesserung der Diastereoselektivität von dr > 25/1 (vgl.

Kapitel 5.2) ist vermutlich auf die Reduzierung der Organokatalysatormenge von 1,09 mol%

auf 0,5 mol% zurückzuführen (Kapitel 3.3.3). Eine Verminderung der Stoffmenge von

3-Chlorbenzaldehyd (4) auf 0,5 mmol, statt 1,5 mmol (vgl. Kapitel 5.2), bei einem

Lösungsmittel-Endvolumen von 10 ml (entsprechend Endkonzentrationen von 50 mM bzw.

150 M verhindert zudem wahrscheinlich die Inhibierung der enzymatischen Reduktion,

verursacht durch den hohen Anteil an Aceton (9 Äquivalente) in der Reaktionsmischung.

Schließlich ist die Notwendigkeit eines Zwischenschritts zur Entfernung von überschüssigem

Aceton nicht mehr gegeben, da der Überschuss an iso-Propanol (ca. 7/1

iso-Propanol/Aceton (v/v)) ausreicht, um das Gleichgewicht der enzymatischen Reduktion

auf die Seite der Produkte zu verschieben. Ein ähnlicher Reaktionsausgang wird erzielt,

wenn 10,0 mol% des immobilisierten Prolinamid-Katalysators 80 (aus Kapitel 4.3.2) für die

im ersten Schritt ablaufende organokatalytische Aldolreaktion herangenommen werden

(Abbildung 101).

Abbildung 101: Eintopfreaktion mit dem immobilisierten Organokatalysator 80 und mit Rsp-ADH bzw. Lk-ADH.


Die hierbei erzielten Gesamtumsätze betragen ebenfalls >95%, bei einem etwas niedrigerem

Produktanteil von 78% für (R,S)-9 und 69% für (R,R)-9. Daneben werden ebenfalls

hervorragende Dia-und Enantioselektivitäten von bis zu dr = 25/1 und >99% ee erreicht.

Schlussfolgernd kann festgestellt werden, dass die in diesem Teilkapitel beschriebene

Methode zur Synthese von chiralen 1,3-Diolen vom Typ 9 mittels Kombination von

Organokatalyse und Biokatalyse in einer neuartig konzipierten Eintopfreaktionen erfreuliche

Resultate bezüglich Prozesseffizienz und Selektivität aufweist. Durch Verzicht auf die

Isolierung des β-Hydroxyketons als Intermediat der Synthese sind zusätzliche

Ressourceneinsparungen (z.B. Lösungsmittel für die Aufarbeitung) sowie Zeit- und

Kostenersparnisse möglich.

5.3.3 Chemoenzymatische Dominoreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diolen

Nachdem im vorherigen Kapitel die sequenzielle Eintopfsynthese erfolgreich etabliert worden

ist, wird im Folgenden ein Entwurf für eine Dominoreaktion erstellt, bei der alle Reagenzien

von Anfang an in den Reaktor gegeben werden. Dabei werden die meisten

Reaktionsbedingungen übernommen, die in Kapitel 5.3.2 für den Erfolg der Eintopfreaktion

nötig waren. So wird eine 50 mM 3-Chlorbenzaldehyd-Lösung (4) in Aceton und pH=7

Puffer/iso-Propanol hergestellt und mit 0,5 mol% Prolinamid-Katalysator (S,S)-6 und

(S)-selektive ADH (Rsp-ADH, 62 U/mmol) versetzt (Abbildung 102). Trotz des hohen

Gesamtumsatzes von >95% wird hierbei überraschenderweise nur wenig Produkt (R,S)-9

gebildet (7% produktbezogener Umsatz).

Abbildung 102: Dominoreaktion zur Synthese von (R,S)-9.

Aus der 1H-NMR-Analyse des Rohprodukts wird deutlich, dass hauptsächlich der

Benzylalkohol 103 gebildet wird, also das Reduktionsprodukt von 3-Chlorbenzaldehyd (4).

Diese Tatsache lässt die Schlussfolgerung zu, dass die enzymatische Reduktion unter

diesen Reaktionsbedingungen viel schneller ablaufen muss als die organokatalytische


Aldolreaktion. Tatsächlich wurde bereits in Kapitel 3.3.4 der negative Einfluss eines höheren

Anteils an wässrigem Solvens (beispielsweise gesättigte Natriumchlorid-Lösung, Abbildung

51) für den Umsatz der Aldolreaktion konstatiert. Auch mit Phosphatpuffer oder destilliertem

Wasser ist eine ähnliche Tendenz bei einer Substratkonzentration von 50 mM zu erkennen

(Tabelle 7).

Tabelle 7: Negativer Einfluss der Verdünnung bei Variation der Lösungsmittelart.

Eintrag Lösungsmittel Reaktionszeit

t [h] Gesamt-

umsatz [%]


1 pH=7 Puffer (Phosphatpuffer) 24 22 15

2 pH=7 Puffer (Phosphatpuffer) 48 64 42

3 destilliertes Wasser 24 7 <5

In den Eintopfsynthesen aus Kapitel 5.3.2 ist der Einfluss der Solvensmenge eher sekundär,

da die Verdünnung mit Pufferlösung erst nach 24 h erfolgt, also nachdem eine beträchtliche

Menge an β-Hydroxyketon (R)-5 gebildet worden ist. In der Dominoreaktion hingegen wird

insgesamt nur wenig Aldolprodukt (R)-5 gebildet, sodass das Enzym mit höherer

Wahrscheinlichkeit auf 3-Chlorbenzaldehyd (4) als Substrat für die Reduktion zurückgreift.

Des Weiteren wird noch überprüft, ob noch weitere Faktoren den Umsatz der

organokatalytischen Aldolreaktion beeinträchtigen. Die Analyse dieser Störfaktoren erfolgt,

indem man zur Aldolreaktion jeweils einzelne Komponenten (Zusätze) hinzufügt, die für die

Durchführung der enzymatischen Reduktion benötigt werden (Abbildung 103). Dabei wählt

man eine vorteilhafte Substratkonzentration von 0,5 M, welche sowohl in Wasser als auch in

Puffer hohe Umsätze garantiert.


Abbildung 103: Einfluss von Additiven in der organokatalytischen Aldolreaktion.

Bemerkenswerterweise ist zu konstatieren, dass keiner der für die enzymatische Reduktion

benötigten Komponenten einen besonderen Einfluss (unter den in Abbildung 103

angegebenen Reaktionsparametern) auf die Aldolreaktion bei einer Substratkonzentration

von 0,5 M an 3-Chlorbenzaldehyd (4) ausübt. Einzig die Verwendung von iso-Propanol in

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

- i-PrOH 28% (v/v)

LK-ADH 28% (v/v)

Rsp-ADH 28% (v/v)

NADP+ 0.04 mmol

[%]

Gesamtumsatz


Zusatz

pH=7 Puffer (Phosphatpuffer)

Lk-ADH i-PrOH NADP+

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

- i-PrOH 28% (v/v)

LK-ADH 28% (v/v)

Rsp-ADH 28% (v/v)

NADP+ 0.04 mmol

[%]

Gesamtumsatz


destilliertes Wasser

Zusatz Lk-ADH Lk-ADH i-PrOH NADP+


destilliertem Wasser ist von Nachteil. Wendet man die Dominoreaktion mit der veränderten

Substratkonzentration von 0,5 M und eine Acetonmenge von 9 Äquivalenten an, so erreicht

man nach 24 h tatsächlich höhere produktbezogene Umsätze an Diol (R,S)-9 von 50%, bei

>95% Gesamtumsatz (Abbildung 104). Trotz des erwarteten niedrigen Anteils von

Benzylalkohol 103 von 6% ist noch relativ viel Aldolprodukt in der Reaktionsmischung

vorhanden. Dies könnte auf eine Inhibierung der enzymatischen Reduktion durch Aceton

hindeuten oder, wahrscheinlicher, auf eine ungünstige Gleichgewichtslage der

Biotransformation, die durch den niedrigen Anteil an iso-Propanol (ca. 1/1

iso-Propanol/Aceton (v/v)) in der Lösung verursacht wird. Die Verlängerung der

Reaktionszeit auf 48 h bewirkt daher auch nur eine minimale Verbesserung

(59% produktbezogener Umsatz). Die Erhöhung des iso-Propanol/Aceton Verhältnis auf ca.

7/1 bei einem Anteil an iso-Propanol in der Lösung von 77% (v/v) und einer Reaktionszeit

von 24 h führt nur zu 13% produktbezogenem Umsatz und 69% Gesamtumsatz. Wird die

Acetonmenge hingegen auf 5 Äquivalente vermindert, beobachtet man erwartungsgemäß

einen fast vollständigen Verbrauch von β-Hydroxyketon (R)-5 zugunsten eines höheren

produktbezogenen Umsatz von 60% und eines erhöhten Anteils von Benzylalkohol 103 von

21% (Abbildung 104).

Abbildung 104: Einfluss der Acetonmenge in der Dominoreaktion. Zu beachten ist dabei, dass durch die Variation der Acetonmenge, auch eine leicht veränderte 3-Chlorbenzaldehyd-Konzentration (4) vorliegt.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0

[%]

Acetonmenge [Äq.]

Gesamtumsatz


Aldolprodukt

Benzylalkohol


Schließlich wird der Einfluss der Enzymaktivität untersucht. Mit einer Verminderung der

verwendeten Enzymmenge ist eine langsamere bzw. erschwerte Nebenproduktbildung von

Benzylalkohol 103 denkbar. Tatsächlich findet man eine fast lineare Abhängigkeit zwischen

dem Anteil an 103 im Rohprodukt und der Enzymaktivität (Abbildung 105). Es wird jedoch

ersichtlich, dass mit der am Anfang willkürlich gewählten Aktivität von 62 U/mmol der

maximal mögliche produktbezogene Umsatz erzielt wird. Die Verringerung der Aktivität führt

nur zu einer größeren β-Hydroxyketon-Konzentration, welche durch eine zu langsame

enzymatische Umsetzung des gebildeten Intermediats (R)-5 hervorgerufen wird.

Abbildung 105: Einfluss der Enzymaktivität in der Dominoreaktion. Zu beachten ist dabei, dass durch die Variation der Enzymmenge, auch eine leicht veränderte Konzentration an 3-Chlorbenzaldehyd (4) vorliegt.

Weitere Optimierungsmaßnahmen zur Etablierung einer effizienten Dominoreaktion zur

Synthese chiraler 1,3-Diole könnten in Zukunft beispielsweise durch Änderung des Cofaktor-

Regenerierungssystems erfolgen. Auch der Einsatz von Alkoholdehydrogenasen, die kein

Aceton als Substrat akzeptieren, könnte dazu beitragen das ungünstige

Gleichgewichtsverhältnis in Richtung der Produkte zu verschieben. In diesem Fall wäre die

Verwendung eines alternativen Cofaktorregenerierungssystems ebenfalls notwendig.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

[%]

Enzymaktivität [U/mmol]

Gesamtumsatz


Aldolprodukt

Benzylalkohol

108 | 6. ZUSAMMENFASSUNG

6 Zusammenfassung

Ziel der Arbeit war es nachhaltige Synthesen von chiralen Alkoholen wie β-Hydroxyketonen

und 1,3-Diolen zu etablieren. Die dafür entwickelten Syntheserouten wurden hinsichtlich ihrer

Selektivität und Effizienz optimiert. Besonders die organokatalytische Aldolreaktion mit

Prolinamid-Katalysatoren stand im Fokus der Untersuchungen. Mithilfe von

reaktionsmechanistischen Analysen wurde versucht die Gründe für Reaktivität und

Selektivität anzugeben. Die Immobilisierung dieser Organokatalysator-Typen ermöglichte

den Zugang zu alternativen Prozessführungen, beispielsweise für Synthesen in

Durchflussreaktoren. Ausgehend von den erzielten Ergebnissen im Bereich der

organokatalytischen Aldolreaktionen wurden effiziente Verfahren zur Synthese von

1,3-Diolen durch Kombination mit biokatalytischen Methoden entwickelt. Diese Synthesen

wurden als Eintopfreaktion und als Dominoreaktion im wässrigen Medium durchgeführt.

6.1 Organokatalytische Aldolreaktionen

Nach erfolgreicher Synthese von Prolinamid-Katalysatoren wurden diese für

organokatalytische Aldolreaktionen von aromatischen Aldehyden und wasserlöslichen

Ketonen im wässrigen Medium benutzt. Bei der Untersuchung der Reaktion von Katalysator

(R,R)-6 mit 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton in gesättigter, wässriger Natriumchlorid-

Lösung wurde eine große Abhängigkeit der Enantioselektivität von der eingesetzten

Katalysatormenge festgestellt, nämlich die einer deutlichen Abnahme der ee-Werte mit

zunehmender Katalysatorbeladung. Diese Abnahme der Enantioselektivität ist zudem

zeitabhängig (Abbildung 106). Während mit 0,5 mol% Organokatalysator (R,R)-6 innerhalb

6. ZUSAMMENFASSUNG | 109

einer Zeitspanne von 48 h konstant hohe Enantioselektivitäten von 94% ee (nach 0,03 h) bis

93% ee (nach 48 h) bei stetig steigenden produktbezogenen Umsätzen von 6% (nach 0,03h)

bis 92% (nach 48 h) erreicht werden, wird bei Verwendung von 5,0 mol% Katalysator (R,R)-6

zwar die Reaktion beschleunigt (z.B. bereits 58% produktbezogener Umsatz nach 0,03 h),

jedoch auch gleichzeitig eine Racemisierungsreaktion eingeleitet. Der Übergang von

kinetischer zu thermodynamischer Kontrolle bei erhöhter Katalysatormenge ist vermutlich der

Grund für die abnehmende Enantioselektivität bei zunehmender Reaktionszeit.

Abbildung 106: Abhängigkeit zwischen Enantioselektivität der Aldolreaktion und Reaktionszeit.

Für eine effiziente Synthese von substituierten β-Hydroxyketonen lohnt es sich daher, die

Katalysatormenge auf bis zu 0,5 mol% zu reduzieren, um die Reaktion kinetisch kontrolliert

ablaufen zu lassen. Darüber hinaus konnte dieses auf den ersten Blick überraschende

Phänomen auch bei strukturell ähnlichen Prolinamid-Katalysatoren beobachtet werden. So

weist beispielsweise die Reaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton mit 0,5 mol%

Organokatalysator (S,S)-7 eine ähnliche Kinetik wie die zugehörige Reaktion mit Katalysator

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0 10 20 30 40 50 60

ee [%]

t [h]

0,5

5,0



(R,R)-6 auf (Abbildung 107). Hierbei werden nach 24 h hohe ee-Werte von 96% ee und

produktbezogene Umsätze von 91% erzielt. Dieselbe Reaktion mit 5,0 mol%

Organokatalysator (S,S)-7 führt nach dieser Reaktionszeit zu einem deutlichen Verlust der

Enantioselektivität (35% ee) und des Umsatzes (73% Produktbezogener Umsatz).


Anschließend wurde die Temperaturabhängigkeit der Enantioselektivität der Aldolreaktion

bei Zugabe von unterschiedichen Katalysatormengen untersucht (Abbildung 108). Niedrige

Temperaturen von beispielsweise -20°C begünstigen dabei die Selektivität (99% ee für

0,5 mol% Katalysator (S,S)-6, 89% ee für 5,0 mol% Katalysator (S,S)-6) bei einer

Reaktionszeit von 17,5 h, wobei die erzielten produktbezogenen Umsätze mäßig sind (13%

für 0,5 mol% Katalysator (S,S)-6, 65% für 5,0 mol% Katalysator (S,S)-6). Einen wichtigen

Einfluss auf den Erfolg der Umsetzung besitzt auch die Menge des zugesetzten wässrigen

Solvens. Bei hoher Verdünnung (1000 Äquivalente an gesättigter Natriumchlorid-Lösung)

werden nur 56% produktbezogener Umsatz erzielt. Verwendet man hingegen einen Anteil

von 20, 36 oder 100 Äquivalenten, so verzeichnet man hohe produktbezogene Umsätze von

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0 10 20 30 40 50 60

[%]

t [h]

Gesamtumsatz


ee


80-91% bei einer Enantioselektivität von 94% ee. Um Hinweise auf den Reaktionsablauf zu

erhalten, wurde die Umsetzung von β-Hydroxyketon mit Aceton bzw. Aceton-d6

chromatographisch und spektroskopisch untersucht. Mithilfe dieser Experimente erfolgt der

Nachweis einer stark ausgeprägten Retro-Aldolreaktion. Dabei wurde eine Katalysatormenge

von 5,2 mol% verwendet.

Abbildung 108: Temperaturabhängigkeit der Enantioselektivität.


Biokatalysatoren

Nach der erfolgreichen Synthese von Polymer-gebundenen Prolinamid-Derivaten wurden

diese für die Aldolreaktion von 3-Chlorbenzaldehyd (4) und Aceton im wässrigen Medium

eingesetzt. Diese Organokatalysatoren (z.B. 80) sind unlöslich in organischen

Lösunungsmitteln und weisen niedrigere Umsatzraten als die dazugehörigen nicht-

immobilisierten Organokatalysatoren auf. Das in Kapitel 6.1 beschriebene Phänomen der

0

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-30 -20 -10 0 10 20 30

ee [%]

T [°C]

0.5

5.0



Racemisierung, verursacht durch thermodynamische Kontrolle, ist für Polymer-gebundene

Organokatalysatoren weniger ausgeprägt. So wurden auch mit 10,0 mol% Organokatalysator

80 und einer Reaktionszeit von 24 h ee-Werte von 93% ee registriert, bei einem

produktbezogenen Umsatz von 84%. Im weiteren Verlauf wurde das

Rezyklisierungspotential dieser Katalysatoren getestet. Dazu wurde ein halbkontinuierlicher

Durchflüssreaktor (Kreislaufreaktor) entworfen, in dem der Polymer-gebundene

Organokatalysator 80 immobilisiert vorliegt. Dieser konnte für mindestens fünf nacheinander

folgende Reaktionszyklen verwendet werden (Abbildung 109). Konstant hohe ee-Werte von

88-92% ee und sehr hohe Umsätze (mindestens 93% produktbezogener Umsatz) wurden

hierbei erzielt.

Abbildung 109: Aldolreaktion mit rezyklisiertem Organokatalysator 80 im halbkontinuierlichen Reaktor.

95 95 95 95 95 94 93 93 93 95 92 92 92 88 88

0

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1 2 3 4 5

[%]

Gesamtumsatz


ee

Reaktions- zyklus


Schließlich wurden Biokatalysatoren immobilisiert, die für die stereoselektive Reduktion der

gebildeten β-Hydroxyketonen vom Typ (R)-5 verwendet werden. Die Enzyme Lk-ADH

(Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus kefir) und Rsp-ADH (Alkoholdehydrogenase aus

Rhodococcus sp.) wurden dabei an einen Superabsorber fixiert und erfolgreich mit

verschiedenen Substraten angewendet. Für die Reduktion von (R)-5 ergeben sich hohe

produktbezogene Umsätze (90% produktbezogener Umsatz für die immobilisierte Lk-ADH

und >95% produktbezogener Umsatz für die immobilisierte Rsp-ADH) sowie exzellente

Enantioselektivitäten von >99% ee und hohe Diastereoselektivitäten (dr = 23/1 (syn/anti) für

die immobilisierte Lk-ADH und dr = 16/1 (anti/syn) für die immobilisierte Rsp-ADH).

