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Asymmetric Aza-Michael reactions catalyzed by hybrids metal-DNA

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Neuartige Hochleistungshybridkatalysatoren

Mittels Katalysen werden chemische Reaktionen beschleunigt, was sie für die industrielle Synthesechemie sehr wertvoll macht. Die EU fördert die Entdeckung und Charakterisierung neuer katalytischer Systeme, um so schwer fassbare aber biologisch wichtige Produkte zu erhalten.

Gesundheit

Kürzlich führte die Kombination der katalytischen Aktivität von Übergangsmetallkomplexen mit der Enantioselektivität von DNA zu beeindruckenden Ergebnissen. Hybridkatalysatoren aus Kupfer (II)-Komplexen (Cu (II)) und Doppelstrang-DNA zeigten die außergewöhnliche Fähigkeit, eine besondere herausfordernde Reaktion in Wasser mit hoher Enantioselektivität beschleunigen zu können. Dies war die erste Demonstration dieser Art ohne herkömmliche Katalysatoren. Die Wissenschaftler hinter dieser Entdeckung taten sich im EU-geförderten Projekt AMMDNACAT ("Asymmetric aza-Michael reactions catalyzed by hybrids metal-DNA") zusammen, um neue Hybridkatalysatoren für asymmetrische Reaktionen in wässrigen Medien zu entwickeln. Der Schwerpunkt lag auf der Aza-Michael-Reaktion, bei der mittels organischer Synthese eine Reihe von biologisch interessanten Produkten erzeugt wird. Ein wichtiger Gesichtspunkt war die Nutzung von umweltfreundlichen chemischen Prozessen mithilfe von Atomeffizienz und umweltverträglichen Lösungsmitteln. Umfangreiche Untersuchungen führten zu der unerwarteten Entdeckung eines neuen Produkts mittels Katalyse durch das Cu(II)-DNA-System. Ohne die DNA ermöglichte der Katalysator die Bildung des Aza-Michael-Additionsprodukts. Mit der DNA katalysierte das System eine andere Reaktion (Friedel-Crafts-Alkylierung) und eine anschließende enantioselektive Protonierungsreaktion mit 52% Enantioselektivität. Das Ergebnis ist der erste bekannte Fall, in dem die Chemoselektivität durch die Anwesenheit von DNA gesteuert wird. Es stellte auch eine signifikante enantioselektive Protonierung dar. Diese sind angesichts kleiner Protonengröße, inhärenter Reversibilität der Reaktion und der erforderlichen kinetischen Kontrolle über die Protonierung sehr schwer zu erzielen. Die Projektergebnisse unterstreichen die außergewöhnliche katalytische Aktivität dieses Metall-DNA-Hybrids. Nachfolgende Arbeiten konzentrierten sich auf die Optimierung der Reaktionsbedingungen, auf die Untersuchung anderer Substrate und auf eine mechanistische Studie, um die Rolle der DNA aufzuklären. Die Mehrzahl der Reaktionsprodukte kann nur mithilfe der DNA-Technologie hergestellt werden. Sie ermöglicht die Herstellung von zahlreichen wertvollen organischen Verbindungen mit Potenzial für den Einsatz bei der Herstellung von anderen biologisch aktiven Molekülen. Einige kinetische Untersuchungen im Rahmen des Projektes zeigten eine mehr als 600-fache Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu der katalysierten Reaktion nur mit Cu (II), das ist die stärkste bekannte Wirkung mit einem nicht-enzymatischen System. Die mechanistischen Untersuchungen machten die entscheidende Rolle der DNA deutlich. Weitere strukturelle und funktionelle Untersuchungen werden den Weg zu einem sinnvollen Entwurf dieser Hybridkatalysatorsysteme für viele andere anspruchsvolle, aber wichtige Transformationen ebnen.

Schlüsselbegriffe

Hybridkatalysatoren, Katalyse, Synthesechemie, Metallkomplexe, Enantioselektivität, DNA, Aza-Michael-Reaktionen, wässrige Medien, umweltfreundliche Chemie, Cu (II), Protonierung, Metall-DNA-Hybrid

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