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1,3-dipolare Cycloaddition und deren 3D-Visualisierung

Literaturbeispiel [2] von Rao et al. - Kommentar zur Reaktion

Mit dem Einsatz von Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) unter milden Reaktionsbedingungen verfolgten Rao et al. die Absicht, das Potenzial dieses Enzyms zur asymmetrischen Induktion einzusetzen. Die Reaktionsergebnisse für [2.1] zeigen, dass in geringen Mengen ein Überschuss an einem der optisch aktiven Isoxazolin-Produkte entstanden ist. Regiochemisch verlaufen die Reaktionen sehr selektiv, insofern ausschließlich Produkte mit meta-Konfiguration entstehen. Angesichts des Raumbedarfs der Pyridyl- und der Arylgruppe erscheint es plausibel, dass der favorisierte Übergangszustand derjenige ist, in welchem der Sauerstoff aus dem Arylnitriloxid an das α-C-Atom der Vinyl-Gruppe angreift und sich somit nur 5-Pyridyl-substituierte Isoxazolinprodukte bilden.

Um die Stereoselektivität der Umsetzungen zu erhöhen, entwickeln die Autoren Rao et al. folgendes Konzept: Da das 4-Vinylpyridin mit dem β-Cyclodextrin einen Einschlusskomplex bilden kann, soll die 1,3-dipolare Cycloaddition mit dem Nitriloxid in einem molekularen Käfig stattfinden, der die Stereochemie des Übergangszustandes und damit des resultierenden Reaktionsproduktes bestimmen soll. Die Überlegungen der Autoren sollen sich als zutreffend erweisen.

Der Einschlusskomplex wird vorbereitet, indem das 4-Vinylpyridin (155 mmol) mit Aceton (2 mL) zu einer wässrigen gesättigten Lösung von β-Cylodextrin bei 5 °C gegeben wird. Nachdem über 1H-NMR nachgewiesen wurde, dass sich auf equimolarer Basis der gewünschte Komplex gebildet hat, wird die Komplex-Lösung zu einer Pufferlösung gegeben, die das Nitriloxid und die Bäckerhefe enthält. Nach 20 h Inkubation bei 37 °C erfolgt die Aufarbeitung der Reaktionsmischung und die Analyse der Reaktionsprodukte sowohl via 1H-NMR als auch massenspektrometrisch.

Die Gesamtausbeute an dem 2-Isooxazolinprodukten beläuft sich auf 83-89 % und ist damit vergleichbar mit den Ergebnissen der Umsetzungen ohne Cyclodextrin. Die Ergebnisse der Enaniomerenüberschuss-Bestimmung weisen den Einsatz von β-Cyclodextrin als Erfolg aus: Mit e.e.-Werten von 23-64 % konnte die Enantioselektivität der Umsetzungen gegenüber den β-Cyclodextrin-freien Ansätzen deutlich erhöht werden. Als essenziell für das gewählte Reaktionssystem stellt sich nach Meinung der Autoren der Einsatz der Bäckerhefe als chiraler Katalysator dar, insofern die Reaktionsansätze mit β-Cyclodextrin und in Abwesenheit des Biokatalysators ohne Erfolg blieben. Rao et al. berichten, dass sie statt der gewünschten Cycloaddukte nur die zu den Nitriloxiden korrespondierenden Nitrile als Reaktionsprodukte identifizieren konnten.

Fazit

Gemäß den Ergebnissen Ihrer experimentellen Untersuchungen schlussfolgern die Autoren Rao, Bhanumati und Sattur, dass

  1. Bäckerhefe bestimmte Cycloadditionsreaktionen katalysiert,
  2. diese Katalyse asymmetrisch verläuft und
  3. durch den Einsatz von Cyclodextrin als molekularem Käfig die asymmetrische Induktion verstärkbar ist.
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