6.3 Chemoenzymatische Mehrstufensynthesen

Ausgehend von einer optimierten Aldolreaktion (Kapitel 6.1) konnte eine effiziente

Eintopfsynthese von chiralen Diolen vom Typ 9 etabliert werden. Mithilfe der Prolinamid-

Katalysatoren (S,S)-6 oder (S,S)-7 bzw. der selektiven Alkoholdehydrogenasen

Lk-ADH oder Rsp-ADH wurden hohe Umsätze (>95% Gesamtumsatz) und exzellente

Diastereosektivitäten (dr > 25/1) erzielt (Abbildung 110).

Abbildung 110: Eintopfreaktion mit Organokatalysatoren (S,S)-6 bzw. (S,S)-7 mit Rsp-ADH bzw. Lk-ADH.

Führt man mit diesen Komponenten eine Dominoreaktion durch, bei der Organokatalysator

samt Biokatalysator von Anfang an zugegeben werden, so konnten nach notwendigen


Optimierungsmaßnahmen chirale Diole vom Typ (R,S)-9 mit einem produktbezogenen

Umsatz von 60% hergestellt werden. Es wurde dabei festgestellt, dass der Ablauf der

Dominoreaktion unmittelbar von der Aktivität der eingesetzen Enzyme und der verwendeten

Acetonmenge abhängt.

7. SUMMARY | 115

7 Summary

The aim of this work was to establish sustainable syntheses of chiral alcohols, such as

β-hydroxyketones and 1,3-diols. For this purpose the developed processes were improved

by means of optimizing the selectivity and the efficiency of the related reactions. At first, the

focus of research was put on the organocatalytic aldol reaction of proline amide

organocatalysts. Besides, an attempt was made to explain the reactivity and the selectivity of

the reaction. Furthermore, alternative methods for the production of chiral β-hydroxyketones

were tested with immobilized proline amide catalysts. Notably, it has been shown that these

polymer-bound catalysts can be applied efficiently for the aldol reaction in a plug-flow

reactor. With the gained knowledge about the performance and potential of the

organocatatalytic aldol reaction, syntheses of 1,3-diols have been conducted efficiently as

one-pot reactions or domino reactions in aqueous medium using the combination of organo-

and biocatalysis.

7.1 Organocatalytic Aldol Reactions

Upon the successful synthesis of proline amide catalysts, these compounds were used for

the organocatalytic aldol reaction of aromatic aldehydes and water-soluble ketones in

aqueous media. Surprisingly, during the examination of the aldol reaction of

3-chlorobenzaldehyde (4) and acetone in brine (saturated aqueous sodium chloride solution),

catalyzed by proline amide derivative (R,R)-6, huge divergences of ee-values of the product

(S)-5 could be detected. In fact, an increased catalyst amount led to significant lower

enantioselectivity. Moreover, the observed decrease of selectivity is time-dependent

116 | 7. SUMMARY

(Figure 1). Indeed, when employing 0.5 mol% of organocatalyst (R,R)-6, high ee-values of

94% ee (after 0.03 h) to 93% ee (after 48 h) were achieved, whereas the reaction course

indicated a continuously rising conversion rate from 6% (after 0.03h) to 92% (after 48 h)

product-related conversion. In contrast, the use of 5.0 mol% proline amide catalyst (R,R)-6

accelerated the rate of conversion (e.g. 58% product-related conversion after 0.03 h), but it

also led to a racemisation reaction with increased reaction time. The reason for the decrease

of selectivity with increasing catalyst loading and prolonged reaction time is attributed to the

change from a kinetically to a thermodynamically controlled reaction.

Figure 1: Dependency of the enantioselectivity of the aldol reaction on the reaction time.

Hence, to establish an efficient synthesis of substituted β-hydroxyketones, it is preferable to

reduce the catalyst amount to 0.5 mol% to conduct the reaction in a kinetically controlled

mode. Furthermore, the change between kinetic vs. thermodynamic control in such a narrow

range of catalyst amount was also discovered when similar organocatalysts with different

structural moieties were employed. For example, with the use of 0.5 mol% organocatalyst

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ee [%]

t [h]

0,5

5,0

Catalyst amount [mol%]

7. SUMMARY | 117

(S,S)-7, the aldol reaction of 3-chlorobenzaldehyde (4) and acetone in brine showed a similar

course as the one with organocatalyst (R,R)-6, reaching 96% ee and 91% product-related

conversion after 24 h (Figure 2). The same reaction with 5.0 mol% organocatalyst (S,S)-7 led

to a significant decrease of enantioselectivity (35% ee) and conversion (73% product-related

conversion).

Figure 2: Dependency of the conversion and the enantioselectivity of the aldol reaction on the reaction time.

Furthermore, the impact of the reaction temperature on the enantioselectivity of the aldol

reaction was studied (Figure 3). Notably, a low temperature of e.g. -20°C favours

enantioselectivity (99% ee with 0.5 mol% catalyst (S,S)-6, 89% ee with 5.0 mol% catalyst

(S,S)-6) at a reaction time of 17.5 h, though only conversion of 13% with 0.5 mol% catalyst

(S,S)-6 and 65% with 5.0 mol% catalyst (S,S)-6 were achieved.

Another important parameter that ensures a successful reaction is the amount of aqueous

solvent that was added to the reaction mixture. When a high amount of brine (1000 eq.) was

used as a solvent, only 56% product-related conversion were detected. The use of a lower

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0 10 20 30 40 50 60

[%]

t [h]

overall conversion

product-related conversion

ee

118 | 7. SUMMARY

amount of 20, 36, or 100 equivalents led to considerably higher conversion of 80-91% and to

ee-values of up to 94% ee.

The elucidation of the reaction course was conducted with the aid of chromatographic and

spectroscopic methods by monitoring the transformation of β-hydroxyketones in acetone or

acetone-d6. Based on these experiments, the evidence of an occurring retro aldol reaction

with 5.2 mol% organocatalyst could be given herein.

Figure 3: Temperature-dependency of enantioselectivity with variation of the catalytic amount of (S,S)-6.

7.2 Application of Immobilized Organo-and Biocatalysts

Upon successful synthesis of polymer-bound proline amide catalysts, these compounds were

used for the organocatalytic aldol reaction of 3-chlorbenzaldehyde (4) and acetone in

aqueous media. These organocatalysts (e.g. 80) are insoluble in organic solvents and

showed significant lower conversion rates than the corresponding non-immobilized

organocatalysts. The phenomenon of racemisation (due to a thermodynamically controlled

0

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ee [%]

T [°C]

0.5

5.0

Catalyst amount [mol%]

7. SUMMARY | 119

reaction) that has previously been described (Chapter 7.1), had less impact on the reaction

with the polymer-bound organocatalysts. Thus, even the use of an amount of 10.0 mol% of

catalyst 80 led to ee-values of 93% ee and to product-related conversions of 84%.

Furthermore, the recycling potential of this type of catalyst was tested in a semi-continuously

operating process by means of a packed-bed flow reactor with the polymer-bound

organocatalyst 80 immobilized therein. This reactor set-up could be used for at least five

consecutively conducted reaction cycles (Figure 4). Constantly high ee-values of 89-92% ee

and product-related conversions of at least 93% could be achieved with this method.

Figure 4: Recycling of polymer-supported organocatalyst 80 in a semi-continuous-flow reactor.

Finally, the stereoselective reduction of β-hydroxyketones (e.g. (R)-5) and further substrates

was conducted with biocatalysts such as Lk-ADH (alcohol dehydrogenase from Lactobacillus

95 95 95 95 95 94 93 93 93 95 92 92 92 88 88

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1 2 3 4 5

[%]

overall conversion

product-related conversion

ee

Reaction cycle

120 | 7. SUMMARY

kefir) and Rsp-ADH (alcohol dehydrogenase from Rhodococcus sp.) which were immobilized

on a superabsorber. The biocatalyzed transformation of (R)-5 leaded to high product-related

conversions (90% for the immobilized Lk-ADH, >95% for the immobilized Rsp-ADH). In

addition, excellent enantioselectivities of 99% ee and high diastereoselectivities (dr = 23/1

(syn/anti) for the immobilized Lk-ADH and dr = 16/1 (anti/syn) for the immobilized Rsp-ADH)

were accomplished by this method.

7.3 Chemoenzymatic Multi-Step Reactions

Starting from an optimized aldol reaction (chapter 7.1), an efficient one-pot synthesis of chiral

diols could be established. Thus, when proline amide catalysts (S,S)-6 or (S,S)-7 were used

in combination with selective alcohol dehydrogenases Lk-ADH or Rsp-ADH, high

conversions (>95% overall conversion) and excellent diastereoselectivities (dr > 25/1) were

obtained (Figure 5).

Figure 5: One-pot reaction of organocatalysts (S,S)-6 or (S,S)-7 with Rsp-ADH or Lk-ADH.

Finally, the synthesis of chiral diols could also be accomplished in an alternative way by

means of a domino reaction. In this type of reaction procedure the organocatalyst and the

biocatalyst are present from the beginning on in the reaction mixture. The diol (R,S)-9 was

synthesized with 60% product-related conversion. Notably, the success of the domino

reaction is highly dependent on enzyme activity and the amount of used acetone.

8. EXPERIMENTELLER TEIL | 121

8 Experimenteller Teil

8.1 Verwendete Geräte und Chemikalien

Chemikalien

Die verwendeten, kommerziell erhältlichen Chemikalien wurden von ABCR, Acros Organics,

Fisher Scientific, Sigma-Aldrich und Fluka bezogen und sofern nicht anders angegeben ohne

weitere Aufreinigung eingesetzt. 3-Chlorbenzaldehyd (4) wurde mit einer Mindestreinheit von

≥97% eingesetzt. Bei Unterschreitung dieses Grenzwerts (ermittelt stichprobenartig mittels

1H-NMR-Spektroskopie) wurde die Chemikalie vorher einer Vakuumdestillation unterzogen

(Siedepunkt von 3-Chlorbenzaldehyd (4): 66°C bei 8,9*10-2 mbar). Größere Mengen von

Prolinamid-Katalysator (S,S)-6 wurden von der Arbeitsgruppe BERKESSEL (Universität zu

Köln) bezogen. Der Prolinamid-Katalysator (R,R)-6 wurde freundlicherweise von BAER und

KRAUSSER zur Verfügung gestellt. Die Verbindungen 38 und 40 wurden im großen Maßstab

von BAER hergestellt und ebenfalls für die Synthese von (S,S)-6 und (S,S)-7 zur Verfügung

gestellt. Die Polymer-gebundenen Organokatalysatoren 73, 78, 79 sowie die notwendigen

Chemikalien (z.B. die Aminoalkohole vom Typ 45 oder 89) und Gerätschaften zur Synthese

der Polymer-gebundenen Organokatalysatoren 80 und 81 wurden von der Arbeitsgruppe

HANSEN (University of Oslo, Norwegen) freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Alle

verwendeten nicht-wässrigen Lösungsmittel wurden vor Gebrauch am Rotationsverdampfer

destilliert. Der pH=7 Phosphatpuffer wurde aus Natriumdihydrogenphosphat/Natriumhydroxid

hergestellt. Hexan wurde als Isomerengemisch eingesetzt. MTBE und der Favor SXM9155©

Superabsorber wurden als Hochschulspende von Evonik Degussa zur Verfügung gestellt.

122 | 8. EXPERIMENTELLER TEIL

Biokatalysatoren

Die verwendeten Alkoholdehydrogenasen aus Lactobacillus kefir (Lk-ADH) und

Rhodococcus sp. (Rsp-ADH) wurden von der Arbeitsgruppe HUMMEL (Universität Düsseldorf)

freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Die kommerziell erhältliche GDH stammte von

Amano Enzyme (Bezeichnung: „Amano“ 2; Chargennummer: GDHI10251401). Die

Bestimmung der Enzymaktivität erfolgte an einem UV/Vis-Spektrometer SPEKOL 1300 der

Firma Analytik Jena. Die verwendeten, kommerziell erhältlichen Cofaktoren NADP+ und

NAD+ wurden von Oriental Yeast bezogen (Artikelnummer NADP+: 44292900).

Chromatographie

Die säulenchromatographische Reinigung erfolgte mit Kieselgel (Merck® Silikagel 60) als

stationäre Phase. Die Dünnschichtchromatographische Untersuchung erfolgte mithilfe von

Kieselgelplatten (F254, Aluminiumträgerfolie).

NMR-Spektroskopie

NMR-spektroskopische Untersuchungen wurden an einem JEOL JNM GX400, JEOL JNM

EX 400 Bruker Avance 300 und Bruker Avance 400 durchgeführt. Alle Spektren wurden bei

Raumtemperatur gemessen. Die chemischen Verschiebungen δ (angegeben in ppm) der

1H-NMR-, 19F-NMR und 13C-NMR-Spektren wurden in Relation zur normierten chemischen

Verschiebung des verwendeten deuterierten Lösungsmittels angegeben (CDCl3

δ = 7.24 ppm (1H), δ = 77.0 ppm (13C); DMSO-d6 δ = 2.50 ppm (1H), δ = 39.5 ppm (13C);

Aceton-d6 δ = 2.05 ppm (1H); CD3OD δ = 3.31 ppm (1H)). Die Spin-Multiplizitäten werden als

br (broad), s (Singulett), d (Dublett), t (Triplett), q (Quartett), m (Multiplett) angegeben.

High Performance Liquid Chromatography (HPLC)

Die Bestimmungen erfolgten an einem JASCO LC-Net II/ADC (PU-1587) und an einem

SHIMADZU CBM-10A (LC-10AT). Dafür wurden Daicel Chiralpak® und Daicel Chiralcel®

OJ-H Säulen verwendet. Die Lösungsmittelgemische wurden dafür manuell vorbereitet.

Elementaranalyse

Elementaranalytische Untersuchungen wurden an einem CE Instruments EA 1110 CHNS

durchgeführt.

Massenspektrometrie (MS)

Massenspektrometrische Untersuchungen erfolgten an einem Bruker micrOTOF II (ESI) und

an einem Finnigan MAT 95 XP (EI).


IR-Spektroskopie (IR)

Die Spektren wurden mit einem Thermofisher Scientific NICOLET IR-100 FT-IR

aufgenommen.

Schmelzpunkt:

Die Schmelzpunktbestimmung wurde an einem Electrothermal Appendix B IA 9100

durchgeführt.

Thermostat

Die Tieftemperatur-Bestimmungen erfolgten an einem JULABO typ/model FT902 Kryostat.

Die Bestimmungen bei 25°C wurden an einem Thermostaten der Firma VWR durchgeführt.

Halbkontinuierlicher Durchflussreaktor

Der Polymer-gebundene Organokatalysator wurde in einem leeren HPLC-Säulen-

Edelstahlbehälter Daicel Chiralpak® (250 mm Höhe, 4,6 mm Durchmesser) oder alternativ in

einem leeren HPLC-Säulen-Edelstahlbehälter (5 cm Höhe, 1 cm Durchmesser) eines

unbekannten Herstellers immobilisiert. Als Pumpsystem wurde eine SHIMADZU LC-10AT

Pumpe verwendet. Für Eintrag 4 und Eintrag 5, Tabelle 24, Kapitel 8.3.3.3 wurde eine

JASCO LCNet II Pumpe verwendet.

Automatisiertes Titrationssystem

Die Titration erfolgte an einem Metrohm 702 SET/MET Titrino (Metrohm 806 Einheit) mit

einer 0,2 M Natriumhydroxid-Lösung.


8.2 Organokatalytischen Aldolreaktionen

8.2.1 Synthese der Organokatalysatoren

8.2.1.1 Synthese von Aminosäureethylesterhydrochlorid

Synthese von (S)-1-Ethoxy-4-methyl-1-oxopentan-2-aminiumchlorid (36) [24]

In einem 250 ml Rundkolben werden 7,9 g (60 mmol) (S)-Leucin

(33) zu 380 ml Ethanol zugegeben. Danach werden 6,5 ml

(90 mmol) Thionylchlorid (35) bei -10°C so zugetropft, dass die

Temperatur konstant bleibt. Die klare Lösung wird anschließend 5 h

bei 85°C erhitzt. Danach wird das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer entfernt. Der erhaltene Niederschlag wird je

dreimal in Ethanol aufgenommen und je dreimal wieder am

Rotationsverdampfer entfernt. Der resultierende Feststoff wird in

Methanol/MTBE (1/10, (v/v)) umkristallisiert. Das Produkt ist ein farbloser Feststoff.

Ausbeute: 63% (38 mmol, 7,4 g)

1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 8.79 (br s, 3H), 4.25 – 4.19 (m, J=10.4 Hz, 7.1, 3.4,

2H), 4.02 – 4.01 (m, 1H), 1.99 – 1.90 (m, 2H), 1.84 – 1.77 (m, 1H), 1.27 (t, J=7.1 Hz, 3H),

0.95 (d, J=5.5 Hz, 6H).

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in [24,164] angegebenen Werten überein. Die

Daten aus [164] stammen vom dazugehörigen Enantiomer (R)-1-Ethoxy-4-methyl-1-

oxopentan-2-aminiumchlorid.


8.2.1.2 Synthese von β-Aminoalkohole mittels Grignardreaktion

Synthese von (S)-2-Amino-4-methyl-1,1-diphenylpentan-1-ol (39) [24]

In einem 500 ml Dreihalskolben werden unter

Schutzgasatmosphäre Magnesiumkörner (8 g, 329 mmol) in wenig

THF vorgelegt und mit einem Körnchen Iod versetzt. Dann wird

mithilfe einer Heißluftpistole das Iod zum Sublimieren gebracht.

Anschließend tropft man unter Rühren vorsichtig 34 ml (325 mmol)

Brombenzol (37) hinzu. Dieser wurde vorher in 160 ml THF gelöst.

Dabei soll der Versuch so adjustiert werden, dass beim Zutropfen

das THF gelinde siedet. Danach wird die grau-trübe Lösung noch

1 h unter Rückfluss erhitzt. Anschließend werden 9,5 g (49 mmol) (S)-1-Ethoxy-4-methyl-1-

oxopentan-2-aminiumchlorid (36) bei Raumtemperatur in kleinen Portionen zugegeben.

Nachdem das hellbraune Gemisch 2 h unter Rückfluss erhitzt wurde, wird die Lösung auf

0°C gekühlt und langsam zu einer eiskalten 2 M Salzsäurelösung gegeben. Mit

Natriumhydrogencarbonat erfolgt die Neutralisation. Nach Extraktion mit Dichlormethan

werden die vereinigten organischen Phasen über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach

Abziehen des Lösungsmittels an der Vakuumpumpe wird in Ethylacetat umkristallisiert. Das

Produkt ist ein gelblicher Feststoff.

Ausbeute: 60% (29 mmol, 7,8 g)

1H-NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ [ppm] = 7.71 – 7.23 (m, 12H), 6.43 (s, 1H), 4.33 (d,

J=9.7 Hz, 1H), 1.75 (s, 1H), 1.63 – 1.55 (m, 1H), 1.19 – 1.10 (m, 1H), 0.93 (d, J=6.4 Hz, 3H),

0.84 (d, J=6.5 Hz, 3H).

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in [24,165] angegebenen Werten überein.


Synthese von (S)-2-Amino-1,1,2-triphenylethanol (45) [166]

In einem 250 ml Dreihalskolben werden unter

Schutzgasatmosphäre 3,3 g (16,4 mmol) (S)-Methyl-2-amino-2-

phenylacetat-hydrochlorid (34) portionsweise zu 50 ml einer 3 M

Lösung Phenylmagnesiumbromid (105) in Diethylether bei 0°C

zugegeben und 7 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Lösung wurde

in 100 g Eis dekantiert und mit 30 ml gesättigter

Ammoniumchloridlösung versetzt. Danach extrahiert man dreimal

mit Ethylacetat. Die vereinigten organischen Phasen werden dann

mit gesättigter Natriumchlorid-Lösung gewaschen. Anschließend wird die Reaktionslösung

über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach der Entfernung des Lösungsmittels an der

Vakuumpumpe wird in Methanol umkristallisiert. Das Produkt ist ein farbloser, kristalliner

Feststoff. Rf = 0,5 (Dichlormethan/Methanol, 18/1, (v/v)).

Ausbeute: 21% (1,0 g; 3,5 mmol)

1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.73 (d, J=7.4 Hz, 2H), 7.41 – 7.36 (m, 2H), 7.10 – 7.00

(m, 11H), 5.00 (s, 1H).

13C-NMR (100 MHz, DMSO-d6 in CDCl3) δ [ppm] = 146.2, 145.0, 139.5, 129.4, 128.3, 127.3,

127.1, 127.0, 126.8, 126.6, 126.1, 125.9, 79.8, 60.8.



8.2.1.3 Synthese von Boc-geschütztem Prolin

Synthese von (S)-1-(tert-Butoxycarbonyl)pyrrolidin-2-carboxylsäure (40) [24]

In einem 250 ml Rundkolben werden 6,3 g (55 mmol) (S)-Prolin (11)

in Dioxan und Wasser (2/1 (v/v), insgesamt 80 ml) gelöst und auf

0°C gekühlt. Nach der Zugabe von 52 ml 1 M Natronlauge und 12 g

(55 mmol) Di-tert-butyldicarbonat (39), wird die Lösung 0,5 h bei

0°C gerührt. Danach wird 1,5 h bei Raumtemperatur weitergerührt.

Anschließend wird am Rotationsverdampfer die Lösung eingeengt.

Das resultierende Gemisch wird mit 0,5 M Zitronensäure auf pH=2

eingestellt und mit Ethylacetat extrahiert. Nachdem die

gesammelten organischen Phasen mit Wasser gewaschen wurden, werden sie über

Magnesiumsulfat getrocknet. Anschließend wird das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer

entfernt. Das Produkt ist ein farbloser Feststoff.

Die Auswaage (und damit die Ausbeute) wurde nicht bestimmt

1H-NMR (300 MHz, CDCl3, Rotamerenmischung) δ [ppm] = 10.39 (br s, 1H), 4.34 – 4.20 (m,

1H), 3.52 – 3.29 (m, 2H), 2.25 (m, 1H), 2.09 – 1.88 (m, 3H), 1.49 – 1.39 (m, 9H).



8.2.1.4 Synthese Boc-geschützter Prolinamid-Katalysatoren mittels EDC-Kupplung

Synthese von (S)-tert-Butyl-2-(S)-N-((S)-1-hydroxy-4-methyl-1,1-diphenylpentan-2-yl)-

pyrrolidin-2-carboxamid (42) [24]

In einem 100 ml-Rundkolben werden 790 mg (3,67 mmol) (S)-1-(tert-

Butoxycarbonyl)pyrrolidin-2-carboxylsäure (40) und 1 g (3,71 mmol)

(S)-2-Amino-4-methyl-1,1-diphenylpentan-1-ol (38) in 65 ml

absolutem Dichlormethan gelöst. Nach der Zugabe von 0,5 ml

(3,61 mmol) Triethylamin und 780 mg (4,07 mmol) 1-Ethyl-3-(3-

dimethylaminopropyl)carbodiimidhydrochlorid (EDC-Hydrochlorid,

41) wird die Lösung über Nacht gerührt. Diese wird anschließend mit

Dichlormethan verdünnt und jeweils einmal der Reihenfolge nach mit

Wasser, gesättigter Natriumhydrogencarbonatlösung, Wasser,

Zitronensäurelösung, Wasser und Natriumchlorid-Lösung gewaschen. Die vereinigten

organischen Phasen werden mit Magnesiumsulfat getrocknet. Schließlich wird das

Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt. Das Produkt ist ein farbloser Feststoff.

Ausbeute: 38% (650 mg; 1,39 mmol)

1H-NMR (300 MHz, CDCl3, Rotamerenmischung) δ [ppm] = 7.52 – 7.49 (m, 4H), 7.30 – 7.09

(m, 6H), 4.70 – 4.64 (m, 1H), 4.06 – 4.03 (m, 1H), 3.20 – 3.07 (m, 2H), 1.38 (s, 9H), 1.26 –

1.10 (m, 2H), 0.89 (d, J=6.5 Hz, 3H), 0.83 (d, J=6.7 Hz, 3H).

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in [24] angegebenen Werten überein.


8.2.1.5 Synthese Boc-geschützter Prolinamid-Katalysatoren mittels Ethylchloro-

formiat-Kupplung

Synthese von (S)-tert-Butyl-2-(S)-N-((S)-1-hydroxy-4-methyl-1,1-diphenylpentan-2-yl)-

pyrrolidin-2-carboxamid (42) [24,30]

In einem 100 ml Rundkolben werden 125 mg (0,58 mmol)

(S)-1-(tert-Butoxycarbonyl)pyrrolidin-2-carboxylsäure (40) vorgelegt

und mit 2,5 ml absolutem Dichlormethan versetzt. Danach wird das

Gemisch mit einem Eisbad auf 0°C gekühlt. Unter Rühren werden

tropfenweise 0,08 ml (0,58 mmol) Triethylamin und 57 µl,

(0,60 mmol) Ethylchloroformiat (43) zugegeben. Die Lösung wird

15 min gerührt. Anschließend werden 135 mg (0,47 mmol) (S)-2-

Amino-4-methyl-1,1-diphenylpentan-1-ol (38) vorsichtig

hinzugegeben. Nach 5 h Rühren wird die Reaktionsmischung mit

Dichlormethan verdünnt und filtriert. Danach wird das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer entfernt. Anschließend wird der Rückstand in Dichlormethan so weit

wie möglich gelöst. Nach Filtration des Niederschlags wird die Reaktionsmischung in wenig

Ethylacetat aufgenommen und auf 70°C erhitzt. Eine anschließende Heißfiltration des in

Ethylacetat unlöslichen feinkristallinen Feststoffs lässt das Produkt beim Abkühlen ausfallen.

Schließlich wird das Lösungsmittel entfernt und der Rückstand in Ethylacetat umkristallisiert.

Das Produkt ist ein farbloser Feststoff.


1H-NMR (300 MHz, CDCl3, Rotamerenmischung) δ [ppm] = 7.52 – 7.49 (m, 4H), 7.30 – 7.09

(m, 6H), 4.70 – 4.63 (s, 1H), 4.11 – 4.03 (m, 1H), 3.20 - 3.04 (m, 2H), 1.78 – 1.09 (m, 18H),

0.89 (d, J=6.5 Hz, 3H), 0.83 (d, J=6.7 Hz, 3H).

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in [24] und in Kapitel 8.2.1.4 angegebenen

Werten überein.


8.2.1.6 Entfernung der Boc-Schutzgruppe zur Synthese von Prolinamid-Katalysatoren

Synthese von (S)-N-((S)-1-Hydroxy-4-methyl-1,1-diphenylpentan-2-yl)pyrrolidin-2-

carboxamid ((S,S)-6) [30]

In einem 25 ml Rundkolben werden 75 mg (0,16 mmol) (S)-tert-

Butyl-2-(S)-N-((S)-1-hydroxy-4-methyl-1,1-diphenylpentan-2-yl)pyrro-

lidin-2-carboxamid (42) in 5 ml Ameisensäure (44) bei 0°C gelöst

und über Nacht gerührt. Anschließend wird mit gesättigter

Natriumcarbonatlösung neutralisiert und mit Ethylacetat extrahiert.

Nach Trocknen über Natriumsulfat wird das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer entfernt. Die Reaktionsmischung wird in 5 ml

THF aufgenommen und mit 5 ml 2,5 M Salzsäure versetzt. Die

Lösung wird über Magnesiumsulfat getrocknet und das restliche

Lösungsmittel wird am Rotationsverdampfer entfernt. Das Produkt ist ein farbloser Feststoff.

Ausbeute: >95%, (58 mg; 0,16 mmol)

1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.93 (d, J=8.2 Hz, 1H), 7.55 – 7.52 (m, 4H), 7.30 – 7.08

(m, 6H), 5.45 (br s, 1H), 4.56 (t, J=9.0 Hz, 1H), 3.47 (dd, J=9.3 Hz, 4.6 Hz, 1H), 2.80 (dt,

J=10.2 Hz, 6.7 Hz, 1H), 2.57 – 2.52 (m, 1H), 1.91 – 1.38 (m, 5H), 1.25 – 1.16 (m, 2H), 0.90

(d, J=6.5 Hz, 3H), 0.84 (d, J=6.7 Hz, 3H).



8.2.1.7 Synthese von Prolinamid-Katalysatoren mittels Ethylchloroformiat-Kupplung

und in situ Entfernung der Boc-Schutzgruppe

Synthese von (S)-N-((S)-2-Hydroxy-1,2,2-triphenylethyl)pyrrolidin-2-carboxamid ((S,S)-7)

[24,30,81]


(S)-1-(tert-Butoxycarbonyl)pyrrolidin-2-carboxylsäure (40) vorgelegt

und mit 20 ml absolutem Dichlormethan versetzt. Danach wird das

Gemisch mit einem Eisbad auf 0°C gekühlt. Unter Rühren werden

tropfenweise 0,61 ml (4,4 mmol) Triethylamin und 0,42 ml, (4,4 mmol)

Ethylchloroformiat (43) zugegeben. Die Lösung wird 30 min gerührt.

anschließend werden 1,0 g (3,5 mmol) (S)-2-Amino-1,1,2-

triphenylethanol (45) vorsichtig hinzugegeben. Nach 17 h Rühren

wird die Reaktionsmischung in 50 ml Methanol gelöst. Schließlich gibt

man 3,6 ml konzentrierter Salzsäure dazu und lässt 16 h rühren. Das Lösungsmittel wird

danach an der Vakuumpumpe entfernt. Dann wird der entstandene Feststoff mit 20 ml

Ethylacetat versetzt. Mit 20 ml 1 M Kaliumhydroxid wird der pH-Wert der Lösung leicht

basisch gestellt. Danach extrahiert man dreimal mit Ethylacetat. Die vereinigten organischen

Phasen werden über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach Entfernung des Lösungsmittels wird

in Ethylacetat umkristallisiert. Das Produkt ist ein farbloser Feststoff. Rf = 0,1

(Dichlormethan/Methanol, 18/1, (v/v)).

Ausbeute: 9%, (120 mg; 0,3 mmol)

1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 8.63 (d, J=9.2 Hz, 1H) 7.59 – 7.56 (m, 2H), 7.33 – 6.97

(m, 13H), 5.88 (d, J=9.2 Hz, 1H), 3.55 (dd, J=9.2 Hz, 4.8 Hz, 1H), 3.39 (br s, 1H), 2.97 – 2.78

(m, 2H), 2.00 - 1.85 (m, 1H), 1.60 - 1.49 (m, 3H).



8.2.2 Charakterisierung der Prolinamid-katalysierten Aldolreaktion: Analytik

8.2.2.1 Synthese von β-Hydroxyketon als Referenzverbindung mittels

organokatalysierter Aldolreaktion

Synthese von (R)-4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-2-on ((R)-5) aus Abbildung 41,

Kapitel 3.3.2 und des dazugehörigen Enantiomers (S)-5

In einem 25 ml Rundkolben werden 0,9 mg (0,0025 mmol entspricht

0,5 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4)) von

Organokatalysator (S,S)-6 oder Organokatalysator (R,R)-6 vorgelegt,

mit 329 µl (4,5 mmol) Aceton und mit 59 µl (0,5 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) versetzt. Danach füllt man das

Reaktionsgemisch mit destilliertem Wasser auf 1 ml, sodass die

Gesamtkonzentration an (4) 0,5 M beträgt. Anschließend lässt man

das Reaktionsgemisch 24 h rühren. Nach dreifacher Extraktion mit

Dichlormethan, werden die vereinigten organischen Phasen über

Magnesiumsulfat getrocknet. Danach entfernt man das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer und an der Vakuumpumpe. Schließlich erfolgt eine

säulenchromatographische Reinigung (Cyclohexan/Ethylacetat, 5/1, (v/v)). Das Produkt ist

eine farblose, viskose Flüssigkeit. Rf = 0,2 (Cyclohexan/Ethylacetat, 5/1, (v/v)).

Die Auswaage (und damit die Ausbeute) wurde nicht bestimmt.

Enantiomer (R)-5:

1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.35 (s, 1H), 7.29 – 7.19 (m, 3H), 5.11 (dd, J=7.7 Hz,

4.6 Hz, 1H), 2.99 (br s, 1H), 2.86 – 2.72 (m, 2H), 2.18 (s, 3H).

HPLC (AD-H, Hexan/iso-Propanol 95/5 (v/v), flow 1,0 ml/min, 220 nm): tR(R) = 10,1 min;


tR(S) = 11,1 min.

Enantiomer (S)-5:


4.9 Hz, 1H), 3.37 (br s, 1H), 2.87 – 2.77 (m, 2H), 2.18 (s, 3H).


8.2.2.2 Qualitative Untersuchung der Nebenprodukte der Prolinamid-katalysierten

Aldolreaktion

Synthese von (R)-4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-2-on ((R)-5) als Rohprodukt aus

Abbildung 37

In einem 25 ml Kolben werden 2,7 mg (0,0075 mmol entspricht

0,5 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4)) Organokatalysator

(S,S)-6 vorgelegt und mit 171 µl (1,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4),

1 ml (13,6 mmol, 9 Äq.) Aceton und 1 ml pH=7 Puffer

(Phosphatpuffer, 50 mM) versetzt. Nach 48 h Rühren, wird das

Produkt mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich entfernt man das

Lösungsmittel am Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar). Das

isolierte Rohprodukt ist ein gelbliches Öl.

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in Kapitel 8.2.2.1 angegebenen Werten

überein. Die Zuordnung der Signale im HPLC-Spektrum erfolgt gemäß Abbildung 41.


8.2.2.3 Partielle Oxidation von Aldehyd zur qualitativen Identifizierung der

Carbonsäure

Oxidation von 3-Chlorbenzaldehyd (4) zu 3-Chlorbenzoesäure (46)

In einem Präparategläschen wird 1 g (7 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd

(4) eingewogen und 24 h offen an der Luft gelassen. Danach wird

der Produktbezogene Umsatz mittels 1H-NMR in CDCl3 gemessen.

Produktbezogener Umsatz: 43%

HPLC (AD-H, Hexan/iso-Propanol 95/5 (v/v), flow 1,0 ml/min, 220 nm): tR(4) = 6,0 min; tR(46) =

6,8 min.

Die Retentionszeiten können hierbei von Messung zu Messung variieren (siehe

Kapitel 3.3.2).


8.2.2.4 Synthese von α,β-ungesättigtem Keton als Referenzverbindung

Synthese von 4-(3-Chlorphenyl)but-3-en-2-on (47)

In einem 50 ml Rundkolben werden 8 ml (110 mmol) Aceton mit

4,55 ml (40 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) und mit 4 ml destilliertem

Wasser versetzt. Dann wird tropfenweise eine 2,5 M (10%ige)

Natriumhydroxid-Lösung innerhalb von 30 min bei 0°C dazugegeben.

Anschließend lässt man das Reaktionsgemisch 24 h rühren. Danach

wird die Lösung mit 1 M Salzsäure auf pH=4 angesäuert. Nach

dreifacher Extraktion mit Dichlormethan, trocknet man mit

Magnesiumsulfat und entfernt das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar) Dann wird das Rohprodukt

destilliert (120°C, 1,2*10-1 mbar) und danach säulenchromatographisch gereinigt

(Petrolether/Ethylacetat, 15/1, (v/v)). Schließlich wird in Methanol/Hexan umkristallisiert. Das

Produkt ist ein farbloser Feststoff. Rf = 0,5 (Petrolether/Ethylacetat, 5/1, (v/v)). Schmelzpunkt:

36°C.

Ausbeute: 22% (1,58 g; 8,7 mmol)

1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.61 – 7.12 (m, 5H), 6.68 (d, J=16.3 Hz, 1H), 2.36 (s,

3H).

13C-NMR (75 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 198.0, 141.6, 136.2, 134.9, 130.3, 130.2, 128.1, 127.9,

126.4, 27.7

MS (EI): m/z = 180 [M +].

Elementaranalyse: C10H9ClO; Berechnet: C 66,49%, H 5,02%; Gefunden: C 66,69%, H

5,11%.

IR: ṽ [cm-1] = 3075, 3024, 1664, 16407, 1625, 1391, 1285, 1258, 1089, 980, 783, 686.

HPLC (AD-H, Hexan/iso-Propanol 95/5 (v/v), flow 1,0 ml/min, 220 nm): tR = 6.7 min.


8.2.2.5 Synthese von Bis-Aldolprodukt als Referenzverbindung

Synthese von 1,5-Bis(3-chlorphenyl)-1,5-dihydroxypentan-3-on (48)

In einem 50 ml Rundkolben werden 440 µl (6 mmol)

Aceton mit 680 µl (6 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) und

mit 24 mg (0,06 mmol entspricht 1 mol% bezogen auf

3-Chlorbenzaldehyd (4)) Organokatalysator (S,S)-6

versetzt. Es werden noch 4 ml destilliertes Wasser

dazugegeben und man lässt anschließend das

Reaktionsgemisch 24 h rühren. Nach dreifacher

Extraktion mit Dichlormethan (3 x 5 ml), entfernt man

das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer (40°C,

600 mbar). Danach wird das Lösungsmittel zusätzlich an der Vakuumpumpe entfernt und

säulenchromatographisch aufgearbeitet (Cyclohexan /Ethylacetat, 5/1, (v/v)). Das Produkt ist

ein farbloses, viskoses Öl. Rf = 0,1 (Cyclohexan /Ethylacetat, 5/1, (v/v)). Schmelzpunkt:

53°C.


1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.35 (s, 2H), 7.29 – 7.19 (m, 6H), 5.18 – 5.13 (m, 2H),

3.06 (br s, 2H), 2.93 – 2.75 (m, 4H).


51.9.

MS (ESI): m/z = 361 [M + Na+].

Elementaranalyse: C17H16Cl2O3; Berechnet: C 60,90%, H 4,75%; Gefunden: C 60,61%, H

5,00%.


IR: ṽ [cm-1] = 3571,3331, 3069, 1705, 1396, 1378, 1054, 929, 780, 688.

HPLC (AD-H, Hexan/iso-Propanol 95/5 (v/v), flow 1,0 ml/min, 220 nm): tR= 72 min.

Nachweis von 1,5-Bis(3-chlorphenyl)-5-hydroxypent-1-en-3-on (49) [84]

Diese Verbindung ist ein mögliches Abbauprodukt von

Bis-Aldolprodukt 48 und wurde nach dessen

säulenchromatographischer Aufarbeitung in Spuren

isoliert (Cyclohexan /Ethylacetat, 5/1, (v/v)). Die

Verbindung ist ein rotes, viskoses Öl. Rf = 0,3

(Cyclohexan /Ethylacetat, 5/1, (v/v)).


1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.51 – 7.19 (m, 9H), 6.70 (d, J=16.3 Hz, 1H), 5.22 (t,

J=6.1 Hz, 1H), 3.05 (d, J=6.1 Hz, 2H).


129.8, 128.0, 127.8, 127.0, 126.6, 125.9, 123.8, 69.4, 48.9.

MS (ESI): m/z = 343 [M + Na+].


8.2.2.6 1H-NMR-Spektren



und kinetische Kontrolle

8.2.3.1 Variation der Katalysatormenge

Allgemeine Arbeitsvorschrift (AAV1): Synthese von (S)-4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-

2-on ((S)-5) als Rohprodukt aus Abbildung 42, Kapitel 3.3.3

Der Organokatalysator (R,R)-6 (0,1-10,0 mol%) wird mit 0,33 ml wässriger, gesättigter

Natriumchlorid-Lösung versetzt. Anschließend gibt man der Reihe nach Aceton und

3-Chlorbenzaldehyd (4) dazu und lässt die Lösung 48 h bei Raumtemperatur rühren. Nach

dreifacher Extraktion mit Dichlormethan, entfernt man das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar). Die Umsatzbestimmung erfolgt mittels 1H-NMR-

Spektroskopie direkt aus dem Rohprodukt ohne weitere Aufreinigung. Nach Entfernung des

Lösungsmittels an der Vakuumpumpe wird die Enantioselektivität mittels chiraler HPLC

bestimmt.

Synthese von (S)-4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-2-on ((S)-5) als Rohprodukt aus

Abbildung 42 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,1 mol%

Die Synthese wird nach allgemeiner Arbeitsvorschrift (AAV1)

durchgeführt. In einem 25 ml Kolben werden 1,1 mg (0,003 mmol

entspricht 0,1 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4))

Organokatalysator (R,R)-6 vorgelegt und mit 2 ml wässriger,

gesättigter Natriumchlorid-Lösung versetzt. Danach werden 1,98 ml

(27 mmol, 9 Äq.) Aceton und 341 µl (3 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd

(4) hinzugegeben. Nach 48 h Rühren, wird das Rohprodukt mit


Dichlormethan extrahiert. Schließlich entfernt man das Lösungsmittel am


Spektroskopie.


Abbildung 42 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,5-10,0 mol%


durchgeführt. In einem 25 ml Kolben werden 0,9-18,3 mg (0,0025-

0,05 mmol entsprechen 0,5-10,0 mol% bezogen auf

3-Chlorbenzaldehyd (4)) Organokatalysator (R,R)-6 vorgelegt und

mit 0,33 ml wässriger, gesättigter Natriumchlorid-Lösung versetzt.

Danach werden 331 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 57 µl

(0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Nach 48 h

Rühren wird das Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert.

Schließlich entfernt man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer

(40°C, 600 mbar). Nach der Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das

restliche Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt. Anschließend erfolgt die Bestimmung

der Enantioselektivität am Rohprodukt mittels chiraler HPLC.



Tabelle 8: Variation der Katalysatormenge gemäß Abbildung 42.

Eintrag Katalysatormenge [mol%]

Gesamt-umsatz

[%] (S)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1 0,1 2 2 0 0 n.b.

2 0,5 91 86 <5 <5 93

3 1,0 >95 90 <5 <5 91

4 2,5 94 83 8 <5 82

5 5,0 94 78 12 <5 47

6 10,0 >95 70 22 <5 0

n.b. = nicht bestimmt


8.2.3.2 Variation der Katalysatorcharge:


In einem Präparateglas werden 0,9 mg (0,0025 mmol entsprechen


(S,S)-6 vorgelegt (eingesetzte Chargen im Fließtext beschrieben,

3.3.3) und mit 0,33 ml wässriger, gesättigter Natriumchlorid-Lösung

versetzt. Danach werden 329 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 59 µl


Schütteln, wird das Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert.


(40°C, 600 mbar). Die Umsatzbestimmung erfolgt mittels 1H-NMR-



bestimmt.




8.2.3.3 Variation der Reaktionszeit

Allgemeine Arbeitsvorschrift (AAV2): Synthese von (S)-4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-

2-on ((S)-5) als Rohprodukt aus Abbildung 44 und Abbildung 45, Kapitel 3.3.3

Der Organokatalysator (R,R)-6 (0,5-5,0 mol%) wird mit 0,33 ml wässriger, gesättigter


3-Chlorbenzaldehyd (4) dazu und lässt die Lösung 0,03-48 h bei Raumtemperatur rühren.

Nach dreifacher Extraktion mit Dichlormethan, entfernt man das Lösungsmittel am




bestimmt.


Abbildung 44 und Abbildung 45 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,5 mol%


durchgeführt. In einem Präparateglas werden 0,9 mg (0,0025 mmol

entsprechen 0,5 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4))

Organokatalysator (R,R)-6 vorgelegt und mit 0,33 ml wässriger,

gesättigter Natriumchlorid-Lösung versetzt. Danach werden 331 µl

(4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 57 µl (0,5 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Nach 0,03-48 h Schütteln,

wird das Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich

entfernt man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer (40°C,

600 mbar). Nach der Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das restliche


Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt. Anschließend erfolgt die Bestimmung der

Enantioselektivität am Rohprodukt mittels chiraler HPLC.


Abbildung 44 und Abbildung 45 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 5,0 mol%




Organokatalysator (R,R)-6 vorgelegt und mit 0,33 ml wässriger,



3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Nach 0,03 h-48 h Rühren,

wird das Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich


600 mbar). Nach der Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das restliche

Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt. Anschließend erfolgt die Bestimmung der

Enantioselektivität am Rohprodukt mittels chiraler HPLC.



Tabelle 9: Variation der Reaktionszeit bei Verwendung von 0,5 mol% Katalysator (R,R)-6

gemäß Abbildung 44 und Abbildung 45.

Eintrag Reaktionszeit t [h] Gesamt-umsatz

[%] (S)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1 0,03 6 6 0 0 94

2 1,0 26 25 0 <5 94

3 2,0 51 48 <5 <5 94

4 5,0 66 63 <5 <5 94

5 24 94 90 <5 <5 n.b.

6 48 >95 92 <5 <5 93



Tabelle 10: Variation der Reaktionszeit bei Verwendung von 5,0 mol% Katalysator (R,R)-6



[%] (S)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1 0,03 61 58 <5 <5 90

2 0,25 n.b. n.b. n.b. n.b. 89

3 0,5 90 85 <5 <5 88

4 1,0 89 85 <5 <5 87

5 2,0 n.b. n.b. n.b. n.b. 87

6 3,0 n.b. n.b. n.b. n.b. 81

7 14 n.b. n.b. n.b. n.b. 74

8 18 n.b. n.b. n.b. n.b. 70

9 18,5 93 82 8 <5 n.b.

10 24 94 80 10 <5 60

11a)

48 94 78 12 <4 47

n.b. = nicht bestimmt. a) Entspricht Eintrag 5 aus Tabelle 8, Kapitel 8.2.3.1

8.2.3.4 Aldolreaktion mittels Prolinamid-Katalysator mit modifizierter

stereochemischer Information



Abbildung 46

In einem Präparateglas werden 0,9 mg (0,0025 mmol entsprechen


(S,S)-6 vorgelegt und mit 0,33 ml wässriger, gesättigter

Natriumchlorid-Lösung versetzt. Danach werden 329 µl (4,5 mmol,

9 Äq.) Aceton und 59 µl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4)

hinzugegeben. Nach 0,03-24 h Schütteln, wird das Rohprodukt mit

Dichlormethan extrahiert. Schließlich entfernt man das Lösungsmittel

am Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar). Die Umsatzbestimmung

erfolgt mittels 1H-NMR-Spektroskopie direkt aus dem Rohprodukt

ohne weitere Aufreinigung. Nach Entfernung des Lösungsmittels an der Vakuumpumpe wird

die Enantioselektivität mittels chiraler HPLC bestimmt.



Tabelle 11: Variation der Reaktionszeit bei Verwendung von 0,5 mol% Katalysator (S,S)-6 gemäß Abbildung 46.


[%] (R)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1 0,03 4 4 0 0 n.b.

2 1 34 32 <5 <5 96

3 1 33 31 <5 <5 n.b.

4 2 41 39 <5 <5 93

5 2 44 42 <5 <5 n.b.

6 5 73 70 <5 <5 93

7 5 75 71 <5 <5 n.b.

8 24 94 89 <5 <5 96

n.b. = nicht bestimmt. Für die Darstellung von Abbildung 46 wurden die Werte aus Eintrag 1, Eintrag 2, Eintrag 4,

Eintrag 6 und Eintrag 8 verwendet


8.2.3.5 Aldolreaktion mittels Prolinamid-Katalysator mit modifizierter Struktur

Allgemeine Arbeitsvorschrift (AAV3): Synthese von (R)-4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-2-

on ((R)-5) als Rohprodukt aus Abbildung 47 und Abbildung 48, Kapitel 3.3.3

Der Organokatalysator (S,S)-7 (0,5-5,0 mol%) wird mit 0,33 ml wässriger, gesättigter


3-Chlorbenzaldehyd (4) dazu und lässt die Lösung 0,03-24 h bei Raumtemperatur rühren.

Nach dreifacher Extraktion mit Dichlormethan, entfernt man das Lösungsmittel am




bestimmt.


Abbildung 47 und Abbildung 48 bei variabler Reaktionszeit und Verwendung einer

Katalysatormenge von 0,5 mol%




Organokatalysator (S,S)-7 vorgelegt und mit 0,33 ml wässriger,


(4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 57 µl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd

(4) hinzugegeben. Nach 0,03-24 h Schütteln, wird das Rohprodukt

mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich entfernt man das

Lösungsmittel am Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar). Nach der

Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das restliche Lösungsmittel an der


Vakuumpumpe entfernt. Anschließend erfolgt die Bestimmung der Enantioselektivität am

Rohprodukt mittels chiraler HPLC.


Abbildung 48 bei Verwendung einer variablen Katalysatormenge von 1,0-5,0 mol%


durchgeführt. In einem 10 ml Kolben werden 1,0-9,6 mg (0,0025-


3-Chlorbenzaldehyd (4)) Organokatalysator (S,S)-7 vorgelegt und




Rühren wird das Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert.







Tabelle 12: Variation der Reaktionszeit bei Verwendung von 0,5 mol% Katalysator (S,S)-7 gemäß Abbildung 47.


[%] (R)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1 0,03 2 2 0 0 n.b.

2 1,0 21 20 0 <5 98

3 2,0 38 37 0 <5 97

4 5,0 86 84 <5 <5 97

5 5,0 83 80 <5 <5 n.b.

6 24 95 91 <5 <5 96

n.b. = nicht bestimmt. Für die Darstellung von Abbildung 47 wurde der Wert aus Eintrag 5 nicht verwendet


Tabelle 13: Variation der Katalysatormenge bei einer Reaktionszeit von 24 h gemäß Abbildung 48.

Eintrag Katalysatormenge [mol%]

Gesamt-umsatz

[%] (R)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1a)

0,5 95 91 <5 <5 96

2 1,0 95 90 <5 <5 95

3 2,5 87 79 5 <5 80

4 5,0 87 73 11 <5 35

a) Entspricht Eintrag 6 aus Tabelle 12

8.2.3.6 Variation der Temperatur

Allgemeine Arbeitsvorschrift (AAV4): Synthese von (R)-4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-

2-on ((R)-5) als Rohprodukt aus Abbildung 49 und Abbildung 50, Kapitel 3.3.3

Der Organokatalysator (S,S)-6 (0,5-5,0 mol%) wird mit 0,33 ml wässriger, gesättigter


3-Chlorbenzaldehyd (4) dazu und lässt die Lösung 17,5 h bei -20°C oder -10°C oder 10°C

oder 25°C oder Raumtemperatur (d.h. ohne zusätzliche Temperaturkontrolle) rühren.

Danach wird die Lösung mit Dichlormethan versetzt und über einen Phasentrennfilter

abdekantiert. Nachdem der Filter gründlich mit Dichlormethan gewaschen worden ist, wird

das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt (40°C, 600 mbar) bzw. die Lösung stark

eingeengt. Die Umsatzbestimmung erfolgt aus dem Rohprodukt mittels 1H-NMR. Danach

wird das restliche Lösungsmittel an der Hochvakuumpumpe entfernt und der

Enantiomerenüberschuss mittels chiraler HPLC bestimmt.



Abbildung 49 und Abbildung 50 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,5-5,0 mol%

und Temperaturen von -20°C-+10°C


durchgeführt. In einem Schlenk-Kolben werden 0,9-9,2 mg (0,0025-





(0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Das Gemisch

wird 17,5 h bei -20°C oder -10°C oder 10°C gerührt. Nach der

Aufarbeitung erfolgt die Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-

Spektroskopie. Danach wird das restliche Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt.

Anschließend erfolgt die Bestimmung der Enantioselektivität am Rohprodukt mittels chiraler

HPLC.



und bei einer Temperatur von 25°C







(0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Das Gemisch

wird 17,5 h bei 25°C gerührt. Nach der Aufarbeitung erfolgt die

Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie. Danach wird das






und bei Raumtemperatur




3-Chlorbenzaldehyd (4)) Organokatalysator (S,S)-6 vorgelegt und mit

0,33 ml wässriger, gesättigter Natriumchlorid-Lösung versetzt.

Danach werden 329 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 59 µl (0,5 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Das Gemisch wird 17,5 h bei

Raumtemperatur gerührt. Nach der Aufarbeitung erfolgt die

Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie. Danach wird das





Tabelle 14: Variation der Reaktionstemperatur bei Verwendung von 0,5 mol% Katalysator (S,S)-6


Eintrag Reaktionstemperatur T [°C]

Gesamt-umsatz

[%] (R)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1 -20 16 13 0 <5 99

2 0 47 40 <5 5 97

3 10 87 84 <5 <5 98

4 25 >95 90 <5 <5 96

5a)

RT

94 87 <5 <5 96

a) Hierbei erfolgte keine äußere Temperaturkontrolle


Tabelle 15: Variation der Reaktionstemperatur bei Verwendung von 5,0 mol% Katalysator (S,S)-6


Eintrag Reaktionstemperatur T [°C]

Gesamt-umsatz

[%] (R)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1 -20 90 65 0 25 89

2 0 92 76 <5 14 71

3 10 90 78 <5 9 75

4 25 95 75 6 5 54

5a)

RT 94 83 15 5 38

a) Ohne äußere Temperaturkontrolle

8.2.4 Einfluss des Lösungsmittels auf die Selektivität der Aldolreaktion

8.2.4.1 Variation der Lösungsmittelart


2-on ((R)-5) als Rohprodukt aus Tabelle 1, Kapitel 3.3.4

Der Organokatalysator (S,S)-6 (0,5 mol%) wird mit gesättigter Natriumchlorid-Lösung in

pH=7 Puffer (Phosphatpuffer) oder pH=5 Puffer (Acetatpuffer) oder pH=6 Puffer

(Zitronensaürepuffer) oder pH=8 Puffer (Boratpuffer) oder destilliertem Wasser oder

gesättigter Natriumchlorid-Lösung in destilliertem Wasser versetzt. Anschließend gibt man

der Reihe nach Aceton und 1,5 mmol bzw. 0,5 mmol 3-Chlorbenzaldehyd (4) dazu und lässt

die Lösung 48 h bei Raumtemperatur rühren. Nach dreifacher Extraktion mit Dichlormethan


entfernt man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer. Die Umsatzbestimmung erfolgt

mittels 1H-NMR-Spektroskopie direkt aus dem Rohprodukt ohne weitere Aufreinigung. Nach

Entfernung des Lösungsmittels an der Vakuumpumpe wird die Enantioselektivität mittels

chiraler HPLC bestimmt.


Tabelle 1 und 1,5 mmol 3-Chlorbenzaldehyd (4)




Organokatalysator (S,S)-6 vorgelegt und entweder mit 1 ml pH=7

Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM) oder mit gesättigter Natriumchlorid-

Lösung in pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM) oder mit pH=5

Puffer (Acetatpuffer) oder mit pH=6 Puffer (Zitronensaürepuffer) oder

mit pH=8 Puffer (Boratpuffer) oder mit destilliertem Wasser versetzt.

Danach werden 1 ml (14 mmol, 9 Äq.) Aceton und 171 µl (1,5 mmol,

0,7 M) 3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Nach 48 h Rühren, wird das Rohprodukt mit


Rotationsverdampfer. Nach der Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das




Tabelle 1 und 0,5 mmol 3-Chlorbenzaldehyd (4)




Organokatalysator (S,S)-6 vorgelegt und mit 0,33 ml gesättigter

Natriumchlorid-Lösung in destilliertem Wasser versetzt. Danach

werden 331 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 57 µl (0,5 mmol, 0,7 M)

3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Nach 48 h Rühren, wird das

Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich entfernt man

das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer. Nach der



Vakuumpumpe entfernt. Anschließend erfolgt die Bestimmung der Enantioselektivität am

Rohprodukt mittels chiraler HPLC.



8.2.4.2 Variation der Lösungsmittelmenge


Abbildung 51, Kapitel 3.3.4

In einem 10 ml Kolben werden 0,9 mg (0,0025 mmol entsprechen


(S,S)-6 vorgelegt und mit entweder 0 ml (0 Äq.) oder 0,33 ml

(36 Äq.) oder 0,18 ml (20 Äq.) oder 0,91 ml (100 Äq.) oder 10 ml

(~1000 Äq) dazugegeben wässriger, gesättigter Natriumchlorid-

Lösung versetzt. Danach werden 331 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton

und 57 µl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben. Nach

48 h Rühren, wird das Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert.

Schließlich entfernt man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer.

Die Umsatzbestimmung erfolgt mittels 1H-NMR-Spektroskopie direkt aus dem Rohprodukt

ohne weitere Aufreinigung. Nach Entfernung des Lösungsmittels an der Vakuumpumpe wird

die Enantioselektivität mittels chiraler HPLC bestimmt.




Tabelle 16: Variation der Lösungsmittelmenge bei Verwendung von 0,5 mol% Katalysator (S,S)-6 und gesättigter

wässriger Natriumchloridlösung gemäß Abbildung 51.

Eintrag gesättigte NaCl-Lösung [Äq.]

Gesamt-umsatz

[%] (R)-5 [%] 47 [%] 48 [%] ee [%]

1 0 >95 90 <5 5 83

2 20 >95 91 <5 <5 94

3 36 86 80 6 6 94

4 100 >95 90 <5 <5 94

5 1000 68 56 <5 11 91

8.2.5 Untersuchung des Reaktionsmechanismus

8.2.5.1 Untersuchung einer möglichen Retro-Aldolreaktion mittels Austausch von

Aceton

Synthese von 4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-2-on ((R)-5 oder (S)-5) als Rohprodukt,

Kapitel 3.3.5

In einem Präparategläschen werden 0,9-9,2 mg (0,0025 mmol-

0,025 mmol entsprechen 0,5-5,2 mol% bezogen aufβ-Hydroxyketon

((R)-5)) Organokatalysator (S,S)-6 vorgelegt und mit 0,33 ml

wässriger, gesättigter Natriumchlorid-Lösung versetzt. Danach

werden 329 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 100 μl (103,9 mg; aus

Eintrag 2, Tabelle 5, Kapitel 4.3.3; Reinheit 95%, entspricht

0,48 mmol) β-Hydroxyketon ((R)-5) hinzugegeben. Nachdem die


Lösung 24 h gerührt wurde, wird die Lösung mit Dichlormethan versetzt und über einen

Phasentrennfilter abdekantiert. Nachdem der Filter gründlich mit Dichlormethan gewaschen

worden ist, wird das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt (40°C, 600 mbar) bzw.

die Lösung stark eingeengt. Die Umsatzbestimmung erfolgt aus dem Rohprodukt mittels

1H-NMR. Danach wird das restliche Lösungsmittel an der Hochvakuumpumpe entfernt und

der Enantiomerenüberschuss mittels HPLC bestimmt.

8.2.5.2 Untersuchung einer möglichen Retro-Aldolreaktion mittels Austausch von

Aceton-d6

1H-NMR-Spektroskopischen Untersuchung des Abbau von (R)-4-(3-Chlorphenyl)-4-

hydroxybutan-2-on ((R)-5), Kapitel 3.3.5

In einem Präparategläschen werden 0,9 mg-9,2 mg (0,0025 mmol-


β-Hydroxyketon ((R)-5)) Organokatalysator (S,S)-6 vorgelegt und mit

0,33 ml wässriger, gesättigter Natriumchlorid-Lösung versetzt.

Danach werden 329 µl (4,4 mmol, 9 Äq.) Aceton-d6 und 100 μl

(103,9 mg; aus Eintrag 2, Tabelle 5, Kapitel 4.3.3; Reinheit 95%,

entspricht 0,48 mmol) β-Hydroxyketon ((R)-5) hinzugegeben.

Nachdem die Lösung 24 h gerührt wurde, wird die organische Phase

abpipettiert und sofort mittels 1H-NMR vermessen.



Biokatalysatoren

8.3.1 Synthese der Polymer-gebundenen Organokatalysatoren

8.3.1.1 Synthese des Carbonsäurechlorids der 2-Methylacroyloyethylsuccinylsäure

Synthese von 2-Methylacroyloxyethylsuccinoylchlorid (83) [114]

In einem 250 ml Rundkolben werden 15 ml (17,84 g,

77,5 mmol, mit 750 ppm Hydrochinon-Monomethylether

(engl. monomethyl ether of hydroquinone, MEHQ)

stabilisiert) 2-Methylacroyloxyethylsuccinylsäure (106) zu

30 ml (49,25 g, 414 mmol) Thionylchlorid (35)

hinzugegeben und bei Raumtemperatur 0,5 h gerührt.

Danach wird das Gemisch 1 h bei 50°C gerührt.

Schließlich wird das überschüssige Thionylchlorid (35) am

Rotationsverdampfer entfernt. Die Verbindung ist ein gelbliches, viskoses Öl, das ohne

weitere Aufarbeitung im nächsten Syntheseschritt eingesetzt wird.

Die Auswaage (und damit die Ausbeute) wurde nicht bestimmt


8.3.1.2 Synthese des Hydroxyprolin-O-Methylacrylat-Derivats

Synthese von O-(2-Methylacroyloxyethylsuccinoyl)-trans-4-hydroxy-(S)-Prolin

Hydrochlorid (85) [114]

In einem 250 ml Rundkolben werden 25 ml

Trifluoressigsäure (TFA, 84) vorgelegt und mit 10 mg

Hydrochinon (als Stabilisator) und 5,134 g (39,2 mmol)

trans-4-Hydroxy-(S)-Prolin (51) unter Rühren versetzt.

Nach 10 min wird das vorher synthetisierte

2-Methylacroyloxyethylsuccinoylchlorid (83, Kapitel

8.3.1.1) hinzugefügt und 2 h gerührt. Die gelbliche Lösung

wird mit 100 ml Diethylether versetzt; die daraus

entstehende Suspension wird dann eingefroren. Hierbei

resultiert ein viskoses Öl, welches unter starkem Rühren

und Kratzen (mit einem Spatel) langsam auf Raumtemperatur erwärmt wird. Nach 2 h

Rühren kristallisiert die Lösung als weißer Feststoff aus. Dieser wird über eine kleinporige

Glasfritte abfiltriert, mit MTBE (Methyl-tert-butylether) und Wasser mehrmals gewaschen und

schließlich an einer Vakuumpumpe getrocknet. Das Produkt ist ein weiß-kristalliner Feststoff.

Ausbeute: 56% (8,29 g; 21,8 mmol). Da im 1H-NMR-Spektrum noch 35 mol% MTBE

detektiert worden sind, wurde die tatsächliche Auswaage (12,73 g) um diesen Wert korrigiert.

Die angegebene Ausbeute entspricht einer Reinheit von 100%.

1H-NMR (300 MHz, CD3OD) δ [ppm] = 6.09 (s, 1H), 5.63 – 5.62 (m, 1H), 5.43 (t, J=4.5 Hz,

1H), 4.57 (dd, J=10.4 Hz, 7.9 Hz, 1H), 4.34 (s, 4H), 3.66 (dd, J=13.2 Hz, 4.5 Hz, 1H), 3.49 (d,

J=13.2 Hz, 1H), 2.66 – 2.56 (m, 5H), 2.40 (ddd, J=15.2 Hz, 10.5 Hz, 5.0 Hz, 1H), 1.91 (s, 3H)



8.3.1.3 Synthese von Boc-geschütztem Hydroxyprolin-Monomer

Synthese von N-tert-Butyloxycarbonyl-O-(2-methylacroyloxyethylsuccinoyl)-trans-4-hydroxy-

(S)-Prolin (86) [114]

Das vorher synthetisierte O-(2-Methylacroyloxy-

ethylsuccinoyl)-trans-4-hydroxy-(S)-Prolin Hydrochlorid

(8,29 g, 21,8 mmol, 85, Kapitel 8.3.1.2) wird in 30 ml

Dichlormethan aufgelöst, mit 10 mg Hydrochinon versetzt

und in eine Lösung von 6,607 g (30,3 mmol)

Di-tert-butyldicarbonat (39) und 12 ml (8,76 g, 86,6 mmol)

Triethylamin in 100 ml Dichlormethan hinzugegeben. Die

Lösung wird 1 h unter Rückfluss erhitzt und anschließend

mit 100 ml einer wässrigen Natriumhydrogensulfat-Lösung

versetzt (10,53 g, 87,7 mmol NaHSO4) und 5 min gerührt.

Nach der Abtrennung der organischen Phase wird die wässrige Phase dreimal mit 100 ml

Dichlormethan extrahiert und die vereinigten organischen Phasen schließlich mit gesättigter

Natriumchloridlösung gewaschen. Danach wird eine halbe Stunde über Magnesiumsulfat

getrocknet. Dann wird das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer und an der

Vakuumpumpe entfernt. Die isolierte Substanz ist ein gelbliches, sehr viskoses Öl, das bei

Raumtemperatur leicht spontan polymerisieren kann. Aufgrund des noch vorhandenen

Di-tert-butyldicarbonats (39) im Produkt (detektiert mittels 1H-NMR, 13C-NMR, und HSQC-

NMR), wurde eine Methode aus der Literatur angewendet, um es mild zu entfernen.[139]

Dabei werden 612 mg (9 mmol) Imidazol in eine Lösung aus 30 ml Methanol und 30 ml

Dichlormethan mit 8,77 g (Auswaage des mit Di-tert-butyldicarbonat (39) verunreingten

N-tert-Butyloxycarbonyl-O-(2-methylacroyloxyethylsuccinoyl)-trans-4-hydroxy-(S)-Prolin (86)

zugegeben und 3 h gerührt. Nachdem man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer

entfernt hat, verdünnt man das Reaktionsgemisch erneut mit Dichlormethan. Nach der

Zugabe von 300 ml 0,1 M Salzsäure, trennt man erneut die organische Phase ab und


extrahiert die wässrige Phase dreimal mit 100 ml Dichlormethan. Die vereinigten

organischen Phasen werden mit gesättigter Natriumchloridlösung gewaschen und über

Magnesiumsulfat getrocknet. Schließlich wird das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer

und an der Vakuumpumpe entfernt.

Produktbezogener Umsatz: >95%

Ausbeute: 40% (3,88 g, 8,7 mmol). Da durch schnelle spontane Polymerisation viel Substanz

verloren geht, wurde auf die Entfernung des Di-tert-butyldicarbonats (39) verzichtet und

stattdessen das Rohprodukt sofort für die anschließende Polymerisation verwendet.

1H-NMR (300 MHz, CDCl3, Rotamerenmischung) δ [ppm] = 6.10 (s, 1H), 5.58 – 5.56 (m, 1H),

5.27 (s, 1H), 4.45 – 4.32 (m, 5H), 3.71 – 3.54 (m, 2H), 2.66 – 2.56 (m, 4H), 2.45 – 2.19 (m,

2H), 1.92 – 1.91 (m, 3H), 1.45 – 1.40 (m, 9H).



8.3.1.4 Radikalische Suspension-Polymerisation von Boc-geschützem

Hydroxyprolin-Monomer

Synthese von vernetzten Polymerperlen mit Boc-Hydroxyprolin-Funkionalität (88) [114]

In einem 250 ml Dreihalskolben mit Rückflusskühler werden 38 mg Kaliumiodid und 0,2 ml

88% (m/m) Phosphorsäure mit 150 ml wässriger Polyvinylalkoholische-Lösung (Mowiol®

40-88, 0,5% (m/m)) versetzt und mit einem ovalen Rührfisch (20x40 mm) zum

gleichmäßigen Rühren gebracht. Dann wird das Rühren gestoppt und eine Lösung aus

12,146 g (52% Reinheit, entspricht 14,24 mmol) des vorher synthetisierten

N-tert-Butyloxycarbonyl-O-(2-methylacroyloxyethylsuccinoyl)-trans-4-hydroxy-(S)-Prolin (86,

Kapitel 8.3.1.3), 23,176 g (222,5 mmol) Styrol (74) und 0,834 g (Isomerengemisch, 80%

Reinheit, entspricht 5,1 mmol) Divinylbenzol (75) in 13,3 ml Toluol langsam und unter stetig

schneller werdendem Rühren hinzugegeben (bis max. 600 rpm). Nach der Zugabe von

305 mg Benzoylperoxid (87) wird die Lösung 10 min mit Argon gespült und dann 5 h bei

85°C gerührt. Die entstandene Suspension wird über Nacht abgekühlt. Anschließend wird sie

in ein Becherglas mit 500 ml Wasser gegeben und sehr vorsichtig gerührt. Das Rühren wird

nach 2 min unterbrochen und die Lösung 30 min stehen gelassen. Die sich nach einiger Zeit

am Boden abgesetzten Polymerperlen werden von der übrigen Lösung getrennt. Durch


Dekantieren können außerdem

größere, unförmige Polymerpartikel

entfernt werden. Diese Prozedur wird

vier bis fünfmal wiederholt. Danach

werden die Perlen abfiltriert, mehrmals

mit kleinen Portionen Methanol

(insgesamt 250 ml) und Wasser

(insgesamt 1 l) gewaschen und

schließlich 24 h im Exsikkator über

Phosphorpentoxid getrocknet. Um

weitere Verunreinigungen zu entfernen

werden die Perlen 6 h mittels Soxhlet-

Extraktion mit Dichlormethan

portionsweise gereinigt und anschließend an der Hochvakuumpumpe 24 h getrocknet. Die

Perlen sind farblos bzw. transparent und schwellen leicht in Dichlormethan an.

Auswaage: 25,12 g

IR: ṽ [cm-1] = 3457, 2925, 1646, 1601.

Elementaranalyse:

C [%] H [%] N [%]

78.53 7,52 1,05

Tatsächliche Beladung von 86 im Polymer: 0,75 mmol/g (mithilfe des angegebenen

Stickstoffanteils berechnet)


8.3.1.5 Amidkupplung der synthetisierten Polymerperlen mit Aminoalkoholen zur

Synthese von Polymer-gebundenen Organokatalysatoren

Synthese von Polymer-gebundenem Prolinamid-Organokatalysator 80 [114]

In einem 250 ml Rundkolben werden 4,119 g (3,09 mmol, Beladung von 86 beträgt

0,75 mmol/g) der vorher synthetisierten Polymerperlen (88) mit 50 ml Dichlormethan

versetzt. Anschließend werden der Reihe nach 1,72 ml (1,31 g, 10,11 mmol)


Diisopropylethylamin (DIPEA, 91),

2,197 g (10,09 mmol) (S)-2-Amino-

1,1,2-triphenylethanol (45), 2,949 g

(9,18 mmol) O-(Benzotriazol-1-yl)-

N,N,N′,N′-tetramethyluronium Tetra-

fluoroborat (TBTU, 90) und weitere

30 ml Dichlormethan zugegeben. Die

Reaktionslösung wird 4 h bei

Raumtemperatur gerührt. Nach

anschließender Filtration, werden die

Perlen mit 200 ml Dichlormethan

gründlich gewaschen und in einen

100 ml Kolben transferiert. Dort werden

sie mit 25 ml 98-100% (m/m)

Ameisensäure (44) versetzt und 18 h

bei Raumtemperatur gerührt. Schließlich werden 60 ml Wasser dazugegeben und man

filtriert erneut ab. Man wäscht die Perlen vorsichtig mit 200 ml Wasser, 200 ml gesättigter

Natriumhydrogencarbonatlösung und mit 100 ml Methanol. Die letzte Reinigung der Perlen

erfolgt durch Soxhlet-Extraktion (Dichlormethan, 6 h Laufzeit). Die Perlen werden an der

Hochvakuumpumpe 24 h getrocknet. Die Perlen sind farblos bzw. transparent und schwellen

leicht in Dichlormethan an.

Auswaage: 4,554 g

IR: ṽ [cm-1] = 3379, 3059, 3023, 2924,2851,1731,1650,1600.

Elementaranalyse:

C [%] H [%] N [%]

78.84 7,17 1,81

Katalysatorbeladung im Polymer: 0,65 mmol/g (mithilfe des angegebenen Stickstoffanteils

berechnet)


Synthese von Polymer-gebundenem Prolinamid-Organokatalysator 81

In einem 250 ml Rundkolben werden

3,918 g (2,94 mmol, Beladung von 86

beträgt 0,75 mmol/g) der vorher

synthetisierten Polymerperlen (88) mit

50 ml Dichlormethan versetzt.

Anschließend werden der Reihe nach

1,72 ml (1,31 g, 10,11 mmol)

Diisopropylethylamin (DIPEA, 91),

2,197 g (10,09 mmol) (R)-2-Amino-

1,1,2-triphenylethanol (89), 2,949 g

(9,18 mmol) O-(Benzotriazol-1-yl)-

N,N,N′,N′-tetramethyluronium Tetra-

fluoroborat (TBTU, 90) und weitere

30 ml Dichlormethan zugegeben. Die

Reaktionslösung wurde 4 h bei

Raumtemperatur gerührt. Nach anschließender Filtration, werden die Perlen mit 150 ml

Dichlormethan gründlich gewaschen und in einen 100 ml Kolben transferiert. Dort werden sie

mit 25 ml 98-100% (m/m) Ameisensäure (44) versetzt und 18 h bei Raumtemperatur gerührt.

Schließlich werden 60 ml Wasser dazugegeben und man filtriert erneut ab. Man wäscht die

Perlen vorsichtig mit 200 ml Wasser, 200 ml gesättigter Natriumhydrogencarbonatlösung und

mit 100 ml Methanol. Die letzte Reinigung der Perlen erfolgt durch Soxhlet-Extraktion

(Dichlormethan, 6 h Laufzeit). Diese werden an der Hochvakuumpumpe 24 h getrocknet. Die

Perlen sind farblos bzw. transparent und schwellen leicht in Dichlormethan an.

Auswaage: 4,403 g

IR: ṽ [cm-1] = 3379, 3059, 3023, 2924,2851,1731,1650,1600.

Elementaranalyse:

C [%] H [%] N [%]

80,6 7,30 1,80

Katalysatorbeladung im Polymer: 0,64 mmol/g (mithilfe des angegebenen Stickstoffanteils

berechnet)


8.3.1.6 Mikroskopische Abbildung des Polymer-gebundenen Organokatalysators


8.3.2 Aldolreaktion mit Polymer-gebundenen Organokatalysatoren

8.3.2.1 Katalysatoren-Screening


2-on ((R)-5) als Rohprodukt aus Tabelle 2 und Tabelle 3, Kapitel 4.3.2

Der jeweilige Organokatalysator (73 oder 78 oder 79, 10,0 mol%) wird mit destilliertem

Wasser versetzt. Anschließend gibt man der Reihe nach Aceton und 3-Chlorbenzaldehyd (4)

dazu und lässt die Lösung 24 h bei Raumtemperatur rühren. Alternativ wird das Gemisch

nicht gerührt. Nach dreifacher Extraktion mit Dichlormethan, engt man die vereinigten

organischen Phasen am Rotationsverdampfer ein (40°C, 600 mbar). Die Umsatzbestimmung

erfolgt mittels 1H-NMR-Spektroskopie direkt aus dem Rohprodukt ohne weitere Aufreinigung.



Tabelle 2 und Tabelle 3 mithilfe von Katalysator 73


durchgeführt. In einem Präparateglas werden 53 mg (0,04 mmol

entsprechen 10,0 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4),

Katalysatorbeladung 0,75 mmol/g) Organokatalysator 73 vorgelegt

und mit 0,14 ml destilliertem Wasser versetzt. Danach werden 588 µl

(8 mmol, 20 Äq.) Aceton und 45 µl (0,4 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben und die Reaktionsmischung

wird wahlweise gerührt. Nach 24 h wird das Rohprodukt mit


am Rotationsverdampfer.

Tabelle 17: Aldolreaktion mit Polymer-gebundenen Organokatalysator 73.

Eintrag Rühren Gesamt-

umsatz [%]


1 - 11 10

2 1000 rpm 12 12
















umsatz [%]


1 - 42 41

2 1000 rpm 12 12















umsatz [%]


1 - >95 95

2 1000 rpm >95 >95


überein.


8.3.2.2 Aldolreaktion mit Polymer-gebundenem Prolinamid-Organokatalysator und

variabler Katalysatormenge: Reaktionsbedingungen entsprechen der Literatur


Abbildung 74 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,5-10,0 mol% [114]

In einem 10 ml Kolben bzw. in einem Präparateglas (Eintrag 5,

Tabelle 25) werden 4 mg (0,002 mmol) oder 8 mg (0,004 mmol) oder

20 mg (0,01 mmol) oder 40 mg (0,02 mmol) oder 80 mg (0,04 mmol,

siehe Kapitel 8.3.2.1) Organokatalysator 79 (0,002-0,04 mmol

entsprechen 0,5-10,0 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4),

Katalysatorbeladung 0,5 mmol/g) vorgelegt und mit 0,14 ml

destilliertem Wasser versetzt. Danach werden 588 µl (8 mmol,

20 Äq.) Aceton und 45 µl (0,4 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4)

hinzugegeben und die Reaktionsmischung wird 24 h gerührt. Danach

wird das Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich wird die Reaktionslösung am

Rotationsverdampfer eingeengt (40°C, 600 mbar). Nach der Umsatzbestimmung mittels 1H-

NMR-Spektroskopie wird das restliche Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt und der





Tabelle 20: Variation der Katalysatormenge bei einer Reaktionszeit von 24 h gemäß Abbildung 74.


umsatz [%]


ee [%]

1 0,5 34 34 n.b.

2 1,0 63 62 91

3 2,5 >95 94 92

4 5,0 >95 >95 89

5 a)

10,0 >95 >95 89

n.b. = nicht bestimmt; a) Entspricht Eintrag 2 aus Tabelle 19

8.3.2.3 Aldolreaktion mit Polymer-gebundenen Prolinamid-Organokatalysatoren und

variabler Katalysatormenge: modifizierte Reaktionsbedingungen


2-on ((R)-5) als Rohprodukt aus Abbildung 75 und Tabelle 4, Kapitel 4.3.2

Der jeweilige Organokatalysator (79 oder 80, 0,5-50,0 mol%) wird mit gesättigter, wässriger


3-Chlorbenzaldehyd (4) dazu und lässt die Lösung 24 h bei Raumtemperatur rühren. Nach

Extraktion mit Dichlormethan bzw. Verdünnung mit Dichlormethan und Filtration über einen

Phasentrennfilter, entfernt man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer (40°C,

600 mbar). Die Umsatzbestimmung erfolgt mittels 1H-NMR-Spektroskopie direkt aus dem


Rohprodukt ohne weitere Aufreinigung. Nach Entfernung etwaiger Lösungsmittelreste an der

Vakuumpumpe wird die Enantioselektivität mittels chiraler HPLC bestimmt.


Abbildung 75 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,5-2,5 mol%


durchgeführt. In einem 10 ml Kolben werden 5 mg (0,0025 mmol)

oder 10 mg (0,005 mmol) oder 25 mg (0,0125 mmol)

Organokatalysator 79 (0,0025-0,0125 mmol entsprechen

0,5-2,5 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4),


gesättigter, wässriger Natriumchlorid-Lösung versetzt. Danach

werden 329 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 59 µl (0,5 mmol)


wird 24 h gerührt. Danach wird das Rohprodukt mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich

wird die Reaktionslösung am Rotationsverdampfer eingeengt. Nach der Umsatzbestimmung

mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das restliche Lösungsmittel an der Vakuumpumpe

entfernt und der Enantiomerenüberschuss mittels chiraler HPLC bestimmt.

Tabelle 21: Variation der Menge von Katalysator 79 bei einer Reaktionszeit von 24 h gemäß Abbildung 75.


umsatz [%]


ee [%]

1

0,5 17 16 n.b.

2 1,0 43 41 93

3 2,5 >95 93 92




Abbildung 75 und Tabelle 4 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,5-50,0 mol%


durchgeführt. In einem Präparateglas werden 3,8 mg (0,0025 mmol)

oder 7,7 mg (0,005 mmol) oder 19,2 mg (0,0125 mmol) oder 38,5 mg

(0,025 mmol) oder 76,9 mg (0,05 mmol) oder 385 mg (0,25 mmol)

Organokatalysator 80 (0,0025-0,25 mmol entsprechen

0,5-50,0 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4),


gesättigter, wässriger Natriumchlorid-Lösung versetzt. Danach

werden 329 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 59 µl (0,5 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben und die Reaktionsmischung wird 24 h gerührt.

Anschließend wird das Rohprodukt mit Dichlormethan versetzt und über einen


worden ist, wird die Lösung am Rotationsverdampfer eingeengt (40°C, 600 mbar). Nach der


Vakuumpumpe entfernt und der Enantiomerenüberschuss mittels chiraler HPLC bestimmt.


überein. Die Zuordnung der Signale im HPLC-Spektrum erfolgt gemäß Abbildung 41,

Kapitel 3.3.2.

8.3.2.4 Aldolreaktion mit Polymer-gebundenem Prolinamid-Organokatalysator und

variabler Reaktionszeit



Abbildung 76, Kapitel 4.3.2 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 10,0 mol%

In einem Präparateglas werden 76,9 mg (0,05 mmol, entsprechen

10,0 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4),


und mit 0,33 ml gesättigter, wässriger Natriumchlorid-Lösung

versetzt. Danach werden 329 µl (4,5 mmol, 9 Äq.) Aceton und 59 µl

(0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) hinzugegeben und die

Reaktionsmischung wird 0,03-24,0 h gerührt. Anschließend wird das

Rohprodukt mit Dichlormethan versetzt und über einen

Phasentrennfilter abdekantiert. Nachdem der Filter gründlich mit

Dichlormethan gewaschen worden ist, wird die Lösung am Rotationsverdampfer eingeengt


restliche Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt und der Enantiomerenüberschuss

mittels chiraler HPLC bestimmt.

Tabelle 22: Variation der Reaktionszeit bei Verwendung von 0,5 mol% Katalysator 80 gemäß Abbildung 47.

Eintrag Reaktionszeit t [h] Gesamt-

umsatz [%]


ee [%]

1 0,03 9 9 94

2 1,0 66 60 93

3 2,0 82 78 94

4 5,0 95 88 93

5 a)

24,0 90 84 93

a) Entspricht Eintrag 6 aus Tabelle 4


überein. Die Zuordnung der Signale im HPLC-Spektrum erfolgt gemäß Abbildung 41,

Kapitel 3.3.2.



Polymer-gebundenen Organokatalysatoren

8.3.3.1 Aldolreaktion im „batch“-Reaktor: Rezyklisierungsversuche



In einem Präparateglas werden 76,9 mg (0,05 mmol, entsprechen






wird 24 h gerührt. Anschließend wird das Rohprodukt mit

Dichlormethan versetzt und über einen Phasentrennfilter

abdekantiert. Nachdem der Filter gründlich mit Dichlormethan

gewaschen worden ist, wird die Lösung am Rotationsverdampfer eingeengt (40°C, 600

mbar). Nach der Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das restliche

Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt und der Enantiomerenüberschuss mittels

chiraler HPLC bestimmt. Der sich im Phasentrennfilter befindende immobilisierte Katalysator

wird über Nacht an einem gut gelüfteten Ort getrocknet. Dieser wird erneut abgewogen und

für den nächsten Reaktionzyklus wiederverwendet. Die dabei verwendeten Komponenten (3-

Chlorbenzaldehyd (4), Aceton) werden hierbei (je nach wiedergewonnene

Katalysatormenge) neu berechnet.


Tabelle 23: Rezyklisierungsversuche im „batch“-Reaktor.

a) Mögliche Gründe für die Zunahme der Auswaage könnten neben Wägeungenauigkeiten auch auf unvollständige Trocknung des Katalysators zurückzuführen sein.

b) Dies entspricht dem Maximalwert.

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in Kapitel 8.2.2.1 angegebenen Werten überein. Die Zuordnung der Signale im HPLC-Spektrum

erfolgt gemäß Abbildung 41, Kapitel 3.3.2.

Eintrag Zyklus Katalysator-menge [mg]

Berechnete Katalysator-

menge [mol%]

3-Chlor-benzaldehyd

[mmol]

Aceton [mmol]

Gesamt-umsatz [%]


ee [%]

1 1 76,9 10,0 0,52 4,50 >95 61 88

2 1 76,9 10,0 0,52 4,50 >95 61 88

3 2 78,4a)

10,0a,b)

0,52 4,50 >95 73 92

4 3 73,5 9,6 0,50 4,46 >95 75 92

5 4 71,5 9,3 0,48 4,34 >95 82 91

6 5 63,8 8,3 0,43 3,87 >95 75 88


8.3.3.2 Aldolreaktion in halbkontinuierlichen Durchflussreaktoren


2-on ((R)-5) als Rohprodukt aus Abbildung 79 und Tabelle 5, Kapitel 4.3.2

In diesem Prozess werden beide Edukte in einem Behälter miteinander vermischt und mit

Druck in einen Festbettreaktor (5 cm Höhe, 1 cm Durchmesser; 25 cm Höhe, 0,6 cm

Durchmesser) gepumpt, in dem sich die immobilisierten Organokatalysatoren 79 oder 80

befinden. In einzelnen Fällen wird der Katalysator mit destilliertem Wasser vorbehandelt. Die

aus dem anderen Ende des Reaktors ausströmende Flüssigkeit wird im selben Behälter

wieder aufgefangen und wieder durch den Reaktor gepumpt (Kreislaufreaktor). Dabei wird

eine konstante Fließgeschwindigkeit gewählt. Als Additiv kann dabei destilliertes Wasser

fungieren. Nach einer vorgegebenen Reaktionszeit (23-70 h) wird die Pumpeneinheit

gestoppt. Anschließend wird das Rohprodukt mit Dichlormethan versetzt und über einen


worden ist, wird die Lösung am Rotationsverdampfer eingeengt (40°C, 500-600 mbar). Nach

der Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das restliche Lösungsmittel an

der Vakuumpumpe entfernt und der Enantiomerenüberschuss mittels chiraler HPLC

bestimmt.



Abbildung 79 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,7 g (70,0 mol%) 79


durchgeführt. In einem Reagenzglas werden 2 ml (27,2 mmol,

54 Äq.) Aceton mit 59 µl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) und 2 ml

destilliertem Wasser versetzt und gerührt. Die Lösung wird mit einer

Fließgeschwindigkeit von 0,1 ml/min kontinuierlich durch einen

Reaktor gepumpt, in dem sich 0,7 g (0,35 mmol, entsprechen


Katalysatorbeladung 0,5 mmol/g) Organokatalysator 79 befinden

(Festbettreaktordimensionen: 5 cm Höhe, 1 cm Durchmesser). Nach

70 h Reaktionszeit wird die Pumpeneinheit gestoppt. Anschließend wird das Rohprodukt mit

Dichlormethan versetzt und über einen Phasentrennfilter abdekantiert. Nachdem der Filter

gründlich mit Dichlormethan gewaschen worden ist, wird die Lösung am




Gesamtumsatz: >95%


Enantiomerenüberschuss: 81% ee


Abbildung 80 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 0,01 g (1,0 mol%) 79


durchgeführt. In einem Reagenzglas werden 0,66 ml (9 mmol, 9 Äq.)

Aceton mit 118 µl (1 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) und 6 ml

destilliertem Wasser versetzt und gerührt. Die Lösung wird mit einer

Fließgeschwindigkeit von 1,0 ml/min kontinuierlich durch einen

Reaktor gepumpt, in dem sich 0,01 g (0,005 mmol, entsprechen

1,0 mol% bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4), Katalysatorbeladung

0,5 mmol/g) Organokatalysator 79 befinden

(Festbettreaktordimensionen: 5 cm Höhe, 1 cm Durchmesser). Nach








Gesamtumsatz: 30%




Tabelle 5 bei Verwendung einer Katalysatormenge von 1,32 g (171,6 mol%) 80


durchgeführt. In eine verschließbaren 250 ml Glasflasche wird

destilliertes Wasser gefüllt und mit 0,5 ml/min durch einen Reaktor

gepumpt, in dem sich 1,32 g (0,85 mmol, entsprechen 171,6 mol%

bezogen auf 3-Chlorbenzaldehyd (4), Katalysatorbeladung

0,65 mmol/g) Organokatalysator 80 befinden

(Festbettreaktordimensionen: 250 mm Höhe, 4,6 mm Durchmesser).

Anschließend wird das Pumpsystem gestoppt und der Behälter wird

durch eine verschließbare 250 ml Glasflasche ersetzt, die mit 25 ml

Aceton und 59 µl (0,5 mmol) bzw 1 ml (8,8 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) gefüllt ist. Unter konstantem Rühren wird die Lösung mit einer

Fließgeschwindigkeit von 0,5 ml/min kontinuierlich durch den Reaktor gepumpt. Nach 18-




Rotationsverdampfer eingeengt (40°C, 500 mbar). Nach der Umsatzbestimmung mittels

1H-NMR-Spektroskopie wird das restliche Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt und

der Enantiomerenüberschuss mittels chiraler HPLC bestimmt.


überein. Die Zuordnung der Signale im HPLC-Spektrum erfolgt gemäß Abbildung 41, Kapitel

3.3.2.


8.3.3.3 Aldolreaktion im Durchflussreaktor: Rezyklisierungsversuche



In eine verschließbare 250 ml Glasflasche wird destilliertes Wasser

gefüllt und mit 0,5 ml/min durch einen Reaktor gepumpt, in dem sich

1,66 g (1,08 mmol, entsprechen 215,8 mol% bezogen auf

3-Chlorbenzaldehyd (4) Katalysatorbeladung 0,65 mmol/g)

Organokatalysator 80 befinden (Festbettreaktordimensionen: 250 mm

Höhe, 4,6 mm Durchmesser). Anschließend wird die Pumpeneinheit

gestoppt und der Behälter wird durch eine verschließbare 250 ml

Glasflasche ersetzt, die mit 25 ml Aceton und 59 µl (0,5 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) gefüllt ist. Unter konstantem Rühren wird die

Lösung mit einer Fließgeschwindigkeit von 0,5 ml/min kontinuierlich durch den Reaktor

gepumpt. Die Pumpeneinheit wird nach 24 h Reaktionszeit gestoppt. Nach dreifacher

Extraktion mit Wasser und Dichlormethan werden die vereinigten organischen Phasen über

einen Phasentrennfilter abdekantiert und gründlich mit Dichlormethan gewaschen.

Anschließend wird die Lösung am Rotationsverdampfer eingeengt (40°C, 500 mbar). Nach

der Umsatzbestimmung mittels 1H-NMR-Spektroskopie wird das restliche Lösungsmittel an

der Vakuumpumpe entfernt und der Enantiomerenüberschuss mittels chiraler HPLC

bestimmt. Der Reaktor wird vor dem nächsten Zyklus mit Aceton gespült.


Tabelle 24: Rezyklisierungsversuche im Durchflussreaktor.

Eintrag Zyklus Gesamt-

umsatz [%]


ee [%]

1 1 >95 94 92

2 2 >95 93 92

3 3 >95 93 92

4 a) 4 >95 93 92

5 a)

5 >95 >95 92

a) Bei diesen Versuchen wurde aus technischen Gründen eine andere Pumpe verwendet (siehe Kapitel 8.1)


überein. Die Zuordnung der Signale im HPLC-Spektrum erfolgt gemäß Abbildung 41, Kapitel

3.3.2.


chiraler Alkohole

8.3.4.1 Synthese von immobilisierten Alkoholdehydrogenasen

Synthese einer immobilisierten Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus kefir

(Lk-ADH)

In einem 100 ml Rundkolben werden 10 ml pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM) vorgelegt.

Anschließend gibt man der Reihe nach 50 mg Magnesiumchlorid, 79 mg NADP+, 1 ml

Lk-ADH (2400 U/ml) und 2,5 ml iso-Propanol dazu und lässt 15 min rühren. Danach wird die

Lösung mit 1 g Favor SXM9155© Superabsorber versetzt und man lässt 10 min rühren. Nach

der Zugabe von 5 ml Wasser quillt das Polymer auf. Schließlich wird das Gel an der

Vakuumpume getrocknet (18 h). Der Wassergehalt des Immobilisats beträgt nach Trocknung

(24 h bei 107°C) 34% (m/m). Das Immobilisat wird ohne weitere Reinigungsschritte für die

Synthese von Alkoholen eingesetzt.

Aktivität des Immobilisats: (4,8 U/mg). Die Bestimmung erfolgt nach einer literaturbekannten

Methode.[138]



Synthese einer immobilisierten Alkoholdehydrogenase aus Rhodococcus sp..

(Rsp-ADH)

In einem 100 ml Rundkolben werden 10 ml pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM) vorgelegt.

Anschließend gibt man der Reihe nach 50 mg Magnesiumchlorid, 79 mg NAD+, 1 ml

Rsp-ADH (71 U/ml) und 2,5 ml iso-Propanol dazu und lässt 15 min rühren. Danach wird die

Lösung mit 1 g Favor SXM9155© Superabsorber versetzt und man lässt 10 min rühren. Nach

der Zugabe von 5 ml Wasser quillt das Polymer auf. Schließlich wird das Gel an der

Vakuumpume getrocknet (18 h). Der Wassergehalt des Immobilisats beträgt nach Trocknung

(24 h bei 107°C) 72% (m/m). Das Immobilisat wird ohne weitere Reinigungsschritte für die

Synthese von Alkoholen eingesetzt.

Aktivität des Immobilisats: (0,5 U/mg): Die Bestimmung erfolgt nach einer literaturbekannten

Methode.[138]


8.3.4.2 Synthese von 1-Phenylethanol als Referenzverbindung mittels

Natriumborhydrid

Synthese von 1-Phenylethanol (58) [140]

In einem 10 ml Rundkolben werden 117 µl (1 mmol) Acetophenon

(57) mit 1 ml THF versetzt. Anschließend gibt man 0,5 ml Wasser

und 0,4 g Aktivkohle hinzu. Das entstandene Lyogel wird für ca.

2 min gerührt. Danach gibt man 76 mg (2 mmol) Natriumborhydrid

hinzu und lässt ca. 15 min rühren. Nach Verdünnung mit

Dichlormethan wird das Gemisch über einen Phasentrennfilter

abfiltriert und gründlich mit Dichlormethan gewaschen. Schließlich

entfernt man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer und

vorsichtig an der Vakuumpumpe. Das Produkt ist eine farblose

Flüssigkeit.



1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.38 – 7.24 (m, 5H), 4.88 (q, J=6.5 Hz, 1H), 1.82 (s,

1H), 1.48 (d, J=6.5 Hz, 3H).

13C-NMR (101 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 145.9, 128.6, 127.5, 125.4, 70.4, 25.1.

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in [169-171] angegebenen Werten überein.

8.3.4.3 Synthese von 1-Phenylethanol als Referenzverbindung mittels einer

Alkoholdehydrogenase

Synthese von 1-Phenylethanol (58)

In einem 25 ml Rundkolben werden 58 µl (0,5 mmol) Acetophenon

(57) mit 7,5 ml pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM), 2,5 ml iso-

Propanol, 20 mg (0,03 mmol) NADP+ und 300 µl Lk-ADH

(1440 U/mmol) v% ersetzt. Nachdem die Lösung 18 h gerührt wurde,

wird dreimal mit Dichlormethan extrahiert, wobei bei jeder

Phasentrennung die Flüssigkeit zusätzlich über einen

Phasentrennfilter filtriert wird. Die vereinigten organischen Phasen

werden nochmals über einen Phasentrennfilter abfiltriert und

gründlich mit Dichlormethan gewaschen. Schließlich entfernt man

das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer und an der Vakuumpumpe. Die

Umsatzbestimmung erfolgt aus dem Rohprodukt mittels 1H-NMR.

Produktbezogener Umsatz/Gesamtumsatz: >95%

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in Kapitel 8.3.4.2 und in [169,170]

angegebenen Werten überein.


8.3.4.4 Synthese von 1-Phenylethanol mittels einer immobilisierten

Alkoholdehydrogenase (Lk-ADH)


In einem 25 ml Rundkolben wird 1 g immobilisierte Lk-ADH

(4,8 U/mg) mit 7,5 ml pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM) und

2,5 ml iso-Propanol versetzt. Anschließend gibt man 20 mg

(0,03 mmol) NADP+ und 58 µl (0,5 mmol) Acetophenon (57) hinzu

und lässt die Lösung 18 h rühren. Nach Verdünnung mit

Dichlormethan wird das Gemisch zweimal über einen

Phasentrennfilter abfiltriert und gründlich mit Dichlormethan

gewaschen. Schließlich entfernt man das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer und an der Vakuumpumpe. Die



Das abfiltrierte immobilisierte Enzym wird nach gründlichem Waschen mit 20 ml

iso-Propanol erneut in einen Katalysezyklus mit gleichen Bedingungen wie oben beschrieben

eingesetzt.

Produktbezogener Umsatz/Gesamtumsatz nach Rezyklisierung: 92%




8.3.4.5 Synthese von 1-Phenylethanol mittels einer immobilisierter

Alkoholdehydrogenase (Rsp-ADH)


In einem 25 ml Rundkolben wird 1 g immobilisierte Rsp-ADH


2,5 ml iso-Propanol versetzt. Anschließend gibt man 20 mg

(0,03 mmol) NAD+ und 58 µl (0,5 mmol) Acetophenon (57) hinzu und

lässt die Lösung 18 h rühren. Nach Verdünnung mit Dichlormethan

wird das Gemisch zweimal über einen Phasentrennfilter abfiltriert

und gründlich mit Dichlormethan gewaschen. Schließlich entfernt

man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer und an der

Vakuumpumpe. Die Umsatzbestimmung erfolgt aus dem Rohprodukt

mittels 1H-NMR.




8.3.4.6 Synthese von Phenylethanol mittels einer immobilisierten

Alkoholdehydrogenase (Lk-ADH) ohne externen Zusatz von Cofaktor





2,5 ml iso-Propanol versetzt. Anschließend gibt man 58 µl (0,5 mmol)

Acetophenon (57) hinzu und lässt die Lösung 18 h rühren. Nach

Verdünnung mit Dichlormethan wird das Gemisch zweimal über

einen Phasentrennfilter abfiltriert und gründlich mit Dichlormethan


Rotationsverdampfer und an der Vakuumpumpe. Die



Das abfiltrierte immobilisierte Enzym wird nach gründlichem Waschen mit 20 ml

iso-Propanol erneut in einen Katalysezyklus mit gleichen Bedingungen wie oben beschrieben

eingesetzt.

Produktbezogener Umsatz/Gesamtumsatz nach Rezyklisierung: 91%




Alkoholdehydrogenase (Lk-ADH) im organischem Medium




(4,8 U/mg) mit 10 ml iso-Propanol versetzt. Anschließend gibt man

58 µl (0,5 mmol) Acetophenon (57) hinzu und lässt die Lösung 20 h

rühren. Nach Abtrennung des Immobilisats mittels Filtration entfernt



mittels 1H-NMR.

Produktbezogener Umsatz/Gesamtumsatz: 55%




Alkoholdehydrogenase (Rsp-ADH) im organischem Medium



(0,5 U/mg) mit 10 ml iso-Propanol versetzt. Anschließend gibt man

58 µl (0,5 mmol) Acetophenon (57) hinzu und lässt die Lösung 18 h

rühren. Nach Abtrennung des Immobilisats mittels Filtration entfernt



mittels 1H-NMR.





8.3.4.9 Synthese von chiralen 1,3-Diolen mittels einer immobilisierten

Alkoholdehydrogenase (Lk-ADH)

Synthese von (1R,3R)-1-(3-Chlorphenyl)butan-1,3-diol ((R,R)-9)



2,5 ml iso-Propanol versetzt. Man gibt 100 µl (103,9 mg; aus Eintrag

2, Tabelle 5, Kapitel 4.3.3; Reinheit 95%, entspricht 0,48 mmol)

β-Hydroxyketon (R)-5 hinzu und lässt die Lösung 24 h rühren.

Anschließend wird das Rohprodukt mit Dichlormethan versetzt und

die Lösung über einen Phasentrennfilter gegeben. Nachdem der

Filter gründlich mit Dichlormethan gewaschen worden ist, wird die

Lösung am Rotationsverdampfer eingeengt. Nach der



Gesamtumsatz: 92%


Diastereomerenverhältnis: dr = 23/1 (syn/anti)

Enantiomerenüberschuss: >99% ee


überein.


8.3.4.10 Synthese von chiralen 1,3-Diolen mittels einer immobilisierten

Alkoholdehydrogenase (Rsp-ADH)

Synthese von (1R,3S)-1-(3-Chlorphenyl)butan-1,3-diol ((R,S)-9)



2,5 ml iso-Propanol versetzt. Man gibt 100 µl (103,9 mg; aus Eintrag

2, Tabelle 5, Kapitel 4.3.3; Reinheit 95%, entspricht 0,48 mmol)

β-Hydroxyketon (R)-5 hinzu und lässt die Lösung 18 h rühren.

Anschließend wird das Rohprodukt mit Dichlormethan versetzt und

die Lösung über einen Phasentrennfilter gegeben. Nachdem der

Filter gründlich mit Dichlormethan gewaschen worden ist, wird die

Lösung am Rotationsverdampfer eingeengt. Nach der



Produktbezogener Umsatz: >95%

Diastereomerenverhältnis: dr = 16/1 (anti/syn)



überein.


8.4 Chemoenzymatischen Mehrstufensynthesen


1,3-Diolen: Analytik

8.4.1.1 Synthese eines Benzylakohol-Derivats als Referenzverbindung

Synthese von (3-Chlorphenyl)methanol (103) [140]

In einem 10 ml Rundkolben werden 114 µl (1 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) mit 1 ml THF versetzt. Anschließend gibt

man 0,5 ml destilliertes Wasser und 0,4 g Aktivkohle hinzu. Das

entstandene Lyogel wird für ca. 2 min gerührt. Danach gibt man

76 mg (2 mmol) Natriumborhydrid hinzu und lässt ca. 15 min rühren.

Nach Verdünnung mit Dichlormethan wird das Gemisch über einen

Phasentrennfilter abfiltriert und gründlich mit Dichlormethan


Rotationsverdampfer und an der Vakuumpumpe. Das Produkt ist

eine farblose Flüssigkeit.

Ausbeute: >95% (142 mg; 1 mmol)

1H-NMR (400 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.33 (s, 1H), 7.28 – 7.14 (m, 3H), 4.63 (s, 2H), 1.87 (s,

1H).

13C-NMR (101 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 142.9, 134.4, 129.9, 127.7, 127.0, 124.9, 64.5.



8.4.1.2 Synthese eines Allylalkohols als Referenzverbindung: Reduktion von Enon

mittels Natriumborhydrid

Synthese von (E)-4-(3-Chlorphenyl)but-3-en-2-ol (104) [140]

In einem 10 ml Rundkolben werden 90 mg (0,5 mmol

(E)-4-(3-Chlorphenyl)but-3-en-2-on (47) mit 1 ml THF versetzt.

Anschließend gibt man 0,5 ml destilliertes Wasser und 0,4 g

Aktivkohle hinzu. Das entstandene Lyogel wird für ca. 2 min gerührt.

Danach gibt man 76 mg (2 mmol) Natriumborhydrid hinzu und lässt

ca. 15 min rühren. Nach Verdünnung mit Dichlormethan wird das

Gemisch über einen Phasentrennfilter abfiltriert und gründlich mit

Dichlormethan gewaschen. Schließlich entfernt man das

Lösungsmittel am Rotationsverdampfer und an der Vakuumpumpe.

Das Produkt ist eine farblose Flüssigkeit.



1.0 Hz, 1H), 6.25 (dd, J=15.9 Hz, 6.1 Hz, 1H), 4.47 (ddq, J=6.4 Hz, 6.3 Hz, 1.2 Hz, 1H), 1.35

(d, J=6.4 Hz, 3H).


68.6, 23.4.



8.4.1.3 Synthese eines Allylalkohols als Referenzverbindung: Reduktion von Enon

mittels einer Alkoholdehydrogenase

Synthese von (E)-4-(3-Chlorphenyl)but-3-en-2-ol (104)

In einem 25 ml Rundkolben werden 90 mg (0,5 mmol

(E)-4-(3-Chlorphenyl)but-3-en-2-on (47) mit 7,5 ml pH=7 Puffer

(Phosphatpuffer, 50 mM), 2,5 ml iso-Propanol, 15 mg (0,02 mmol)

NAD+ und 300 µl Rsp-ADH (42 U/mmol) versetzt. Nachdem die

Lösung 24 h gerührt wurde, wird dreimal mit Dichlormethan

extrahiert, wobei bei jedem einsammeln der Phasen die Flüssigkeit

zusätzlich über einen Phasentrennfilter filtriert wird. Die vereinigten

organischen Phasen werden nochmals über einen Phasentrennfilter

abfiltriert und gründlich mit Dichlormethan gewaschen. Schließlich

entfernt man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer und an der Vakuumpumpe. Die



Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in Kapitel 8.4.1.2 und in [83] angegebenen

Werten überein.


8.4.1.4 1H-NMR-Spektren der synthetisierten Referenzsubstanzen


8.4.2 Chemoenzymatische Eintopfreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diole

8.4.2.1 Eintopfreaktion mit Prolinamid-Katalysatoren und einer (S)-selektiven ADH

Synthese von (1R,3S)-1-(3-Chlorphenyl)butan-1,3-diol ((R,S)-9) unter Verwendung von

Organokatalysator (S,S)-6



(S,S)-6 mit 0,33 ml wässriger, gesättigter Natriumchlorid-Lösung

versetzt. Nach der Zugabe von 329 μl Aceton (4,5 mmol, 9 Äq.) und

57 μl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) wird das Reaktionsgemisch

24 h gerührt. Anschließend werden der Reihe nach 7,5 ml pH=7

Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM), 2,5 ml iso-Propanol, 15 mg

(0,02 mmol) NAD+ und 0,15 ml Rsp-ADH (10 U/mmol) dazugegeben

und 24 h gerührt. Danach wird die Lösung dreimal mit Dichlormethan

extrahiert und die vereinigten organischen Phasen werden über Magnesiumsulfat getrocknet.

Nach anschließender Filtration wird das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt. Die

Umsatzbestimmung erfolgt aus dem Rohprodukt mittels 1H-NMR. Zur Reinigung des

Produkts wird das Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt und

säulenchromatographisch aufgearbeitet. Das Produkt ist ein farbloses, viskoses Öl. Rf = 0,16

(Cyclohexan/Ethylacetat, 2/1, (v/v)). Anschließend erfolgt die Bestimmung der

Enantioselektivität mittels chiraler HPLC.


Gesamtumsatz: >95%



Diastereomerenverhältnis: dr > 25:1 (anti/syn)



4.3 Hz, 1H), 4.07 – 4.00 (m, 1H), 1.86 – 1.82 (m, 2H), 1.22 (d, J=6.3 Hz, 3H).


45.7, 23.5.

HPLC (OJ-H, Hexan/iso-Propanol 99/1, (v/v), flow 1,0 ml/min, 220 nm): tR= 83,7 min.

MS (EI): m/z = 200 [M +].

Elementaranalyse: C10H13ClO2; Berechnet: C 59,86%, H 6,53%; Gefunden: C 59,34%,

H 6,57%.






(S,S)-7 mit 0,33 ml wässriger, gesättigter Natriumchlorid-Lösung

versetzt. Nach der Zugabe von 329 μl Aceton (4,5 mmol, 9 Äq.) und

59 μl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) wird das Reaktionsgemisch

24 h gerührt. Anschließend werden der Reihe nach 7,5 ml pH=7

Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM), 2,5 ml iso-Propanol, 15 mg

(0,02 mmol) NAD+ und 0,3 ml Rsp-ADH (42 U/mmol) dazugegeben

und 24 h gerührt. Danach wird die Lösung dreimal mit Dichlormethan





säulenchromatographisch aufgearbeitet. Das Produkt ist ein farbloses, viskoses Öl.


Rf = 0,16 (Cyclohexan/Ethylacetat, 2/1, (v/v)). Anschließend erfolgt die Bestimmung der


Gesamtumsatz: >95%



Diastereomerenverhältnis: dr > 25:1 (anti/syn)


Die spektroskopischen Daten stimmen mit den oben angegebenen Werten überein.

8.4.2.2 Eintopfreaktion mit Prolinamid-Katalysatoren und einer (R)-selektiven ADH

Synthese von (1R,3R)-1-(3-Chlorphenyl)butan-1,3-diol ((R,R)-9) unter Verwendung von


In einem 25 ml Kolben werden 0,9 mg (0,0025 mmol entsprechen 0,5 mol% bezogen auf

3-Chlorbenzaldehyd (4)) Organokatalysator (S,S)-6 mit 0,33 ml wässriger, gesättigter

Natriumchlorid-Lösung versetzt. Nach der Zugabe von 329 μl Aceton (4,5 mmol, 9 Äq.) und

57 μl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) wird das Reaktionsgemisch 24 h gerührt.

Anschließend werden der Reihe nach 7,5 ml pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM), 2,5 ml

iso-Propanol, 17 mg (0,02 mmol) NADP+, Magnesiumchlorid (1 mM) und 0,3 ml Lk-ADH


(480 U/mmol) dazugegeben und 24 h gerührt. Danach wird die

Lösung dreimal mit Dichlormethan extrahiert und die vereinigten

organischen Phasen werden über Magnesiumsulfat getrocknet.

Nach anschließender Filtration wird das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer entfernt. Die Umsatzbestimmung erfolgt aus

dem Rohprodukt mittels 1H-NMR. Zur Reinigung des Produkts wird

das Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt und

säulenchromatographisch aufgearbeitet. Das Produkt ist ein

farbloses, viskoses Öl. Rf = 0,23 (Cyclohexan/Ethylacetat, 2/1, (v/v)).

Anschließend erfolgt die Bestimmung der Enantioselektivität mittels chiraler HPLC.

Gesamtumsatz: >95%



Diastereomerenverhältnis: dr > 25:1 (syn/anti)



3.1 Hz, 1H), 4.17 – 4.10 (m, 1H), 1.84 – 1.70 (m, 2H), 1.22 (d, J=6.2 Hz, 3H).


47.0, 24.3.

HPLC (OJ-H, Hexan/iso-Propanol 99/1 (v/v), flow 1,0 ml/min, 220 nm): tR= 69,1 min.

MS (EI): m/z = 200 [M +].




In einem 25 ml Kolben werden 1,0 mg (0,0025 mmol entsprechen 0,5 mol% bezogen auf

3-Chlorbenzaldehyd (4)) Organokatalysator (S,S)-7 mit 0,33 ml wässriger, gesättigter

Natriumchlorid-Lösung versetzt. Nach der Zugabe von 329 μl Aceton (4,5 mmol, 9 Äq.) und

59 μl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4) wird das Reaktionsgemisch 24 h gerührt.

Anschließend werden der Reihe nach 7,5 ml pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM), 2,5 ml

iso-Propanol, 17 mg (0,02 mmol) NADP+, Magnesiumchlorid (50 mM) und 1 ml Lk-ADH


(4800 U/mmol) dazugegeben und 24 h gerührt. Danach wird die

Lösung dreimal mit Dichlormethan extrahiert und die vereinigten

organischen Phasen werden über Magnesiumsulfat getrocknet.

Nach anschließender Filtration wird das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer entfernt. Die Umsatzbestimmung erfolgt aus

dem Rohprodukt mittels 1H-NMR. Zur Reinigung des Produkts wird

das Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt und

säulenchromatographisch aufgearbeitet. Das Produkt ist ein

farbloses, viskoses Öl. Rf = 0,23 (Cyclohexan/Ethylacetat, 2/1, (v/v)).


Gesamtumsatz: >95%



Diastereomerenverhältnis: dr > 25:1 (syn/anti)


Die spektroskopischen Daten stimmen mit den oben angegebenen Werten überein.


8.4.2.3 Eintopfreaktion mit immobilisierten Prolinamid-Katalysatoren und einer

(S)-selektiven ADH





Katalysatorbeladung 0,65 mmol/g) Organokatalysator 80 mit 0,33 ml

wässriger, gesättigter Natriumchlorid-Lösung versetzt. Nach der

Zugabe von 329 μl Aceton (4,5 mmol, 9 Äq.) und 59 μl (0,5 mmol) 3-

Chlorbenzaldehyd (4) wird das Reaktionsgemisch 24 h gerührt.

Anschließend werden der Reihe nach 7,5 ml pH=7 Puffer


NAD+ und 0,3 ml Rsp-ADH (42 U/mmol) dazugegeben und 24 h

gerührt. Danach wird die Lösung dreimal mit Dichlormethan extrahiert und die vereinigten

organischen Phasen werden über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach anschließender

Filtration wird das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt. Die Umsatzbestimmung

erfolgt aus dem Rohprodukt mittels 1H-NMR. Zur Reinigung des Produkts wird das

Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt und säulenchromatographisch aufgearbeitet.

Das Produkt ist ein farbloses, viskoses Öl. Rf = 0,16 (Cyclohexan/Ethylacetat, 2/1 (v/v)).



Gesamtumsatz: >95%



Diastereomerenverhältnis: dr = 22:1 (anti/syn)



überein.

8.4.2.4 Eintopfreaktion mit immobilisierten Prolinamid-Katalysatoren und einer

(R)-selektiven ADH






Katalysatorbeladung 0,65 mmol/g) 80 mit 0,33 ml wässriger,

gesättigter Natriumchlorid-Lösung versetzt. Nach der Zugabe von

329 μl Aceton (4,5 mmol, 9 Äq.) und 59 μl (0,5 mmol)

3-Chlorbenzaldehyd (4) wird das Reaktionsgemisch 24 h gerührt.

Anschließend werden der Reihe nach 7,5 ml pH=7 Puffer


NADP+, Magnesiumchlorid (50 mM) und 1 ml Lk-ADH (4800 U/mmol)

dazugegeben und 24 h gerührt. Danach wird die Lösung dreimal mit Dichlormethan





säulenchromatographisch aufgearbeitet. Das Produkt ist ein farbloses, viskoses Öl. Rf = 0,23

(Cyclohexan/Ethylacetat, 2/1, (v/v)). Anschließend erfolgt die Bestimmung der


Gesamtumsatz: >95%



Diastereomerenverhältnis: dr 25:1 (syn/anti)



überein.


8.4.3 Chemoenzymatische Dominoreaktion zur Synthese chiraler 1,3-Diole

8.4.3.1 Dominoreaktion mit ähnlichen Reaktionsparametern wie die Eintopfsynthese

Synthese von (1R,3S)-1-(3-Chlorphenyl)butan-1,3-diol ((R,S)-9) als Rohprodukt aus

Abbildung 102



(S,S)-6 mit 7,5 ml pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM) versetzt.

Nach der Zugabe von 329 μl Aceton (4,5 mmol, 9 Äq.), 57 μl

(0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4), 2,5 ml iso-Propanol, 15 mg

(0,02 mmol) NAD+ und 0,3 ml Rsp-ADH (62 U/mmol) wird das

Reaktionsgemisch 24 h gerührt. Danach wird die Lösung dreimal mit

Dichlormethan extrahiert und die vereinigten organischen Phasen

werden über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach anschließender


erfolgt aus dem Rohprodukt mittels 1H-NMR.

Gesamtumsatz: >95%



überein.


8.4.3.2 Einfluss der Verdünnung bei Variation der Lösungsmittelart in der

organokatalytischen Aldolreaktion

Allgemeine Arbeitsvorschrift (AAV9): Synthese von (R)-4-(3-Chlorphenyl)-4-hydroxybutan-2-

on ((R)-5) als Rohprodukt aus Tabelle 7, Kapitel 5.3.3

Aceton (4,5 mmol) wird mit 0,5 mmol 3-Chlorbenzaldehyd (4) und 0,5 mol%

Organokatalysator (S,S)-6 versetzt. Danach füllt man das Reaktionsgemisch mit pH=7 Puffer

(Phosphatpuffer, 50 mM) oder mit destilliertem Wasser auf 10 ml Volumen auf, sodass die

Gesamtkonzentration an 4 50 mM beträgt. Anschließend lässt man das Reaktionsgemisch

24 h bzw. 48 h rühren. Nach dreifacher Extraktion mit Dichlormethan entfernt man das

Lösungsmittel am Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar). Anschließend wird der Umsatz

mittels 1H-NMR bestimmt.


Tabelle 7, Kapitel 5.3.3 in pH=7 Puffer (Phosphatpuffer)




Organokatalysator (S,S)-6 vorgelegt und mit 329 µl (4,5 mmol, 9 Äq.)

Aceton und 59 µl (0,5 mmol, 50 mM) 3-Chlorbenzaldehyd (4)

versetzt. Danach werden 9,6 ml pH=7 Puffer (Phosphatpuffer,

50 mM) hinzugegeben. Nach 24 h bzw. 48 h Rühren wird das

Rohprodukt dreimal mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich


600 mbar). Die Umsatzbestimmung erfolgt aus dem Rohprodukt mittels 1H-NMR.



Tabelle 7, Kapitel 5.3.3 in destilliertem Wasser





Aceton und 59 µl (0,5 mmol, 50 mM) 3-Chlorbenzaldehyd (4)

versetzt. Danach werden 9,6 ml destilliertes Wasser hinzugegeben.

Nach 24 h Rühren wird das Rohprodukt dreimal mit Dichlormethan

extrahiert. Schließlich entfernt man das Lösungsmittel am

Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar). Die Umsatzbestimmung



überein.

8.4.3.3 Einfluss von Additiven in der organokatalytischen Aldolreaktion


2-on ((R)-5) als Rohprodukt aus Abbildung 103, Kapitel 5.3.3

Aceton (4,5 mmol) wird mit 0,5 mmol 3-Chlorbenzaldehyd (4) und 0,5 mol%

Organokatalysator (S,S)-6 versetzt. Danach gibt man 283 μl iso-Propanol oder 283 μl Rsp-

ADH oder 283 μl Lk-ADH (Konzentration insgesamt jeweils 28% (v/v)) oder 0,04 mmol


NADP+hinzu und man füllt das Reaktionsgemisch mit pH=7 Puffer (Phosphatpuffer, 50 mM)

oder mit destilliertem Wasser auf 1 ml Volumen auf, sodass die Gesamtkonzentration an 4

0,5 M beträgt. Anschließend lässt man das Reaktionsgemisch 24 h rühren. Nach dreifacher

Extraktion mit Dichlormethan entfernt man das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer

(40°C, 600 mbar). Anschließend wird der Umsatz mittels 1H-NMR bestimmt.


Abbildung 103, Kapitel 5.3.3 in pH=7 Puffer (Phosphatpuffer)





Aceton und 59 µl (0,5 mmol, 0,5 M) 3-Chlorbenzaldehyd (4) versetzt.

Danach werden 283 μl iso-Propanol oder 283 μl Rsp-ADH

(62 U/mmol) oder 30 mg (0,04 mmol) NADP+ oder 283 μl Lk-ADH

(509 U/mmol) dazugegeben und mit 329 µl oder 612 µl pH=7 Puffer

(Phosphatpuffer, 50 mM) versetzt. Nach 24 h Rühren wird das

Rohprodukt dreimal mit Dichlormethan extrahiert. Schließlich entfernt man das Lösungsmittel

am Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar). Die Umsatzbestimmung erfolgt aus dem

Rohprodukt mittels 1H-NMR.

Tabelle 25: Einfluss von Additiven in der organokatalytischen Aldolreaktion in pH=7 Puffer (Phosphatpuffer).

Eintrag Zusatz Gesamt-

umsatz [%]


1 - 95 83

2 iso-Propanol (28%, (v/v)) 91 85

3 Lk-ADH (28%, (v/v)) >95 87

4 Rsp-ADH (28%, (v/v)) 93 83

5 NADP+ (0,04 mmol) 94 82



Abbildung 103, Kapitel 5.3.3 in destilliertem Wasser





Aceton und 59 µl (0,5 mmol, 0,5 M) 3-Chlorbenzaldehyd (4) versetzt.

Danach werden 283 μl iso-Propanol oder 283 μl Rsp-ADH

(62 U/mmol) oder 30 mg (0,04 mmol) NADP+ oder 283 μl Lk-ADH

(509 U/mmol) dazugegeben und mit 329 µl oder 612 µl destilliertem

Wasser versetzt. Nach 24 h Rühren wird das Rohprodukt dreimal mit


Rotationsverdampfer (40°C, 600 mbar). Die Umsatzbestimmung erfolgt aus dem Rohprodukt

mittels 1H-NMR.

Tabelle 26: Einfluss von Additiven in der organokatalytischen Aldolreaktion in destilliertem Wasser.

Eintrag Zusatz Gesamt-

umsatz [%]


1 - 93 83

2 iso-Propanol (28%, (v/v)) 50 48

3 Lk-ADH (28%, (v/v)) 95 84

4 Rsp-ADH (28%, (v/v)) >95 87

5 NADP+ (0,04 mmol) 90 83


überein.


8.4.4 Einfluss der Acetonmenge in der Dominoreaktion zur Synthese von

chiralen Alkoholen


Abbildung 104




Vor der Zugabe von 59 μl (0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4)

werden 140 μl Aceton (1,9 mmol, 3,8 Äq.) oder 184 μl Aceton

(2,5 mmol, 5 Äq.) oder 220 μl Aceton (3,0 mmol, 6 Äq.) oder 257 μl

Aceton (3,5 mmol, 7 Äq.) oder 294 μl Aceton (4,0 mmol, 8 Äq.) oder

329 μl Aceton (4,5 mmol, 9 Äq.) sowie 283 µl iso-Propanol (28%

(v/v)), 15 mg (0,02 mmol) NAD+ und 0,3 ml Rsp-ADH (62 U/mmol) in

den Kolben hineingegeben und das Reaktionsgemisch wird 24 h gerührt. Danach wird die

Lösung dreimal mit Dichlormethan extrahiert und die vereinigten organischen Phasen

werden über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach anschließender Filtration wird das

Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt. Die Umsatzbestimmung erfolgt aus dem



Tabelle 27: Variation der Acetonmenge in der Dominoreaktion zur Synthese von 1,3-Diolen.

Eintrag Acetonmenge [Äq.]

Gesamt-umsatz [%]


Aldolprodukt (R)-5 [%]

Benzylalkohol 103 [%]

1 3,8 >95 54 11 31

2 5 94 60 7 21

3 6 >95 57 27 10

4 7 >95 57 28 10

5 8 >95 54 33 9

6 9 >95 50 38 6


überein.

8.4.4.1 Prozessentwicklung der Dominoreaktion: Änderung der Reaktionszeit



Abbildung 104 bei einer Reaktionszeit von 48 h und 9 Äquivalenten Aceton





(0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4), 283 µl iso-Propanol (28% (v/v)),

15 mg (0,02 mmol) NAD+ und 0,3 ml Rsp-ADH (62 U/mmol) wird das






Gesamtumsatz: >95%



überein.

8.4.4.2 Prozessentwicklung der Dominoreaktion: Änderung des iso-Propanol/Aceton

Verhältnis



Abbildung 104 bei einem Anteil an iso-Propanol von 77% (v/v) und 9 Äquivalenten Aceton





(0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4), 2,5 ml iso-Propanol (77% (v/v)),

15 mg (0,02 mmol) NAD+ und 0,3 ml Rsp-ADH (62 U/mmol) wird das






Gesamtumsatz: 69%



überein.

8.4.5 Einfluss der Enzymmenge in der Dominoreaktion zur Synthese von

chiralen Alkoholen



Abbildung 105





(0,5 mmol) 3-Chlorbenzaldehyd (4), 283 µl iso-Propanol (28% (v/v)),

15 mg (0,02 mmol) NAD+ und entweder 71 µl Rsp-ADH (10 U/mmol)

oder 142 µl Rsp-ADH (20 U/mmol) oder 283 µl Rsp-ADH

(40 U/mmol) oder 283 µl Rsp-ADH (62 U/mmol) oder 566 µl Rsp-

ADH (80 U/mmol) wird das Reaktionsgemisch 24 h gerührt. Danach

wird die Lösung dreimal mit Dichlormethan extrahiert und die vereinigten organischen

Phasen werden über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach anschließender Filtration wird das

Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt. Die Umsatzbestimmung erfolgt aus dem


Tabelle 28: Variation der Enzymmenge in der Dominoreaktion zur Synthese von 1,3-Diolen.

Eintrag Enzymaktivität [U/mmol]

Gesamt-umsatz [%]


Aldolprodukt (R)-5 [%]

Benzylalkohol 103 [%]

1 10 88 7 74 3

2 20 >95 50 35 10

3 40 >95 58 17 19

4 62 94 60 7 21

5 80 >95 51 14 29


überein.

9. APPENDIX | 211

9 Appendix

9.1 Synthese und Reduktion tertiärer β-Hydroxyketone

mittels Organo- und Biokatalyse

Wie in Kapitel 3.1.2 bereits erwähnt, gibt es wenige Beispiele für die direkte

organokatalytische Aldolreaktion zweier nicht-aktivierter Ketone.[66] Die entsprechenden

tertiären Aldolprodukte besitzen eine ungünstige thermodynamische Gleichgewichtslage,

weshalb die Isolierung und Weiterverarbeitung dieser Produkte extrem erschwert ist. Einen

möglichen Lösungsansatz dafür kann mithilfe einer in situ nachgeschalteten irreversiblen

Derivatisierung dieser β-Hydroxyketone erfolgen, beispielsweise durch Reduktion der

Carbonylgruppe des Aldolprodukts (Abbildung 111).

Abbildung 111: Synthese von 1,3-Diolen mittels Reduktion von tertiären β-Hydroxyketonen.

Eine geeignete enzymatische Methode zur dia- und enantioselektiven Reduktion von

β-Hydroxyketonen wurde bereits in Kapitel 4.3.4 und Kapitel 5 vorgestellt und kann an dieser

Stelle ebenfalls auch für die Herstellung tertiärer Aldolprodukte vom Typ 27 eingesetzt

werden (Abbildung 112). Diese relativ stabilen und isolierbaren Verbindungen stammen

beispielweise aus der organokatalytischen Aldolreaktion von Aceton und einem aktivierten

Keton wie α,α,α-Trifluoracetophenon (26) in Anwesenheit von (S)-Prolin (11). Sie wurden

212 | 9. APPENDIX

erstmals mit einem Enantiomerenüberschuss von 48% ee und einer Ausbeute von 99% von

ZHANG et al. synthetisiert.[67]

Abbildung 112: Synthese chiraler tertiärer β-Hydroxyketone nach ZHANG et al.[67]

Kürzlich erfolgte von DUANGDEE, unter anderem mittels HPLC und 1H-NMR-Spektroskopie,

eine partielle Charakterisierung von Diolen vom Typ 107, welche aus der Reduktion von

β-Hydroxyketonen 27 stammen. Nach Reduktion mit Natriumborhydrid können

Diasteromerenverhältnisse von dr = 89/11 (syn/anti) erzielt werden, wenn 27 eine

Enantioselektivität von 80% ee aufweist. Bei Verwendung von racemischem 27 werden

Diasteromerenverhältnisse von dr = 76/24 (syn/anti) erreicht (Abbildung 113).[172]

Abbildung 113: Synthese von 1,3-Diolen nach DUANGDEE.[172]

9. APPENDIX | 213

Basierend auf diesen Ergebnissen wird die erste präparative biokatalytische Reduktion von

(S)-27 durchgeführt. Dafür wird eine Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus kefir

verwendet. Zur Cofaktorregenerierung wird eine Glucosedehydrogenase (GDH) und

D-Glucose eingesetzt. Dabei wird ein produktbezogener Umsatz von >95% erzielt. Mithilfe

der von DUANGDEE durchgeführten Charakterisierung kann sogar eine eindeutige Zuordnung

der Diastereomere im 1H-NMR-Spektrum des Produkts erfolgen.[172] Das

Diasteromerenverhältnis beträgt 81/19 (syn/anti), wenn β-Hydroxyketon (S)-27 mit einem

ee-Wert von 25% ee (e.r. = 62,6/37,4) eingesetzt wird (Abbildung 114).

Abbildung 114: Synthese von 1,3-Diolen mittels Lk-ADH.

Aus einer nachfolgenden HPLC-Analyse kann schließlich die Produktverteilung bestimmt

werden. Dabei wird angenommen, dass die Reduktion mit Lk-ADH bevorzugt von der

enantiofacialen Si-Seite des Substrats abläuft; der Alkohol wird also (R)-selektiv gebildet.

Hieraus kann postuliert werden, dass Verbindung (2S,4R)-107 zu ca. 65% im Produkt

vorhanden ist (in partieller Übereinstimmung mit dem maximal möglichen ee-Wert bzw. e.r.-

Wert des Edukts), während (2S,4S)-107 nicht detektiert wird. Das Verhältnis der übrigen

Diole (2R,4R)-107 und (2R,4S)-107 beträgt dann vermutlich ca. 1/1, bei einem Anteil von

17% bzw. 18% im Produkt. Die Reduktion verläuft somit vermutlich höchst diastereoselektiv

für das Überschussenantiomer von 27 ((S)-27) und nicht-diastereoselektiv für das

Unterschussenantiomer von 27 ((R)-27).

214 | 9. APPENDIX

9.2 Experimenteller Teil

9.2.1 Verwendete Geräte und Chemikalien

Die Geräte und Chemikalien aus Kapitel 8.1 wurden ebenfalls für die hier beschriebenen

Experimente verwendet.

9.2.2 Synthese von tertiären β-Hydroxyketonen

Synthese von (S)-5,5,5-Trifluor-4-hydroxy-4-phenylpentan-2-on ((S)-27) [67]

In einem 25 ml Kolben werden 23 mg (0,2 mmol entsprechen

10 mol% bezogen auf α,α,α-Trifluoracetophenon (26))

(S)-Prolin (11) vorgelegt und unter Stickstoff mit 3 ml (41 mmol)

Aceton und 274 µl (2 mmol) α,α,α-Trifluoracetophenon (26) versetzt.

Nach 24 h Rühren wird der Feststoff abfiltriert und gründlich mit

Dichlormethan gewaschen. Schließlich entfernt man das

Lösungsmittel an der Vakuumpumpe. Mithilfe eines Impfkristalls

kristallisiert das Produkt aus.

Ausbeute: >95% (460 mg; 2 mmol)


1H-NMR (300 MHz, CDCl3) δ [ppm] = 7.54 (dd, J=7.3 Hz, 0.9 Hz, 2H), 7.41 – 7.31 (m, 3H),

5.43 (br s, 1H), 3.27 (dd, J=51.6 Hz, 17.2 Hz, 2H), 2.16 (d, J=10.8 Hz, 3H).

19F-NMR (282 MHz, CDCl3) δ [ppm] = -80.02.


45.0, 32.1, 30.9.

9. APPENDIX | 215

HPLC (OJ-H, Hexan/iso-Propanol 95/5 (v/v), flow 1,0 ml/min, 220 nm): tR(R) = 16,9 min; tR(S) =

28,3 min.

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in [67] und [65] angegebenen Werten

überein.

9.2.3 Synthese von 1,3-Diolen aus tertiären β-Hydroxyketonen mittels

Natriumborhydrid

Synthese von 1,1,1-Trifluor-2-phenylpentan-2,4-diol (107)


(S)-5,5,5-Trifluor-4-hydroxy-4-phenylpentan-2-on ((S)-27, 25% ee)

mit 10 ml THF versetzt. Danach gibt man 38 mg (1 mmol)

Natriumborhydrid hinzu und lässt die Lösung 12 h rühren.

Anschließend wird das Gemisch vorsichtig mit destilliertem Wasser

versetzt. Schließlich engt man die Reaktionslösung am

Rotationsverdampfer ein. Nach dreifacher Extraktion mit

Dichlormethan werden die vereinigten organischen Phasen über Magnesiumsulfat

getrocknet und das Lösungsmittel an der Vakuumpumpe entfernt. Schließlich erfolgt eine

säulenchromatographische Reinigung (Cyclohexan/Ethylacetat, 2/1, (v/v)).

Ausbeute: nicht bestimmt


1H-NMR (400 MHz, CDCl3, Diastereomerenmischung) δ [ppm] = 7.58 (d, J=7.6 Hz, 2H), 7.42

– 7.31 (m, 3H), 5.86 (s, 1H, syn), 5.45 (s, 1H, anti), 4.48 (s, 1H, syn), 3.83 – 3.72 (m, 1H,

anti), 2.41 – 2.16 (m, 2H), 2.10 (s, 1H, anti), 1.92 (ddd, J=15.2 Hz, 11.0 Hz, 1.9 Hz, 1H, syn),

1.21 (dd, J=12.4 Hz, 6.2 Hz, 3H).

19F-NMR (282 MHz, CDCl3) δ [ppm] = -75.7, -80.02.

216 | 9. APPENDIX

MS (EI): m/z = 234 [M +].

HPLC (OJ-H, Hexan/iso-Propanol 98/2 (v/v), flow 0,8 ml/min, 220 nm): tR= 32,0 min; 58,3

min; 104,5 min; 128,7 min.


9.2.4 Synthese von 1,3-Diolen aus tertiären β-Hydroxyketonen mittels einer

Alkoholdehydrogenase

Synthese von 1,1,1-Trifluor-2-phenylpentan-2,4-diol (107)

In einem 25 ml Reaktionsgefäß werden 63 mg (0,27 mmol)

(S)-5,5,5-Trifluor-4-hydroxy-4-phenylpentan-2-on ((S)-27, 25% ee)

mit 180 mg (1 mmol) D-Glucose versetzt und mit 7 ml pH=7 Puffer

(Phosphatpuffer, 50 mM) verdünnt. Bei konstant eingestelltem

pH-Wert (automatisiertes Titrationssystem, pH=7) werden 17 mg

(0,02 mmol) NADP+, Magnesiumchlorid (1 mM), 18 μl GDH

(18 U/mmol) und 0,2 ml Lk-ADH (740 U/mmol) dazugegeben und

144 h gerührt. Danach extrahiert man die Lösung dreimal mit Dichlormethan. Die vereinigten

organischen Phasen werden über Magnesiumsulfat getrocknet und das Lösungsmittel an der

Vakuumpumpe entfernt.



HPLC (OJ-H, Hexan/iso-Propanol 98/2 (v/v), flow 0,8 ml/min, 220 nm): tR= 31,8 min; 58,7

min; 118,6 min.

Die spektroskopischen Daten stimmen mit den in Kapitel 9.2.3 und in [172] angegebenen

Werten überein.

9. APPENDIX | 217

9.2.5 HPLC-Spektren

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